陶维青，吴 彦，曹 军，张英杰，李雪婷
(1.合肥工业大学，新能源利用与节能安徽省重点实验室，安徽合肥 230009；
2.安徽晶宸未来科技有限公司，安徽合肥 230099)
锂离子电池以其最高能量密度、绿色环保、自放电少等显著优点，已经成为动力电池研发和电动汽车应用中的重要研究对象[1]。为满足电动汽车的动力需求，动力电池组需要将一致性高的单体电池分选出来进行成组，单体电池的分容化成过程直接影响着电池的一致性等级评定。因此，分容化成设备的测量精度直接决定了单体电池的良品率[2-3]。
锂离子电池首次充电被称为化成，化成过程中会在电池负极表面形成决定单体电池电化学性能的固体电解质界面(SEI)膜[4-5]。电池分容是指对首次充电后的电池进行充放电以确定电池的容量和内阻，并对质量等级不同的单体电池进行分组编排，筛选出内阻和容量相近的进行组合[6]。电池生产时电池分容化成设备处于持续运行状态，运行时需要精确控制充放电的电流或电压幅值和脉冲波形，因此需要对其定期进行检测校准。由于生产工艺和环境的差异导致单体电池内阻和容量等不一致，不一致性高的单体电池通过串并联等方式成组后，性能远远不及单体电池的性能。研究表明，单体电池间20%的内阻差异就会降低并联电池组40%的循环寿命[7]。单体电池的一致性差异是加速电池组性能退化的重要因素之一[8-10]。
目前分容化成设备的检测装置存在组件较多、检测操作复杂、效率低、稳定性无法保障、无法在线监控和精度一般的问题[11-12]。为了解决上述问题，提高单体电池一致性，本文设计了一种电池分容化成校验系统，对分容化成设备进行检测，该系统可实现远程监控分容化成设备精确度，数据以JSON格式上传至华为云平台，平台侧可对末端检验装置下发校准指令和监控设备状态等，便于人员操作。此外本文引入了双校准概念，将校验装置硬件进行模块化设计，首先对校验装置进行失调和增益校准，并对校验装置的测量数据采用最小二乘法进行回归拟合，使得测量精度进一步提高，保证单体电池的一致性。
1.1 系统设计
系统整体架构设计划分为感知层、网络层、应用层[13]。感知层利用电池分容化成校验装置采集电压、电流和温度数据，分容化成设备电流检测导线直接穿过校验装置的传感器，电压线并接到校验装置的电压接入端子实现零散电池包的分容化成设备校准检测。网络层采用华为云平台作为核心，网络层与感知层的连接采用MQTT协议进行通信。应用层负责处理采集的电压电流数据，实现远程监控分容化成设备状态、升级等。将检测出来的每路单体电池电压电流值与该电池生产厂商的分容化成设备采样的电压电流值进行比对，从而检验分容化成设备精度。校验装置系统方案如图1所示。
图1 电池分容化成校验系统设计
1.2 MQTT协议介绍
MQTT(message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输)是一种物联网应用层传输协议，其独特的发布/订阅模式消息服务，可提供一对多通信服务。MQTT报文由固定报头、可变报头、有效载荷组成，提供3种等级服务质量(QoS0-2)消息[14-16]。MQTT传输的消息实体由消息类型Topic和消息内容Payload构成。MQTT的实现需由发布者(MQTT客户端)、Broker(MQTT服务器)、订阅者(MQTT客户端)3部分组成。MQTT客户端负责建立网络连接、创建要发布的消息、订阅和退订相关任务；
MQTT服务器负责网络连接维护、接收发布的消息、处理订阅和退订请求。如图2所示，本文电池分容化成校验装置负责发布消息、订阅升级和校准任务，用户通过PC端登录系统平台实现订阅查看，服务器端对上报的电压、电流、温度和设备状态数据进行存储。
图2 MQTT发布订阅
2.1 硬件电路组成
电池分容化成校验装置采用模块化设计，主要硬件由主控MCU模块、电流采集模块、电压采集模块、AD采样模块、电源模块、时钟模块、存储模块和通信模块组成，如图3所示。
图3 校验装置硬件组成
2.2 电流/电压采集模块
采集模块负责采集锂电池分容化成过程中电压、电流值。分容化成设备探针电流经霍尔传感器并通过信号放大、隔离保护后传递给相应的AD采样通道转化为电流数字量。锂电池极柱电压通过信号调理后直接传递给对应的AD采样通道，经AD转换为数字信号并通过软件处理后得到相应的电压数据。
2.3 主控MCU模块
主控模块采用STM32L431RC作为校验装置的MCU。STM32L431RC以32位的Cortex-M4 RISC为内核，主频最高可至80 MHz，支持单精度数据处理指令，具有超低功耗特性和较强的运算处理能力，内置存储器保护单元，可适用于多种应用场景。主控CPU负责控制数据采集以及云平台命令交互的实现，可以很好完成该系统所需设计。
2.4 AD采样模块
AD采样模块采用24位16通道采样率达250 KSPS的高精度AD7175芯片。AD7175通道最大扫描速率为50 KSPS，输出数据速率范围为5 SPS～250 KSPS。AD7175的可编程功能通过SPI串行接口控制，并且所选定的模拟输入通道可单独进行增益与失调校准、内外基准电压源选择、滤波器类型和数据输出速率等配置。AD7175内置增益和失调寄存器，分别存放增益和失调系数。AD7175可通过使能SINC5+SINC1滤波器选项，降低噪声影响和实现单周期建立，并配置连续读取工作模式实现对多路电池数据的循环采集。综上，AD7175可以提高电压电流采集的可靠性。
2.5 电源、时钟及存储模块
校验装置电源模块采用外部220 V电源供电，提供装置内各硬件模块的工作电压。时钟模块采用RX-8025T芯片,负责维持分容化成校验装置内部时钟，是AD采样数据时标的来源。存储模块负责存储校准参数和平台接入数据。
2.6 通信模块
考虑到分容化成设备环境的不同，校验装置内包含了有线和无线通信方式。校验装置设置了以太网接口和多路RS232通信接口作为有线通信方式，无线通信方式采用无线WiFi通信，以实现与云平台和上位机维护软件的连接，根据应用场景的需要采用不同的通信方式。无线通信通过ESP8266通信模组实现，该模块支持IPv4/TCP/UDP/HTTP/FTP等通信协议。ESP8266模块通过串口与主控MCU进行数据通信，模块TX和RX脚接STM32的USART1发送和接收引脚。ESP8266模块高度片内集成，有着强大的片上处理和存储能力，适合本系统设计需求。
设备采样误差指的是采样结果与被测真实值的差值。采样误差分为相对误差和固定误差2类，影响系统数据采样精度的主要是相对误差。设备内部电路需要供电电压，ADC需要参考电压，供电电压和参考电压的不稳定性导致了相对误差的产生，而固定误差主要是由噪声、零点漂移和温度漂移等因素引起的。对于一个被测量x，如果有一组相互独立的因素影响它的测量值，这些因素对应x的不确定分量为x1,x2,…,xn，那么x的总误差为[17]
(1)
由式(1)可知，当不确定分量越小和被测量x的影响因素越少时，误差越小，采样精度越高。可通过对各模块硬件电路的改进来减少被测量的影响因素，但是不可能完全消除采集系统的所有影响因素，采样电路中的元器件存在着参数偏差以及受周围环境影响产生的误差。若要进一步减小误差，提高数据采集精度，需要引入误差校准方法来减小不确定分量。如图4所示，对于初始测量的电压电流值，须经固定误差和相对误差校准后得到准确值。
图4 数据处理流程
3.1 固定误差处理
固定误差主要源自于AD采样时产生的误差，因此需要对AD采样模块进行校准。ADC的误差包含失调和增益误差，失调误差是指当系统输入电压电流为零时与实测值之间的电压电流偏差；
ADC的增益误差是指在输入最大电压电流时，实际测量值与输入值之间的偏差。ADC传递函数可等效成线性函数Y=KX+B形式。AD采样模块误差校准流程如图5所示。
图5 AD采样模块校准流程
首先对校验装置进行系统零电平失调校准，计算出电压、电流的失调系数BU、BI；
其次分别对装置进行电压、电流系统满量程增益校准，计算得出装置的增益系数KU、KI。将求得的校准参数存入FLASH中，装置上电初始化后写入ADC内部的失调和增益寄存器中，保证掉电不丢失。
3.2 系统误差处理
对于系统误差，选用了最小二乘法进行拟合。测试点数据通过直流标准源输入得到。均方误差为
(2)
式中:xi为直流标准源输入值；
yi为校验装置实测值；
i=1,2,…，j；
j为校准样本数量；
p(x)=n+mx为拟合直线。
根据多元微积分的知识，ε极小值有如下约束：
(3)
对式(3)求解，结果如下：
(4)
通过这种方法可以求解出校准参数m和n。检验系统实测值满足如下线性等式：
p(xi)=n+mxi
(5)
将求得的校准参数m和n存入单片机内部的FLASH中，在对数据进行系统误差校准时调用，进一步提高了校准精度。定期会对校验装置进行精度校准，保证数据准确性。
4.1 检验装置软件设计
校验装置软件设计包括对多路电压、电流、温度数据的采集记录、监控分容化成设备的工作状态、数据整理与上传和程序更新等内容。
本设计嵌入式软件采用LiteOS操作系统。系统上电后校验装置进行硬件和LiteOS初始化任务，选用ESP8266模块与华为云端构建连接，主控MCU向模块发送AT指令，通过调用WiFi_Connect和deal_conn_msg函数实现与无线WiFi和华为云平台的连接。当设备侧因网络波动等原因意外断连时触发MQTT协议的遗嘱(Will)机制，保证了应用侧的订阅方能及时收到装置意外离线的通知。连接云平台后校验装置发送时钟对时请求，对时成功后开始检测分容化成设备运行状态并等待平台发送命令任务处理。若分容化成设备开始运行，校验装置主控MCU开始轮询召测电压、电流和温度数据，再通过调用deal_report_msg和deal_report_status函数上报数据与设备运行状态，若设备未运行，直接上报分容化成设备待机状态。校验装置主程序流程如图6所示。
图6 校验装置主程序流程图
4.2 物联网平台设计
物联网云平台有着管理海量设备接入、采集数据上云存储分析和云端下发命令进行远程控制的能力。本文设计通过MQTT协议接入云平台，通过JSON格式将电池电压、电流、温度数据以及设备状态进行上报。
平台侧根据上报数据类型创建电池分容化成校验系统产品，定义数据上报协议为MQTT，数据格式为JSON；
定义产品模型，配置产品数据服务ID和数据属性，数据属性包括电压、电流、温度与设备状态；
配置命令服务ID和校准命令参数；
注册电池分容化成校验装置，填写设备唯一标识码和设备密钥，平台自动生成设备ID，保证数据传输安全性；
感知层校验装置运行时通过保存在FLASH中的设备ID和密钥连接鉴权；
鉴权成功校验装置接入云平台，校验装置通过MQTT通道发给指定的Topic，主动向云平台上报采集数据和分容化成设备状态，实现动态监控，若上报的电压、电流和温度超过云平台所设置相应的阈值，系统会发送告警通知；
云平台也可通过指定的Topic下发升级和AD校准指令给校验装置。平台设计流程如图7所示。
图7 云平台设计流程
MQTT的通信过程需要通过不同的Topic进行订阅发布，服务器会将消息发送给订阅该Topic的客户端，从而实现设备端和服务端的通信。如表1所示，平台端与校验装置之间的通信设置的Topic有4种，分别是装置消息上报、装置命令、装置属性和装置事件，它们在通信过程中担任着属性数据上报、事件数据上报、响应、命令下发、查询和事件下发等功能。
表1 MQTT通信主题
电池分容化成校验装置主要对电压、电流和温度数据进行采集，装置上电后将数据信息上传至云服务器。校验装置软件设计完成后编译、烧录进STM32处理器里保存，并搭建如图8的校准环境。
图8 校准测试接线图
本文通过直流标准源给定标准电压、电流值，比较分析校准前后的测量精度。电压选取1、5、10 V，电流选取10、30、50、100、150 A，校准前后测量结果如表2所示。没有经过校准的数据只有部分测量值满足0.05%精度要求。对校验装置进行AD校准和最小二乘法拟合后，校准后数据均满足0.05%的精度要求。实验结果表明本文引入的双校准方法可以为该系统设计提供测量精度保证。
表2 校准前后测量结果
本文设计了一种基于物联网技术的电池分容化成校验系统，引入AD校准和最小二乘法拟合对校验装置进行电压、电流精度校正，校验装置对电压和电流的检测精度为0.05%。采样数据通过无线WiFi传输至华为云平台，有效降低了系统延时。该系统不仅可以远程监控分容化成设备精度，还可对设备运行状态进行检测，解决了电池分容化成检测装置组件较多、检测操作复杂、稳定性无法保障以及精度一般的问题。整个系统操作便捷、拓展性高，在分容化成设备检测方面有很好的应用前景。
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