智能型锂离子电池化成系统

1 项目背景

在锂离子电池生产过程中必须要经过化成检测的工序，即在生产过程中需要对电池进行多次的充放电，以激活锂离子电池的全部性能，并保证出厂电池的储能能力的稳定性。因此，电池化成系统是与锂电池相伴而生的，直接影响着锂电池生产技术的发展和应用。由于技术和成本的因素，目前国内有关全自动电池化成设备的研究也比较少，全自动的高效率的电池充放设备只能依靠日本进口，成本高，且受限严重。

本公司研发的智能锂离子电池化成系统在锂离子电池生产过程中能够带来以下优势：

1、提高测试效率：应用嵌入式技术和网络技术，同时实现数百只锂离子电池的化成测试，大大提高了测试效率。

2、生产过程自动化：计算机自动管理测试过程，无需人工干预，降低人力成本的同时提高了成品率。

3、由嵌入式系统实现“限流——恒流——恒压”的标准充放电过程，有效的防止了化成过程中由于人为疏忽，造成的电池损坏。

4、自动绘制和保存电池充放电曲线，实现了被测电池动态特性的测试。 在国产锂离子电池成为市场主流的大背景下，研究一种能够智能化、自动化、规模化地实现锂离子电池化成的系统，能够降低具有非常好的应用价值和市场前景，对它的研究具有非常深远的意义。

2 系统结构

针对锂离子电池充放电的特性，锂离子电池化成系统共由三层结构组成，分别是：主机、控制柜和节点。

各个节点与控制柜之间以及控制柜与主机之间通过CAN总线进行组网。采用统一的CAN协议不仅有利于整个网络系统的顺利稳定通信而且易于扩展和后

期维护。系统中主机和控制柜负责整个网络系统的管理和控制。节点在系统中主要起动作执行、数据采集以及报警监测的作用。节能型锂离子电池化成系统的结构框图如下所示：

PC管理软件主机CAN-BUSPCI-CAN卡隔离CAN驱动器CAN-BUSCAN驱动器隔离CAN控制器CAN驱动器隔离CAN控制器控制柜 1键盘控制器MCU液晶显示器控制器MCU液晶显示器键盘控制柜 NCAN控制器CAN驱动器光电隔离CAN控制器CAN驱动器光电隔离CAN-BUSCAN驱动器隔离CAN控制器CAN控制器CAN驱动器隔离CAN控制器CAN驱动器隔离CAN-BUSCAN驱动器隔离CAN控制器CAN控制器CAN驱动器隔离CAN控制器CAN驱动器隔离MCUADCDACIOADCMCUDACIOADCMCUDACIOADCMCUDACIOADCMCUDACIOADCMCUDACIO控制充放电的功率电子电路控制充放电的功率电子电路控制充放电的功率电子电路控制充放电的功率电子电路控制充放电的功率电子电路控制充放电的功率电子电路节点1节点2节点n节点1节点2节点n

图3.1 节能型锂离子电池化成系统结构框图

3 硬件设计

（1）为提高系统可靠性采用两层CAN总线技术组网。

（2）结合现有的CAN总线技术，在原有CAN仲裁技术基础上自行制定P2P（点对点通信）协议，使得通信系统的传输性能更加可靠，且保密性更高。

（3）微控制器（MCU）软件基于开源的高可靠性实时操作系统uC/OS-II。开源的实时操作系统保证了本系统软件将来不受美国出口限制，也不存在已知软件漏洞；

（4）采用高效的开关电源设计充电源，使得电能转化效率大幅提高，相比传统用线性电源作为充电源，此方法可使转化效率提高30%。

（5）系统中全部器件选用不受美国商务部出口限制的“汽车级”获“军品级”器件。保证系统的宽温度范围和可靠性。

图3.2开发中的节能型锂离子电池化成系统控制节点

图3.3 产品定型后的节能型锂离子电池化成系统机柜

4软件设计

锂离子电池化成系统上位机软件在整个锂离子电池化成系统中起到在上位机检测、管理、控制充放电过程的作用，该软件是本公司基于控制器局域网 (Controller Area Network,简称CAN)协议，结合锂离子电池化成系统的特点研发的软件项目。

图3.4系统主界面

图3.5配置电池充放电参数

图3.6电池曲线及当前信息

5系统亮点

5.1 高可靠性的网络结构

如图3.1所示的三层式网络结构：PC主机、控制柜、电池充放电模块；两级CAN网络结构：由主机和所有控制柜构成的CAN主干网络和由各个控制柜及其管辖的充放电模块构成的控制柜内局部网络。分层的网络结构提供很高的容错性能：

1) 任何控制柜损坏，都不会影响其他控制柜和其他控制柜下模块的正常工作； 2) 任何模块损坏，既不会影响本控制柜下其他模块的工作，更不会影响其他控

制柜下的模块工作；

3) 控制柜具有独立操作界面，主机损害或连接断开，控制柜可以独立控制其下

的模块工作。

5.2 高可靠性的通信协议

1) CAN总线协议本身定义了具有很高的抗干扰能力的网络物理层和数据链路

层

 采用差分式传输模式，具有很强的抗共模干扰能力，传输距离可达10km

以上；

 总线自动仲裁机制和数据帧的CRC校验功能，保证了数据的可靠性；  带缓冲的自动重发机制，保证数据的丢包率；

2) 自定义的CAN总线会话层和应用层协议，保证了系统网络的安全性

 目前国际上流行的基于CAN2.0标准的CAN网络会话层和应用层协议包

括CANopen或者DeviceNet等，但这些协议和TCP/IP协议的高层协议一样，是完全公开的。采用这些协议虽然可以降低开发的难度，但作为一个军用网络，其安全性是非常重要的。因此本系统没有采用这些开放协议，而是自定义了一套CAN网络会话层和应用层协议，这些协议相对保密，保证了系统的安全性。

3) 为了防止雷击、静电和充电模块以外可能造成的对系统网络的威胁，本系统

采用“全隔离”式设计。系统三级硬件结构中的每一级的CAN接口，都采用了光电隔离设计。以防止：  感应雷击造成的击穿损坏；

 任意充放电模块损坏造成的本控制柜的瘫痪；

 任意部件在生产、运输和安装等环节被静电损坏造成的系统瘫痪。

5.3 友好的上位机软件操作环境

上位机管理软件作为主要的人机交换界面，具有以下优点：采用三层架构、界面显示直观、操作方便快捷、可移植性强、可扩展性强。

1) 采用三层架构：可以更好的支持分布式计算环境以及安全性更高。

2) 界面显示直观：如图3.4所示，在软件主界面可以对当前机柜、电池状

态一目了然，直观的向用户反馈了机柜在线的状态、电池在线状态、电池充放电状态、电池当前容量以及告警类型。

3) 操作方便快捷：如图3.4和3.5所示，用户可点击主界面中的电池图标查

看该电池当前的详细信息、历史曲线以及点击“”可配置各个电池的充放电参数。

4) 可移植性强：本管理系统软件采用C#语言开发，由于C#使用类似Java

的中间语言机制，使得本软件可以很方便的移植到其他系统。 5) 可扩展性强：该管理软件基于Microsfot .NET架构运行，这种框架使软

件中的组件可以方便地转化为XML网络服务，从而使任何平台的应用程序都可以通过Internet调用它，为进一步的网络化奠定了基础。