鋰離子混合動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的研究

彭澤州

（宜春學(xué)院理工學(xué)院，江西 宜春 336000）

鋰離子混合動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的研究

彭澤州

（宜春學(xué)院理工學(xué)院，江西 宜春 336000）

采用三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子混合動(dòng)力汽車電池進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)主要由電源部分、檢測(cè)電路、充放電回路組成，可對(duì)鋰電池組的單個(gè)電壓、組電壓、溫度、電流、內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，由于大部分混合動(dòng)力汽車使用近100 個(gè)鋰電池構(gòu)成的動(dòng)力電池組。在此類系統(tǒng)中，通信量較大，可采用CAN 總線或者I2C 總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。

三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)；鋰離子電池；檢測(cè)系統(tǒng)

（一）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其目的、意義

目前，豐田等公司的混合動(dòng)力汽車電池采用的都是鎳氫電池，這種電池一方面價(jià)格較高、不能外插式充電；另一方面，由于材料的影響其存儲(chǔ)電量大小受到了限制，導(dǎo)致其電池續(xù)航能力不足。而鋰電池具有電壓高、充放電壽命長(zhǎng)、成本低、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已成為絕大多數(shù)汽車和零部件企業(yè)的首選和主攻方向。相比于鎳氫電池，混合電動(dòng)汽車采用鋰電池可使得電池組的重量下降40%～50%，體積減少20%～30%，能源效率也有一定程度提高；同時(shí)車用鋰電池的成本將下降到鎳氫電池的2/3。鋰電池由于其出色的性能，已成為混合動(dòng)力汽車領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。在混合動(dòng)力汽車中，鋰離子電池大多成組使用，因此對(duì)電池組的性能進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)，并提出優(yōu)化改進(jìn)，具有非常重要的意義。

國(guó)外電池組檢測(cè)設(shè)備研究起步較早，技術(shù)也相對(duì)成熟，代表有美國(guó)必測(cè)公司、Abin 儀器公司和MACCRO 公司，以及德國(guó)Digatron 集團(tuán)。國(guó)內(nèi)20世紀(jì)90年代初也開始了電池化成檢測(cè)設(shè)備的研究和開發(fā)，哈爾濱理工大學(xué)、哈工大、廣州電科所、北京有色金屬研究總院等單位都對(duì)進(jìn)口的化成檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了仿制、國(guó)產(chǎn)化和改進(jìn)。電池檢測(cè)經(jīng)歷人工檢測(cè)、單機(jī)單通道自動(dòng)檢測(cè)、單機(jī)多通道檢測(cè)與多機(jī)分布式全自動(dòng)自能檢測(cè)四個(gè)階段。現(xiàn)在主流的電池檢測(cè)設(shè)備多采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)具體應(yīng)用的不同，分別采用兩級(jí)和三級(jí)集散式控制結(jié)構(gòu)。

（1）兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)

兩級(jí)分布式結(jié)構(gòu)大多應(yīng)用在中小型檢測(cè)柜和實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)設(shè)備上。如美國(guó)必測(cè)公司生產(chǎn)的MSD-970就是小型檢測(cè)設(shè)備的代表，該設(shè)備主控制器選用功能很強(qiáng)的HP系列嵌入式計(jì)算機(jī)，而分控制器則采用8 位單片機(jī)負(fù)責(zé)每個(gè)通道的管理。采用該結(jié)構(gòu)的設(shè)備往往具有發(fā)熱量低、采樣精度高、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于顯示界面和主控器運(yùn)算能力的限制，電池性能分析方面的信息(如充放電、-△V等動(dòng)態(tài)曲線)不能夠被充分顯示。為解決這個(gè)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外廠商都將原有設(shè)備的主控器由嵌入式計(jì)算機(jī)改為運(yùn)算能力更強(qiáng)和顯示界面更豐富的PC機(jī)，如美國(guó)MACCOR 公司生產(chǎn)的4300 系列。但是這種改造并沒(méi)對(duì)系統(tǒng)做出結(jié)構(gòu)性的改進(jìn)，只能適應(yīng)于室內(nèi)檢測(cè)，并不具便攜性。

（2）三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)

三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)是單機(jī)多通道檢測(cè)設(shè)備的擴(kuò)展，它將兩級(jí)系統(tǒng)中主控器的部分功能上移到上位機(jī)PC，在上位機(jī)上建立一個(gè)綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，典型的三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)的檢測(cè)設(shè)備有美國(guó)Abin公司的BT2000 和德國(guó)Digatron 生產(chǎn)的UBT等。三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)較兩級(jí)式結(jié)構(gòu)而言更加有利于集中控制與管理，也便于檢測(cè)結(jié)果的分析比對(duì)，非常符合規(guī)模化生產(chǎn)。

（二）研究?jī)?nèi)容、方法和技術(shù)路線（包括工藝流程）

本項(xiàng)目主要是采用三級(jí)分布式結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子混合動(dòng)力汽車電池進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)主要由電源部分、檢測(cè)電路、充放電回路組成，可對(duì)鋰電池組的單個(gè)電壓、組電壓、溫度、電流、內(nèi)阻等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，其電路圖如下圖所示，由于大部分混合動(dòng)力汽車使用近100個(gè)鋰電池構(gòu)成的動(dòng)力電池組。在此類系統(tǒng)中，通信量較大，可采用CAN總線或者I2C總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。

（1）電源部分

鋰離子動(dòng)力電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池的負(fù)極是金屬鋰，正極用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中。其主要特點(diǎn)是單體電池工作電壓高，是鎳鎘電池，鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰離子動(dòng)力電池比能量高的一個(gè)重要原因。因此組成相同電壓的動(dòng)力電池組時(shí)，鋰離子動(dòng)力電池使用的串聯(lián)數(shù)目會(huì)大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動(dòng)力電池中單體電池?cái)?shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實(shí)際使用過(guò)程中電池組有問(wèn)題分析后，一般是其中一、兩個(gè)單體電池出問(wèn)題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問(wèn)題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個(gè)角度上講鋰電更適合動(dòng)力電池的使用。例如36V 的鋰電只需要10個(gè)單體，而36V鉛酸電池需要18個(gè)單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個(gè)單格即六個(gè)單體電池組成。

電源部分采用是線性恒流源和開關(guān)恒流源，線性電流源實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但提供功率較小，開關(guān)恒流源是利用PWM調(diào)節(jié)方式，產(chǎn)生較高頻率，適用于大功率電路，對(duì)兩種電源進(jìn)行比較。可以根據(jù)實(shí)際情況采用各部分適合的檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行。

（2）檢測(cè)電路

鋰離子電池能量密度高、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低，因此成為目前便攜式電子產(chǎn)品的理想電源。但是，由于鋰離子電池固有的特性，必須防止過(guò)充、過(guò)放、過(guò)溫以提高它的安全性和使用壽命。于是對(duì)于鋰電池的檢測(cè)受到越來(lái)越多的重視。該文利用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SOC芯片ATJ2085作為主控芯片（MCU）設(shè)計(jì)兼容USB的便攜式設(shè)備鋰電池的檢測(cè)系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單易行，成本低，易于在便攜式電子產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，便攜式電子技術(shù)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。鋰離子電池由于其具有高能量密度、長(zhǎng)壽命、低自放電率、無(wú)污染等特性，迅速成為市場(chǎng)的主流電池產(chǎn)品。為了防止電池出現(xiàn)過(guò)充電或過(guò)放電狀態(tài)、保證電池的安全性能和避免出現(xiàn)電池特性惡化現(xiàn)象，必須在鋰離子電池組中安裝保護(hù)電路。同時(shí)要鋰電池能夠穩(wěn)定可靠的為設(shè)備提供能量，對(duì)于電池的智能檢測(cè)與監(jiān)控是必須考慮的環(huán)節(jié)。鋰電池供電是現(xiàn)代便攜式設(shè)備最合適的供電方案，但其充放電安全性不如鎳鉻電池、鎳氫電池及普通一次性干電池的傳統(tǒng)電源。如果充放電方法不對(duì)，將會(huì)導(dǎo)致鋰電池發(fā)生安全問(wèn)題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監(jiān)控電路以實(shí)時(shí)監(jiān)控充放電過(guò)程。本文主要針對(duì)鋰電池的外圍檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)方案以微處理器作為各種功能控制的核心, 除了對(duì)鋰離子電池組提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護(hù)外，還可有效的對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供平衡保護(hù)、能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出電池所處狀態(tài)并對(duì)鋰電池進(jìn)行保護(hù)。

檢測(cè)電路部分需要對(duì)每個(gè)鋰電池、整個(gè)電池組電壓、電流、溫度及內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，因此需要進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)進(jìn)行測(cè)量，選擇具備A/D轉(zhuǎn)換接口的單片機(jī)構(gòu)建檢測(cè)電路系統(tǒng)。溫度的檢測(cè)使用DS18b20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)因?yàn)閱纹瑱C(jī)一般測(cè)量的是電壓量，對(duì)電流的測(cè)量需增加霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓量進(jìn)行測(cè)量。

（3）CAN總線、上位機(jī)程序及其他電路

CAN總線需實(shí)現(xiàn)多個(gè)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信，計(jì)算機(jī)可采集測(cè)量的溫度、電壓、電流等物理量，在數(shù)據(jù)通信的過(guò)程中需要考慮通信隔離的問(wèn)題，防止對(duì)測(cè)量量的干擾，初步采用光隔離的方法。另外需完成充放電、內(nèi)阻測(cè)量等其他電路的構(gòu)建。

（4）軟件程序

需完成單片機(jī)部分程序的編寫，以及計(jì)算機(jī)部分界面程序的編寫兩大部分。

（三）預(yù)期成果

本文所預(yù)期的成果是最終形成鋰離子混合動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)的模塊或仿真平臺(tái)。并實(shí)現(xiàn)的電源部分功能，實(shí)現(xiàn)大功率輸出，多路電壓輸出。單個(gè)電池電壓測(cè)量、電池組電壓測(cè)量、電流測(cè)量。單片機(jī)之間通過(guò)CAN總線與計(jì)算機(jī)的通行。采用CAN總線對(duì)多個(gè)鋰電池組成的電池組的物理量進(jìn)行測(cè)量，可簡(jiǎn)化電路系統(tǒng)。采用計(jì)算機(jī)采集測(cè)量的物理量，利于對(duì)電池組物理量進(jìn)行觀察，方便對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

[1] 鄭敏信,齊鉑金,吳紅杰,張華輝.混合動(dòng)力客車鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)[J].高技術(shù)通訊,2008,(02).

[2] 張華輝,齊鉑金,龐敏,吳紅杰.動(dòng)力鋰離子電池荷電態(tài)估計(jì)的建模與仿真[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,(06).

TM910

A

1008-1151(2011)06-0118-02

2011-03-14

彭澤州（1983－），男，宜春學(xué)院理工學(xué)院電信系助教，從事電子信息工程研究。