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锂离子电池电化学参数测试仪

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  锂离子电池电化学参数测试仪_交通运输_工程科技_专业资料。— 20 — 仪 表 技 术 2006 年第 3 期 锂离子电池电化学参数测试仪 黎步银, 谢京州, 苏乐雨, 韩颖姝 ( 华中科技大学 电子科学与技术系, 湖北 武汉 430074) 摘要:介

  — 20 — 仪 表 技 术 2006 年第 3 期 锂离子电池电化学参数测试仪 黎步银, 谢京州, 苏乐雨, 韩颖姝 ( 华中科技大学 电子科学与技术系, 湖北 武汉 430074) 摘要:介绍一种以单片机为控制核心的锂离子电池测试仪的设计思想、 实现的功能、 硬件电路的设计和测试软件的设计。 关键词:锂离子电池; 单片机; 测试仪 中图分类号:TM930 文献标识码:B 文章编号:1006 - 2394 2006) - 0020 - 03 ( 03 Tester for Electrochemistry Parameter of Lithium-ion Battery LI Bu-yin,XIE Jing-zhou,SU Le-yu,HAN Ying-shu ( Dept. of Electronic Science and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China) Abstract:The lithium-ion battery tester using single chip microcomputer as a controlling core has been introduced on design ideas, functions and designs of hardware circuit and testing software as well. Key words:lithium-ion battery;single chip microcomputer;tester 1 设计思想 在研究开发锂离子电池的过程中, 为了检测新制 作的锂离子电池是否达到设计指标, 需要对电池样品 进行容量、 充放电特性和循环寿命测试。该测试系统 的主要设计思想是以一定规律变化的外加电压给被测 电池充电, 同时记录流过电池的电流, 根据测试结果分 析是否达到设计目的。为了满足不同的测试目的, 设 计了两种测试方式, 即周期伏安法和恒电流定电压法 测试。周期伏安法是在锂离子电池研究过程中一种常 用的测试方法, 主要用来确定锂离子电池材料的电化 学活泼性, 分析在充放电过程中电池内部所发生的氧 U U 化还原反应, 外加电压的变化规律如图 1 所示, H 、 L 分别为加在被测电池两端的最高和最低电压。恒电流 定电压法主要用来测试电池的容量、 充放电特性和循 环寿命特性, 是锂离子电池检测的一个必不可少的环 节, 充电过程中外加电压和电流的变化规律如图 2 所 示, 1 时刻以前以电流 I1 进行恒电流充电, T 电池端电 压从 U1 增加到 U2 , 在时刻 T1 至 T2 之间以定电压 U2 充电, 电流从 I1 下降到 I2 。 图2 恒电流定电压法中电流、 端电压变化规律 系统的硬件电路主要包括单片机 AT89C51、 模数 转换器 MAX186、 数模转换器 MAX531、 电平转换电路 MAX232 和 存 储 器 AT28C64 等 几 个 部 分。AT89C51 作为系统的核心模块主要负责从上位机接收测试参 数、 数据处理并发送测试指令。它以 MCS - 51 系列单 片机为内核, 结构及引脚配置与 MCS - 51 系列单片机 中的 8051 相同, 片内程序存储器采用闪烁存储技术, 具有电可编程、 电可擦除, 且编程、 擦除时间短 (4KB 存储器编程约 3s, 擦除时间约 10ms) 并可反复编程, , 数据不易 丢 失, 作 频 率 最 高 可 达 24MHz, 工 AT89C51 [3] 还具有很强的加密功能, 设有三级加密 。AT28C64 是一 片 64K 8K × 8 )的 低 功 耗、 性 能 的 8 位 ( 高 E2 PROM, 可以直接对其进行读写, 操作非常方便, 不 需要其他辅助设备。 2 硬件电路设计 AT89C51 与 MAX531、 MAX186 和 MAX232 的 接 线 是具有功耗低、 转换频率快、 内部带基准 图1 周期伏安法端电压变化规律 电压的高分辨率 D / A 转换集成电路,能完成 12 位的 收稿日期:2006 - 03 作者简介:黎步银 (1966—) 男, , 教授, 主要从事仪器仪表等方面的研究。 2006 年第 3 期 仪 表 技 术 — 21 — 图3 AT89C51 与 MAX531、 MAX186 和 MAX232 接线图 D / A 转 换。MAX531D / A 转 换 数 据 通 过 DIN 串 行 输 入, 引脚与单片机的 P1.0 相接, DIN 待转换数字量经 过 D / A 转换和运算放大器从 Vout 输出各种范围的电 压信号。SCLK 为时钟端口, P1.1 端口, 接 控制数据的 输入。CS 为片选端口, P1.2 端口, CS 为低电平 接 当 时, 表示选中该 D / A 转换芯片。CLR 为清除端口, 接 + 5V 电源, CLR 为低电平时, / A 转换器的寄存器 当 D 清零, 输出电压为 0。该系统中 MAX531 主要提供被 测试 电 池 的 充 电 电 压 和 控 制 恒 流 充 放 电 的 电 流。 MAX186 是多通道 12 位串行 A / D 转换器, 其内部集 成有大宽带跟踪 / 保持电路 T / H) 串行接口 SPI) ( 、 ( 和 8 通道多路开关, 具有转换速率快、 转换精度高、 功耗 低的优点。该系统利用 MAX186 作为采样数据的调理 芯片, 对电池的端电压和充电电流进行采样, 把采样信 号进行模数转换之后送入单片机。MAX186 的最小分 辨 率 是 1mV,其 测 量 范 围 为 0 ~ 4096mV。 由 于 MAX186 内部集成有 SPI 接口, AT89C51 不含 SPI 而 接口, 因此用通用 I / O 接口和软件来模拟 SPI 接口, 使 用 P1 口的 P1. 3、 4、 5 和 P2 口 的 P2. 0 来 模 拟 P1. P1. CS、 SCLK、DIN 和 DOUT 四 根 线 之间使用高速光电耦合芯片 TLP521 实现电 平和电气隔离的作用, 可以防止较强的电磁干扰窜入 数电区。 为了抑制传输过程中的共模噪声的干扰, 一般 PC 机的 RS232 标准接口都使用较高的传输电压, 常用的 有 + / - 10V 和 + / - 12V, 而且采用负逻辑。而单片 机 AT89C51 的串行 I / O 接口都为 TTL 电平, 为使单片 机和 RS232 标准接口通信, 必须使用专门的电路进行 电平转换。该系统使用的电平转换电路为 MAX232 转 换器, 样 就 可 以 组 成 一 个 分 层 控 制 系 统, 过 这 通 MAX232 计算机可以读取单片机中的数据也可以向单 片机发送测试命令, 由计算机作为上位机进行统一控 制, 单片机作为下位机对各执行部分进行直接控制。 其转换电路如图 3 所示。 3 系统软件设计 AT89C51 编程采用 C51 语言编写, 并用 Keil C51 编译器进行编译。由该编译器生成的程序代码所需的 存储空间极小, 运行效率极高。AT89C51 实现的功能 主要有: (1) 对外部数据存储器进行初始化, 为存储测试 结果做准备。从计算机接收测试命令, 包括测试方案 和测试过程中所需的测试参数, 例如充电限制电压、 放 电终止电压和充电电流等参数。在测试结束后, 通过 MAX232 将外部数据存储器中测试结果向 PC 机的串 口发送。便于对测试数据进行进一步的处理。 (2) 给 MAX186 发送转换控制字, 模拟 SPI 接口 与 MAX186 通讯, 并从 MAX186 的 DOUT 端口读取转 换结果, 合并为 12 位数据后暂时存放在存储器中。控 制 MAX186 的转换时序。 (3) 对从 MAX186 中读回的数据按测试方案进 行数据处理, 确定要转换的数据, 然后向 MAX531 发送 — 22 — 仪 表 技 术 2006 年第 3 期 数字量, 模拟 SPI 接口, 控制 D / A 转换器的转换时序, 给被测试电池提供一个稳定的充电电压和充放电电 流。 (4) 响应内部定时器中断, 对各个执行部分直接 控制。全局控制整个系统的测试时序。 软件部分采用模块化程序设计, 测试过程通过调 用不同的测试模块来完成测试。恒电流定电压法测试 中 AT89C51 的程序流程图如图 4 所示。 4 结束语 系统采用单片机实现了对锂离子电池电化学参数 测试的直接控制, 提高了测试的稳定性和安全性, 可以 根据测试需要方便地设置测试参数, 并对测试结果进 行数据处理, 完成多种测试功能, 提高了测试效率。 参考文献: [1]吴宇平, 锂离子二次电池 M] 化学工业出版社, 等. [ . 2002. 234 - 239. [2]A. H. Anbuky,P. E. Pascoe. Battery capacity measurement [ P] Patent NO. WO075678A1, . 2000 - 12 - 14. 图4 恒电流定电压法测试流程图 [3]徐爱钧, 彭秀华. 单片机高级语言 C51 Windows 环境编程 与应用 M] 北京: [ . 电子工业出版社, 2001. [4]张坚钢, 曾海坚. 串行输出 A / D 转换器 MAX186 在多路数 据采集系统中的应用 J] 微机处理, ( 5) 20 - 23. [ . 1999, : ( 许雪军编发) ================================================ ( 上接第 15 页) U CS控制 LED 发光管的亮度。5 个 的控制端INC、 / D、 灯共需 15 个 I / O。 89C51 2) ( 上的资源如异步串行口、/ O、 I 定时器等 还没用, 可作为系统功能扩展用。 灯组亮度控制的等级: - 从 MCU 的并行通信线 主 只有三个数据位及一位用于握手的 I / O。故将灯组显 示亮度定为 8 个等级, 通过主机最终将等级命令传送 到从 机 89C51 2 ) ( 。TB62706 到 X9313 之 间 的 电 阻 其值选择为: 在数字电位器短路时, 62706 恒流输 RW , 出为 20mA, 这是灯组的最大亮度等级。当需降低灯 组亮度值, 数字电位器 X9313 每增加 4 个滑动位 相 ( 当于增加数字电位器总阻值的 1 / 8) 灯组亮度降低一 , 级。8 个等级正好将 X9313 的滑动位用满。 应注意的是: EXT - I OUT 的 关 系 为:OUT =( 1. 26 / R I ( )× 而且人对 R EXT Ω) 14.7。R EXT - I OUT 不成线性关系, LED 管亮度的感觉也不与流过 LED 管的电流成正比, 所以在最亮与最暗之间多分几级, 有助于在实际应用 中选择。 ==== 2 小结 总线型智能交通信号灯组自开发成功至今已有二 年多的时间, 试运行, 表现良好, 性能令人满意。 参考文献: [1]TB62706BN,TB62706BF 16BIT SHIFT REGISTER,LATCHES &CONSTANT CURRENT DRIVERS Z] TOSHIBA, [ . 1999 02 - 16. [2]X9313 非易失性数控电位器数据手册 Z] P&S 武汉力源 [ . 电子股份有限公司, 1998. [3]阳宪惠. 现场总线技术及其应用 M] 北京: [ . 清华大学出版 社, 1999. [4]马莉. Lon 网络开发技术 M] 北京: [ . 北京航空航天大学出 版社, 2003. [5]杨育红, 涂敏, 李滨. Lon 网络程序设计 M] 西安: [ . 西安电 子科技大学出版社, 2001. [6]凌志浩. 从神经元芯片到控制网络 M] 北京: [ . 北京航空航 天大学出版社, 2002. ( 许雪军编发) ============================================== ==== 欢迎赐稿 欢迎刊登产品广告 ==============================================

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