使用LMG600监控电池充放电
介绍
电池用于电能储存进入电力行业已有多年，在规模、容量、效率等方面都取得了长足的发展。在研发阶段，仔细的设计以及对电池电气性能的精确监测是至关重要的。此外，它们在可再生能源生产、电动汽车和越来越小的移动设备方面的后期整合大大提高了门槛。
在超过40年的时间里，ZES ZIMMER电子系统为电气和电子行业的所有部门提供精确功率测量的解决方案。我们Z新系列的功率分析仪，LMG600，市场上精度Z高、用途广泛。因此，研究把LMG600功率分析仪作为智能电池测试系统是非常有意义的。
当涉及到电池测试测量时，LMG600具备以下特性:
l 连续测量电压，电流，功率，能量，电荷等。
l Z大整体精度:0.025%
l 交流和直流分开测量
l 用户可配置自定义菜单
l 集成脚本编辑器
l 脚本可配置带数字输入输出的同步接口（GPIO）
l 可选的过程信号接口带模拟和数字输入输出(PSI)，用于温度测量或单个电池的跟踪
因此，LMG600允许定制、多功能和强大的电池测试仪的实施。通过易于使用和自定义的用户界面和智能的脚本编辑器，电池特性的重要测量，如电压、电流、能量和电荷以及直流内阻和耗散的焦耳能量可以显示在一个屏幕上。简而言之，LMG600提供了从充电到放电的详细和精确的能量平衡测量所需的一切。
应用和定义
本应用的目的是为了测量电池充放电期间的基础电气特性，要测量的重要参数包括
l 电池上的直流电压Udc以及电压Z大值Umax和Z小值Umin
l 直流电流Idc
l 电池的功率P1、能量E1和电荷q1
l 电池内阻Rb
l 电池因焦耳效应导致的发热功率Pj和能量Ej
数值Udc、Idc、P1、E1、q1由功率分析仪直接测量。剩余的参数定义如下：
l Umin =min(Udc) 试验持续时间内直流电压的总的Z小值
l Umax=max(Udc) 试验持续时间内直流电压的总的Z大值
l 
这里Uac和Iac是电池的电压和电流的交流成分，
并为同一相
l 
这里Itrms是电池的总电流
l 
这里Ej0是电池的初始能量，△ten是电流周期的持续时间
通过对上述参数的精确测量，详细研究了电池的容量和效率，以及连续监控了电池的内阻和因电阻发热耗散的能量。使用多通道LMG600同时测量充电器效率可以更好地概述该系统。此外，多通道功率分析仪可以跟踪多节电池的串联电压。结果可以以数字和图形形式进行存储和传输到PC上，在Excel或Matlab中进行进一步处理。
该电池可在不同条件下进行测试，包括在恒定直流输入、调制直流用于内阻测量、脉冲输入过载测试或随机充放电来模拟现实生活条件。
测量设置和接线
建议的测试配置如图1所示，包含如下组件：
l LMG611功率分析仪
l 2400mAh镍镉6芯电池
l 直流电流源作为电池充电器
l 信号发生器组合900uH的电感和100uF的电容用于测量电池内阻
l 12Ω功率电阻作为负载
l 继电器电路用于切换“充电/放电/待机”模式
在充电过程中，电池与充电器并联，在放电过程中，电池与负载并联。由2个继电器组成的电路用于两种运行模式之间进行切换，由LMG600的GPIO接口控制。当两个继电器都开启时，电池是开路的（待机模式）。继电器必须以这样一种方式控制，即它们永远不会同时闭合。充放电过程的基本测量电路如图2和图3所示
图1:测量设置
图2:充电时的测量电路
图3放电时的测量电路
给电池充电有快有慢。在2.4 A电流下，2400mAh的镍镉电池理论上需要1小时才能充满电。由于在充电周期结束时增加的热损耗，慢充通常以该电流的10%进行，持续14-16小时，而不是10小时
然而，更有趣的是在快充期间监控电池。通常在这种情况下，电池是用额定电流充电的。在快充时，当电池接近充满电时，电池温度会上升得比慢充更明显。这个温升将导致电压下降，这表明电池已充满。使用LMG600监控此电压降允许用户通过设置适当的电压阈值来检测此事件。一旦电压下降超过这个阈值，通过使用GPIO接口来警告用户停止充电。
当放电时，知道电池什么时候放完电也很重要。根据制造商提供的电池电压-放电容量曲线，使用者可以设置低电压限值。当功率分析仪检测到电池电压下降到该限值以下时，警告用户电池几乎放完电了。同时自动断开电池和负载的连接。
虽然很容易检测出电池何时放完电，但是检测它何时充满电仍然有点复杂。用户很容易通过充电结束时的典型电压降识别，但编程一个先进的算法把这种状态从可能发生的其他类型的电压降中区分出来，实际上相当棘手。因此，当检测到该电压降时仅报警，但充电不会立即停止。如果用户没注意到并及时手动切换到放电或待机模式，报警将持续一段时间。
在这个实验中，我们设置充电器在给电池充电过程中Z大800mA。根据制造商的规格参数电压降限值设置为60mV。放电时将一个12Ω电阻作为负载连接到电池，根据电压大小产生400~700mA的放电电流。在这种情况下，电池的电压下限设置为6.2V 或者1.05V每节。
测量内部发热损耗需要随时知道电池的内部阻抗。公式
需要一个调制的电流。很明显，电池电流没有纹波，这个值会随机或无限大，没有任何意义。为了产生此电流纹波，我们使用一个信号发生器。100uf电容防止直流电流流向信号发生器，导致它全部通过电池。同样地，90uH电感用于防止交流电流流向充电器或负载。
在电池阻抗测量中经常使用频率为1kHz的信号。幅值的选择是通过测量通过电池的纹波电压和电流，并将其调整到为功率因数接近1时的数值。这样测得的阻抗相当于内阻，就可以进一步计算焦耳损失
给出测量结果并编写计算脚本
LMG600允许用户构建自定义菜单，以便以一种总结、全面和面向应用的方式显示他们的测量、设置和图表。正如图4的自定义屏幕包括所有重要的电池状态，图表随时显示任何期望的测量值以及设置和控制。与自定义菜单对应的脚本将应用测量设置，并计算不直接测量的数值值，如内阻和电池的焦耳损失。该脚本可以实现如下功能：
l 计算变量和定义它们的单位：如Umax、Imax、Rb、Ej
l 重置数值，启动和停止积分
l 将测量值与先前定义的阈值和触发动作进行比较
l 控制数字输出与外部设备或触发继电器同步
l 在每个周期结束时记录数值
图4:电池设置的自定义菜单
用户可以通过改变Mode设置来选择测试类型(充电、放电或待机)。当Mode为Discharge或者Charge时，脚本控制积分开始，Standby期间暂停。在Standby模式时按一次下箭头将设置Integration为0并Reset时间和能量/电荷值。总运行时间显示在屏幕的顶部。电压阈值在脚本中设置的，也会显示，但不能在测量期间更改。
下面的脚本可以作为上述自定义菜单的示例
镍钴电池测试脚本范例
要记录测量值，用户必须在storage - log菜单中设置一个记录文件，并选择每次记录导出的数值。使能Script logOnce 设置，将在每周期结束时logonce()命令时被调用时允许脚本记录数值。
此外，在INSTR.- GPIO & Sync界面，将GPIO的Direction设置为“output”。一旦脚本安装好，针脚3和4的状态更改为“Script Ctrl”
结果
完整的充放电测试结果如下。电池在测试开始时和结束时都是没电的。在开始测试之前，很明显电池既没有连接到充电器也没有连接到负载(Standby模式，两个继电器都打开)。
结果如前面所提每个测量周期都记录并可以导出成excel格式，非常方便处理结果并将其绘制成图形。
在图5中可以看到在一个完整的充放电周期中的直流电压和电流。以800mA或1/3额定值的速率持续充电大约三小时。直到该周期末端，电压在开始下降前达到Z大值。在这时我们认为电池已经充满电，仪器显示了一个警告指示。
电池的放电随即开始，并通过一个12Ω电阻进行。此时的电流当然是负的，它流向相反的方向。当电池电压减小时，电流也几乎成比例地减小。当直流电压达到6.2V以下时功率分析仪发出充电结束信号，自动再次将Mode设置为Standby。
图5:充电周期中的直流电压和电流
图6显示电池在整个周期吸收和释放的功率、能量和电荷。Z初认为电池是完全放完电的，意味着根据我们的定义，当连接到12Ω电阻负载时，其电压为6.2 V。此时储存的能量和电荷是未知的，但可认为是零(Integration设置为0:Reset)，作为开始测量之前的参考。即使在电池中存储的能量和电荷不是直接测量的，不妨假设，放电结束时，他们的值或多或少与测试开始前是一样的。这是因为我们定义零能量和电荷的点(Vdc =6.2V)的条件在测试前后是相同的。所以用LMG600更好地控制这些条件意味着在这个假设下更好的精度。
电池总共吸收了2.32Ah的电荷，相当接近它的额定容量。电池在充电期间吸收的总能量是20.3Wh，包含了热量、化学和其它形式的损失的能量。试验结束时的能量不为零，可以认为是充放电循环的总能量损失，是4.65 Wh。
功率流向是一条完全可预测的曲线。
图6:功率，能量，电荷
焦耳损失的概览可以通过监控电池的内阻见图7来获取。它通常在充电过程减少，在放电过程中增加，但在充电结束时可以观察到一个突起。根据测得的内阻，通过脚本计算焦耳能量和功率，如图8所示。据此，电池由于其内阻在一个完整的充放电周期耗散了104 mWh的热量。
图7:内阻
图8焦耳能量
结论
l LMG600覆盖了一个测试系统的首先和Z基本的原则：基本性能的精确测量
l 同时提供连续的数据记录和导出以及内置的编程能力。
l 充电的常规或特定的测试(如交流或者直流分析)通过使用可编程设备和LMG600的I/O接口(GPIO、CAN、 PSI)脚本编辑和实现自动化。
l 有了这些功能，我们简单的镍镉电池脚本可以扩展到研发实验室的高级算法，适用于任何类型的电池和测试方案。
