*基金項目：廣東省科技計劃項目（2017A010102022）；湛江市工業技術攻關項目（201717A02020）；嶺南師范學院校級科研項目（LY1806）

0   引言

鋰電池、聚合物電池、鎳鉻電池、磷酸鐵鋰等電池廣泛地存于人們的日常生活與工作中，部分類型電池在新能源電動汽車中同樣得到了廣泛應用，并深刻地影響著人類生活的方方面面，如何保證制造的電池容量性能，是各類電池出廠的必要環節。

基于以上需求，設計了一款電池容量測試系統，用于測量各電池容量的大小，并適用于電池、電芯或電池組的容量的測量。相同規格的電池或電芯容量越大，則說明其儲存的電量越多^[1,2]。根據這個特性，可以通過測量電池的容量判斷電池品質的優劣、產品是否合格。

文獻^[3-4]中均提出了核心電路恒流源中使用晶體管進行電流控制，系統中都缺乏PC軟件本地控制打印，物聯網遠程監控功能^[3-4]；而文獻5雖然提出了使用功耗更低的場效應管實現恒流源的功率部分、PC軟件通信，但缺乏遠程監控功能，并且文中表1的數據中，若干行電流誤差率計算有誤[5]。本測試系統根據電池容量測試要求，使用微控制器、運放與場效應管、大電流采樣電阻等構成了電池充放電模塊，配合周邊電路，搭建了電池容量測試儀，在Delphi開發環境下編寫了本地控制軟件、物聯網平臺支持下的移動端監控App。系統可脫離PC軟件與App單獨使用，也可配合PC與App使用，經過實際調試并長時間使用，能滿足測試要求，保證了電池制造質量，實現了檢測的自動化、網絡化、市場化。

1   電池容量測試系統概述

1.1 電池容量測試原理

電池容量是衡量電池性能的重要指標之一，分為額定容量（標稱容量）和實際容量。電池的額定容量是電池生產廠家在環境溫度20℃±5 ℃條件下,以5h率放電至終止電壓時所應提供的電量，用C5表示，單位為Ah(安時）或mAh（毫安時）[6,7]。例如標稱1000mAh的電池，以1C5A（1000mA）的電流放電，理論值可以持續放電1小時，若以0.2C5A（200mAh)的電流放電，可以持續放5小時。

設置t0為電池充滿電的標稱電壓V_nomi的時刻，t1為電池持續放電后到達終止電壓Vcutoff的時刻，不同的電池，V_nomi 、V_cutoff各不相同，如單個鋰電池，V_cutoff =2.75V，按公式（1）計算電池電量：

   （1）

其中，i為電路測試中的電池瞬時電流值。為了簡化檢測過程，先對被測電池進行充電，讓其達到標稱電壓Vnomi，再對電池進行恒流I放電，在放電的過程中，不斷計算被測電池的電壓，檢測其是否達到終止電壓V_cutoff，并記錄兩個時間的差值^[6,7]，最后得到公式（2）：

   （2）

1.2 測試系統框圖

從圖1的系統框圖可以看出，本地控制軟件運行于計算機Windows操作系統上，與硬件測試儀經由串口[8]交換數據與命令，而物聯網服務采用中國移動OneNet^[9]物聯平臺，開發Android App接收本地控制軟件的數據，實現遠程移動監控本地的測試過程與結果的需求。

圖1 系統框圖及硬件組成

2   電池容量測試系統硬件

2.1 主控單片機與通信接口

如圖2所示，系統單片機選用了ATMEGA64單片機，供電電壓為5V，充分使用其IO口，完成了與LCD液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、串口模塊、AD、DA模塊、內阻測量模塊、恒流充放電模塊等的連接與通信，而Max232芯片則實現了微控制器與RS232的串口通信，硬件可與計算機的串口直接相連接，也可通過USB轉串口線完成軟硬件的雙向通信。

圖2 微控制器核心電路與串口通信電路圖

2.2 PWM的DA轉換電路

在圖1的電池容量測試硬件模塊框圖中，充放電PWM轉換需要兩路獨立控制，并分別提供給下級的充放電恒流電路做為輸入參考電壓源，考慮到性價比，兩路參考電壓源直接由微控制芯片ATMEGA64的PB5，PB6腳產生PWM波并經由低通濾波電路轉換成直流電壓產生。程序上PWM輸出頻率約為500Hz,表達式如公式（1），其中E為單片機輸出高電平5V，占空比,

   （3）

把上述PWM波展開成傅里葉級數：

   （4）

其中，

   （5）

以放電電路為例，可設計一個如圖3的二階RC有源低通濾波器，把公式（4）的高次諧波進行濾除，濾除后，由公式（4）、（5）得到PWM的直流分量簡化為：

   （6）

該低通濾波器為兩級RC有源濾波電路，由C=C223=C224=0.01uF，R=R221=R222=400k，U22A構成的電壓跟隨器放大倍數為1，設，根據運放虛短虛斷原理，則頻率函數公式為：

    （7）

設f為二階低通電路截止頻率，有 ，并且 ，則模：

   （8）

解得該低通濾波網絡截止頻率為：

    （9）

在Proteus軟件里進行二階RC有源低通濾波電路仿真，如圖3，設置輸入占空比20%，峰值5V，頻率500Hz的PWM波，從PWM頻譜圖可以看出其具有多個高次諧波，經過電路濾波后得到Uin，同樣再對其進行傅里葉分析，Uin頻譜圖上已經看不見高頻諧波成分，而轉換出來的直流成分如示波器Channel C紅色輸出線所示，達到了設計目的。

圖3 PWM轉換直流電路及仿真圖

2.3 電池充放電模塊與軟硬件閉環控制

根據國標要求，對電池容量進行檢測，系統必須實現對充滿電的被測電池進行恒流放電。以恒流放電電路為例，在圖4中被測電池由battery+和battery-接入，軟件分別對Ctrl_Power、ctrl_pro_time、ctrl_revive引腳設置恰當的高低電平，使得battery-與GND連通、U21B第7腳與R626連通、VCC+12V與R9連通，U21B、Q8、U9等元件激活，電路即切換為恒流放電狀態。Uin參考電壓由運放U21B（LM358）同相端輸入，運放輸出控制Q8大功率MOS管IRFP260，可支撐大部分被測電池的大電流放電要求。R218為0.1歐姆，線徑1.6mm的康銅絲，是電路中的采樣電阻，該傳感器可承受20A左右的大電流，具有精度高、溫度系數低、無電感的優點。U9為OP07運放構成的同相運算放大電路，形成電流電壓IV轉換電路，放大倍數為Av=1+R93/R92=11，并連接到U21B反向端，形成反饋電壓Uf。由運放的虛短虛斷特性與反饋電壓放大關系，形成以下關系式：

   （10）

因此放電部分恒流源最終輸出 有以下關系式：

（11）

模數轉換電路如圖4所示，芯片為TLC2543，其具有接口簡單，速度快的特點，能完成多達11通道的AD轉換工作，微控制器讀取它各通道值后，或處理或顯示。PWM轉換得到的Uin也被送入AD轉換芯片，微控制器得到它的實際值與設定值進行比較與校正，同樣電流傳感電阻的采樣電壓，經放大器后產生的Uf，即feed_v電壓，也完成了類似的功能，實現了軟硬件閉環調整。

類似地，軟件上分別對Ctrl_Power、ctrl_pro_time、ctrl_revive引腳設置恰當的高低電平，使得battery-與R_SENSE連通、GND與R626連通、U19B第17腳與R9連通，U19B、Q6、U20等元件激活，電路即切換為恒流充電電狀態，Uin2起到恒流放電參考電壓的作用。

主要是通過判斷電池電壓與設定的電壓差，從而確定充電電流的值的大小。設定好充電截止電壓，當充電電壓到達截止電壓附近后，系統狀態由原來的恒流充電變為恒壓充電，恒壓的時候，電流會很大，當電流增大時，電池電壓會升高，為了讓電壓降下來，則充電電流要減小，直到電壓在恒定的設定電壓狀態。而充電電流是PWM設定的，當PWM值很小時，就認為電池充滿電了。

圖4  恒流源控制電路圖

3   電池容量測試系統軟件

3.1 串口通信協議設計

本地控制軟件需要與硬件測試儀交換數據，制定如表1的通信協議。

表1 軟硬件通信協議

表1中，總字節為有效字節與校驗字節總數，不包含幀頭及其本身，而LRC校驗為幀頭字節、總字節與有效字節段各字節相加后取補碼，即各字節累加和取反后加一。軟硬件雙方請求應答命令都遵循該協議，并在程序的通信部分使用狀態機進行數據處理，校驗，保證數據傳輸的正確性。根據此協議，制定了若干命令，如發送串口檢測握手命令、容量測試選項命令、容量測試模式命令、接收測試數據命令等，以此完成軟硬件數據交換。

3.2 軟件設計

測試系統軟件由兩部分組成，分別是與硬件測試儀串口連接并運行于Windows平臺的本地控制軟件與運行于Android移動端的監控App。兩部分程序通過中國移動物聯網OneNet平臺進行數據轉發。

系統采用了Delphi Tokyo10.2^[10,11]下的Object Pascal語言進行上位機程序開發,考慮到Delphi是一個集成數據庫訪問控件與跨平臺的開發工具，代碼可以實現一次編寫，多平臺編譯使用，而測試系統中包含的Windows與Android平臺的軟件在同一個平臺中開發，具有更好的兼容性與經濟快捷性。

根據電池容量測試的要求，其軟件設計框架如圖5所示：

圖5 軟件設計框架

在本地控制軟件中，設計界面如圖6所示，“連接”按鈕實現了框圖中的串口通信模塊，主頁面左側則是容量測試參數設置模塊，可設置測試模式，各模式下的參數，如充電時間、放電時間、充放電終止電壓，測試循環次數等。主界面右側分不同的標簽頁顯示了三種電池容量測試相關的曲線。最右側的“測試結果”標簽頁，則用文本的方式，對被測電池容量等特性做了最終是否合格產品的結論，最終實現了對被測電池充電、放電、繪制曲線、打印報告的自動化操作。

圖6 本地控制軟件界面

物聯網通信模塊采用多線程模式，在不影響主界面用戶操作響應的前提下，使用idTcpClient非可視控件，實現本地控制軟件與中國移動物聯網平臺數據交換，該通信基于物聯平臺的EDP協議[12]（Enhanced Device Protocol）通信，軟件需建立TCP長連接，在沒有命令傳輸的空閑時間外，每分鐘發送一次心跳包可保持連接。

Android移動端App同樣采用Delphi開發環境設計，運行效果如圖7所示。

圖7 移動端App界面

3.3 軟件流程與控制

本地控制軟件流程如圖8，主要涉及串口通信與網絡通信，利用TComport與TComtDataPacket聯合使用，定義每個命令的幀頭和字符長度，當有符合定義條件的串口幀到達軟件后，自動觸發中斷接收程序，并得出完整的一幀數據，再對幀內數據進行校驗與數據處理，極大地簡化了本地控制程序的數據接收過程。

圖8 本地控制軟件流程圖

Android App在與物聯網平臺通信子線程^[13]里，利用了idHttp網絡通信控件，發送實時數據查詢命令到物聯網平臺，返回cmd_uuid碼，并由之轉發到本地控制軟件，而本地控制軟件配合返回數據到平臺后，App再查詢對應的cmd_uuid碼的數據包，進行解包分析。通過這種平臺中轉的方式，可實時獲得本地軟件的被測數據，同步顯示曲線于二維點狀圖表控件上，讓處于互聯網上的測試人員可以使用移動端監視電池的測試過程與測試結果，擺脫了儀器放置的空間限制，提升了工作效率。

4 系統測試

4.1 測試結果

電容容量測試系統測試鋰電池的實物連接如圖9所示，經實驗，本地控制軟件可運行于Windows xp及以上所有操作系統。當計算機與硬件測試儀正常連接成功后，硬件測試儀的LCD上顯示與PC“連接中...”字樣，此時所有的硬件數據都將從硬件LCD轉由軟件接收并在PC顯示。

圖9 系統測試實物圖

系統硬件輸入電源：220V±10%/50Hz，消耗功率10-50W。在快速測試模式中，測試最快約100ms完成；容量測試時間約為2至10小時。

恒流控制放電電路使用直流電源測試，該模塊測試結果如表2所示，序號1-4為電壓不變，改變電流進行測試，而序號5-8為電流不變，改變被測電池電壓進行測試。數據表明電流電壓在較大范圍變化下，得到恒流源電路偏差率總體低于1%。

表2 恒流電路電流測試

4.2 誤差討論

對于誤差，主要來源于：

（1）恒流源電路中采樣電阻精度、溫度穩定性以及反饋回路中運放電路的精度誤差；

（2）采樣放大電壓送到AD轉換器后的得到的電壓精度誤差；

（3）電源電壓、PWM波濾波誤差等。

5   結語

本文搭建了以微控制系統硬件、串口與網絡通信為主的電池容量測試系統，測試系統實現了軟硬件二級電流調節的電池容量測量系統，能準確測量電池容量的相關參數，特別地使用了物聯網平臺，開發了配套移動端App，拓展了系統使用靈活性。實驗數據表明，系統能很好地完成產品需求，可應用于電池制造生產質量檢測。

參考文獻：

[1] 金富強,張南南,金武飛,曹翀,金永強.動力鋰電池組集成檢測系統的研究與實施[J].制造業自動化,2019,41(02):15-18.

[2] KOIKE Rijin,WADA Masayoshi. Study on Battery Model and Remaining Capacity Estimation of EV Driving Battery[J]. The Proceedings of JSME annual Conference on Robotics and Mechatronics (Robomec),2017,2017(0).

[3] 黃天辰,賈嵩,余建華,郎賓.高精度數控直流恒流源的設計與實現[J].儀表技術與傳感器,2013(06):27-29.

[4] 徐巧玉,趙傳鋒,王軍委,馮倩,李鵬.基于STM32的高精度0～24mA恒流源的設計[J].儀表技術與傳感器,2014(11):34-36.

[5] 戴冬冰,劉正光.基于虛擬儀器的大功率高精度電子負載[J].儀表技術與傳感器,2015(09):40-43.

[6] GB/T 18287-2000 中華人民共和國國家標準蜂窩電話用鋰離子電池總規范[S]. 北京：國家質量技術監督局，2001

[7] GB/T 18288-2000 中華人民共和國國家標準蜂窩電話用鋰離子電池總規范[S]. 北京：國家質量技術監督局，2001

[8] 潘琢金,李冰,羅振,楊華.基于STM32的UART-WiFi模塊的設計與實現[J].制造業自動化,2015,37(07):127-130.

[9] 中國移動. OneNET物聯網平臺[EB/OL].https://open.iot.10086.cn/doc/,2019

[10] 陳天炎.基于Delphi的移動機器人遠程監控系統網絡時延研究[J].閩江學院學報,2018,39(05):34-39.

[11] 殷蘇民,徐啟祥,鄭昌俊.基于Delphi的車間設備運行狀況監控系統設計[J].制造業自動化,2015,37(22):34-36+45.

[12] 趙小強,陳玉兵,高強,權恒,韓亞洲.基于Modbus協議的農田氣象信息監測站設計[J].電子技術應用,2018,44(12):55-59+64.

[13] 莫長江,黃贊.基于物聯網的熱熔斷體動作溫度檢測系統設計[J].制造業自動化,2019,41(01):9-13+23.

（注：本文來源于《電子產品世界》雜志2020年10月期）