电池充放电测试系统的校准方法研究

2020-01-06董雅顺

通信电源技术 2020年1期

董雅顺

（苏州市计量测试院，江苏苏州 215128）

0 引言

当前我国对于新能源大力推荐，充电电池因其环保优势被广泛用于各行各业。随着技术的不断进步，充电电池由小型的电子设备和电动设备转到了大型的电动工具中，如电动汽车和电动自行车，促进了电池行业这个电动设备的核心产业快速发展。电池在使用中如果存在不当或者缺少维护，会造成电池性能下降，甚至出现安全问题。因而电池充放电测试仪在整个电动设备发展中就显得很重要，该仪器能够及时对电池检测充放电性能。充电电池的安全性能主要是依靠电池充放电测试仪检测的准确度，因此电池充放电测试仪计量的特性是否准确就非常重要[1]。

1 充放电测试仪测试原理与计量特性

当前所使用的充放电测试仪都具备多种测试功能，可以做到多通道共同充放电测试。电池充放电测试仪最主要的工作就是充电和放电两个过程。

1.1 充电过程

使用恒流充电法充电时，充电电源需要在充电过程中一直保持电流维持在恒定的数值，但随着充电的进行，电池能够承受电流的能力会逐渐降低，当到达充电后期，充电电流多用于电解水因而产生气体。使用恒压充电法进行充电，充电过程中需要保证充电电压一直保持在一个额定数值上，但随着蓄电池内的电压升高，电流就会开始减少。相对恒流充电法，此方法充电更加接近完美的充电曲线。虽然这种方法电解水相对较少，能够有效防止过充的情况，但是存在一个比较大的弊端，就是前期因为电流非常大，容易造成蓄电池电极板发生弯曲，直接影响到蓄电池的使用寿命，严重时可能造成电池直接报废。最好的方式就是用恒流与恒压两种方式交替充电，前期通过恒流的方式进行充电，能够急速地让电池达到额定的电压，当到达额定电压后换为恒压方式对剩余部分进行充电。

1.2 放电过程

在放电过程中电池充放电测试仪是类似电子负载的状态。放电过程有恒定电阻、恒定电流和恒定功率3种放电方式，通过设置模式对电流或功率消耗以达到恒定。在实际中最常用的放电方式就是恒定电流放电。在现场进行校准时，使用蓄电池作为电源供电，进行恒定电流放电，产生的电流参数值作为主要校准的对象[2]。

2 充放电测试仪校准措施

目前，在我国使用的比较多的方式就是通过精准比较高的数字多用表和标准电阻再加上一些辅助元件组组合，得到用于校准的检测平台，再通过该平台进行校准。使用这种组合式的检测平台只能对电压和电流存在示值误差时进行校准，无法对电池持续放电时间以及电池实际容量进行测量，更无法对实际使用过程中出现损耗情况进行有效预测。作为电动汽车和电动自行车动力的电池组，在测试中还需要考虑更多方面。因此，需要先对常规使用方法进行一些简单的描述，寻找能够对电池充放电测试进行动态检验的方式。

2.1 对充放电电压进行校准

常规的电池充放电测试仪因为是多重组合的形式来实现检测，一般体积都比较大，且拆卸比较复杂。如果出厂时就进行校准，由于体积比较大，会给运输造成较大的难度。因而一般校准工作都会选择现场进行这种方式。对组装好的电池充放电测试仪进行电压的校准一般采用的是标准电压源和标准电压表两种校准方法[3]。

2.1.1 标准电压源法校准

标准电压源法的原理就是使用标准电压源所提供的标准电压对测试仪进行校准。调整时，首先需要保证需要进行调校的电池充放电测试仪是处在搁置状态的，再对量程进行合理选择，再选择有效的校准点与之结合进行调校。这种检测方法能够对量程范围内的任何一点进行校准，调校中对于标准电压源的准确度要求比较高。如果调校等级要求很高，所需要的电压源准确度也会相应的提高。不过此类电压源也存在体积大的问题，携带不方便，并且对于调校时现场环境也有较高的要求。

2.1.2 标准电压表法校准

使用标准电压表法进行校准需要提前设置电池充放电测试仪，将测试仪调整为恒压充电模式，再用电阻模式对直流电子负载进行设置，以实现对充电电压的校准。现场校准时，使用等级比较高的数字电压表作为标准，将多个蓄电池进行串联来当作直流电子负载，对产生的数值进行校准。这种校准方式能够有效利用现场中已有的器件，不过存在电压校准值完全依赖于现场能够提供的蓄电池的数量，以及能够产生电量的大小。

2.2 充电电流的校准

恒流充电模式是充放电测试仪对充电电流进行校准的主要模式。此时，电池充放电测试仪在检测中充当了类电流源的角色，对直流电子负载进行恒流充电。在这种模式下，一般会采用标准电流表法、直流分流器法和电流传感器法3种校准方式，并在测试时，都要将直流电子负载设置为恒定阻值的模式。充电校准时，对充电电流低于10 A的充放电测试仪，因其是等级比较低的充放电测试仪，一般用的是标准电流表法进行校准。这种校准方式连线比较简单，测试比较方便，不过只能对处在标准电流表量程允许范围内的测试仪进行校准。而处在中等等级划分的电池充放电测试仪就可以使用直流分流器法作为校准的方法。使用标准电压表及标准电阻间接对充放电测试仪的充电电流做出校准。由于校准准确度与标准电阻有着直接关系，因而在校准时还要考虑到电阻运行发热使电阻阻值发生波动的情况。对于充电电流大于几百安培的电池充放电测试仪的校准，首先选择的就是电流传感器法。电流传感器是一种综合性较强的校准模式。此种方式是先将大电流通过电流传感器按照一定的变比转换，使其变为能够进行方便测试的小电流后使用标准电流表进行测试及校准。

2.3 充放电测试仪放电校准

采用恒定电流放电这种模式进行校准是电池充放电测试仪进行放电电流校准的主要形式。此时电池充放电测试仪就等于是电子负载，通过设定好的消耗数值在稳定的直流电源中进行放电，采用与充电电流校准方式相类似的校准方式，在恒定电流的放电模式下，使用充电电流的3种方式进行校准[4]。

3 智能测试系统在电池充放电测试仪中的应用

随着物联网的发展，与物联网关联的电池充放电测试系统不断应用到生活中。此种测试方式使用模块化进行设计，使系统具备了更高的实时性与可靠性。智能电池充放电测试系统在原有测试系统基本功能的基础上，拥有了直流内阻测试、与第三方设备关联等新型功能，能够灵活进行扩展，能够适应不同用户的需求。测试系统在使用设备时将运行获得的关键信息实时存入云服务器中，将结果及时通知用户，让用户能够及时对发生的问题进行处理，有效提升测试的效率以及准确性。

3.1 系统设计原理

在总体设计中包含上位机、中位机、下位机系统和物联网系统四部分。上位机主要作用是对设备运行做出编辑，对设备具体的运行状态进行实时显示，将测试获得的数据进行存储记录并进行统计分析。中位机主要是起到通信桥梁作用，连接着上位机与下位机，将两者之间的数据及命令进行传递，以实现对通道并联和脱机运行进行管理，与第三方设备进行对接。下位机是整个测试系统最终的执行体，对需要完成的测试任务做出相应的控制流程，对通道进行控制并充放电，将测试数据进行采集并上传。最后通过物联网系统将设备运行的有效关键信息进行整体分析并存储，以便需要时能够随时获取[5]。

3.2 系统各模块介绍

3.2.1 下位机系统介绍

下位机的电路主要分为交流侧与直流侧两个部分，交流侧部分主要是由三相PWM整流器组成，直流侧由双向Buck/Boost变换器组成。充电时，整流器对电流进行整理，对直流母线提供稳定电压，并做到单位功率因数控制，而直流侧通过变换器进行降压，以实现对电池进行充电。当处于放电时，直流侧通过变换器转变为升压模式，整流器将电压进行逆变，保持直流母线电压处在稳定的状态下，同时将释放的数据信息进行反馈。在充放电时使用电压、电流双闭环进行控制，对输出电压与电流就能够做到精确控制。因此，只需要对策略组合给定信号进行改变就能够实现多种控制，从而能够广泛应用在各种电池充放电设备中。

3.2.2 中位机系统介绍

作为上位机、下位机之间重要的传输纽带，中位机系统的核心主要是互联网通信电路、SPI电路及USB电路等。该系统的功能主要是与上位机、下位机进行通信，接收从上位机上传来的命令并进行处理，生成任务文件并传递给下位机，接收从下位机传输的反馈和数据，将数据进行上传。如果处在脱机状态，该系统能够通过已经存在的命令文档维持下位机继续运行，将脱机数据进行保存。该系统通过辅助通道对数据进行采样并传递给上位机。同时，该系统能通过物联网将充放电测试系统运行时获得的有效关键信息进行传输，以便于需求者进行获取。最重要的是中位机有着丰富的第三方接口，方便挂载第三方设备或者对设备进行完美扩展。

3.2.3 上位机系统概述

上位机作为系统中人机交互的关键层，能够直观地将结果进行展示，是给工作人员进行命令发布的重要区域。上位机通过软件的功能对电池充放电设备实施监视、控制，接收中位机采集到的数据，存储数据，并通过显示器显示，对硬件进行校准，对相关数据进行管理，如果出现报警，需要排除问题以保证系统正常运行。

3.2.4 物联网系统在测试仪中的作用

物联网系统由数据采集终端、管理云平台以及物联网应用三部分组成。整个电池充放电系统最为关键的就是设备在运行中通过中位机对数据进行采集，再通过智能终端将采集到的数据传输到物联网管理平台中。管理平台对数据进行分析并保存，再借助物联网移动应用及时地提供管理和故障报警服务。当前比较流行的移动APP、微信公众号等都可以作为有效跟踪设备运行的物联网移动应用，有利于用户及时处理出现的问题[6]。