新型智能锂离子电池组的研制

陶勇 喻超 蒋炜 谢青松

(中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064)

0 引言

随着锂离子电池技术的不断发展及产量的快速增长，其应用领域也不断的扩大，在国民经济和人民生活中占有很重要的地位。但是目前的单体锂离子电池还是以小容量、低功率为主，大容量、高功率的锂离子电池技术尚不成熟，也未形成规模化生产，使锂离子电池在中/大容量UPS、储能电池、电动工具、电动汽车中尚未得到广泛应用。其中一个重要原因是锂离子电池充放电和智能管理系统中有些关键技术还不够成熟。因此从安全性、均衡性、可靠性、经济性以及多方面考虑，研制出一种可采用并联充放电和智能管理的锂离子电池组。通过智能锂离子电池组的外接显示模块可对每块电池的充放电状态进行监视、报警及保护。

1 功能

新型智能锂离子电池组装有锂离子电池包、智能管理系统及控制面板，并以单片机作为各种功能控制的核心，还可有效地对锂离子电池组内各单体锂离子电池的充放电提供平衡保护、过压/过流保护、短路保护，并提供了通信接口。另外电池组可实现快速充放电，循环次数不少于一千次。电池组充放电方式选择并联充放电，不但保证了电池电压的一致性，而且可以实现快速充放电，充放电时间可在一小时内完成。选择并联充放电同时也保证了电池组充放电过程中的安全性，避免了串联充放电引起单体性能不一致降低电池组性能的问题，延长了电池组的使用寿命。

2 硬件设计

新型智能锂离子电池组由锂离子电池组、智能管理系统、控制面板组成，如图1所示。

2.1 锂离子电池组

锂离子电池组由九个锂离子电池包串联组成，每个电池包又由四个单体磷酸铁锂电池并联组成，如图2所示。磷酸铁锂电池具有比能高、长寿命、环保、安全性能好、电压平台高、原料成本低、无记忆效应以及倍率放电性能好等优点。单体电池的设计采用高温自闭三层隔膜，在高温下隔膜阻断锂离子的通路，内部形成断路，自动禁止放电，保证了电池本体的安全。电解液选择磷酸铁锂专用电解液，提高了磷酸铁锂活性物质的性能。负极选用高容量的人造石墨，提高了电池整体的比能。工艺过程严格控制，保证了电池的一致性。

图1 新型智能锂离子电池组系统结构图

图2 新型智能锂离子电池组外形及结构布置图

2.2 智能管理系统

智能管理系统由数据采集模块、主控制模块和显示模块组成。

2.2.1 数据采集模块

数据采集模块负责对充放电电流和组内所有单体电池的端电压、温度等信号进行采集，并发送到内部通讯总线。数据采集模块采用单片机芯片为控制核心。该芯片不但拥有高达25M的运算速度，而且芯片内部集成了12位A/D转换，可以直接对模拟信号进行测量，芯片还拥有32根可以通过软件编程分配功能的I/O引脚，可以很方便的控制外设[1，3]。

2.2.2 主控制模块

主控制模块为管理系统的核心管理部分，其核心处理器为单片机芯片，主要完成对处于同一总线上的所有数据采集模块采集数据的轮询，并对数据进行处理、分析、判断和SOC计算，给出相应报警信号，并通过外部总线与上层系统通讯，将数据发送到显示模块（HMI）上实时显示[1，3]。

2.2.3 显示模块（HMI）

显示模块（HMI）接收主控模块通过串口传输的电池组及单体端电压、电流、环境温度及故障信息等数据并在液晶屏上进行显示，并发出声光报警。该模块可接收面板上的按键信号，进入相应菜单，在液晶显示屏上显示用户选择的电池组电压、电流及单体电池的电压和温度实时监测值。

2.3 控制面板

控制面板上装有智能管理系统电源开关、充电接口、检测接口、供电接口、报警接口、串口通讯插座及过流、过温、欠压、通讯故障等报警指示灯和蜂鸣器。

3 软件设计

新型智能锂离子电池组的软件采用C51模块化编程，提高了程序可读性，且维护方便。主要包括主控制程序、数据采集程序、CAN总线服务程序、SPI读写程序等。通过程序完成的主要功能有：

（1）数据测量的准确性。单体电池电压采集和电池充、放电电流采集采用中断方式实现，通过多次测量求平均值的方法，提高测量的准确性。

（2）系统掉电后，数据重新定位。设置一个地址指针，每次进行写操作后，立即更新地址指针；每次进行读操作前，先读地址指针，然后读数据。这样就可以保证在系统断电后，不会丢失数据。

（3）人机界面的易操作性。人机界面主要为用户提供系统的可视化的监控功能。以文本、图象等方式动态显示数据和状态，通过友好的人机界面，使系统操作变得简单直观。人机界面主要任务是工况显示、系统状态和主要充放电电量的监视、故障信息处理、参数输入等等。系统工作时操作人员可以根据当前需要选择显示的画面，各个画面切换由单片机控制程序根据当时系统的实际状态自动进行画面内容以汉字、字符和图形格式实时、动态更新。另外操作人员能随时从屏幕上获得系统当前状态和充放电电量实际值信息。

（4）系统的故障显示。程序具有完善的系统自检功能，发生故障时，系统自动激发声光报警，输出屏幕上同时会显示故障报告。简明报告故障诊断、发生故障的模块号、电池号和时间等。当故障解除时，也会报告故障解除信息，实现整个充放电过程的全程监控。另外，用户还可以查看保存的历史信息，用作后期数据分析。

4 可靠性设计

新型智能锂离子电池组采用模块化设计，各模块功能相对独立；系统报警门限及电池关键参数初值可设定，使系统具备通用性，可用于各种不同电池。

a）为提高电池组使用过程中的可靠性和稳定性，智能管理系统采用了分级报警、故障预判的逻辑控制方法，预先保护动作的保护策略，提高电池组运行安全性。系统根据单体电池的监测参数对其进行诊断给出预报警和严重报警两级报警信号，并根据不同级别报警信号采取相应的保护动作[2]。

b）简化设计准则：尽量使电路结构简单，尽量减少零部件，元器件等规格，品种和数量。合理的布局布线，综合考虑板卡的类型、功耗、重量等，设计一个合理的结构，每块板卡上所有元器件均精心布局，如数模混合电路中模拟电路与数字电路的分区，芯片间电源的去耦，尽量保证低阻抗的接地，尽量保证小的电流环路。

c）借鉴相似产品的成功技术和经验。选用高稳定的模块和设备，保证控制系统具有较大的稳定裕度。

5 结束语

经过我所科研人员的多年攻关，解决了锂离子电池、充放电和管理系统研制中的关键技术。目前新型智能锂离子电池组已通过相关试验出所，在航空航天工业某单位试运行，并得到其专业技术人员的认可，他们一致认为我所提供的智能锂离子电池组是历年来他们使用的功能最齐全、性能最好、安全可靠性最高的电池组。

[1]潘琢金, 施国君. C8051FXXX高速SOC单片机原理及应用. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2002.

[2]程剑平. 单节锂离子电池保护电路的设计. 东南大学, 2003.

[3]胡斌, 刘正光. 基于 VC和单片机的多通道锂电池检测系统. 微处理器, 2005, (6).