CN103941210B - 一种bms的验证监控系统及其方法 - Google Patents

一种bms的验证监控系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种BMS验证监控系统,包括上位机,还包括通过CAN总线分别与上位机连接的单体电压模拟单元、温度模拟单元、绝缘电阻模拟单元、总电流模拟单元、数字量模拟单元和过欠压检测单元。本发明还公开了一种BMS验证监控方法,包括单体电压测试步骤、温度测试步骤、数字量I/O测试步骤、电池组绝缘电阻测试步骤、系统过压测试步骤和总电流模拟测试步骤。本发明可以测试BMS的综合性能,并验证其功能,提高了效率。电池组与BMS的合理搭配,可以大大提高电池组的一致性与安全性,从而提高电池组的综合性能和能量输出及存储的时间与容量,促进新能源汽车及储能系统的产业化。

Description

一种BMS的验证监控系统及其方法
技术领域
[0001]本发明涉及电池管理领域,具体涉及一种BMS验证监控系统。适用于电动汽车、储能电站及特种电源等领域的电池管理系统BMS的检测及验证,以便为电池组选配合适的电池管理系统,提高电池组的一致性及安全性提供依据与保障。
背景技术
[0002]随着新能源及电动汽车在我国的大力推进与发展,动力电池组的一致性及安全性显得越来越重要,也是实现产业化的关键。因受材料、加工工艺、设备、生产流程、电池本身的电化学特性、使用环境等多方面因素的影响,电池特别是锂离子动力及储能电池的一致性及安全性无法通过电池自身来保障,必须配备电池管理系统BMS。但是现在BMS产品很难针对不同材料、不同用途、不同特性的电池组进行定制化服务,市场上销售的BMS产品功能多基本相同,还很少有BMS系统针对特定电池进行SOC估算、安全预警等方面的定制服务。电池厂在选配BMS时候,也往往不清楚BMS产品是否合适相应的电池,造成浪费和不合理的产品系统匹配。
[0003]本发明为解决以上问题,开发一种BMS测试验证系统,评价BMS系统的综合性能,为电池厂家选配BMS系统提供依据,也为电池组与BMS系统的选配提供建议和参考。
发明内容
[0004]本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题,提供一种BMS验证监控系统,能对相应的BMS系统的综合性能进行全面的测试与评价。该系统与被测试的BMS系统能进行高速CAN通信,按照计算机上位机软件所设置的各种物理量(电压、电流、温度、绝缘电阻等)的变化规律,测试系统给出相应的物理量变化及设置,BMS进行检测,检测结果与系统本身的设置结果及输出结果进行比较,以此来验证BMS的综合性能,并测试BMS的10,安全预警,CAN通信功能、相关参数的计算功能。
[0005]本发明的目的可通过下列技术方案实现:
[0006] —种BMS验证监控系统,上位机,还包括通过CAN总线分别与上位机连接的单体电压模拟单元、温度模拟单元、绝缘电阻模拟单元、总电流模拟单元、数字量模拟单元和过欠压检测单元,
[0007]单体电压模拟单元,用于接收上位机设定电压设定值,根据电压设定值输出相应的电压值到BMS;
[0008]温度模拟单元,用于接收上位机设定温度设定值,根据温度设定值切换到对应的温度模拟电阻网络,给BMS提供模拟的电池温度;
[0009]绝缘电阻模拟单元,包括正极电阻模拟单元和负极电阻模拟单元,接收上位机设定的绝缘电阻设定值,根据绝缘电阻设定值给BMS提供对应的正极电阻或负极电阻;
[0010]总电流模拟单元,用于接收上位机设定的总电流设定值,根据总电流设定值设定相应的总电流模拟电压值提供给BMS;
[0011]数字量模拟单元,包括高电平输入单元、低电平输入单元、高电平输出单元和低电平输出单元;
[0012]过欠压检测单元,用于接收上位机的过欠压设定值,并根据过欠压设定值输出对应的电压给BMS。
[0013]如上所述的单体电压模拟单元通过D/A模块进行电压输出,每一路D/A模块的数字量输入部分均通过隔离芯片进行隔离,每一路D/A模块的供电部分均使用隔离DC-DC模块。
[0014] 一种BMS验证监控系统,还包括与CAN总线连接的CAN分析单元。
[0015] 一种BMS验证监控方法,包括以下步骤:
[0016]单体电压测试步骤,在上位机上设置单体电压模拟单元中各个通道的电压设定值,电压设定值为固定值或者测试时间的函数,单体电压模拟单元接收上位机设定电压设定值,根据电压设定值输出相应的电压值到BMS,设置BMS的单体电压测试结束条件,即单体上限电压,单体下限电压和单体电压测试时间,当BMS检测的电压设置值超过单体上限电压或低于单体下限电压,或运行时间达到单体电压测试时间时测试结束,上位机实时显示每一通道电压的设置值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值。
[0017] 还包括以下步骤:
[0018]温度测试步骤,首先在上位机上设置温度模拟单元的温度设定值,温度设置值为固定值或者顺序切换值,温度模拟单元接收上位机设定温度设定值,根据温度设定值切换到对应的温度模拟电阻网络,给BMS提供模拟的电池温度;设置BMS温度测试结束条件,即温度上限,温度下限、温度测试时间,当BMS检测的温度设置值超过温度上限或低于温度下限,或运行时间达到温度测试时间时该通道的测试完成,上位机会实时显示每一通道温度的设置值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值。
[0019] 还包括以下步骤:
[0020]数字量I/O输入测试步骤:设置数字量模拟单元的高电平输入单元、低电平输入单元与BMS的告警输出口的关联关系,通过检测BMS的告警输出口判断BMS的告警输出口是否工作正常;
[0021]数字量I/O输出测试步骤,设置数字量模拟单元的高电平输出单元、低电平输出单元与BMS数字量I/O输入口的关联关系,数字量模拟单元的高电平输出单元和低电平输出单元输出预设的电平到BMS数字量I/0输入口,根据BMS显示的数字量I/0输入状态判断BMS的数字量I/O输入口是否工作正常。
[0022] 还包括以下步骤:
[0023]电池组绝缘电阻测试步骤,通过上位机选择正极电阻模拟单元和负极电阻模拟单元并设置绝缘电阻设定值,上位机显示绝缘电阻设定值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值。
[0024] 还包括以下步骤:
[0025]系统过欠压测试步骤,首先在上位机上设置好BMS供电电源电压随时间的变化函数,BMS供电电源电压按照时间的变化函数变化,当电压低于BMS供电电源电压下限时,BMS发出欠压告警,当电压高于BMS供电电源电压上限时,BMS发出过压告警,同时BMS会将上述告警信号通过CAN总线发送给上位机,上位机通过将电压设置值与BMS告警信号对比从而判断BMS是否正常。
[0026] 还包括以下步骤:
[0027]在上位机选择电流传感器的类型,根据电流传感器的类型对应的设定电流值与总电流模拟单元的输出电压之间的比例系数k,设置总电流模拟单元的输出电压值,总电流模拟单元根据电压值进行电压输出,BMS检测到总电流值发送给上位机,上位机实时显示总电流值的设置值和BMS的检测值以及两者的误差值。
[0028]本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0029]本发明可以测试BMS的综合性能,并验证其功能。这样可以让电池厂在充分了解BMS性能的基础上为电池组选配BMS系统,避免了麻木选配BMS,在整个系统有故障时候,能够很清晰地找到问题所在,提高了效率。此外,电池组与BMS系统的合理搭配,可以大大提高电池组的一致性与安全性,从而提高电池组的综合性能和能量输出及存储的时间与容量,促进新能源汽车及储能系统的产业化。
附图说明
[0030]图1为总体结构不意图。
[0031 ]图2为单体电压模拟单元的原理示意图。
[0032]图3为主控单元的原理示意图。
[0033]图4为单体电压模拟单元中的单通道电压模拟原理图。
[0034]图5为温度模拟单元的总体原理示意图。
[0035]图6为温度模拟单元的电路原理示意图。
[0036]图7为通过继电器实现温度模拟单元的电路原理示意图。
[0037]图8为总电流模拟单元电路原理示意图。
[0038]图9为绝缘电阻模拟单元电路原理示意图。
[0039]图10为利用光耦继电器进行绝缘电阻的切换原理示意图。
[0040]图11为过压检测单元内的总体结构示意图。
[0041 ]图12为数字量模拟单元低电平输入检测电路原理图。
[0042]图13为数字量模拟单元高电平输入检测电路原理图。
[0043]图14为数字量模拟单元低电平输出电路原理图。
[0044]图15为数字量模拟单元高电平输出电路原理图。
具体实施方式
[0045]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0046]如图1所示,一种BMS验证监控系统包括单体电压模拟单元、温度模拟单元、绝缘电阻模拟单元、总电流模拟单元、数字量模拟单元、供电电压的过欠压检测单元、CAN分析单元和BMS验证监控系统。系统的各个电路模块单元通过CAN总线与上位机连接,单体电压模拟单元与BMS的电压检测接口相连,温度模拟单元与BMS的温度检测接口相连,绝缘电阻模拟单元与BMS的绝缘电阻检测接口相连,总电流模拟单元与BMS的总电流检测单元相连,数字量模拟单元与BMS的数字量输入输出端口相连,供电电压的过欠压检测单元与BMS的供电电源相连,BMS与上位机之间通过CAN总线相连。
[0047]系统与上位机间采用CAN通信,上位机发送控制指令实现对各项参数的动态和静态模拟。将单体电压模拟单元、温度模拟单元、绝缘电阻模拟单元、总电流模拟单元、数字量模拟单元、供电电压的过欠压检测单元的输出端分别接入BMS对应的输入端,待BMS检测完成后,将各信息通过CAN通讯发送至上位机,上位机将BMS的检测结果与本系统的设定值和误差阈值进行比较,从而判断BMS的各项性能指标,并输出检测报表。
[0048]如图2所示,单体电压模拟单元采用12个D/A模块输出来模拟12个电池单体电压通道,根据需求可通过增加单体电压模拟单元的个数来扩展单体电池电压的通道数。在上位机上填写需要的电压设置值,上位机通过CAN通信将电压设置值发送给单体电压模拟单元,单体电压模拟单元响应上位机发送来的指令,控制D/A的输出从而来实现模拟单体电压的改变。选用D/A芯片输出电压为0-5V,数据宽度14位,精度高于±lmV。每一路D/A之间的供电电源采用隔离DC-DC,每一路D/A之间的通讯信号采用隔离芯片隔离,实现每一路D/A之间互相隔呙。
[0049] 如图4所示,D/A芯片选用AD5640,14位数据宽度,SPI通讯。数字隔离芯片选用IS07240 ο末端运放选择AD820。
[0050]如图5〜7所示,温度模拟单元采样高精度的温度模拟电阻网络来模拟温度,每个温度模拟单元可以模拟8个温度通道,根据需求可通过增加温度模拟单元的个数来扩展模拟温度通道数。每个温度通道都设计有开关控制单元,图7中5个继电器即为开关控制单元,通过控制继电器的通断从而切换8个不同的温度值。上位机通过CAN通讯可以实现不同温度的切换。电阻网络设计成一个模块,可以方便更换不同的温度值。
[0051] 如图7所示,采用五个继电器组成开关控制单元,分别选通八个电阻。继电器的导通内阻小,对温度模拟的影响可以忽略不计。
[0052]如图8所示,总电流模拟单元是采用D/A转换输出的电压来模拟电流传感器的输出,提供两种不同的输出:0-5V和-250MV〜+250MV。在上位机上填写需要的总电流设置值,上位机通过CAN通信将总电流设置值发送给总电流模拟单元,总电流模拟单元响应上位机发送来的指令,控制D/A的输出从而来模拟电流传感器输出的变化。
[0053] 如图9〜图10所示,绝缘电阻模拟单元包括正极电阻模拟单元和负极电阻模拟单元,设计绝缘电阻网络模拟不同的绝缘电阻值,正负极分别用开关控制单元来切换不同的电阻。开关控制单元由图10中光耦继电器组成,通过上位机可以控制不同的电阻接入。
[0054] 过压欠压检测单元,采用输出范围为8V—36V的可调电源为BMS供电,通过通讯调节电源输出电压实现对BMS过压和欠压的模拟,同时BMS将过压和欠压的状态通过CAN总线反馈至上位机。
[0055]数字量模拟单元,如图11-14所示,数字量输入输出包括8路高电平输入单元、8路低电平输入单元、8路高电平输出单元、8路低电平输出单元。高电平输入单元和低电平输入单元用以检测BMS的输出口状态,其中,BMS的输出高电平有效端口与数字量模拟单元的高电平输入单元相连,BMS的输出低电平有效端口与数字量模拟单元的低电平输入单元相连。高电平输出单元和低电平输出单元用以控制BMS输入口状态,其中,BMS的输入高电平有效端口与数字量模拟单元的高电平输出单元相连,输入低电平有效端口与数字量模拟单元的低电平输出单元相连。8路高电平输入单元、8路低电平输入单元采用光耦隔离,8路高电平输出单元、8路低电平输出单元采用继电器驱动。BMS验证监控系统可以结合单体电压模拟、温度模拟、总电流模拟等信号,当这些信号达到BMS的报警触发值后,BMS的数字量输出发生变化,验证系统来检测对应的变化,从而实现对BMS数字量触发输出的对比验证。如当上位机设置的温度值超出了 BMS报警值时,BMS检测到温度值后会发出温度告警信号,对应的BMS数字量输出端口会动作,BMS验证监控系统通过对比数字量模拟单元输入端口状态从而判断BMS是否动作。
[0056] CAN分析单元,采用成熟产品的CAN总线分析仪来实现,例如周立功公司的双路CAN总线分析仪。CAN总线分析仪可以对所有遵循CAN2.0A/2.0B协议的数据进行分析,查看协议帧的帧ID、帧格式、帧类型、DLC值以及帧数据等参数,并提供对CAN底层协议分析、iCAN协议分析、De V i c eNe t协议分析、CANoP eη协议分析以及SAE J19 39协议分析的支持,其中SAEJ1939协议是美国汽车工程协会(SAE)的推荐标准,用于为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构,其广泛应用于BMS产品中。因此CAN总线分析仪可以有效的对CAN总线协议进行解析、诊断,实现对CAN总线性能的评估。
[0057] 监控过程和方法
[0058] 根据BMS的功能将BMS功能验证过程分为单体电压测试、温度测试、数字量I/O测试、电池组绝缘电阻测试、系统过欠压测试。
[0059]单体电压测试步骤,首先在上位机上设置单体电压模拟单元中各通道的电压设定值,该电压设置值也可以是关于测试时间的函数:1、线性函数v(t)=Bt+A;2、常量函数v(t) =A; 3、阶梯函数V (t) =BN+A(N为周期T的个数);4、阶跃函数:N为奇数时,V (t) =A,N为偶数时,v(t)=B。其中A、B、T为常量,需在上位机上手动输入,T为周期数,t为单体电压测试时间,V(t)电压设置值,每一通道的电压可以独立设置,单体电压模拟单元接收上位机设定电压设定值,根据电压设定值输出相应的电压值到BMS。同时在上位机设置单体电压测试结束条件:单体上限电压,单体下限电压、单体电压测试时间。当BMS检测到电压设置值超过单体上限电压或低于单体下限电压,或运行时间达到设置的单体电压测试时间时该通道的测试完成。当所有通道上的测试完成后对BMS单体电压测试完成。在测试过程中,上位机会实时显示每一通道电压的设置值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值,并将数据保存到EXCEL中 ο
[0060]温度测试步骤,首先在上位机上设置温度模拟方式:1、固定温度值;2、顺序切换;然后选择初始温度值A(如20°C),若设置的为“固定温度值”方式,则测试启动后,温度值恒为A(20°C);若设置的为“顺序切换”方式,则还需在上位机上手动输入参数B(如5s)作为切换时间,启动测试后,初始温度值为A(20°C ),时间B(5s)后,温度值切换到第二个值(30°C ),再经过时间B(5s),温度切换到第三个值(40°C),直至循环到温度值A(20°C)。每一通道的温度可以独立设置。同时设置温度测试结束条件:温度上限,温度下限、温度测试时间。当温度设置值超过温度上限或低于温度下限,或运行时间达到设置的温度测试时间时该通道的工序完成。当所有通道上的工序完成后对BMS温度测试完成。在测试过程中,上位机会实时显示每一通道温度的设置值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值,并将数据保存到EXCEL中 ο
[0061]数字量I/O测试步骤,数字量I/O测试分为数字量输入测试和数字量输出测试。数字量输入测试时,首先设置好数字量输入的各通道(高电平输入单元和低电平输入单元)的与BMS告警输出口的关联关系,例如过充、过放、温度过高、温度过低、过压、欠压、过流等告警;如设置为“过充”,则当BMS检测到某个电压通道过高或总压过高时,与“过充”关联的数字量输入会检测到BMS的告警信号。然后选择BMS的告警环境:单体电压过高、单体电压过低、总电压过高、总电压过低、温度过高、温度过低、供电电压过高、供电电压过低、充电电流过大、放电电流过大。启动测试后,BMS若检测到单体电压、温度、总压等超出限定值后,会发出告警,对应的输出口会动作,由于BMS输出口与BMS验证监控系统的数字量输入端口相连,所以BMS验证监控系统的数字量输入端口会检测到BMS输出口的动作,从而判断BMS是否正常。数字量输出测试时,首先设置好数字量输出的各通道(即高电平输出单元和低电平输出单元)的输出方式,可以是恒定的高电平或低电压,也可以是随时间变化在高低电平间切换。启动测试后,数字量输出口会按照预先设定动作进行动作,由于BMS输入口与BMS验证监控系统的数字量输出端口相连,所以若BMS输入口能检测到BMS验证监控系统的数字量输出端口的动作,说明BMS正常。在测试过程中,上位机会实时显示每一通道数字量的设置值和BMS检测到的监测值,并将数据保存到EXCEL中步骤。
[0062] 电池组绝缘电阻测试步骤,首先在上位机设置是电池组正极与地的绝缘电阻,还是电池组负极与地的绝缘电阻,然后设置绝缘电阻的设置值。当启动测试后,BMS会检测到绝缘电阻值,并将检测到的阻值发送到上位机。上位机会实时绝缘电阻的设置值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值,并将数据保存到EXCEL中。
[0063]系统过欠压测试步骤,首先在上位机上设置好BMS供电电源电压随时间的变化函数v(t)=At+B,其中A、B为常量,需在上位机上手动输入,t为系统过欠压测试时间,v(t)为BMS供电电源电压值。,当启动测试时,BMS供电电源电压按照函数V (t) =At+B变化。若BMS正常,则当电压低于BMS供电电源电压下限时,BMS会发出欠压告警,当电压高于BMS供电电源电压上限时,BMS会发出过压告警,同时BMS会将这些告警信号通过CAN总线发送给上位机,上位机通过将电压设置值与BMS告警信号对比从而判断BMS是否正常。
[0064]总电流模拟测试,首先在上位机上选择电流传感器的类型:1、霍尔传感器;2、分流器。并在上位机手动输入比例系数k,即所测电流值与输出电压值之间对应比例关系。然后设置总电流模拟单元输出电压值v(t)关于总电流测试时间t的变化函数:1、线性函数v(t) =Bt+A;2、常量函数v(t)=A;3、阶梯函数v(t)=BN+A(N为周期T的个数);4、阶跃函数:N为奇数时,v(t)=A,N为偶数时,v(t)=B。其中A、B、T为常量,需在上位机上手动输入,T为周期数,t为总电流模拟测试时间,v(t)为输出电压值,则总电流值函数为i(t)=kv(t)。启动测试后,总电流模拟单元根据输出电压值进行电压输出,BMS会将检测到的总电流值发送给上位机。上位机会实时显示总电流的设置值和BMS的检测值以及两者的误差值,并将数据保存到EXCEL中 ο
[0065]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种利用BMS验证监控系统进行BMS验证监控方法,BMS验证监控系统包括上位机,还包括通过CAN总线分别与上位机连接的单体电压模拟单元、温度模拟单元、绝缘电阻模拟单元、总电流模拟单元、数字量模拟单元和过欠压检测单元, 单体电压模拟单元,用于接收上位机设定的电压设定值,根据电压设定值输出相应的电压值到BMS; 温度模拟单元,用于接收上位机设定的温度设定值,根据温度设定值切换到对应的温度模拟电阻网络,给BMS提供模拟的电池温度; 绝缘电阻模拟单元,包括正极电阻模拟单元和负极电阻模拟单元,接收上位机设定的绝缘电阻设定值,根据绝缘电阻设定值给BMS提供对应的正极电阻或负极电阻; 总电流模拟单元,用于接收上位机设定的总电流设定值,根据总电流设定值设定相应的总电流模拟电压值提供给BMS; 数字量模拟单元,包括高电平输入单元、低电平输入单元、高电平输出单元和低电平输出单元; 过欠压检测单元,用于接收上位机的过欠压设定值,并根据过欠压设定值输出对应的电压给BMS; 单体电压模拟单元通过D/A模块进行电压输出,每一路D/A模块的数字量输入部分均通过隔离芯片进行隔离,每一路D/A模块的供电部分均使用隔离DC-DC模块; 还包括与CAN总线连接的CAN分析单元, 其特征在于,包括以下步骤: 单体电压测试步骤,在上位机上设置单体电压模拟单元中各个通道的电压设定值,电压设定值为固定值或者测试时间的函数,单体电压模拟单元接收上位机设定的电压设定值,根据电压设定值输出相应的电压值到BMS,设置BMS的单体电压测试结束条件,即单体上限电压,单体下限电压和单体电压测试时间,当BMS检测的电压设定值超过单体上限电压或低于单体下限电压,或运行时间达到单体电压测试时间时测试结束,上位机实时显示每一通道电压设定值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值; 温度测试步骤,首先在上位机上设置温度模拟单元的温度设定值,温度设定值为固定值或者顺序切换值,温度模拟单元接收上位机设定的温度设定值,根据温度设定值切换到对应的温度模拟电阻网络,给BMS提供模拟的电池温度;设置BMS温度测试结束条件,即温度上限,温度下限和温度测试时间,当BMS检测的温度设定值超过温度上限或低于温度下限,或运行时间达到温度测试时间时该通道的测试完成,上位机会实时显示每一通道温度设定值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值; 数字量I/O输入测试步骤:设置数字量模拟单元的高电平输入单元和低电平输入单元与BMS的告警输出口的关联关系,通过检测BMS的告警输出口判断BMS的告警输出口是否工作正常; 数字量I/O输出测试步骤,设置数字量模拟单元的高电平输出单元和低电平输出单元与BMS数字量I/O输入口的关联关系,数字量模拟单元的高电平输出单元和低电平输出单元输出预设的电平到BMS数字量I/O输入口,根据BMS显示的数字量I/O输入状态判断BMS的数字量I/O输入口是否工作正常; 电池组绝缘电阻测试步骤,通过上位机选择正极电阻模拟单元和负极电阻模拟单元并设置绝缘电阻设定值,上位机显示绝缘电阻设定值和BMS检测到的监测值,以及两者的误差值;系统过欠压测试步骤,首先在上位机上设置好BMS供电电源电压随时间的变化函数,BMS供电电源电压按照时间的变化函数变化,当电压低于BMS供电电源电压下限时,BMS发出欠压告警,当电压高于BMS供电电源电压上限时,BMS发出过压告警,同时BMS会将欠压告警和过压告警通过CAN总线发送给上位机,上位机通过将电压设定值与欠压告警和过压告警对比从而判断BMS是否正常; 在上位机选择电流传感器的类型,根据电流传感器的类型对应的设定电流值与总电流模拟单元的输出电压之间的比例系数k,设置总电流模拟单元的输出电压值,总电流模拟单元根据电压值进行电压输出,BMS检测到总电流值发送给上位机,上位机实时显示总电流设定值和BMS的检测值以及两者的误差值。
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