（机械工程专业论文）镍氢电池在线自动检测与筛选系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 镍氢电池凭借其优越的性能正在逐渐得到普及。由于生产工艺的限制，目 前的成品镍氢电池在性能上还存在着一定的个体差异。为了获得性能、参数较 为接近的单体镍氢电池，就必须对镍氢电池进行容量与性能方面的筛选。在当 前众多的镍氢电池筛选设备中，要么测试原理落后、功能单一，要么系统结构 复杂，价格昂贵，难以满足各镍氢电池封装、测试及使用单位的实际需要。本 次毕业设计正是以此项目为研究课题，详细论述了一套新型镍氢电池自动检测 与筛选系统的软硬件设计方法、技术开发、实验及调试的全过程。 在这套设计方案中以单片机为核心处理单元的下位机充放电模块完成电 池充放电状态切换、电池电压数据的a d 转换与上传等基本功能；而由p c 机 构成的上位机在对下位机充放电模块进行全面控制的同时，还具有自动检测与 判断镍氢电池充放电实时状态、实时显示各只电池充放电波形等重要功能。论 文中重点介绍了镍氢电池的充放电特性、恒流充放电电路的结构、充放电状态 控制单元的工作原理、上位机与下位机之间的通信结构及相关协议、系统控制 软件的程序编制等一系列的相关内容。 结合目前的现有条件，对单机模式下的下位机充放电模块进行了联机调试。 测试结果表明：系统的上位机与下位机之间建立起了一套可靠的数据通信体系： 上位机对下位机的控制准确有效，在准确、完整接收下位机上传数据的基础上， 能够调用相关数据实时显示各只电池的充放电波形并计算电池的实际容量；而 下位机在上位机的控制下，能够正确地进行电流参数设置、充放电状态切换与 a d 转换；系统硬件和软件的主要性能均达到了预期的技术目标。 关键词：镍氢电池；筛选；数据通信；r s - 4 8 5 ；m s c o m m ；a c t i v e x ；数字 电位器 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t o w i n g t oa d v a n c e dp e r f o r m a n c e ，t h en i m hb a t t e r yg r a d u a l l yb e c o m e sp o p u l a r a l lo v e rt h ew o r l d a sar e s u l to f m a n y u n d e f i n e df a c t o r s ，s u c ha st h em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y , t h e r ei ss o m e d i f f e r e n c eo np e r f o r m a n c eb e t w e e nt h en i m hb a t t e r i e s i n o r d e rt oa c q u i r es o m eb a t t e r i e sw h o s ep e r f o r m a n c ei sm o r es i m i l a r , w em u s ts o r tt h e n i m hb a t t e r i e sb ym e a n so fc a p a c i t yt e s t i n g al o to fc o m p a n i e sh a v ed e v e l o p e d s o m en i m h b a t t e r yt e s t i n g a n d - s o r t i n ge q u i p m e n t s ，b u tt h e s ee x p e n s i v ee q u i p m e n t s a r em o s t l yh a r dt os p r e a db e c a u s eo ft h es i m p l et e s t i n gp r o c e s sa n dt h ec o m p l e x s t r u c t u r e i no r d e rt os a r i s f yt h ev a r i o u sn e e d s ，an e wa u t o m a t i ct e s t i n g a n d - s o r t i n g s y s t e mf o rt h em i n hb a t t e r yi sd e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，t h ed e t a i lo ft h e o r i e sa n d m e t h o d sa b o u tt h en e w d e s i g ns c h e m ea r ed i s c u s s e d i nt h i ss c h e m e ，t h em a i nu n i to ft h el o w e r - m o d u l a t o ri sc o m p o s e do ft h em c u t h em a i nf u n c t i o n so ft h el o w e r - m o d u l a t o ra r e s t o p p i n g a n d c h a n g i n g t h e c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g c o n d i t i o n s ，t h e a d t r a n s f o r m i n g o f v o l t a g e ，t h e t r a n s p o r t i n go f t h ev o l t a g ed a t a t h et o p p e rc o m p u t e rm o d u l a t o ri sap c e x c e p t i n g f o r c o n t r o l l i n g t h e l o w e r - m o d u l a t o r , t h et o p p e rc o m p u t e rm o d u l a t o r s f u n c t i o n i n c l u d et h ej u d g i n gt h er e a l t i m e w o r k i n gc o n d i t i o n sa n dd i s p l a y i n gt h er e a l - t i m e w a v e ，a n ds oo n i nt h i st h e s i s ，t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r o c e d u r eo fan e wa u t o m a t i c t e s t i n g a n d - s o r t i n gs y s t e m o nt h em i n h b a t t e r yi si n t r o d u c e d ，t h ee m p h a s i sa r et h e p a t t e r n so fc h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g ，t h ec o n s t a n tc u r r e n tc h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g u n i tc i r c u i t ，t h ef r a m e w o r ka n dp r o t o c o lo ft h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt h et o p p e r c o m p u t e r a n dt h em c u ，t h er e a l i z a b l em e t h o da b o u tt h e d e s i g no f t h e s t r u c t u r eo f t h e r e a l t i m ec o n t r o ls o f t w a r e m c u - b a s e dc o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d r e s p e c t i v e l yt oc a r r yo n t h ee x p e r i m e n t as e to f r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r eh a sb e e nb u i l tb e t w e e nt h e t o p p e rc o m p u t e r a n dt h em c u a f t e r r e c e i v i n gt h ev o l t a g ed a t a ，t h et o p p e rc o m p u t e r c a nd r a wt h ec h a r g i n g - a n d d i s c h a r g i n gc u r v e s m e a n w h i l e ，c o n t r o l l e d b yt h et o p p e r c o m p u t e r , t h el o w e r - m o d u l a t o rc a ns e tt h ec u r r e n tc o r r e c t l y , t r a n s f o i t at h es t a t eo f c h a r g i n go rd i s c h a r g i n g ，c a t t yo u tt h ea dc o n v e r s i o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h i ss y s t e m sp e r f o r m a n c eh a sa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m a n t sf o rt h eh a r d w a r ea n d s o f l n v a r e k e yw o r d s ：n i m hb a t t e r y ；t e s t i n ga n ds o r t i n g ；c o m m u n i c a t i o n ；r s - 4 8 5 ；m s c o m m ； a c t i v e x ；d i g i t a lp o t e n t i o m e t e r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景 随着数码像机、m p 3 、手机及电动工具等便携式电子产品的逐渐普及， 人们对高性能电池的需求量变得越来越大。在众多可重复充电使用的二次 电池中，铅蓄电池与镍镉电池如果处置不当，其内部所含的铅、汞、镉等 重金属成分会对环境产生严重的影响。随着世界各国对环保的呼声日益高 涨，这就给可重复使用、不会对生态环境造成伤害的镍氢电池、锂电池带 来了广阔的发展空间。 镍氢电池的电动势为i 。2 v ，与普通酸性干电池或碱性高能电池的电 动势相仿，但使用成本却远远低于上述两类电池，因此，镍氢电池必将成 为传统一次性电池的理想替代品。在二次电池领域，镍氢电池更是凭借其 优越的安全性与极高的性价比而处在绝对垄断地位。 虽然镍氢电池的比能量( 单位重量或单位体积内存储的能量) 不及如 锂电池，但锂电池存在生产成本偏高、对过充电和过放电十分敏感、大电 流放电时存在严重安全隐患等缺陷从很大程度上限制了锂电池的推广普 及。2 0 0 4 年7 月初，最早将锂电池应用在笔记本电脑中的戴尔( d e l i ) 公司在新近发布的i n s p i r o n1 0 0 0 系列笔记本电脑中重新启用镍氢电池 作为标配电源；而戴尔最重要的竞争对手惠普公司也随即跟进，预计在 2 0 0 4 底前也推出类似的产品。 镍氢电池的综合放电性能与电池的原材料、生产设备及工艺流程之间 有着直接的关系，但由于生产过程中存在诸多不确定因素，造成了同一批 次生产出的镍氢电池问仍然具有明显的个体差异。如果把这些性能参差不 齐的单体电池级联( 串联，并联混联) 使用后，由于组中的各只单体电池 充放电特性不尽相同，必将使得容量最小的单体电池电压跌落最快。这样， 容易出现部分电池电量尚比较充沛而某些电池电量已彻底耗尽的现象，从 一定程度上缩短了电池组的有效放电时间。这也正是一些正规厂家生产出 的手机电池虽然标称容量不及如某些杂牌电池，但实际放电时间却远远超 过杂牌电池的原因所在。 若级联组中的其它电池电压降低不是很明显，那么性能较差的小容量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 单体电池电压跌落情况将被掩盖，使整个电池组在放电结束时小容量的单 体电池已经被过度放电。这种电池间容量的差异性不仅不会随着使用过程 的深入趋于消失反而会逐步恶化。由于电池组中小容量电池的影响，容量 较大的单体电池由于总是在放电尚未结束时便停止放电、充电尚未结束时 又停止充电。长期处在这种浅充浅放状态下，其电池容量会受到记忆效应 的影响而加速衰减，甚至很快便无法正常地充放电了。而容量偏小的单体 电池由于长期处在过放电状态甚至反向充电状态下，电池的使用寿命大为 缩短。 在上述两方面因素的共同作用下，级联组内各只电池间性能参数的差 异会逐渐拉大，具体表现为一种正反馈的特性从而使整个电池组提前失 效。因此，镍氢电池在组合使用前，必须经过有效的配对处理以筛选出容 量一致、性能接近的单体镍氢电池。 1 2 镍氢电池在线测试系统的现状 从理论上讲，工厂在生产出镍氢电池后就必须对电池的电量及相关参 数进行检测，只有检测合格的产品才能被投放市场。将数量众多且电化学 性能不尽一致的单体电池按照容量大小进行分选，是一个集信号检测、信 号采集、信号处理和分类于一体的复杂问题。由于镍氢电池生产厂家每天 生产的电池数量巨大，而电池容量的检测过程往往耗时较长，因而镍氢电 池的生产厂家一般都将电池容量分选这步合并到了电池的定容环节中， 即：只对镍氢电池容量做一个非常粗略的范围估计。同时，从后续的镍氢 电池生产工艺中我们可以了解到，成品镍氢电池的实际容量是处在以标称 容量为对称中心的一个正态分布范围内参数值具有一定的离散性。一些 电池的实际容量可能会大于电池表面所标注的容量值，但其它电池的实际 容量则接近或者达不到标称容量【l 】。 大型的手机电池生产厂家作为镍氢电池的二次加工企业在进行电池 组封装时，必须从大量电池中选取电化学性能基本一致的单体电池进行组 合封装后才能使生产出的手机电池具有良好的性能，这些企业每天需要进 行测试电池数量数以万计：各类镍氢电池批发零售商家，每天需要检测的 电池从几百至几千只不等；一些地区的质量监督部门每次可能只对几只到 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 几十只电池进行抽样检测上述行业及个人均需要一套适合自身特点、 功能完善的电池筛选、检测系统来完成对镍氢电池的容量筛选与归类处 理。 对镍氢电池最常用的筛选方法是先将电池的电量充满，然后在近似恒 流的条件下测量该电池的放电时间后经计算得出电池的实际容量。这种纯 手工的操作不仅效率很低，而且难以实现较高的测量精度。实际上，当前 除了极少数部门仍在采用手工筛选之外，其余大多数场合都采用了商品化 的镍氢电池容量自动检测系统1 2 】。这些测试设备虽然价格差别悬殊、功能 也不尽相同，但大致可以分为两大基本类型。 较简单的一类测试设备主要利用了荤片机对镍氢电浊的充放电过程 进行监控。受单片机功能及i o 口数量的限制，这类产品主要是通过简单 记录电池的有效放电时长来同时对4 8 只电池进行检测、筛选。由于工 作效率不是很高，而且往往无法获得电池的实时充放电曲线供对比观察之 用，因此这种方法只能得到一个大致的容量范围，无法兼顾电池内阻对电 池充放电性能的影响，实际得到的数据精度较低。虽然这类产品的价格不 足千元，但如果需要对较大数量的镍氢电池同时进行筛选，则必须购置多 套系统相应成本也被大幅拉高。 另一类产品中，单片机构成的下位机仅仅完成充放电过程的控制、信 息采集等功能；然后由p c 机作为上位机完成对电池整体性能的全面认识 与信息记录。显然，这类产品的性能最佳但同时也价格不菲，一套仅有 2 0 0 只左右电池检测量的系统最低报价都在8 0 0 0 元以上。无疑，高昂的 价格严重制约了这类设备的推广与普及。除此之外，由于这类产品是针对 大批量的电池在线筛选之用，因此其每个通道的充放电参数往往都全部一 样，缺乏灵活性；较高的系统维护成本同样也是其存在的明显不足。 1 3 本系统的结构 针对在实际工作中存在的上述问题以及现实需要，我们设计了这种新 型的低成本镍氢电池在线自动筛选系统。本系统通过模块化的设计思想将 计算机与单片机两者有机地结合起来使镍氢电池的控制与检测操作变得 简便可靠，并能达到较高的充放电精度。同时，系统还具有多种输出显示 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 功能，使镍氢电池的充放电过程变得非常形象、直观，也可以帮助使用者 随时了解系统的工作进度。 本系统采用了模块化的镍氢电池充放电自动检测方法，上位机由计算 机构成，利用v i s u a lb a s i c 完成人机接口界面的编写、数据的采样与存 储、充放电状态检测与识别、充放电参数设置与波形显示等内容：下位机 按模块化的方式进行工作，每套下位机均以8 9 c 5 1 单片机为核心，同时 配合恒流充放电电路、a d 转换电路构成一个充放电模块；各模块间充放 电过程相互独立，在上位机的控制下完成各项工作内容。上、下位机之间 采用了r s - 4 8 5 接口进行数据通信，下位机通过新型d a 器件与大功率 h o s - f e t 配合使用，实现了恒流充放电的设置、建立与控制。在充放电 过程中，对每只电池电压均进行了有效的监控，如果某个下位机充放电模 块出现异常可单独对其进行处理。 本系统下位机的r s - 4 8 5 接口芯片选用了s n 7 5 1 7 6 ，因此整个网络 的节点数( 下位机充放电模块的数量) 可以达到3 1 。每个下位机的充放 电通道数为8 ，因而系统可以同时对3 1 x 8 = 2 4 8 只镍氢电池进行检测与 筛选。一方面，系统可以根据实际需要，灵活方便地增加或减少下位机充 放电模块的数量；另一方面，如果下位机的r s - 4 8 5 接口芯片的驱动能力 较强、单片机内部含有较多r a m ，则本系统还有进一步扩展的空间。例 如，如果r s - 4 8 5 接口芯片采用s i p e x 的s p 4 8 5 r 、下位机的单片机选 用a t m e l 公司的8 9 c 5 2 ，则该系统理论上可以达到同时对4 0 0 1 6 = 6 4 0 0 只电池进行检测的能力，完全可以满足某些生产部门对大批量 电池进行检测、筛选的需要。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章镍氢充电电池的特性 2 1 镍氢电池的基本特性与性能指标 金属氢化物镍蓄电池( m h n i ) 与镍镉电池( n i - c d ) 一样，同属于 镍基类二次电池，均选用了n i ( o h ) 2 作为其正极材料。但镍氢电池以稀土 类贮氢合金( 一般用m 表示) 作为负极材料，这使得镍氢电池的能量密度 明显高于以海绵状金属铺作为负极材料的n i - c d 电池，而且电池内部不含 镉、铅或汞等对环境有害的物质。自从1 9 9 0 年实现商品化以来，凭借较 长的循环使用寿命( 充放电次数 5 0 0 ) 以及对环境友好等优异性能，镍 氢电池已经成为了镍镉电池与碳锌酸性干电池的最佳替代产品。 2 1 1 镍氢电池能量转换原理 在镍氢电池内部的正极和负极之间由可通过氢离子和氢氧根离子的 隔膜隔开，并加注k o h 水溶液作为导电剂。镍氢电池充电过程中正负极 上的电化学反应方程如下： 寄由 正极：n i ( o h ) 2 + o h 一嚣n i o o h + h 2 0 + p ( 2 - 1 ) 右由 负极：m + h 2 0 + 。嚣m h + 明一 ( 2 - 2 ) 对整个镍氢电池而言，其内部完整的反应方程式为： 充电 n i ( o h ) 2 + m 嵩n i o o h + m h ( 2 3 ) 由于k o h 电解液的存在，溶液中的水分子会在电流的作用下被电离 成h + 离子和o h 一离子。在充电过程中，溶液中的h + 离子在负极表面得 到电子还原成h 原子，然后h 原子由负极表面向内部扩散并与负极贮氢 合金结合而形成金属氢化物m h 。而在放电时，氢化物h h 中的氢原子会 在负极表面失去电子而转变为h + 离子，进入电解液与电解液中的o h 一根 离子再次结合生成水分子。由此可见，在整个充放电过程中只是氢原子和 氢离子的变化，而没有发生任何负极的消耗。从式( 2 - 3 ) 也可以看出， 镍氢电池在工作时，内部的碱性k o h 电解质水溶液不仅起离子电荷迁移 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 作用，同时还参与了部分电池的正负极反应，但对整个电池反应来讲，只 要电池密封效果较好，在正常充放电条件下电解质同样是没有损耗的。 2 1 2 镍氢电池的生产工艺 在工厂中，镍氢电池均是由专用的自动化流水线进行生产。生产流程 共包括为电极极片生产、电池装配、电池化成及电池分容等四项内容。 完整的自动化极片生产是使用发泡镍、扩张金属网或镀镍冲孑l 金属板 ( n p p s ) 来制作镍氢电池的正极、负极合金电极的电极材料。电极的生 产线均配置有一个专属的涂布头，通过均匀的涂布品质来得到均匀分布的 电池容量：同时高品质的滚压机能够实现电极材料最高的堆积密度，以达 到较高的负载电量。 全自动的电池组装线可以生产a a a ，a a ，a 等不同系列的圆柱形电 池。在组装线上要完成低阻抗镍柄与极板的生产、正确形状的卷绕、电极 间的短路检测、准确数量的电解液加注，以及良好的收口封装等内容。 化成是整个镍氢电池生产流水线中最关键的一道工序。简单来讲，化 成是一个能量激活的过程。首先对已封口的镍氢电池进行短暂恒压充电， 然后迅速放电，如此进行几个循环，使电极充分浸润电解液实现充分活化， 并使电池容量基本达到设计要求( 即达到完全化成) 。为了达到一定的精 度，通常的化成设备都是利用中央处理器( c p u ) 来进行全程自动化控制， 并使用4 针的镀金铍铜尖头探针方式来准确读取电池的电池容量与电压。 不同型号的的电池必须使用不同的化成参数。 电池化成作为一种深充深放的过程，所得到的参数不便于记录，即使 能够记录下来也并没有太多的实际意义；而且化成后的电池容量并不一定 都能够达到标准的额定值，因此完整的生产流程中还必须对镍氢电池进行 分容检测。通过测试化成后的镍氢电池容量来实现对不同性能( 容量) 的 电池进行归类、电池等级划分、容量匹配等目的，正是镍氢电池品质管理 中的一项重要内容。 容量达到或超过额定值的，将作为a 级产品进行优价销售：容量勉强 达到设计要求的电池则列为b 级产品，按正常价格销售；而剩下的就属于 c 级产品了。a 、b 级产品虽然质量不错，但由于厂家每天生产的电池数 量巨大对电池进行的上述容量分选也仅仅是一个很粗略的检测，各只电 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 池的实际容量仍然存在较大差异。如果下游生产厂家直接将a 、b 级单体 电池按等级封装成组合蓄电池，那么生产出的产品质量仍然难以保证。c 级产品的单体电池容量虽然不能达标，电池问的质量差别也比较较大，但 价格极为低廉，勉强供一般民用场合使用还是完全可以的。 国内目前有很多镍氢电池生产企业为片面追求电池的产量，在分容环 节上没有严格执行镍氢电池的生产检测标准，一般只对生产出的镍氢电池 能否充得进电或是否有电做一些简单测试，个别企业甚至干脆省略了这一 重要环节。这也使得生产出的镍氢电池缺乏质量保证，在内阻、容量的一 致性等质量指标上达不到要求。这类电池往往做工简陋、标识不清但有着 极低的价格优势，与正规厂家生产c 级电池被统称为“工包电池”，在当 前的镍氢电池批发、销售环节中所占的数量是最大的。无疑，这些产品必 须要经过强制性的筛选后才能进行组合使用。 2 1 3 镍氢电池的容量指标 衡量镍氢电池综合性能高低的主要参数包括额定容量、动态电池内 阻、比能量、自放电率、电解液载电能力以及循环寿命等多个方面，但在 中、小电流放电场合下，容量则是制约镍氢电池性能优劣的关键指标，因 而大多数镍氢电池筛选检测系统都将电池容量作为首选的检测内容。 镍氢电池的额定容量是指在一定的放电条件下，电池放电至截止电压 时总共释放出的电量( 一般通过放电时间与放电电流之积进行反映) ，常 见单位有“m a h ”与“a - h ”两种。很显然，在相同放电电流的条件下， 如果电池容量越大，则该电池的放电电流时间就越长。比如某粒镍氢电池 的额定容量为1 8 0 0 m a h ，则表明该电池能够以1 8 0 0 m a 的电流持续放 电1 小时：以此类推，如果放电电流为1 8 0 m a 则该电池的放电时间可以 达到1 0 小时左右。 2 2 镍氢电池的充电特性及充电中止状态检测 2 2 1 镍氢电池的充电曲线 一般而言，充电电池的电量在逐渐增加的同时，其内阻会逐渐下降， 因此镍氢电池最合适的充电方法为恒流充电。如果采用的是恒压方式充 电，则随着充电进程的深入，充电电流会因内阻的减小而变得越来越大， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 加剧电池外壳温度的升高。电池内部电解液所析出的大量氢气如果来不及 与负极结合生成m h ，则有发生爆炸的潜在危险。 图2 ，l 为某只电池的恒流充电曲线，为了说明完整的充电过程，系统 对该电池进行了少许的过充。( 该曲线在测试过程中的采样间隔为5 分钟，故其 实际充电时间约为5 小时左右) 图2 1 镍氢电池的充电曲线 从图2 - 1 中可以看出。镍氢电池的充电是一个非均衡的过程。在充电 起始阶段，由于电池电量较少，电池内部的活性物质浓度较大，在获得充 电的能量后电池电压上升较快。随着充电过程的继续，当充电进入一个平 衡过程时，充电电压表现为一种平台期，虽然总体上仍然维持着增长的趋 j t ， 势，但电压上升速度趋缓，即；= s ( 占为一个较小的i e 值) 。当电池电量 d t j t ， 快要充满时，；又开始逐渐增大。待电池电量完全充满后。电池电压也 俄 1 ， 不再继续上升，基本保持为一个固定值，即等= 0 。如果此时继续对镍氢 口f 电池进行充电，尤其是以较大的电流继续充电时，电池电压将出现一个负 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 增长，即一a v ：一s ( s 为一个较小的正值) ，此时在镍氢电池的充电电压曲 馥 线中出现了一个明显的拐点。 从总体来看，整个充电曲线在起始阶段的华较大在充电过程中譬 d fa l 逐渐减小，到了充电后期时，；又开始出现一定的增长，直到电池电量 珊 充满后华：0 ；继续对满充的电池充电时，华会变为负数，电池电压逐 d t d t 渐开始下降。 如果增加充放电电流的密度，整个充电曲线在时间坐标上会有所压 缩，电池的充电时间也将被缩短。但这种做法将使测出的镍氢电池容量有 所下降，而且充电电流密度越大，测算容量下降得也就越多；另外，这种 做法还会严重影响到镍氢电池的充放电循环次数。为了确保电池的使用寿 命以及在测试时不至于损坏被测电池，大多数的镍氢电池检测、筛选系统 都没有采用太大的电流进行充电。 需要值得注意的是，快充还是慢充仅仅是一个相对的概念，这和电池 本身的容量之间有着极大的相关。一般说来，若某节镍氢电池的标称容量 为c ( 单位：m a h ) ，在以小于0 0 5 c ( 单位：m a ) 的电流对电池进行充电 时属于涓流充电，在采用o 1 0 2 c 的恒定电流对电池进行充电时为慢 充，在以0 2 0 8 c 的电流充电时为快充，而在用大于0 8 c 的电流对电 池进行充电则属于超快速充电。慢充与快充则对电池性能不会产生太大的 影响。在以0 3 0 6 c 范围内对镍氢电池进行的快速充电，可在保证安全 的同时还提高了充电的效率，因而在镍氢电池筛选系统中得到了普遍采 用。而在超快速充电过程中，电池的温度上升较快，对电池造成的伤害也 非常大：比如：a 级镍氢电池使用0 2 c 的电流充电一般能够循环使用7 0 0 次以上，但在采用1 c 的电流进行充电时循环次数往往还达不到5 0 0 次。 在充电结束时，需要及时停止充电或转入涓流充电状态，否则会对电 池造成一些不可逆转的影响。在过充的情况下，镍氢电池内部将发生如下 的一系列氧化复合反应： 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 4 0 h 一_ 2 h 2 d + d 2 + 4 9 2 h 2 0 + 0 2 + 4 e _ 4 0 h m t - i + o h 一 m + h 2 0 + e + a ( 5 - 1 ) ( 5 - 2 ) ( 5 3 ) 从上述方程我们可以看出，镍氢电池的充电本身是一个释放热量的过 程，而在大电流充电的末期以及过充电的条件下，电池的放热尤为明显。 热量的主要来源包括以下几方面： ( 1 ) 电池欧姆极化热q 1 ； ( 2 ) 电化学极化热q 2 ； ( 3 ) 卜1 h - n i 电池电化学反应热q 3 ： ( 4 ) 电池过充电氧复合热q 4 。 镍氢电池过热会损伤其内部的电极材料和隔膜材料，从而影响到电极 的性能和寿命：若在高于6 0 0 c 的温度下持续对电池进行充电，则镍氢电 池有漏液甚至爆炸的可能。因此在对镍氢电池进行充电时必须尽量避免大 电流充电及过充电等现象的出现。 本系统考虑到不同场合对镍氢电池筛选的需求可能有所不同，因而在 设计时没有对充电电流做出限制，使用者可以根据电池的实际容量与检测 的实际要求自主地选择充电电流。只要充电电流取值比较合理 ( 0 2 , - , 0 6 c ) ，电池在整个充电过程中温升是很小的。充电前期仅凭手感 基本上是难以察觉出电池温升的，而在充电结束时电池外壳也只是微微发 热( 小于6 0 。c ) 。 2 2 2 镍氯电池充电中止状态检测 i e c 标准规定镍氢电池的额定容量是将电池在2 0 5 。c 的环境中以 0 1 c 充电1 6 小时后再以0 2 c 放电至1 o v 时所放出的电量。之所以要 充电1 6 小时，主要是为了实现对充电终点的控制。但是由于被测试的电 池在充电前可能已经存储了一定的电量，如果仍然要保证1 6 小时的充电 时间就容易产生过充电的结果。因此，镍氢电池除了通过以充电时间来控 制充电终点外，往往还使用了如下一些检测信息作为判断充电是否结束更 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 加准确可靠的依据。 ( 1 ) v m a x 控制法 电池在充电过程中，其端电压会随着充电过程的深入而不断上升，当 所充电量达到额定容量的1 0 0 左右时，电池的端电压会比额定电压高出 一定数值，这个电压值被称为满容量电压。通过检测满容量电压的大小可 用来地作为检测镍氢电池是否满充的依据。 v 。控制法实现起来最为简单，一般只需要查询电池电压是否达到某 个设定的峰值电压即可判断出电池是否已经满充。但由于电池之间存在明 显的个体差异，峰值电压也可能不尽相同。而在另方面，随着充电次数 的增加，每只电池的峰值电压有下降的趋势。因此如果单纯地使用峰值电 压控制法作为电池充电终点的检测并不可取。不过，将v m a 。控制法用来 判断电池在充电过程中是否出现问题或已经损坏倒也不失为一种非常有 效的检测方法。 ( 2 ) t m a x 控制法 镍氢电池在以中小电流进行充电的过程中。外壳温度随着充电过程的 进行会以极为缓慢的速度上升。在没有达到满额充电时，电池外壳温度不 是很高；当充电基本结束时，电池的外壳温度会逐渐上升至一定的数值， 该值即可作为判断镍氢电池满充的依据。显然，这种方法受环境因素的影 响极为明显，实际效果并不理想，一般很少被采用。 d 丁 ( 3 ) i 控制法 l 正如前面所述，镍氢电池的充电是一个释放热量的过程，因此电池的 外壳温度会随着充电过程的继续而缓慢上升。由于电池外壳的温度上升速 j 叩 度很慢，故娑始终保持为一个较小的正值。只有当接近1 0 0 的充电量 d r 时，镍氢电池的外壳温度会出现一个明显的上升过程，此时镍氢电池的外 j 中 壳温度变化率；较大。 甜 控制法正是通过上述的温度异动来检测镍氢电池充电终止状态 d f 的。这种方法在实际使用时效果不错，但受环境因素的影响较为明显，加 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 之温度传感器的线性普遍较差且往往需要进行一些后续处理，因而实际使 用起来比较麻烦，业余条件下难以达到较好的控制效果，主要被用在超大 电流的充电状态检测或用来判断镍氢电池在充电过程中是否存在不稳定 性或出现了严重的功能性故障。 d v ( 4 ) o i 控制法 镍氢电池在充电量达到容量的1 0 0 时如果继续充电，其端电压在短时 间内不会继续上升，即娑= 0 。这种利用零电压上升率来检测镍氢电池充 讲 电中止状态的方法即为。华控制法。华控制法是完全根据镍氢电池的基 t i t讲 本充电特性所总结出来的，故用来判断镍氢电池满充的准确性相对而言是 最高的。 综合上述各种控制法的优缺点，本系统最终采用了以；控制法为主， 讲 同时结合v 。电压控制法来对镍氢电池的充电是否结束做出准确的判 断。 2 3 镍氢电池的放电特性及放电中止状态检测 镍氢电池的容量检测主要是通过记录电池放完内部储存的电量所经 历的时间。图2 - 2 所示为某镍氢电池恒流放电的电压曲线。 恒流放电的起始阶段，镍氢电池由空载状态切换至闭合回路，电池电 压有一段陡然的跌落。但仅仅经过很短的时间，镍氢电池内部的放电就会 进入一个电化学平衡状态( 即：放电平台期) ，在此状态下，电池电压的 下降不是十分明显。如果以0 2 0 5 c 的电流进行恒流放电，电池电压的 降幅基本保持在每分钟1 m y 左右，即：0 d 一_ v 一l m v m i n 。随着放电过 口f 程的继续，当镍氢电池的放电接近尾声时，电压曲线会进入一个迅速下降 的阶段，俗称“马尾曲线”；此时，电池内部的极化阻抗增大，输出效率 降低，电池端电压下降明显。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 图2 2 镍氯电池放电曲线 当镍氢电池的放电进入马尾曲线后，若放电电流仍然维持在一个较高 的水平上，则容易造成电池内压升高，使电池端电压迅速降低至零，甚至 可能因电池被反方向充电而使电池端电压反转，破坏正负极活性物质的可 逆性。如果这个过程较长，将使电池内的活性材料接近全部丧失，等效为 一个无源电阻：而电池端电压为负值，数值上等于反充电流在等效电阻上 的压降。停止放电后电池的电动势消失，电压一般不能恢复、电池报褒。 显然，同过充电一样，镍氢电池的大电流过放或放电中止电压过低都 会给电池带来灾难性的后果。一般而言，经历了过放电的镍氢电池在下次 充电后也只能得到部分恢复，容量衰减十分明显。 通常采用的判断电池电量是否全部放完的方法是在保持放电电流恒定 的条件下，根据放电截止电压进行判颧，但在不同的放电电流下放电截止 电压应有所区别。0 2 2 c 放电时的截止电压一般可设定为i o v ，而以 2 c 以上的放电电流进行放电时，放电截止电压则应设定在0 8 v 左右， 造成这种差别主要的由于大电流放电末期的电压跌落较大、马尾曲线较为 陡峭的缘故。 为了保证较高的测量精度，镍氢电池应采用恒流电路进行放电，这样 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 做有以下好处： ( 1 ) 电池在放电时，端电压会有一个变化范围，如果用电阻性负载时， 放电电流也会发生相应的变化，从而造成电池容量的计算误差变大。 ( 2 ) 电池正负极与和电池夹具之间的接触电阻也是负载电阻的一部 分，这在大电流放电时不容忽视：由于接触电阻阻值不易测量以及阻值的 随机性，无形中加大了被测电池的内阻，从而导致放电曲线与实际曲线之 间存在一定误差，不利于对镍氢电池进行内阻分析。在采用恒流放电时， 接触电阻的影响相对就变得较小了。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 第3 章系统组成与基本工作原理 3 1 系统结构 这套镍氢电池在线自动检测与筛选系统共由两大部分组成：p c 机作 为系统的上位机，由单片机8 9 c 5 1 为核心构成的充放电模块作为系统的 下位机。整个系统的结构示意如图3 1 所示。 终端电阻 图3 - l镍氢电池在线测试系统的结构 上位机与下位机之间通过r s 一4 8 5 标准总线构成主从式通讯网络，上 位机作为主站，系统的所有工作进程均由上位机发起。每个充放电模块都 是具有不同地址编码的从站，从站的数量由r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换器的型 号与下位机所选用的r s - 4 8 5 接口芯片共同决定。主站轮流向每个从站发 出控制指令，然后接受对应从站的返回信息，从而实现对每一个从站的过 程控制与数据采集。 3 2 上位机工作原理 上位机的主要功能包括： 对各台充放电设备的工作参数进行设置； 控制下位机的充放电过程； 存储被检测电池的充放电电压数据； 波形绘制。 为实现上述功能，在上位机系统中应该安装有m i c r o s o f t 公司的 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 v i s u a ib a s i c6 0 软件，同时为了可靠地实时显示被测电池的充放电波 形，还必须在系统中安装m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 6 5 数学工具软件。 上位机的主窗口用来实现基本控制及数据显示功能。基本控制功能包 括充放电参数设定、启动停止系统工作以及定时采样每只被检测电池的 电压数据，采样得到的数据在经过处理后可以转换成标准形式显示在主窗 口中。除了主窗口外系统还有参数设置、图形观察两个子窗口。在参数 设置子窗口中，系统允许操作者灵活地对每个下位机模块中各通道的工作 模式和工作参数分别进行设定。而在图形观察子窗口中，系统将调用 m a t l a b 数学工具对接收到的电池电压数据绘制为实时电池充放电曲线， 并显示在p c 机主界面的图形观察窗口中，以实现对整个充放电过程的有 效实时监测，并有助于进一步的研究。 除此之外，系统还能够自动地把所接收到的数据转换成“t x t ”格式 的文本文件并存储到硬盘上以当前日期结合用户输入的识别码共同构成 的文件夹中，便于日后导出至其他软件中进行数据处理或随时打印。 3 3 下位机工作原理 下位机由若干充放电模块构成，每个充放电模块即为一套完整的单片 机测控系统，各模块间完全独立，互不影响，模块间通过设置不同的软件 地址便于上位机识别。每个充放电模块可根据软件设定的限制条件自动地 进行充放电过程的转换以及数据的分类存储，无须人工干预。 每个充放电模块内部都提供了8 套基本独立的可编程充放电通道，各 个通道均可以设定不同的充放电参数。模块以单片机8 9 c 5 1 为核心，加 上各种外围辅助电路一一i 0 接口、a d 转换器、充放电电路以及切换装 置构成，此外还包括诸如通信线缆、电池夹具在内的一些辅助设施。下位 机模块的硬件结构如图3 - 2 所示。 8 个独立通道分别对8 只镍氢电池进行充放电操作，每个通道均包含 一套完整的恒流充放电电路与参数设置环节。8 只电池的电压在单片机的 实时控制下依次经由8 1 的数字开关c d 4 0 5 1 送到i c l 7 1 3 5 的输入端进 行a d 转换，转换后的电压数据被存放到单片机内部的随机存储器r a m 中。如果采用可编程逻辑器件对电路的组合逻辑部分进行适当改进，并配 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 合内部r a m 容量更大一些的8 9 c 5 2 系列单片机，那么每个充放电模块 内的可编程通道数还可以扩展到1 6 套【3 1 。 图3 - 2 下位机的结构示意图 3 4 网络通讯协议及软件实现 系统上、下位机之间采用r s - 4 8 5 通信标准和软件握手的方式进行数 据通信，通信由主机调度并按先后次序分时联络的方式迸行。 在软件握手的通信方式中，所有的工作进程均由上位机发起。为了防 止通信错误，上位机必须在收到了下位机的回传指令后，才会继续发出其 它相关的后续指令【耳j 。 考虑到数据传递量并不是太大，系统通讯波特率为4 8 0 0 b p s ，并采用 了1 个起始位、8 个数据位与1 个停止位，无奇偶校验的标准异步格式。 上位机在向串口读写数据后，通过简单高效的r s - 4 8 5 总线将各种控制信 息传送到现场的下位机充放电模块或准备接收下位机上传的实时电压数 据【5 1 。由于本系统的下位机设计采用了s n 7 5 1 7 6 作为r s - 4 8 5 接口芯片， 因此上位机通过r s 2 3 2 一r s 4 8 5 转换器之后，与1 3 1 个下位机充放电 模块建立起通信联系。各通道经a i d 转换后得到的数据被暂存在单片机 的r a m 中，定期经由r s - 4 8 5 总线向上位机传送。 3 4 1 通信环节的硬件构成 如果下位机仅有一路充放电模块，则下位机通过m a x 2 3 2 将丌l 电 平转换成r s 一2 3 2 电平后通过串行数据线即可与上位机9 针串口c o m l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 完成数据通信。c o m li z l 的管脚排列及功能描述如图3 - 3 所示。 图3 3c o m l 口的管脚排列及功能 在这种简单的通信方式下，系统只需要使用c o m l 口的2 脚数据接 收( r x d ) 端、3 脚数据发送( t x d ) 端与5 脚接地( g n d ) 端即可， 硬件连接如图3 - 4 所示。 u g l 建莲 f 誊 n 旰t i n t 0 t l t o e , v v p x 1 ) p p 塔e t l i d 目最u “ b ? 5 1 图3 - 4