鋰離子電池測試系統的設計與實現

付志超，于水英，王曉晨，郭麗

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064；2.湖北長海新能源科技有限公司，武漢430064）

鋰離子電池測試系統的設計與實現

付志超1，2，于水英2，王曉晨1，2，郭麗1，2

（1.武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064；2.湖北長海新能源科技有限公司，武漢430064）

針對鋰離子電池的試驗、特性測試和評估要求，設計了鋰離子電池測試系統。本文介紹了鋰離子電池包的組成、結構；介紹了鋰離子電池測試系統的功能和結構組成，詳細敘述了鋰離子電池測試系統的硬件設計、通信設計、軟件設計及實現。

鋰電池測試系統CAN通信LabVIEW

0　引言

鋰離子電池容量大、重量輕、比能量高、壽命長、短時放電特性好、具備快速充電能力、沒有記憶效應、自放電率低、耐高溫或低溫、維護保養簡便，使用范圍廣。如電動汽車動力源、通信系統備用電源、鐵路輔助電源以及電力系統備用電源等，國外一些武器裝備上也逐漸使用鋰離子電池作為主電源使用［1，2］。

本文鋰離子電池測試系統主要用于鋰離子電池的充放電試驗、電池的特性測試、濫用試驗和安全邊界試驗，主要用于人機交互和數據存儲，功能有：鋰離子電池包數據及狀態顯示、報警提示、數據波形顯示、數據存儲及歷史數據查詢。鋰離子電池測試系統為鋰離子電池的測評、評估提供運行數據支撐［2］。

1　鋰離子電池包組成

鋰離子電池包按照功能需求，主要由鋰離子電池并聯單元、電池檢測單元、導電極板、殼體四部分組成。

鋰離子單體電池選用三元電芯INR18650-2200 mAh，根據鋰離子電池包方案：25個單體電池并聯組成一個電池單元，12個電池單元并聯成電池模塊。每個電池單元有正極、負極連接板，鋰離子電池包具有總正極、總負極連接極柱。

電池檢測單元包括：控制器模塊、電壓檢測模塊、溫度檢測模塊、通信模塊。鋰電池包內有13個通道的電壓信號采集，其中12個電壓采集通道分別與12個電池單元的正極、負極連接板相連，1個電壓采集通道與鋰電池包的總正極、總負極連接極柱相連。鋰離子電池包內16通道的溫度信號采集，其中12個溫度采集通道與12個電池單元內部的溫度傳感器相連，4個溫度采集通道與鋰離子電池包的內部環境檢測溫度傳感器相連。電池檢測單元的通訊模塊可以通過CAN總線與外部進行信息交互、接受指令、報警、故障定位以及上報鋰離子電池的工作狀態。

2　鋰離子電池測試系統功能及結構組成

鋰離子電池測試系統主要用于在鋰離子電池測評試驗時，檢測鋰離子電池模塊的電壓、溫度狀態及變化情況，并將鋰離子電池包的電壓、溫度、剩余電量、荷電態、報警、故障等狀態實時顯示，同時將鋰離子電池包的狀態數據實時保存到數據庫，以便后期分析評估。

鋰離子電池測試系統設計成中央處理模塊和電池檢測單元兩級控制［3］，中央處理模塊與電池檢測單元之間的通信通過CAN總線實現，鋰離子測試系統可以同時測試一個或多個電池包，最大同時測試5個電池包，如圖1所示。中央處理模塊硬件由計算機和周立功USBCAN-2A轉換卡組成，中央處理模塊軟件采用在Microsoft Windows XP環境LabVIEW平臺下開發運行［4］；電池檢測單元主控制器采用DSP處理器芯片TMS320F2812，軟件在CCStudioV3.3平臺下開發［5］；由于計算機沒有CAN總線硬件接口，USBCAN-2A轉換卡將CAN總線通信轉換成計算機可接收USB通信，LabVIEW調用動態鏈接庫進行通信數據發送、接收和解析。

圖1　鋰離子電池測試系統框圖

3　測試系統硬件設計

鋰離子電池測試系統硬件主要是電池檢測單元，檢測單元主控制器采用DSP處理器芯片TMS320F2812，根據功能需求，主要涉及接口硬件資源有：16路電壓檢測、16路溫度檢測、CAN通信接口電路、電源變換電路。硬件資源設計如圖2所示。本文主要對電壓檢測電路和溫度檢測電路的設計和實現進行詳細討論。

圖2　電池檢測單元框圖

3.1電壓信號采集硬件設計

電池檢測單元在鋰離子電池包中用到13路電壓信號采集通道，且每路檢測有單獨隔離要求，保證測量的精度。實際設計成16通道電壓采集，便于通道冗余。設計思路采用分時復用技術，通過AQW214光耦將差分電壓信號引入電路，再通過SN74HC154DW芯片選擇AQW214光耦，選擇驅動相應光耦導通引入相應的差分電壓信號，差分電壓信號通過1SMA10CAT3進行限壓，強制差分電壓低于10V，差分電壓信號引入AD620芯片變成單端電壓信號，再通過分壓電路、濾波電路，然后通過BAT68-04芯片進行3.3V限壓，電壓信號引入DSP2812芯片，具體設計電路參見圖3電壓采集電路。

圖3　電壓采集電路

3.2溫度信號采集硬件設計

鋰離子電池包需要檢測12個電池單元內部溫度和4個環境溫度，則電池檢測單元具有16通道的溫度信號采集。針對鋰離子電池包內部電池單元空間小，溫度的測量要求精度高，以及測量信號穩定、信號傳輸抗干擾性等要求，溫度測量選用PT1000，溫度范圍-50～+260℃，當溫度為0℃時，電阻值為1000±0.60 ?，當溫度范圍在0～100℃時，電阻值變換為3.85 ?/℃。選用PT1000傳感器即保證了測量范圍，又使每攝氏度相應電阻值易于測量，電路設計和分辨更簡單。電路設計時將PT1000與一個固定電阻串聯，加載一個直流5V的電壓信號，將PT1000的電壓信號引入DSP中處理。16路溫度信號采樣由16路PT1000和分壓電阻組成的電路，通過芯片CD4067B分時選通相應的PT1000的電壓信號，同時每路溫度信號輸入端都增加一個1 μF電解電容，用于濾除干擾，提高采樣精度，具體設計電路參見如圖4所示。

表1　sAE J1939對29位標識符分配表

4　測試系統的軟件設計

4.1通信軟件設計

鋰離子電池測試系統通信采用CAN總線，CAN網絡工作于ISO參考模型的數據鏈路層和物理層，SAE J1939是以CAN2.0B為基礎，通過CAN總線進行數據通信的。它的數據鏈路層定義了信息幀的數據結構、編碼規則，包括通信優先權、傳輸方式、通信要求、總線仲裁、錯誤檢測及處理，它負責將CAN擴展幀的29位標識符重新分組定義，使報文的標識符能夠描述報文的全部特征，包括目標地址、源地址等內容［6］，具體格式和內容見表1，在實際多層網絡中都按SAE J1939格式定義數據幀的ID標識符。網絡的每一個節點都有名稱和地址，名稱用于識別節點的功能和進行地址仲裁，地址用于節點的數據通信。每個節點都至少有一種功能，可能會有多個節點具有相同的功能，也可能一個節點具有多個功能。報文傳輸采用廣播和單播相結合的方式進行數據傳輸，單播報文主要用于解決相同功能節點的控制問題，其它情況下盡量使用廣播報文［7］。

傳輸信息量：信號生命狀態字、電池包工作狀態字、報警狀態字、故障狀態字、電池單元電壓值、電池單元溫度值、電池包內部環境溫度值、電池包端電壓、電池包剩余電量、電池包荷電態、電池單元MAX電壓及位置、電池單元MIN電壓及位置、電池單元MAX溫度及位置、電池單元MIN溫度及位置。

4.2上位機軟件設計

上位機軟件采用在LabVIEW平臺下開發，LabVIEW包含了大量的工具與函數，用于數據采集、分析、顯示與存儲，它在測試、測量和自動化等領域具有更大的優勢。本測試系統中上位機軟件主要功能有：總體的CAN通信及解析、數據存儲及數據庫查詢、充放電狀態顯示、報警提示及記錄，歷史數據波形顯示、Word報表生成、Excel電子表格數據導出等，針對單個電池模塊的電池選擇顯示、電池狀態信息顯示、電池包內部溫度顯示、電池包剩余電量顯示、電池包荷電態顯示、電池包報警、故障顯示、電池單元的電壓和溫度顯示、選擇電壓和溫度數據波形顯示等功能。如圖5鋰離子電池測試系統主界面，顯示單個鋰電池包測試信息。

圖5　鋰離子電池測試系統上位機主界面

4.3下位機軟件設計

鋰離子電池測試系統的下位機軟件主要是電池檢測單元DSP2812控制軟件，該軟件系統是一個嵌入式的實時控制系統，軟件是基于Windows XP平臺采用CCStudioV3.3開發。主要程序功能模塊包括：初始化模塊、電壓和溫度信號采集模塊、信息處理模塊、通訊接口模塊。

電池檢測單元主要功能：CAN通信接收充放電電流及充放電狀態信息，檢測電池單元電壓、溫度，計算最高電壓值及其電池單元號、最低電壓值及其電池單元號、最高溫度值及其電池單元號、最低溫度值及其電池單元號，計算電池模塊剩余電量、荷電態，判斷電池模塊工作狀態，給出報警狀態、故障狀態，通過CAN通信將電池模塊的狀態信息傳輸給上位機。

4.3.1初始化模塊軟件

主要完成電池檢測單元主控制器DSP2812上電的初始化功能，讀取參數配置信息，分配I/O引腳等功能。其軟件框圖如圖6所示。

圖6　初始化模塊軟件框圖

4.3.2電壓和溫度信號采集模塊軟件

電池檢測單元檢測13路獨立電壓信號和16路獨立溫度信號，軟件設計是電壓信號和溫度信號是同時采集，節約多次循環時間，16次輪詢采集16路獨立通道信號，每個通道定時中斷采樣10次，然后濾去最大值、最小值，取中間平均值。對電壓、溫度信號分開進行數字變換處理，得到實際值，其軟件框圖如圖7所示。

圖7　電壓采樣模塊軟件框圖

4.3.3信息處理模塊軟件

信息處理模塊包括：通過計算數組最大值及位置的函數，計算數組最小值及位置的函數求的最高電壓值及其電池單元號、最低電壓值及其電池單元號、最高溫度值及其電池單元號、最低溫度值及其電池單元號；通過充放電電流、電池包端電壓及電池數據專家庫等，計算電池包剩余電量和荷電態估計；通過電壓、溫度、電流的值及參數變化率，以及上下邊界值、電池數據專家庫等，判斷電池包的報警、故障狀態。

4.3.4通訊接口模塊軟件

通信模塊主要完成電池檢測單元與測試系統上位機、充放電設備進行CAN通信，主要完成設備之間的數據、操控指令的傳遞以及與鋰電池測試系統的數據交互。測試系統的CAN通信基于SAE J1939協議，上位機的CAN通信采用查詢方式進行，下位機的CAN通信采用接收中斷，發送查詢方式進行，其軟件框圖如圖8所示。

5　結論

本文針對鋰離子電池的試驗、特性測試、評估要求，設計了鋰離子電池測試系統，該測試系統具有特定針對性，主要用于試驗時的人機交互，電池狀態顯示、數據波形顯示、數據存儲及查詢。能夠滿足鋰離子電池的充放電試驗、特性測試和安全邊界試驗的需求，為鋰離子電池的測評、評估提供重要數據支撐。

圖8　通訊接口模塊軟件框圖

［1］譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統設計［M］.廣州：中山大學出版社，2011.11.

［2］李相著，蘇芳，林道勇.電動汽車動力電源系統［M］.北京：化學工業出版社，2011.9.

［3］JB/T 11137-2011.鋰離子蓄電池總成通用要求［S］.

［4］顧衛鋼.手把手教你學DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.4.

［5］陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京：清華大學出版社，2007.7.

［6］羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.1.

［7］JB/T 11138-2011.鋰離子蓄電池總成接口和通信協議［S］.

Design and Implementation of a Lithium-ion Batteries Testingsystem

Fu Zhichao1，2，Yushuiying2，Wang Xiaochen1，2，Guo Li1，2
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China；2.Hubei Greatsea New Power Technology Co.，ltd，Wuhan 430064，China）

A lithium-ion batteries testingsystem is designed for experiments,characteristic tests and evaluation requirements of the lithium-ion battery.This paper introduces the composition andstructure of the lithium-ion pack,the functions andstructure of the lithium-ion batteries testingsystem.It describes the design and implementation of the hardware,communication andsoftware in details.

lithium-ion battery;testingsystem;CAN communication;LabVIEW

TM911.14

A

1003-4862（2015）10-0050-05

2015-03-14

付志超（1981-），工學碩士，工程師，研究方向：工業自動化及化學電源控制技術。