新型智能鋰離子電池組的研制

陶勇 喻超 蔣煒 謝青松

(中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著鋰離子電池技術的不斷發展及產量的快速增長，其應用領域也不斷的擴大，在國民經濟和人民生活中占有很重要的地位。但是目前的單體鋰離子電池還是以小容量、低功率為主，大容量、高功率的鋰離子電池技術尚不成熟，也未形成規模化生產，使鋰離子電池在中/大容量UPS、儲能電池、電動工具、電動汽車中尚未得到廣泛應用。其中一個重要原因是鋰離子電池充放電和智能管理系統中有些關鍵技術還不夠成熟。因此從安全性、均衡性、可靠性、經濟性以及多方面考慮，研制出一種可采用并聯充放電和智能管理的鋰離子電池組。通過智能鋰離子電池組的外接顯示模塊可對每塊電池的充放電狀態進行監視、報警及保護。

1 功能

新型智能鋰離子電池組裝有鋰離子電池包、智能管理系統及控制面板，并以單片機作為各種功能控制的核心，還可有效地對鋰離子電池組內各單體鋰離子電池的充放電提供平衡保護、過壓/過流保護、短路保護，并提供了通信接口。另外電池組可實現快速充放電，循環次數不少于一千次。電池組充放電方式選擇并聯充放電，不但保證了電池電壓的一致性，而且可以實現快速充放電，充放電時間可在一小時內完成。選擇并聯充放電同時也保證了電池組充放電過程中的安全性，避免了串聯充放電引起單體性能不一致降低電池組性能的問題，延長了電池組的使用壽命。

2 硬件設計

新型智能鋰離子電池組由鋰離子電池組、智能管理系統、控制面板組成，如圖1所示。

2.1 鋰離子電池組

鋰離子電池組由九個鋰離子電池包串聯組成，每個電池包又由四個單體磷酸鐵鋰電池并聯組成，如圖2所示。磷酸鐵鋰電池具有比能高、長壽命、環保、安全性能好、電壓平臺高、原料成本低、無記憶效應以及倍率放電性能好等優點。單體電池的設計采用高溫自閉三層隔膜，在高溫下隔膜阻斷鋰離子的通路，內部形成斷路，自動禁止放電，保證了電池本體的安全。電解液選擇磷酸鐵鋰專用電解液，提高了磷酸鐵鋰活性物質的性能。負極選用高容量的人造石墨，提高了電池整體的比能。工藝過程嚴格控制，保證了電池的一致性。

圖1 新型智能鋰離子電池組系統結構圖

圖2 新型智能鋰離子電池組外形及結構布置圖

2.2 智能管理系統

智能管理系統由數據采集模塊、主控制模塊和顯示模塊組成。

2.2.1 數據采集模塊

數據采集模塊負責對充放電電流和組內所有單體電池的端電壓、溫度等信號進行采集，并發送到內部通訊總線。數據采集模塊采用單片機芯片為控制核心。該芯片不但擁有高達25M的運算速度，而且芯片內部集成了12位A/D轉換，可以直接對模擬信號進行測量，芯片還擁有32根可以通過軟件編程分配功能的I/O引腳，可以很方便的控制外設[1，3]。

2.2.2 主控制模塊

主控制模塊為管理系統的核心管理部分，其核心處理器為單片機芯片，主要完成對處于同一總線上的所有數據采集模塊采集數據的輪詢，并對數據進行處理、分析、判斷和SOC計算，給出相應報警信號，并通過外部總線與上層系統通訊，將數據發送到顯示模塊（HMI）上實時顯示[1，3]。

2.2.3 顯示模塊（HMI）

顯示模塊（HMI）接收主控模塊通過串口傳輸的電池組及單體端電壓、電流、環境溫度及故障信息等數據并在液晶屏上進行顯示，并發出聲光報警。該模塊可接收面板上的按鍵信號，進入相應菜單，在液晶顯示屏上顯示用戶選擇的電池組電壓、電流及單體電池的電壓和溫度實時監測值。

2.3 控制面板

控制面板上裝有智能管理系統電源開關、充電接口、檢測接口、供電接口、報警接口、串口通訊插座及過流、過溫、欠壓、通訊故障等報警指示燈和蜂鳴器。

3 軟件設計

新型智能鋰離子電池組的軟件采用C51模塊化編程，提高了程序可讀性，且維護方便。主要包括主控制程序、數據采集程序、CAN總線服務程序、SPI讀寫程序等。通過程序完成的主要功能有：

（1）數據測量的準確性。單體電池電壓采集和電池充、放電電流采集采用中斷方式實現，通過多次測量求平均值的方法，提高測量的準確性。

（2）系統掉電后，數據重新定位。設置一個地址指針，每次進行寫操作后，立即更新地址指針；每次進行讀操作前，先讀地址指針，然后讀數據。這樣就可以保證在系統斷電后，不會丟失數據。

（3）人機界面的易操作性。人機界面主要為用戶提供系統的可視化的監控功能。以文本、圖象等方式動態顯示數據和狀態，通過友好的人機界面，使系統操作變得簡單直觀。人機界面主要任務是工況顯示、系統狀態和主要充放電電量的監視、故障信息處理、參數輸入等等。系統工作時操作人員可以根據當前需要選擇顯示的畫面，各個畫面切換由單片機控制程序根據當時系統的實際狀態自動進行畫面內容以漢字、字符和圖形格式實時、動態更新。另外操作人員能隨時從屏幕上獲得系統當前狀態和充放電電量實際值信息。

（4）系統的故障顯示。程序具有完善的系統自檢功能，發生故障時，系統自動激發聲光報警，輸出屏幕上同時會顯示故障報告。簡明報告故障診斷、發生故障的模塊號、電池號和時間等。當故障解除時，也會報告故障解除信息，實現整個充放電過程的全程監控。另外，用戶還可以查看保存的歷史信息，用作后期數據分析。

4 可靠性設計

新型智能鋰離子電池組采用模塊化設計，各模塊功能相對獨立；系統報警門限及電池關鍵參數初值可設定，使系統具備通用性，可用于各種不同電池。

a）為提高電池組使用過程中的可靠性和穩定性，智能管理系統采用了分級報警、故障預判的邏輯控制方法，預先保護動作的保護策略，提高電池組運行安全性。系統根據單體電池的監測參數對其進行診斷給出預報警和嚴重報警兩級報警信號，并根據不同級別報警信號采取相應的保護動作[2]。

b）簡化設計準則：盡量使電路結構簡單，盡量減少零部件，元器件等規格，品種和數量。合理的布局布線，綜合考慮板卡的類型、功耗、重量等，設計一個合理的結構，每塊板卡上所有元器件均精心布局，如數模混合電路中模擬電路與數字電路的分區，芯片間電源的去耦，盡量保證低阻抗的接地，盡量保證小的電流環路。

c）借鑒相似產品的成功技術和經驗。選用高穩定的模塊和設備，保證控制系統具有較大的穩定裕度。

5 結束語

經過我所科研人員的多年攻關，解決了鋰離子電池、充放電和管理系統研制中的關鍵技術。目前新型智能鋰離子電池組已通過相關試驗出所，在航空航天工業某單位試運行，并得到其專業技術人員的認可，他們一致認為我所提供的智能鋰離子電池組是歷年來他們使用的功能最齊全、性能最好、安全可靠性最高的電池組。

[1]潘琢金, 施國君. C8051FXXX高速SOC單片機原理及應用. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2002.

[2]程劍平. 單節鋰離子電池保護電路的設計. 東南大學, 2003.

[3]胡斌, 劉正光. 基于 VC和單片機的多通道鋰電池檢測系統. 微處理器, 2005, (6).