电池短路自动循环测试装置的设计

作者简介:钱柳健(1987-)，男，工程师，本科，从事安规检测工作。

电池短路自动循环测试装置的设计
Design of Automatic Cycle Test Device for Battery Short Circuit
钱柳健(江苏省电子信息产品质量监督检验研究院(江苏省信息安全测评中心),江苏无锡214073)
Qian Liu-jian (Jiangsu Electronic Information Product Quality Supervision and Inspection Institute(Jiangsu Information Security Evaluation Center),Jiangsu Wuxi 214073)
摘要：电池短路自动循环测试装置，包括PLC 控制器、电源模块、处理器以及与处理器通讯连接的参数设置模块、短路模块、测压模块、充电控制模块以及显示屏；短路模块通过循环控制模块与处理器通讯连接，测压模块通过A/D 转换模块与处理器通讯连接。

关键词：电池；短路；循环中图分类号:TM910
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2021)04-0019-03
Abstract:Battery short circuit automatic cycle test device,including PLC controller,power supply module,pro-cessor,and parameter setting module,short circuit module,voltage measurement module,charging control module and display screen connected to the processor;the short circuit module is processed through the cycle control module communication connection,the voltage measurement module communicates with the processor through the A/D conversion module.Key words:Battery;short circuit;cycle CLC number:TM910
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2021)04-0019-03
0引言
随着消费类电子产品市场的持续火热，
便携式产品在人们生活中越来越广泛地被使用因而带动了锂离子电池市场发展迅猛，不仅其应用范围和数量不断扩大，单只电池的能量也越来越高。

我国首部锂离子电池安全强制性国标《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》(GB31241-2014)正式发布，它是基于我国的实际国情并结合锂离子电池安全特性综合研究而制定的，是目前国内最为全面的一项锂离子电池安全标准。

1标准解析
我国首部锂离子电池安全强制性国标《便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求》(GB31241-2014)
正式发布，其中10.6短路保护要求：样品按照以下顺序进行500次循环测试：a)短路电池组的正负极或保护电路的输出端子；b)保护装置动作后静置1分钟，短路时外部短路的总电阻为80mΩ±20mΩ。

每次循环时电池组的短路保护电路都应动作[1]。

通过检查电池是否起火，爆炸或者漏液来判断是否合格。

2技术方案
设计一种基于PLC 控制系统的锂电池测试装置，包括PLC 控制器、电源模块、处理器以及与处理器通讯连接的参数设置模块、短路模块、测压模块、充电控制模块以及显示屏；短路模块通过循环控制模块与处理器通
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电子质量
2021年第04期(总第409期)
讯连接，测压模块通过A/D 转换模块与处理器通讯连接；
测压模块用于测量接入锂电池测试装置的被测锂电池的电压数据，
并通过A/D 转换模块将检测到的电压数据转换成PLC 控制器可读数据后，
传递至处理器；循环控制模块用于根据接收到的处理器的控制数据控制短路模块对被测锂电池进行循环短路操作；
参数设置模块用于向处理器设定包括触发和关闭充电控制模块、循环控制模块行条件参数，以及循环控制模块的循环条件和循环次数；
处理器用于根据A/D 转换模块传递的电压数据与电压阈值进行对比，
根据对比结果控制充电控制模块或短路模块的执行，并将电压数据转化为电压值后传递至显示屏进行显示。

3具体实施方式
图1所示为设计原理图。

图1设计原理图
短路模块4通过循环控制模块8与处理器2通讯连接，测压模块5通过A/D 转换模块9与处理器2通讯连接；
测压模块5用于测量接入锂电池测试装置的被测锂电池10的电压数据，并通过A/D 转换模块9将检测到的电压数据转换成PLC 控制器可读数据后，传递至处理器2；
短路模块4用于连接被测锂电池10的正负极，对被测锂电池10进行短路，循环控制模块8用于控制短路模块4对被测锂电池10的短路循环次数；
参数设置模块3用于向处理器2设定包括触发和关闭充电控制模块6、循环控制模块8行条件参数，以及循环控制模块8的循环条件和循环次数；
处理器2用于根据A/D 转换模块9传递的电压数据与电压阈值进行对比，根据对比结果控制充电控制模
块6或短路模块4的执行，并将电压数据转化为电压值后传递至显示屏7进行显示；
需要对被测锂电池10进行短路循环试验时，将被测锂电池10接入锂电池测试装置中，电源模块1为锂电池测试装置提供工作电源；利用测压模块5对被测锂电池10进行采样，读取被测锂电池10电压数据，A/D 转换模块9将电压数据转化成PLC 控制器可读数据后传递至处理器2中，处理器2用于根据A/D 转换模块9传递的电压数据与电压阈值进行对比，根据对比结果控制充电控制模块6或短路模块4的执行，并将电压数据转化为电压值后传递至显示屏7进行显示。

当对比结果满足短路模块4执行条件时，处理器2通过向循环控制模块8发出控制信号，
启动短路模块4对被测锂电池10进行短路，测压模块5对被测锂电池10两端进行持续电压数据采样，直至电压值不满足循环条件则处理器2控制循环控制模块8发出断开短路指令，对循环计数减1，重新进行上一个循环，直到设定的循环次数为零自动终止试验结束。

当对比结果满足充电控制模块6执行条件时，处理器2通过控制充电控制模块6向被测锂电池10充电，直至测压模块5检测到被测锂电池10的电压值满足关闭充电模块时，充电模块断开，短路模块4对被测锂电池10进行短路。

短路模块4与循环控制模块8之间设置有继电器
一12，循环控制模块8通过向继电器一12发出控制指令，控制短路模块4对被测锂电池10进行短路。

充电控制模块6通过继电器二13与处理器2通讯连接，处理器2通过向继电器二13发出控制指令后，继电器二13将被测锂电池10与充电控制模块6电性连接，
进行充电。

测试装置还包括时间继电器11，测压模块5、A/D 转换模块9和时间继电器11串联后与处理器2通讯连接。

可以通过时间继电器11的间隔时间，时间继电器11按照设定时间自动控制测压模块5对被测锂电池10的电压数据进行间隔采样。

设置测压模块5每间隔一分钟进行电压数据自动采样，短路循环测试过程可以完全满足标准要求，简单可靠。

根据GB31241-2014，样品按照以下顺序进行500次循环测试：a)短路电池组的正负极或保护电路的输出端子；b)保护装置动作后静置1分钟，短路时外部短路的总电阻为80Ω±20Ω。

设置A/D 转换模块9传递至处理器2的判别电压值大于等于3.3V 时，循环控制模块8吸合继电器一12使短路模块4执行短路操作，直至电压值小于0.5V 时继电器一12断开短路模块4，
并
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进行1分钟的倒计数，倒计时为零时，再对循环计数减1，重新进行上一个循环；当电压值小于3.3V 时，充电控制模块6吸合继电器二13接通被测锂电池10进行充电操作，充电过程中测压模块5检测到的电压低于4.1V 时继续充电，大于等于4.1V 时，充电控制模块6断开继电器二13，此时处理器2再次通过循环控制模块8吸合继电器一12，进行被测锂电池10短路操作；如此循环直到设定的循环次数为零自动终止试验结束。

PLC 控制器采用三菱FX2N 多路输入带12位A/D 转换模块9可编程器，外接7英寸触摸屏进行参数设置和参数监控，具有操作方便，安全可靠。

测试装置还包括与处理器2通讯连接的储存模块14，储存模块14用于储存包括参数设置模块3设置的电压阈值和循环次数，以及处理器2转换出的电压值。

通过储存模块14对参数设置模块3设定的电压阈值和循环次数，以及检测过程中每次循环中检测的电压值、
剩余的循环次数进行实时记录，供检测人员通过显示屏7进行提取查看，实现无人值守。

4结语
通过测压模块测量接入锂电池检测装置的被测锂电池的电压数据，
经A/D 转换模块将电压数据转换后传递至处理器；处理器通过循环控制模块、充电控制模块对被测锂电池进行短路或充电的循环操作操作，直至循环测试结束，短路循环测试过程可以完全满足标准要求，简单可靠，且可以实现无人值守等优点。

参考文献：
[1]GB 31241-2014.便携式电子产品用锂离子电池和电池组
安全要求[S].2014.
图9软件跑飞后的超时保护时序
6结束语
除了本文介绍的4种超时关断机制外，
还有其它几种方案，如硬件门电路超时关断电路、硬件定时器超时关断电路，这些电路硬件成本高，目前已基本不再使用。

本文所介绍的4种超时关断机制可有效防止因软件死
机等故障引起异常持续工作而烧毁打印头，这4种机制各有优缺点，可根据具体情况选用。

另外，本文介绍的超时关断机制不局限于打印机芯的保护，也可用于其它高功率/高发热模块的保护，如马达电机、加热器、
点火设备等等。

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