蓄电池循环寿命测试系统设计分析

MAX538电路是12位的串行D／A转换器，具有快速转换转、高精度、低功耗等优点。它很合适电池检测、电池供电测试仪器、计算机移动控制装置、手机等领域。MAX538电路非常简单，只需3条线与TMS320F2812的I／O相连就可以通信。如图2所示。

3．2 充放电电路
系统的充放电电路如图3所示。在该电路的节点V+和V-之间接入待测蓄电池的正负极，当继电器的K1双掷开关合到上面时为充电状态，反之为放电状态。该电路能实现锂电池的恒流充电和恒压充电，及恒流放电。恒流电路主要由运算放大器A1和A2组成，其中A1级是差分放大电路，差分电路的输入是从R22两端反馈回来的电压UR22=UI+-UI-=IR22其中I是充电电流，输出时UAD0，只要调整UAD1，UAD0将随之改变，从而调整锂电池充电电流I。参考电压UAD1是由MAX538的输出提供，通过改变TMS320F2812的输入到MAX538的控制字可以改变输出UAD1，从而得到所需要的恒流充放电电流，在恒流充电过程中随着电池电量的增加，电池电压将会升高。恒压电路由运算放大器A3和A4组成，其中A3级也是差分放大电路，其输入是电池反馈回来的电压UBATTERY=UV+-UV-选R13=R14=R15=R16，则经A3级差分放大后输出UAD1=URATTERY若给定1．2 V，则当电池恒流充电到电池电压达到1．2 V时，电路转为对电池进行恒压充电。在恒压充电过程中，随着氢一镍电池电量的增加，电池电压保持不变，而充电电流将逐步减少，当电流充电到设定值时，充电过程结束。

R19、Q1和D2构成充放开关电路，决定充放电回路是否导通。当输入端CON2为1时，三极管Q1和二极管D2都导通，则三极管Q2基极被嵌在低电平，因此Q2不能导通，此时场效应管不工作，电池也就不能进行充放电。反之，则允许系统对电池放电。显然，该电路具有保护作用，当充放电过程中电池的电压和电流发生异常时，立即置CON2为1，切断充放电过程。为了提高系统的稳定性，系统电阻采用精密电阻，且在每个运算放大器的正负电源与地之间都接入104的钽电容，起去耦作用。

4 上位机监测见面设计
充放电作为在线检测系统的上位机部分，其主要任务是下位机检测数据的统计显示、图标生成与存储功能。本设计将采用C++编程语言实现，具有较好的人机交互界面。
4．1 界面显示功能
上位机界面主要显示充电器在充放电进行中的原边电流，电压和充电电流，电压，电池容量及温度。每个显示部分包括曲线图形式表示随时间的变化电压(电流)幅值、容量变化值和以数字量表示的即时电压(电流)幅值。其中曲线图坐标设有改变横坐标值箭头，便于细化观察值曲线变化。
4．2 存储功能
系统存储主要包括数据存储和曲线图像存储。存储方式分为自动存储和手动存储两种。所有信息将存储在一个随系统程序运行时自动生成的文件夹内。
自动存储：包括即时数据(电压，电流，容量，充电状态，时间)和充电状态发生转变前后的曲线图形。
手动存储：则是根据用户需求，点击界面上的存储波形按钮，存储感兴趣波形。

5 电池循环寿命的程序设计及测试分析
5．1 影响循环寿命的因素
5．1．1 放电深度
循环寿命与放电深度有着直接关系。通常来说，加大放电深度会降低蓄电池的循环寿命。在系统初始设计中，可以用这些实验数据，来采用规定电池放电深度的策略得到所需的循环寿命。随着放电深度的加大，电极内部引起的应力增大，进而导致蓄电池寿命下降。还有该过程还涉及电极的机械膨胀和收缩、锌电极的溶解问题及电化学问题。
5．1．2 温度的的因素
温度也是影响循环寿命的一个重要因素，同时影响着蓄电池的各个方面。总体来说，镍系列碱性电池在10～30摄氏度下性能最好。超出这个温度的范围，蓄电池的性能和循环寿命都将会降低。如果系统的设计和应用环境能保证电池工作在最合适的温度范围内，将会得到很好的性能和较长的循环寿命。
5．1．3 失效机理
先前的镍锌电池的失效机理包含锌的迁移、锌电极的变形、枝晶短路和纤维素基隔膜的水解。当今这些问题都已基本上获得了解决。通过应用低溶解的锌酸钙电极技术，枝晶短路和变形问题实际得到了消除。此外，锌的迁移也很大的减少，隔膜体系也获得大幅度改善，纤维素基隔膜也被稳定的聚合物锌迁移屏障材料所代替。密封锌镍蓄电池的失效原理主要有两种：锌电极的失效和电池的干涸。
即使应用了地溶解度的锌酸钙电极，锌电极在碱性电解质中仍还有一定的溶解度。锌可以在电解质中生成复合锌酸根离子，而后扩散到整个蓄电池中。一部分锌酸根沉积在镍电极的孔隙中，如此会影响镍电极，更影响蓄电池的性能，而且这也可以产生电池容量逐渐下降的其中一个原因。
5．2 循环寿命测试
在100％深度放电情况下，锌镍电池循环寿命能达400次以上。循环寿命在非常大的程度上决定于具体使用情况，影响原因有放电电流、放电深度、充电制度、过充电量、滥用程度、环境温度以及力学环境。在电池进行充放电循环时，蓄电池内部产生物理变化和劣化导致电池容量逐步下降。对于具体的电池设计，此种容量的逐渐下降属于正常情况，并且能预见。系统的设计能在总体产品规格和设计中指明蓄电池的老化状况。在100％放电深度下，电池在容量下降到额定值的80％以前可以进行450次循环。在循环寿命末期，电池容量衰减呈现增大现象，然而此种情况能看作是电池将要失效的一个早期预示。
锌镍电池的但电池的电压特性与循环寿命的关系如图5所示，所示图中给出了放电中点电压与循环寿命的关系。放电中点电压被定义为电池在放电时的带负载电压，放电中点是基于蓄电池的放电容量来确定。循环中电池应用100％深度放电，以C／2率(15 A)充放电。如在此加速测试条件下，蓄电池每天累计进行3次循环，然而在非常多数的应用中，电池每天仅循环一次。能看出，与容量逐步减少类似，蓄电池的负载放电电压也跟着循环次数的增加而逐步下降。引起电压下降的原因是，随着电极逐渐变干涸，电极慢慢产生劣化，因此导致电池电阻逐步增大。当电池可以承受所施加的放电电流时，电压的衰减按呈现线行状、可预测的。而一旦当电池不能承受这一电流时，也就没法提“失效”如果这时减小放电电流，蓄电池可以继续工作，并仍能放出80％以上的额定容量，能循环差不多500次。每一组数据都是在蓄电池放电深度是100％的情况下测出来的。
蓄电池的寿命是以电容下降到某一特定值前能够承受的充放次数。恒流法的放电容量与放电电流有很大关系，并且放电温度、充电制度、搁置时间等都会对电容有影响。在同样的放电制度下，不同的充电制度对电池的充放电效率不一致，因此电池的放电容量也会有区别。同样，在相同的充电制度下，搁置10 min与搁置1 h再进行放电容量的测试，其结果也会有20％～5％的差别，具体视电池的自放电性能绝定。电池的寿命检测时间较长，常用的循环寿命检测设备都与上计算机相连。在检测时可预先设定检测的参数，通过计算机或检测设备的控制面板发送参数至检测设备。发送时保证参数的准确无误。

6 结论
本系统结合蓄电池生产的实际问题，实现了蓄电池循环寿命参数检测的实时性，并结合PC机实现在线检测和图形化人机交互。还有测试系统精度好、数据记录全、实现了高精度低成本的设计需求，可以很好的发展前景。