电池测试系统设计与仿真学士学位毕业论文.doc

电池测试系统设计与仿真摘要本文通过对锂离子电池测试系统的分析，提出了一种基于Simulink的电池测试系统的设计，此系统中包括对电池测试系统的硬件设计与分析、Simulink环境下的电池放电测试电路模型建立与仿真，最终实现对电池测试系统的设计。测试系统的硬件是以LPC2138为处理核心，采用PWM对电池充放电过程中的电流进行控制，设计了电池充放电电路，在硬件设计中还完成了电池电压、电流信号采集电路，信号调理电路等设计。本文还介绍了Simulink仿真环境，其中包括Simulink仿真如何建立、S-函数的应用、根据测试电路模型建立Simulink仿真模型，通过对仿真模型的分析，可以实现对锂离子电池测试系统的仿真研究，得出仿真波形。随着科技的进步与锂离子电池工业的迅速发展，随锂离子电池的质量也提出了更高的要求，国内外都把锂离子电池的检测提到了一个及其重要的地位。锂离子电池的质量直接影响着电子产品的稳定性、可靠性。一个高效、稳定、精确、可靠的锂离子电池测试设备具有非常重要的意义。关键词锂离子电池；Simulink仿真；电池测试Battery test system design and simulation AbstractIn this paper, through the analysis of the lithium ion battery testing system, puts forward a kind of the design of the battery test system based on Simulink, the system includes the battery test system hardware design and analysis, under the environment of Simulink battery discharge test circuit modeling and simulation, finally realizes the design of the battery test system. Test system hardware based on LPC2138 as the processing core, adopts PWM to control the battery in the process of charging and discharging current, battery charging and discharging circuit was designed, in the hardware design is completed the battery voltage, current signal acquisition circuit, signal modulation circuit design, etc. Simulink simulation environment is also introduced in this paper, including the Simulink simulation and how to set up, the application of S-function, according to the circuit testing model is established in Simulink simulation model, through the analysis of the simulation model, can implement the simulation research of lithium ion battery test system, obtained the simulation waveform. With the progress of science and technology and the rapid development of the lithium ion battery industry, along with the lithium ion battery quality also put forward higher request, both at home and abroad with the lithium ion battery testing mentioned a and its important position. The quality of the lithium ion battery directly affects the stability and reliability of the electronic products. An efficient, stable, accurate, reliable, lithium ion battery testing equipment has very important significance. Keywords Li-ion Battery; Simulink simulation; Battery test目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究现状11.3 研究的目的和意义21.4 论文研究内容3第2章 锂离子电池概述42.1 锂离子电池工作原理42.2 锂离子的特性52.3 锂离子电池测试原理62.3.1 电池电压测试62.3.2 充电过程测试62.3.3 放电过程测试72.3.4 电池容量测试72.3.5 电池内阻测试72.4 本章小结8第3章 锂离子电池测试系统的硬件设计93.1 硬件总体结构设计93.2 主控板结构设计103.3 数据采集电路设计123.3.1 A/D参考电压设计123.3.2 采样信号调理电路设计133.4 充电测试电路设计143.5 放电测试电路设计153.6 内阻测试电路设计153.6.1 常用测试方法153.6.2 四端子内阻测试法163.7 测试系统抗干扰设计173.7.1 抗干扰的必要性173.7.2 硬件抗干扰设计173.8 本章小结18第4章 基于Simulink的测试系统仿真设计194.1 Simulink仿真环境简介194.2 Simulink模块库简介与模型的建立194.3 S-Function的工作原理214.4 仿真模型建立224.4.1 电池放电测试系统仿真模型建立224.4.2 放电测试电路模型分析234.5 测试系统放电电路的Simulink仿真234.5.1 Simulink下的仿真模型图234.5.2 Simulink下的仿真波形244.6 软件抗干扰设计254.7 本章小结25结论26致谢27参考文献28附录A29附录B35第1章 绪论1.1 课题背景迅速发展的电池工业，使电池的品质和批量生产的能力，都有了更严格的要求，国际大环境中，口趋激励的市场竞争及与其它国家的往来，产品的质量尤为重要，电池的检测也被提到了一个极其重要的位置。锂离子电池测试系统作为电池检测部门和电池生产厂家的重要设备，具有十分广泛的应用范围。在当今如此大消耗量电池的情况下，使用量和需求量也是巨大的。高性能的锂离子电池测试系统，能够自动快速的测试电池性能。对于生产厂家，可以快速的识别每一批产品的性能，不合格的产品可以及时的得到控制，做出相应的生产调整，使企业的损失降到最低，利益得到维护。在电池产品的流通环节中，对于质检部门，获得市场流通产品的性能，以防止流入市场的不合格产品出现，加大市场管理的监管力度，使消费者的权益得到维护。对于测试系统的使用人员，智能自动的电池测试系统，电池检测的快捷方便。可以使他们劳动的复杂程度和强度降低，提高工作效率。对于整个行业，每一批的电池都质量过关，可以使整个行业良性发展，合理竞争。因此，电池检测设备对电池行业的发展至关重要，所以对电池有了更高的要求，具体有：严格的工业大生产、要求电池设备的优化运行、维护和寿命估测都要得以保证，这就要求在极短的时间内检测电池的各项参数，即向准确可靠的高标准方向发展；大型电动设备以及数字通讯等大功率的应用，对电池的功率有了更高的要求，大功率成为电池测试设备的发展方向1；电压、电流、温度、内阻等多参数测试的要求，要求测试设备具有多测试参数、多测试功能的特点;为适应各种型号电池的生产，测试平台应具有通用化和模块组合化的优点，以减小测试设备的研发周期；高效自动的生产方式，要求测试设备具有良好的智能性和自动化功能，以提高测试的工作效率。另外，由于在测试锂离子电池的过程中，对充电电流、放电电流、充电电压、放电电压、充电截止电压、放电截止电压、充电时间、放电时间等都有严格的国家标准规定，其过充过放不但会导致被测电池的损害甚至爆炸，还会对测试设备造成损害。现在的锂离子电池测试设备和传统的镍氢镍福电池检测设备不同，不能采用串联的方式多级测量，必须每一节配备单独的测试系统测试，且国标中对电池的测试过程周期性规定比较长，如何研制一种测试精度高、可靠性好、智能性高、可以无人值守的并在测试结束后自动生成测试报告，方面用户查询的测试设备，己成了各个生产单位和检测部门的迫切需求。1.2 国内外研究现状中国科学院上海微系统与信息技术研究所通过使用蓝电锂离子电池测试仪、红外成像仪IR-100、SolartorS11287电化学界面测试系统以及恒温水浴锅(095)，总结出一些锂离子电池的充放电的特性：锂离子电池在高温下的容量衰减较常温下快。电池工作如没有其它热平衡手段，某些电池的过充，过放情况就会发生。最后造成故障2。同时，他们还总结出在不同的充放电制度下的特性，例如：每次电池只用恒压充电方式充电有可能导致电池的容量衰减速度加快；充电电流过大，电池的容量衰减较大；锂离子电池容量与电池的电压和电流可以建立对应关系；放电终止电压2.7V的条件下，放电电流越大电池的极化越大，电池的放电容量越小；锂离子电池以大电流放电(大于2C)的情况下，电池的放电曲线出现了电压先降后升的现象。在快速充电问题上，大电流并不可怕，主要问题是电池的发热问题。在锂离子电池充电方法方面，有入提出采用低压定周期脉冲充放电模式,首先用大电流充电,电压迅速上升,然后在极化现象比较严重时单片机发出指令，经过短时闻停充后大电流放电，这样极化现象能在很大程度上消除，如此反复循环，可在短时间内将电池充满，此种充电方法又叫Reflex充电法。该方法要求把放电脉冲的幅度调整为充电脉冲的2-3倍。放电能量同样随着电池容量及期望的充电时间做函数变化,但对充电速度维持固定的比值。凌特公司新生产的LTC4058具有开尔文检测功能的独立型锂离子电池充电器，采用专用BSENSE引脚检测锂离子电池中端上的电压，补偿电压误差，实现了准确度达±l的锂离子电池浮动电压。东芝新出的Ni-Cd，配套专用充电器，10分钟充满(标称容量的85)。拥有快速充电开关。Dallas公司开发了高精度锂离子电池监控器DS2760，它包括一个锂离子电池保护电路及一个25m的电流敏感电阻(电流检测电阻)，该器件包括有10位电流A/D变换器、10位电压A/D变换器、一个正负10位温度传感器及EEPROM等。它采用单线与主系统通信来控制电池的充、放电，全面地保护锂离子电池。大连理工大学制作的实验室合成回路试验系统的智能运行与监测实验中提出：智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能，正确的思维与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作。智能电器首先需要在运行现场对各种参量进行测量，然后对被测参量进行处理，称之检测单元。将检测单元的测量结果提供给智能控制单元从而对被监控和保护的对象及智能电器自身执行正确的操作，就完成了智能化的全过程3。根据Ph.Biensan等的研究证明：锂离子电池在滥用的条件下有可能达到使铝集流体熔化的高温(>700)，从而导致电池出现冒烟、着火、爆炸、乃至人员受伤等情况。因此对锂离子电池的研制者和生产者来说，锂离子电池的安全性不仅是在各种测试条件下电池不会出现冒烟、着火、爆炸的现象，最为重要是确保人员在电池滥用的条件下的不受伤害。综上，研制一种综合型锂离子电池测试系统的智能仪器对用户了解电池性能以及针对电器的性能而选择适合的充放电方案有很重要的作用。1.3 研究的目的和意义本文介绍的基于Simulink锂离子电池测试系统的目的是用来测试锂离子电池充放电特性、电池内阻特性，并通过Simulink仿真波形图得出锂离子电池的总体特性。该系统具有体积小、重量轻、控制电路简单、可靠性高、操作方便等优点，对在许多环境与场合中使用的电子器件带来了极大的便捷，它将检测、控制、仿真、连为一体，适用于大部分锂离子电池测试系统的研究。本课题主要研究的意义是：控制充放电中的电压、电流以及温度等确保电路安全可靠，例如充电电压过高、放电电压过低、电流过大、温度过高等都会伤害电池。基于ARM处理器设计实现对电压、电流以及内阻的测试从而提高控制的精度及控制过程的灵活性。最后通过Simulink仿真设计得出各个模块的仿真波形图，验证系统设计的准确性。1.4 论文研究内容本系统针对电池产业的迅猛发展以及国内电池测试设备的现状，通过深入的研究和分析国内外在电池测试方面的问题。依据在电池测试中的各个性能指标，经过探讨、分析、论证，最终设计完成并满足锂离子电池测试要求的综合测试系统。本课题主要包括以下主要内容:1锂电池测试系统的研究：（1）锂电池的特性研究：研究锂电池的工作原理、性能参数及测量方法，主要参数包括电池电压、电池充放电流、电池容量、电池内阻等，在此基础上进行电池测试系统的研究；（2）锂电池测试系统的硬件设计：主要研究系统结构及各部分特点，包括主控板硬件原理图及工作方式和原理，充放电控制电路的设计，系统采样电路的设计(主要研究电压采样和电流采样环节等重要采样环节)，通讯系统的设计等内容。2基于Simulink下的仿真设计：Simulink则是MATLAB的重要组成部分，它是对信号流图的动态系统进行仿真，建模和分析的软件包，它不但支持连续，线性系统的仿真，而且也支持离散，非线性系统的仿真，Simulink仿真具有很好仿真效果。选择Simulink仿真环境对电池测试系统进行仿真，能够很好的验证测试系统设计的正确与否，通过系统各个模块仿真的波形图与测试系统实际效果进行比较分析，得出测试系统的正确性。第2章 锂离子电池概述2.1 锂离子电池工作原理锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。充电时锂离子从氧化物正极晶格脱出，通过锂离子传导的有机电解液后迁移嵌入到碳负材料负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡4；放电时则恰好相反，锂从碳材料中脱出回到氧化物正极中，正极处于富锂态。充放电过程中发生的是锂离子在正负极之间的移动，在正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构的氧化物层间的嵌入和脱出，一般只会引起层间距的微小变化，而不会引起晶体结构的破坏，伴随充放电的进行正负极材料的化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性来讲，锂离子电池中的反应是一个理想的化学反应。这其中充、放电过程似一把摇椅，故锂离子二次电池又称摇椅电池(Rocking Chair Batteries，简称RCB)。通常情况下，锂离子电池的正负极均采用可供锂离子自由脱嵌的活性物质。用LiCoO2复合金属氧化物在铝板上形成正极，用锂碳化合物在铜板上形成负极。两极之间插入聚烯烃薄膜状隔板，电解液为有机溶剂。充电时，Li+从正极逸出，嵌入负极；放电时Li+从负极脱出，嵌入正极。化学反应过程为式如式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-4)、(2-5)、(2-6)所示:正极： (2-1) (2-2)负极： (2-3) (2-4)总反应： (2-5) (2-6)公式(2-3)表明，锂离子电池是以可嵌脱锂的化合物为正负极。正极是锂的过渡金属化合物，如钻酸锂等，负极材料是碳素材料，如石墨等，这些材料本身提供晶格空位，锂离子可以嵌入晶格也可以脱嵌出来。总之，这些化合物有锂离子的二维或三维通道，在一定的电压条件下，锂离子可以嵌入-脱出于该化合物，而其本身的骨架结构维持不变。2.2 锂离子的特性锂离子电池，俗称“锂电”，是目前综合性能最好的电池。锂离子电池负极是碳素材料，如石墨。正极是含锂的过渡金属氧化物，如LiMn2O4。电解质是含锂盐的有机溶液。通常锂离子电池并不含金属锂。由于锂离子电池不含任何贵重金属，原材料很便宜，降价空间大。同时，与传统的电池相比，锂离子电池具有突出的优点5：1工作电压高：锂离子电池的工作电压为3.7V，是镍镉和镍氢电池工作电压的三倍。在许多小型电子产品上，一节电池即可满足使用要求。2比能量高：锂离子电池比能量目前已达140Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。3循环寿命长：目前锂离子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其它几种二次电池。4自放电小：锂离子电池自放电率仅为68，远低于镍镉电池(2530)及镍氢电池(3040)。5自由度高，薄型，轻量，无记忆效应(它可以根据要求随时充放电，而不会降低电池性能)。由于具备以上优点，锂离子电池正在作为新型电池在某些领域正在逐步取代传统的可充电电池。主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。聚合物锂离子电池的终止充电电压为4.05V4.25V，终止放电电压为2.5V2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同)。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其充放电曲线也略有差别，因此锂离子电池只能用专用充放电器充放电，以免发生事故。2.3 锂离子电池测试原理2.3.1 电池电压测试电池的电压由电动势、开路电压、工作电压、充电截止电压和放电截止电压构成。开路时，由电池内部反应形成的负极电极平衡电势与正极电极平衡电势的差作为电池的电动势。该电动势不受电池外部因素如形状、尺寸的影响。电池开路时两端的电压构成开路电压，开路电压与电动势相等的条件为电池两级体达到内部反应的平衡-热力学平衡。否则开路电压小于电池的电动势。工作电压是电池在有外部负载的情况下，外回路有电流流过，有能量消耗时两端的电位之差，其大小总是小于开路电压。充电截止电压是指电池在充电状态下，当充电饱和时，电池的截止电压，即电池电压不在上升的上限电压。放电截止电压是指电池在放电状态下，当放电达到一定程度，电池自动停止放电的一个截止电压，即电池不在下降的一个下限电压。测量电压时，当不计内阻对电压表的影响时，电池开路电压的测量即可作为电池电动势的测量，电压表测得的开路电压的结果即为电动势的结果。通常的测量方法为二端子测量法，其先提条件是回路电流较小，导线电阻和接触电阻对测量的结果可以忽略时，测量结果才不会受较大影响。当回路电流过大时，导线电阻和接触电阻的分压较大，影响则不能忽略，此时则不能采用二端子测量法，则应采用四端子测量法，减小接触电阻和导线电阻的影响。2.3.2 充电过程测试充电过程测试包括充电过程的电压测试和电流测试。锂离子电池的充电过程分两个阶段，第一阶段为恒流充电，及以恒定的电流对电池充电，此时，随着电池能量的增多，电池的电压不断升高，当到达电池自身的充电截止电压时，电压不在升高。此时由恒流充电转为恒压充电，即以恒定的电压对电池充电。电池的能量逐渐饱和，充电电压不变，充电电流逐渐减小。判断电池充电完成的标志有：电池电压法：电池的电压达到上限的一定比例时，为保护电池，断开充电回路，停止充电；最小电流法：当充电电流逐渐降低至额定电流的1%，即涓流时，断开充电回路，停止充电；充电时间法：当充电时间超度预设时间时，停止充电。对电池的充电过程，采用的充电器相当于一个恒流源，恒流源可以等效为内阻无穷大的电源，外部负载电阻大小不对其输出能力造成影响。即电池的电压不影响充电电流的大小，其通常的测量方法为在测量回路中接入电流表，电流表读数即为测量结果。如图2-1所示为电流表直接测量。图2-1 电流表直接测量法当测量回路的电流较大，需对电流分流采样测量，这给测量带来极大的不方便。将电流信号转换为电压信号的测量，则消除了较大电流的影响，且更有助于计算机对信号的测量和控制。图2-2为通过电压测量得到电流的值。图2-2 电压测量法2.3.3 放电过程测试放电过程测试包括电池的放电电压测试和放电电流测试，测试过程中，对被测电池以1C5A模式或者0.2C5A模式放电。1C5A模式即放电电流大小以电池标称容量中的数值大小进行放电，0.2C5A模式即放电电流大小以电池标称容量数值大小0.2倍进行放电。如电池的标称容量为1000mAh，则1C5A模式放电电流大小为1000mA，0.2C5A模式为200mA放电至放电截止电压时，记录放电时间。2.3.4 电池容量测试电池在充电过程中从电源获得的能量或者电池在放电过程中对负载释放的能量称为电池容量。电池的额定容量定义为：指电池在环境温度为20±5条件下，以额定电流放电至终止电压时所应提供的电量，用C5A表示，单位为Ah(安培小时)或mAh(毫安小时)。在电池测试的过程中，我们无法直接测量电池的容量，而是测得电池回路的充放电电流和充放电时间，其乘积即为电池的容量C=I*t (2-7)式中：C电池的容量，单位Ah或mAh； I电池的充放电回路电流，单位A或mA； t电池充放电至截止电压的时间，单位Ah。环境温度、测量回路电流大小，电池自身参数都会对电池容量的测量结果造成影响，因此容量的测量是在特定的条件下进行的，不同的测量环境，测量的结果会有差异。电池额定容量的标注都配有相应的环境参数条件。2.3.5 电池内阻测试电池的一个重要性能指标就是内阻，其大小影响电池的输出电压，输出电流以及能量的输出和电池的功率。其由极化内阻和欧姆内阻两部分组成，在电流流过时对电流造成阻力。在电池的性能指标中，其内阻值越小性能越佳。目前有交流内阻测试法和直流内阻测试法6。检测时有一定的测试条件，即被检测电池在0.2C5A放电模式下放电到放电截止电压，在以0.1C5A充电模式充电16小时。充电完成以后在15到25的环境中放置14小时，其后测量的结果为其内阻值。交流内阻：交流注入法测试电池内阻，即在电池两级注入低频交流信号，检测电池两级产生的低频交流电压，则内阻为R=U/I (2-8)直流内阻：直流法即测得电池两端的电压和电流，从而得到电池的内阻。2.4 本章小结本章分析了几种常见的锂离子电池测试指标要求，明确了课题设计中需要测试的电池电压、电池容量、电池内阻等参数及电池充电和电池放电等过程。提出了总体设计方案，采用ARM系列芯片作为微处理器，并以Simulink仿真环境进行仿真设计，为后续章节的具体设计打下基础。第3章 锂离子电池测试系统的硬件设计3.1 硬件总体结构设计随着电池测试要求的不断提高，对电池测试的参数也越来越多，这就要求微处理器具有高的处理速度和精确度。本课题根据电池测试系统各项性能参数的综合考虑及经济性和广泛性的原则，采用了由PHILIPS公司生产的32位微处理器LPC2138作为CPU系统。系统在结构上包括信号调理电路，充电测试控制电路，放电测试控制电路，内阻测试控制电路等，如图3-1所示。图3-1 系统总体设计框图系统中，采用的微处理器LPC2138为ARM7TDMI-S核，其采用了三级流水线技术，增加了64位乘法指令，支持片上调试以及1个8路的PWM通道、10位ADC、10位DAC、多个32位定时器、多达9个边沿或电平触发的外部中断、47个GPIO，使其特别适用于控制应用。信号调理电路将电池信号通过运放转换成在处理器A/D采样范围的采样信号，并对电池的电流信号进行转换，转换成方便测量的电压信号，传输给控制器。控制器对电流、电压的模拟量进行采集、A/D转换、分析处理，并将控制指令传输给各控制电路，对测试系统进行测试控制。充电控制电路接收控制器对充电电流和电压的控制指令，完成系统充电测试的控制。放电控制电路接收控制器对放电电流和电压的控制指令，完成系统放电过程的测试。内阻测试电路完成系统内阻的测试控制。在各测试过程中，系统对电流、电压的模拟量进行采集、A/D转换、分析处理，将控制指令传输给控制电路，对测试系统进行测试控制，输出测试结果。3.2 主控板结构设计主控板是控制系统的核心，其设计保证着微处理器的正常工作和性能发挥，图3-2为控制器的外围接口设计，主要包括控制器最小系统及外围电路的设计，其中有：电源模块设计，JTAG接口设计，串口通讯接口，存储模块的设计等。图3-2 控制器外围接口JTAG接口：JTAG是国际通用标准测试协议的一种，在芯片内部的通信和测试中应用广泛。现在的很多芯片都支持该协议，如ARM、FPGA、DSP等。标准的接口为4线，TDO为数据输出线、TDI为数据输入线、TMS为模式选择线、TCK为时钟线7。相关引脚定义为：TDO定义为测试数据的输出；TDI定义为JTAG数据的输入；TCK定义为测试时钟的输入；TMS定义接口模式的设定；TRST为复位引脚，低电平复位。本设计中调试接口采用标准的20脚仿真器，其由ARM公司提出，其引脚的定义及与控制器的连如图3-3所示，4.7k的下拉电阻被接在RTCK引脚上，使微处理器LPC2138内部JTAG接口使能，调试可直接进行。图3-3 JTAG接口设计电源模块：电源模块的好与坏，对一个系统的可靠性至关重要。系统设计中处理器的内核和外围接口使用3.3V电源供电，为保证处理器的稳定性和精确性，设计采用SPX1117M3-3.3芯片，其为Sipex公司生产，LDO系列。具有电流输出大，电压输出精度高，稳定性好的特点。该芯片的最大输出电流可达800mA，电压精度在1%以内，并且具有热保护功能和电流限制功能。原理图如3-4所示。图3-4 电源稳压模块输入的220V交流电源经开关电源后变为直流电源，然后经7805稳压至5V，二极管用于限制电流的导通方向，电容用于滤波，然后通过SPX1117M3-3.3将电源稳压至3.3V。芯片具有单独的模拟电源引脚，为提高准确性，降低噪声干扰，数字电源和模拟电源隔离设置。复位电路设计：为提高微处理器工作的可靠性，复位电路在硬件设计中是必不可少的。电源监控的可靠性、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源的纹波都会影响处理器的精确性，尤其是芯片高速、低工作电压、低功耗的情况下，干扰就更加的明显，对电源的监控要求就更高。为提高系统的可靠性和精确性，设计中采用芯片复位，器件选用CAT1025JI-30。存储模块设计：在测试的过程中，测试参数及测试结果需要保存，这就要求在系统中具备存储模块。本设计中存储模块采用CAT1025JI-30器件，通信方式采用I2C存储，电路如图3-5所示。I2C总线是由Philips公司研发并推出，是比较受欢迎的在微电子通信等领域应用的一种总线方式，用于连接微处理器与外围器件。LPC2138具有两个标准的I2C接口，I2C0和I2C1，可配置为主机和从机，最高总线时钟速率可到400k，并且可调整。特性：通信控制速率可通过编程实现；从机与主机之间可以双向传输；多主机可以通信；为避免数据在总线上的冲突，主机对同时发送的数据进行仲裁；器件的不同通信速率在一条串行总线上通过串行时钟同步可实现；串行传输的挂起和恢复可通过握手机制实现；测试和诊断可有总线执行。总线上拉电阻的大小设计为1K，来支持高数I2C总线操作。这样能提高总线升高降低的变化速度。当总线上拉电阻大小为5.1K或者10K，其为标准的100KHZ总线速度，此时可减小总线操作时的功耗。图3-5 存储电路3.3 数据采集电路设计在现代工业控制中，数据采集系统是最为普通和普遍的，其任务是在生产测试的过程中，对模拟信号及时的采集，并通过A/D处理器，经过微处理器的分析处理，以数字量存储到存储器。该系统在测试的过程中，电压信号和电流信号的实时采集是测试过程的重要环节，其采样结果的精度对整个测试过程的精确度和灵敏度至关重要。该设计中，测试系统主控制器LPC2138完成对电池电压信号和电流信号的采样。其具有一个10位8路A/D转换器，VPB时钟提供基本时钟，每个转换器包含一个编程分频器，具有非常灵活的转化方式，单路软件可以启动，也可以以循环采样方式对几路信号采样。特性：一个或多个输入Brust转换模式；1个10位逐次逼近式模数转换器；测量范围03V，10位转换时间小于2.44s；可选择由输入跳变或定时器匹配信号触发转换。3.3.1 A/D参考电压设计在A/D参考电压的设计中，选用外部电压作为参考电压,选用的参考电压，必须保证外部电压受外界影响较小，非常稳定8。由于在本系统中是高精度的数据采集，这对A/D转换器的参考电压比较高，故采用外部专用参考电压芯片产生稳定参考电压输入到微处理器LPC2138的INREF引脚。LPC2138的外部参考电压输入范围为0V3.3V。在本设计中，电压、电流信号通过运放被转换成03.3V的单极性模拟信号，故选用可产生参考电压为2.5V的专用芯片REF192。REF19X系列专用参考电压芯片与一般的参考电压芯片不同之处是有睡眠模式，并具有低功耗、精度高以及输出电流大等特点。REF192的典型应用电路和调理电路中的VREF的设计电路分别如图3-6和图3-7所示。图3-6 LPC2138参考电压设计图3-7 调理电路中参考电压设计3.3.2 采样信号调理电路设计采样信号在前期调理的过程中，由于信号微弱，且存在一定的尖峰干扰。设计中把电池的电压信号和电流信号均转化为相应的电压信号进行采集、处理，放大电路采用差动放大电路，有利抑制共模干扰，提高共模抑制比和减小温度漂移。运放采用真差动四路运算放大器LM324,该芯片的静态电流小，可以工作在3.0V到32V的广范围电压下，并且具有短路保护输出，单电源供电，低偏置电流，内部补偿，静电保护功能等特点。图3-8所示为电压信号调理放大原理图。图3-8 电压信号调理电路为了方便采集和计算机巡检，将电流信号经过一个大功率采样电阻R12进行转换，使电流信号转换为相应的电压信号进行检测，由于采样电阻的阻值很小，很精密，相应的电压值比较小，对运放的要求很大，此处运放采用更为精密的TLV2211单运放，如图3-9所示，把电流信号经运放放大至0-3V电压之间。图3-9 电流采样电路3.4 充电测试电路设计在进行充电测试时，应严格按照电池标称电流对电池进行充电测试，充电电流的大小采用PWM控制实现。作为数字输出对模拟电路的控制，PWM被广泛的应用于测量、通信等众多领域中的功率与变换中，由于其控制信号为数字形式，无需进行模数转换，具有很强的抗噪声能力9。标准定时器是LPC2138脉宽调制器建立的基础，启动及方式可在PWM匹配功能中选择。外部时钟的计数有定时器完成，指定的动作在到达预设的定时器值时执行，方式可由中断的产生或者基于7个匹配寄存器。四个捕获输入的功能是在事件发生时可产生中断，其值在输入信号发生跳变时捕获。具有的特性有匹配寄存器7个，可完成双边沿控制3个和单边沿控制6个；每个匹配寄存器对应一个外部输出；支持双边沿和单边沿的PWM输出；定时器值可以作为脉宽周期，并且数值可以是任意的；为防止错误的脉冲产生，脉冲输出与寄存器匹配更新同步；在跳变的输入信号产生时，定时器的值可以4个捕获寄存器同时取得，中断可由捕获事件产生。电池的充电过程由充电器完成，图3-10为充电控制电路，本设计中的充电过程控制采用模拟充电器设计，由于微处理器输出的电流比较小，采用大功率的三极管8050、C3990、TIP142对电流进行三级放大，以达到电池充电电流的要求。测试中，处理器首先采集电池的电压信号，经分析处理，通过PWM的输出对电池充电，然后实时的采集电池的电压信号，将充电结果反馈给处理器，形成闭环回路。图3-10 充电测试控制电路3.5 放电测试电路设计对电池的放电过程采用模拟负载设计实现。如图3-11所示，放电过程中，处理器首先采集电池的电压信号，经控制器的分析处理后，对控制电路发出指令，输出PWM电流控制信号，电流信号经不同型号的三极管8050、C3990、TIP142，实现电流的逐级放大后，最终转换为电池的放电电流。放电电流经采样电阻，转换为电压信号，处理器采集采样电阻的电压信号，经运算得到电池的放电电流，分析处理后发出调节指令，输出PWM，如此往复，形成闭环回路。图3-11 放电测试控制电路3.6 内阻测试电路设计3.6.1 常用测试方法内阻是电池的重要参数，其大小影响电池的输出电压、输出电流、功率等。目前常用的内阻测试方法有交流注入法和直流放电法10。直流放电法：直流放电法是在脱机的情况下，将放电负载接入电池两端，以不同的电流对电池放电，然后测得电池的电压变化值，根据电压值差和电流值差来进行电池内阻大小的计算。交流注入法：交流注入法是将一个小的低频电流信号注入电池测试回路，如信号I=I sin（wt+i），其中I为幅值，为角频率，i为初相角。则电池的两端产生的电压信号为U=U sin(wt+u)，其中U为幅值，为角频率，u为初相角。则电池的内阻为R=U cos/I (3-1)式中：=i-u3.6.2 四端子内阻测试法锂离子电池的内阻一般为毫欧级别，测量导线的电阻和接触电阻与电池内阻具有相同的数量级，采用两端子测量误差比较大，如图所示，其中，R0为电池的等效内阻，R1，R2为等效接触电阻和导线电阻，当I较小时，此方法误差不大，但当I较大时，则可产生较大的误差，如图3-12所示。图3-12 两端子测试为提高测量的精确度，采用四端子内阻测量法，如图3-13所示，其中R0为电池的等效内阻，R1、R2为测量的等效接触电阻和导线的等效电阻，I1为施加的激励信号，I2为测量电流，I1在电阻R3、R4上产生压降，则测量端的电压表达式为U=(R1+R2) I2 + R0 (I1+I2) + E (3-2)由于测量放大电路的阻抗近似无穷大，I2近似等于0。所以U=R0I1 + E (3-3)对测试系统施加两次不同的激励信号，设为I1'和I1"，测得的电压为U1和U2，则可得二元二次方程组U1=R0I