鋰離子混合動力電池檢測系統(tǒng)的研究

彭澤州

（宜春學院理工學院，江西 宜春 336000）

鋰離子混合動力電池檢測系統(tǒng)的研究

彭澤州

（宜春學院理工學院，江西 宜春 336000）

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

三級分布式結(jié)構(gòu)；鋰離子電池；檢測系統(tǒng)

（一）國內(nèi)外現(xiàn)狀及其目的、意義

目前，豐田等公司的混合動力汽車電池采用的都是鎳氫電池，這種電池一方面價格較高、不能外插式充電；另一方面，由于材料的影響其存儲電量大小受到了限制，導致其電池續(xù)航能力不足。而鋰電池具有電壓高、充放電壽命長、成本低、快速充電、自放電率低、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，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，已成為混合動力汽車領(lǐng)域研究與應用的熱點。在混合動力汽車中，鋰離子電池大多成組使用，因此對電池組的性能進行檢測和評價，并提出優(yōu)化改進，具有非常重要的意義。

國外電池組檢測設(shè)備研究起步較早，技術(shù)也相對成熟，代表有美國必測公司、Abin 儀器公司和MACCRO 公司，以及德國Digatron 集團。國內(nèi)20世紀90年代初也開始了電池化成檢測設(shè)備的研究和開發(fā)，哈爾濱理工大學、哈工大、廣州電科所、北京有色金屬研究總院等單位都對進口的化成檢測設(shè)備進行了仿制、國產(chǎn)化和改進。電池檢測經(jīng)歷人工檢測、單機單通道自動檢測、單機多通道檢測與多機分布式全自動自能檢測四個階段?，F(xiàn)在主流的電池檢測設(shè)備多采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)具體應用的不同，分別采用兩級和三級集散式控制結(jié)構(gòu)。

（1）兩級分布式結(jié)構(gòu)

兩級分布式結(jié)構(gòu)大多應用在中小型檢測柜和實驗室檢測設(shè)備上。如美國必測公司生產(chǎn)的MSD-970就是小型檢測設(shè)備的代表，該設(shè)備主控制器選用功能很強的HP系列嵌入式計算機，而分控制器則采用8 位單片機負責每個通道的管理。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、運行可靠等優(yōu)點，但由于顯示界面和主控器運算能力的限制，電池性能分析方面的信息(如充放電、-△V等動態(tài)曲線)不能夠被充分顯示。為解決這個問題國內(nèi)外廠商都將原有設(shè)備的主控器由嵌入式計算機改為運算能力更強和顯示界面更豐富的PC機，如美國MACCOR 公司生產(chǎn)的4300 系列。但是這種改造并沒對系統(tǒng)做出結(jié)構(gòu)性的改進，只能適應于室內(nèi)檢測，并不具便攜性。

（2）三級分布式結(jié)構(gòu)

三級分布式結(jié)構(gòu)是單機多通道檢測設(shè)備的擴展，它將兩級系統(tǒng)中主控器的部分功能上移到上位機PC，在上位機上建立一個綜合測試實驗平臺，典型的三級分布式結(jié)構(gòu)的檢測設(shè)備有美國Abin公司的BT2000 和德國Digatron 生產(chǎn)的UBT等。三級分布式結(jié)構(gòu)較兩級式結(jié)構(gòu)而言更加有利于集中控制與管理，也便于檢測結(jié)果的分析比對，非常符合規(guī)模化生產(chǎn)。

（二）研究內(nèi)容、方法和技術(shù)路線（包括工藝流程）

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

（1）電源部分

鋰離子動力電池是20世紀開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池的負極是金屬鋰，正極用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。20世紀70年代進入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點，已廣泛應用于軍事和民用小型電器中。其主要特點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，這也是鋰離子動力電池比能量高的一個重要原因。因此組成相同電壓的動力電池組時，鋰離子動力電池使用的串聯(lián)數(shù)目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數(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，在實際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導致整組電池出現(xiàn)問題，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，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V 的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。

電源部分采用是線性恒流源和開關(guān)恒流源，線性電流源實現(xiàn)簡單，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，對兩種電源進行比較?？梢愿鶕?jù)實際情況采用各部分適合的檢測方法來進行。

（2）檢測電路

鋰離子電池能量密度高、工作電壓高、無記憶效應、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，必須防止過充、過放、過溫以提高它的安全性和使用壽命。于是對于鋰電池的檢測受到越來越多的重視。該文利用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的SOC芯片ATJ2085作為主控芯片（MCU）設(shè)計兼容USB的便攜式設(shè)備鋰電池的檢測系統(tǒng)。該設(shè)計方法簡單易行，成本低，易于在便攜式電子產(chǎn)品中實現(xiàn)。近年來，便攜式電子技術(shù)的迅猛發(fā)展促進了電池技術(shù)的更新?lián)Q代。鋰離子電池由于其具有高能量密度、長壽命、低自放電率、無污染等特性，迅速成為市場的主流電池產(chǎn)品。為了防止電池出現(xiàn)過充電或過放電狀態(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電路。同時要鋰電池能夠穩(wěn)定可靠的為設(shè)備提供能量，對于電池的智能檢測與監(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，將會導致鋰電池發(fā)生安全問題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監(jiān)控電路以實時監(jiān)控充放電過程。本文主要針對鋰電池的外圍檢測系統(tǒng)，設(shè)計方案以微處理器作為各種功能控制的核心, 除了對鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護外，還可有效的對鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)鋰電的充、放電提供平衡保護、能夠?qū)崟r檢測出電池所處狀態(tài)并對鋰電池進行保護。

檢測電路部分需要對每個鋰電池、整個電池組電壓、電流、溫度及內(nèi)阻進行測量，因此需要進A/D轉(zhuǎn)換輸入到單片機進行測量，選擇具備A/D轉(zhuǎn)換接口的單片機構(gòu)建檢測電路系統(tǒng)。溫度的檢測使用DS18b20數(shù)字溫度傳感器進行測量，同時因為單片機一般測量的是電壓量，對電流的測量需增加霍爾傳感器轉(zhuǎn)換為電壓量進行測量。

（3）CAN總線、上位機程序及其他電路

CAN總線需實現(xiàn)多個單片機與計算機之間的通信，計算機可采集測量的溫度、電壓、電流等物理量，在數(shù)據(jù)通信的過程中需要考慮通信隔離的問題，防止對測量量的干擾，初步采用光隔離的方法。另外需完成充放電、內(nèi)阻測量等其他電路的構(gòu)建。

（4）軟件程序

需完成單片機部分程序的編寫，以及計算機部分界面程序的編寫兩大部分。

（三）預期成果

本文所預期的成果是最終形成鋰離子混合動力電池檢測系統(tǒng)的模塊或仿真平臺。并實現(xiàn)的電源部分功能，實現(xiàn)大功率輸出，多路電壓輸出。單個電池電壓測量、電池組電壓測量、電流測量。單片機之間通過CAN總線與計算機的通行。采用CAN總線對多個鋰電池組成的電池組的物理量進行測量，可簡化電路系統(tǒng)。采用計算機采集測量的物理量，利于對電池組物理量進行觀察，方便對電池性能進行評價。

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

[2] 張華輝,齊鉑金,龐敏,吳紅杰.動力鋰離子電池荷電態(tài)估計的建模與仿真[J].哈爾濱工程大學學報,2009,(06).

TM910

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1008-1151(2011)06-0118-02

2011-03-14

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