基于Java的鋰電池安全性能檢測系統研發

秦小英

(宣化科技職業學院，河北張家口075100)

基于Java的鋰電池安全性能檢測系統研發

秦小英

(宣化科技職業學院，河北張家口075100)

鋰離子電池在實際應用過程中所存在的安全隱患是業界一直面臨的難題，也成為鋰離子電池推廣應用的阻礙。及時發現鋰離子電池的過充電、短路、高溫、針刺等極端使用條件，是改善鋰離子電池安全性的重點。重點研究了如何檢測出鋰離子所處的極端使用條件及其安全性的保證。并利用Java語言開發了相關的計算機檢測系統。

鋰離子電池；安全性；檢測；Java

隨著科技的進步，大量的電子產品成為人們生活中必不可少的部分。而這些電子產品的出現給電池行業提出了更高的要求。在眾多的電池產品中，鋰電池憑借其體積小、容量大、電壓穩定、可靠性強、無污染等優點，成為電子及動力設備領域中應用電池的佼佼者，受到了大家的關注。

目前，對于鋰電池的創新及研究還一直呈快速發展階段。隨著研究的深入，鋰電池逐漸向可充放電二次鋰電池及高容量、高功率的方向發展。但是，與此同時，鋰電池及相關產品的安全性能也日益受到了關注。

對于傳統的化學電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池以及金屬氫化物鎳電池來說，由于電池體系通常為水溶液體系，而且其能量密度相對來說不高，因此在使用過程中基本是安全的。對于鋰電池，在正常使用的情況下一般也是安全的，但是在不合理的誤用或濫用條件下則會產生很大的危險[1]。

本課題通過對鋰離子電池安全性問題的研究，得出鋰電池在不同使用過程中的相關安全性問題，并利用硬件和軟件系統，開發出了鋰電池安全性能檢測系統。

1 鋰離子電池安全性問題分析

鋰離子電池的安全性問題來源于其內部的材料組成，其最終的表現形式是熱效應所造成的能量過高，形成爆炸，對生命和財產安全造成不利的影響。而在一定的條件下，鋰電池的運行是安全、可靠和高效的，因此，通過一定的技術手段保證鋰離子電池脫離極端危險運行條件是保證其安全運行的方式之一。

鋰離子的安全性主要來自于幾個方面：過充電、短路、高溫、針刺等都是隱患因素。圖1所展示的是鋰電池在過充電、高溫、針刺及短路時所形成的反應過程和所面臨的危險。從圖中可知，不論是過充電，還是高溫，其最終的結果都是在鋰離子電池內部形成短路的過程。在這種情況下，內部短路所引起的大電流造成鋰電池內部溫度急劇升高，從而引起內部的化學反應，該反應會造成兩方面的結果：一方面，引起內部氧化反應，致使正極析出金屬鋰；另一方面，有機電解液在大電流及高溫的作用下被電解產生氣體，氣體膨脹沖擊破壞殼；殼體破壞后，金屬鋰與空氣大量接觸，導致燃燒，從而出現熱失控，一旦熱失控開始，氣體急速膨脹，發生爆炸。

圖1 鋰離子極端條件反應圖

綜上所述可知，采取一定的手段，防止過充電、高溫、短路和針刺情況的發生是安全問題解決的根本所在。

解決以上問題，可以從鋰電池的組成材料入手，選用安全性高的材料是阻止正極發生氧化反應的前提條件。除此之外，增加防爆閥、加強溫度及電流、電壓的檢測也是鋰電池安全運行的保證。

2 系統整體設計及硬件組成

鋰電池安全檢測由硬件系統和軟件系統兩部分組成，硬件系統組成了系統的下位機，主要任務是完成電池運行狀態的檢測，其核心部件采取DSP來完成；軟件系統組成系統的上位機，主要完成電池運行狀態的顯示、計算、控制命令的下達等功能，本設計采用Java來完成。

系統總體硬件結構如圖2所示。

圖2 系統總體硬件結構圖

根據圖2所示，系統整體由三部分組成：(1)底層采集系統；(2)系統數據處理中心；(3)上位機監控軟件。

底層采集系統完成的是電池性能參數的測量與采集，電池性能的參數主要有：電池電壓、容量、能量、效率、循環壽命、工作溫度、內部壓力等[2]，而需要采集的數據有：電池電壓、電池電流、容量、效率、循環壽命，所使用的方法基本都是構成相應的電子測量電路來測電壓或電流，或利用相應的傳感器。所采集的數據由采集點利用CAN總線傳送至現場單片機中。

系統數據處理中心由現場單片機、DSP芯片、嵌入式網關、服務器組成。現場單片機主要負責將每一個電池的現場采集數據傳送至DSP芯片，不需要具有數據采集功能；單片機所采集的數據通過RS485接口傳至DSP芯片，進行數據的初步處理。在本設計中，DSP芯片采用TMS320LF2407，具有運算速度高、傳輸速度快的優點。DSP的數據向上傳送入嵌入式芯片，本設計選用Tiny4412擔任嵌入式網關，起到下層通信協議和上層通信協議轉換的目的。在系統數據處理中心還設置了服務器，服務器與Tiny4412之間利用串口相連，數據由TMS320LF2407通過Tiny4412傳送至服務器。服務器中設置數據庫，負責對采集數據和運行標準數據進行存儲。

上位機通過Internet網與嵌入式網關相連，主要的功能是實時顯示運行數據，合理繪制運行曲線，并將采集數據與標準數據的閾值進行對比，當超出閾值后，自動報警。

3 上位機系統的開發

上位機主要有六個模塊，分別為設備管理模塊、實時數據顯示模塊、控制模塊、數據查詢模塊、報警模塊、系統管理及報表輸出模塊。

編程語言選用Java來完成。Java具有面向對象的特點，利用Java所開發的代碼有非常好的重用性，可以大大減少代碼的冗余，使得程序更加精簡[3]。

在上位機程序的開發過程中有兩處尤為重要：一處為串口程序，串口程序的設計上，將串口獨立的設計為一個類。包含了三個方法：獲取串口，向串口寫數據，向串口讀數據。實現該功能需要引用一個額外的Java包：RXTXcomm.jar，該jar包由開源社區提供，實現了基本的串口通信功能。

獲取串口方法如下，在該方法中首先將所有的串口保存在一個枚舉對象中，然后通過判斷枚舉是否為空，不為空則取出枚舉對象中下標為1的串口對象，轉換為SerialPort對象后返回。具體程序為：

另一處為數據庫連接程序，該程序使用的是傳統的數據庫連接方式JDBC。主要提供了兩個方法：獲取數據庫連接和關閉數據庫連接。

獲取數據庫連接的方法如下：

該方法將會返回一個數據庫的連接，它的作用就是在程序和數據庫之間建立起一座橋梁，程序和數據庫之間的通信通過橋梁實現。

4 總結

本文在分析鋰離子電池安全性問題的基礎上，設計了以DSP為計算核心，嵌入式網關為通信核心的鋰離子電池參數檢測系統，給出了總體方案及硬件的基本選型，并利用Java開發了上位機系統。經測試，該系統具有應用靈活、實時性強的優點。

[1]陳波．便攜式鋰電池安全試驗方法研究[D].蘇州：蘇州大學，2014：1-2.

[2]KOGGALAGER.Review of impedancemeasurements for determination of the state-of-charge or state of health of secondary batteries [J].Power Sources，1998，12(70):56-59.

[3]呂炎杰.智能電網監控系統上位機程序的設計與實現[D]．張家口：河北建筑工程學院，2015：17-19.

Developmentof lithium battery safety performance testsystem based on Java

QIN Xiao-ying
(Xuanhua Science&Technology VocationalCollege，Zhangjiakou Hebei075100，China)

The security hidden danger in the practicalapp lication of the lithium ion battery is the facing problem in the industry，also becomes a block for the popularization and app lication of the lithium ion battery.The discovery of the lithium ion battery charging extreme conditions of use，such as short circuit，high tem perature，acupuncture，is key point to im prove the safety of lithium ion battery.The detection of the lithium ion in the extreme conditions ofuse and the guarantee of safety were researched.And the Java language was used to develop related com puter detection system.

lithium ion batteries;security;detection;Java

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1495-03

2016-02-25

秦小英(1973—)，女，河北省人，本科，講師，主要研究方向為計算機教學。