(修改后)锂离子动力电池组智能检测系统设计与实现

1、锂离子动力电池组智能检测系统设计与实现李劼1 吴免利1 邹忠1 肖昕2（1.中南大学冶金科学与工程学院，湖南长沙 410083；2.中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙 410083）摘要：针对目前电池组检测设备存在着精度低、能耗高和电池组内电池不能单独检测等问题，基于单片机技术开发出一套三级分布式结构的电池组智能检测系统，实现了对锂离子动力电池组的充放电性能检验。经验证，该系统能够显著提高电池组检验生产的效率。关键词：锂离子动力电池；电池组检测；CAN总线；条码追溯中图分类号：TM910.6 文献标识码：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锂离子电池作为第三代动力电池的代表，和铅酸电池、MH-Ni电池相比，有着体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、开路电压高、自放电率低等诸多优点1，使其成为动力电池的研究热点。由于单体

5、锂离子电池电压只能达到4.2V左右，所以在作为动力电源使用时必须串联成组使用。对于同一批生产的电池来说，尽管材料和生产工艺相同，但经一段时间的使用后电池的性质会出现差异，而且随着使用时间的增长电池间的差异会进一步加大。电池组检测柜就是在不同的情况下对电池组的充放电特性、电压特性和循环特性进行检测，更好的检测成组电池的一致性情况，便于对电池更好的配组。国内目前多数电池组检测设备存在着精度低、可靠性差、能耗高、电池组内电池不能单独检测等问题，影响了生产。针对目前电池组检测设备存在的问题，设计并实现了一套基于三级分布式结构的可实现单体电池检测智能化、高性能的锂离子动力电池组检测系统。1 系统总体设计

6、1.1总体结构该系统基于三级分布式结构来实现，此结构具有适用大规模生产、易于操作管理和成本基金项目：国家“十一五”科技支撑计划（2007BA12B01）作者简介：李劼（1963 -），男，湖南岳阳人，博士生导师，研究方向为冶金智能控制、功能材料等通讯作者：吴免利，硕士研究生，电话E-mail：wumianli较低、功能划分清晰、有利于模块化开发等优点2。其整体结构如图1所示。图1 系统总体结构框图Fig.1 General structure diagram of the system上位机 选用PC或工控机作为上位机，完成系统的数据输入、命令的发送，数据分析和处理

7、等工作。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。为了让每台设备具有独立运行功能，检测柜中位机上增加了输入和显示模块。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。电池组检测柜中有八个主控制器，每个主控器均可以由上位机或液晶操作板分别设置不同的检测逻辑，独立运行。一个主控器负责一串电池的检测（要求组中电池数小于14），检测点共有16个包括：一个组电流检测点、一个组电压检测点和14个单体电池电压检测点。1.2主要功能及特点（1）检测柜可同时采样每组电池的组电流组电压； （2）较大充放电流调节范围，可以适用于多种型号电池的生产；（3）具有掉电保护和断点续传

8、功能；（4）逻辑校验和通讯定时自检功能。2 系统的软硬件电路设计2.1 微处理器选择和电源模块的设计微处理器和电源模块是检测柜最关键的两个部件，作为工业设备，需要满足能量传递效率高、低功耗、低价格、开发简单的特点。面向工控领域的单片处理器，目前广泛应用的有 51 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(DSP)、增强型的16位单片机以及32位的ARM芯片。出于成本和功能考虑，本系统由8块SST公司的89E564RD 8位单片机作为主控芯片，形成8路独立的分布式控制单元结构，能很好地满足电池组测试时的差异性要求。系统采用开关电源作为电池的充放电源，这比线性恒流源有体积小、能量

9、传递效率高、结构简单且易于实现有源逆变等特点3。电源控制板由相同的四路脉冲宽度调制（PWM）控制部件组成，其中每一路都是由TL494和电压、电流差分放大电路组成，控制功率板上MOSFET的开关状态来调节电流的大小。电池的采样电流送入差分放大器。为了保证接入一个非负的电流值，继电器根据电池的充放状态选择是否导通1：1反向放大电路。功率板由两路相同的充放电控制电路组成，在每一路并联了四个场效应管，其开关状态由TL494的输出频率控制。功率板电路图如图2所示。图2电流差分放大电路图和功率板电路图（一路）Fig.2 Circuit diagrams of power board为了保证可以给更大容量的

10、电池进行化成和检测，需要大的充放电调节宽度。在电路设计中，将TL494的13脚输出模式控制接地，使两个内部驱动三极管同时导通或截止并且将两个输出端并联，使系统获得更大的调节范围，输出信号经过MOSFET驱动器MIC4422，根据系统的充放电状态分别将信号送入图2功率板中的充电控制回路(CVR1、2)和放电控制回路(DVR1、2)。2.2 数据采集模块设计数据采集系统是计算机在工业控制中最常用应用系统，检测回路将生产过程中的信号量实时地采集，并经过A/D转换器以数字量的形式送入存储器中，CPU对这些数据进行分析。电池的电压、电流实时采样的精度将会直接影响系统的检测精度和电池质量。YX-20A型电

11、池组检测仪采用A/D转换模块TLC2543来完成模拟量到数据量的转换。主控制器对柜中的各个工位上的电池进行循环检测，除采样每个电池的信息外还要采样电池组的电压、电流等信息。为了减少干扰，每个采样点都用高速光耦隔离。在采样的过程中，可能会遇到很多未知信号的干扰，需采用滤波的方法来抑制干扰。滤波的方式主要有硬件滤波和软件滤波两种，由于采用软件滤波算法不需增加硬件设备，可靠性高，功能多样，使用灵活，具有许多硬件滤波措施所不具备的优点，在设计中采用软件滤波的方法来抑制噪声干扰。软件滤波的方法主要有中值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法、一阶滞后滤波法等4，考虑到检测柜主要针对变化

12、缓慢的信号的采集，采集模块受到的干扰以脉冲干扰为主，对比各种滤波方法的优缺点及适用场合，用中值滤波法作为采集模块的软件滤波方法为宜。本系统中值滤波法的函数功能实现为：INT16U AD_Filter(INT8U ch) / ch 为采样通道循环调用采样单个输入通道函数Read_ADC 9次；对9次采样结果按从小到大的顺序排序；/求中间1/3个数据的算术平均值；返回所得值；数据采集流程图如图3所示。图3 数据采集模块程序流程图Fig.3 Program flow chart of data sampling module2.3通讯模块设计主控器接收到的从各工位采集的数据需要发送给外部网络，由上位

13、机对这些数据进行进一步的分析处理。由于CAN总线有着传送距离远、数据传输速率高、数据传送可靠等特点，使得其目前在工业现场已经广泛的应用。考虑到系统的适应性及与现场网络对接的方便性，检测柜与上位机的数据通信接口采用CAN 5-6接口。由于现场总线的广泛应用，目前市场上能够实现CAN总线接口功能的芯片较多，其中 Sja1000支持CAN 2.0A/B规约，并且购买比较方便，设计时选用采用独立CAN总线控制芯片Sja1000作为基站CAN接口控制芯片。Sja1000兼容CAN 2.0B，同时支持11位(BasicCAN模式)和29位(PeliCAN模式)识别码，设计中设置Sja1000工作在Peli

14、CAN模式，通信波特率为50Kbps。2.4硬件的抗干扰措施在电池生产的工业现场中，由于大量开关电源的工作，能量传递频繁，无论是充电还是放电的功率都比较大，在系统中产生了较大的电磁干扰；其次，硬件电路板大量元器件之间本身也会产生干扰信号。无论是电磁干扰信号还是硬件自身干扰信号都可能会干扰正常的通信；另外，干扰信号也可能干扰微处理器的正常运行，导致系统死机或程序跑飞，因此必须采取相应的抗干扰措施。本系统采取的硬件抗干扰措施7主要有：隔离开关电源系统模块、电路板合理布局和布线、采用硬件看门狗。2.5下位机总体程序设计下位机在接收上位机指令后，对指令进行分析并执行。利用Keil uVision3 开

15、发工具，采用C语言对下位机所实现的各种功能进行开发。软件设计采用主从式的控制方式，上位机优先级，下位机从动的执行上位机发送的命令。由于电池组检测柜是将一组电池串联起来充放，因此总体程序在判断工步结束条件时，为了保证电池组的安全，当组中任一电池达到了设定电压工步逻辑就会跳转。总体程序流程图如图4所示。图4总体程序流程图Fig.4 General program flow chart of testing system3 系统上位机程序设计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，本系统在同一上位机平台下可同时管理多台检测柜的运行，实现工步逻辑

16、的编辑以及下发，采样数据的显示和保存，异常状况的判断和处理等等功能。上位机程序采用VB和VC+开发，主要包含以下几个模块：（1）系统通讯模块此模块是核心模块，完成上位机和下位机之间的数据通讯, 并完成命令发送，实现上位机对下位机的控制。（2）数据监视模块此模块实现对下位机发送上来的数据进行处理并能进行实时曲线和数据显示，实现监视功能。（3）工步编辑模块系统中工步编辑器不仅有其它设备的编辑功能，还具有工艺检查，常用工艺储存等功能，使之成为一个功能较为强大的逻辑编辑与检查系统，有很好的人机交互性，减小了因工艺逻辑和参数输入错误造成电池报废的可能性。（4）电池记录追溯模块此模块是本系统区别于其他设备

17、上位机软件的一个重要的模块，电池上柜前通过条码扫描枪扫描电池上的条码，把电池条码和电池的工位对应，可以实现电池组的每个电池在下柜后依然可以查询分析的功能，方便了和即将开发的针对电池制造生产的电池制造执行系统（MES）进行对接，这将大大有利于电池的生产过程。（5）用户权限管理模块此模块是其他系统中没有的功能，主要为了防止生产过程中非生产人员对设备的误操作对生产造成损失，并防止非生产人员对生产数据进行查看分析，造成生产数据泄露。（6）数据分析处理模块可以对多台设备上的数据进行对比分析，自动智能地绘制各种图表，实现对所选数据进行打印，实现数据报表功能。（7）电池分选配组模块采用智能算法，快速而准确的

18、依据电池曲线把性能相近的电池进行分类配组，提高所生产的电池组内各单体电池的一致性，延长电池组的使用寿命。（8）异常处理和报警功能对在电池检测过程中出现异常的电池进行报警，使异常电池及早被发现，提高电池组的合格率，并根据情况自动停止对异常电池的充放电，最大限度的避免电池组生产中出现安全问题。（9）与其他上位机网络互联，实现数据共享功能此模块是系统的扩展功能，由此可以组建一个网络，实现数据共享，并对以后电池数据的分析处理提供了基础。4 结束语设计并实现了对单个电池电压进行检测的锂离子动力电池组检测系统，对检测系统的总体结构进行了规划，详细介绍了以TL494为PWM控制芯片的电源系统的设计；介绍了软件滤波程序的设计；对系统硬件设计中采取的抗干扰措施进行了说明，并介