（通信与信息系统专业论文）锂离子动力电池化成检测系统的设计与实现.pdf

摘要 由于锂离子电池具有工作电压高、容量大、循环寿命长且没有记 忆效应等诸多优点，使其成为新型替代动力电源的研究热点。市场对 锂离子动力电池的需求以每年3 0 以上的速度迅猛增长，在对锂离 子电池数量和质量提出更高要求的同时，也对锂离子电池化成检测设 备提出了更严格的要求。本文在介绍电池化成与检测的基本原理和评 述锂离子动力电池化成检测设备应用和研究现状的基础上，设计并实 现了一套基于分布式管理的锂离子动力电池化成检测综合系统。本文 的主要内容与研究成果如下： ( 1 ) 针对实际应用的要求，对系统进行了总体规划，设计了一 套三级分布式结构的化成检测综合系统，并以检测速率、精度和系统 抗干扰性能为主要考虑因素，对系统的软硬件进行了精心的选型。 ( 2 ) 完成了化成柜和检测柜的硬件电路设计和调试。本文设计 的化成柜有8 0 个工位，可单点独立控制，在分辨率为1 2 位的情况下， 对8 0 个工位循环检测一次的时间为1 5 秒；检测柜设计为一个分散 控制结构有8 个主控器，有更大的电流充放范围和更快的检测速度； 化成柜和检测柜均通过c a n 接口将采样到的数据通过c a n 网络传 送给上位机。 ( 3 ) 完成了系统应用软件开发和调试。主要包括电源系统模块 的程序设计、数据采集及软件滤波程序设计、c a n 接口驱动程序设 计以及化成柜和检测柜总体逻辑程序设计。 ( 4 ) 针对采样数据在传输过程中失真的问题，设计一个三层b p 神经网络，并对作为网络的训练数据的电流、电压样本进行筛选，将 训练好的神经网络在系统不同的工作阶段对电流、电压进行预测。结 果表明，该网络实现简单，预测数据精确度高、能较好地解决采样数 据失真的问题。 ( 5 ) 对系统功能进行了测试，测试结果表明，本文设计的锂离 子动力电池化成检测综合系统具有检测精度高、数据传输稳定可靠、 抗干扰能力强、智能化、成本低等优点，可以很好地应用在大规模电 池生产的场合。 关键词锂离子电池，电池检测，数据采集，神经网络 a bs t r a c t a st h el i - i o n b a k e r y h a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a s h i g h w o r k i n g - v o l t a g e ，l a r g e - c a p a c i t ya n dl o n gc i r c l e 1 i f e ，t h ed e m a n do f l i - i o ne l e c t r i cv e h i c l eb a r e r yh a v eg r e a t l yi n c r e a s e da tt h es p e e do f3 0 e a c hy e a r a tt h es a m et i m e ，i n d u s t r i a lc a p a c i t ya n dh i g hq u a l i t yb a a e r y t e s t i n gs y s t e ma r ed e m a n d e db yt h er a p i dd e v e l o p m e n to fl i i o ne l e c t r i c v e h i c l eb a t t e r yb a s e do nc o m p r e h e n s i v er e v i e wa p p l i c a t i o na c t u a l i t yo f b a r e r yf o r m a t i o na n dt e s t i n ge q u i p m e n t s ，ac o m p r e h e n s i v es y s t e mw h i c h c o n c l u d i n g f o r m a t i o na n dt e s t i n gf u n c t i o n sw a sd e s i g n e da n dr e a l i z e d b a s e do nd i s t r i b u t e dm a n a g e m e n t t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s u l t s i nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h en e e d so fa p p l i c a t i o n ，a no v e r a llp l a n n i n go nt h e s y s t e mw a sc a r r i e do u t ，t h es t r u c t u r e so f3 - - l a y e rd i s t r i b u t e ds y s t e mw a s m 一 d e s i g n e d 1h em a i nd e v i c e so ft h es y s t e mw e r ec h o s e nc a r e f u l l yo nt h e c o n s i d e r a t i o no fd e t e c t i o n s p e e d ，a c c u r a c ya n dh i g ha n t i i n t e r f e r e n c e p e r f o r m a n c e ( 2 ) t h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go nh a r d w a r ec i r c u i to ff o r m a t i o n s t a t m na n d t e s t i n gs t a t i o nw e r ea c c o m p l i s h e d t h ef o r m a t i o ns t a t i o n d e s i g n e d i nt h i s p a p e rh a s8 0c e l lp o s i t i o n s ，e a c ho fw h i c hc a nb e o p e r a t e ds e p a r a t e l ya n di nw h i c hc a s et h et i m ec o n s u m p t i o no fd a t a d i c t a t i o nc i r c l ei s1 5 sw i t ht h es o l u t i o no f12b i t s t h et e s t i n gs t a t i o nw i t h 8m a i nc o n t r o l l e r sw a sd e s i g n e di nad i s t r i b u t e ds t r u c t u r e ，w h i c hh a s w i d e rc u r r e n ta d j u s t m e n tr a n g ea n df a s t e rd e t e c t i o ns p e e d a n dt h ed a t a g a t h e r e db yt h e mi ss e n tt ot h eu p p e rc o m p u t e rb yc a nb u st h r o u g ht h e c a ni n t e r f a c e ( 3 ) t h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o r t h e s y s t e mw a sa c c o m p l i s h e d t h ec o d e sf o rp o w e rs y s t e m ，d a t a a c q u i s i t i o na n df i l t e r i n ga n dt h ed r i v i n gp r o c e d u r e sf o rc a ni n t e r f a c e w e r ed e s i g n e d t h ec o d e sf o rt h ew h o l el o g i c a lo f w o r k i n gs t a t i o n sw e r e a l s oa c c o m p l i s h e di nt h ep a p e r ( 4 ) a i m i n ga tr e d u c i n gt h ei m p a c to ft h ed a t at r a n s m i s s i o nd i s t o r t i o n a3 一l a y e rb pa n nw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h i s s y s t e m t h es a m p l e so fc u r r e n ta n dv o l t a g er e g a r d e da st h en e t w o r k i i t r a i n i n gd a t aw e r ef i l t e r e da n dt h e naf o r c a s ti sg i v e nt o t h e mb yt h e t r a i n e da n no nt h ed i f f e r e n to c c a s i o n s a l lt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e n e t w o r ki se a s yt or e a l i z e ，t h ef o r e c a s td a t ao fw h i c hi sh i g hi na c c u r a c y , a n dt h u si sb e t t e ri nr e d u c i n gt h ed i s t o r t i o no ft h es a m p l i n gd a t a ( 5 ) at e s to nt h es y s t e mw a sc a r r i e do u ta n dt h er e s u l t sm a n i f e s t e d t h a tt h es y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rh a v em a n ym e r i t ss u c ha sah i g h d i c t a t i o na c c u r a c y , r e l i a b l ea n ds t e a d yd a t at r a n s m i s s i o n ，h i 曲r e s i s t i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e ，i n t e l l i g e n t i a la n dl o w e rc o s t t h es y s t e mc a n s e r v ew e l l i nm a s s i v eb a t t e r yp r o d u c t i o na r e a s 。 k e yw o r d s ：l i - i o nb a t t e r y , b a t t e r yt e s t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，a n n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：过年月“日日期：进年月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ， 作者签名：导师日期：2 堕年上月丛日 日期：棚孑年一月! 竺日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源、目的及意义 第一章绪论 环境保护和不可再生资源的合理使用是人类实现可持续发展必须遵循的两 大基本原则，随着人们环境保护意识的不断提高，加之石油气资源的日益枯竭， 用电池为动力源的电动汽车，是近年来国际发达国家竞相研究开发的热点。根据 日本失野经济研究所编写的电气自动车市场报告，1 9 9 7 年纯电动汽车( e v ) 混合电动汽车( h e v ) 取代燃油车的比率仅有0 0 0 1 ，2 0 0 5 年将达到l ，预 测到2 0 1 0 年时取代率将达到2 4 5 。2 0 0 5 年以后，全世界纯电动车市场将达到 1 3 2 万辆，预测到2 0 1 0 年将达5 9 5 万辆。再从全世界的观点来看混合式电动汽 车，1 9 9 8 年首次于日本市场出现，预测到2 0 0 5 年混合式电动车的市场将达到5 0 万辆，到2 0 1 0 年时，混合式电动车的市场规模将达到1 0 7 0 万辆【1 1 。 动力电池的发展经历过第一代阀控式铅酸蓄电池( v r l a b ) ，以c d n i 电 池和m h n i 电池等碱性蓄电池为代表的第二代动力电池。锂离子电池作为第三 代动力电池的代表，有着工作电压高、容量大、循环寿命长且没有记忆效应和无 污染等诸多优点【2 】，使其成为动力电池的研究热点。近年来对锂离子动力电池的 需求均以每年3 0 以上速度增长。 目前超大容量的锂离子电池的研制还处于实验阶段，作为动力电源的电池大 多成组使用。因此要求生产出来的电池在特性上有较好的一致性。电池化成检测 设备是锂离子动力电池生产过程中的关键设备之一，直接关系到电池的质量和产 量。最初的人工检测生产效率低而且存在着检测准确度不高，人为干扰因素多等 诸多弊病，因而不能适应大规模生产的要求。自动化技术和现代信息技术在现代 工业控制领域得到了广泛的应用，将这两项技术运用到电池检测中不仅能够大大 地提高生产效率和准确度，而且能够使生产出来的电池有较好地一致性，有利于 动力电池的成组使用。 虽然自动锂离子动力电池化成检测设备有广泛的发展前景，但是国内比较稳 定成熟的设备( 系统) 特别是大容量电池组的检测设备还比较少。目前国内化成 检测设备的应用和开发现状存在着以下几点问题【3 】【4 】f 5 】： ( 1 ) 设备检测精度不够理想； ( 2 ) 系统可靠性较差； ( 3 ) 设备节能性和利用率低； ( 4 ) 自动化程度不够，不能满足大规模生产需要； ( 5 ) 设备能耗高。 硕士学位论文 第一章绪论 此外，在锂离子电池的化成过程中，对充放电电压和电流的要求都非常地严 格，一旦出现过充和过放的现象将会对对电池造成极大的损害，甚至可能爆炸。 因此，研制一种自动化程度高，能适应大规模电池生产、稳定可靠且安全的锂离 子动力电池组检测设备成为众多电池生产企业共同的需要，有非常广阔的市场前 景。 本课题来源于湖南中大业翔科技有限公司的锂离子电池项目，将自动化技术 和信息技术相结合，设计并实现一套基于分布式结构的可实现单点控制的智能化 高性能锂离子动力电池组化成检测综合系统。 1 2 研究的背景和现状 1 系统总体结构设计现状 现在主流的电池组检测设备( 系统) 和电池化成设备大多采用分布式结构设 计，根据具体应用的不同，分别采用两级集散式控制结构三两级集散式控制结构。 但无论是两级还是三级结构都是由主控制器单元、分控制器单元与执行回路组 成。 ( 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 e a g l e p i c h e r 公司生产的m s d 9 7 0 就是小型检测设备的代表，该类设备的主控制 器选用功能很强的嵌入式计算机，来完成逻辑表下发、下位机上传信息实时保存 与分析、采样信息显示等功能：而分控制器一般采用8 位单片机负责执行每个通 道电池的充放电管理和电流、电压信息采样。其系统结构框图如图l 所示。这种 系统结构比较适合于中型的化成柜或检测柜和小型的便携设备，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，但是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、一v 等动态曲线) 不能够被充分显示，因此，多用于实验性的场合，而不适用于大规模工业生产。 一一、 剖d a 夥 矿 。、。口一一 八 通道电；嵌入式 rr 7 仁爿a d 忙路：计算机 单片机 卜， 卜、 卜 f 二刮 i 0 f 习 ( 2 ) 三级分布式结构 图l l两级分布式系统结构图 2 硕士学位论文第一章绪论 三级式分布结构是单机多通道检测设备的扩展【鲫，它将两级系统主控器的 部分功能上移到上位机p c ，在上位机上建立一个综合测试实验平台，通过平台 监测每台监测柜任意通道，并绘制实时性能曲线以供监测人员分析，该结构多见 于化成柜系统。其系统功能结构框图如图2 所示： 图2 2 三级分布式功能结构框图 典型的三级分布式结构的设备有美国a r b i n 公司的b t 2 0 0 0 和德国d i g a t r o n 生产 的u n i v e r s a lb a t t e r y t e s t e d 8 】等等。三级分布式结构比较两级式结构而言有更加有 利于检测过程中的集中控制与管理，也便于检测结果的分析比对，非常符合规模 化生产的要求。因此，三级分布式结构检测系统现在电池生产厂商中应用更为普 遍。 2 硬件设计研究现状 a 电源系统 9 1 ( 1 ) 线性恒流源 线性调节电路采用电压调节方式，将电网电压经过变压器后，利用二极管的 单向导电性把交流电变为直流电。但整流后的直流电波动太大，为了获得比较平 稳的直流电压，还需将脉动直流再经电阻、电容器组成的滤波器进行滤波，从而 获得比较平稳的直流电，为通道电路提供电源。美国a r b i n 仪器公司生产的 b t 2 0 0 0 系列中就有采用线性恒流源的产品。 ( 2 ) 开关恒流源 开关式恒流源采用的是p w m ( 脉宽调制) 调节方式，由斩波电路来控制电 池的放电功率，由开关管形成的开关脉冲经变压器耦合到次级再通过整流滤波得 到稳定的直流输出用于电池的充电，这样在电池放电过程中，开关恒流源可以实 现从低压端向高压端传递能量，重要的是它的工作原理是能量的而不是电压或电 硕士学位论文第一章绪论 流的调节。具有结构简单且易于实现有源逆变的特点，因而是目前应用和研究最 为活跃的一种类型，也是在化成柜和检测设备上中应用最为广泛的一种。 ( 3 ) 两种电源及调节电路的比较 线性调节电路的特点是整流电路简单；需要驱动功率小；通道电流调节范围 大；电流调节响应快；低噪声等优点，但放电过程中电源不可逆，能量消耗在了 管压降上，不利于能量的二次利用。 p w m 调节电路可以产生较高的频率，能量的传递效率也较高，适用于大容 量电池的测试，整流电路电源可逆，放电时电池中的电能经过逆变回馈到电网。但 p w m 调节电路工作时会有高频脉冲产生而对系统的精度产生较大的影响。综合 以上因素，通常在大功率时采用p w m 调节电路。 b 检测回路 ( 1 ) 组电池电压、电流检测回路 在化成柜中对单个电池检测时，一般在电池两端跨接一个较小的电阻，通过 测量电阻两端的电压来换算成回路中电流的大小。 作为车辆动力电源时，锂离子电池往往串联成组使用，电池组的性能检测和 均衡管理一直是动力电池研究的热点 1 0 - 1 4 j 。传统的电池组检测通常只从电池组的 电压、电流，来判断被测电池组性能的优劣。这种检测方式虽然能够反映出电池 组的整体特性，但是缺少了单体电池的数据。德国d i g a t r o n 公司生产的u n i v e r s a l b a t t e r yt e s t e r i ”1 在电路设计中，设计了并行( d l p ) 和串行( d l s ) 双检测回路，这 对不带均衡充电保护模块的电池组充电来说是必要的，既可以检测组电压、组电 流、内阻，也可以检测每个单体的性能信息。有利于提高电池成组检测过程中检 测精度，同时也为研究单体电池在电池组充放电过程中的一致性提供了丰富可靠 的数据，为电池组性能的优化提供了依据。 ( 2 ) 温度检测 热电偶是最常用的温度检测元件之一，它有测量范围大、构造简单、使用方 便的特点。因此，在较早的检测设备在温度检测时大多采用热电偶。对于工作温 度在6 0 0 c 以下锂离子电池，使用测温量程太大的热电偶并不能准确监测电池充放 电过程的变化。n t c 热敏电阻在温度的灵敏程度上约为热电偶的l o 倍，且结构 简单，电阻律小，适合于动态测量，但n t c 热敏电阻存在严重的热电非线性。 因此，对非线性误差进行补偿或进行线性化处理是扩大其测量范围和提高测量精 4 硕士学位论文 第一章绪论 度的首要问题。天津大学刘正光、梅健强等【1 6 】在校正功能中采用线性插值法进行 线性化。根据精度要求对非线性曲线进行分段，分段后用若干折线逼近曲线。在 确定输入被测温度t 的输出量热敏电阻阻值处在哪段，然后再根据那段直线的斜 率进行线性插值，从而求出被测温度。北京航空航天大学付进军【17 】等，介绍了一 种动力电池组管理系统，由主控器来操作单总线数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 对 电池进行温度测量，检测精度高且系统实现简单。 3 软件设计研究现状 电池检测系统软件部分主要由：上位机管理平台、中位机控制与显示和下位 机执行软件组成f 1 8 】。 上位机软件对系统中每个充放电通道进行管理，并统筹整个系统的运行，是 与操作人员交互的综合实验平台，一般包含：工步编辑、实时数据显示、数据通 信等基本功能模块。随着对检测设备要求的提高，上位机软件在功能上也做了进 一步的完善和扩展：把原来单一工步编辑模块扩展为编辑系统，可以将已编辑好 的常用工步储存在系统中，以便下次调用；在实时数据显示的基础上增加了数据 曲线绘制和历史数据、曲线储存功能，使得电池性能比对与分析更加直观和便利。 中位机软件由初始化模块、液晶显示模块、通讯模块等组成。有些检测设备 增加了逻辑编辑功能，通过柜上嵌入的小键盘来输入工步逻辑，这样实现了检测 柜的单机独立控制，使用户可以根据生产需要对设备进行自由得组合。 传统的下位机软件主要完成数据采集、充放电执行功能，为了系统能够更加 可靠地运行，有的检测系统在下位机实现了定时自检功能，当系统通信和控制出 现异常的时候会发出警报。 1 3 本文的主要内容和结构 本文针对传统的动力电池化成检测设备存在数据检测精度和自动化程度不 高等问题，提出了一种基于三级分布式结构的锂离子动力电池智能检测解决方 案。 本论文的主要篇章结构如下： 第一章绪论，首先介绍了本课题的来源及研究的目的和意义，然后概述了电 池化成检测设备( 系统) 的发展现状，最后对本文的文章结构做了简要介绍。 第二章在概述了电池检测和分类基本知识的基础上，介绍了系统的总体设计 方案，并根据设计要求选取了系统的主要元器件。另外，本章还简要介绍了系统 的开发方法以及开发工具。 第三章中具体地介绍了工作站( 化成柜和检测柜) 的设计。首先，对化成柜 硕士学位论文第一章绪论 和检测柜进行了结构设计，再根据系统设计要求完成了电源系统、传感器数据采 集模块、数据通信模块以及工作站站与c a n 网络接口模块的硬件和软件设计， 并对硬件设计中所采取的抗干扰措施进行了介绍。 第四章针对采样数据在传输过程中失真的问题，利用神经网络对非线性问题 的学习能力，根据本系统特点设计一个b p 神经网络，并对作为网络的训练数 据的电流、电压样本进行筛选，将训练好的神经网络在系统不同的工作阶段对电 流、电压进行预测。 第五章是系统测试，在介绍了系统运行界面的基础上，主要对数据采样、多 数据分析比对、采样数据传输可靠性、系统异常处理等方面进行了测试。 第六章对本文所做的工作进行了总结，并根据当前系统中存在的不足，指出 了系统的下一步发展方向。 6 硕士学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 正如前面所述，由于缺乏专用锂离子动力电池化成检测综合系统，而且以往 的设备存在着检测准确性不高和能耗大等缺点。本文的目的是设计一套检测精度 高、能耗低并能适应大规模生产的智能化锂离子动力电池化成检测综合系统。为 了达到这个目标，需要对整个系统进行整体规划。本章首先介绍了电池化成和检 测的基本原理及分类方法，在充分分析系统设计要求的基础上，设计了系统的整 体方案，并对系统中需要用到的关键器件进行了比较选择。 2 1 电池检测原理概述 化学电源( 电池) 的性能包括电性能和储存性能。其中电性能包括电压特性、 内阻、充放电特性、高低温性能等，储存性能则包括循环性能、自放电率等f 1 9 l 。 这些性能参数都直接和间接地决定二次电池的综合性能，因此，在电池生产过程 中对电池进行精确地测量具有着非常重要的意义。 1 电池电压测且【2 0 1 电池电压包括电动势、电池开路电压。电动势是指电池在开路时正极平衡电 极与负极平衡电极电势之差，由电池中进行的反应所决定，与电池的形状、尺寸 大小无关。开路电压是指电池在开路状态下的端电压，一般小于电动势。只有电 池的两极体均达到了热力学平衡状态时，电池的开路电压才与电动势相等。工作 电压是指有电流流过外线路时，电池两极之间的电位差。一般来说，放电工作时 电压总是低于丌路电压。在电池充放电过程中，当电流较小时忽略了线路的影响， 可以采用二端子测量法，如图( 2 一l a ) 所示。当电流较大时，则不能忽略线路 带来的影响( 记作电阻r ，r ) ，此时一般采用四端子测量法，如图( 2 一l b ) 。 ii i i 2 ( a )( b ) 图2 1 二端子测量和四端子测量方法示意图 硕十学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 2 电池充放电电流测量 电池在充放电过程中，一般采用恒流源进行。从等效电路的角度讲，恒流源 相当于一个内阻无穷大的电源，其输出电流不受外电路电阻的影响，由于采用了 恒流源，电流大小也不受电极与电池的接触电动势的影响。对电流进行测量一般 只需将电流表串联在电路中即可，如图2 2 a 所示。当电流比较大时一般采用分 流器进行采样，将电流信号变为电压信号，这样为测量带来了很大的方便。不用 断开电流回路即可实现对电流的测量，而且转变为电压信号之后，便于计算机集 中巡检和控制。如图2 2 b 所示。 图2 2 电池电流测量方法 3 电池容量测量 电池容量是指在一定充电或放电条件下，供给电池或从电池获得的电量。在 电池测量的过程中，电池的容量不是直接测量单位，而是导出单位，它是由电流 与时间乘积在一定的电压限制条件下计算得出的。 c = i t 式中c 一一电池容量，单位a h ； ，一一电池的放电电流，单位么； t 一一电池放电至终止电压的时间，单位h 电池容量是一个受多种因素影响的物理量，它与电池自身的特性，测量是的环境 温度以及电流大小、波形等条件有关。因此，在涉及电池的容量时，应注明测量 条件。 4 内阻测量 电池内阻是指电流通过电池时所受到的阻力，包括欧姆内阻和极化内阻。电 池的内阻是决定电池性能的一个重要指标，直接影响电池的工作电压、电流与输 出功率。一般来说，内阻越小越好。内阻不是一个固定的常数，电池处于不同的 电量状态时，它的内阻值不一样。一般情况下放电态的内阻是不稳定的，测量的 结果也比正常值高出许多，而充电态内阻相对比较稳定，测量这个数值具有实际 的比较意义【2 1 】；虽然没有没有统一来描述电池内阻的模型，但普遍认可的关于电 8 硕士学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 池的阻抗的模型如图2 3 所示： c lc 2 r lr 2 ( a )( b ) 图2 3 电池交流等效阻抗模型和电池阻抗简化模型 电阻的测试方法分为直流测试和交流测试【2 2 j 。交流检测几乎可以适用于所以种类 的电池，因而被广泛使用。根据电池阻抗的模型，从数学上分析电池的交流阻抗： r2 ： r 叫眦却糕( 2 - - 1 ) 其中x c = 历1 是电容的容抗。通过选择3 个频率点来测试电池的交流阻抗值， 计算得出置，是的值，从而得出电池的内 j h r f a t - r 。 5 循环寿命二次电池经历过至少一次充电和至少一次放电的过程称为一个 循环周期。在一定的放电条件下，电池容量降至某一规定值前，电池所能承受的 循环次数，称为二次电池的循环寿命【2 3 】。二次电池的循环寿命是电池质量的一个 重要参数，循环寿命与测试电流、环境温度都有一定的关系，电流越大，温度越 高，寿命越短，循环寿命测试属于抽样破坏性实验。 2 2 电池分类方法 在电池生产过程中，虽然生产原料和工艺相同，但是生产出来的电池在电性 能和循环寿命上多少存在着差异，在电池生产的最后一个环节需要将性能相近的 电池进行分类。特别是对于用作车辆电源时，需要将性能一致的电池分选出来串 联使用。目前，电池分选主要有以下几种方法 2 4 - 2 6 】： 1 按容量分类对电池充电后，以恒定电流放电到终止电压，计算小时率 容量，将容量接近的电池分在一组。这种分类方法具有实现过程简单直 观的特点，适用于电池生产厂对大批量电池进行质量测试。缺点是容量 一致的电池其它性能参数可能有较大差别。 2 按电压变化曲线分类电池电压是最重要的参数之一，按充放电过程中 的电压变化曲线分类是一种既直观又可靠的分类方法，具有较强的数据 运算能力，这种方法要求电压测量准确，充放电电流一致。 9 硕士学位论文 第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 3 按电压平台比率分类预定一个电压值作为平台电压，放电过程中达此 电压时，所释放的电量与放电所释放的总能量的比值称为电压平台比率。 按电压平台比率分类试图把容量和内阻一致的电池分选为一组。比容量 分类更具优势，但也有相似的局限性。 4 按充放电效率分类电池所能释放出电量与其所充入的电量的比值称为 充放电效率。通常放电电量总是小于充电电量，这个电量差间接体现电 池内部电阻和气体产生情况。这种分类的难点在于何时决定充电结束， 过充和欠充都直接影响效率的计算，效率数值与其它参数的关系也比较 复杂。 5 按内阻分类内阻( 包括欧姆电阻和极化内阻) 也是电池一个非常重要 的参数，直接影响充放电效率和工作寿命。极化内阻测量困难而且不便 于批量检测，欧姆电阻一般比较稳定且易于测量。 应该说明的是，没有一种分类方法是万能的。在生产实践过程中，我们需要 根据电池的用途和分类的成本来综合考虑。而且即使分类时完全相同参数的电池 在使用一段时间后也可能会出现差异，这又引出另一个重要问题，电池组在使用 过程中的在线监测问题。 2 3 系统的总体设计 1 系统设计要求 根据检测系统的功能、技术要求和应用范围，并结合锂离子电池特性的要求， 本文设计的锂离子电池化成检测设备具有如下特点1 2 7 】【2 8 j ： ( 1 ) 系统的可靠性由于化学电源的生产过程具有不可逆性，且锂离子电 池在过充过放的情况下容易发生爆炸，所以可靠性是化成与检测系统 的最根本的要求。由于电池大规模生产用的检测设备中检测点多，结 构复杂，要达到较高的可靠性，就必须要从硬件电路和软件设计等多 方面综合考虑。 ( 2 )检测的准确度由于锂离子电池的特殊性，对电池进行实时准确的检 测关系到电池的性能和生产过程的安全。准确度过低，实时性差不能 够如实地反应电池的情况，检测准确度过高，频率过大会使系统的造 价成本和可靠性设计增加难度。因此，在准确度的设计中，应全面考 虑电池检测过程的技术标准，根据电池的实际应用情况来选取相应的 检测准确度和检测频率。 ( 3 )自动化程度为了满足大规模电池生产的需要，减少在生产过程中的 人工干预，避免人为因素引起的误操作，提高产品质量降低生产成本， 1 0 硕士学位论文 第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 电池化成检测系统应该具有较高的智能化。 ( 4 ) 能耗在电池生产过程中的耗电量是非常大，其中电池的化成和检测 用电占全厂用电量6 0 以上，日产十几万只的电池厂，每年化成检测 电费都在百万元以上1 2 9 1 。可见，降低能耗对于降低生产成本起着至关 重要的作用。所以在设计系统时应该在保证系统可靠性和电池质量的 前提下，尽量选取高效低耗的元器件。 ( 5 ) 易用性考虑到检测系统是给生产工人使用，我们在设计系统时要充 分考虑系统的操作和维护的简单。在设计人机交互界面时应当遵循简 单易用的原则，操作人员只需要输入自定的工艺步骤和相关参数，把 工艺和逻辑检查等工作交给系统后台处理。系统应当要易于维护和检 修，当系统的通信和检测部件工作情况出现异常时能够及时报警。 ( 6 )系统扩展独到的三级式分布式体系结构能够根据生产规模的需要扩 展检测柜的数目，系统能够满足不同品种、多种型号同时生产的要求， 这样不但便于管理而且能够降低成本，使系统实现一机多用。 ( 7 )功能要求由于所设计的系统具有化成和检测双重功能，而且也能用 于大容量动力电池组的检测，所以在系统硬件设计上要求能够承受更 大电流的充放，在显示界面上要求具有更丰富的对比曲线和数据参数。 2 系统总体方案确定 通过第一章中对各种结构和类型的电池检测设备的对比，不难看出，基于三 级分布式结构的检测系统具有适用大规模生产、易于操作管理和成本较低等优 点，而且功能划分清晰，有利于模块化开发。因此，我们设计的这套锂离子动力 电池化成检测系统将基于三级分布式结构来实现，将整套系统分为上中下三个控 制器。其中，上位机扮演一个综合管理的角色，而中位机和下位机构成工作站( 化 成柜或检测柜) 。其整体结构框图如图2 4 所示。 上位机系统的大部分数据处理输入、分析和处理工作将在上位机上完成， 所以要求上位机不但具有较强的数据运算能力还要能给操作人员提供丰富的显 示界面，所以我们选用p c 来作为上位机。 中位机在接收到上位机发出的命令后，中位机需要完成命令的解析和执行。 为了能让每台检测柜更具有独立运行功能，我们在中位机上增加了输入显示模 块。下位机在接收到上位机或是中位机发来的命令后，执行相应的操作。 由于c a n 总线的稳定性及其在工业数据传输网络中的广泛应用，系统采用 c a n 接口作为上位机与检测设备的通信接口。 硕士学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 国鱼 h 一一h 一一 电池组检测柜化成柜i 2 4 主要器件的选型 图2 4 系统总体结构框图 o 一i 化成柜3 微处理器和电源模块是检测柜最关键的两个部件，从上面的分析可以看出， 本系统所选用的元器件需要满足能量传递效率高、低功耗、低价格、开发简单的 特点。 1 微处理器的选取 作为应用系统的核心部件，微处理器的选择对整个系统的性能起着至关重要 的作用。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有5 1 系列的8 位单片机、 面向大量数字信号处理领域的数字信号处理器( d s p ) 、增强型的1 6 位单片机以及 3 2 位的a r m 芯片。 d s p 器件在工控领域的应用，从长远的观点来看是一个必然的趋势。但从 现阶段各种d s p 器件的情况来看，偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于 有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大 的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。 a r m 芯片具有体积小、功耗低和高性能的特点。 作为这几类微处理器的一种折衷方案，各大公司纷纷推出各种面向不同应用 场合的增强型单片机，这些系列的单片机大多具有较强的功能模块接口功能，较 高的处理速度，大容量r o m 和r a m ，往往处理器本身就已经一个小系统模式， 仅仅需要一些简单的电容、电阻元件就可以工作。 化成柜中选用t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ，美国德州仪器公司) 公司的m s p 4 3 0 系 1 2 一 硕士学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 列1 6 位单片机作为中位机的主控芯片，检测柜则由八块s s t 公司的8 9 e 5 6 4 r d8 位单片机承担主控芯片的角色，两者的区别主要在于m s p 4 3 0 f 1 4 9 比8 9 e 5 6 4 r d 具有更长的指令集更快的指令周期、更大的f l a s h 存储器和r a m ，但是后者比 前者具有更低的价格。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有如下特点【3 2 】： ( 1 ) 指令执行速度快。8 m h z 时钟频率时，指令周期时间为1 2 5 n s ，绝大多 数指令在一个时钟周期内完成。 ( 2 ) 具有超低功耗。在工作电压为3 v ，主频是1 m h z 的时候，正常工作 时消耗的电流小于4 0 0 u a ，另外处理器还有5 种不同的低功耗模式可供选择， 芯片进入低功耗模式后，消耗电流的最少能够降到l u a 以下。 ( 3 ) 具有片上存储器。m s p 4 3 0 f 1 4 9 片内有6 4 kf l a s h 和2 kr a m 存储 器，用于存储程序指令和数据，适合快速的运算。 ( 4 ) 具有可选时钟源。芯片有3 个晶振可供选择，芯片外围模块和c p u 的 时钟源可以在3 个晶振中灵活选择，根据不同的工作状态为c p u 和外围模块 选择不同的时钟源，可以使芯片的性能发挥到最大、功耗降低到最小。 ( 5 ) 芯片内置了1 2 位的数模转换器a d c l 2 。 ( 6 ) 具有j t a g 编程接口，可以在一台p c 机及一个简易的j t a g 控制器 的帮助下完成程序的下载、调试和仿真，开发非常方便。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部结构框图如图2 5 所示。 图2 5m s p 4 3 0 f 1 4 9 内部结构框图 s s t 8 9 e 5 6 4 r d 属于f l a s h f l e x 5 l 家族，以艺术级别的s u p e r f l a s h c m o s 半导体处理技术设计和制造的8 位m c u 。器件使用与8 0 5 1 完全相同 的指令集，并与标准的8 0 5 1 器件管脚对管脚兼容。其主要的性能如下1 3 3 1 ： 硕士学位论文第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 ( 1 ) 器件内部可集成7 2 k 字节的f l a s he e p r o m 程序存储器，存储器 被分成两部分相对独立的程序存储块。主块o 占用6 4 k 字节的内部程序存储 空间，次块1 占用8 k 字节的内部程序存储空间； ( 2 ) 并且有3 个1 6 位定时计数器； ( 3 ) 8 个中断源，4 个优先级； ( 4 ) 4 个八位i o 口( 3 2 个i o 脚) ； ( 5 ) 可编程s p i 串行接口； ( 6 ) 标准的1 2 时钟每系统周期，该期间可通过配置设置成6 时钟每系统 周期。 2 电源模块的选择 从第一章的介绍中我们可以看到在中小型的应用系统开发中，开关恒流源比 线性恒流源有能量传递效率高、结构简单且易于实现有源逆变等特点。而且开关 电源在体积和重量方面比线性恒流源都有着非常大的优势。一般说来，开关电源 的重量是线性电源的1 4 ，相应的体积大概是线性电源的1 3 。因此，在综合考虑 能耗和造价等各方面因素我们采用开关恒流源作为系统电源。 开关电源可分为a c d c 和d c d c 两大类，d c d c 变换器现已实现模块化， 且设计技术及生产工艺在国内外均己成熟和标准化，并已得到用户的认可，但 a c d c 的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技 术和工艺制造问题。 开关电源模块作为一种电力电子集成器件，在选用中应注意以下几点【3 4 】： ( 1 ) 输出电流的选择。 因开关电源工作效率高，一般可达到8 0 以上，故在其输出电流的选择上， 应准确测量或计算用电设备的最大吸收电流，以使被选用的开关电源具有高的性 能价格比。 ( 2 ) 接地。 开关电源比线性电源会产生更多的干扰，对共模干扰敏感的用电设备，应采 取接地和屏蔽措施，按i c e l 0 0 0 、e n 6 1 0 0 0 、f c c 等e m c 限制，开关电源均采 取e m c 电磁兼容措施，因此开关电源一般应带有e m c 电磁兼容滤波器。 ( 3 ) 保护电路。 开关电源在设计中必须具有过流、过热、短路等保护功能，故在设计时应首 选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工 作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。 2 5 系统的开发方法及开发工具 硕士学位论文 第二章电池检测系统概述及系统整体方案设计 1 m s p 4 3 0 的开发环境 m s p 4 3 0 系列单片机自推出后，很多公司为其开发了c 语言的编译器和调试 环境。目前m s p 4 3 0 系列单片机应用比较普遍的开发工具有i a r 公司的i a r 4 3 0 和q u a d r a v o x 公司的a q 4 3 0 。其中i a r 4 3 0 因其界面友好，调试功能强大得到了 广泛应用。本系统中位机所有源程序代码均在i a r