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锂离子电池测试系统的硬件设计

时间:2017-02-20 14:42来源:未知 作者:admin 点击:
测试系统的硬件是以LPC2138为处理核心,采用PWM对电池充放电过程中的电流进行控制,设计了电池充放电电路,在硬件设计中还完成了电池电压、电流信号采集电路,信号调理电路等设计。

电池测试在线供稿:锂离子电池测试系统的硬件设计

测试系统的硬件是以LPC2138为处理核心,采用PWM对电池充放电过程中的电流进行控制,设计了电池充放电电路,在硬件设计中还完成了电池电压、电流信号采集电路,信号调理电路等设计。

 

一、 硬件总体结构设计

随着电池测试要求的不断提高,对电池测试的参数也越来越多,这就要求微处理器具有高的处理速度和精确度。本课题根据电池测试系统各项性能参数的综合考虑及经济性和广泛性的原则,采用了由PHILIPS公司生产的32位微处理器LPC2138作为CPU系统。系统在结构上包括信号调理电路,充电测试控制电路,放电测试控制电路,内阻测试控制电路等,如图3-1所示。


3-1 系统总体设计框图

系统中,采用的微处理器LPC2138ARM7TDMI-S核,其采用了三级流水线技术,增加了64位乘法指令,支持片上调试以及18路的PWM通道、10ADC10DAC、多个32位定时器、多达9个边沿或电平触发的外部中断、47GPIO,使其特别适用于控制应用。信号调理电路将电池信号通过运放转换成在处理器A/D采样范围的采样信号,并对电池的电流信号进行转换,转换成方便测量的电压信号,传输给控制器。控制器对电流、电压的模拟量进行采集、A/D转换、分析处理,并将控制指令传输给各控制电路,对测试系统进行测试控制。充电控制电路接收控制器对充电电流和电压的控制指令,完成系统充电测试的控制。放电控制电路接收控制器对放电电流和电压的控制指令,完成系统放电过程的测试。内阻测试电路完成系统内阻的测试控制。在各测试过程中,系统对电流、电压的模拟量进行采集、A/D转换、分析处理,将控制指令传输给控制电路,对测试系统进行测试控制,输出测试结果。

二、 主控板结构设计

主控板是控制系统的核心,其设计保证着微处理器的正常工作和性能发挥,图3-2为控制器的外围接口设计,主要包括控制器最小系统及外围电路的设计,其中有:电源模块设计,JTAG接口设计,串口通讯接口,存储模块的设计等。


3-2 控制器外围接口

JTAG接口:JTAG是国际通用标准测试协议的一种,在芯片内部的通信和测试中应用广泛。现在的很多芯片都支持该协议,如ARMFPGADSP等。标准的接口为4线,TDO为数据输出线、TDI为数据输入线、TMS为模式选择线、TCK为时钟线[7]。相关引脚定义为:TDO定义为测试数据的输出;TDI定义为JTAG数据的输入;TCK定义为测试时钟的输入;TMS定义接口模式的设定;TRST为复位引脚,低电平复位。本设计中调试接口采用标准的20脚仿真器,其由ARM公司提出,其引脚的定义及与控制器的连如图3-3所示,4.7k的下拉电阻被接在RTCK引脚上,使微处理器LPC2138内部JTAG接口使能,调试可直接进行。

3-3 JTAG接口设计

电源模块:电源模块的好与坏,对一个系统的可靠性至关重要。系统设计中处理器的内核和外围接口使用3.3V电源供电,为保证处理器的稳定性和精确性,设计采用SPX1117M3-3.3芯片,其为Sipex公司生产,LDO系列。具有电流输出大,电压输出精度高,稳定性好的特点。该芯片的最大输出电流可达800mA,电压精度在1%以内,并且具有热保护功能和电流限制功能。原理图如3-4所示。

3-4 电源稳压模块

输入的220V交流电源经开关电源后变为直流电源,然后经7805稳压至5V,二极管用于限制电流的导通方向,电容用于滤波,然后通过SPX1117M3-3.3将电源稳压至3.3V。芯片具有单独的模拟电源引脚,为提高准确性,降低噪声干扰,数字电源和模拟电源隔离设置。

复位电路设计:为提高微处理器工作的可靠性,复位电路在硬件设计中是必不可少的。电源监控的可靠性、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源的纹波都会影响处理器的精确性,尤其是芯片高速、低工作电压、低功耗的情况下,干扰就更加的明显,对电源的监控要求就更高。为提高系统的可靠性和精确性,设计中采用芯片复位,器件选用CAT1025JI-30

存储模块设计:在测试的过程中,测试参数及测试结果需要保存,这就要求在系统中具备存储模块。本设计中存储模块采用CAT1025JI-30器件,通信方式采用I2C存储,电路如图3-5所示。I2C总线是由Philips公司研发并推出,是比较受欢迎的在微电子通信等领域应用的一种总线方式,用于连接微处理器与外围器件。LPC2138具有两个标准的I2C接口,I2C0I2C1,可配置为主机和从机,最高总线时钟速率可到400k,并且可调整。特性:通信控制速率可通过编程实现;从机与主机之间可以双向传输;多主机可以通信;为避免数据在总线上的冲突,主机对同时发送的数据进行仲裁;器件的不同通信速率在一条串行总线上通过串行时钟同步可实现;串行传输的挂起和恢复可通过握手机制实现;测试和诊断可有总线执行。总线上拉电阻的大小设计为1K,来支持高数I2C总线操作。这样能提高总线升高降低的变化速度。当总线上拉电阻大小为5.1K或者10K,其为标准的100KHZ总线速度,此时可减小总线操作时的功耗。


3-5 存储电路

三、 数据采集电路设计

在现代工业控制中,数据采集系统是最为普通和普遍的,其任务是在生产测试的过程中,对模拟信号及时的采集,并通过A/D处理器,经过微处理器的分析处理,以数字量存储到存储器。该系统在测试的过程中,电压信号和电流信号的实时采集是测试过程的重要环节,其采样结果的精度对整个测试过程的精确度和灵敏度至关重要。该设计中,测试系统主控制器LPC2138完成对电池电压信号和电流信号的采样。其具有一个108A/D转换器,VPB时钟提供基本时钟,每个转换器包含一个编程分频器,具有非常灵活的转化方式,单路软件可以启动,也可以以循环采样方式对几路信号采样。特性:一个或多个输入Brust转换模式;110位逐次逼近式模数转换器;测量范围0~3V10位转换时间小于2.44μs;可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换。

1.       A/D参考电压设计

A/D参考电压的设计中,选用外部电压作为参考电压,选用的参考电压,必须保证外部电压受外界影响较小,非常稳定[8]。由于在本系统中是高精度的数据采集,这对A/D转换器的参考电压比较高,故采用外部专用参考电压芯片产生稳定参考电压输入到微处理器LPC2138INREF引脚。LPC2138的外部参考电压输入范围为0V~3.3V。在本设计中,电压、电流信号通过运放被转换成0~3.3V的单极性模拟信号,故选用可产生参考电压为2.5V的专用芯片REF192REF19X系列专用参考电压芯片与一般的参考电压芯片不同之处是有睡眠模式,并具有低功耗、精度高以及输出电流大等特点。REF192的典型应用电路和调理电路中的VREF的设计电路分别如图3-6和图3-7所示。


3-6 LPC2138参考电压设计


3-7 调理电路中参考电压设计

2.       采样信号调理电路设计

采样信号在前期调理的过程中,由于信号微弱,且存在一定的尖峰干扰。设计中把电池的电压信号和电流信号均转化为相应的电压信号进行采集、处理,放大电路采用差动放大电路,有利抑制共模干扰,提高共模抑制比和减小温度漂移。运放采用真差动四路运算放大器LM324,该芯片的静态电流小,可以工作在3.0V32V的广范围电压下,并且具有短路保护输出,单电源供电,低偏置电流,内部补偿,静电保护功能等特点。图3-8所示为电压信号调理放大原理图。


3-8 电压信号调理电路

为了方便采集和计算机巡检,将电流信号经过一个大功率采样电阻R12进行转换,使电流信号转换为相应的电压信号进行检测,由于采样电阻的阻值很小,很精密,相应的电压值比较小,对运放的要求很大,此处运放采用更为精密的TLV2211单运放,如图3-9所示,把电流信号经运放放大至0-3V电压之间。

3-9 电流采样电路

3.       充电测试电路设计

在进行充电测试时,应严格按照电池标称电流对电池进行充电测试,充电电流的大小采用PWM控制实现。作为数字输出对模拟电路的控制,PWM被广泛的应用于测量、通信等众多领域中的功率与变换中,由于其控制信号为数字形式,无需进行模数转换,具有很强的抗噪声能力[9]

标准定时器是LPC2138脉宽调制器建立的基础,启动及方式可在PWM匹配功能中选择。外部时钟的计数有定时器完成,指定的动作在到达预设的定时器值时执行,方式可由中断的产生或者基于7个匹配寄存器。四个捕获输入的功能是在事件发生时可产生中断,其值在输入信号发生跳变时捕获。具有的特性有匹配寄存器7个,可完成双边沿控制3个和单边沿控制6个;每个匹配寄存器对应一个外部输出;支持双边沿和单边沿的PWM输出;定时器值可以作为脉宽周期,并且数值可以是任意的;为防止错误的脉冲产生,脉冲输出与寄存器匹配更新同步;在跳变的输入信号产生时,定时器的值可以4个捕获寄存器同时取得,中断可由捕获事件产生。

电池的充电过程由充电器完成,图3-10为充电控制电路,本设计中的充电过程控制采用模拟充电器设计,由于微处理器输出的电流比较小,采用大功率的三极管8050C3990TIP142对电流进行三级放大,以达到电池充电电流的要求。测试中,处理器首先采集电池的电压信号,经分析处理,通过PWM的输出对电池充电,然后实时的采集电池的电压信号,将充电结果反馈给处理器,形成闭环回路。

3-10 充电测试控制电路

4.       放电测试电路设计

对电池的放电过程采用模拟负载设计实现。如图3-11所示,放电过程中,处理器首先采集电池的电压信号,经控制器的分析处理后,对控制电路发出指令,输出PWM电流控制信号,电流信号经不同型号的三极管8050C3990TIP142,实现电流的逐级放大后,最终转换为电池的放电电流。放电电流经采样电阻,转换为电压信号,处理器采集采样电阻的电压信号,经运算得到电池的放电电流,分析处理后发出调节指令,输出PWM,如此往复,形成闭环回路。

3-11 放电测试控制电路

5.       内阻测试电路设计

四、       常用测试方法

内阻是电池的重要参数,其大小影响电池的输出电压、输出电流、功率等。目前常用的内阻测试方法有交流注入法和直流放电法[10]

直流放电法:直流放电法是在脱机的情况下,将放电负载接入电池两端,以不同的电流对电池放电,然后测得电池的电压变化值,根据电压值差和电流值差来进行电池内阻大小的计算。

交流注入法:交流注入法是将一个小的低频电流信号注入电池测试回路,如信号ΔI=I sinwt+φi),其中I为幅值,ω为角频率,φi为初相角。则电池的两端产生的电压信号为ΔU=U sin(wt+φu),其中U为幅值,ω为角频率,φu为初相角。则电池的内阻为

R=U cosφ/I                          (3-1)

式中:φ=φi-φu

四端子内阻测试法

锂离子电池的内阻一般为毫欧级别,测量导线的电阻和接触电阻与电池内阻具有相同的数量级,采用两端子测量误差比较大,如图所示,其中,R0为电池的等效内阻,R1R2为等效接触电阻和导线电阻,当I较小时,此方法误差不大,但当I较大时,则可产生较大的误差,如图3-12所示。

3-12 两端子测试

为提高测量的精确度,采用四端子内阻测量法,如图3-13所示,其中R0为电池的等效内阻,R1R2为测量的等效接触电阻和导线的等效电阻,I1为施加的激励信号,I2为测量电流,I1在电阻R3R4上产生压降,则测量端的电压表达式为

U=(R1+R2) I2 + R0 (I1+I2) + E                     (3-2)

由于测量放大电路的阻抗近似无穷大,I2近似等于0。所以

U=R0I1 + E                           (3-3)

对测试系统施加两次不同的激励信号,设为I1'I1",测得的电压为U1U2,则可得二元二次方程组

U1=R0I1'+E                           (3-4)

U2=R0I1"+E                           (3-5)

解此方程组,可得电池的内阻R0

R0=(U1-U2)/(I1'-I1")                       (3-6)

表达式中没有R1R2,消除了接触电阻和导线电阻的干扰,提高了准确性。


3-13 内阻四端子测试

 

 

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