付志超，于水英，王曉晨，郭麗

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，武漢430064）

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付志超1，2，于水英2，王曉晨1，2，郭麗1，2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064；2.湖北長(zhǎng)海新能源科技有限公司，武漢430064）

針對(duì)鋰離子電池的試驗(yàn)、特性測(cè)試和評(píng)估要求，設(shè)計(jì)了鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)。本文介紹了鋰離子電池包的組成、結(jié)構(gòu)；介紹了鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)組成，詳細(xì)敘述了鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。

鋰電池測(cè)試系統(tǒng)CAN通信LabVIEW

0　引言

鋰離子電池容量大、重量輕、比能量高、壽命長(zhǎng)、短時(shí)放電特性好、具備快速充電能力、沒(méi)有記憶效應(yīng)、自放電率低、耐高溫或低溫、維護(hù)保養(yǎng)簡(jiǎn)便，使用范圍廣。如電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源、通信系統(tǒng)備用電源、鐵路輔助電源以及電力系統(tǒng)備用電源等，國(guó)外一些武器裝備上也逐漸使用鋰離子電池作為主電源使用［1，2］。

本文鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)主要用于鋰離子電池的充放電試驗(yàn)、電池的特性測(cè)試、濫用試驗(yàn)和安全邊界試驗(yàn)，主要用于人機(jī)交互和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，功能有：鋰離子電池包數(shù)據(jù)及狀態(tài)顯示、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)。鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)為鋰離子電池的測(cè)評(píng)、評(píng)估提供運(yùn)行數(shù)據(jù)支撐［2］。

1　鋰離子電池包組成

鋰離子電池包按照功能需求，主要由鋰離子電池并聯(lián)單元、電池檢測(cè)單元、導(dǎo)電極板、殼體四部分組成。

鋰離子單體電池選用三元電芯INR18650-2200 mAh，根據(jù)鋰離子電池包方案：25個(gè)單體電池并聯(lián)組成一個(gè)電池單元，12個(gè)電池單元并聯(lián)成電池模塊。每個(gè)電池單元有正極、負(fù)極連接板，鋰離子電池包具有總正極、總負(fù)極連接極柱。

電池檢測(cè)單元包括：控制器模塊、電壓檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、通信模塊。鋰電池包內(nèi)有13個(gè)通道的電壓信號(hào)采集，其中12個(gè)電壓采集通道分別與12個(gè)電池單元的正極、負(fù)極連接板相連，1個(gè)電壓采集通道與鋰電池包的總正極、總負(fù)極連接極柱相連。鋰離子電池包內(nèi)16通道的溫度信號(hào)采集，其中12個(gè)溫度采集通道與12個(gè)電池單元內(nèi)部的溫度傳感器相連，4個(gè)溫度采集通道與鋰離子電池包的內(nèi)部環(huán)境檢測(cè)溫度傳感器相連。電池檢測(cè)單元的通訊模塊可以通過(guò)CAN總線與外部進(jìn)行信息交互、接受指令、報(bào)警、故障定位以及上報(bào)鋰離子電池的工作狀態(tài)。

2　鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)組成

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)主要用于在鋰離子電池測(cè)評(píng)試驗(yàn)時(shí)，檢測(cè)鋰離子電池模塊的電壓、溫度狀態(tài)及變化情況，并將鋰離子電池包的電壓、溫度、剩余電量、荷電態(tài)、報(bào)警、故障等狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)將鋰離子電池包的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便后期分析評(píng)估。

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)成中央處理模塊和電池檢測(cè)單元兩級(jí)控制［3］，中央處理模塊與電池檢測(cè)單元之間的通信通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)，鋰離子測(cè)試系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)試一個(gè)或多個(gè)電池包，最大同時(shí)測(cè)試5個(gè)電池包，如圖1所示。中央處理模塊硬件由計(jì)算機(jī)和周立功USBCAN-2A轉(zhuǎn)換卡組成，中央處理模塊軟件采用在Microsoft Windows XP環(huán)境LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)運(yùn)行［4］；電池檢測(cè)單元主控制器采用DSP處理器芯片TMS320F2812，軟件在CCStudioV3.3平臺(tái)下開(kāi)發(fā)［5］；由于計(jì)算機(jī)沒(méi)有CAN總線硬件接口，USBCAN-2A轉(zhuǎn)換卡將CAN總線通信轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可接收USB通信，LabVIEW調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)進(jìn)行通信數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和解析。

圖1　鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)框圖

3　測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)硬件主要是電池檢測(cè)單元，檢測(cè)單元主控制器采用DSP處理器芯片TMS320F2812，根據(jù)功能需求，主要涉及接口硬件資源有：16路電壓檢測(cè)、16路溫度檢測(cè)、CAN通信接口電路、電源變換電路。硬件資源設(shè)計(jì)如圖2所示。本文主要對(duì)電壓檢測(cè)電路和溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)討論。

圖2　電池檢測(cè)單元框圖

3.1電壓信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)

電池檢測(cè)單元在鋰離子電池包中用到13路電壓信號(hào)采集通道，且每路檢測(cè)有單獨(dú)隔離要求，保證測(cè)量的精度。實(shí)際設(shè)計(jì)成16通道電壓采集，便于通道冗余。設(shè)計(jì)思路采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，通過(guò)AQW214光耦將差分電壓信號(hào)引入電路，再通過(guò)SN74HC154DW芯片選擇AQW214光耦，選擇驅(qū)動(dòng)相應(yīng)光耦導(dǎo)通引入相應(yīng)的差分電壓信號(hào)，差分電壓信號(hào)通過(guò)1SMA10CAT3進(jìn)行限壓，強(qiáng)制差分電壓低于10V，差分電壓信號(hào)引入AD620芯片變成單端電壓信號(hào)，再通過(guò)分壓電路、濾波電路，然后通過(guò)BAT68-04芯片進(jìn)行3.3V限壓，電壓信號(hào)引入DSP2812芯片，具體設(shè)計(jì)電路參見(jiàn)圖3電壓采集電路。

圖3　電壓采集電路

3.2溫度信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)

鋰離子電池包需要檢測(cè)12個(gè)電池單元內(nèi)部溫度和4個(gè)環(huán)境溫度，則電池檢測(cè)單元具有16通道的溫度信號(hào)采集。針對(duì)鋰離子電池包內(nèi)部電池單元空間小，溫度的測(cè)量要求精度高，以及測(cè)量信號(hào)穩(wěn)定、信號(hào)傳輸抗干擾性等要求，溫度測(cè)量選用PT1000，溫度范圍-50～+260℃，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，電阻值為1000±0.60 ?，當(dāng)溫度范圍在0～100℃時(shí)，電阻值變換為3.85 ?/℃。選用PT1000傳感器即保證了測(cè)量范圍，又使每攝氏度相應(yīng)電阻值易于測(cè)量，電路設(shè)計(jì)和分辨更簡(jiǎn)單。電路設(shè)計(jì)時(shí)將PT1000與一個(gè)固定電阻串聯(lián)，加載一個(gè)直流5V的電壓信號(hào)，將PT1000的電壓信號(hào)引入DSP中處理。16路溫度信號(hào)采樣由16路PT1000和分壓電阻組成的電路，通過(guò)芯片CD4067B分時(shí)選通相應(yīng)的PT1000的電壓信號(hào)，同時(shí)每路溫度信號(hào)輸入端都增加一個(gè)1 μF電解電容，用于濾除干擾，提高采樣精度，具體設(shè)計(jì)電路參見(jiàn)如圖4所示。

表1　sAE J1939對(duì)29位標(biāo)識(shí)符分配表

4　測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1通信軟件設(shè)計(jì)

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)通信采用CAN總線，CAN網(wǎng)絡(luò)工作于ISO參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，SAE J1939是以CAN2.0B為基礎(chǔ)，通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的。它的數(shù)據(jù)鏈路層定義了信息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、編碼規(guī)則，包括通信優(yōu)先權(quán)、傳輸方式、通信要求、總線仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)及處理，它負(fù)責(zé)將CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符重新分組定義，使報(bào)文的標(biāo)識(shí)符能夠描述報(bào)文的全部特征，包括目標(biāo)地址、源地址等內(nèi)容［6］，具體格式和內(nèi)容見(jiàn)表1，在實(shí)際多層網(wǎng)絡(luò)中都按SAE J1939格式定義數(shù)據(jù)幀的ID標(biāo)識(shí)符。網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有名稱(chēng)和地址，名稱(chēng)用于識(shí)別節(jié)點(diǎn)的功能和進(jìn)行地址仲裁，地址用于節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都至少有一種功能，可能會(huì)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的功能，也可能一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有多個(gè)功能。報(bào)文傳輸采用廣播和單播相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，單播報(bào)文主要用于解決相同功能節(jié)點(diǎn)的控制問(wèn)題，其它情況下盡量使用廣播報(bào)文［7］。

傳輸信息量：信號(hào)生命狀態(tài)字、電池包工作狀態(tài)字、報(bào)警狀態(tài)字、故障狀態(tài)字、電池單元電壓值、電池單元溫度值、電池包內(nèi)部環(huán)境溫度值、電池包端電壓、電池包剩余電量、電池包荷電態(tài)、電池單元MAX電壓及位置、電池單元MIN電壓及位置、電池單元MAX溫度及位置、電池單元MIN溫度及位置。

4.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用在LabVIEW平臺(tái)下開(kāi)發(fā)，LabVIEW包含了大量的工具與函數(shù)，用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲(chǔ)，它在測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢(shì)。本測(cè)試系統(tǒng)中上位機(jī)軟件主要功能有：總體的CAN通信及解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)、充放電狀態(tài)顯示、報(bào)警提示及記錄，歷史數(shù)據(jù)波形顯示、Word報(bào)表生成、Excel電子表格數(shù)據(jù)導(dǎo)出等，針對(duì)單個(gè)電池模塊的電池選擇顯示、電池狀態(tài)信息顯示、電池包內(nèi)部溫度顯示、電池包剩余電量顯示、電池包荷電態(tài)顯示、電池包報(bào)警、故障顯示、電池單元的電壓和溫度顯示、選擇電壓和溫度數(shù)據(jù)波形顯示等功能。如圖5鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)主界面，顯示單個(gè)鋰電池包測(cè)試信息。

圖5　鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)主界面

4.3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)的下位機(jī)軟件主要是電池檢測(cè)單元DSP2812控制軟件，該軟件系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，軟件是基于Windows XP平臺(tái)采用CCStudioV3.3開(kāi)發(fā)。主要程序功能模塊包括：初始化模塊、電壓和溫度信號(hào)采集模塊、信息處理模塊、通訊接口模塊。

電池檢測(cè)單元主要功能：CAN通信接收充放電電流及充放電狀態(tài)信息，檢測(cè)電池單元電壓、溫度，計(jì)算最高電壓值及其電池單元號(hào)、最低電壓值及其電池單元號(hào)、最高溫度值及其電池單元號(hào)、最低溫度值及其電池單元號(hào)，計(jì)算電池模塊剩余電量、荷電態(tài)，判斷電池模塊工作狀態(tài)，給出報(bào)警狀態(tài)、故障狀態(tài)，通過(guò)CAN通信將電池模塊的狀態(tài)信息傳輸給上位機(jī)。

4.3.1初始化模塊軟件

主要完成電池檢測(cè)單元主控制器DSP2812上電的初始化功能，讀取參數(shù)配置信息，分配I/O引腳等功能。其軟件框圖如圖6所示。

圖6　初始化模塊軟件框圖

4.3.2電壓和溫度信號(hào)采集模塊軟件

電池檢測(cè)單元檢測(cè)13路獨(dú)立電壓信號(hào)和16路獨(dú)立溫度信號(hào)，軟件設(shè)計(jì)是電壓信號(hào)和溫度信號(hào)是同時(shí)采集，節(jié)約多次循環(huán)時(shí)間，16次輪詢(xún)采集16路獨(dú)立通道信號(hào)，每個(gè)通道定時(shí)中斷采樣10次，然后濾去最大值、最小值，取中間平均值。對(duì)電壓、溫度信號(hào)分開(kāi)進(jìn)行數(shù)字變換處理，得到實(shí)際值，其軟件框圖如圖7所示。

圖7　電壓采樣模塊軟件框圖

4.3.3信息處理模塊軟件

信息處理模塊包括：通過(guò)計(jì)算數(shù)組最大值及位置的函數(shù)，計(jì)算數(shù)組最小值及位置的函數(shù)求的最高電壓值及其電池單元號(hào)、最低電壓值及其電池單元號(hào)、最高溫度值及其電池單元號(hào)、最低溫度值及其電池單元號(hào)；通過(guò)充放電電流、電池包端電壓及電池?cái)?shù)據(jù)專(zhuān)家?guī)斓龋?jì)算電池包剩余電量和荷電態(tài)估計(jì)；通過(guò)電壓、溫度、電流的值及參數(shù)變化率，以及上下邊界值、電池?cái)?shù)據(jù)專(zhuān)家?guī)斓?，判斷電池包的?bào)警、故障狀態(tài)。

4.3.4通訊接口模塊軟件

通信模塊主要完成電池檢測(cè)單元與測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)、充放電設(shè)備進(jìn)行CAN通信，主要完成設(shè)備之間的數(shù)據(jù)、操控指令的傳遞以及與鋰電池測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。測(cè)試系統(tǒng)的CAN通信基于SAE J1939協(xié)議，上位機(jī)的CAN通信采用查詢(xún)方式進(jìn)行，下位機(jī)的CAN通信采用接收中斷，發(fā)送查詢(xún)方式進(jìn)行，其軟件框圖如圖8所示。

5　結(jié)論

本文針對(duì)鋰離子電池的試驗(yàn)、特性測(cè)試、評(píng)估要求，設(shè)計(jì)了鋰離子電池測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)具有特定針對(duì)性，主要用于試驗(yàn)時(shí)的人機(jī)交互，電池狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢(xún)。能夠滿足鋰離子電池的充放電試驗(yàn)、特性測(cè)試和安全邊界試驗(yàn)的需求，為鋰離子電池的測(cè)評(píng)、評(píng)估提供重要數(shù)據(jù)支撐。

圖8　通訊接口模塊軟件框圖

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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-），工學(xué)碩士，工程師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化及化學(xué)電源控制技術(shù)。