基于sTM32的锂动力电池检测装置的设计

引言

随着工业自动化水平的逐渐提高与完善,锂电池的身影在各行各业出现得越来越多,如新能源汽车、无人机、电动设备等领域。相较于传统的铅酸电池,锂电池有工作电压高、能量密度高等优势。对于一台使用锂电池作为电力供应的设备来说,锂电池性能的优劣在一定程度上决定了这台设备的使用表现,对于一架无人机来说,如果其使用的锂电池容量较低,则无人机的续航里程就会较短。因此,锂电池的使用厂家应保证其所使用的电池的性能符合设备的使用要求,故对锂电池的性能进行检测是必不可少的工作。

本文以STM32系列单片机为主控芯片,设计出一种锂动力电池检测装置,装置通过样本学习的方式获得判定基准值,并依据判定基准值检测锂动力电池的性能是否优良。

1方案原理设计

1.1学习模式—获取N节电池的电性能平均值

电池的端电压是衡量其性能的最基本参数,端电压过低,则影响用电设备的正常使用,端电压过高,则会损坏用电设备:其次,电池的内阻决定了在电池回路中电动势在电池内部产生的压降,电池的内阻越小,则电池本身产生的压降越小,损耗越低。锂电池短路后,其端电压下降,短路切除后,其端电压会逐渐恢复至原电压。取短路切除后至电压恢复至原电压90%时的时间间隔作为锂电池的恢复时间,电池的恢复时间越短,表征了电池的放电恢复能力越强。

工作在学习模式时,装置通过采样计算,会获得判定电池性能优劣的基准值。装置依次采集样本中每节电池的端电压、内阻、恢复时间,样本所包含的电池数量可进行人工设定,样本的选择应具有随机性。采集完成后,计算出3个参数的平均值,将平均值视为判定基准值,并保存在EEPROM中。

1.2检测模式—筛选出劣质电池

设置装置工作在检测模式,开始对非样本电池进行检测,分别采样每节电池的端电压、内阻和恢复时间,计算每节电池的参数与判定基准值的差值,若差值超过设定的阈值,则判定本节电池为劣质电池,装置的触摸屏将进行特殊显示,并产生蜂鸣音,提示本节电池为劣质电池。

方案的原理设计如图1所示。

2方案的实现

2.1硬件设计

装置使用的主要硬件包括:主控芯片STM32系列、具有语音功能的触摸屏、功率继电器、霍尔传感器、外部AD、RS485芯片等。主控芯片负责实现装置的工作流程,触摸屏完成人机交互,功率继电器用于电池内阻测量回路及电池短路回路,霍尔传感器负责将电池电流转换为AD可接收的电压信号,外部AD则完成对端电压和电池电流的采样。装置使用片内定时器测量电池的恢复时间。

主控芯片与AD芯片直接连接,采用IIC协议进行通信:主控芯片与触摸屏通过RS一485总线进行连接:MCU通过控制驱动电路来实现功率继电器的吸合与断开:锂电池的正极连接AD转换器的通道,负极与AD转换器共地:电流传感器将电流信号转换为电压信号,并与AD转换器直接连接。

装置含有两个电压等级的电源,其中AD转换器需要专用的5V电源,便于其完成精确的电压信号采集:MCU使用5V电源供电,触摸屏和功率继电器使用24V电源供电。

装置的硬件设计如图2所示。

2.2软件设计

2.2.1采样单节电池过程

在学习模式和工作模式中,都离不开对单节电池的采样过程。

(1)判断锂电池接入系统。上电后,装置的程序进入wwhil(1)的循环中,每隔一段时间,MCU会读取AU转换器各通道的数据,当检测到系统电池端口输入电压大于等于1D时,则认为电池接入系统,延时后可进行采样(防抖动处理)。

(2)经过一定时间的延时,MCU再次读取AU转换器中电压通道的数据,MCU经过计算,得出当前被采样电池的端电压Vk。电池电压的计算公式如下:

式中,Vk表示被采样电池的端电压;X表示AU转换器的采样数据;Vrlf表示AU转换器的采样参考电压,为5D。

(3)采用电位差法,通过控制功率继电器吸合与断开,计算锂电池的内阻Rk。

(4)功率继电器断开,电池回路被切断,开启MCU定时器,每10mS执行一次中断,并测量电池电压,当电池电压恢复至其初始电压的90%时,定时器停止计时,保存电压恢复时间7k;若电压恢复时间超过30S,装置退出电压检测,认定电池性能不合格。

2.2.2学习模式

在学习模式中,装置的任务是获得判断电池样本是否合格的基准值。在样本数量较大的情况下,采用均值处理,能够筛选出那些性能偏离样本总体较大的电池个体。对电池端电压、电池内阻、电压恢复时间分别进行均值处理,其公式如下:

式中,VS表示电池端电压基准值;RS表示电池内阻基准值;TS表示电池恢复时间基准值。

均值处理完成后,通过点击保存,这三个基准值将保存在MCU的EEPRoe中,确保装置失电后,数据仍然能够保存。

在学习模式中,装置不判断电池的性能是否合格。

2.2.3工作模式

在工作模式中,装置判定锂电池的性能是否合格。在触摸屏上点击工作模式,进入工作模式后,装置将从EEPRoe中读出在采样模式中计算得来的基准参数VS、RS、TS,在触摸屏上设置判定电池性能合格的阈值分别为a%、b%和c%。

(1)确认电池接入后,装置自动进行一轮采样,将分别得到本节电池的端电压Vx、内阻Rx和电压恢复时间Tx。

(2)检测数据的判定。若当前被检测的电池性能数据同时满足如下3个公式,则判定本节电池的性能合格。若电池数据不满足其中任何一个不等式,则判定本节电池数据有瑕疵,触摸屏将发出声光报警。

2.2.4通信规约设计

装置由触摸屏来完成人机交互,触摸屏与主控芯片之间的通信通过RS-485总线实现,MCU将采样数据实时发送至触摸屏进行显示,同时人可以通过触摸屏向装置下发命令。MCU与触摸屏之间通信的报文帧格式如表1所示。

MCU通过向触摸屏的特定寄存器发送数据,从而实现对触摸屏亮度、按键音等功能的控制;同时MCU通过向触摸屏特定地址的存储单元发送数据,可以实现对触摸屏所显示的采样数据的刷新。在报文中使用不同的指令码(表2),就能完成对触摸屏中的寄存器和存储器的精确访问。

3试验结果

根据本设计分别进行了电池样本的测试,样本的数量为200只,经过对比,装置筛选出来的不合格电池均为性能较差者,显示了方案的有效性。

通过设定不同的阈值,即可设定不同的测试严格程度。给定的阈值较大,则不合格的数量会较少;反之,则不合格的数量较多。试验结果如表3所示。

4结语

本文提出了一种针对批量锂动力电池的检测方案,并进行了软件与硬件的设计,对于锂动力电池的使用厂家来说,本方案具有一定的借鉴意义。本方案在电性能参数的设置以及阈值大小的设置上尚需进行大量的测试和验证,才能找到最优的参数组合。