锂离子电池测试系统的设计与实现

付志超，于水英，王晓晨，郭丽

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.湖北长海新能源科技有限公司，武汉430064）

锂离子电池测试系统的设计与实现

付志超1，2，于水英2，王晓晨1，2，郭丽1，2

（1.武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064；2.湖北长海新能源科技有限公司，武汉430064）

针对锂离子电池的试验、特性测试和评估要求，设计了锂离子电池测试系统。本文介绍了锂离子电池包的组成、结构；介绍了锂离子电池测试系统的功能和结构组成，详细叙述了锂离子电池测试系统的硬件设计、通信设计、软件设计及实现。

锂电池测试系统CAN通信LabVIEW

0　引言

锂离子电池容量大、重量轻、比能量高、寿命长、短时放电特性好、具备快速充电能力、没有记忆效应、自放电率低、耐高温或低温、维护保养简便，使用范围广。如电动汽车动力源、通信系统备用电源、铁路辅助电源以及电力系统备用电源等，国外一些武器装备上也逐渐使用锂离子电池作为主电源使用［1，2］。

本文锂离子电池测试系统主要用于锂离子电池的充放电试验、电池的特性测试、滥用试验和安全边界试验，主要用于人机交互和数据存储，功能有：锂离子电池包数据及状态显示、报警提示、数据波形显示、数据存储及历史数据查询。锂离子电池测试系统为锂离子电池的测评、评估提供运行数据支撑［2］。

1　锂离子电池包组成

锂离子电池包按照功能需求，主要由锂离子电池并联单元、电池检测单元、导电极板、壳体四部分组成。

锂离子单体电池选用三元电芯INR18650-2200 mAh，根据锂离子电池包方案：25个单体电池并联组成一个电池单元，12个电池单元并联成电池模块。每个电池单元有正极、负极连接板，锂离子电池包具有总正极、总负极连接极柱。

电池检测单元包括：控制器模块、电压检测模块、温度检测模块、通信模块。锂电池包内有13个通道的电压信号采集，其中12个电压采集通道分别与12个电池单元的正极、负极连接板相连，1个电压采集通道与锂电池包的总正极、总负极连接极柱相连。锂离子电池包内16通道的温度信号采集，其中12个温度采集通道与12个电池单元内部的温度传感器相连，4个温度采集通道与锂离子电池包的内部环境检测温度传感器相连。电池检测单元的通讯模块可以通过CAN总线与外部进行信息交互、接受指令、报警、故障定位以及上报锂离子电池的工作状态。

2　锂离子电池测试系统功能及结构组成

锂离子电池测试系统主要用于在锂离子电池测评试验时，检测锂离子电池模块的电压、温度状态及变化情况，并将锂离子电池包的电压、温度、剩余电量、荷电态、报警、故障等状态实时显示，同时将锂离子电池包的状态数据实时保存到数据库，以便后期分析评估。

锂离子电池测试系统设计成中央处理模块和电池检测单元两级控制［3］，中央处理模块与电池检测单元之间的通信通过CAN总线实现，锂离子测试系统可以同时测试一个或多个电池包，最大同时测试5个电池包，如图1所示。中央处理模块硬件由计算机和周立功USBCAN-2A转换卡组成，中央处理模块软件采用在Microsoft Windows XP环境LabVIEW平台下开发运行［4］；电池检测单元主控制器采用DSP处理器芯片TMS320F2812，软件在CCStudioV3.3平台下开发［5］；由于计算机没有CAN总线硬件接口，USBCAN-2A转换卡将CAN总线通信转换成计算机可接收USB通信，LabVIEW调用动态链接库进行通信数据发送、接收和解析。

图1　锂离子电池测试系统框图

3　测试系统硬件设计

锂离子电池测试系统硬件主要是电池检测单元，检测单元主控制器采用DSP处理器芯片TMS320F2812，根据功能需求，主要涉及接口硬件资源有：16路电压检测、16路温度检测、CAN通信接口电路、电源变换电路。硬件资源设计如图2所示。本文主要对电压检测电路和温度检测电路的设计和实现进行详细讨论。

图2　电池检测单元框图

3.1电压信号采集硬件设计

电池检测单元在锂离子电池包中用到13路电压信号采集通道，且每路检测有单独隔离要求，保证测量的精度。实际设计成16通道电压采集，便于通道冗余。设计思路采用分时复用技术，通过AQW214光耦将差分电压信号引入电路，再通过SN74HC154DW芯片选择AQW214光耦，选择驱动相应光耦导通引入相应的差分电压信号，差分电压信号通过1SMA10CAT3进行限压，强制差分电压低于10V，差分电压信号引入AD620芯片变成单端电压信号，再通过分压电路、滤波电路，然后通过BAT68-04芯片进行3.3V限压，电压信号引入DSP2812芯片，具体设计电路参见图3电压采集电路。

图3　电压采集电路

3.2温度信号采集硬件设计

锂离子电池包需要检测12个电池单元内部温度和4个环境温度，则电池检测单元具有16通道的温度信号采集。针对锂离子电池包内部电池单元空间小，温度的测量要求精度高，以及测量信号稳定、信号传输抗干扰性等要求，温度测量选用PT1000，温度范围-50～+260℃，当温度为0℃时，电阻值为1000±0.60 Ω，当温度范围在0～100℃时，电阻值变换为3.85 Ω/℃。选用PT1000传感器即保证了测量范围，又使每摄氏度相应电阻值易于测量，电路设计和分辨更简单。电路设计时将PT1000与一个固定电阻串联，加载一个直流5V的电压信号，将PT1000的电压信号引入DSP中处理。16路温度信号采样由16路PT1000和分压电阻组成的电路，通过芯片CD4067B分时选通相应的PT1000的电压信号，同时每路温度信号输入端都增加一个1 μF电解电容，用于滤除干扰，提高采样精度，具体设计电路参见如图4所示。

表1　sAE J1939对29位标识符分配表

4　测试系统的软件设计

4.1通信软件设计

锂离子电池测试系统通信采用CAN总线，CAN网络工作于ISO参考模型的数据链路层和物理层，SAE J1939是以CAN2.0B为基础，通过CAN总线进行数据通信的。它的数据链路层定义了信息帧的数据结构、编码规则，包括通信优先权、传输方式、通信要求、总线仲裁、错误检测及处理，它负责将CAN扩展帧的29位标识符重新分组定义，使报文的标识符能够描述报文的全部特征，包括目标地址、源地址等内容［6］，具体格式和内容见表1，在实际多层网络中都按SAE J1939格式定义数据帧的ID标识符。网络的每一个节点都有名称和地址，名称用于识别节点的功能和进行地址仲裁，地址用于节点的数据通信。每个节点都至少有一种功能，可能会有多个节点具有相同的功能，也可能一个节点具有多个功能。报文传输采用广播和单播相结合的方式进行数据传输，单播报文主要用于解决相同功能节点的控制问题，其它情况下尽量使用广播报文［7］。

传输信息量：信号生命状态字、电池包工作状态字、报警状态字、故障状态字、电池单元电压值、电池单元温度值、电池包内部环境温度值、电池包端电压、电池包剩余电量、电池包荷电态、电池单元MAX电压及位置、电池单元MIN电压及位置、电池单元MAX温度及位置、电池单元MIN温度及位置。

4.2上位机软件设计

上位机软件采用在LabVIEW平台下开发，LabVIEW包含了大量的工具与函数，用于数据采集、分析、显示与存储，它在测试、测量和自动化等领域具有更大的优势。本测试系统中上位机软件主要功能有：总体的CAN通信及解析、数据存储及数据库查询、充放电状态显示、报警提示及记录，历史数据波形显示、Word报表生成、Excel电子表格数据导出等，针对单个电池模块的电池选择显示、电池状态信息显示、电池包内部温度显示、电池包剩余电量显示、电池包荷电态显示、电池包报警、故障显示、电池单元的电压和温度显示、选择电压和温度数据波形显示等功能。如图5锂离子电池测试系统主界面，显示单个锂电池包测试信息。

图5　锂离子电池测试系统上位机主界面

4.3下位机软件设计

锂离子电池测试系统的下位机软件主要是电池检测单元DSP2812控制软件，该软件系统是一个嵌入式的实时控制系统，软件是基于Windows XP平台采用CCStudioV3.3开发。主要程序功能模块包括：初始化模块、电压和温度信号采集模块、信息处理模块、通讯接口模块。

电池检测单元主要功能：CAN通信接收充放电电流及充放电状态信息，检测电池单元电压、温度，计算最高电压值及其电池单元号、最低电压值及其电池单元号、最高温度值及其电池单元号、最低温度值及其电池单元号，计算电池模块剩余电量、荷电态，判断电池模块工作状态，给出报警状态、故障状态，通过CAN通信将电池模块的状态信息传输给上位机。

4.3.1初始化模块软件

主要完成电池检测单元主控制器DSP2812上电的初始化功能，读取参数配置信息，分配I/O引脚等功能。其软件框图如图6所示。

图6　初始化模块软件框图

4.3.2电压和温度信号采集模块软件

电池检测单元检测13路独立电压信号和16路独立温度信号，软件设计是电压信号和温度信号是同时采集，节约多次循环时间，16次轮询采集16路独立通道信号，每个通道定时中断采样10次，然后滤去最大值、最小值，取中间平均值。对电压、温度信号分开进行数字变换处理，得到实际值，其软件框图如图7所示。

图7　电压采样模块软件框图

4.3.3信息处理模块软件

信息处理模块包括：通过计算数组最大值及位置的函数，计算数组最小值及位置的函数求的最高电压值及其电池单元号、最低电压值及其电池单元号、最高温度值及其电池单元号、最低温度值及其电池单元号；通过充放电电流、电池包端电压及电池数据专家库等，计算电池包剩余电量和荷电态估计；通过电压、温度、电流的值及参数变化率，以及上下边界值、电池数据专家库等，判断电池包的报警、故障状态。

4.3.4通讯接口模块软件

通信模块主要完成电池检测单元与测试系统上位机、充放电设备进行CAN通信，主要完成设备之间的数据、操控指令的传递以及与锂电池测试系统的数据交互。测试系统的CAN通信基于SAE J1939协议，上位机的CAN通信采用查询方式进行，下位机的CAN通信采用接收中断，发送查询方式进行，其软件框图如图8所示。

5　结论

本文针对锂离子电池的试验、特性测试、评估要求，设计了锂离子电池测试系统，该测试系统具有特定针对性，主要用于试验时的人机交互，电池状态显示、数据波形显示、数据存储及查询。能够满足锂离子电池的充放电试验、特性测试和安全边界试验的需求，为锂离子电池的测评、评估提供重要数据支撑。

图8　通讯接口模块软件框图

［1］谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计［M］.广州：中山大学出版社，2011.11.

［2］李相着，苏芳，林道勇.电动汽车动力电源系统［M］.北京：化学工业出版社，2011.9.

［3］JB/T 11137-2011.锂离子蓄电池总成通用要求［S］.

［4］顾卫钢.手把手教你学DSP：基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.4.

［5］陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通［M］.北京：清华大学出版社，2007.7.

［6］罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.1.

［7］JB/T 11138-2011.锂离子蓄电池总成接口和通信协议［S］.

Design and Implementation of a Lithium-ion Batteries Testingsystem

Fu Zhichao1，2，Yushuiying2，Wang Xiaochen1，2，Guo Li1，2
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China；2.Hubei Greatsea New Power Technology Co.，ltd，Wuhan 430064，China）

A lithium-ion batteries testingsystem is designed for experiments,characteristic tests and evaluation requirements of the lithium-ion battery.This paper introduces the composition andstructure of the lithium-ion pack,the functions andstructure of the lithium-ion batteries testingsystem.It describes the design and implementation of the hardware,communication andsoftware in details.

lithium-ion battery;testingsystem;CAN communication;LabVIEW

TM911.14

A

1003-4862（2015）10-0050-05

2015-03-14

付志超（1981-），工学硕士，工程师，研究方向：工业自动化及化学电源控制技术。