鋰離子混合動力電池檢測系統的研究

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）

采用三級分布式結構對鋰離子混合動力汽車電池進行檢測，檢測系統主要由電源部分、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、內阻等參數進行測量，由于大部分混合動力汽車使用近100 個鋰電池構成的動力電池組。在此類系統中，通信量較大，可采用CAN 總線或者I2C 總線與上位機進行通信。

三級分布式結構；鋰離子電池；檢測系統

（一）國內外現狀及其目的、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點，已成為絕大多數汽車和零部件企業的首選和主攻方向。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，并提出優化改進，具有非常重要的意義。

國外電池組檢測設備研究起步較早，技術也相對成熟，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20世紀90年代初也開始了電池化成檢測設備的研究和開發，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備進行了仿制、國產化和改進。電池檢測經歷人工檢測、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。現在主流的電池檢測設備多采用分布式結構設計，根據具體應用的不同，分別采用兩級和三級集散式控制結構。

（1）兩級分布式結構

兩級分布式結構大多應用在中小型檢測柜和實驗室檢測設備上。如美國必測公司生產的MSD-970就是小型檢測設備的代表，該設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。采用該結構的設備往往具有發熱量低、采樣精度高、運行可靠等優點，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等動態曲線)不能夠被充分顯示。為解決這個問題國內外廠商都將原有設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 公司生產的4300 系列。但是這種改造并沒對系統做出結構性的改進，只能適應于室內檢測，并不具便攜性。

（2）三級分布式結構

三級分布式結構是單機多通道檢測設備的擴展，它將兩級系統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構的檢測設備有美國Abin公司的BT2000 和德國Digatron 生產的UBT等。三級分布式結構較兩級式結構而言更加有利于集中控制與管理，也便于檢測結果的分析比對，非常符合規模化生產。

（二）研究內容、方法和技術路線（包括工藝流程）

本項目主要是采用三級分布式結構對鋰離子混合動力汽車電池進行檢測，檢測系統主要由電源部分、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、內阻等參數進行測量，其電路圖如下圖所示，由于大部分混合動力汽車使用近100個鋰電池構成的動力電池組。在此類系統中，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數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恒流源，線性電流源實現簡單，但提供功率較小，開關恒流源是利用PWM調節方式，產生較高頻率，適用于大功率電路，對兩種電源進行比較。可以根據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權的SOC芯片ATJ2085作為主控芯片（MCU）設計兼容USB的便攜式設備鋰電池的檢測系統。該設計方法簡單易行，成本低，易于在便攜式電子產品中實現。近年來，便攜式電子技術的迅猛發展促進了電池技術的更新換代。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品。為了防止電池出現過充電或過放電狀態、保證電池的安全性能和避免出現電池特性惡化現象，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定可靠的為設備提供能量，對于電池的智能檢測與監控是必須考慮的環節。鋰電池供電是現代便攜式設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電源。如果充放電方法不對，將會導致鋰電池發生安全問題，甚至爆炸，故鋰電池有必要加入監控電路以實時監控充放電過程。本文主要針對鋰電池的外圍檢測系統，設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各單節鋰電的充、放電提供平衡保護、能夠實時檢測出電池所處狀態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、溫度及內阻進行測量，因此需要進A/D轉換輸入到單片機進行測量，選擇具備A/D轉換接口的單片機構建檢測電路系統。溫度的檢測使用DS18b20數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，在數據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、內阻測量等其他電路的構建。

（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的模塊或仿真平臺。并實現的電源部分功能，實現大功率輸出，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。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[J].高技術通訊,2008,(02).

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

TM910

A

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。