陶勇 喻超 蔣煒 謝青松

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064)

0 引言

隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展及產(chǎn)量的快速增長，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷的擴(kuò)大，在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中占有很重要的地位。但是目前的單體鋰離子電池還是以小容量、低功率為主，大容量、高功率的鋰離子電池技術(shù)尚不成熟，也未形成規(guī)模化生產(chǎn)，使鋰離子電池在中/大容量UPS、儲(chǔ)能電池、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車中尚未得到廣泛應(yīng)用。其中一個(gè)重要原因是鋰離子電池充放電和智能管理系統(tǒng)中有些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟。因此從安全性、均衡性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性以及多方面考慮，研制出一種可采用并聯(lián)充放電和智能管理的鋰離子電池組。通過智能鋰離子電池組的外接顯示模塊可對(duì)每塊電池的充放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警及保護(hù)。

1 功能

新型智能鋰離子電池組裝有鋰離子電池包、智能管理系統(tǒng)及控制面板，并以單片機(jī)作為各種功能控制的核心，還可有效地對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單體鋰離子電池的充放電提供平衡保護(hù)、過壓/過流保護(hù)、短路保護(hù)，并提供了通信接口。另外電池組可實(shí)現(xiàn)快速充放電，循環(huán)次數(shù)不少于一千次。電池組充放電方式選擇并聯(lián)充放電，不但保證了電池電壓的一致性，而且可以實(shí)現(xiàn)快速充放電，充放電時(shí)間可在一小時(shí)內(nèi)完成。選擇并聯(lián)充放電同時(shí)也保證了電池組充放電過程中的安全性，避免了串聯(lián)充放電引起單體性能不一致降低電池組性能的問題，延長了電池組的使用壽命。

2 硬件設(shè)計(jì)

新型智能鋰離子電池組由鋰離子電池組、智能管理系統(tǒng)、控制面板組成，如圖1所示。

2.1 鋰離子電池組

鋰離子電池組由九個(gè)鋰離子電池包串聯(lián)組成，每個(gè)電池包又由四個(gè)單體磷酸鐵鋰電池并聯(lián)組成，如圖2所示。磷酸鐵鋰電池具有比能高、長壽命、環(huán)保、安全性能好、電壓平臺(tái)高、原料成本低、無記憶效應(yīng)以及倍率放電性能好等優(yōu)點(diǎn)。單體電池的設(shè)計(jì)采用高溫自閉三層隔膜，在高溫下隔膜阻斷鋰離子的通路，內(nèi)部形成斷路，自動(dòng)禁止放電，保證了電池本體的安全。電解液選擇磷酸鐵鋰專用電解液，提高了磷酸鐵鋰活性物質(zhì)的性能。負(fù)極選用高容量的人造石墨，提高了電池整體的比能。工藝過程嚴(yán)格控制，保證了電池的一致性。

圖1 新型智能鋰離子電池組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 新型智能鋰離子電池組外形及結(jié)構(gòu)布置圖

2.2 智能管理系統(tǒng)

智能管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、主控制模塊和顯示模塊組成。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)充放電電流和組內(nèi)所有單體電池的端電壓、溫度等信號(hào)進(jìn)行采集，并發(fā)送到內(nèi)部通訊總線。數(shù)據(jù)采集模塊采用單片機(jī)芯片為控制核心。該芯片不但擁有高達(dá)25M的運(yùn)算速度，而且芯片內(nèi)部集成了12位A/D轉(zhuǎn)換，可以直接對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行測量，芯片還擁有32根可以通過軟件編程分配功能的I/O引腳，可以很方便的控制外設(shè)[1，3]。

2.2.2 主控制模塊

主控制模塊為管理系統(tǒng)的核心管理部分，其核心處理器為單片機(jī)芯片，主要完成對(duì)處于同一總線上的所有數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)的輪詢，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、判斷和SOC計(jì)算，給出相應(yīng)報(bào)警信號(hào)，并通過外部總線與上層系統(tǒng)通訊，將數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示模塊（HMI）上實(shí)時(shí)顯示[1，3]。

2.2.3 顯示模塊（HMI）

顯示模塊（HMI）接收主控模塊通過串口傳輸?shù)碾姵亟M及單體端電壓、電流、環(huán)境溫度及故障信息等數(shù)據(jù)并在液晶屏上進(jìn)行顯示，并發(fā)出聲光報(bào)警。該模塊可接收面板上的按鍵信號(hào)，進(jìn)入相應(yīng)菜單，在液晶顯示屏上顯示用戶選擇的電池組電壓、電流及單體電池的電壓和溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測值。

2.3 控制面板

控制面板上裝有智能管理系統(tǒng)電源開關(guān)、充電接口、檢測接口、供電接口、報(bào)警接口、串口通訊插座及過流、過溫、欠壓、通訊故障等報(bào)警指示燈和蜂鳴器。

3 軟件設(shè)計(jì)

新型智能鋰離子電池組的軟件采用C51模塊化編程，提高了程序可讀性，且維護(hù)方便。主要包括主控制程序、數(shù)據(jù)采集程序、CAN總線服務(wù)程序、SPI讀寫程序等。通過程序完成的主要功能有：

（1）數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性。單體電池電壓采集和電池充、放電電流采集采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，通過多次測量求平均值的方法，提高測量的準(zhǔn)確性。

（2）系統(tǒng)掉電后，數(shù)據(jù)重新定位。設(shè)置一個(gè)地址指針，每次進(jìn)行寫操作后，立即更新地址指針；每次進(jìn)行讀操作前，先讀地址指針，然后讀數(shù)據(jù)。這樣就可以保證在系統(tǒng)斷電后，不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。

（3）人機(jī)界面的易操作性。人機(jī)界面主要為用戶提供系統(tǒng)的可視化的監(jiān)控功能。以文本、圖象等方式動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過友好的人機(jī)界面，使系統(tǒng)操作變得簡單直觀。人機(jī)界面主要任務(wù)是工況顯示、系統(tǒng)狀態(tài)和主要充放電電量的監(jiān)視、故障信息處理、參數(shù)輸入等等。系統(tǒng)工作時(shí)操作人員可以根據(jù)當(dāng)前需要選擇顯示的畫面，各個(gè)畫面切換由單片機(jī)控制程序根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行畫面內(nèi)容以漢字、字符和圖形格式實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)更新。另外操作人員能隨時(shí)從屏幕上獲得系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和充放電電量實(shí)際值信息。

（4）系統(tǒng)的故障顯示。程序具有完善的系統(tǒng)自檢功能，發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)激發(fā)聲光報(bào)警，輸出屏幕上同時(shí)會(huì)顯示故障報(bào)告。簡明報(bào)告故障診斷、發(fā)生故障的模塊號(hào)、電池號(hào)和時(shí)間等。當(dāng)故障解除時(shí)，也會(huì)報(bào)告故障解除信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)充放電過程的全程監(jiān)控。另外，用戶還可以查看保存的歷史信息，用作后期數(shù)據(jù)分析。

4 可靠性設(shè)計(jì)

新型智能鋰離子電池組采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊功能相對(duì)獨(dú)立；系統(tǒng)報(bào)警門限及電池關(guān)鍵參數(shù)初值可設(shè)定，使系統(tǒng)具備通用性，可用于各種不同電池。

a）為提高電池組使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性，智能管理系統(tǒng)采用了分級(jí)報(bào)警、故障預(yù)判的邏輯控制方法，預(yù)先保護(hù)動(dòng)作的保護(hù)策略，提高電池組運(yùn)行安全性。系統(tǒng)根據(jù)單體電池的監(jiān)測參數(shù)對(duì)其進(jìn)行診斷給出預(yù)報(bào)警和嚴(yán)重報(bào)警兩級(jí)報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)不同級(jí)別報(bào)警信號(hào)采取相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作[2]。

b）簡化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：盡量使電路結(jié)構(gòu)簡單，盡量減少零部件，元器件等規(guī)格，品種和數(shù)量。合理的布局布線，綜合考慮板卡的類型、功耗、重量等，設(shè)計(jì)一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)，每塊板卡上所有元器件均精心布局，如數(shù)模混合電路中模擬電路與數(shù)字電路的分區(qū)，芯片間電源的去耦，盡量保證低阻抗的接地，盡量保證小的電流環(huán)路。

c）借鑒相似產(chǎn)品的成功技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。選用高穩(wěn)定的模塊和設(shè)備，保證控制系統(tǒng)具有較大的穩(wěn)定裕度。

5 結(jié)束語

經(jīng)過我所科研人員的多年攻關(guān)，解決了鋰離子電池、充放電和管理系統(tǒng)研制中的關(guān)鍵技術(shù)。目前新型智能鋰離子電池組已通過相關(guān)試驗(yàn)出所，在航空航天工業(yè)某單位試運(yùn)行，并得到其專業(yè)技術(shù)人員的認(rèn)可，他們一致認(rèn)為我所提供的智能鋰離子電池組是歷年來他們使用的功能最齊全、性能最好、安全可靠性最高的電池組。

[1]潘琢金, 施國君. C8051FXXX高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2002.

[2]程劍平. 單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì). 東南大學(xué), 2003.

[3]胡斌, 劉正光. 基于 VC和單片機(jī)的多通道鋰電池檢測系統(tǒng). 微處理器, 2005, (6).