(修改后)鋰離子動力電池組智能檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、鋰離子動力電池組智能檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)李劼1 吳免利1 鄒忠1 肖昕2（1.中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083）摘要：針對目前電池組檢測設(shè)備存在著精度低、能耗高和電池組內(nèi)電池不能單獨檢測等問題，基于單片機(jī)技術(shù)開發(fā)出一套三級分布式結(jié)構(gòu)的電池組智能檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋰離子動力電池組的充放電性能檢驗。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)能夠顯著提高電池組檢驗生產(chǎn)的效率。關(guān)鍵詞：鋰離子動力電池；電池組檢測；CAN總線；條碼追溯中圖分類號：TM910.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：BDesign and realization of smart Li-ion powe

2、r battery pack testing systemLI Jie1 WU Mian-li1 ZOU Zhong Xin1 XIAO Xin2(1.School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083,China; 2. School of information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083,China)Abstract：Aiming at some prob

3、lems on present battery pack equipment, such as low precision, high energy consumption and single battery cant be tested in battery pack, based on single chip technology, a smart battery pack testing system which had three-level distributed structure was developed, and realized the testing of Li-ion

4、 power battery performance. It is proved that the system can improve the efficiency of battery pack production evidently.Key words：Li-ion power battery; battery pack testing; CAN bus; bar code retrospection鋰離子電池作為第三代動力電池的代表，和鉛酸電池、MH-Ni電池相比，有著體積小、能量密度高、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命高、開路電壓高、自放電率低等諸多優(yōu)點1，使其成為動力電池的研究熱點。由于單體

5、鋰離子電池電壓只能達(dá)到4.2V左右，所以在作為動力電源使用時必須串聯(lián)成組使用。對于同一批生產(chǎn)的電池來說，盡管材料和生產(chǎn)工藝相同，但經(jīng)一段時間的使用后電池的性質(zhì)會出現(xiàn)差異，而且隨著使用時間的增長電池間的差異會進(jìn)一步加大。電池組檢測柜就是在不同的情況下對電池組的充放電特性、電壓特性和循環(huán)特性進(jìn)行檢測，更好的檢測成組電池的一致性情況，便于對電池更好的配組。國內(nèi)目前多數(shù)電池組檢測設(shè)備存在著精度低、可靠性差、能耗高、電池組內(nèi)電池不能單獨檢測等問題，影響了生產(chǎn)。針對目前電池組檢測設(shè)備存在的問題，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于三級分布式結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)單體電池檢測智能化、高性能的鋰離子動力電池組檢測系統(tǒng)。1 系統(tǒng)總體設(shè)計

6、1.1總體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)基于三級分布式結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，此結(jié)構(gòu)具有適用大規(guī)模生產(chǎn)、易于操作管理和成本基金項目：國家“十一五”科技支撐計劃（2007BA12B01）作者簡介：李劼（1963 -），男，湖南岳陽人，博士生導(dǎo)師，研究方向為冶金智能控制、功能材料等通訊作者：吳免利，碩士研究生，電話E-mail：wumianli較低、功能劃分清晰、有利于模塊化開發(fā)等優(yōu)點2。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 General structure diagram of the system上位機(jī) 選用PC或工控機(jī)作為上位機(jī)，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入、命令的發(fā)送，數(shù)據(jù)分析和處理

7、等工作。中位機(jī) 在接收到上位機(jī)發(fā)出的命令后，中位機(jī)需要完成命令的解析和執(zhí)行。為了讓每臺設(shè)備具有獨立運行功能，檢測柜中位機(jī)上增加了輸入和顯示模塊。下位機(jī) 在接收到上位機(jī)或是中位機(jī)發(fā)來的命令后，執(zhí)行相應(yīng)的操作。電池組檢測柜中有八個主控制器，每個主控器均可以由上位機(jī)或液晶操作板分別設(shè)置不同的檢測邏輯，獨立運行。一個主控器負(fù)責(zé)一串電池的檢測（要求組中電池數(shù)小于14），檢測點共有16個包括：一個組電流檢測點、一個組電壓檢測點和14個單體電池電壓檢測點。1.2主要功能及特點（1）檢測柜可同時采樣每組電池的組電流組電壓； （2）較大充放電流調(diào)節(jié)范圍，可以適用于多種型號電池的生產(chǎn)；（3）具有掉電保護(hù)和斷點續(xù)傳

8、功能；（4）邏輯校驗和通訊定時自檢功能。2 系統(tǒng)的軟硬件電路設(shè)計2.1 微處理器選擇和電源模塊的設(shè)計微處理器和電源模塊是檢測柜最關(guān)鍵的兩個部件，作為工業(yè)設(shè)備，需要滿足能量傳遞效率高、低功耗、低價格、開發(fā)簡單的特點。面向工控領(lǐng)域的單片處理器，目前廣泛應(yīng)用的有 51 系列的8位單片機(jī)、面向大量數(shù)字信號處理領(lǐng)域的數(shù)字信號處理器(DSP)、增強(qiáng)型的16位單片機(jī)以及32位的ARM芯片。出于成本和功能考慮，本系統(tǒng)由8塊SST公司的89E564RD 8位單片機(jī)作為主控芯片，形成8路獨立的分布式控制單元結(jié)構(gòu)，能很好地滿足電池組測試時的差異性要求。系統(tǒng)采用開關(guān)電源作為電池的充放電源，這比線性恒流源有體積小、能量

9、傳遞效率高、結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)有源逆變等特點3。電源控制板由相同的四路脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制部件組成，其中每一路都是由TL494和電壓、電流差分放大電路組成，控制功率板上MOSFET的開關(guān)狀態(tài)來調(diào)節(jié)電流的大小。電池的采樣電流送入差分放大器。為了保證接入一個非負(fù)的電流值，繼電器根據(jù)電池的充放狀態(tài)選擇是否導(dǎo)通1：1反向放大電路。功率板由兩路相同的充放電控制電路組成，在每一路并聯(lián)了四個場效應(yīng)管，其開關(guān)狀態(tài)由TL494的輸出頻率控制。功率板電路圖如圖2所示。圖2電流差分放大電路圖和功率板電路圖（一路）Fig.2 Circuit diagrams of power board為了保證可以給更大容量的

10、電池進(jìn)行化成和檢測，需要大的充放電調(diào)節(jié)寬度。在電路設(shè)計中，將TL494的13腳輸出模式控制接地，使兩個內(nèi)部驅(qū)動三極管同時導(dǎo)通或截止并且將兩個輸出端并聯(lián)，使系統(tǒng)獲得更大的調(diào)節(jié)范圍，輸出信號經(jīng)過MOSFET驅(qū)動器MIC4422，根據(jù)系統(tǒng)的充放電狀態(tài)分別將信號送入圖2功率板中的充電控制回路(CVR1、2)和放電控制回路(DVR1、2)。2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機(jī)在工業(yè)控制中最常用應(yīng)用系統(tǒng)，檢測回路將生產(chǎn)過程中的信號量實時地采集，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字量的形式送入存儲器中，CPU對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。電池的電壓、電流實時采樣的精度將會直接影響系統(tǒng)的檢測精度和電池質(zhì)量。YX-20A型電

11、池組檢測儀采用A/D轉(zhuǎn)換模塊TLC2543來完成模擬量到數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換。主控制器對柜中的各個工位上的電池進(jìn)行循環(huán)檢測，除采樣每個電池的信息外還要采樣電池組的電壓、電流等信息。為了減少干擾，每個采樣點都用高速光耦隔離。在采樣的過程中，可能會遇到很多未知信號的干擾，需采用濾波的方法來抑制干擾。濾波的方式主要有硬件濾波和軟件濾波兩種，由于采用軟件濾波算法不需增加硬件設(shè)備，可靠性高，功能多樣，使用靈活，具有許多硬件濾波措施所不具備的優(yōu)點，在設(shè)計中采用軟件濾波的方法來抑制噪聲干擾。軟件濾波的方法主要有中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、中位值平均濾波法、一階滯后濾波法等4，考慮到檢測柜主要針對變化

12、緩慢的信號的采集，采集模塊受到的干擾以脈沖干擾為主，對比各種濾波方法的優(yōu)缺點及適用場合，用中值濾波法作為采集模塊的軟件濾波方法為宜。本系統(tǒng)中值濾波法的函數(shù)功能實現(xiàn)為：INT16U AD_Filter(INT8U ch) / ch 為采樣通道循環(huán)調(diào)用采樣單個輸入通道函數(shù)Read_ADC 9次；對9次采樣結(jié)果按從小到大的順序排序；/求中間1/3個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；返回所得值；數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。圖3 數(shù)據(jù)采集模塊程序流程圖Fig.3 Program flow chart of data sampling module2.3通訊模塊設(shè)計主控器接收到的從各工位采集的數(shù)據(jù)需要發(fā)送給外部網(wǎng)絡(luò)，由上位

13、機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。由于CAN總線有著傳送距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸速率高、數(shù)據(jù)傳送可靠等特點，使得其目前在工業(yè)現(xiàn)場已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。考慮到系統(tǒng)的適應(yīng)性及與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)對接的方便性，檢測柜與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信接口采用CAN 5-6接口。由于現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用，目前市場上能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線接口功能的芯片較多，其中 Sja1000支持CAN 2.0A/B規(guī)約，并且購買比較方便，設(shè)計時選用采用獨立CAN總線控制芯片Sja1000作為基站CAN接口控制芯片。Sja1000兼容CAN 2.0B，同時支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)識別碼，設(shè)計中設(shè)置Sja1000工作在Peli

14、CAN模式，通信波特率為50Kbps。2.4硬件的抗干擾措施在電池生產(chǎn)的工業(yè)現(xiàn)場中，由于大量開關(guān)電源的工作，能量傳遞頻繁，無論是充電還是放電的功率都比較大，在系統(tǒng)中產(chǎn)生了較大的電磁干擾；其次，硬件電路板大量元器件之間本身也會產(chǎn)生干擾信號。無論是電磁干擾信號還是硬件自身干擾信號都可能會干擾正常的通信；另外，干擾信號也可能干擾微處理器的正常運行，導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛，因此必須采取相應(yīng)的抗干擾措施。本系統(tǒng)采取的硬件抗干擾措施7主要有：隔離開關(guān)電源系統(tǒng)模塊、電路板合理布局和布線、采用硬件看門狗。2.5下位機(jī)總體程序設(shè)計下位機(jī)在接收上位機(jī)指令后，對指令進(jìn)行分析并執(zhí)行。利用Keil uVision3 開

15、發(fā)工具，采用C語言對下位機(jī)所實現(xiàn)的各種功能進(jìn)行開發(fā)。軟件設(shè)計采用主從式的控制方式，上位機(jī)優(yōu)先級，下位機(jī)從動的執(zhí)行上位機(jī)發(fā)送的命令。由于電池組檢測柜是將一組電池串聯(lián)起來充放，因此總體程序在判斷工步結(jié)束條件時，為了保證電池組的安全，當(dāng)組中任一電池達(dá)到了設(shè)定電壓工步邏輯就會跳轉(zhuǎn)?？傮w程序流程圖如圖4所示。圖4總體程序流程圖Fig.4 General program flow chart of testing system3 系統(tǒng)上位機(jī)程序設(shè)計上位機(jī)軟件對系統(tǒng)中每個充放電通道進(jìn)行管理，并統(tǒng)籌整個系統(tǒng)的運行，是與操作人員交互的綜合實驗平臺，本系統(tǒng)在同一上位機(jī)平臺下可同時管理多臺檢測柜的運行，實現(xiàn)工步邏輯

16、的編輯以及下發(fā)，采樣數(shù)據(jù)的顯示和保存，異常狀況的判斷和處理等等功能。上位機(jī)程序采用VB和VC+開發(fā)，主要包含以下幾個模塊：（1）系統(tǒng)通訊模塊此模塊是核心模塊，完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊, 并完成命令發(fā)送，實現(xiàn)上位機(jī)對下位機(jī)的控制。（2）數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊此模塊實現(xiàn)對下位機(jī)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并能進(jìn)行實時曲線和數(shù)據(jù)顯示，實現(xiàn)監(jiān)視功能。（3）工步編輯模塊系統(tǒng)中工步編輯器不僅有其它設(shè)備的編輯功能，還具有工藝檢查，常用工藝儲存等功能，使之成為一個功能較為強(qiáng)大的邏輯編輯與檢查系統(tǒng)，有很好的人機(jī)交互性，減小了因工藝邏輯和參數(shù)輸入錯誤造成電池報廢的可能性。（4）電池記錄追溯模塊此模塊是本系統(tǒng)區(qū)別于其他設(shè)備

17、上位機(jī)軟件的一個重要的模塊，電池上柜前通過條碼掃描槍掃描電池上的條碼，把電池條碼和電池的工位對應(yīng)，可以實現(xiàn)電池組的每個電池在下柜后依然可以查詢分析的功能，方便了和即將開發(fā)的針對電池制造生產(chǎn)的電池制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行對接，這將大大有利于電池的生產(chǎn)過程。（5）用戶權(quán)限管理模塊此模塊是其他系統(tǒng)中沒有的功能，主要為了防止生產(chǎn)過程中非生產(chǎn)人員對設(shè)備的誤操作對生產(chǎn)造成損失，并防止非生產(chǎn)人員對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查看分析，造成生產(chǎn)數(shù)據(jù)泄露。（6）數(shù)據(jù)分析處理模塊可以對多臺設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，自動智能地繪制各種圖表，實現(xiàn)對所選數(shù)據(jù)進(jìn)行打印，實現(xiàn)數(shù)據(jù)報表功能。（7）電池分選配組模塊采用智能算法，快速而準(zhǔn)確的

18、依據(jù)電池曲線把性能相近的電池進(jìn)行分類配組，提高所生產(chǎn)的電池組內(nèi)各單體電池的一致性，延長電池組的使用壽命。（8）異常處理和報警功能對在電池檢測過程中出現(xiàn)異常的電池進(jìn)行報警，使異常電池及早被發(fā)現(xiàn)，提高電池組的合格率，并根據(jù)情況自動停止對異常電池的充放電，最大限度的避免電池組生產(chǎn)中出現(xiàn)安全問題。（9）與其他上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享功能此模塊是系統(tǒng)的擴(kuò)展功能，由此可以組建一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并對以后電池數(shù)據(jù)的分析處理提供了基礎(chǔ)。4 結(jié)束語設(shè)計并實現(xiàn)了對單個電池電壓進(jìn)行檢測的鋰離子動力電池組檢測系統(tǒng)，對檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃，詳細(xì)介紹了以TL494為PWM控制芯片的電源系統(tǒng)的設(shè)計；介紹了軟件濾波程序的設(shè)計；對系統(tǒng)硬件設(shè)計中采取的抗干擾措施進(jìn)行了說明，并介