锂离子混合动力电池检测系统的研究

彭泽州

（宜春学院理工学院，江西 宜春 336000）

锂离子混合动力电池检测系统的研究

彭泽州

（宜春学院理工学院，江西 宜春 336000）

采用三级分布式结构对锂离子混合动力汽车电池进行检测，检测系统主要由电源部分、检测电路、充放电回路组成，可对锂电池组的单个电压、组电压、温度、电流、内阻等参数进行测量，由于大部分混合动力汽车使用近100 个锂电池构成的动力电池组。在此类系统中，通信量较大，可采用CAN 总线或者I2C 总线与上位机进行通信。

三级分布式结构；锂离子电池；检测系统

（一）国内外现状及其目的、意义

目前，丰田等公司的混合动力汽车电池采用的都是镍氢电池，这种电池一方面价格较高、不能外插式充电；另一方面，由于材料的影响其存储电量大小受到了限制，导致其电池续航能力不足。而锂电池具有电压高、充放电寿命长、成本低、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽等优点，已成为绝大多数汽车和零部件企业的首选和主攻方向。相比于镍氢电池，混合电动汽车采用锂电池可使得电池组的重量下降40%～50%，体积减少20%～30%，能源效率也有一定程度提高；同时车用锂电池的成本将下降到镍氢电池的2/3。锂电池由于其出色的性能，已成为混合动力汽车领域研究与应用的热点。在混合动力汽车中，锂离子电池大多成组使用，因此对电池组的性能进行检测和评价，并提出优化改进，具有非常重要的意义。

国外电池组检测设备研究起步较早，技术也相对成熟，代表有美国必测公司、Abin 仪器公司和MACCRO 公司，以及德国Digatron 集团。国内20世纪90年代初也开始了电池化成检测设备的研究和开发，哈尔滨理工大学、哈工大、广州电科所、北京有色金属研究总院等单位都对进口的化成检测设备进行了仿制、国产化和改进。电池检测经历人工检测、单机单通道自动检测、单机多通道检测与多机分布式全自动自能检测四个阶段。现在主流的电池检测设备多采用分布式结构设计，根据具体应用的不同，分别采用两级和三级集散式控制结构。

（1）两级分布式结构

两级分布式结构大多应用在中小型检测柜和实验室检测设备上。如美国必测公司生产的MSD-970就是小型检测设备的代表，该设备主控制器选用功能很强的HP系列嵌入式计算机，而分控制器则采用8 位单片机负责每个通道的管理。采用该结构的设备往往具有发热量低、采样精度高、运行可靠等优点，但由于显示界面和主控器运算能力的限制，电池性能分析方面的信息(如充放电、-△V等动态曲线)不能够被充分显示。为解决这个问题国内外厂商都将原有设备的主控器由嵌入式计算机改为运算能力更强和显示界面更丰富的PC机，如美国MACCOR 公司生产的4300 系列。但是这种改造并没对系统做出结构性的改进，只能适应于室内检测，并不具便携性。

（2）三级分布式结构

三级分布式结构是单机多通道检测设备的扩展，它将两级系统中主控器的部分功能上移到上位机PC，在上位机上建立一个综合测试实验平台，典型的三级分布式结构的检测设备有美国Abin公司的BT2000 和德国Digatron 生产的UBT等。三级分布式结构较两级式结构而言更加有利于集中控制与管理，也便于检测结果的分析比对，非常符合规模化生产。

（二）研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）

本项目主要是采用三级分布式结构对锂离子混合动力汽车电池进行检测，检测系统主要由电源部分、检测电路、充放电回路组成，可对锂电池组的单个电压、组电压、温度、电流、内阻等参数进行测量，其电路图如下图所示，由于大部分混合动力汽车使用近100个锂电池构成的动力电池组。在此类系统中，通信量较大，可采用CAN总线或者I2C总线与上位机进行通信。

（1）电源部分

锂离子动力电池是20世纪开发成功的新型高能电池。这种电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。20世纪70年代进入实用化。因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中。其主要特点是单体电池工作电压高，是镍镉电池，镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍，这也是锂离子动力电池比能量高的一个重要原因。因此组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。如果动力电池中单体电池数量越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际使用过程中电池组有问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问题然后导致整组电池出现问题，因此不难理解为什么48V的铅酸电池比36V的铅酸电池反馈要高，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的使用。例如36V 的锂电只需要10个单体，而36V铅酸电池需要18个单体电池，即3只12V的电池组，而每只12V的铅酸电池有六个单格即六个单体电池组成。

电源部分采用是线性恒流源和开关恒流源，线性电流源实现简单，但提供功率较小，开关恒流源是利用PWM调节方式，产生较高频率，适用于大功率电路，对两种电源进行比较。可以根据实际情况采用各部分适合的检测方法来进行。

（2）检测电路

锂离子电池能量密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电率低，因此成为目前便携式电子产品的理想电源。但是，由于锂离子电池固有的特性，必须防止过充、过放、过温以提高它的安全性和使用寿命。于是对于锂电池的检测受到越来越多的重视。该文利用具有自主知识产权的SOC芯片ATJ2085作为主控芯片（MCU）设计兼容USB的便携式设备锂电池的检测系统。该设计方法简单易行，成本低，易于在便携式电子产品中实现。近年来，便携式电子技术的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性，迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象，必须在锂离子电池组中安装保护电路。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量，对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案，但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源。如果充放电方法不对，将会导致锂电池发生安全问题，甚至爆炸，故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程。本文主要针对锂电池的外围检测系统，设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心, 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。

检测电路部分需要对每个锂电池、整个电池组电压、电流、温度及内阻进行测量，因此需要进A/D转换输入到单片机进行测量，选择具备A/D转换接口的单片机构建检测电路系统。温度的检测使用DS18b20数字温度传感器进行测量，同时因为单片机一般测量的是电压量，对电流的测量需增加霍尔传感器转换为电压量进行测量。

（3）CAN总线、上位机程序及其他电路

CAN总线需实现多个单片机与计算机之间的通信，计算机可采集测量的温度、电压、电流等物理量，在数据通信的过程中需要考虑通信隔离的问题，防止对测量量的干扰，初步采用光隔离的方法。另外需完成充放电、内阻测量等其他电路的构建。

（4）软件程序

需完成单片机部分程序的编写，以及计算机部分界面程序的编写两大部分。

（三）预期成果

本文所预期的成果是最终形成锂离子混合动力电池检测系统的模块或仿真平台。并实现的电源部分功能，实现大功率输出，多路电压输出。单个电池电压测量、电池组电压测量、电流测量。单片机之间通过CAN总线与计算机的通行。采用CAN总线对多个锂电池组成的电池组的物理量进行测量，可简化电路系统。采用计算机采集测量的物理量，利于对电池组物理量进行观察，方便对电池性能进行评价。

[1] 郑敏信,齐铂金,吴红杰,张华辉.混合动力客车锂离子动力电池管理系统[J].高技术通讯,2008,(02).

[2] 张华辉,齐铂金,庞敏,吴红杰.动力锂离子电池荷电态估计的建模与仿真[J].哈尔滨工程大学学报,2009,(06).

TM910

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1008-1151(2011)06-0118-02

2011-03-14

彭泽州（1983－），男，宜春学院理工学院电信系助教，从事电子信息工程研究。