CN103956781A - 一种动力电池组均衡算法的开发装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力电池组均衡算法的开发装置，其包括一充电机、一放电机、多个单体均衡控制器。该充电机用于给被测电池组充电，该放电机用于给被测电池组放电。所述单体均衡控制器的数量与被测电池组的单体电池的数量一致，并且一个单体均衡控制器用于检测一个单体电池的温度和电压。该动力电池组均衡算法的开发装置，可以快速地进行包括均衡算法在内的电池管理系统算法开发。可以帮助相关企业和研究机构在进行动力电池管理系统算法开发时，提高效率，节约成本。

Description

一种动力电池组均衡算法的开发装置

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种动力电池算法的开发装置。

背景技术

在能源危机与环境污染的双重压力下，新能源产业蓬勃发展。新能源汽车和储能电站等领域，对于动力电池技术提出了更高的要求。一般而言，动力单体电池电压与容量不足，必须通过串并联的形式将动力电池组成电池组，才能满足相应动力装置或储能装置的功率需求。一个动力电池组可能包括上百个大容量动力单体电池，或者包括成千上万个小容量动力单体电池。

通常动力电池组内电池存在不一致的问题，制造环节的不一致性是主要原因之一。这种不一致性体现在电池的各项基本指标上，如电压不一致，容量不一致，内阻不一致，功率密度不一致等。通过严格控制制造环节中的工艺参数，能够减小制造环节的不一致性。然而，造成动力电池组内不一致性问题的原因还不仅如此，动力电池成组后，单体电池所处的空间位置对应着不同的热场、电场和机械使用条件，这些使用条件会使得成组之前一致性较好的电池组内的一致性变差。

总而言之，动力电池成组之后，总要面临不一致性的问题。尤其对于长时间使用的电池组而言，不一致性的问题更加突出。目前为止，不一致性造成的主要表现是电池组释放能量的能力减弱。由于通常只使用电池电压作为电池充放电的截止标准，容量小，内阻大的单体电池将会首先达到其截止电压，从而导致电池组的充放电能力被容量小、内阻大的单体电池所限制。不一致性的危害不仅包括电池组充放电容量的减小，还包括电池组总体寿命的缩短和电池安全性的隐患。有实验数据证明，某款磷酸铁锂电池组在出现不一致性问题后，车辆的续驶里程从100km降低到70km；另外，某款磷酸铁锂单体电池循环寿命可以达到1000次，而电池成组后的循环寿命仅300次。更重要的是，电池组内的不一致使得部分电池承受过大的电流，导致局部过热，甚至导致热失控的发生。

对于电池组内的不一致性问题，一种目前主流的解决方案即是电池均衡。电池均衡是指当电池组内各节单体电池由于不一致的问题无法完全充入/放出电量时，通过额外的充放电装置，根据某种电池均衡算法，对于部分电池进行合理的充放电，以使得整个电池组充入/放出的电能达到最多。

错误的均衡算法可能导致不良的后果，如电池不一致性变化加剧，系统能量损耗加大等。不同的均衡方法对应着相应的硬件执行机构和软件控制算法，在实际应用之前需要进行均衡效果测试。

具有不同材料体系的电池对应的均衡算法也不同，对应不同的使用工况而言对应的均衡算法也不同。在实际电池管理系统的开发过程中，对于均衡算法部分而言，需要能够针对不同的开发需求，进行快速的开发，并且节约开发成本。然而，传统的电池测试设备一般不包括硬件在环仿真的部分，并且也不具有对于单体电池进行均衡的执行机构，从而造成开发时间长，成本高。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种动力电池组均衡算法的开发装置，可以快速地进行包括均衡算法在内的电池管理系统算法开发，从而可以帮助相关企业和研究机构在进行动力电池管理系统算法开发时，提高效率，节约成本。

一种动力电池组均衡算法的开发装置，其包括一充电机、一放电机、多个单体均衡控制器，该充电机用于给被测电池组充电，该放电机用于给被测电池组放电，所述单体均衡控制器的数量与被测电池组的单体电池的数量一致，并且一个单体均衡控制器用于检测一个单体电池的温度和电压。

本发明提供的动力电池组均衡算法的开发装置，可以通过其建立基于硬件在环仿真的电池测试平台，对于包括均衡算法在内的电池管理系统算法进行快速的开发与测试，而不需要耗费时间在管理系统的硬件开发上。并且基于硬件在环仿真的测试平台不需要完整的电池组或电池管理系统，就可以对于电池管理系统的均衡算法进行快速的开发。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置与待测动力电池组的结构关系示意图。

图2为本发明第一实施例及第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置的充放电转换控制电路示意图。

图3为本发明第一实施例及第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置的电池状态监测电路示意图。

图4为本发明第一实施例及第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置的CAN总线各节点的布置示意图。

图5为本发明第一实施例及第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置工作时的供电电源系统设计示意图。

图6为本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置与待测动力电池组的结构关系示意图。

图7为本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置机箱的外观示意图。

图8为本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置机箱表面的手动操作控制面板示意图。

图9本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置机箱的内部分层结构示意图。

图10为本发明第一实施例及第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置，在使用时构成的硬件在环仿真平台的功能架构示意图。

图11为图10中的硬件在环仿真平台在测试动力电池组时，电池组的接线方式的示意图。

图12为图10中的硬件在环仿真平台在测试电池组时，对于待测动力电池组施加的带均衡的充放电规程。

图13为为图10中的硬件环仿真平台在测试电池组时，对于待测动力电池组的算法测试结果。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参见图1，本发明第一实施例提供一种动力电池组均衡算法的开发装置100，其包括一充电机10、一放电机30、多个单体均衡控制器20。该充电机10用于给被测电池组充电，该放电机30用于给被测电池组放电。所述多个单体均衡控制器20的数量与被测电池组的单体电池的数量一致，并且一个单体均衡控制器20用于检测一个单体电池的温度和电压。

所述单体均衡控制器20通过软件和硬件的设计，具有8个主要的功能：电源供电，均衡控制器电子编号，电压采样，均衡电流采样，温度采样，使用液晶显示屏的数据显示，CAN通讯，脉宽调制(Pulse-Width Modulation, PWM)可控均衡。本实施例中，包括8个单体均衡控制器20，从而可以对应测试8个单体电池组成的电池组。该单体均衡控制器20能够达到的技术指标如1所示。

表 1 单体均衡控制器能够达到的技术指标

该动力电池组均衡算法的开发装置100工作时，所述充电机10和放电机30通过导线与待测电池的正负极连接，在一电脑的控制下对于待测电池组进行充放电。每个单体均衡控制器20与待测电池组中的一节电池对应相连，分别检测不同电池的电压和温度。所述放电机30通过3个星型连接的功率电阻32释放能量，能量释放的形式为电阻热。该动力电池组均衡算法的开发装置100进一步包括风扇系统40用于对于功率电阻32进行散热。

请参见图2，该动力电池组均衡算法的开发装置100实现了基于CAN通讯的在线充放电转换控制。该动力电池组均衡算法的开发装置100，由CAN信号控制充放电转换控制开关，再由充放电转换控制开关控制对应继电器的通断，从而实现充电和放电之间的转换。

请参见图3，该动力电池组均衡算法的开发装置100的电池状态监测电路如附图3所示，在工作时，该动力电池组均衡算法的开发装置100的各个单体均衡控制器20分别监控一个单体电池的电压和温度。为防止断电情况下电池通过单体均衡控制器20漏电，监控电路中设有继电器，电压和温度的监测线路在断电时均会与单体均衡控制器20断开。另外，还包括一手动均衡放电开关与将电池与单体均衡控制器相连接，可以通过手动开断对于电池进行手动放电均衡。

该动力电池组均衡算法的开发装置100的部件通讯采用的是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的CAN总线，其包括CAN节点布置以及CAN通讯协议两个部分。请参见图4，本实施例中，该动力电池组均衡算法的开发装置100的CAN节点布置，包括受到一CAN总线控制的电表60、所述充电机10，8个单体均衡控制器20、所述放电机30和一继电器50。由于CAN总线数据传输量的限制，采用了两路CAN通信通道CAN1和CAN2。其中CAN1连接的是一下位机电脑、所述电表60和所述充电机10；CAN2连接的是在该下位机电脑、8个单体均衡控制器20、所述放电机30和所述继电器50。根据CAN传输数据的原理，分别设置了CAN1和CAN2通道的波特率以及各个节点部件的通讯地址。该下位机电脑通过各节点的通讯地址来接收和发送相应的CAN消息，从而完成对整个系统的监控。

请参见图5，图5为动力电池组均衡算法的开发装置100的供电电源系统设计，其中交流220V直接为所述风扇系统40、所述充电机10、一12V直流电源和所述下位机电脑供电。12V直流电源为所述放电机30、所述多个单体均衡控制器20、所述电表60和所述继电器50及一继电器控制器供电。

请参见图6，本发明第二实施例提供一种动力电池组均衡算法的开发装置200，其包括一计算机70、一充电机10、一放电机30、以及多个单体均衡控制器20。该计算机70用于对于均衡算法的实时运算与验证。该充电机10用于给被测电池组充电，该放电机30用于给被测电池组放电。所述多个单体均衡控制器20的数量与被测电池组的单体电池的数量一致，并且一个单体均衡控制器20用于检测一个单体电池的温度和电压。该动力电池组均衡算法的开发装置200最多可以测试8节动力电池组成的动力电池组。

本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200，与第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100相比较，多了一个计算机70，该计算机70起到的作用是作在环仿真电脑。该计算机70与第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100集成整合在一起构成一个整体系统。第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200，其充放电转换控制电路示意图为图2，其电池状态监测电路示意图为图3，其CAN总线各节点的布置示意图为图4，工作时的供电电源系统设计示意图为图6。

请参见图7，为为本发明第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200机箱80的外观示意图。本实施例中，机箱80采用了常用的琴键式双联操作台。左侧可视部分为计算机70的显示器82，可以实时显示装置运行状态，右侧可视部分为手动操作控制面板84。

本实施例中，该动力电池组均衡算法的开发装置200最多可以测试8节动力电池组成的动力电池组。如附图8所示，本实施例中，所述手动操作控制面板84包括了8个手动放电开关、8个电池状态显示屏、以及8个控制开关。8个控制开关分别是充电机开关、单体均衡控制器开关、放电机开关，计算机开关、内/外部模式切换开关、电池组总开关、急停开关，和一个预留的开关。

该动力电池组均衡算法的开发装置200装置的主要部件均装在机箱80内部。请参见图9，从机箱80后部打开可以看到4个隔层，分别是第一隔层81、第二隔层83、第三隔层85以及第四隔层87。所述第一隔层81、第二隔层83、第三隔层85一次由上至下设置在机箱的左侧，所述第四隔层87设置在机箱的右侧，各个隔层中放置的部件名称如表2所列。

表 2 各隔层所放置的部件

隔层序号	放置的部件
		1	用于放电的功率电阻32、风扇系统40。
2	充放电控制继电器、充电机10、放电机12V直流电源、单体电池均衡控制器20。
		3	电池继电器开关、保险丝、电池组、电表。
4	计算机70（xPC下位机电脑）、电源插座、CAN总线调试器。

本发明第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100和第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200，能够达到如表3所示的技术指标。可以对于最多含有8节锂离子动力电池的电池组进行测试。

表 3 装置的技术指标

本发明第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100和第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200，在使用时构成的硬件环仿真平台的功能架构示意图如图10所述。请参见图10，上位机电脑即使用者的个人电脑，安装有能够支持xPC和Simulink功能的MATLAB软件。下位机电脑为第二实施例中的计算机70，或者当使用第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100时，可以是使用者自己配置的其它计算机。上位机电脑用于让使用者在MATLAB Simulink中进行电池均衡算法的快速开发。下位机电脑作为虚拟的电池均衡控制器，可以对装置的执行部件通过CAN进行监控，从而对于均衡算法进行实时运算与验证。在上位机电脑中开发好的电池均衡算法，通过Ethernet网络连接线下载到下位机电脑中，从而通过下位机电脑对于均衡算法进行实时运算与验证。

结合图10，下面介绍本发明第一实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置100或第二实施例提供的动力电池组均衡算法的开发装置200对于动力电池均衡算法进行基于硬件在环仿真的快速开发的使用方法，具体包括以下步骤：

S1，组装并连接需要测试的动力电池组；

S2，接通电源，打开各部件电源；

S3，选择内部/外部充放电模式；

S4，在MATLAB Simulink中编制电池均衡算法；

S5，连接上位机电脑与下位机电脑，下载算法；以及

S6，进行硬件在环仿真，验证算法效果。

步骤S1中，待测电池组中的单节电池可以以是现有技术中任何电池。还可以选用以钴酸锂、锰酸锂、三元锂离子等任何材料为正极，以石墨、钛酸锂等任何材料为负极的电池。在本实施例中，对于某款以磷酸铁锂为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池进行了测试，以验证本发明动力电池组均衡算法的开发装置的基本功能。该款锂离子电池额定工作电压为3.2V，额定容量为6.5Ah，内阻小于3.5 mΩ。

本实施例中，使用连接件将8节电池串联起来，按照附图11所示的形式连接装置与电池组。将电池组的正负极连接到充放电用的导线上。将信号测试线依次连接到电池上，其中V1/GND连接到电表电压测量的总正/总负上，用于测量电池组总电压。S1~S9为9根电压信号线，依次按照线的标号和对应位置连接。T1~T8为温度传感器，依次按照线的标号和对应位置连接，由于在使用过程中电池负极产热较多，一般推荐安装在电池负极极柱上。

步骤S2中，将装置接通电源，并依次打开充电机，放电机，均衡控制器，下位机电脑的电源。

步骤S2中，通过拨动面板上的按钮，选择装置工作在内部充电模式，意味着装置的充放电动作将由下位机电脑中的算法控制。

在步骤S4中，对于动力电池组进行了如附图12所示的充放电测试。在充放电测试进行中，对于电压一直较低的3号电池进行了充电均衡，对于电压一直较高的6号电池进行了放电均衡，均衡电流如附图12所示。以上的算法写入了上位机电脑的MATLAB Simulink中。

步骤S5中，使用一根Ethernet网络连接线连接上位机电脑与下位机电脑，将上位机MATLAB Simulink中编制好的算法下载到下位机电脑中。

步骤S5中，算法下载完毕后，在上位机电脑中运行在MATLAB Simulink中编制好的算法，在下位机电脑中即会进行硬件在环仿真。本实施例中，验证的结果如附图13所示：在0~1200s之间，动力电池组一直处于整体充放电的状态；在400~800s之间对于电压一直较低的3号电池进行了0.2A的充电均衡；在800~1200s之间对于电压一直较高的6号电池进行了0.2A的放电均衡；在1200~1600s之间对动力电池组进行了静置。测试前电池组内最大电压与最小电压之间的电压极差为0.005V，经过均衡之后，该电压极差减小为0.004V。

本发明提供的动力电池组均衡算法的开发装置，通过建立基于硬件在环仿真的电池测试平台，可以对于包括均衡算法在内的电池管理系统算法进行快速的开发与测试，而不需要耗费时间在管理系统的硬件开发上。并且基于硬件在环仿真的测试平台不需要完整的电池组或电池管理系统，就可以对于电池管理系统的均衡算法进行快速的开发。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，其包括一充电机、一放电机、多个单体均衡控制器，该充电机用于给被测电池组充电，该放电机用于给被测电池组放电，所述单体均衡控制器的数量与被测电池组的单体电池的数量一致，并且一个单体均衡控制器用于检测一个单体电池的温度和电压。

2.如权利要求1所述的动力电池组均衡算法的开放装置，其特征在于，所述单体均衡控制器具有电源供电，均衡控制器电子编号，电压采样，均衡电流采样，温度采样，使用液晶显示屏的数据显示，CAN通讯，脉宽调制可控均衡的功能。

3.如权利要求1所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，进一步包括继电器及由CAN信号控制的充放电转换控制开关，所述充放电转换控制开关控制对应继电器的通断从而实现充电和放电之间的转换。

4.如权利要求1所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，进一步包括一电表，该动力电池组均衡算法的开发装置的CAN节点布置包括受到CAN总线控制的电表、充电机、多个单体均衡控制器、放电机和继电器控制器，采用两路CAN通信通道CAN1和CAN2，其中CAN1连接的是所述电表和所述充电机，CAN2连接的是所述多个单体均衡控制器、所述放电机和所述继电器控制器。

5.如权利要求4项所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，其进一步包括一计算机，该计算机用于对于均衡算法的实时运算与验证时的下位机电脑。

6.如权利要求5所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，所述计算机通过CAN1连接的是所述电表和所述充电机，所述计算机通过CAN2连接的是所述多个单体均衡控制器、所述放电机和所述继电器控制器。

7.如权利要求6所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，使用时，所述计算机通过各节点的通讯地址来接收和发送相应的CAN消息，从而完成对该动力电池组均衡算法的开发装置的监控。

8.如权利要求6所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，其进一步包括一风扇系统，用于对放电机进行散热。

9.如权利要求6所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，该动力电池组均衡算法的开发装置包括一220伏特交流电源及12伏特直流电源供电，所述220伏特交流电源为所述风扇系统、所述充电机以及一12伏特直流电源供电，所述12伏特直流电源为所述放电机、所述多个单体均衡控制器、所述电表、所述继电器及所述继电器控制器供电。

10.如权利要求1所述的动力电池组均衡算法的开发装置，其特征在于，在使用时每个单体均衡控制器通过两条导线测量单体电池电压，并通过这两条导线对于单体电池进行充放电均衡，通过两条温度传感器连接线测量单体电池温度。