使用LMG600監(jiān)控電池充放電

介紹

電池用于電能儲存進入電力行業(yè)已有多年，在規(guī)模、容量、效率等方面都取得了長足的發(fā)展。在研發(fā)階段，仔細的設計以及對電池電氣性能的精確監(jiān)測是至關重要的。此外，它們在可再生能源生產(chǎn)、電動汽車和越來越小的移動設備方面的后期整合大大提高了門檻。

在超過40年的時間里，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量的解決方案。我們Z新系列的功率分析儀，LMG600，市場上精度Z高、用途廣泛。因此，研究把LMG600功率分析儀作為智能電池測試系統(tǒng)是非常有意義的。

當涉及到電池測試測量時，LMG600具備以下特性:

l 連續(xù)測量電壓，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 可選的過程信號接口帶模擬和數(shù)字輸入輸出(PSI)，用于溫度測量或單個電池的跟蹤

因此，LMG600允許定制、多功能和強大的電池測試儀的實施。通過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屏幕上。簡而言之，LMG600提供了從充電到放電的詳細和精確的能量平衡測量所需的一切。

應用和定義

本應用的目的是為了測量電池充放電期間的基礎電氣特性，要測量的重要參數(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 電池因焦耳效應導致的發(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量。剩余的參數(shù)定義如下：

l Umin =min(Udc)      試驗持續(xù)時間內(nèi)直流電壓的總的Z小值

l Umax=max(Udc)      試驗持續(xù)時間內(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)時間

通過對上述參數(shù)的精確測量，詳細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同時測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。結果可以以數(shù)字和圖形形式進行存儲和傳輸到PC上，在Excel或Matlab中進行進一步處理。

該電池可在不同條件下進行測試，包括在恒定直流輸入、調制直流用于內(nèi)阻測量、脈沖輸入過載測試或隨機充放電來模擬現(xiàn)實生活條件。

測量設置和接線

    建議的測試配置如圖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 信號發(fā)生器組合900uH的電感和100uF的電容用于測量電池內(nèi)阻

l 12Ω功率電阻作為負載

l 繼電器電路用于切換“充電/放電/待機”模式

在充電過程中，電池與充電器并聯(lián)，在放電過程中，電池與負載并聯(lián)。由2個繼電器組成的電路用于兩種運行模式之間進行切換，由LMG600的GPIO接口控制。當兩個繼電器都開啟時，電池是開路的（待機模式）。繼電器必須以這樣一種方式控制，即它們永遠不會同時閉合。充放電過程的基本測量電路如圖2和圖3所示

圖1:測量設置

圖2:充電時的測量電路

圖3放電時的測量電路

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小時才能充滿電。由于在充電周期結束時增加的熱損耗，慢充通常以該電流的10%進行，持續(xù)14-16小時，而不是10小時

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，當電池接近充滿電時，電池溫度會上升得比慢充更明顯。這個溫升將導致電壓下降，這表明電池已充滿。使用LMG600監(jiān)控此電壓降允許用戶通過設置適當?shù)碾妷洪撝祦頇z測此事件。一旦電壓下降超過這個閾值，通過使用GPIO接口來警告用戶停止充電。

當放電時，知道電池什么時候放完電也很重要。根據(jù)制造商提供的電池電壓-放電容量曲線，使用者可以設置低電壓限值。當功率分析儀檢測到電池電壓下降到該限值以下時，警告用戶電池幾乎放完電了。同時自動斷開電池和負載的連接。

雖然很容易檢測出電池何時放完電，但是檢測它何時充滿電仍然有點復雜。用戶很容易通過充電結束時的典型電壓降識別，但編程一個先進的算法把這種狀態(tài)從可能發(fā)生的其他類型的電壓降中區(qū)分出來，實際上相當棘手。因此，當檢測到該電壓降時僅報警，但充電不會立即停止。如果用戶沒注意到并及時手動切換到放電或待機模式，報警將持續(xù)一段時間。

在這個實驗中，我們設置充電器在給電池充電過程中Z大800mA。根據(jù)制造商的規(guī)格參數(shù)電壓降限值設置為60mV。放電時將一個12Ω電阻作為負載連接到電池，根據(jù)電壓大小產(chǎn)生400~700mA的放電電流。在這種情況下，電池的電壓下限設置為6.2V 或者1.05V每節(jié)。

測量內(nèi)部發(fā)熱損耗需要隨時知道電池的內(nèi)部阻抗。公式需要一個調制的電流。很明顯，電池電流沒有紋波，這個值會隨機或無限大，沒有任何意義。為了產(chǎn)生此電流紋波，我們使用一個信號發(fā)生器。100uf電容防止直流電流流向信號發(fā)生器，導致它全部通過電池。同樣地，90uH電感用于防止交流電流流向充電器或負載。

在電池阻抗測量中經(jīng)常使用頻率為1kHz的信號。幅值的選擇是通過測量通過電池的紋波電壓和電流，并將其調整到為功率因數(shù)接近1時的數(shù)值。這樣測得的阻抗相當于內(nèi)阻，就可以進一步計算焦耳損失

給出測量結果并編寫計算腳本

LMG600允許用戶構建自定義菜單，以便以一種總結、全面和面向應用的方式顯示他們的測量、設置和圖表。正如圖4的自定義屏幕包括所有重要的電池狀態(tài)，圖表隨時顯示任何期望的測量值以及設置和控制。與自定義菜單對應的腳本將應用測量設置，并計算不直接測量的數(shù)值值，如內(nèi)阻和電池的焦耳損失。該腳本可以實現(xiàn)如下功能：

l 計算變量和定義它們的單位：如Umax、Imax、Rb、Ej

l 重置數(shù)值，啟動和停止積分

l 將測量值與先前定義的閾值和觸發(fā)動作進行比較

l 控制數(shù)字輸出與外部設備或觸發(fā)繼電器同步

l 在每個周期結束時記錄數(shù)值

圖4:電池設置的自定義菜單

用戶可以通過改變Mode設置來選擇測試類型(充電、放電或待機)。當Mode為Discharge或者Charge時，腳本控制積分開始，Standby期間暫停。在Standby模式時按一次下箭頭將設置Integration為0并Reset時間和能量/電荷值?？傔\行時間顯示在屏幕的頂部。電壓閾值在腳本中設置的，也會顯示，但不能在測量期間更改。

下面的腳本可以作為上述自定義菜單的示例

鎳鈷電池測試腳本范例

要記錄測量值，用戶必須在storage - log菜單中設置一個記錄文件，并選擇每次記錄導出的數(shù)值。使能Script logOnce 設置，將在每周期結束時logonce()命令時被調用時允許腳本記錄數(shù)值。

此外，在INSTR.- GPIO & Sync界面，將GPIO的Direction設置為“output”。一旦腳本安裝好，針腳3和4的狀態(tài)更改為“Script Ctrl”

結果

完整的充放電測試結果如下。電池在測試開始時和結束時都是沒電的。在開始測試之前，很明顯電池既沒有連接到充電器也沒有連接到負載(Standby模式，兩個繼電器都打開)。

結果如前面所提每個測量周期都記錄并可以導出成excel格式，非常方便處理結果并將其繪制成圖形。

在圖5中可以看到在一個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。直到該周期末端，電壓在開始下降前達到Z大值。在這時我們認為電池已經(jīng)充滿電，儀器顯示了一個警告指示。

電池的放電隨即開始，并通過一個12Ω電阻進行。此時的電流當然是負的，它流向相反的方向。當電池電壓減小時，電流也幾乎成比例地減小。當直流電壓達到6.2V以下時功率分析儀發(fā)出充電結束信號，自動再次將Mode設置為Standby。

圖5:充電周期中的直流電壓和電流

圖6顯示電池在整個周期吸收和釋放的功率、能量和電荷。Z初認為電池是完全放完電的，意味著根據(jù)我們的定義，當連接到12Ω電阻負載時，其電壓為6.2 V。此時儲存的能量和電荷是未知的，但可認為是零(Integration設置為0:Reset)，作為開始測量之前的參考。即使在電池中存儲的能量和電荷不是直接測量的，不妨假設，放電結束時，他們的值或多或少與測試開始前是一樣的。這是因為我們定義零能量和電荷的點(Vdc =6.2V)的條件在測試前后是相同的。所以用LMG600更好地控制這些條件意味著在這個假設下更好的精度。

電池總共吸收了2.32Ah的電荷，相當接近它的額定容量。電池在充電期間吸收的總能量是20.3Wh，包含了熱量、化學和其它形式的損失的能量。試驗結束時的能量不為零，可以認為是充放電循環(huán)的總能量損失，是4.65 Wh。

功率流向是一條完全可預測的曲線。

圖6:功率，能量，電荷

焦耳損失的概覽可以通過監(jiān)控電池的內(nèi)阻見圖7來獲取。它通常在充電過程減少，在放電過程中增加，但在充電結束時可以觀察到一個突起。根據(jù)測得的內(nèi)阻，通過腳本計算焦耳能量和功率，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

結論

l LMG600覆蓋了一個測試系統(tǒng)的首先和Z基本的原則：基本性能的精確測量

l 同時提供連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄和導出以及內(nèi)置的編程能力。

l 充電的常規(guī)或特定的測試(如交流或者直流分析)通過使用可編程設備和LMG600的I/O接口(GPIO、CAN、 PSI)腳本編輯和實現(xiàn)自動化。

l 有了這些功能，我們簡單的鎳鎘電池腳本可以擴展到研發(fā)實驗室的高級算法，適用于任何類型的電池和測試方案。