基于Java的锂电池安全性能检测系统研发

秦小英

(宣化科技职业学院，河北张家口075100)

基于Java的锂电池安全性能检测系统研发

秦小英

(宣化科技职业学院，河北张家口075100)

锂离子电池在实际应用过程中所存在的安全隐患是业界一直面临的难题，也成为锂离子电池推广应用的阻碍。及时发现锂离子电池的过充电、短路、高温、针刺等极端使用条件，是改善锂离子电池安全性的重点。重点研究了如何检测出锂离子所处的极端使用条件及其安全性的保证。并利用Java语言开发了相关的计算机检测系统。

锂离子电池；安全性；检测；Java

随着科技的进步，大量的电子产品成为人们生活中必不可少的部分。而这些电子产品的出现给电池行业提出了更高的要求。在众多的电池产品中，锂电池凭借其体积小、容量大、电压稳定、可靠性强、无污染等优点，成为电子及动力设备领域中应用电池的佼佼者，受到了大家的关注。

目前，对于锂电池的创新及研究还一直呈快速发展阶段。随着研究的深入，锂电池逐渐向可充放电二次锂电池及高容量、高功率的方向发展。但是，与此同时，锂电池及相关产品的安全性能也日益受到了关注。

对于传统的化学电池，如铅酸电池、镍镉电池以及金属氢化物镍电池来说，由于电池体系通常为水溶液体系，而且其能量密度相对来说不高，因此在使用过程中基本是安全的。对于锂电池，在正常使用的情况下一般也是安全的，但是在不合理的误用或滥用条件下则会产生很大的危险[1]。

本课题通过对锂离子电池安全性问题的研究，得出锂电池在不同使用过程中的相关安全性问题，并利用硬件和软件系统，开发出了锂电池安全性能检测系统。

1 锂离子电池安全性问题分析

锂离子电池的安全性问题来源于其内部的材料组成，其最终的表现形式是热效应所造成的能量过高，形成爆炸，对生命和财产安全造成不利的影响。而在一定的条件下，锂电池的运行是安全、可靠和高效的，因此，通过一定的技术手段保证锂离子电池脱离极端危险运行条件是保证其安全运行的方式之一。

锂离子的安全性主要来自于几个方面：过充电、短路、高温、针刺等都是隐患因素。图1所展示的是锂电池在过充电、高温、针刺及短路时所形成的反应过程和所面临的危险。从图中可知，不论是过充电，还是高温，其最终的结果都是在锂离子电池内部形成短路的过程。在这种情况下，内部短路所引起的大电流造成锂电池内部温度急剧升高，从而引起内部的化学反应，该反应会造成两方面的结果：一方面，引起内部氧化反应，致使正极析出金属锂；另一方面，有机电解液在大电流及高温的作用下被电解产生气体，气体膨胀冲击破坏壳；壳体破坏后，金属锂与空气大量接触，导致燃烧，从而出现热失控，一旦热失控开始，气体急速膨胀，发生爆炸。

图1 锂离子极端条件反应图

综上所述可知，采取一定的手段，防止过充电、高温、短路和针刺情况的发生是安全问题解决的根本所在。

解决以上问题，可以从锂电池的组成材料入手，选用安全性高的材料是阻止正极发生氧化反应的前提条件。除此之外，增加防爆阀、加强温度及电流、电压的检测也是锂电池安全运行的保证。

2 系统整体设计及硬件组成

锂电池安全检测由硬件系统和软件系统两部分组成，硬件系统组成了系统的下位机，主要任务是完成电池运行状态的检测，其核心部件采取DSP来完成；软件系统组成系统的上位机，主要完成电池运行状态的显示、计算、控制命令的下达等功能，本设计采用Java来完成。

系统总体硬件结构如图2所示。

图2 系统总体硬件结构图

根据图2所示，系统整体由三部分组成：(1)底层采集系统；(2)系统数据处理中心；(3)上位机监控软件。

底层采集系统完成的是电池性能参数的测量与采集，电池性能的参数主要有：电池电压、容量、能量、效率、循环寿命、工作温度、内部压力等[2]，而需要采集的数据有：电池电压、电池电流、容量、效率、循环寿命，所使用的方法基本都是构成相应的电子测量电路来测电压或电流，或利用相应的传感器。所采集的数据由采集点利用CAN总线传送至现场单片机中。

系统数据处理中心由现场单片机、DSP芯片、嵌入式网关、服务器组成。现场单片机主要负责将每一个电池的现场采集数据传送至DSP芯片，不需要具有数据采集功能；单片机所采集的数据通过RS485接口传至DSP芯片，进行数据的初步处理。在本设计中，DSP芯片采用TMS320LF2407，具有运算速度高、传输速度快的优点。DSP的数据向上传送入嵌入式芯片，本设计选用Tiny4412担任嵌入式网关，起到下层通信协议和上层通信协议转换的目的。在系统数据处理中心还设置了服务器，服务器与Tiny4412之间利用串口相连，数据由TMS320LF2407通过Tiny4412传送至服务器。服务器中设置数据库，负责对采集数据和运行标准数据进行存储。

上位机通过Internet网与嵌入式网关相连，主要的功能是实时显示运行数据，合理绘制运行曲线，并将采集数据与标准数据的阈值进行对比，当超出阈值后，自动报警。

3 上位机系统的开发

上位机主要有六个模块，分别为设备管理模块、实时数据显示模块、控制模块、数据查询模块、报警模块、系统管理及报表输出模块。

编程语言选用Java来完成。Java具有面向对象的特点，利用Java所开发的代码有非常好的重用性，可以大大减少代码的冗余，使得程序更加精简[3]。

在上位机程序的开发过程中有两处尤为重要：一处为串口程序，串口程序的设计上，将串口独立的设计为一个类。包含了三个方法：获取串口，向串口写数据，向串口读数据。实现该功能需要引用一个额外的Java包：RXTXcomm.jar，该jar包由开源社区提供，实现了基本的串口通信功能。

获取串口方法如下，在该方法中首先将所有的串口保存在一个枚举对象中，然后通过判断枚举是否为空，不为空则取出枚举对象中下标为1的串口对象，转换为SerialPort对象后返回。具体程序为：

另一处为数据库连接程序，该程序使用的是传统的数据库连接方式JDBC。主要提供了两个方法：获取数据库连接和关闭数据库连接。

获取数据库连接的方法如下：

该方法将会返回一个数据库的连接，它的作用就是在程序和数据库之间建立起一座桥梁，程序和数据库之间的通信通过桥梁实现。

4 总结

本文在分析锂离子电池安全性问题的基础上，设计了以DSP为计算核心，嵌入式网关为通信核心的锂离子电池参数检测系统，给出了总体方案及硬件的基本选型，并利用Java开发了上位机系统。经测试，该系统具有应用灵活、实时性强的优点。

[1]陈波．便携式锂电池安全试验方法研究[D].苏州：苏州大学，2014：1-2.

[2]KOGGALAGER.Review of impedancemeasurements for determination of the state-of-charge or state of health of secondary batteries [J].Power Sources，1998，12(70):56-59.

[3]吕炎杰.智能电网监控系统上位机程序的设计与实现[D]．张家口：河北建筑工程学院，2015：17-19.

Developmentof lithium battery safety performance testsystem based on Java

QIN Xiao-ying
(Xuanhua Science&Technology VocationalCollege，Zhangjiakou Hebei075100，China)

The security hidden danger in the practicalapp lication of the lithium ion battery is the facing problem in the industry，also becomes a block for the popularization and app lication of the lithium ion battery.The discovery of the lithium ion battery charging extreme conditions of use，such as short circuit，high tem perature，acupuncture，is key point to im prove the safety of lithium ion battery.The detection of the lithium ion in the extreme conditions ofuse and the guarantee of safety were researched.And the Java language was used to develop related com puter detection system.

lithium ion batteries;security;detection;Java

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1495-03

2016-02-25

秦小英(1973—)，女，河北省人，本科，讲师，主要研究方向为计算机教学。