一种电池充放电测试仪[发明专利]

(10)申请公布号 CN 103033760 A
(43)申请公布日 2013.04.10C N 103033760 A
*CN103033760A*
(21)申请号 201210544381.0
(22)申请日 2012.12.15
G01R 31/36(2006.01)
(71)申请人安徽工程大学
地址241000 安徽省芜湖市弋江区长江南路
83号科创中心安徽工程大学技术转移
中心
(72)发明人江明 高文根 许钢 连磊 许培
高远
(74)专利代理机构芜湖安汇知识产权代理有限
公司 34107
代理人
周光
(54)发明名称
一种电池充放电测试仪
(57)摘要
本发明公开了一种电池充放电测试仪，用于
对待测电池的充放电性能进行测定，电池充放电
测试仪设置上位机、数据传输单元和下位机；上
位机和下位机通过数据传输单元连接；数据传输
单元采用RS-485串行总线；上位机和下位机通过
RS-485串行总线连接，完成上、下位机之间的数
据通信；所示下位机包括充电单元、放电负载单
元、主控单元及待测电池，主控单元分别和充电单
元、放电负载单元及待测电池连接，充电单元依次
连接待测电池和放电负载单元。

与现有技术相比，
本发明具有简易方便，质量可靠，运行稳定，测量
精度高，设计合理，自动化水平高等优点。

(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书5页 附图3页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请
权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 3 页
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1.一种电池充放电测试仪，用于对待测电池的充放电性能进行测定，其特征在于：所述电池充放电测试仪设置上位机、数据传输单元和下位机；所述上位机和下位机通过所述数据传输单元连接。

2.按照权利要求1所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述数据传输单元采用RS-485串行总线。

3.按照权利要求1所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述上位机采用基于Windows XP sp3操作系统，采用LabVIEW 作为编程开发工具，开发应用程序监控界面；所述监控界面包括登录窗口、控制窗口、参数输入窗口、实时图形曲线显示窗口、数据查询窗口、声音报警窗口、使用帮助窗口。

4.按照权利要求1所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述下位机包括充电单元、放电负载单元、主控单元，所述主控单元分别与充电单元、放电负载单元及待测电池连接；所述充电单元依次连接待测电池和放电负载单元。

5.按照权利要求4所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述充电单元采用开关电源技术设计的低压大电流快速充电器。

6.按照权利要求4所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述放电负载单元采用基于VMOSFET 为核心的全数字化可编程直流电子负载电路，具有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种放电模式。

7.按照权利要求4所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述主控单元包括MCU 模块、电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA 模块和电源模块；所述MCU 模块分别与电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA 模块连接。

8.按照权利要求7所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述MCU 模块采用低功耗的增强型8051系列单片机STC12C5A60S2作为微处理器。

9.按照权利要求7所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述电流电压采样模块通过测量电池正负两极电压变化和串接在电池负极的毫欧级精密电阻两端电压变化来分别进行电压和电流的信号采样，采用LM358完成采样信号的跟随放大调理，采用高精度16位双通道模数转换器AD7705完成信号从模拟量到数字量的转变。

10.按照权利要求7所述的电池充放电测试仪，其特征在于：所述温度采样模块采用单线数字式温度传感器DS18B20固定在电池体表来进行温度的采样。

权 利 要 求 书CN 103033760 A
一种电池充放电测试仪
技术领域
[0001] 本发明属于电池测试的技术领域。

具体地说，本发明涉及一种电池充放电测试仪。

背景技术
[0002] 近年来，随着交通、通讯、计算机产业的高速发展，磷酸铁锂电池以其高能量密度、安全性、循环寿命长且没有记忆效应等诸多优点，成为新型电池的研究热点。

自进入市场以来，已经被广泛应用于电动汽车等领域，市场占有率迅速增长。

[0003] 通常磷酸铁锂电池必须组合使用才能满足各领域对电池性能要求。

如何方便快捷地确定电池的性能成为一个值得关注的问题，而电池充放电特性曲线是反映电池性能的重要指标。

[0004] 目前，国内使用的传统电池充放电测试方法都有其一定的缺陷：
[0005] 1、测试的自动化水平低：现有技术中大多采用人工测试，通过人工记录电池的充放电数据变化，绘制图线。

虽然简单方便，但测试过程中要求测试人员必须长时间不间断地工作来完成测试，很容易由于疲劳造成出错而影响记录结果；同时工作效率不高，自动化水平低。

[0006] 2、缺乏专门针对磷酸铁锂电池的测试装置：虽然市场上存在很多锂电池测试仪，但是针对磷酸铁锂电池特性而设计的专用测试仪匮乏，仅仅通过单一的对仪器进行简单的改造，远远不能满足磷酸铁锂电池充放电测试的特殊需要，同时现有测试仪大多以单机测试为主，不能提供数据记录和保存，为以后的数据分析带来不变，导致测试精度不高。

发明内容
[0007] 本发明的提供的电池充放电测试仪，目的是针对磷酸铁锂电池充放电测试，提高其测试的自动化水平以及测试的精度。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0009] 本发明所提供的电池充放电测试仪，用于对待测电池的充放电性能进行测定，所述电池充放电测试仪设置上位机、数据传输单元和下位机；所述上位机和下位机通过所述数据传输单元连接。

[0010] 所述数据传输单元采用RS-485串行总线。

[0011] 所述上位机采用基于Windows XP sp3操作系统，采用NI公司的LabVIEW作为编程开发工具，开发应用程序监控界面；所述监控界面包括登录窗口、控制窗口、参数输入窗口、实时图形曲线显示窗口、数据查询窗口、声音报警窗口、使用帮助窗口。

[0012] 所述下位机包括充电单元、放电负载单元、主控单元，所述主控单元分别与充电单元、放电负载单元及待测电池连接；所述充电单元依次连接待测电池和放电负载单元。

[0013] 所述充电单元采用开关电源技术设计的低压大电流快速充电器。

[0014] 所述放电负载单元采用基于VMOSFET为核心的全数字化可编程直流电子负载电路，具有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种放电模式。

[0015] 所述主控单元包括MCU模块、电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA模块和电源模块；所述MCU模块分别与电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA模块连接。

[0016] 所述MCU模块采用低功耗的宏晶科技生产的增强型8051系列单片机STC12C5A60S2作为微处理器；
[0017] 所述电流电压采样模块通过测量电池正负两极电压变化和串接在电池负极的毫欧级精密电阻两端电压变化来分别进行电压和电流的信号采样，采用LM358完成采样信号的跟随放大调理，采用高精度16位双通道模数转换器AD7705完成信号从模拟量到数字量的转变。

[0018] 所述温度采样模块采用单线数字式温度传感器DS18B20固定在电池体表来进行温度的采样。

[0019] 所述按键显示模块采用独立式按键电路和LCD12864液晶显示电路；所述多路选择开关模块采用74系列选择开关进行电池工作状态的切换。

[0020] 所述DA模块采用微功耗的12位数模转换芯片AD5320完成数模转换。

[0021] 所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和7812。

[0022] 本发明采用上述技术方案，克服现有技术在磷酸铁锂电池充放电测试中测量精度不高、测量数据不能存储、专用测量装置缺乏和自动化水平低等方面的不足；结构简单，操作和维护方便，自动化水平高；质量可靠，运行稳定，测量精度高，设计合理，性能优越，使用成本低。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用统一的集成界面，可以对电池的充放电工作过程进行实时在线化图形监测，建立了友好的人机界面；在上位机的设计上采用基于Lab VIEW技术的图形化编程环境，不仅大大缩短了软件的开发周期，同时具有可靠性高、观测空间大等优点；充电单元设计的低压大电流锂电池快速充电器对于开关电源技术的应用与发展有着一定的推广意义；放电负载单元的集成度好，控制精度高，可以模拟多种可编程放电模式，使电池充放电测试环境更加丰富，数据信息更加可靠；设计思路科学合理，可以方便快捷有效地对电池的充放电特性进行测试，对科学评估电池的性能有着不可或缺的作用，同时填补了磷酸铁锂电池充放电测试装置的空白。

附图说明
[0023] 下面对本说明书各幅附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
[0024] 图1为本发明系统结构示意图；
[0025] 图2为图1中的放电负载单元电路图；
[0026] 图3为图1中的主控单元结构示意图；
[0027] 图4为本发明单片机最小系统图；
[0028] 图5为本发明模数转换部分典型电路图。

具体实施方式
[0029] 下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

[0030] 如图1至图5所表达的本发明的结构，为一种电池充放电测试仪，用于对待测电池的充放电性能进行测定。

[0031] 为了解决现有技术存在的问题并克服其缺陷，实现提高其测试的自动化水平以及测试的精度的发明目的，本发明采取的技术方案为：
[0032] 如图1所示，本发明所提供的电池充放电测试仪设置上位机、数据传输单元和下位机；所述上位机和下位机通过所述数据传输单元连接，完成通信。

[0033] 本发明克服了现有技术中磷酸铁锂电池充放电测试中测量精度不高、测量数据不能存储、专用测量装置缺乏和自动化水平低等方面的不足，因此，本发明是一种简易方便、质量可靠、运行稳定、测量精度高、设计合理的新型电池充放电测试仪。

[0034] 所述数据传输单元采用RS-485串行总线，是一种具有抑制共模干扰能力的高传输速率的串行通信方式。

[0035] 所述上位机采用基于Windows XP sp3操作系统，采用NI公司的LabVIEW作为编程开发工具，开发应用程序监控界面；所述监控界面包括登录窗口、控制窗口、参数输入窗口、实时图形曲线显示窗口、数据查询窗口、声音报警窗口、使用帮助窗口。

[0036] 所述下位机包括充电单元、放电负载单元、主控单元，所述主控单元分别与充电单元、放电负载单元及待测电池连接；所述充电单元依次连接待测电池和放电负载单元。

[0037] 所述充电单元采用开关电源技术设计的低压大电流快速充电器，可满足单体磷酸铁锂电池快速充电的要求。

[0038] 所述放电负载单元采用基于VMOSFET为核心的全数字化可编程直流电子负载电路，具有恒流、恒压、恒阻、恒功率四种放电模式，可更加科学合理的模拟电池的放电工作。

[0039] 所述主控单元包括MCU模块、电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA模块和电源模块。

所述MCU模块分别与电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA模块连接，实现电池充放电的切换和充放电数据参数的采集。

[0040] 所述MCU模块采用低功耗的宏晶科技生产的增强型8051系列单片机STC12C5A60S2作为微处理器；
[0041] 所述电流电压采样模块通过测量电池正负两极电压变化和串接在电池负极的毫欧级精密电阻两端电压变化来分别进行电压和电流的信号采样，采用LM358完成采样信号的跟随放大调理，采用高精度16位双通道模数转换器AD7705完成信号从模拟量到数字量的转变。

[0042] 所述温度采样模块采用单线数字式温度传感器DS18B20固定在电池体表来进行温度的采样。

[0043] 所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和7812。

[0044] 所述按键显示模块采用独立式按键电路和LCD12864液晶显示电路。

[0045] 所述多路选择开关模块采用74系列选择开关进行电池工作状态的切换。

[0046] 所述DA模块采用微功耗的12位数模转换芯片AD5320完成数模转换。

[0047] 所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和7812。

[0048] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0049] 1、系统结构简单，操作和维护方便，自动化水平高，使用成本低，测量精度高，性能
[0050] 2、使用统一的集成界面，可以对电池的充放电工作过程进行实时在线化图形监测，建立了友好的人机界面；
[0051] 3、在上位机的设计上采用基于Lab VIEW技术的图形化编程环境，不仅大大缩短了软件的开发周期，同时具有可靠性高、观测空间大等优点；
[0052] 4、充电单元设计的低压大电流锂电池快速充电器对于开关电源技术的应用与发展有着一定的推广意义；
[0053] 5、放电负载单元设计，集成度好，控制精度高，可以模拟多种可编程放电模式，使电池充放电测试环境更加丰富，数据信息更加可靠；
[0054] 6、设计思路科学合理，可以方便快捷有效地对电池的充放电特性进行测试，对科学评估电池的性能有着不可或缺的作用，同时填补了国内磷酸铁锂电池充放电测试装置的空白。

[0055] 下面是对本发明的具体工作原理进行分析和说明：
[0056] 如图1所示，上位机和下位机通过RS-485串行总线连接，是一种具有抑制共模干扰能力的高传输速率的串行通信方式，完成上、下位机之间的数据通信。

[0057] 上位机系统基于Windows XP sp3操作系统，采用NI公司的LabVIEW作为编程开发工具，开发应用程序监控界面。

包括完成命令发送和实时检测的控制模块、分析下位机传输来的各路数据信息并进行分析处理存储的数据处理模块、以及可以实现充放电特性曲线实时在线化显示的图形化显示模块和防止过充过放的声控报警模块。

[0058] 所述充电单元采用大功率开关电源变换技术运用于充电单元的设计，可实现100-240VAC50/60Hz输入，经变换后可输出2.0-3.65V，输出功率可达50W-200W左右，同时设计出过流和过功率保护电路，在主控单元的控制下，以实现在短时间内对单体磷酸铁锂电池的快速无损伤充电。

[0059] 如图2所示，放电负载单元采用基于VMOSFET技术为核心的全数字化可编程直流电子负载电路，在主控单元的控制下，通过检测MOS管的漏极电流或漏源电压并与设定值进行比较，同时驱动MOS管对负载电压或电流进行相应地调整，可以实现恒流、恒压、恒阻、恒功率四种放电模式的切换工作，模拟出多种方式下电池的放电工作状态，并设计过压和过流保护电路，从而为电池性能的测试提供有利的数据保障，可以更加准确的对电池的性能进行科学的评估。

[0060] 如图3所示，主控单元包括MCU模块、电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块、DA模块和电源模块，其特征在于：所述MCU模块分别与电流电压采样模块、温度采样模块、按键显示模块、多路开关选择模块和DA模块连接，而电源模块提供各模块的工作电源。

[0061] 所述MCU模块主控芯片主要完成下位机各模块间协同工作命令控制，同时与上位机进行数据和指令的传输，其最小系统典型连接电路如图4所示。

[0062] 所述电流电压采样模块通过直接测量电池正负两极电压值变化和串接在电池负极的毫欧级精密电阻两端电压值的变化来分别进行电压和电流的信号采样，采用双运算放大器LM358对采集来的微弱信号进行跟随放大调理后送入16位双通道模数转换器AD7705进行信号模拟量到数字量的转换后送入单片机，其中AD7705模数转换部分电路连接如图5
[0063] 所述温度采样模块将传感器固定在电池体表进行电池温度的采样测量，采样数据直接发送给单片机。

[0064] 所述按键显示模块，其中液晶显示部分采用串口连接方式，用以节省单片机的I/O 引脚。

独立式按键部分用来切换控制各模块的工作，液晶显示部分用来实时显示测得的电流、电压和温度的数据。

[0065] 所述多路选择开关模块采用8选1数据选择器74LS151，通过MCU控制来实现电池不同工作状态之间的切换。

[0066] 所述DA模块采用微功耗的12位数模转换芯片AD5320完成数模转换，将单片机的电压或电流预设值进行转换后送入电子负载调整控制输入单元。

[0067] 所述电源模块采用三端稳压集成电路7805和7812。

其中7805和7812作为集成稳压器，可分别输出正5V和正12V的直流稳压电压，可以完全满足系统各部分所需的工作电压。

[0068] 由以上的分析可以看出，本发明的系统结构简单，使用方便，性能优越，完全可以满足磷酸铁锂电池充放电测试的需要。

通过本发明的运用，有效的保证了磷酸铁锂电池性能的测试。

[0069] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

图1
图2
图3
图4
图5。