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一种自放电检测电路的设计

时间:2014-8-9 9:16:03来源:本站原创浏览次数:
      自放电是由电池的内在因素引起的,而受外在因素的影响。通常电池自放电性能由构成电池的正、负电极、聚华物隔膜和电解液性能决定,并且受制造工艺及生产要求的影响。而在电池寿命内自放电大小并不是固定不变的,还与电池的老化程度、SOC 和电池所处环境的温度等因素有关系,恶劣的充放电制度和工作条件也会对电池的自放电构成影响。
 
      除去制造工艺及错误的使用方式造成的自放电,影响电池自放电的因素就只有温度、SOC 和电池寿命了。其中,温度对电池自放电的影响是显而易见的,温度越高,电池内部的化学反应越活跃,引起电池自放电的化学反应也随温度的升高而加快。因此,温度越高,电池的自放电率将越大。在电池的储存和应用过程当中,应该保证电池处于较低的温度范围内,避免由于外界或者电池自身温度升高引起的自放电变大,电池性能下降。SOC 表示的是电池的荷电状态,当电池处于不同 SOC 时,其自放电大小也不相同。一般而言,锂电池的 SOC 越大,其自放电现象越明显。寿命表示电池的劣化程度,随着电池的不断老化,其内阻不断变大,电池的荷电保持能力下降。我们常见的手机电池待机时间越来越短,就是由于电池老化导致的,在这个过程中,除了内部极化现象严重外,自放电也随之增大。
 
     自放电检测电路是自放电检测方法的核心体现,按照容量保持法,需监测维持电池 SOC 或电压不变所需电荷量,因此在自放电检测电路中需要搭建出对电池的充放电控制电路,以便于电压稳定时检测充电电流大小。自放电检测模块功能框图如下图1所示。
图1 自放电检测模块功能框图
Fig.1 Self discharge detection module
      基准电压作为自放电检测电路的输入,来源于 D/A 转换模块按照MSP430F149 给定的数字量转换而成的模拟电压。该基准电压值可以通过人为按键设定,以便测出电池不同电压下的自放电大小。首先基准电压要经过电压比较环节,与实际电池的实时电压进行比较,判断此时电池电压与基准电压之间的差值。电池电压若高于基准电压,则充电电路停止工作,电池自动通过负载电阻进行放电;若低于基准电压,则充电电路开始工作,对其进行充电动作,直至电池电压稳定为止。此时的充电电流为充电电压与电池通过负载电阻放电的电流与自放电电流之和,测出此时的充电电流大小,并通过计算得到放电电流值,那么两者之差即为该电芯的自放电电流值。
 
      另外,虽然从基准电压模块送来的电压在原理上已经是直流,但仍不可避免混有杂波,可能导致检测电路发生震荡,因此需要设置低通滤波器,滤掉高频干扰。考虑到当f > f0,即信号频率大于通带截止频率时,一阶低通滤波器的对数幅频特性只是以-20dB/十倍频的缓慢速度下降,电压放大倍数并不能立即降为零,存在较宽的过渡带,滤波性能较差。因此采用二阶低通滤波电路,在保证通频带增益的同时,高频段幅频特性能够以-40dB/十倍频的速度快速衰减,滤波效果较好。
 
      同时,由于本设计中的负载为实际电池,而 D/A 转换模块提供的基准电压并不能作为充电源使用,所以自放电检测电路模块还应该具有功率放大的功能,以实现对电池的充电动作。自放电检测电路原理图如图2所示。
图 2 自放电检测电路
Fig.2 Self discharge detection circuits
      在该图中,信号 DA_Vout 即为 D/A 转换模块产生的基准电压信号,整个电路以 DA_Vout 作为系统输入量,电池电压作为输出量和反馈量,从而构成了一个反馈系统,最终将电池电压稳定在基准电压,通过测量此时采样电阻Sample Res 两端的电压即可求出电池的自放电电流值。为了防止电池通过比例运算放大器等其它回路放电,而造成自放电电流值求取不精确,引入了光电开关,由单片机的引脚直接进行开通和关断控制。

      需要注意的是,一般正常锂电池的自放电电流均为微安级别,而采样电阻阻值为 1K,则其两端电压保持在毫伏级别,因此需要测量精度较高的电压表才能保证得到的自放电流的准确度。MSP430F159 芯片自带的 A/D 转换器为12 位,可以对采样电压精确到 1.2mV,对应于电流值即为 1.2μA,精度较低。因此本设计直接应用了美国安捷伦公司生产的 Agilent34401A 六位半数字万用表显示采样电阻两端电压值,该表可稳定显示 0.1mV,此时对自放电电流的检测精度可达到 0.1μA。

转自锂电池自放电检测技术的研究与应用-刘双全

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