基于無(wú)線控制的鋰離子電池組模擬發(fā)熱系統(tǒng)的開發(fā)

高曉陽(yáng)，譚曉軍

（中山大學(xué) 工學(xué)院，廣州 510275）

鋰離子電池組在充放電過(guò)程中的發(fā)熱量是電池組熱管理方案中的重要考慮因素，而現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外電池組熱管理測(cè)試的解決方案則是：利用充電機(jī)和電機(jī)測(cè)功平臺(tái)或者充放電測(cè)試儀模擬實(shí)際運(yùn)行工況下真實(shí)電池組的發(fā)熱情況[1-4]，用以驗(yàn)證熱管理方案的可行性。但直接利用真實(shí)電池組來(lái)模擬各種工況進(jìn)行檢測(cè)，不但會(huì)對(duì)電池組造成永久性的容量損失，而且還存在充放電時(shí)間長(zhǎng)、不宜長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)循環(huán)測(cè)試、難以模擬故障狀態(tài)、操作復(fù)雜、以及重復(fù)性與可控性差等缺點(diǎn)。因此，利用真實(shí)電池組自身發(fā)熱來(lái)驗(yàn)證熱管理方案可行性的方式存在很多缺點(diǎn)，有必要考慮用替代品代替真實(shí)電池組驗(yàn)證熱管理方案的可行性。

本文基于以上弊端，提出了一種基于無(wú)線控制的鋰離子電池組模擬發(fā)熱系統(tǒng)，用于測(cè)試電池組熱管理方案的可行性。

1 模擬發(fā)熱單體

1.1 內(nèi)部構(gòu)成

本系統(tǒng)中模擬發(fā)熱單體的內(nèi)部由電源模塊、無(wú)線模塊、嵌入式處理器模塊、功率調(diào)節(jié)模塊、過(guò)溫欠壓保護(hù)模塊、發(fā)熱板以及有機(jī)硅灌封膠等組成，外殼由金屬制成，所選用的材料與外形與真實(shí)鋰離子電池的外殼一致，如圖1所示。

圖1 模擬發(fā)熱單體的內(nèi)部構(gòu)造示意圖

電源模塊作為一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，為整個(gè)裝置供電。無(wú)線模塊、嵌入式處理器模塊、功率調(diào)節(jié)模塊和過(guò)溫欠壓保護(hù)模塊焊接在同一塊電路板上，無(wú)線模塊主要承擔(dān)上位機(jī)與嵌入式處理器之間的通信任務(wù)，嵌入式處理器模塊處理發(fā)熱功率數(shù)據(jù)幀以及溫度、電壓等的采集信息，功率調(diào)節(jié)模塊作用在于輸出特定的電壓與電流給發(fā)熱板，使發(fā)熱板以設(shè)定的功率發(fā)熱，過(guò)溫欠壓保護(hù)模塊作用在于避免模擬發(fā)熱單體出現(xiàn)溫度過(guò)高或者電源模塊過(guò)度放電的現(xiàn)象。有機(jī)硅灌封膠裝滿了模擬發(fā)熱單體的內(nèi)部空間，該材料使用前為液態(tài)，灌入模擬發(fā)熱單體靜置一段時(shí)間后凝結(jié)成固態(tài)，具有良好的導(dǎo)熱性、絕緣性與抗震性，其作用主要有三個(gè)：（1）能夠防止發(fā)熱板和溫度傳感器短路；（2）傳導(dǎo)發(fā)熱板產(chǎn)生的熱量，使模擬發(fā)熱單體均勻發(fā)熱；（3）增強(qiáng)模擬發(fā)熱單體的機(jī)械強(qiáng)度。

1.2 工作原理

模擬發(fā)熱單體的工作原理如下：首先無(wú)線模塊與上位機(jī)建立通信關(guān)系，接收來(lái)自上位機(jī)的發(fā)熱功率數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)串口發(fā)送給嵌入式處理器，如果數(shù)據(jù)幀正確，嵌入式處理器將通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送確認(rèn)信號(hào)給上位機(jī)，如果數(shù)據(jù)幀不正確，則發(fā)送錯(cuò)誤信號(hào)給上位機(jī)；接收到正確的數(shù)據(jù)幀，經(jīng)嵌入式處理器處理以后作用于功率調(diào)節(jié)模塊，功率調(diào)節(jié)模塊輸出相應(yīng)的電壓及電流給發(fā)熱板，調(diào)節(jié)發(fā)熱功率。在模擬發(fā)熱單體的工作過(guò)程中，過(guò)溫欠壓保護(hù)模塊會(huì)不斷采集模擬發(fā)熱單體內(nèi)的溫度值和電源模塊的電壓值，并將其發(fā)送給嵌入式處理器，當(dāng)溫度值超過(guò)一定值或者電壓值低于一定值時(shí)，嵌入式處理器自動(dòng)調(diào)節(jié)功率調(diào)節(jié)模塊的輸出電壓為零，模擬發(fā)熱單體停止發(fā)熱，同時(shí)將過(guò)溫信號(hào)或欠壓信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)，告知用戶。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文圍繞一種基于無(wú)線控制的鋰離子電池組模擬發(fā)熱系統(tǒng)進(jìn)行研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)測(cè)試分析可知，該系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確的的模擬標(biāo)準(zhǔn)工況下磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的溫升變化。出現(xiàn)誤差的主要原因在于：標(biāo)準(zhǔn)工況下磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的發(fā)熱功率與溫度、放電倍率、SOC的關(guān)系較復(fù)雜，工況數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)較難精確測(cè)出。

[1] Khateeb S A，F(xiàn)arid M M，Selman J R，et al.Design and simulation of a lithium-ion battery with a phase change material thermal management system for an electric scooter[J].Journal of Power Sources，2004，128（2）：292-307.

[2] 賴鵬飛，葉強(qiáng)等.鋰離子電池?zé)釣E用模型與實(shí)驗(yàn)校核[J].電源技術(shù)，2012，36（1）：71-74.

[3] Jian Cao，Nigel Schofield，Ali Emadi.Battery balancing methods：A comprehensive review[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference.Harbin，China：IEEE，2008：1-6.

[4] 雷治國(guó)，張承寧，李軍求.電動(dòng)車輛用鋰離子電池?zé)崽匦匝芯縖J].電源學(xué)報(bào)，2014，12（4）：578-579.