電池自放電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

自放電是由電池的內(nèi)在因素引起的，而受外在因素的影響。通常電池自放電性能由構(gòu)成電池的正、負(fù)電極、聚華物隔膜和電解液性能決定，并且受制造工藝及生產(chǎn)要求的影響。而在電池壽命內(nèi)自放電大小并不是固定不變的，還與電池的老化程度、SOC 和電池所處環(huán)境的溫度等因素有關(guān)系，惡劣的充放電制度和工作條件也會(huì)對(duì)電池的自放電構(gòu)成影響。

除去制造工藝及錯(cuò)誤的使用方式造成的自放電，影響電池自放電的因素就只有溫度、SOC 和電池壽命了。其中，溫度對(duì)電池自放電的影響是顯而易見(jiàn)的，溫度越高，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)越活躍，引起電池自放電的化學(xué)反應(yīng)也隨溫度的升高而加快。因此，溫度越高，電池的自放電率將越大。在電池的儲(chǔ)存和應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該保證電池處于較低的溫度范圍內(nèi)，避免由于外界或者電池自身溫度升高引起的自放電變大，電池性能下降。SOC 表示的是電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)電池處于不同 SOC 時(shí)，其自放電大小也不相同。一般而言，鋰電池的 SOC 越大，其自放電現(xiàn)象越明顯。壽命表示電池的劣化程度，隨著電池的不斷老化，其內(nèi)阻不斷變大，電池的荷電保持能力下降。我們常見(jiàn)的手機(jī)電池待機(jī)時(shí)間越來(lái)越短，就是由于電池老化導(dǎo)致的，在這個(gè)過(guò)程中，除了內(nèi)部極化現(xiàn)象嚴(yán)重外，自放電也隨之增大。

自放電檢測(cè)電路是自放電檢測(cè)方法的核心體現(xiàn)，按照容量保持法，需監(jiān)測(cè)維持電池 SOC 或電壓不變所需電荷量，因此在自放電檢測(cè)電路中需要搭建出對(duì)電池的充放電控制電路，以便于電壓穩(wěn)定時(shí)檢測(cè)充電電流大小。自放電檢測(cè)模塊功能框圖如下圖1所示。

基準(zhǔn)電壓作為自放電檢測(cè)電路的輸入，來(lái)源于 D/A 轉(zhuǎn)換模塊按照MSP430F149 給定的數(shù)字量轉(zhuǎn)換而成的模擬電壓。該基準(zhǔn)電壓值可以通過(guò)人為按鍵設(shè)定，以便測(cè)出電池不同電壓下的自放電大小。首先基準(zhǔn)電壓要經(jīng)過(guò)電壓比較環(huán)節(jié)，與實(shí)際電池的實(shí)時(shí)電壓進(jìn)行比較，判斷此時(shí)電池電壓與基準(zhǔn)電壓之間的差值。電池電壓若高于基準(zhǔn)電壓，則充電電路停止工作，電池自動(dòng)通過(guò)負(fù)載電阻進(jìn)行放電；若低于基準(zhǔn)電壓，則充電電路開(kāi)始工作，對(duì)其進(jìn)行充電動(dòng)作，直至電池電壓穩(wěn)定為止。此時(shí)的充電電流為充電電壓與電池通過(guò)負(fù)載電阻放電的電流與自放電電流之和，測(cè)出此時(shí)的充電電流大小，并通過(guò)計(jì)算得到放電電流值，那么兩者之差即為該電芯的自放電電流值。

另外，雖然從基準(zhǔn)電壓模塊送來(lái)的電壓在原理上已經(jīng)是直流，但仍不可避免混有雜波，可能導(dǎo)致檢測(cè)電路發(fā)生震蕩，因此需要設(shè)置低通濾波器，濾掉高頻干擾?？紤]到當(dāng)f > f0，即信號(hào)頻率大于通帶截止頻率時(shí)，一階低通濾波器的對(duì)數(shù)幅頻特性只是以-20dB/十倍頻的緩慢速度下降，電壓放大倍數(shù)并不能立即降為零，存在較寬的過(guò)渡帶，濾波性能較差。因此采用二階低通濾波電路，在保證通頻帶增益的同時(shí)，高頻段幅頻特性能夠以-40dB/十倍頻的速度快速衰減，濾波效果較好。

同時(shí)，由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)載為實(shí)際電池，而 D/A 轉(zhuǎn)換模塊提供的基準(zhǔn)電壓并不能作為充電源使用，所以自放電檢測(cè)電路模塊還應(yīng)該具有功率放大的功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電動(dòng)作。自放電檢測(cè)電路原理圖如圖所示。

在該圖中，信號(hào) DA_Vout 即為 D/A 轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，整個(gè)電路以 DA_Vout 作為系統(tǒng)輸入量，電池電壓作為輸出量和反饋量，從而構(gòu)成了一個(gè)反饋系統(tǒng)，最終將電池電壓穩(wěn)定在基準(zhǔn)電壓，通過(guò)測(cè)量此時(shí)采樣電阻Sample Res 兩端的電壓即可求出電池的自放電電流值。為了防止電池通過(guò)比例運(yùn)算放大器等其它回路放電，而造成自放電電流值求取不精確，引入了光電開(kāi)關(guān)，由單片機(jī)的引腳直接進(jìn)行開(kāi)通和關(guān)斷控制。

需要注意的是，一般正常鋰電池的自放電電流均為微安級(jí)別，而采樣電阻阻值為 1KW，則其兩端電壓保持在毫伏級(jí)別，因此需要測(cè)量精度較高的電壓表才能保證得到的自放電流的準(zhǔn)確度。MSP430F159 芯片自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器為12 位，可以對(duì)采樣電壓精確到 1.2mV，對(duì)應(yīng)于電流值即為 1.2μA，精度較低。因此本設(shè)計(jì)直接應(yīng)用了美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的 Agilent34401A 六位半數(shù)字萬(wàn)用表顯示采樣電阻兩端電壓值，該表可穩(wěn)定顯示 0.1mV，此時(shí)對(duì)自放電電流的檢測(cè)精度可達(dá)到 0.1μA。