CN102346204B - 可编程控制的虚拟电池模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可编程控制的虚拟电池模组，要解决的技术问题是实现真实的电池组充放电响应，满足对电池管理系统检验和测试的需要，简化测试流程。本发明的可编程控制的虚拟电池模组设有计算机和与计算机连接的虚拟电池模组。本发明与现有技术相比，计算机向虚拟电池模组下发指令，调整虚拟电池的各项参数，并实时的侦测出充电电流，放电电流，温度等参数；虚拟电池单元能够虚拟出化学电池和物理电池的电特性和数据，并具备数据记录传输能力，能记录下完整的电池数据信息，不仅去除了测试中隐藏的安全问题，简化了测试流程，降低了电池管理系统测试成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种电源，特别是一种电源的管理系统。
背景技术
在工业上用的备用电源和智能电网等不同的电源系统中，电池管理系统BMS担负着重大的责任。它的主要功能是：通过监控和管理电池，使电池始终保持在最佳工作状态，最大限度延长电池的使用寿命。电池管理系统是电源整体系统中的一个子系统，监控和管理电池使其保持最佳工作状态，并将电池的信息传输给与此相关的其他子系统，为电源系统整体决策提供判断依据。在对电池管理系统的测试和检验过程中，需要模拟出真实的使用场景，将电池管理系统和电池组进行连接，检验和测试电池管理系统对电池组的管理能力。这些测试项目有：对电池组的电压监控，电流监控，容量监控，热量监控即温度监控，及其它参数的监控。如果直接使用普通化学电池来检验和测试电池管理系统，会带来诸如安全隐患、操作复杂、环境污染、成本昂贵以及电池组分选过程繁杂，电池组内单颗电池长期的一致性，环境温度对电池性能的影响导致其容量的不一致等问题。所以就需要找到普通化学电池的替代品来完成对电池管理系统控制电池能力的检验和测试。现有技术的方法是使用一个直流电源和一个电子负载组合形成模拟电池，向电池管理系统提供测试源。但是这种方法不能够实现真实的电池组充放电响应，不能很好的适配电池管理系统的测试需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种可编程控制的虚拟电池模组，要解决的技术问题是实现真实的电池组充放电响应，满足对电池管理系统检验和测试的需要，简化测试流程。
本发明采用以下技术方案：一种可编程控制的虚拟电池模组，所述可编程控制的虚拟电池模组设有计算机和与计算机连接的虚拟电池模组；所述计算机下达控制命令，控制虚拟电池模组模拟出化学电池的输出特性参数；所述虚拟电池模组用于模拟化学电池的输出特性参数。
本发明的计算机通过通信口与虚拟电池模组连接。
本发明的通信口采用RS-232接口、RS-485接口或CAN总线。
本发明的计算机是个人计算机或嵌入式系统。
本发明的虚拟电池模组由1-1024个虚拟电池串联或并联连接构成。
本发明的虚拟电池设有单片机、数模转换单元、模数转化单元、反馈控制单元、电流反馈单元及电流采样单元、电压反馈及电压采样单元、直流电源单元、充电单元和放电单元；所述单片机经数模转换单元、反馈控制单元分别连接到充电单元、放电单元、电流反馈单元和电压反馈及电压采样单元，电流反馈单元和电压反馈及电压采样单元经模数转化单元与单片机相连接，直流电源单元负极接地，正极连接充电单元，充电单元的输出正极与放电单元的输入正极相连接，充电单元的输出负极与放电单元的输入负极相连接，充电单元、放电单元的连接点经电流采样单元接电流反馈单元。
本发明的虚拟电池输出电极为四电极，电流采样单元为电流正极，接地为电流负极，电压反馈及电压采样单元的同向输入端为电压正极，电压反馈及电压采样单元的反向输入端为电压负极。
本发明的计算机与单片机通过通讯单元连接。
本发明的虚拟电池设有连接负载的接口。
本发明的计算机采用戴尔计算机，通信口采用RS-232接口，通讯单元采用R-232，单片机采用微处理芯片AT89C52，数模转换单元采用DAC7568芯片，模数转化单元采用ADS1247芯片，反馈控制单元采用运算放大器LM358芯片，电流反馈单元采用LM358芯片，电流采样单元采用电阻447KΩ，电压反馈及电压采样单元采用LM358芯片，充电单元采用TIP122三极管，放电单元采用TIP127三极管，直流电源单元为直流12V。
本发明与现有技术相比，计算机向虚拟电池模组下发指令，调整虚拟电池的各项参数，包括虚拟电池电压、电流，容量，并且可依据测试需求，灵活调整电压，电流，容量等参数，并实时的侦测出充电电流，放电电流，温度等参数；虚拟电池单元能够虚拟出化学电池和物理电池的电特性和数据，并具备数据记录传输能力，能记录下完整的电池数据信息，可以根据电动汽车电池管理系统的实际技术需要，有效的解决用普通化学电池来测试电池管理系统所带来诸如安全隐患、操作复杂、环境污染、成本昂贵以及电池组分选过程繁杂，电池组单颗电池长期的一致性，环境温度对电池性能的影响，容量的不一致性等问题。不仅去除了测试中隐藏的安全问题，简化了测试流程，降低了电池管理系统测试成本。
附图说明
图1是本发明的虚拟电池串联的连接图。
图2是本发明的虚拟电池并联的连接图。
图3是本发明的虚拟电池的硬件框图。
图4是本发明的设定虚输出电压流程图。
图5是本发明的电流采样流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明的可编程控制的虚拟电池模组，设有计算机和虚拟电池模组VBS，计算机通过通信口与虚拟电池模组连接，通信口采用RS-232接口、RS-485接口或CAN总线来实现串行通信。
用户通过计算机下达各种控制命令，控制虚拟电池模组模拟出真实的化学电池的相关输出特性参数，例如：需要模拟出真实化学电池的恒流充电特性时，可以利用设置在计算机中的虚拟电池模组VBS系统来设定恒流充电的控制命令，并通过计算机下达命令，通信口传输命令给虚拟电池内的单片机MCU，计算机还可以读取VBS从该MCU反馈的各项数据信息，与设定的参考数据进行比较。
所述虚拟电池模组VBS用于模拟普通或特殊化学电池的输出特性参数，从而避免用普通化学电池来测试电池管理系统所带来各种隐患。VBS可以设定模拟出真实化学电池和物理电池的电特性和数据，并能够根据计算机的控制命令灵活的调整VBS的各个参数，如：电池电压、电流，容量，并记录相关数据存入计算机的数据库，数据库是用户建立在计算机中，此数据库相当于一个文件夹，专门用于存放数据，以备后期计算机分析数据之用。
所述虚拟电池模组VBS由虚拟电池1VB1、虚拟电池2VB2、虚拟电池3VB3、...、虚拟电池n VBn串联或并联连接构成，n为1024，n的选取根据构成所述虚拟电池模组的虚拟电池的MCU的寻址能力来确定，因为该MCU是采用10位二进制数来寻址的，故n为1024。由虚拟电池组成的虚拟电池模组可安装在一个机箱内。
如图3所示，所述虚拟电池模组VBS中的每个虚拟电池VB由通讯单元、单片机MCU、数模转换单元DAC、模数转化单元ADC、反馈控制单元、电流反馈单元及电流采样单元、电压反馈及电压采样单元、直流电源POWER单元、充电单元和放电单元组成。
所述MCU经通讯单元连接计算机或嵌入式系统(以下简称“计算机”)，计算机是指个人计算机，即普通的电脑；嵌入式系统是指只有单一的功能或者只有极少数相关的功能的系统，即专用于特别用处的计算机。所述MCU负责执行计算机下达的各种数据处理命令，经DAC发送指令，DAC通过反馈控制单元分别连接到充电单元、放电单元、电流反馈及电流采样单元和电压反馈及电压采样单元，ADC通过与电流反馈及电流采样单元和电压反馈及电压采样单元相连接，来采集虚拟电池的实时电压和电流，反馈给MCU。POWER负极接地，正极连接充电单元，为虚拟电池VB提供所需的电压。充电单元与放电单元是独立的，VB在充电时，放电单元处于休息状态，不进行工作，VB在放电时，充电单元处于休息状态，不进行工作。充电单元、放电单元都与电流采样单元相连接，即不管是在放电情况下还是充电情况下，都要进行电流采样工作，电流采样单元接电流反馈单元。充电单元的输出正极与放电单元的输入正极相连接，充电单元的输出负极与放电单元的输入负极相连接。连接点经电流采样接入电流反馈单元，电流反馈单元连接到反馈控制单元和ADC单元。
通讯单元采用光电耦合器或磁电耦合器件，这样，在多个虚拟电池VBn并联或者串连组成VBS时，每个VBn的电特性是相互隔离的。
DAC采用DAC7568芯片，进行数模转换。
ADC采用ADS1247芯片，进行模数转换。
反馈控制单元采用运算放大器来实现。
充电单元采用N沟道的金属氧化物半导体MOS管或者P沟道的MOS管。
放电单元采用N沟道的MOS管或者P沟道的MOS管。
POWER单元采用现有技术的交流220V至直流12V的电源转换器。
电流反馈单元，电压反馈及电压采样单元均采用运算放大器来实现反馈效果。
电流采样单元利用电流取样电阻，或者霍尔传感器进行电流采样。
如图1所示，所述VB1、VB2、VB3、...、VBn串联连接时，VB1的I+接VB2的I-，VB1的V+接VB2V-，连接关系以此类推连接，虚拟电池模组VBS输出电极为VB1的V-、I-，VBn的I+、V+。
如图2所示，所述VB1、VB2、VB3、...、VBn并联连接时，虚拟电池模组VBS输出电极为所有的虚拟电池的V-、I-、I+、V+并联后输出。
在VBS输出端，采用四电极模式与电池管理系统BMS相连接。以消除VBS和BMS之间连线上的电流回路的电压误差。
所述VBS的输出电极为四电极时，电流采样单元为VBS的电流正极I+，接地为VBS的电流负极I-，作为电流反馈及电流采样单元输出I+，I-。电压反馈及电压采样单元的同向输入端为VBS的电压测量正极V+，电压反馈及电压采样单元的反向输入端为VBS的电压测量负极V-，输出V+，V-。在VBS输出端，V+和I+连接后作为VBS正极与BMS正极相连，V-和I-连接后作为VBS负极(VBS参考地)与BMS负极相连(即BMS的参考地)。
在四电极模式下，电流回路和电压回路是分开的，并在虚拟电池模组输出末端相连，可以消除电压测试误差。虚拟电池模组电池管理系统BMS均采用四电极连接的链接方式。
MCU发送指令给DAC，设定需要的电压、电流参数；ADC则通过电压采样，电流采样反馈给MCU实时的电压，电流值。
如图4所示，本发明的可编程控制的虚拟电池模组的MCU的系统工作流程，包括以下步骤：
一、如图4所示，操作者设定虚拟电池模组的输出电压，包括以下步骤：
1、计算机向各个虚拟电池发送查询是否都与计算机连接的询问指令，各个虚拟电池的MCU收到命令后，回应计算机已经连接，虚拟电池模组与计算机联机成功。
2、操作者通过计算机的界面操作选定构成串联或并联连接的虚拟电池模组的虚拟电池，并生成各个虚拟电池在虚拟电池组中的位置以及连接关系，计算机将选定的虚拟电池及其连接关系的指令发送给被选定的各个虚拟电池的MCU，虚拟电池通过串联或者并联构成了虚拟电池模组，此串联和并联通过硬件连接来完成的。如果需要串联形式的虚拟电池模组，则操作者需要按照串联连接方式，从硬件上组成虚拟电池模组。如果需要并联形式，则操作者需要按照并联连接方式，从硬件上组成虚拟电池模组。
3、计算机根据操作者设定的虚拟电池模组的输出电压，向各个虚拟电池发送设置单个虚拟电池电压的命令，虚拟电池的MCU接收到命令后，根据命令解释成相应时序信号，经DAC单元数模转换后发送参考电压值，通过反馈控制单元将时序电压信号传送给电压反馈及电压采样单元，设定虚拟电池的输出电压。
4、ADC通过电压反馈及电压采样单元，将采样电压值模数转换后反馈给虚拟电池的MCU，MCU接收到采样电压值的数值信号后，解释成相应时序信号后通过通讯单元再传送给计算机，显示在计算机的界面上，至此，虚拟电池模组中单个虚拟电池的输出电压设定完毕。当把多个虚拟电池串联或者并联起来时，就组成了所需的虚拟电池模组，如果是串联，则虚拟电池模组的电压就是串联的单个虚拟电池的电压值之和；如果是并联，则虚拟电池模组的电压就是其中单个虚拟电池的电压值。至此，虚拟电池模组的输出电压设定完毕。
二、虚拟电池模组的电流采样。虚拟电池模组的电流(此电流值可以是充电电流值，也可实是放电电流值)由设定的虚拟电池模组的输出电压和外接负载来共同决定的。电流反馈及电流采样单元根据虚拟电池模组的输出电压和外接负载来实时采样充电电流或放电电流，并反馈到计算机的界面。如图5所示，虚拟电池模组的电流采样，包括以下步骤：
1、虚拟电池模组的输出电压设定完毕。
2、操作者将VBS与负载从硬件上连接在一起的，VBS上设有与负载连接的接口，只需要将负载插入VBS上的接口即VBS与负载连接成功。负载可采用电池管理系统BMS。
3、虚拟电池的MCU发送电流采样命令给DAC单元，经DAC数模转换后通过反馈控制单元传送给充电单元或者放电单元，如果此时虚拟电池处于充电状态，则采样到的电流就是充电电流，如果此时虚拟电池处于放电状态，则采样到的电流就是放电电流，电流采样单元采样到实时的电流后，通过电流反馈单元反馈给ADC，经ADC模数转换后传送给MCU，MCU接收到电流数值信号后，根据电流数值信号解释成相应时序电流信号，通过通讯单元传送给计算机，计算机的界面上实时显示电流值，如果虚拟电池模组是采用串联形式的，则单个虚拟电池的电流显示值就是虚拟电池模组的电流值；如果虚拟电池模组采用并联形式的，则单个虚拟电池的电流显示值之和就是虚拟电池模组的电流值。至此，虚拟电池模组的电流采样完毕。
实施例，计算机采用戴尔DELL计算机，WINDOWS XP系统，通信口采用RS-232接口，虚拟电池为串联连接3个，通讯单元采用R-232，MCU采用微处理芯片AT89C52，DAC采用DAC7568芯片，ADC采用ADS1247芯片，反馈控制单元采用运算放大器LM358芯片，电流反馈单元采用LM358芯片，电流采样单元采用精密电阻447KΩ，电压反馈及电压采样单元采用LM358芯片，充电单元采用TIP122三极管，放电单元采用TIP127三极管，POWER为直流12V。管理系统BMS采用ATMEL的ATA6870芯片和MEGA128芯片。MCU采用Microsoft Visual C++程序语言实现。
计算机向各个虚拟电池发送查询是否都与计算机连接的询问指令：
计算机将选定的虚拟电池及其连接关系的指令发送给被选定的各个虚拟电池的MCU的指令：
MCU收到计算机设置虚拟电池的电压命令后，设置虚拟电池的电压指令：
MCU接收到电流数值信号后传送给计算机的命令：
本发明依据计算机通过通讯单元，向虚拟电池模组下发指令，调整虚拟电池模组的各项参数，包括虚拟电池模组电压、电流、容量等重要信息。并且可依据测试需求，灵活调整电压，电流等参数。可编程控制的虚拟电池模组能够虚拟出化学电池和物理电池的电特性和数据，并具备数据记录传输能力，能记录下完整的电池数据信息，保存为数据库信息。
利用外部的充电器或负载设施，对虚拟电池模组的虚拟电池进行充电和放电。对虚拟电池模组充电时，由虚拟电池的“放电单元”吸收外部充电器的充电电流。对虚拟电池放电的时候，虚拟电池通过POWER单元和充电单元，向外部负载设施输出功率。
计算机或嵌入式系统通过通讯单元，可传回每个虚拟电池的数据信息，可以显示每个虚拟电池的界面，能够动态的显示每个虚拟电池的电压、电流、容量、温度信息。
虚拟电池模组中的每个虚拟电池都是独立的：(1)电源输入独立；(2)通讯部分独立，可方便将虚拟电池进行并联和串联组合，组成大规模的虚拟电池模组。每个虚拟电池模组的参数也可单独设定，如电压，电流，容量。
虚拟电池模组输出方式，采用四电极连接模式，即：I+(电流正极)，I-(电流负极)，V+(电压测量正极)，V-(电压测量负极)。在4电极模式下，电流回路和电压回路是分开的，故可消除电压测试误差，虚拟电池模组VBS与被测试的其它系统均采用四电极连接的链接方式。
虚拟电池模组的虚拟电池可以按照设定电压、容量、电流、温度参数等条件，虚拟真实电池的电特性，例如电压平台，容量平台，阻抗平台。
本发明的可编程控制的虚拟电池模组有效解决了目前行业内用普通化学电池来测试电池管理系统所带来的一系列问题，如安全隐患、操作复杂、环境污染、成本昂贵以及电池组分选过程繁杂，电池组单颗电池长期的一致性，环境温度对电池性能的影响，容量的不一致性的问题。改变了现有技术落后低效的电池管理系统测试方法，有效的推动了电池管理系统的生产高效化，降低了各个领域中电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM)BMS系统的测试和控制成本，提高了电池管理系统的安全性并还能与电池管理系统的控制器局域网络CAN(Controller Area Network)总线系统进行连接，完成数据交换，配合电池管理系统完成测试需求的同时还能及时的比对电池管理系统信息，记录相关数据并描绘出电池的电压，电流，电容的曲线图，方便测试人员进行数据分析与备案，尤其是在当前业内很受欢迎的电动汽车行业BMS系统的测试中带来了很大的优势。
Claims (8)
1.一种可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述可编程控制的虚拟电池模组设有计算机和与计算机连接的虚拟电池模组（VBS）；所述计算机下达控制命令，控制虚拟电池模组模拟出化学电池的输出特性参数；所述虚拟电池模组（VBS）用于模拟化学电池的输出特性参数；
所述虚拟电池模组（VBS）由1-1024个虚拟电池（VB）串联或并联连接构成；
所述虚拟电池（VB）设有单片机（MCU）、数模转换单元（DAC）、模数转化单元（ADC）、反馈控制单元、电流反馈单元及电流采样单元、电压反馈及电压采样单元、直流电源（POWER）单元、充电单元和放电单元；所述单片机（MCU）经数模转换单元（DAC）、反馈控制单元分别连接到充电单元、放电单元、电流反馈单元和电压反馈及电压采样单元，电流反馈单元和电压反馈及电压采样单元经模数转化单元（ADC）与单片机（MCU）相连接，直流电源（POWER）单元负极接地，正极连接充电单元，充电单元的输出正极与放电单元的输入正极相连接，充电单元的输出负极与放电单元的输入负极相连接，充电单元、放电单元的连接点经电流采样单元接电流反馈单元。
2.根据权利要求1所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述计算机通过通信口与虚拟电池模组连接。
3.根据权利要求2所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述通信口采用RS-232接口、RS-485接口或CAN总线。
4.根据权利要求1、2或3所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述计算机是个人计算机或嵌入式系统。
5.根据权利要求1所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述虚拟电池（VB）输出电极为四电极，电流采样单元为电流正极（I+），接地为电流负极（I-），电压反馈及电压采样单元的同向输入端为电压正极（V+），电压反馈及电压采样单元的反向输入端为电压负极（V-）。
6.根据权利要求1所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述计算机与单片机（MCU）通过通讯单元连接。
7.根据权利要求6所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述虚拟电池（VB）设有连接负载的接口。
8.根据权利要求7所述的可编程控制的虚拟电池模组，其特征在于：所述计算机采用戴尔计算机，通信口采用RS-232接口，通讯单元采用R-232，单片机（MCU）采用微处理芯片AT89C52，数模转换单元（DAC）采用DAC7568芯片，模数转化单元（ADC）采用ADS1247芯片，反馈控制单元采用运算放大器LM358芯片，电流反馈单元采用LM358芯片，电流采样单元采用电阻447KΩ，电压反馈及电压采样单元采用LM358芯片，充电单元采用TIP122三极管，放电单元采用TIP127三极管，直流电源（POWER）单元为直流12V。
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