使用LMG600監控電池充放電

介紹

電池用于電能儲存進入電力行業已有多年，在規模、容量、效率等方面都取得了長足的發展。在研發階段，仔細的設計以及對電池電氣性能的精確監測是至關重要的。此外，它們在可再生能源生產、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電子系統為電氣和電子行業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 電池內阻Rb

l 電池因焦耳效應導致的發熱功率Pj和能量Ej

數值Udc、Idc、P1、E1、q1由功率分析儀直接測量。剩余的參數定義如下：

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

l Umax=max(Udc)      試驗持續時間內直流電壓的總的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是電流周期的持續時間

通過對上述參數的精確測量，詳細研究了電池的容量和效率，以及連續監控了電池的內阻和因電阻發熱耗散的能量。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。此外，多通道功率分析儀可以跟蹤多節電池的串聯電壓。結果可以以數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、調制直流用于內阻測量、脈沖輸入過載測試或隨機充放電來模擬現實生活條件。

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 信號發生器組合900uH的電感和100uF的電容用于測量電池內阻

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，在放電過程中，電池與負載并聯。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14-16小時，而不是10小時

然而，更有趣的是在快充期間監控電池。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監控此電壓降允許用戶通過設置適當的電壓閾值來檢測此事件。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從可能發生的其他類型的電壓降中區分出來，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。根據制造商的規格參數電壓降限值設置為60mV。放電時將一個12Ω電阻作為負載連接到電池，根據電壓大小產生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。

測量內部發熱損耗需要隨時知道電池的內部阻抗。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。為了產生此電流紋波，我們使用一個信號發生器。100uf電容防止直流電流流向信號發生器，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接近1時的數值。這樣測得的阻抗相當于內阻，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，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值值，如內阻和電池的焦耳損失。該腳本可以實現如下功能：

l 計算變量和定義它們的單位：如Umax、Imax、Rb、Ej

l 重置數值，啟動和停止積分

l 將測量值與先前定義的閾值和觸發動作進行比較

l 控制數字輸出與外部設備或觸發繼電器同步

l 在每個周期結束時記錄數值

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。總運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控電池的內阻見圖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。根據測得的內阻，通過腳本計算焦耳能量和功率，如圖8所示。據此，電池由于其內阻在一個完整的充放電周期耗散了104 mWh的熱量。

圖7:內阻

圖8焦耳能量

結論

l LMG600覆蓋了一個測試系統的首先和Z基本的原則：基本性能的精確測量

l 同時提供連續的數據記錄和導出以及內置的編程能力。

l 充電的常規或特定的測試(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實驗室的高級算法，適用于任何類型的電池和測試方案。