（电气工程专业论文）动力电池测试平台的设计.pdf

中图分类号：t p 2 7 4 u d c ：6 2 l 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 动力电池测试平台的设计 d e s i g n o fp o w e r b a t t e r yt e s t i n gp l a t f o r m 作者姓名：赵倩 导师姓名：曾国宏 学位类别：工学 学科专业：电气工程 学号：0 8 1 2 2 0 7 9 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：新能源 北京交通大学 2 0 10 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师曾国宏教授的悉心指导下完成的，曾国宏教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 曾国宏老师对我的关心和指导。 姜久春教授和张维戈教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向姜久春老师和张维戈老师表示衷心 的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，文峰博士、温家鹏博士、时玮博士，刘蔚、 牛萌、刘浩、韩笑等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：动力电池作为电源或者备用电源在人们的日常生活中扮演着越来越重要的 角色，电池优劣判定和成组技术是动力电池应用的难点。电池性能的测试是电池 应用的基础。随着电池应用领域的拓展，电池需求量急剧增长，对电池测试平台 的需求也在快速增长。国内现有电池测试设备测试参数较少，数据处理能力有限； 而国外设备的价格较为昂贵，对电池性能的测试也存在局限性。针对这一状况， 本文设计了一个由电池组、充放电设备、电池数据采集系统及上位机监控系统组 成的电池测试平台。本论文主要完成数据采集和上位机监控系统的设计。一方面 实现电池电压、电流、温度、容量和能量等基本物理参数的高速和高精度的检测， 另一方面提供开放式的接口为电池性能分析、充电控制算法研究、循环寿命分析 等课题提供支撑。 电池数据采集系统以m c 9 s 1 2 d t l 2 8 b 微控制器为核心，具备对电池单体电压、 电池组总电压、电池组温度和环境温度、电流、充放电容量以及能量等信息进行 精确测量的功能，可为电池性能的分析提供数据支持。此外，系统硬件电路具有 电池过电压、欠电压保护及均衡等功能，可对单体电池进行监控并实施必要的保 护。上位机监测系统通过r s 2 3 2 通信从数据采集系统获取电池的相关数据，并实 现电池状态的实时显示，同时将所有数据保存到数据库中。监控p c 机通过c a n 总线与充放电设备进行数据交换，通过上位机界面可对充放电设备的工作状态进 行编程控制及对电池的故障参数进行设置，保证电池组在充放电过程中的安全性。 经实验验证，本系统对动力电池物理参数的检测具有较高的精度，为动力电 池的测试和性能分析以及电池应用技术的研究提供了可靠的平台和数据支持。 关键词：电池测试；数据采集：上位机监控 分类号：t p 2 7 4 北京交通大学学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：p o w e rb a t t e r y 嬲ap o w e rs o u r c e o rs t a n d b yp o w e rp l a y sa ni n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l ei np e o p l e sd a i l yl i f e ，b u tj u d g i n gt h eq u a l i t yo fb a t t e r ya n dg r o u p t e c h n o l o g yo fb a t t e r yi sv e r yd i f f i c u l tf o rb a t t e r ya p p l i c a t i o n p e r f o r m a n c et e s t i n gi st h e b a s i sf o rb a t t e r ya p p l i c a t i o n w i t ht h ee x p a n s i o no fb a t t e r ya p p l i c a t i o nf i e l d s ，t h e d e m a n do fb a t t e r i e si n c r e a s e sr a p i d l y , s od o e st h ed e m a n do fb a t t e r yt e s t i n ge q u i p m e n t t h eb a t t e r yt e s t i n gf a c i l i t i e sm a d ed o m e s t i c a l l yc a no n l yt e s taf e wo ft h ep a r a m e t e r s ， a n dt h e i rd a t a - p r o c e s s i n gc a p a c i 够i st o ol i m i t t h et e s t i n ge q u i p m e n t sm a d ea b r o a d h a v el i m i t a t i o nf o rb a t t e r yt e s t i n g , a n dt h e i rp r i c ei s e x t r e m e l yh i g h u n d e rs u c h c o n d i t i o n ，ab a t t e r yt e s t i n gp l a t f o r mi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d e st h e b a t t e r i e st ob et e s t e d , t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n ge q u i p m e n t ，t h eb a t t e r yd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m t h ed e s i g no ft h es u b s y s t e m so f d a t aa c q u i s i t i o n , c o m p u t e rc o n t r o l ，a n dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e ma r e d i s c u s s e di nd e t a i l o nt h eo n eh a n d ，i tc a na c h i e v et h eh i g hs p e e da n dh i g hp r e c i s i o n d e t e c t i o nf o rt h eb a t t e r yv o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r e ，c a p a c i t y , e n e r g ya n do t h e rb a s i c p h y s i c a lp a r a m e t e r s o nt h eo t h e rh a n d ，i tp r o v i d e sa l lo p e ni n t e r f a c e 嬲r e s e a r c hs u p p o r t f o rt h ea n a l y s i so fb a t t e r yp e r f o r m a n c e ，t h ea l g o r i t h mo fc h a r g ec o n t r o la n dt h ea n a l y s i s o fl i f ec y c l e t h ev o l t a g eo fi n d i v i d u a lc e l l ，t h et o t a lv o l t a g eo fc e l lg r o u p ，t h et e m p e r a t u r e ，t h e c u r r e n ta n dt h ec h a r g e - d i s c h a r g ec a p a c i t yo f b a t t e r yp a c kc a l lb ea c c u r a t e l ym e a s u r e db y t h eb a t t e r yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，i nw h i c ht h em c 9 s12 d t l2 8 bm i c r o c o n t r o l l e ri s u s e da st h ec o r e i tc a np r o v i d ed a t as u p p o r tf o rb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h e s y s t e mh a st h eb a t t e r yo v e rv o l t a g e u n d e r - v o l t a g eh a r d w a r ep r o t e c tf u n c t i o n s ，a n dt h e f u n c t i o no fc e l l v o l t a g eb a l a n c i n g t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo b t a i n sr e q u i r e d r e a l - t i m ed a t af r o mt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h r o u g hr s - 2 3 2 t h ec o m p u t e rd i s p l a y s a n ds t o r e st h ed a t at ot h ed a t a b a s e t h ea c t i v es t a t u so ft h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g e q u i p m e n ta n dt h ep r o t e c t i n gp a r a m e t e r sc a l lb es e to i lt h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c et o e n s u r et h es a f e t yo f c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o ns h o wt h a tt h i ss y s t e mw o r k sw e l la n dr e a c ht ot h e d e s i g nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：b a t t e r yt e s t i n g ；d a t aa c q u i s i t i o n ；m o n i t o r i n gs y s t e m c l a s s n o ：t p 2 7 4 ， t 北京交通大学学位论文 目录 目录 中文摘要。i i i a b s t r a c t i v 1 绪论1 1 1 动力电池的应用1 1 2 电池检测设备的发展现状2 1 3 研究的目的与意义3 1 4 本文结构安排。：4 2 测试平台总体结构5 2 1 常用动力电池工作原理概述5 2 1 1 铅酸电池：5 2 1 2 镍氢电池6 2 1 3 锂电池6 2 2 电池性能参数及测量方法6 2 2 1 电池电压7 2 2 2 工作电流8 2 2 3 容量与能量9 2 2 4 工作温度lo 2 2 5 自放电率1 l 2 2 6 循环寿命1 2 2 3 系统总体结构1 2 2 3 1 功能特点及性能要求1 2 2 3 2 总体结构1 6 3 数据采集系统18 3 1 整体结构概述1 8 3 2 硬件设计18 3 2 1 微控制器l8 3 2 2 电源模块的设计1 9 3 2 3 电压检测2 l 3 2 4 电流检测及容量、能量计量2 2 3 2 5 温度检测2 4 3 2 6 通讯2 6 北京交通大学学位论文目录 3 2 7 系统参数存储2 9 3 3 软件设计3 0 3 3 1 软件开发环境3 0 3 3 2 软件整体设计3l 3 3 3 软件流程图3 2 4 上位机监控。3 8 4 1 软件开发环境3 8 4 2r s 2 3 2 监控界面3 9 4 2 1 电池数据监控4 0 4 2 2 电池信息设置4 1 4 2 3 相关常数设置。4 2 4 3 充放电设备的控制4 3 4 4 数据图形显示- 4 6 5 系统实验与分析：4 7 5 1 测试精度分析4 7 5 1 1 实验说明4 7 5 1 2 电压测量精度测试4 7 5 1 3 电流测量精度测试4 8 5 1 4 温度测量精度测试4 9 5 1 5 容量、能量计量校准4 9 5 2 恒流恒压充电测试分析5 0 5 3 测试结论5 1 6 结论5 2 6 1 全文总结5 2 6 2 展望与建议5 2 参考文献5 4 附录a 5 6 作者简历5 7 独创性声明5 8 学位论文数据集5 9 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 1 动力电池的应用 1 绪论 近年来，人们对城市空气质量以及地球石油资源危机等问题日趋重视，为了 保护环境、节约能源，在世界范围内动力电池及其相关技术正在以异常迅猛的速 度发展起来。 动力电池主要应用于新能源汽车领域，是影响电动车性能的关键部件，也是 制约电动车发展的关键。现在的动力电池市场是铅酸电池、镍氢电池和锂离子电 池三分天下。铅酸蓄电池的应用历史最长，技术最为成熟，是成本、售价最低廉 的蓄电池，已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池一度成为重要的车用 动力电池，应用在众多欧美汽车公司开发的电动汽车( e v ) 和混合动力车( h e v ) 上，例如通用在2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代分别开发出的s a t u m 和e v l 电动汽车 等。但是，铅酸电池的比能量较低，续航时间短，自放电率高，循环寿命低；其 主要原料铅的密度大，而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所 以，目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置，以及电动自行车等小型设备。 镍氢( n i m h ) 电池具有良好的耐过充、过放能力，不存在重金属污染问题， 而且在工作过程中不会出现电解液增减现象，可以实现密封设计、免维护。与铅 酸电池和镍镉电池相比，镍氢电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。其缺 点是电池具有记忆效应，而且随着充放电循环的进行，贮氢合金逐渐失去催化能 力，电池内压会逐渐升高，影响到电池的使用。此外，镍金属昂贵的价格，也导 致成本较高。目前许多欧美国家和日本企业都在研制车用镍氢电池，并已实现了 批量生产和使用，是混合动力汽车研制中应用最多的车载电池类型。美国的o v o n i c 公司、日本的松下、丰田、本田、东北电力、汤浅、古河、三洋、新神户电机等 均推出了镍氢电池驱动的电动汽车，德国的v a r t a 公司、法国的s a f t 公司和韩国 的现代汽车公司也研制出电动车用镍氢动力电池并装车运行。最典型的代表即目 前混合动力汽车量产规模最大的丰田p r i u s 。丰田与松下合资成立的p e v e ( p a n a s o n i ce ve n e r g y ) 公司是目前世界最大的镍氢动力电池制造商。2 0 0 9 年2 月，丰田还宣布将其与松下电器合资的松下电动车能源公司原计划2 0 1 0 年启动的 混合动力车镍氢充电电池项目提前到2 0 0 9 年。 车用锂离子动力电池是在一次性锂电池基础上发展起来的，是目前纯电动车 用电池研发的主要方向。锂离子电池具有无记忆性、自放电率低、环保、高比能 北京交通大学硕士学位论文绪论 量、高比功率等诸多优点，是继镍氢电池之后，最受研发机构和汽车厂商青睐的 潜力车载电池。早期研发的钴酸锂和镍酸锂电池由于含钴和镍，成本较高，而且 还存在稳定性差等缺点的制约，发展遇到瓶颈。新近研发的锰酸锂电池和磷酸铁 锂电池技术有了较大进展，解决了不稳定、易爆炸的安全问题，得以在众多电动 汽车中应用。例如2 0 0 9 年6 月开始量产的三菱i m i e v 电动车、2 0 0 9 年夏季上市 的梅赛德斯奔驰$ 4 0 0b l u eh y b r i d 混合动力车都使用锂离子电池作为其动力系 统。其他国际上主流汽车公司，如福特、日产、雪佛兰等，也都计划于2 0 0 9 2 0 1 0 年推出基于锂离子电池的电动汽车。 1 2 电池检测设备的发展现状 ： 随着电池应用领域的拓展，电池需求量急剧增长，对电池测试平台的需求也 在快速增长。电动汽车的迅速发展，对电池的产品质量和使用性能提出了更高的 要求，特别是受国际大环境的影响，各国间的经济往来以及日趋激烈的市场竞争， 把电池的测试提到了一个极其重要的地位。 我国的电池产业起步比较晚，9 2 年以前除少数企业引进少量进口设备以外， 均采用比较粗糙而且落后的方法对电池进行测试【2 】。随着电池的使用量急剧增加， 传统的电池检测设备和方法已经无法满足市场的需求。此时，一些公司、科研院 所相继进入电池检测领域，我国的许多电池生产厂家也先后引进了国外电池检测 的方法、理论，对于我国的电池检测行业具有很高的参考价值。尽管我国的电池 测试设备取得了长足的进展，但与国外优秀设备制造商相比还有一定的差距，如 美国a r b i n 仪器公司、m a c c o r 公司、必测公司、德国迪卡龙公司等，其检测精度 和产品合格率都很高，但价格昂贵，对电池性能的测试也存在局限性【3 】。由于工业 化的大规模生产，考虑生产的成本，迫切需要生产一种可靠性、检测精度、性能 价格比都比较高的电池检测设备，并实现电池检测的自动化。 我国的电池行业已经得到了长期的发展，开始渗透到国民经济的各个领域， 成为一个重要的行业，但与国际先进水平相比还存在着一定的差距。电池产品的 性能一方面依据技术标准，通过检测来评定其与技术标准的符合程度，判断其优 势，同时还应以用户的反馈信息来评估。电池性能的检测是通过电池测试设备实 现的，因此，提高检测技术，提高检测系统的稳定性、可靠性以及精度对电池产 品质量水平、使用性能的提高与电动汽车的发展至关重要【4 1 。 2 北京交通大学硕士学位论文绪论 1 - 3 研究的目的与意义 由于动力电池种类以及特性的多样性、复杂性和非线性，电动汽车使用工况 的特殊性以及满足工程化应用方面，仍存在一些待解决的技术难题和热点研究课 题，如成组电池的均衡充电技术、车载微型低成本智能电池组均衡技术、精确实 时估算动力电池荷电状态( s o c ，s t a t e - o f - c h a r g e ) 智能方法等方面【5 】。另外，在 电池管理系统的研究方面，虽然在系统的检测精度、可靠性和耐久性等方面取得 了一定的进步，具备完善丰富的电路功能，但是对电池的认识还是不够深入，在 对电池状态的估算、电池性能的影响因素和有效利用、成组电池的充电方法、电 池的热管理等方面缺少系统的测试和研究。 国内的电池测试设备主要针对单体电池，所能测量的电压与电流的范围小， 而在实际应用中，电池通常是串联成电池组使用，所以电池测试设备应能够对电 池组进行测试。另外对电池的性能进行分析时，需要用到电池相关参数的精确数 据，现有的电池测试设备做不到全面的参数检测，测试精度也难以满足要求，对 于电池组中的各单体电池的电压测量采用传统的方法，测量结果转换周期长，实 时性不高。在对电池组充放电的过程中，需要对其中的某节电池进行小电流的充 放电；对电池状态的估算、充电方法研究等方面，不再单独停留于电池外部特性， 而是更希望结合电池内部化学反应机理，从电化学的角度更深入、准确的研究，但 现有的电池测试设备均不能有效实现。 因此，有必要建立电池测试平台，对电池相关参数进行全面、精确的测量， 为动力电池的优化设计提供数据支持，对电池性能进行评价。同时能将电池的数 据纳入充放电设备的控制，提供开放式的接口，实现电池性能试验，工况模拟和 相关算法研究。通过对电池的测试与研究，确定合理的充放电方式、合理的均衡 方案和更为精确的s o c 估算方法，从而合理的分配和使用电池有限的能量，尽可 能的延长电池的使用寿命。 完整的电池测试平台应包含用于测试的电池组，充放电设备，电池数据采集 系统和充放电监控系统。目前，已有大量的文章对电池充放电设备进行了研究， 使得电池充放电设备取得了一定的进展，可高效率的对电池充放电，同时还能将 电池的放电能量回收到电网中，技术相对成熟。本文利用现有的电池充放电设备 搭建一个电池测试平台，重点设计电池数据采集系统，上位机监控系统及各个部 分之间的通信，实现对电池性能的测试。研究工作包括以下几个方面： 1 ) 设计电池测试平台总体框架及各个部分通信方案。 2 ) 分析电池的相关参数并比较各检测方案，对电池数据采集系统软硬件进行设 计。 3 北京交通大学硕士学位论文绪论 3 ) 设计上位机监控系统，使其能对电池的相关参数进行监控，将获取的测量数 据保存到数据库中，估算电池状态，根据电池相关参数对充放电设备实施必要的 控制，对充放电过程中出现的故障进行判断和处理。 1 4 本文结构安排 本文的各个章节都围绕电池测试平台的设计和实现展开，各章的具体内容概 括如下： 第一章：绪论部分，阐述现阶段电池测试在国内外的发展情况，介绍本文的 研究意义，同时说明本文的研究内容。 第二章：介绍电池的相关参数，结合对系统的性能要求，对电池参数的检测 方案进行对比，并着重分析系统的设计思路及实现方法，论述电池测试平台的总 体结构设计。 。 第三章：详细介绍电池数据采集系统的软硬件设计方法以及功能实现的设计 思路。 第四章：重点阐述上位机监测系统的软件设计方法，对系统软件流程和功能 作详细说明。 第五章：简要介绍系统的测试过程，并对测试结果进行分析。 第六章：对本论文进行总结，说明整个系统设计过程中所作的内容，对今后 进一步的工作提出建议和展望。 4 2 测试平台总体结构 本章首先介绍常用动力电池的工作原理、主要参数及测量方法，并在分析影 响电池性能发挥、使用安全性等因素的基础上，提出电池测试平台的总体结构及 设计方案。 2 1 常用动力电池工作原理概述 电池是将化学能转化为电能的装置，电子导体可以单独完成导电任务( 如铜、 铝等金属) ，离子导体( 如电解质溶液) 却不能。要想让离子导体导电，必须有电 子导体与之相连而形成两类导体相串联的结构，形成金属一溶液一金属的导电系 统。在金属溶液的界面上将发生氧化一还原反应，这就是电池的基本工作原理【6 】。 下面针对几种常用的动力电池，对其工作原理作简要分析。 2 1 1 铅酸电池 铅酸蓄电池由尸易仍正电极，肋负电极以及酸性电解液( 硫酸) 组成，其电 极反应和电池反应方程式如下： 正极反应：肋d 2 + 3 日+ + 月觋一+ 2 e 付p b s 0 4 + 2 皿0 ( 2 1 ) 负极反应：p 6 + h s o , 一hp b s o , + h + + 2 e ( 2 - 2 ) 电池反应：尸6 + 乃d + 2 日+ + 2 h s 0 4 一付2 p b s 0 4 + 2 风0 ( 2 3 ) 铅酸蓄电池在充电时，正极p b s 0 4 转化为乃仍后把电能转化为化学能贮存在 正极板中，负极由p b s 0 4 转化为海绵状乃后把电能转化为化学能储存在负极板中。 铅酸蓄电池在放电时，正极由肋仍变成p b s 0 4 后把化学能转换成电能向负载供电， 负极则由海绵状尸6 变成p b s 0 4 后把化学能转换成电能给负载供电。铅酸蓄电池在 进行充放电过程中，正极和负极必须同时以同当量、同状态进行电化学反应才能 实现充电或放电过程，任何情况下都不能由正极或者负极单独完成上述电化学反 应。当方程式从左向右进行时，为铅酸蓄电池的放电过程；从右向左进行时，为 充电过程。 铅酸蓄电池在充电过程中会产生气体析出，如方程式2 - 4 所示。铅酸蓄电池电 解液中含有p b 2 + 、矿、h o 、s 0 4 2 等离子，在充电末期铅酸蓄电池正极还原成肋d 2 ， 负极还原成肋，部分矿、h o - 会在充电时产生凰和d 2 。 2 h + + 2 h o 一= 2 h 2 个+ d 2 个 ( 2 4 ) 5 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 2 1 2 镍氢电池 镍氢电池由镍氢化合物j 下极、储氢合金负极以及碱性电解液组成。镍氢电池 的电极反应和电池反应方程式如下： 正极反应：朋( 0 1 日) ，+ o h 一一e 1 - ) n i o o h + h 2 0 ( 2 5 ) 负极反应：m + 见d + e 付m h + o h 一 ( 2 6 ) 电池反应：m ( 伽) ，+ m 付n i o o h + m h ( 2 7 ) 式中，膨为储氢合金；m h 为吸附了氢原子的储氢合金。 镍氢电池的负极采用储氢合金，放电时，储存在合金中的氢扩散到电极表面， 被氧化生成水或矿。由于电池的正极n i o o h 是层状晶体，其层间的结合力较弱， 因此扩散到正极表面的h + 可以沿层间向电极内部扩散，同时一+ 被还原成彬+ ， 生成m 徊脚2 。因而电池的放电过程可以看作氢原子从合金负极中脱出而溶入正极 晶格之中的过程。随着放电电流的增大，电化学反应速度加快，使极化增大，引 起电极电位下降，同时随着反应深度的增大，电极内部的活性物质浓度降低，电 极电位也会随之降低。因而电极电位、电流与反应深度之间存在一定的内在联系。 2 1 3 锂电池 锂离子电池的正极电化学活性物质是一种含锂的金属化合物， 碳。锂离子电池充放电过程的基本的电化学反应为： 正极反应：l i m y qh h ) m ，d ：+ 也f + + 艇 负极反应：x l i + + 愆+ 6 ch f ，g 电池反应：l i m y o ：+ 6 c 付4 l 。) m ，d ：+ t c 6 其中m 为c o ，朋，m n ，f e 等。 负极则是锂化 ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - l o ) 充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子， 在电解液中由能量较低的正极向能量较高的负极迁移，并且锂离子和电子在负极 上复合成锂原子。重新形成的锂原子插入到石墨晶体的晶状层之间。 放电时，插入到石墨晶状层中的锂原子从石墨晶体内部向负极表面移动，并 在负极表面电离成锂离子和电子。锂离子和电子分别通过电解质和负载流向正极， 在正极表面复合成锂原子，然后插入到氧化钴锂的晶状层中。 2 2 电池性能参数及测量方法 电池性能是通过许多参数来衡量的，主要包括：电池电压、工作电流、容量、 6 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 能量、工作温度、使用寿命，自放电，电池测试平台通过获得这些参数来评价电 池的性能，以下介绍几种常用的电池参数及测量方法。 2 2 1 电池电压 电池电压包括电动势、开路电压和工作电压。电动势是指电池在开路时，正 极平衡电极电势与负极平衡电极电势之差，由电池中进行的化学反应所决定，与 电池的形状、尺寸无关。开路电压是电池在开路状态下的端电压，只有电池的两 极体系均达到热力学平衡状态时，电池的开路电压才与电池的电动势相等。工作 电压是指有电流流过外线路时，电池两极之间的电位差，放电工作电压总是低于 开路电压 r l 【引，充电反之。 对单个电池的电压检测比较简单，但是要实现对串联在一起的电池组中单体 电池电压的准确测量却是一个难于解决的问题。电压检测是最直接检测也是最常 用的一个参数，在如何测量电池组中的单体电池电压的问题上，以往采用的方法 主要有【9 】： 电阻分压法：精密电阻作为分压器， 池组中的每只电池。其缺点是：精度差、 其电压值计算复杂。 取得电池电压，然后用继电器来切换电 体积大、成本高、寿命短、速度慢，且 v f 转换法：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的 转换上采用可编程定时器的转换器作为a d 转换。其缺点是响应速度慢、在 小信号范围内线性度差、精度低。 光电隔离器件和大电解电容器法：在线测量单体电池电压用光电隔离器件和 大电解电容器构成采样保持电路来测量电池组中单体电池电压。在a d 转换过程 中，电容上的电压会发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和 隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定其采样时间较长。 浮动地法：采用浮动地技术实现测量电池组中各单体电池电压，测量结果比 较准确，但也存在模拟开关切换以及各器件的不一致性问题对浮动地的电位的影 响，从而使测量结果偏差加大【i o l 。 目前，国内外一些芯片生产厂家针对串联电池组设计了专用的电压测量芯片， 只需将各个电池的两极分别接在芯片的专用引脚上即可，不需要外接模拟开关切 换，使得电压测量电路得到简化，而且测量精度高，速度快，受温度变化的影响 小，可靠性强。当所测量的电池数量较多时，将几个芯片级联即可满足要求。本 系统采用t i 公司的b q 7 6 p l 5 3 6 芯片实现电压数据的采集。 7 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 2 2 2 工作电流 电池的工作电流是影响电池工作性能的一个重要因素。放电过程中，电池在 电力不足时，需要减小放电电流，否则可能给出的电流指令不能得到满足，使得 电池处于过度疲劳的状态。同样，在电池电力已经很高的情况下，充电的时候需 要减小充电电流，否则可能出现电池不能及时将电能转换成为化学能而只是发热， 既浪费能量、又使得电池的环境温度升高，更加不利于能量转换，甚至造成电池 损坏。同时对于s o c 的估测，工作电流是一个非常重要的参数。所以电池工作电 流的测量对于电池测试而言是必须的【1 1 】。 通常直流电流的检测方式有2 种，分别是分流器和霍尔型电流传感器。其特 点如下表所示【1 2 j ： 表2 1 电流测量方案的比较 t a b l e 2 - lc o m p a r i s o no f c u r r e n tm e a s u r e m e n t 比较类型分流器霍尔传感器 安装方式串入主电路( 无源)导线穿过( 有源) 测量对象直流、交流直流、交流 电气隔离无有 测量精度一般低端较差 价格低 高 由上表我们可以看出，霍尔型的电流传感器由于需要外接电源，现场安装较 复杂，在测量范围的低端线性度很难保证而且价格较高。它的优点是有电气隔离。 分流器价格较低，安装简单，测量精度也满足要求。它的缺点是会将高压信号引 入电池数据采集系统。 根据电池的工作电流变化范围广而且迅速的特点，综合考虑，在本电池数据 采集系统的设计中采用分流器来测量电流。分流器的工作原理为电阻分压，如图 2 1 所示，将电流信号变为电压信号，在整个量程内都可以保持比较好的线性度， 为测量带来了很大的方便，不用断开电流回路即可实现对电流的测量。 充 r0 电 机 图2 。l 电池电流测量方法 f i g 2 - 1m e a s u r em e t h o do f b a t t e r yc u r r e n t 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 2 2 3 容量与能量 电池容量是指在一定充电或放电条件下，供给电池或从电池获得的电量，即 电池存储电量的大小。一般电池负极容量过剩，正极容量控制整个电池的容量。 电池的额定容量定义为：在一定的放电条件下，电池放电至截至电压时放出的电 量【1 3 】【1 4 】。在电池测量的过程中，电池的容量不是直接测量单位，而是导出单位。 电池的充放电容量的计算方法为： q = j f f ( f ) d t ( 2 1 1 ) 其中f ( f ) 为t 时刻电池的充放电电流。电池容量是一个受多种因素影响的物理 量，它与电池自身的特性，测量时的环境温度以及放电电流大小、波形等条件均 有关。 电池在充放电的过程中，在外电路形成电子流，在电池内部形成离子流，表 现为一定幅值的电流，其与时间的乘积即为库伦数量，所以剩余电量常常基于电 池的容量进行描述。由于电池内部参与反应的物质数量固定，当电池内部物质在 允许的范围内充分反应的时候，放出的电子数即为电池的最大可用容量。某一时 刻，电池内部剩余可以参与反应的物质的数量决定了电池的剩余反应能产生的电 子数，即为电池的剩余容量，剩余容量和最大可用容量的比即是电池的荷电状态。 【1 5 】【16 1 。所以容量是电池内部化学特性的宏观表现，是电池使用的基础，反映了电 池内部本质的特征。 从容量的角度对电池性能进行描述的物理意义在于：电池充放电的过程即内 部氧化还原反应得失电子的过程，得失电子数量及库仑数就是容量的概念。由于 电池内部可参与反应的物质数量决定了电池的最大可用容量，它使得电池内部的 微观离子传递过程和宏观容量变化建立起了联系。但是在使用的时候，当采用电 池的容量解释以下现象的时候，并不方便： ( 1 ) 多只电池串联后，电池的容量并没有增加，但是电池设备可运行的距离和 时间延长； ( 2 ) 不同电池虽然容量一样，但是电池的续航时间和对外做功存在差异； ( 3 ) 同一只电池，当变化同样容量的时候，设备的运行时间或者车辆运行的里 程数存在差异。 电池的主要功能在于储能和释放能量，所以对于电池的使用而言，对外做的 功多少与输出能量直接相关，从能量的角度对电池的性能和剩余电量进行描述具 有更直接的意义，能更好对使用时间、电动汽车的运行里程等建立起更简单的对 应关系，便于对相关现象进行解释【1 7 】【1 8 1 。因此，本文加入了对电池的充放电能量 的计量。与电池的充放电容量相对应的电池充放电能量的计算方法为： 9 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 e = i u ( t ) 砸) d t ( 2 1 2 ) 其中“( f ) ，f ( f ) 为t 时刻电池的充放电外电压和电流。 本文采用两片2 4 位a d 芯片c s 5 4 6 0 a 来分别实现电池充放电容量与充放电 能量的计量。 2 2 4 工作温度 电池的特性与温度有一定的关系，环境温度变化对电池的充放电特性曲线有 一定的影响。对电池进行充放电时，也会使电池内部的温度升高。电池的温度对 电池性能的发挥具有重要的影响。电池的温度高使得电池的活性增加，能量能得 到更加有效的发挥，包括电池的充放电效率、可用容量等，但是电池长时间工作 在高温环境下电池的寿命会明显的缩短。电池的温度低的时候电池的活性明显降 低，电池的内阻、极化电压增加，实际可用容量减少，电池的放电能力下降，放 电平台低、电池更加容易达到放电截至电压，表现为电池的可用容量减小，电池 的能量利用效率下降。因此，在电池使用的过程中，温度测量是非常必要的。 温度测量的方法有很多，总体来讲可以分为两大类：接触式测温和非接触式 测温。非接触测温是指温度敏感元件与被测对象不接触同时通过热辐射进行热交 换，或者是温度敏感元件接受被测对象的部分热辐射能，由热辐射能的大小推出 被测对象的温度。用这种测温响应快，被测对象干扰小，但是实现技术难度大， 成本较高，一般用在测试高温或运动的对象，以及强电磁干扰、强腐蚀场合。而 接触式测温是指温度敏感元件与被测对象接触，依靠传热和对流进行热交换。目 前主要采用的接触式测温方法有热电阻和热电偶，与热电阻相比热电偶具有测量 范围宽，准确度高等优势，且采用热电偶测量温度输出为电压信号，非常便于集 中检测和自动控制，因此在工业中得到了广泛的应用【1 9 1 。 普通集成传感器的输出信号仍然是模拟量，需要调理电路才能正常工作。但 一种能够直接输出数字信号的温度传感器内部已经集成了相关的调理电路及a d 转换器，可根据主机的命令直接输出检测信号和数字量，使用十分便捷。在本文 的电池数据采集系统中，若采用模拟式传感器，由于温度采样点多，需要增加模 拟多路开关电路和a d 转换电路，同时要占用一个或几个a d 口，整个电路 结构较为复杂，而且通常为了更好的测量电池温度，在安装时将温度传感器直接 连接在电池极柱上。目前常见的数字温度传感器对外的接口形式有1 2 c 型和单总 线型( 1 - w i r e ) 2 0 】。在电池的测试中，可能每次测试的电池数量并不相同，需要 根据实际情况方便的将传感器接入电路中。当电池数量较多的情况下，希望只占 用少量的i o 口即可达到对所有电池的温度测试的目的。在此，根据设计要求，选 1 0 北京交通大学硕士学位论文测试平台总体结构 择单总线通信方式的数字温度传感器。 1 - w i r e 单总线是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的一项专有技术。与目前多数标 准串行数据通信方式如s p i 、1 2 c 不同，它采用单根信号线既传输时钟又传输数据 而且数据传输是双向的。其具有节省i o 曰线资源、结构简单、成本低廉、便于 总线扩展等等诸多优点。1 - w i r e 单总线适用于单个主机能够控制一个或多个从机 设备【2 。当只有一个从机位于总线上时系统可按照单节点系统操作，而当多个 从机位于总线上时，则系统采用按照多节点系统操作。 图2 - 2 单总线工作流程 f i g 2 2f l o wd i r e c t i o no f1 - w i r e 每个单总线器件在出厂前都有一个与其他任何器件互不相同的固定序列号， 这意味着在众多连到同一总线上的器件中可以选择任意一个器件。一旦器件的序 列号已知，通过访问序列号，任何器件都可以被唯一地选出以用于通信【2 2 】。通信 的第一步需要总线控制器发出一个复位信号以使总线同步，然后选择一个受控器 件进行随后的通信，这可以通过选择所有的受控器件或者选择一个特定的受控器 件利用其序列号进行选择或者通过对半检索法找到总线上的下一个受控器件来实 现。一旦一个特定的器件被选中那么在下一次复位信号来临之前，所有其它器件 都被挂起而忽略随后的通信。一旦一个器件被用于总线通信，主机就能向它发出 特定器件指令对其进行数据读写，因为每类器件具有不同的功能和用途而且一旦 器件被选定就有了唯一的协议，虽然每类器件具有不同的协议和特征，但其工 作过程却是相同的并遵循图2 2 所示的工作流程。 2 2 5 自放电率 电池充电后，存放期间容量会自动减小，这种现象称之为自放电。自放电实 际是电池在开路状态下，电池对所储存的电量在一定条件下的保持