陶維青，吳 彥，曹 軍，張英杰，李雪婷
(1.合肥工業大學，新能源利用與節能安徽省重點實驗室，安徽合肥 230009；
2.安徽晶宸未來科技有限公司，安徽合肥 230099)
鋰離子電池以其最高能量密度、綠色環保、自放電少等顯著優點，已經成為動力電池研發和電動汽車應用中的重要研究對象[1]。為滿足電動汽車的動力需求，動力電池組需要將一致性高的單體電池分選出來進行成組，單體電池的分容化成過程直接影響著電池的一致性等級評定。因此，分容化成設備的測量精度直接決定了單體電池的良品率[2-3]。
鋰離子電池首次充電被稱為化成，化成過程中會在電池負極表面形成決定單體電池電化學性能的固體電解質界面(SEI)膜[4-5]。電池分容是指對首次充電后的電池進行充放電以確定電池的容量和內阻，并對質量等級不同的單體電池進行分組編排，篩選出內阻和容量相近的進行組合[6]。電池生產時電池分容化成設備處于持續運行狀態，運行時需要精確控制充放電的電流或電壓幅值和脈沖波形，因此需要對其定期進行檢測校準。由于生產工藝和環境的差異導致單體電池內阻和容量等不一致，不一致性高的單體電池通過串并聯等方式成組后，性能遠遠不及單體電池的性能。研究表明，單體電池間20%的內阻差異就會降低并聯電池組40%的循環壽命[7]。單體電池的一致性差異是加速電池組性能退化的重要因素之一[8-10]。
目前分容化成設備的檢測裝置存在組件較多、檢測操作復雜、效率低、穩定性無法保障、無法在線監控和精度一般的問題[11-12]。為了解決上述問題，提高單體電池一致性，本文設計了一種電池分容化成校驗系統，對分容化成設備進行檢測，該系統可實現遠程監控分容化成設備精確度，數據以JSON格式上傳至華為云平臺，平臺側可對末端檢驗裝置下發校準指令和監控設備狀態等，便于人員操作。此外本文引入了雙校準概念，將校驗裝置硬件進行模塊化設計，首先對校驗裝置進行失調和增益校準，并對校驗裝置的測量數據采用最小二乘法進行回歸擬合，使得測量精度進一步提高，保證單體電池的一致性。
1.1 系統設計
系統整體架構設計劃分為感知層、網絡層、應用層[13]。感知層利用電池分容化成校驗裝置采集電壓、電流和溫度數據，分容化成設備電流檢測導線直接穿過校驗裝置的傳感器，電壓線并接到校驗裝置的電壓接入端子實現零散電池包的分容化成設備校準檢測。網絡層采用華為云平臺作為核心，網絡層與感知層的連接采用MQTT協議進行通信。應用層負責處理采集的電壓電流數據，實現遠程監控分容化成設備狀態、升級等。將檢測出來的每路單體電池電壓電流值與該電池生產廠商的分容化成設備采樣的電壓電流值進行比對，從而檢驗分容化成設備精度。校驗裝置系統方案如圖1所示。
圖1 電池分容化成校驗系統設計
1.2 MQTT協議介紹
MQTT(message queuing telemetry transport，消息隊列遙測傳輸)是一種物聯網應用層傳輸協議，其獨特的發布/訂閱模式消息服務，可提供一對多通信服務。MQTT報文由固定報頭、可變報頭、有效載荷組成，提供3種等級服務質量(QoS0-2)消息[14-16]。MQTT傳輸的消息實體由消息類型Topic和消息內容Payload構成。MQTT的實現需由發布者(MQTT客戶端)、Broker(MQTT服務器)、訂閱者(MQTT客戶端)3部分組成。MQTT客戶端負責建立網絡連接、創建要發布的消息、訂閱和退訂相關任務；
MQTT服務器負責網絡連接維護、接收發布的消息、處理訂閱和退訂請求。如圖2所示，本文電池分容化成校驗裝置負責發布消息、訂閱升級和校準任務，用戶通過PC端登錄系統平臺實現訂閱查看，服務器端對上報的電壓、電流、溫度和設備狀態數據進行存儲。
圖2 MQTT發布訂閱
2.1 硬件電路組成
電池分容化成校驗裝置采用模塊化設計，主要硬件由主控MCU模塊、電流采集模塊、電壓采集模塊、AD采樣模塊、電源模塊、時鐘模塊、存儲模塊和通信模塊組成，如圖3所示。
圖3 校驗裝置硬件組成
2.2 電流/電壓采集模塊
采集模塊負責采集鋰電池分容化成過程中電壓、電流值。分容化成設備探針電流經霍爾傳感器并通過信號放大、隔離保護后傳遞給相應的AD采樣通道轉化為電流數字量。鋰電池極柱電壓通過信號調理后直接傳遞給對應的AD采樣通道，經AD轉換為數字信號并通過軟件處理后得到相應的電壓數據。
2.3 主控MCU模塊
主控模塊采用STM32L431RC作為校驗裝置的MCU。STM32L431RC以32位的Cortex-M4 RISC為內核，主頻最高可至80 MHz，支持單精度數據處理指令，具有超低功耗特性和較強的運算處理能力，內置存儲器保護單元，可適用于多種應用場景。主控CPU負責控制數據采集以及云平臺命令交互的實現，可以很好完成該系統所需設計。
2.4 AD采樣模塊
AD采樣模塊采用24位16通道采樣率達250 KSPS的高精度AD7175芯片。AD7175通道最大掃描速率為50 KSPS，輸出數據速率范圍為5 SPS～250 KSPS。AD7175的可編程功能通過SPI串行接口控制，并且所選定的模擬輸入通道可單獨進行增益與失調校準、內外基準電壓源選擇、濾波器類型和數據輸出速率等配置。AD7175內置增益和失調寄存器，分別存放增益和失調系數。AD7175可通過使能SINC5+SINC1濾波器選項，降低噪聲影響和實現單周期建立，并配置連續讀取工作模式實現對多路電池數據的循環采集。綜上，AD7175可以提高電壓電流采集的可靠性。
2.5 電源、時鐘及存儲模塊
校驗裝置電源模塊采用外部220 V電源供電，提供裝置內各硬件模塊的工作電壓。時鐘模塊采用RX-8025T芯片,負責維持分容化成校驗裝置內部時鐘，是AD采樣數據時標的來源。存儲模塊負責存儲校準參數和平臺接入數據。
2.6 通信模塊
考慮到分容化成設備環境的不同，校驗裝置內包含了有線和無線通信方式。校驗裝置設置了以太網接口和多路RS232通信接口作為有線通信方式，無線通信方式采用無線WiFi通信，以實現與云平臺和上位機維護軟件的連接，根據應用場景的需要采用不同的通信方式。無線通信通過ESP8266通信模組實現，該模塊支持IPv4/TCP/UDP/HTTP/FTP等通信協議。ESP8266模塊通過串口與主控MCU進行數據通信，模塊TX和RX腳接STM32的USART1發送和接收引腳。ESP8266模塊高度片內集成，有著強大的片上處理和存儲能力，適合本系統設計需求。
設備采樣誤差指的是采樣結果與被測真實值的差值。采樣誤差分為相對誤差和固定誤差2類，影響系統數據采樣精度的主要是相對誤差。設備內部電路需要供電電壓，ADC需要參考電壓，供電電壓和參考電壓的不穩定性導致了相對誤差的產生，而固定誤差主要是由噪聲、零點漂移和溫度漂移等因素引起的。對于一個被測量x，如果有一組相互獨立的因素影響它的測量值，這些因素對應x的不確定分量為x1,x2,…,xn，那么x的總誤差為[17]
(1)
由式(1)可知，當不確定分量越小和被測量x的影響因素越少時，誤差越小，采樣精度越高。可通過對各模塊硬件電路的改進來減少被測量的影響因素，但是不可能完全消除采集系統的所有影響因素，采樣電路中的元器件存在著參數偏差以及受周圍環境影響產生的誤差。若要進一步減小誤差，提高數據采集精度，需要引入誤差校準方法來減小不確定分量。如圖4所示，對于初始測量的電壓電流值，須經固定誤差和相對誤差校準后得到準確值。
圖4 數據處理流程
3.1 固定誤差處理
固定誤差主要源自于AD采樣時產生的誤差，因此需要對AD采樣模塊進行校準。ADC的誤差包含失調和增益誤差，失調誤差是指當系統輸入電壓電流為零時與實測值之間的電壓電流偏差；
ADC的增益誤差是指在輸入最大電壓電流時，實際測量值與輸入值之間的偏差。ADC傳遞函數可等效成線性函數Y=KX+B形式。AD采樣模塊誤差校準流程如圖5所示。
圖5 AD采樣模塊校準流程
首先對校驗裝置進行系統零電平失調校準，計算出電壓、電流的失調系數BU、BI；
其次分別對裝置進行電壓、電流系統滿量程增益校準，計算得出裝置的增益系數KU、KI。將求得的校準參數存入FLASH中，裝置上電初始化后寫入ADC內部的失調和增益寄存器中，保證掉電不丟失。
3.2 系統誤差處理
對于系統誤差，選用了最小二乘法進行擬合。測試點數據通過直流標準源輸入得到。均方誤差為
(2)
式中:xi為直流標準源輸入值；
yi為校驗裝置實測值；
i=1,2,…，j；
j為校準樣本數量；
p(x)=n+mx為擬合直線。
根據多元微積分的知識，ε極小值有如下約束：
(3)
對式(3)求解，結果如下：
(4)
通過這種方法可以求解出校準參數m和n。檢驗系統實測值滿足如下線性等式：
p(xi)=n+mxi
(5)
將求得的校準參數m和n存入單片機內部的FLASH中，在對數據進行系統誤差校準時調用，進一步提高了校準精度。定期會對校驗裝置進行精度校準，保證數據準確性。
4.1 檢驗裝置軟件設計
校驗裝置軟件設計包括對多路電壓、電流、溫度數據的采集記錄、監控分容化成設備的工作狀態、數據整理與上傳和程序更新等內容。
本設計嵌入式軟件采用LiteOS操作系統。系統上電后校驗裝置進行硬件和LiteOS初始化任務，選用ESP8266模塊與華為云端構建連接，主控MCU向模塊發送AT指令，通過調用WiFi_Connect和deal_conn_msg函數實現與無線WiFi和華為云平臺的連接。當設備側因網絡波動等原因意外斷連時觸發MQTT協議的遺囑(Will)機制，保證了應用側的訂閱方能及時收到裝置意外離線的通知。連接云平臺后校驗裝置發送時鐘對時請求，對時成功后開始檢測分容化成設備運行狀態并等待平臺發送命令任務處理。若分容化成設備開始運行，校驗裝置主控MCU開始輪詢召測電壓、電流和溫度數據，再通過調用deal_report_msg和deal_report_status函數上報數據與設備運行狀態，若設備未運行，直接上報分容化成設備待機狀態。校驗裝置主程序流程如圖6所示。
圖6 校驗裝置主程序流程圖
4.2 物聯網平臺設計
物聯網云平臺有著管理海量設備接入、采集數據上云存儲分析和云端下發命令進行遠程控制的能力。本文設計通過MQTT協議接入云平臺，通過JSON格式將電池電壓、電流、溫度數據以及設備狀態進行上報。
平臺側根據上報數據類型創建電池分容化成校驗系統產品，定義數據上報協議為MQTT，數據格式為JSON；
定義產品模型，配置產品數據服務ID和數據屬性，數據屬性包括電壓、電流、溫度與設備狀態；
配置命令服務ID和校準命令參數；
注冊電池分容化成校驗裝置，填寫設備唯一標識碼和設備密鑰，平臺自動生成設備ID，保證數據傳輸安全性；
感知層校驗裝置運行時通過保存在FLASH中的設備ID和密鑰連接鑒權；
鑒權成功校驗裝置接入云平臺，校驗裝置通過MQTT通道發給指定的Topic，主動向云平臺上報采集數據和分容化成設備狀態，實現動態監控，若上報的電壓、電流和溫度超過云平臺所設置相應的閾值，系統會發送告警通知；
云平臺也可通過指定的Topic下發升級和AD校準指令給校驗裝置。平臺設計流程如圖7所示。
圖7 云平臺設計流程
MQTT的通信過程需要通過不同的Topic進行訂閱發布，服務器會將消息發送給訂閱該Topic的客戶端，從而實現設備端和服務端的通信。如表1所示，平臺端與校驗裝置之間的通信設置的Topic有4種，分別是裝置消息上報、裝置命令、裝置屬性和裝置事件，它們在通信過程中擔任著屬性數據上報、事件數據上報、響應、命令下發、查詢和事件下發等功能。
表1 MQTT通信主題
電池分容化成校驗裝置主要對電壓、電流和溫度數據進行采集，裝置上電后將數據信息上傳至云服務器。校驗裝置軟件設計完成后編譯、燒錄進STM32處理器里保存，并搭建如圖8的校準環境。
圖8 校準測試接線圖
本文通過直流標準源給定標準電壓、電流值，比較分析校準前后的測量精度。電壓選取1、5、10 V，電流選取10、30、50、100、150 A，校準前后測量結果如表2所示。沒有經過校準的數據只有部分測量值滿足0.05%精度要求。對校驗裝置進行AD校準和最小二乘法擬合后，校準后數據均滿足0.05%的精度要求。實驗結果表明本文引入的雙校準方法可以為該系統設計提供測量精度保證。
表2 校準前后測量結果
本文設計了一種基于物聯網技術的電池分容化成校驗系統，引入AD校準和最小二乘法擬合對校驗裝置進行電壓、電流精度校正，校驗裝置對電壓和電流的檢測精度為0.05%。采樣數據通過無線WiFi傳輸至華為云平臺，有效降低了系統延時。該系統不僅可以遠程監控分容化成設備精度，還可對設備運行狀態進行檢測，解決了電池分容化成檢測裝置組件較多、檢測操作復雜、穩定性無法保障以及精度一般的問題。整個系統操作便捷、拓展性高，在分容化成設備檢測方面有很好的應用前景。
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