标签: 电池检测

数字孪生技术，是指通过深度整合物理模型、精密传感器以及丰富的运行历史数据，在虚拟空间反映相对应实体产品全生命周期的过程。近年来，随着新能源汽车产业的迅猛发展，动力电池系统作为其核心部件，其性能要求正面临着前所未有的挑战与提升需求，在此背景下，广电计量推陈出新，利用数字孪生技术，为上下游企业提供可视化的电池产品全生命周期健康优化管理服务，为产品运行和改进提供更加精确的决策支持。 电池包数字孪生 设计维护全程无忧 对比传统拆卸服役或故障电池包产品的实体检测方法，广电计量可实现电池产品从设计到维护全过程的数字化管理，优化电池包乃至整个动力电池生产系统，有效降低电池故障所带来的安全事故发生率。 服务优势 1、降低管理成本：在虚拟环境中模拟极端工况，减少实体样品损耗和报废成本。 2、提高监测效率：在线监测运行状态下电池包性能，实时反馈电池包健康状况。 3、提前故障干预：高效预测电池实体故障，在早期及时干预，延长使用寿命。 4、提升产品质量：数字模型应用于设计端机运维端，提升动力电池产品质量。 电池产品智造升级 提升核心竞争力 目前数字孪生技术已逐步应用于优化动力电池产品（涵盖电芯、电池模组、电池包/电池簇等全产品链）设计、制造和运行维修阶段生命周期三大阶段上，既能帮助动力电池上下游企业客户在实际投入生产前在虚拟环境中优化、仿真和测试产品性能，又能在生产过程中同步优化整个企业制造工艺流程，提升市场核心竞争力。 可靠性与环境工程研究所 广电计量可靠性与环境工程研究所可提供从新能源电池、电驱、电控、热管理系统的一站式试验技术服务，技术能力全面覆盖动力电池和储能电池从电池单体到电池系统以及BMS的性能、寿命、安全测试需求；单电机至电驱总成的性能、可靠性测试需求。测试产品涵盖充电桩、电机控制器、DC/DC、OBC、升压模块等功率器件的性能及可靠性测试需求；热管理系统从零部件到整机系统的性能、可靠性测试需求以及产品虚拟仿真开发的技术需求，助力新能源汽车行业高质量发展。

近年，随着新能源汽车发展势头愈发迅猛，新能源汽车安全事故影响车内人员安危及城市秩序的报道频频出现，动力电池作为其核心部件，质量安全问题愈发引起关注。为加强动力电池检测能力，提升动力电池可靠性，有效规避电池质量安全问题，降低新能源汽车安全事故发生率，广电计量可靠性与环境工程研究所成立科研专项组， 开展新能源动力电池综合检测及大数据分析技术研究。 新能源车事故频报道 电池质量安全需保障 据应急管理部近年公布数据，2021年新能源汽车火灾共发生3000余起，2022年第一季度共接报新能源汽车火灾640起，同比上升32%，新能源汽车的火灾风险总体高于传统汽车，其火灾的发生多数由电池电机引起。 为强化电池质量安全保障，2021年11月国务院办公厅正式印发《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，要求开展新能源汽车产品质量提升行动，引导企业加强设计、制造、测试验证等全过程可靠性技术开发应用，充分利用互联网、大数据、区块链等先进技术，健全产品全生命周期质量控制和追溯机制。由此可见， 保障电池质量安全，提升电池检测技术，已成为新能源行业重点发展方向。 快准稳预警电池故障 加强电池质量安全 为提升现有动力电池检测技术，及时发现电池故障，准确预测电池寿命，专项组经技术攻关，研制出 一套新能源动力电池综合检测系统 ，形成了 电池单体、模组、电池系统的电性能、工况 等模拟、环境可靠性和安全检测方法，完善了电池管理系统的功能安全与性能评估体系，可提供 传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳 的动力电池故障预警和寿命预测服务。 该项技术具备成熟的服务能力， 作为广东省科技厅重大科技专项《动力电池系统检测评价与服务平台建设》子任务，已于2023年3月通过广东省科学技术厅组织验收 ，该项技术获得评审专家一致认可，同时已向国家知识产权局 申请发明专利2项，发表核心期刊论文2篇。 广电计量新能源动力电池类技术服务项目 序号 技术服务项目 1 新技术服务 项目 基于分析电池端电压的电池系统故障识别、诊断和预警 2 整个电池系统多尺度数据融合下的故障分析和监控 3 单点触发下的动力电池热失控仿真技术分析 4 其他技术服务项目 电池容量与能量、放电容量、荷电保持与容量恢复能力、功率和内阻等电性能参数测试及分析 5 电池日历寿命与循环寿命测试及分析 6 振动、机械冲击、跌落、翻转、模拟碰撞、挤压等安全性能试验及分析 7 温度冲击、湿热循环、海水浸泡、外部火烧、盐雾、高海拔等环境试验及分析 8 动力电池管理系统（BMS）验证及功能性能评价 新能源动力电池综合检测及大数据分析技术可为客户定制动力电池全生命周期质量控制和追溯服务方案，向各行业客户提供专业技术服务， 广泛应用于研发端产品提升、质量端标准完善，政府端信息发布、企业端项目管控、消费端专业咨询等方面 ，保障电池使用人员生命财产安全，助力新能源汽车产业健康蓬勃发展。

　 　1、引言 　　近年来，便携式电子产品的迅猛发展促进了电池技术的更新换代。锂离子电池由于其具有高能量密度、长寿命、低自放电率、无污染等特性，迅速成为市场的主流电池产品。为了防止电池出现过充电或过放电状态、保证电池的安全性能和避免出现电池特性恶化现象，必须在锂离子电池组中安装保护电路 。同时要锂电池能够稳定可靠的为设备提供能量，对于电池的智能检测与监控是必须考虑的环节。锂电池供电是现代便携式设备最合适的供电方案，但其充放电安全性不如镍铬电池、镍氢电池及普通一次性干电池的传统电源 。如果充放电方法不对，将会导致锂电池发生安全问题，甚至爆炸，故锂电池有必要加入监控电路以实时监控充放电过程 。本文以珠海炬力SOC芯片ATJ2085来设计锂电池的外围检测系统，该设计方案以微处理器作为各种功能控制的核心, 除了对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外, 还可有效的对锂离子电池组内各单节锂电的充、放电提供平衡保护、能够实时检测出电池所处状态并对锂电池进行保护。 　　 2、ATJ2085的电池监测的功能的使用 　　ATJ2085为LQFP封装，64针脚，采用内嵌式的M CU和24-bit DSP双处理器体系结构，分别完成针对操作事件控制和多媒体数据编/解码算法的系统级优化，通过数模混合信号技术，在单一硅片上集成了高精度ADC/DAC转换器、USB控制器，实时时钟RTC等。支持USB2.0(FULLSPEED)，支援MP3/WMA/WAV/WMV/ASF等格式媒体播放；支持MTV电影播放；支持JPG、GIF、BMP图片浏览。其系统集成度高，外围应用电路简单，拥有功能完善而成熟的开发工具和环境。 　　在ATJ2085中，电池电压从电池电压检测引脚VBATPIN输入，VBAT的电压范围小于3.0伏，所以无论一节碱性电池（1.5V）供电还是两节碱性电池（3.0V）供电，在外部电池供电电压小于3.0伏时外部都无需要加分压电阻。ATJ2085中有一个4bit的ADC，它把0.9-1.5伏之间的电压16等分为：0.90V，0.94V，0.98V，1.02V，1.06V，1.10V，1.14V，1.18V，1.22V，1.26V，1.30V，1.34V，1.38V，1.42V，1.46V，1.50V。当电池电压大于3.0伏供电时，BATSEL接高电平，决定了从VBATPIN脚输入的电压在比较前会被分压。并且A/D变换出来的数值会每2秒一次被记录在IO PORT(D8H).BIT 里，这样软件就可以读回IO PORT(D8H)中的值，与功能规格表（表1）中的值作比较，来确定要显示的电池电量及采取的动作。很明显ATJ2085能在更多点上监测电池电压。 　　表1   功能规格表 　　举例如下： 　　假设VL0VL1VL2VL3，电池电量显示为3格 　　选VL0=1.30V, 即IO PORT(D8H).BIT =0AH， 　　VL1=1.10V, 即IO PORT(D8H).BIT =05H， 　　VL2=0.98V, 即IO PORT(D8H).BIT =02H， 　　当VBATVL0时，电池电量显示为满格； 　　当VL0VBATVL1时，电池电量显示为缺1格； 　　当VL1VBATVL2时，电池电量显示为缺2格； 　　当VBAT 　　另外，当电池的电压低于某个电压时(假设VL2),软件把一些耗电大的电路关断（利用IO PORT控制），如DSP,DAC等等。当VBAT PIN脚上的电压低于LBD PIN脚的电压时，ATJ2085仍会被无条件复位。 　 　3、电池检测系统设计 　　3.1 电路设计 　　在本文中检测电路仅仅列出锂电池检测电路的原理图,该设计考虑到了锂电池的过压特性，于是选用SC805电池检测芯片来进行硬件电路的设计。如下图所示，电路图一部分是对于USB充电和过压的保护设计，另一部分为电池电量检测   　　图1   检测电路 　　正如ATJ2085的电池监测的功能的使用描述一样，需要在电池两端连接电阻R424和电阻R422（理想状态下电阻R424和电阻R422比值应该为1：2）来分压。但是考虑到非理想ADC的量化间隔是非等宽的，这势必导致ADC器件不能完全正确地把模拟信号转化成相应的二进制码，从而造成信噪比的下降；且ADC每个量化的二进制码所对应的量化间隔都不同，为了使设计的系统参数尽可能准确，我们需要克服微分非线性量化误差 。于是需要调整R424和R422的组值（如图1所示）。 　 　3.2 电压检测 　　ATJ2085内部有一个4 Bit非理想 ADC.作为检测电源电压之用。此4 bit ADC可以根据固件(F/W)设定的电压值，产生LB-和LBNMI-信号。对于锂电池，由于自身特性不可能使产生的电压直接可以达到0～1.5，需要利用如下公式分压： 　　将分压后的值与锂电池实际值进行对应，其电压检测如表2所示： 　　表2   锂电池电压检测表 　　通过硬件后可以将表2的值对应到表1中去通过调用以下软件流程进行处理。 　　 3.3 软件流程 　　该检测系统软件设计流程如图2所示： 　　首先清watchdog，然后通过GPIO_A0检测USB状态，接下来进行充电引脚GPIO确认并开始充电，充电时将GPIO_A0(如检测电路图)寄存器的对应位置高电平，同时利用GPIO_B6进行电池状态检测 。当需要对4位ADC寄存器读写数据时，需要设置其端口值参数，通过电池状态检测后，最后将检测到的电池参数通过显示函数显示在LCD上。 　　其初始化代码如下： 　　output8(0x4e,input8(0x4e)|0x08)//清watchdog 　 　    output8(0xee,input8(0xee)|0x01); //初始化端口参数，开始充电 　　    output8(0xf0,input8(0xf0)0xbf); 　　    output8(0xf1,input8(0xf1)|0x40); 　　                output8(0xee,input8(0xee) 0xfe); 　　                if((input8(0x50)0x40)!=0x40) 　　                if(!(input8(0xee)0x04))   //防止充电黑屏后拔掉USB不开 　 　4、结束语 　　通过该方法设计的锂电池检测系统不仅可以有效防止电池的过压、过充、过放、过温，同时可以智能监控电池的电压状态；该设计方案简单易行，稳定可靠，对于嵌入式系统的设计与研发具有一定的指导意义和实践价值。该方法的创新之处在于不管外接干电池、锂电池还是镍氢电池均可以用该电路设计方法对电池进行监控。 　 　参考文献： 　　 邓绍刚，汪艳等，锂电池保护电路的设计 ，电子科技2006年第l0期(总第205期) 　　 陆安江,张正平,唐薇, 兼容USB的便携式设备锂电池充电电路设计 ,2007年中国仪器仪表交流论文集，2007 　　 刘京南，电子电路基础 ，电子工业出版社，2003年7月 　　 上海东钜电子有限公司，现代锂电保护IC 的特点和应用 ，电子设计应用，2003 　　 李凯，张斌，一种新型智能动力锂电池组能源管理模块 ，微计算机信息 2006年第9-1期 　　 Actions ATJ2085 Data sheet Version 1.0, 2004 　　 Actions ATJ2085 Programming Guide, Version 2.7 ,2004