使用LMG600監(jiān)控電池充放電
介紹
電池用于電能儲(chǔ)存進(jìn)入電力行業(yè)已有多年，在規(guī)模、容量、效率等方面都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在研發(fā)階段，仔細(xì)的設(shè)計(jì)以及對(duì)電池電氣性能的精確監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的。此外，它們?cè)诳稍偕茉瓷a(chǎn)、電動(dòng)汽車和越來(lái)越小的移動(dòng)設(shè)備方面的后期整合大大提高了門檻。
在超過(guò)40年的時(shí)間里，ZES ZIMMER電子系統(tǒng)為電氣和電子行業(yè)的所有部門提供精確功率測(cè)量的解決方案。我們Z新系列的功率分析儀，LMG600，市場(chǎng)上精度Z高、用途廣泛。因此，研究把LMG600功率分析儀作為智能電池測(cè)試系統(tǒng)是非常有意義的。
當(dāng)涉及到電池測(cè)試測(cè)量時(shí)，LMG600具備以下特性:
l 連續(xù)測(cè)量電壓，電流，功率，能量，電荷等。
l Z大整體精度:0.025%
l 交流和直流分開測(cè)量
l 用戶可配置自定義菜單
l 集成腳本編輯器
l 腳本可配置帶數(shù)字輸入輸出的同步接口（GPIO）
l 可選的過(guò)程信號(hào)接口帶模擬和數(shù)字輸入輸出(PSI)，用于溫度測(cè)量或單個(gè)電池的跟蹤
因此，LMG600允許定制、多功能和強(qiáng)大的電池測(cè)試儀的實(shí)施。通過(guò)易于使用和自定義的用戶界面和智能的腳本編輯器，電池特性的重要測(cè)量，如電壓、電流、能量和電荷以及直流內(nèi)阻和耗散的焦耳能量可以顯示在一個(gè)屏幕上。簡(jiǎn)而言之，LMG600提供了從充電到放電的詳細(xì)和精確的能量平衡測(cè)量所需的一切。
應(yīng)用和定義
本應(yīng)用的目的是為了測(cè)量電池充放電期間的基礎(chǔ)電氣特性，要測(cè)量的重要參數(shù)包括
l 電池上的直流電壓Udc以及電壓Z大值Umax和Z小值Umin
l 直流電流Idc
l 電池的功率P1、能量E1和電荷q1
l 電池內(nèi)阻Rb
l 電池因焦耳效應(yīng)導(dǎo)致的發(fā)熱功率Pj和能量Ej
數(shù)值Udc、Idc、P1、E1、q1由功率分析儀直接測(cè)量。剩余的參數(shù)定義如下：
l Umin =min(Udc) 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)直流電壓的總的Z小值
l Umax=max(Udc) 試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間內(nèi)直流電壓的總的Z大值
l 
這里Uac和Iac是電池的電壓和電流的交流成分，
并為同一相
l 
這里Itrms是電池的總電流
l 
這里Ej0是電池的初始能量，△ten是電流周期的持續(xù)時(shí)間
通過(guò)對(duì)上述參數(shù)的精確測(cè)量，詳細(xì)研究了電池的容量和效率，以及連續(xù)監(jiān)控了電池的內(nèi)阻和因電阻發(fā)熱耗散的能量。使用多通道LMG600同時(shí)測(cè)量充電器效率可以更好地概述該系統(tǒng)。此外，多通道功率分析儀可以跟蹤多節(jié)電池的串聯(lián)電壓。結(jié)果可以以數(shù)字和圖形形式進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸到PC上，在Excel或Matlab中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
該電池可在不同條件下進(jìn)行測(cè)試，包括在恒定直流輸入、調(diào)制直流用于內(nèi)阻測(cè)量、脈沖輸入過(guò)載測(cè)試或隨機(jī)充放電來(lái)模擬現(xiàn)實(shí)生活條件。
測(cè)量設(shè)置和接線
建議的測(cè)試配置如圖1所示，包含如下組件：
l LMG611功率分析儀
l 2400mAh鎳鎘6芯電池
l 直流電流源作為電池充電器
l 信號(hào)發(fā)生器組合900uH的電感和100uF的電容用于測(cè)量電池內(nèi)阻
l 12Ω功率電阻作為負(fù)載
l 繼電器電路用于切換“充電/放電/待機(jī)”模式
在充電過(guò)程中，電池與充電器并聯(lián)，在放電過(guò)程中，電池與負(fù)載并聯(lián)。由2個(gè)繼電器組成的電路用于兩種運(yùn)行模式之間進(jìn)行切換，由LMG600的GPIO接口控制。當(dāng)兩個(gè)繼電器都開啟時(shí)，電池是開路的（待機(jī)模式）。繼電器必須以這樣一種方式控制，即它們永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)閉合。充放電過(guò)程的基本測(cè)量電路如圖2和圖3所示
圖1:測(cè)量設(shè)置
圖2:充電時(shí)的測(cè)量電路
圖3放電時(shí)的測(cè)量電路
給電池充電有快有慢。在2.4 A電流下，2400mAh的鎳鎘電池理論上需要1小時(shí)才能充滿電。由于在充電周期結(jié)束時(shí)增加的熱損耗，慢充通常以該電流的10%進(jìn)行，持續(xù)14-16小時(shí)，而不是10小時(shí)
然而，更有趣的是在快充期間監(jiān)控電池。通常在這種情況下，電池是用額定電流充電的。在快充時(shí)，當(dāng)電池接近充滿電時(shí)，電池溫度會(huì)上升得比慢充更明顯。這個(gè)溫升將導(dǎo)致電壓下降，這表明電池已充滿。使用LMG600監(jiān)控此電壓降允許用戶通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)碾妷洪撝祦?lái)檢測(cè)此事件。一旦電壓下降超過(guò)這個(gè)閾值，通過(guò)使用GPIO接口來(lái)警告用戶停止充電。
當(dāng)放電時(shí)，知道電池什么時(shí)候放完電也很重要。根據(jù)制造商提供的電池電壓-放電容量曲線，使用者可以設(shè)置低電壓限值。當(dāng)功率分析儀檢測(cè)到電池電壓下降到該限值以下時(shí)，警告用戶電池幾乎放完電了。同時(shí)自動(dòng)斷開電池和負(fù)載的連接。
雖然很容易檢測(cè)出電池何時(shí)放完電，但是檢測(cè)它何時(shí)充滿電仍然有點(diǎn)復(fù)雜。用戶很容易通過(guò)充電結(jié)束時(shí)的典型電壓降識(shí)別，但編程一個(gè)先進(jìn)的算法把這種狀態(tài)從可能發(fā)生的其他類型的電壓降中區(qū)分出來(lái)，實(shí)際上相當(dāng)棘手。因此，當(dāng)檢測(cè)到該電壓降時(shí)僅報(bào)警，但充電不會(huì)立即停止。如果用戶沒(méi)注意到并及時(shí)手動(dòng)切換到放電或待機(jī)模式，報(bào)警將持續(xù)一段時(shí)間。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)置充電器在給電池充電過(guò)程中Z大800mA。根據(jù)制造商的規(guī)格參數(shù)電壓降限值設(shè)置為60mV。放電時(shí)將一個(gè)12Ω電阻作為負(fù)載連接到電池，根據(jù)電壓大小產(chǎn)生400~700mA的放電電流。在這種情況下，電池的電壓下限設(shè)置為6.2V 或者1.05V每節(jié)。
測(cè)量?jī)?nèi)部發(fā)熱損耗需要隨時(shí)知道電池的內(nèi)部阻抗。公式
需要一個(gè)調(diào)制的電流。很明顯，電池電流沒(méi)有紋波，這個(gè)值會(huì)隨機(jī)或無(wú)限大，沒(méi)有任何意義。為了產(chǎn)生此電流紋波，我們使用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器。100uf電容防止直流電流流向信號(hào)發(fā)生器，導(dǎo)致它全部通過(guò)電池。同樣地，90uH電感用于防止交流電流流向充電器或負(fù)載。
在電池阻抗測(cè)量中經(jīng)常使用頻率為1kHz的信號(hào)。幅值的選擇是通過(guò)測(cè)量通過(guò)電池的紋波電壓和電流，并將其調(diào)整到為功率因數(shù)接近1時(shí)的數(shù)值。這樣測(cè)得的阻抗相當(dāng)于內(nèi)阻，就可以進(jìn)一步計(jì)算焦耳損失
給出測(cè)量結(jié)果并編寫計(jì)算腳本
LMG600允許用戶構(gòu)建自定義菜單，以便以一種總結(jié)、全面和面向應(yīng)用的方式顯示他們的測(cè)量、設(shè)置和圖表。正如圖4的自定義屏幕包括所有重要的電池狀態(tài)，圖表隨時(shí)顯示任何期望的測(cè)量值以及設(shè)置和控制。與自定義菜單對(duì)應(yīng)的腳本將應(yīng)用測(cè)量設(shè)置，并計(jì)算不直接測(cè)量的數(shù)值值，如內(nèi)阻和電池的焦耳損失。該腳本可以實(shí)現(xiàn)如下功能：
l 計(jì)算變量和定義它們的單位：如Umax、Imax、Rb、Ej
l 重置數(shù)值，啟動(dòng)和停止積分
l 將測(cè)量值與先前定義的閾值和觸發(fā)動(dòng)作進(jìn)行比較
l 控制數(shù)字輸出與外部設(shè)備或觸發(fā)繼電器同步
l 在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)記錄數(shù)值
圖4:電池設(shè)置的自定義菜單
用戶可以通過(guò)改變Mode設(shè)置來(lái)選擇測(cè)試類型(充電、放電或待機(jī))。當(dāng)Mode為Discharge或者Charge時(shí)，腳本控制積分開始，Standby期間暫停。在Standby模式時(shí)按一次下箭頭將設(shè)置Integration為0并Reset時(shí)間和能量/電荷值。總運(yùn)行時(shí)間顯示在屏幕的頂部。電壓閾值在腳本中設(shè)置的，也會(huì)顯示，但不能在測(cè)量期間更改。
下面的腳本可以作為上述自定義菜單的示例
鎳鈷電池測(cè)試腳本范例
要記錄測(cè)量值，用戶必須在storage - log菜單中設(shè)置一個(gè)記錄文件，并選擇每次記錄導(dǎo)出的數(shù)值。使能Script logOnce 設(shè)置，將在每周期結(jié)束時(shí)logonce()命令時(shí)被調(diào)用時(shí)允許腳本記錄數(shù)值。
此外，在INSTR.- GPIO & Sync界面，將GPIO的Direction設(shè)置為“output”。一旦腳本安裝好，針腳3和4的狀態(tài)更改為“Script Ctrl”
結(jié)果
完整的充放電測(cè)試結(jié)果如下。電池在測(cè)試開始時(shí)和結(jié)束時(shí)都是沒(méi)電的。在開始測(cè)試之前，很明顯電池既沒(méi)有連接到充電器也沒(méi)有連接到負(fù)載(Standby模式，兩個(gè)繼電器都打開)。
結(jié)果如前面所提每個(gè)測(cè)量周期都記錄并可以導(dǎo)出成excel格式，非常方便處理結(jié)果并將其繪制成圖形。
在圖5中可以看到在一個(gè)完整的充放電周期中的直流電壓和電流。以800mA或1/3額定值的速率持續(xù)充電大約三小時(shí)。直到該周期末端，電壓在開始下降前達(dá)到Z大值。在這時(shí)我們認(rèn)為電池已經(jīng)充滿電，儀器顯示了一個(gè)警告指示。
電池的放電隨即開始，并通過(guò)一個(gè)12Ω電阻進(jìn)行。此時(shí)的電流當(dāng)然是負(fù)的，它流向相反的方向。當(dāng)電池電壓減小時(shí)，電流也幾乎成比例地減小。當(dāng)直流電壓達(dá)到6.2V以下時(shí)功率分析儀發(fā)出充電結(jié)束信號(hào)，自動(dòng)再次將Mode設(shè)置為Standby。
圖5:充電周期中的直流電壓和電流
圖6顯示電池在整個(gè)周期吸收和釋放的功率、能量和電荷。Z初認(rèn)為電池是完全放完電的，意味著根據(jù)我們的定義，當(dāng)連接到12Ω電阻負(fù)載時(shí)，其電壓為6.2 V。此時(shí)儲(chǔ)存的能量和電荷是未知的，但可認(rèn)為是零(Integration設(shè)置為0:Reset)，作為開始測(cè)量之前的參考。即使在電池中存儲(chǔ)的能量和電荷不是直接測(cè)量的，不妨假設(shè)，放電結(jié)束時(shí)，他們的值或多或少與測(cè)試開始前是一樣的。這是因?yàn)槲覀兌x零能量和電荷的點(diǎn)(Vdc =6.2V)的條件在測(cè)試前后是相同的。所以用LMG600更好地控制這些條件意味著在這個(gè)假設(shè)下更好的精度。
電池總共吸收了2.32Ah的電荷，相當(dāng)接近它的額定容量。電池在充電期間吸收的總能量是20.3Wh，包含了熱量、化學(xué)和其它形式的損失的能量。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的能量不為零，可以認(rèn)為是充放電循環(huán)的總能量損失，是4.65 Wh。
功率流向是一條完全可預(yù)測(cè)的曲線。
圖6:功率，能量，電荷
焦耳損失的概覽可以通過(guò)監(jiān)控電池的內(nèi)阻見圖7來(lái)獲取。它通常在充電過(guò)程減少，在放電過(guò)程中增加，但在充電結(jié)束時(shí)可以觀察到一個(gè)突起。根據(jù)測(cè)得的內(nèi)阻，通過(guò)腳本計(jì)算焦耳能量和功率，如圖8所示。據(jù)此，電池由于其內(nèi)阻在一個(gè)完整的充放電周期耗散了104 mWh的熱量。
圖7:內(nèi)阻
圖8焦耳能量
結(jié)論
l LMG600覆蓋了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的首先和Z基本的原則：基本性能的精確測(cè)量
l 同時(shí)提供連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄和導(dǎo)出以及內(nèi)置的編程能力。
l 充電的常規(guī)或特定的測(cè)試(如交流或者直流分析)通過(guò)使用可編程設(shè)備和LMG600的I/O接口(GPIO、CAN、 PSI)腳本編輯和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
l 有了這些功能，我們簡(jiǎn)單的鎳鎘電池腳本可以擴(kuò)展到研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)算法，適用于任何類型的電池和測(cè)試方案。
