電動(dòng)自行車(chē)用電池性能檢測裝置
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關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；電池充放電；匹配性能
引言
根據不完全統計，我國電動(dòng)自行車(chē)從1998年的5.4萬(wàn)輛增加到2001年的58萬(wàn)輛，每年都在以翻一番的速率增長(cháng)。電動(dòng)自行車(chē)數量以如此速度在不斷增加的同時(shí)，市場(chǎng)上電動(dòng)自行車(chē)用電池與充電器的種類(lèi)也越來(lái)越多。由于電池和充電器的匹配性關(guān)系到電動(dòng)自行車(chē)的一次續駛里程和整車(chē)的可靠性，因此，對于給定的電池，用何種充電器來(lái)充電可以達到最佳匹配效果不僅僅是廠(chǎng)家，更是用戶(hù)關(guān)心的重要問(wèn)題。
從電池和充電器性能入手，我們利用VB強大的圖形功能和友好的界面，成功地開(kāi)發(fā)出了一套能用上位機直接控制電池充放電，并且還能直觀(guān)顯示電池充放電時(shí)的特征數據，以及進(jìn)行必要的處理和曲線(xiàn)分析電池與充電器匹配性能的檢測系統。
1 匹配性檢測原理
所謂匹配性，就是指用不同的充電器對同一種電池進(jìn)行若干次充放電試驗，根據試驗中的電池性能狀態(tài)和充電器的充電曲線(xiàn)判斷哪種充電器更適合給此種電池充電。在匹配性檢測中，不僅要考慮電池的性能，同時(shí)還要考慮到充電器的性能。衡量電池的性能主要包括電池容量、壽命、充放電時(shí)的電流電壓等參數。而充電器的性能主要體現在充電電流電壓曲線(xiàn)、最高充電電壓以及浮充電流電壓等方面。
電池容量的一般計算公式是：
容量=放電電流放電到截止下限電壓所經(jīng)歷的時(shí)間（單位：mAh或Ah） （1）
根據式（1），如采用5A恒流放電[1]，只須記錄每次電池放電到截止下限電壓所經(jīng)歷的時(shí)間，即可得出該電池的容量，同時(shí)，還可以記錄電池的實(shí)時(shí)電壓電流值，以上均是在電池放電時(shí)完成的。在給電池充電時(shí)，需要同時(shí)記錄充電器類(lèi)型號，電池兩端的電流電壓值以及采樣點(diǎn)數等參數，以便用VB描繪實(shí)時(shí)電流電壓變化曲線(xiàn)，用來(lái)與標準的三段式充電曲線(xiàn)[2]（如圖1所示）相比較。根據此曲線(xiàn)，還可以觀(guān)察電池充電時(shí)的最高電壓值，浮充電壓、電流值。對于充放電過(guò)程的不斷切換是通過(guò)多功能數據采集卡的數字輸出端口（Digital Output）輸出的數字信號來(lái)控制的。
2 硬件組成
該套系統是硬件和軟件結合設計出來(lái)的。其硬件主要包括多功能數據采集卡（PCL818），接線(xiàn)端子板（PCLD－8115），直流開(kāi)關(guān)穩壓電源，直流電流、電壓隔離傳感器，充放電繼電器以及驅動(dòng)電路板等。系統原理框圖如圖2所示。
2.1 模擬量采集
采集的主要對象是電池充放電時(shí)的電壓和電流值。其核心部分包括多功能數據采集板卡及電流、電壓傳感器。數據采集卡通過(guò)ISA接口與PC機通訊，它由裝在PC機內的數據采集卡和外部接線(xiàn)端子板以及連接板卡的電纜組成，主要功能包括：
1）可實(shí)現40k/s的最大采樣速率；
2）通過(guò)設定可實(shí)現16路的單端（SE）模擬信號輸入，也可實(shí)現8路的差分（Diff）模擬信號輸入，同時(shí)還可作為1路12位的模擬量輸出；
3）可實(shí)現16路數字量的輸入和輸出；
4）通道/增益可自動(dòng)掃描；
5）可作為1路16位的計數器使用。
2.2 數字量控制
控制的主要對象是接在充電和放電電路的充電繼電器和放電繼電器。前面已提到此采集卡具有16位的數字量輸出功能[3]（引腳如圖3所示）。其控制方法是只要將腳1～16（D/O0－D/O15）的某一腳或多腳與腳17或腳18接入電路，就可以通過(guò)編程給該電路引入高低電平。在此我們引用D/O0（腳1）和D/O2（腳3），循環(huán)地使此兩腳接高電平，即循環(huán)地使充放電繼電器工作，進(jìn)而使電池循環(huán)地進(jìn)入充放電狀態(tài)，以達到用戶(hù)自動(dòng)檢測電池的目的。其控制方式在后面的軟件部分介紹。
但是，數字信號的高電平驅動(dòng)能力一般都比較弱，無(wú)法直接驅動(dòng)繼電器，為此，必須通過(guò)功率驅動(dòng)電路（如圖4所示）來(lái)增強從數字輸出端出來(lái)的數字信號的驅動(dòng)能力。
3 軟件實(shí)現
研華公司的采集卡都配有許多例程，只要在VB中加載該采集卡的驅動(dòng)程序driver.bas模塊及系統的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（如adsapi32.dll等）[4][5]，就可以根據例程建立基于VB和PC機的虛擬平臺，來(lái)對電池充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。
3.1 數據的采集與記錄
在此程序中，采用的是多通道模擬輸入模式（MAI）,通過(guò)PT_MAIVoltageIn獲得外部數據。當然，在讀入外部電壓電流數據之前，要預先設置好它的讀入通道號（NumChan--總通道數,StartChan--采集開(kāi)始通道），通道增益（Gain）以及觸發(fā)模式（TrigMode），同時(shí)還要將VB與將要存放實(shí)時(shí)電流和電壓的數據庫相鏈接。在VB里數據庫的鏈接方式有多種：使用data link文件、使用ODBC數據資源文件、使用連接字符串等。使用連接字符串的方法很輕松地就可以實(shí)現與外部數據庫的鏈接。剩下的就是如何將實(shí)時(shí)數據記錄到數據庫里。在tmrRead_Timer事件里運用下面的語(yǔ)句即可以實(shí)現。
.AddNew
.Fields(0)=i'記錄ID號
.Fields(1)=Val(ComNum.Text)'記錄充電器號
.Fields(2)=Time'記錄系統時(shí)間
.Fields(3)=10＊fVoltage(0)'記錄采集電壓值
.Fields(4)=5＊fVoltage(1)'記錄采集電流值
每進(jìn)行一次Timer事件，都會(huì )添加一次新紀錄，而且其發(fā)生的時(shí)間間隔可以通過(guò)它的屬性Interval來(lái)定義，這樣一來(lái)，所需要的數據都會(huì )隨時(shí)間的不斷變化記錄到數據庫里。
通常來(lái)說(shuō)，每做一次充放電試驗獲得數據達幾千個(gè)，通過(guò)觀(guān)察數據庫里的數據還是不容易發(fā)現總的變化趨勢，只有把這些數據在坐標系里描成曲線(xiàn)才是最直觀(guān)的。具體的做法是先讀出數據庫中的各點(diǎn)的值，并在建立好的坐標系中描出來(lái)（Pset），然后利用Line函數把各點(diǎn)連起來(lái)。對采集回來(lái)的電流電壓如此處理，對每次放電的時(shí)間記錄亦如此處理，以便觀(guān)察電池的放電特性。在實(shí)際試驗中，利用某一種型號的充電器所得到的充電時(shí)電池的電壓和電流曲線(xiàn)如圖5所示。
3.3 數字量的控制方式
數字信號輸出端口的高低電平是通過(guò)軟件控制的。在軟件中，高低電平通道選通信號是由二進(jìn)制數（1和0）轉換成十進(jìn)制數而得到的。例如，如果要求將前8腳都輸出高電平即用二進(jìn)制數表示為＃00FF,換算成十進(jìn)制數即為255，在具體編程中，只要給lpDioWritePort.state分別賦1（＃0001）和4（＃0004）即可使腳1和腳3輸出高電平。程序的設置如下：
lpDioWritePort.Port=lpDioPortMode.Port；所用端口號（由硬件決定）
lpDioWritePort.Mask=255；允許輸出的默認端口設置
lpDioWritePort.state=DoValue；操作端口設置（置1和4）
3.4 程序流程圖
4 結語(yǔ)
基于VB開(kāi)發(fā)的檢測系統現已成功地在某電動(dòng)自行車(chē)廠(chǎng)投入運行，以其直觀(guān)的顯示和自動(dòng)化控制，節省了大量的人力和時(shí)間，同時(shí)避免了不合格充電器和電池進(jìn)入市場(chǎng)，對企業(yè)產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟效益。同時(shí)，PC機操作界面直觀(guān)，操作方便，適合不同層次的工作人員使用。
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