一種動力電池組均衡的測試裝置制造方法

一種動力電池組均衡的測試裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種動力電池組均衡的測試裝置，其包括一充電機、一放電機、多個單體均衡控制器。該充電機用于給被測電池組充電，該放電機用于給被測電池組放電。所述單體均衡控制器的數量與被測電池組的單體電池的數量一致，并且一個單體均衡控制器用于檢測一個單體電池的溫度和電壓。該動力電池組均衡的測試裝置，可以快速地進行包括均衡算法在內的電池管理系統算法開發。可以幫助相關企業和研究機構在進行動力電池管理系統算法開發時，提高效率，節約成本。
【專利說明】—種動力電池組均衡的測試裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電池【技術領域】，具體涉及一種動力電池的測試裝置。

【背景技術】
[0002]在能源危機與環境污染的雙重壓力下，新能源產業蓬勃發展。新能源汽車和儲能電站等領域，對于動力電池技術提出了更高的要求。一般而言，動力單體電池電壓與容量不足，必須通過串并聯的形式將動力電池組成電池組，才能滿足相應動力裝置或儲能裝置的功率需求。一個動力電池組可能包括上百個大容量動力單體電池，或者包括成千上萬個小容量動力單體電池。
[0003]通常動力電池組內電池存在不一致的問題，制造環節的不一致性是主要原因之一。這種不一致性體現在電池的各項基本指標上，如電壓不一致，容量不一致，內阻不一致，功率密度不一致等。通過嚴格控制制造環節中的工藝參數，能夠減小制造環節的不一致性。然而，造成動力電池組內不一致性問題的原因還不僅如此，動力電池成組后，單體電池所處的空間位置對應著不同的熱場、電場和機械使用條件，這些使用條件會使得成組之前一致性較好的電池組內的一致性變差。
[0004]總而言之，動力電池成組之后，總要面臨不一致性的問題。尤其對于長時間使用的電池組而言，不一致性的問題更加突出。目前為止，不一致性造成的主要表現是電池組釋放能量的能力減弱。由于通常只使用電池電壓作為電池充放電的截止標準，容量小，內阻大的單體電池將會首先達到其截止電壓，從而導致電池組的充放電能力被容量小、內阻大的單體電池所限制。不一致性的危害不僅包括電池組充放電容量的減小，還包括電池組總體壽命的縮短和電池安全性的隱患。有實驗數據證明，某款磷酸鐵鋰電池組在出現不一致性問題后，車輛的續駛里程從10km降低到70km ;另外，某款磷酸鐵鋰單體電池循環壽命可以達到1000次，而電池成組后的循環壽命僅300次。更重要的是，電池組內的不一致使得部分電池承受過大的電流，導致局部過熱，甚至導致熱失控的發生。
[0005]對于電池組內的不一致性問題，一種目前主流的解決方案即是電池均衡。電池均衡是指當電池組內各節單體電池由于不一致的問題無法完全充入/放出電量時，通過額外的充放電裝置，根據某種電池均衡算法，對于部分電池進行合理的充放電，以使得整個電池組充入/放出的電能達到最多。
[0006]錯誤的均衡算法可能導致不良的后果，如電池不一致性變化加劇，系統能量損耗加大等。不同的均衡方法對應著相應的硬件執行機構和軟件控制算法，在實際應用之前需要進行均衡效果測試。
[0007]具有不同材料體系的電池對應的均衡算法也不同，對應不同的使用工況而言對應的均衡算法也不同。在實際電池管理系統的開發過程中，對于均衡算法部分而言，需要能夠針對不同的開發需求，進行快速的開發，并且節約開發成本。然而，傳統的電池測試設備一般不包括硬件在環仿真的部分，并且也不具有對于單體電池進行均衡的執行機構，從而造成開發時間長，成本高。實用新型內容
[0008]有鑒于此，有必要提供一種動力電池組均衡的測試裝置，可以快速地進行包括均衡算法在內的電池管理系統算法開發，從而可以幫助相關企業和研究機構在進行動力電池管理系統算法開發時，提高效率，節約成本。
[0009]一種動力電池組均衡的測試裝置，其包括一充電機、一放電機、多個單體均衡控制器，該充電機用于給被測電池組充電，該放電機用于給被測電池組放電，所述單體均衡控制器的數量與被測電池組的單體電池的數量一致，并且一個單體均衡控制器用于檢測一個單體電池的溫度和電壓。
[0010]本實用新型提供的動力電池組均衡的測試裝置，可以通過其建立基于硬件在環仿真的電池測試平臺，對于包括均衡算法在內的電池管理系統算法進行快速的開發與測試，而不需要耗費時間在管理系統的硬件開發上。并且基于硬件在環仿真的測試平臺不需要完整的電池組或電池管理系統，就可以對于電池管理系統的均衡算法進行快速的開發。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本實用新型第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置與待測動力電池組的結構關系示意圖。
[0012]圖2為本實用新型第一實施例及第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置的充放電轉換控制電路示意圖。
[0013]圖3為本實用新型第一實施例及第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置的電池狀態監測電路示意圖。
[0014]圖4為本實用新型第一實施例及第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置的CAN總線各節點的布置示意圖。
[0015]圖5為本實用新型第一實施例及第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置工作時的供電電源系統設計示意圖。
[0016]圖6為本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置與待測動力電池組的結構關系示意圖。
[0017]圖7為本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置機箱的外觀示意圖。
[0018]圖8為本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置機箱表面的手動操作控制面板示意圖。
[0019]圖9本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置機箱的內部分層結構示意圖。
[0020]圖10為本實用新型第一實施例及第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置，在使用時構成的硬件在環仿真平臺的功能架構示意圖。
[0021]圖11為圖10中的硬件在環仿真平臺在測試動力電池組時，電池組的接線方式的示意圖。
[0022]圖12為圖10中的硬件在環仿真平臺在測試電池組時，對于待測動力電池組施加的帶均衡的充放電規程。
[0023]圖13為為圖10中的硬件環仿真平臺在測試電池組時，對于待測動力電池組的算法測試結果。
[0024]主要元件符號說明
[0025]動力電池組均衡的測試裝 100，200置
[0026]充電機10
[0027]單體均衡控制器20
[0028]放電機30
[0029]電阻絲32
[0030]風扇系統40
[0031]繼電器50
[0032]電表60
[0033]計算機70
[0034]機箱外殼80
[0035]控制面板82
[0036]顯示器84
[0037]第一隔層81
[0038]第二隔層83
[0039]第三隔層85
[0040]第四隔層87
[0041]如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本實用新型。

【具體實施方式】
[0042]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
[0043]請參見圖1，本實用新型第一實施例提供一種動力電池組均衡的測試裝置100，其包括一充電機10、一放電機30、多個單體均衡控制器20。該充電機10用于給被測電池組充電，該放電機30用于給被測電池組放電。所述多個單體均衡控制器20的數量與被測電池組的單體電池的數量一致，并且一個單體均衡控制器20用于檢測一個單體電池的溫度和電壓。
[0044]所述單體均衡控制器20通過軟件和硬件的設計，具有8個主要的功能:電源供電，均衡控制器電子編號，電壓采樣，均衡電流采樣，溫度采樣，使用液晶顯示屏的數據顯示，CAN通訊，脈寬調制(Pulse-Width Modulat1n, PWM)可控均衡。本實施例中，包括8個單體均衡控制器20，從而可以對應測試8個單體電池組成的電池組。該單體均衡控制器20能夠達到的技術指標如I所示。
[0045]表I單體均衡控制器能夠達到的技術指標
[0046]N0.功能描述
1電源供電芯片5V供電
2均銜控制器電子編通過電F且陣列為各個單體均銜控制器編號

1::.3電壓采樣電壓采樣范圍:0?5V,電壓采樣精度<5mY
4均衡電流采樣均衡電流采樣見圍:-0.9?0.9A,電流采樣精度

士 I OmA
5溫度采樣溫度采樣精度r:C
6液晶顯示屏實時顯示電池電壓，均衡電流和溫度
7CAN通訊與xPC進行通訊
8PWM可控均衡使用PWM進行連續可調電流的充放電電池均衡
[0047]該動力電池組均衡的測試裝置100工作時，所述充電機10和放電機30通過導線與待測電池的正負極連接，在一電腦的控制下對于待測電池組進行充放電。每個單體均衡控制器20與待測電池組中的一節電池對應相連，分別檢測不同電池的電壓和溫度。所述放電機30通過3個星型連接的功率電阻32釋放能量，能量釋放的形式為電阻熱。該動力電池組均衡的測試裝置100進一步包括風扇系統40用于對于功率電阻32進行散熱。
[0048]請參見圖2，該動力電池組均衡的測試裝置100實現了基于CAN通訊的在線充放電轉換控制。該動力電池組均衡的測試裝置100，由CAN信號控制充放電轉換控制開關，再由充放電轉換控制開關控制對應繼電器的通斷，從而實現充電和放電之間的轉換。
[0049]請參見圖3，該動力電池組均衡的測試裝置100的電池狀態監測電路如附圖3所示，在工作時，該動力電池組均衡的測試裝置100的各個單體均衡控制器20分別監控一個單體電池的電壓和溫度。為防止斷電情況下電池通過單體均衡控制器20漏電，監控電路中設有繼電器，電壓和溫度的監測線路在斷電時均會與單體均衡控制器20斷開。另外，還包括一手動均衡放電開關與將電池與單體均衡控制器相連接，可以通過手動開斷對于電池進行手動放電均衡。
[0050]該動力電池組均衡的測試裝置100的部件通訊采用的是控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)的CAN總線，其包括CAN節點布置以及CAN通訊協議兩個部分。請參見圖4，本實施例中，該動力電池組均衡的測試裝置100的CAN節點布置，包括受到一 CAN總線控制的電表60、所述充電機10，8個單體均衡控制器20、所述放電機30和一繼電器50。由于CAN總線數據傳輸量的限制，采用了兩路CAN通信通道:通信通道CANl和通信通道CAN2。其中通信通道CANl連接的是一下位機電腦、所述電表60和所述充電機10 ;通信通道CAN2連接的是在該下位機電腦、8個單體均衡控制器20、所述放電機30和所述繼電器50。根據CAN傳輸數據的原理，分別設置了通信通道CANl和通信通道CAN2通道的波特率以及各個節點部件的通訊地址。該下位機電腦通過各節點的通訊地址來接收和發送相應的CAN消息，從而完成對整個系統的監控。
[0051]請參見圖5，圖5為動力電池組均衡的測試裝置100的供電電源系統設計，其中交流220V直接為所述風扇系統40、所述充電機10、-12V直流電源和所述下位機電腦供電。12V直流電源為所述放電機30、所述多個單體均衡控制器20、所述電表60和所述繼電器50及一繼電器控制器供電。
[0052]請參見圖6，本實用新型第二實施例提供一種動力電池組均衡的測試裝置200，其包括一計算機70、一充電機10、一放電機30、以及多個單體均衡控制器20。該計算機70用于對于均衡算法的實時運算與驗證。該充電機10用于給被測電池組充電，該放電機30用于給被測電池組放電。所述多個單體均衡控制器20的數量與被測電池組的單體電池的數量一致，并且一個單體均衡控制器20用于檢測一個單體電池的溫度和電壓。該動力電池組均衡的測試裝置200最多可以測試8節動力電池組成的動力電池組。
[0053]本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200，與第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100相比較，多了一個計算機70，該計算機70起到的作用是作在環仿真電腦。該計算機70與第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100集成整合在一起構成一個整體系統。第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200，其充放電轉換控制電路示意圖為圖2，其電池狀態監測電路示意圖為圖3，其CAN總線各節點的布置示意圖為圖4，工作時的供電電源系統設計示意圖為圖6。
[0054]請參見圖7，為為本實用新型第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200機箱80的外觀示意圖。本實施例中，機箱80采用了常用的琴鍵式雙聯操作臺。左側可視部分為計算機70的顯示器82，可以實時顯示裝置運行狀態，右側可視部分為手動操作控制面板84。
[0055]本實施例中，該動力電池組均衡的測試裝置200最多可以測試8節動力電池組成的動力電池組。如附圖8所示，本實施例中，所述手動操作控制面板84包括了 8個手動放電開關、8個電池狀態顯示屏、以及8個控制開關。8個控制開關分別是充電機開關、單體均衡控制器開關、放電機開關，計算機開關、內/外部模式切換開關、電池組總開關、急停開關，和一個預留的開關。
[0056]該動力電池組均衡的測試裝置200裝置的主要部件均裝在機箱80內部。請參見圖9，從機箱80后部打開可以看到4個隔層，分別是第一隔層81、第二隔層83、第三隔層85以及第四隔層87。所述第一隔層81、第二隔層83、第三隔層85 —次由上至下設置在機箱的左側，所述第四隔層87設置在機箱的右側，各個隔層中放置的部件名稱如表2所列。
[0057]表I各隔層所放置的部件
[0058]
隔層序號放置的部件
_I__用于放電的功率電阻32、風扇系統4CL_
充放電控制繼電器、充電機丨0、放電機12V直流電源、
單體電池均衡控制器20?
_3__電池繼電器開關、保險絲、電池組.電表。_
4計算機70 ( xPC下位機電腦)、電源插座、CAN總鐵調鐵
4
___
[0059]本實用新型第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100和第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200，能夠達到如表3所示的技術指標。可以對于最多含有8節鋰離子動力電池的電池組進行測試。
[0060]表3裝置的技術指標
[0061]
No, 部停名參數名數值
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[0062]本實用新型第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100和第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200，在使用時構成的硬件環仿真平臺的功能架構示意圖如圖10所述。請參見圖10，上位機電腦即使用者的個人電腦，安裝有能夠支持xPC和Simulink功能的MATLAB軟件。下位機電腦為第二實施例中的計算機70,或者當使用第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100時，可以是使用者自己配置的其它計算機。上位機電腦用于讓使用者在MATLAB Simulink中進行電池均衡算法的快速開發。下位機電腦作為虛擬的電池均衡控制器，可以對裝置的執行部件通過CAN進行監控，從而對于均衡算法進行實時運算與驗證。在上位機電腦中開發好的電池均衡算法，通過Ethernet網絡連接線下載到下位機電腦中，從而通過下位機電腦對于均衡算法進行實時運算與驗證。
[0063]結合圖10，下面介紹本實用新型第一實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置100或第二實施例提供的動力電池組均衡的測試裝置200對于動力電池均衡算法進行基于硬件在環仿真的快速開發的使用方法，具體包括以下步驟:
[0064]SI，組裝并連接需要測試的動力電池組；
[0065]S2，接通電源，打開各部件電源；
[0066]S3,選擇內部/外部充放電模式；
[0067]S4，在MATLAB Simulink中編制電池均衡算法；
[0068]S5，連接上位機電腦與下位機電腦，下載算法；以及
[0069]S6，進行硬件在環仿真，驗證算法效果。
[0070]步驟SI中，待測電池組中的單節電池可以以是現有技術中任何電池。還可以選用以鈷酸鋰、錳酸鋰、三元鋰離子等任何材料為正極，以石墨、鈦酸鋰等任何材料為負極的電池。在本實施例中，對于某款以磷酸鐵鋰為正極材料，石墨為負極材料的鋰離子電池進行了測試，以驗證本實用新型動力電池組均衡的測試裝置的基本功能。該款鋰離子電池額定工作電壓為3.2V，額定容量為6.5Ah，內阻小于3.5ι?Ω。
[0071]本實施例中，使用連接件將8節電池串聯起來，按照附圖11所示的形式連接裝置與電池組。將電池組的正負極連接到充放電用的導線上。將信號測試線依次連接到電池上，其中V1/GND連接到電表電壓測量的總正/總負上，用于測量電池組總電壓。SI?S9為9根電壓信號線，依次按照線的標號和對應位置連接。Tl?Τ8為溫度傳感器，依次按照線的標號和對應位置連接，由于在使用過程中電池負極產熱較多，一般推薦安裝在電池負極極柱上。
[0072]步驟S2中，將裝置接通電源，并依次打開充電機，放電機，均衡控制器，下位機電腦的電源。
[0073]步驟S2中，通過撥動面板上的按鈕，選擇裝置工作在內部充電模式，意味著裝置的充放電動作將由下位機電腦中的算法控制。
[0074]在步驟S4中，對于動力電池組進行了如附圖12所示的充放電測試。在充放電測試進行中，對于電壓一直較低的3號電池進行了充電均衡,對于電壓一直較高的6號電池進行了放電均衡，均衡電流如附圖12所示。以上的算法寫入了上位機電腦的MATLAB Simulink中。
[0075]步驟S5中，使用一根Ethernet網絡連接線連接上位機電腦與下位機電腦，將上位機MATLAB Simulink中編制好的算法下載到下位機電腦中。
[0076]步驟S5中，算法下載完畢后，在上位機電腦中運行在MATLAB Simulink中編制好的算法，在下位機電腦中即會進行硬件在環仿真。本實施例中，驗證的結果如附圖13所示:在O?1200s之間，動力電池組一直處于整體充放電的狀態；在400?800s之間對于電壓一直較低的3號電池進行了 0.2A的充電均衡；在800?1200s之間對于電壓一直較高的6號電池進行了 0.2A的放電均衡；在1200?1600s之間對動力電池組進行了靜置。測試前電池組內最大電壓與最小電壓之間的電壓極差為0.005V，經過均衡之后，該電壓極差減小為 0.004V。
[0077]本實用新型提供的動力電池組均衡的測試裝置，通過建立基于硬件在環仿真的電池測試平臺，可以對于包括均衡算法在內的電池管理系統算法進行快速的開發與測試，而不需要耗費時間在管理系統的硬件開發上。并且基于硬件在環仿真的測試平臺不需要完整的電池組或電池管理系統，就可以對于電池管理系統的均衡算法進行快速的開發。
[0078]另外，本領域技術人員還可以在本實用新型精神內做其他變化，這些依據本實用新型精神所做的變化，都應包含在本實用新型所要求保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，其包括一充電機、一放電機、多個單體均衡控制器，該充電機用于給被測電池組充電，該放電機用于給被測電池組放電，所述單體均衡控制器的數量與被測電池組的單體電池的數量一致，并且一個單體均衡控制器用于檢測一個單體電池的溫度和電壓。
2.如權利要求1所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，可以通過電阻陣列為各個單體均衡控制器編號，且所述單體均衡控制器具有以下功能:作為電源對芯片進行供電，電壓采樣，均衡電流采樣，溫度采樣，使用液晶顯示屏的數據顯示，控制器局域網絡(CAN)通訊，以及使用脈寬調制進行連續可調電流的充放電電池均衡。
3.如權利要求1所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，進一步包括充放電控制繼電器及由CAN信號控制的充放電轉換控制開關，所述充放電控制繼電器控制充電和放電之間的轉換，所述充放電轉換控制開關控制對應充放電控制繼電器的通斷。
4.如權利要求1所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，進一步包括一電表，該電表與所述充電機、多個單體均衡控制器、放電機和繼電器控制器均受到CAN總線控制，所述CAN總線采用兩路CAN通信通道:通信通道CANl和通信通道CAN2，其中通信通道CANl連接的是所述電表和所述充電機，通信通道CAN2連接的是所述多個單體均衡控制器、所述放電機和所述繼電器控制器。
5.如權利要求4項所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，其進一步包括一計算機，該計算機可以通過CAN總線對所述動力電池組均衡的測試裝置進行監控，用于對于均衡算法的實時運算與驗證時的下位機電腦。
6.如權利要求5所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，所述計算機通過通信通道CANl連接的是所述電表和所述充電機，所述計算機通過通信通道CAN2連接的是所述多個單體均衡控制器、所述放電機和所述繼電器控制器。
7.如權利要求6所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，使用時，所述計算機通過各節點的通訊地址來接收和發送相應的CAN消息，從而完成對該動力電池組均衡的測試裝置的監控。
8.如權利要求6所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，其進一步包括一風扇系統，用于對放電機進行散熱。
9.如權利要求8所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，該動力電池組均衡的測試裝置包括一 220伏特交流電源及一 12伏特直流電源，所述220伏特交流電源為所述風扇系統、所述充電機以及所述12伏特直流電源供電，所述12伏特直流電源為所述放電機、所述多個單體均衡控制器、所述電表、所述繼電器及所述繼電器控制器供電。
10.如權利要求1所述的動力電池組均衡的測試裝置，其特征在于，在使用時每個單體均衡控制器通過兩條導線測量單體電池電壓，并通過這兩條導線對所述單體電池進行充放電均衡，通過兩條溫度傳感器連接線測量單體電池溫度。
【文檔編號】H02J7/00GK203984014SQ201320787069
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】馮旭寧, 盧蘭光, 歐陽明高, 華劍鋒, 何向明, 李建秋 申請人:清華大學