CN105954685A - 带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法，属于新能源汽车安全技术领域，该试验台包括上位机、短路触发控制器、温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、控温箱、电池防护箱、电磁继电器、电流传感器、温度传感器、电池组和电子负载；该试验台具有多点测温和远程控制功能，上位机监测系统通过CAN总线与短路触发控制器远程连接，并控制电磁继电器触发电池短路故障，该试验台可以在保障实验安全的前提下，实现了在不同工作环境温度下动力电池组短路测试，记录各项电特性、温度特性的变化，红外测温仪实时监测热分布，为研究动力电池在短路过程中的电热特性提供良好的基础。

Description

带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法

技术领域

本发明属于新能源汽车安全技术领域，具体涉及一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法。

背景技术

电动汽车是指以动力电池为车载能源、以电动机驱动系统为动力部件的车辆形式，具有节能、环保的优点；随着能源危机与环境污染问题的日益严重，以电动汽车为代表的新能源汽车已成为全世界汽车领域的研发重点；然而电动汽车的进一步推广也存在许多困难，近年来电动汽车的起火爆炸事故频频发生，电动汽车的安全性和可靠性已成为制约电动汽车进一步发展的瓶颈性问题；资料表明，很大一部分电动汽车起火事件是由于动力电池发生故障而引发的，作为电动汽车的核心部件，动力电池的安全性对于提高电动汽车的安全与可靠性，具有十分重要的作用。

电池外部短路故障是电池安全问题中最为严重的一类故障，短路过程中电池内部化学机理迅速破坏，短时间内电流急剧增大，大量的热在电池内部堆积，电池温度迅速上升，极易引发热失控、起火、爆炸等危险事故。

为了建立相应的短路故障模型、管理策略和防护机制，对电池外部短路时的故障特性进行研究是十分必要的，然而，电池外部短路是一种非常危险的故障，在实验过程中伴随着极高的安全隐患，因此普通的电池测试系统和实验设备无法保证实验的顺利、安全进行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法，该试验台在保障实验安全的前提下，实现在不同工作环境温度下动力电池组短路测试，记录各项电特性、温度特性的变化，同时依靠红外测温仪实时监测电池组本身及周边的热分布，为研究动力电池在短路过程中的电热特性提供良好的基础。

一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台，包括上位机、短路触发控制器、温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、控温箱、电池防护箱、电磁继电器、电流传感器、温度传感器、电池组和电子负载，其中，

所述的温控箱内部设置有电池防护箱，电池防护箱内部设置有电磁继电器、电流传感器、温度传感器和电池组，其中，电磁继电器的输出端连接电池组中被测电池的两端，且电流传感器设置于电磁继电器的输出端，温度传感器设置于被测电池表面，电池组的两端依次通过电池防护箱的通孔和控温箱的通孔连接电子负载的两端；

所述的上位机与短路触发控制器相连接，短路触发控制器的控制信号输出端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接电磁继电器的输入端；短路触发控制器的第一输入端连接温度测量电路的一端，温度测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端；短路触发控制器的第二输入端连接电压测量电路的一端，电压测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接被测电池的正负极；短路触发控制器的第三输入端连接电流测量电路的一端，电流测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端。

该试验台还包括摄像头和红外测温仪，且均设置于电池防护箱的上端。

所述的电池组包括串联结构、并联结构和混合结构。

所述的温度传感器设置于被测电池表面，具体为：设置于被测电池表面的正极、中间部位、负极和被测电池的周围，形成点阵分布。

采用带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台进行的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、进行实验前的初始化，对所测试的锂离子电池进行容量测试、开路电压测试、内阻测试与循环工况测试，得到电池在健康状态下的工作特性实验数据，选择多组电池组进行短路测试，每组电池组对应不同的实验环境温度；

步骤2、选择第一组中的第一电池组进行实验；

步骤3、将电池组安装至安全防护箱中，连接直流电子负载，同时安放温度传感器与电流传感器；

步骤4、确定电压量程、电流量程和温度量程，启动温控箱并设置温度值，当温控箱温度达到稳定启动电子负载，设置电池组工作状态，启动红外测温仪与摄像机，检查确保各传感器读数状态无异常；

步骤5、启动上位机，设置采样频率、重置电磁继电器和设置短路持续时间；

步骤6、通过上位机发送控制指令通过短路触发控制器至电磁继电器，触发被测电池短路故障；

步骤7、采集短路过程中电池的电压值、电流值和测量点的温度值；

步骤8、更换该组中下一电池组，返回执行步骤3，直至该组中所有电池组均完成测试，则执行步骤9；

步骤9、修改控温箱的温度设置，更换下一组电池组，执行步骤3，直至所有组电池组均完成测试，执行步骤10；

步骤10、实验结束，整理实验数据，根据电压与电流变化关系拟合电池的等效电路模型，根据温度变化关系拟合电池的热模型；

步骤11、将实验中已经发生了短路故障的电池组，重新进行容量测试，并与短路之前的实验数据进行对比，确定短路过程对电池所带来的损坏结果。

步骤1所述的工作特性实验数据，包括：容量、开路电压和内阻。

本发明优点：

本发明提出一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台及方法，该试验台具有安全防护与远程控制功能，试验台主要包含上位机、短路触发控制器、温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、控温箱、电池防护箱、电磁继电器、电流传感器、温度传感器、电池组和电子负载；该试验台具有多点测温和远程控制功能，其中的上位机监测系统通过CAN总线与短路触发控制器远程连接，并控制电磁继电器触发电池短路故障，电磁继电器连接被测的动力电池，并与动力电池、传感器、红外测温仪等一起置于安全防护箱中，安全防护箱用于保障实验人员的安全，同时采用一个温控箱对实验过程中的环境温度进行控制；基于上述试验台，进一步提出了一种适用于电动汽车动力电池外部短路故障特性测试的实验方法，对电池短路故障时的电特性、热扩散机理等进行完备实验研究；该试验台可以在保障实验安全的前提下，实现了在不同工作环境温度下动力电池组短路测试，记录各项电特性、温度特性的变化，同时依靠红外测温仪实时监测电池组本身及周边的热分布，为研究动力电池在短路过程中的电热特性提供良好的基础。

附图说明

图1为本发明一种实施例的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台结构示意图；

图2为本发明一种实施例的安全防护箱侧视图；

图3为本发明一种实施例的电池组为三节电池串联结构示意图；

图4为本发明一种实施例的两节电池先串联再并联的混合结构示意图；

图5为本发明一种实施例的电压测量电路电路原理图；

图6为本发明一种实施例的电流测量电路电路原理图；

图7为本发明一种实施例的温度测量电路电路原理图；

图8为本发明一种实施例的短路触发控制电路电路原理图；

图9为本发明一种实施例的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

本发明实施例中，如图1所示，带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台包括上位机、短路触发控制器、温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、控温箱、电池防护箱、电磁继电器、电流传感器、温度传感器、电池组和电子负载；如图2所示，该试验台还包括设置于电池防护箱上端的摄像头和红外测温仪。

本发明实施例中，短路触发控制器采用ECU555-80(DEV)型号，电磁继电器采用EV200AAANA型号，电流传感器采用HA2020型号，温度传感器(热电偶)采用K型感温线，温控箱采用101-3BS型号，电子负载采用JT6113型号，红外测温仪采用FLK-VT02型号；安全防护箱厚度：3mm；

本发明实施例中，温控箱内部设置有电池防护箱，电池防护箱内部设置有电磁继电器、电流传感器、温度传感器和电池组，其中，电磁继电器的输出端连接电池组中被测电池的两端，且电流传感器设置于电磁继电器的输出端，温度传感器设置于被测电池表面，电池组的两端依次通过电池防护箱的通孔和控温箱的通孔连接电子负载的两端；短路触发控制器置于温控箱的近端；安全防护箱置于温控箱之中，温控箱可以在-40℃～+80℃范围内调温，从而将电池实验的环境温度控制在某一恒定温度；温控箱正上方的红外测温仪透过天窗实时监测电池组本身及其周边的温度分布。

电池组包括串联结构、并联结构和混合结构；本发明实施例中，如图3所示，电池组为三节电池串联结构，被测电池为该电池组中间位置的电池；如图4所示，电池组为两节电池先串联再并联的混合结构，被测电池为该电池组第一列上端的电池。

本发明实施例中，采用多个体积小、响应速度快的热电偶作为温度传感器，其中三个热电偶布置在被测电池表面的正极、中间部位和负极；另有多个热电偶分别布置在被测电池的周围，形成点阵。同时测量短路过程中电池各个部位及其周围环境的温度变化。

本发明实施例中，短路触发控制器与上位机的控制端通过CAN总线连接并保持远程通讯，短路触发控制器的控制信号输出端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接电磁继电器的输入端，即短路触发控制器控制电磁继电器的开关动作从而触发电池发生短路故障；短路触发控制器的C端口连接温度测量电路的V_out端，温度测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端；短路触发控制器的B端口连接电压测量电路的V_out端，电压测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接被测电池的正负极；短路触发控制器的A端口连接电流测量电路的V_out端，电流测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端。

本发明实施例中，如图5所示，为电压测量电路图，该电路包括一个光耦隔离器和电压放缩电路；待测电池的正负极经光耦隔离器与电压放缩电路的输入端相连接，电压放缩电路的输出端与短路触发控制器相连接；整个电路安装在温控箱的外部，通过耐高温导线与内部的待测电池组相连接；其中，运算放大器采用LM358型号，光耦隔离器采用6N137型号。

图5中R₁和R₂为可调电阻，通过调节可调电阻来设置电压量程，短路触发控制器无论是发出信号还是接受信号都是电压信号，计算关系式如下：

$\frac{V_{\max }}{R_1}=\frac{V_{ref}}{R_1+R_2}---\left(1\right)$

其中，V_max是实验待测电池组对应的电压量程，V_ref是控制器电压处理电路的参考电压；

本发明实施例中，如图6所示，为电流测量电路图，包括霍尔电流传感器、转换电路(R_m)、电压跟随器(LM358)；电池组的短路回路穿过电流传感器，转换电路与电压跟随器组成该模块的信号处理单元，所述信号处理单元安装在温控箱外部；信号处理单元的输入端与电流传感器的输出端经耐温导线相连接，信号处理器的输出端与短路触发控制器相连接。

图6中R_m为采样电阻，且为可调电阻，通过调节R_m来设置电流量程；I_max为当次实验的电流量程；假设霍尔电流传感器的匝数比为1∶N；计算关系式如下：

$\frac{I_{max}}{N}=\frac{V_{ref}}{R_m}---\left(2\right)$

本发明实施例中，如图7所示，为温度测量电路图，该电路包括温度传感器(微型热电偶)、多路信号转换器、转换电路(R3)、电压跟随器(LM358)；多路信号转换器、转换电路及电压跟随器依次相连组成该模块的信号处理单元，安装在温控箱的外部；信号转换器的输入端与热电偶相连接，信号处理单元的输出端即电压跟随器的输出端与短路触发控制器相连接；所述的多路信号转换器采用R6100-A02-RK02型号。

本发明实施例中，如图7所示，温度信号在热电偶上以电势差的形式存在，再通过信号转换器线性变换成标准电流(4～20mA)并流经一个定值采样电阻；温度量程在信号转换器的操作面上进行设置，该模块的输出端为标准电压信号(0～5V)；计算关系式如下：

$V_T=(16\·\frac{T}{T_{max}}+4)\·R_3---\left(3\right)$

其中，T_max为温度量程，T为待测量的温度值，R₃为定值采样电阻的阻值；V_T为R₃两端的采样电压；

图8是本实施例的短路触发控制电路；该控制信号类型为低端驱动的开关量输出，控制器内部对输出引脚置1的时候，引脚使能，接地，电路导通，电池组短路。常态下该引脚悬空，电路断开。

本发明实施例中，采用带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台进行的试验方法，方法流程图如图9所示，包括以下步骤：

步骤1、进行实验前的初始化，对所测试的锂离子电池进行容量测试、开路电压测试、内阻测试与循环工况测试，得到电池在健康状态下的工作特性实验数据(容量、开路电压和内阻)，选择多组电池组进行短路测试，每组电池组对应不同的实验环境温度；

基于上述所构建的电池外部短路故障试验台，本发明实施例以18650锂离子动力电池为例，具体的实验方法按如下步骤实施：

首先进行实验前的初始化，对所测试的锂离子电池进行容量测试、开路电压测试、内阻测试与循环工况测试，得到电池在健康状态下的工作特性实验数据，选择3组电池进行短路测试，每一组包含10块被测电池，根据电池荷电状态(SOC)给予每块电池不同的编号，并设置不同实验环境温度，如表1～2所示：

表1电池编号

表2温度设定

步骤2、选择第一组中的第一电池组进行实验；

本发明实施例中，选择第一组电池，设置温度条件：T＝1，使用电池N＝1；

步骤3、将电池组安装至安全防护箱中，连接直流电子负载，同时安放温度传感器与电流传感器；

步骤4、确定电压量程、电流量程和温度量程，启动温控箱并设置温度值，等待5分钟至温控箱温度达到稳定，启动电子负载，设置电池组工作状态，启动红外测温仪与摄像机，检查确保各传感器读数状态无异常；

本发明实施例中，电池组工作状态为：

1)常阻CR模式：在CR模式，电子负载仿真一个电阻，内部电路维持输入电压和输入电流到一个固定比率，这个固定比或者电阻是可以编程的；

2)常压CV模式：电子负载在输入端维持一个固定电压，这个固定电压是不随输入电流的变化而变化；

3)常流CC模式：电子负载在输入端维持一个固定电流，使电池组看起来像一个电流源；

步骤5、启动上位机，设置采样频率、重置电磁继电器和设置短路持续时间；

步骤6、在上位机操控界面上发送控制指令，通过CAN总线传输给恒温箱近侧的短路触发控制器，结合继电器，触发电池短路故障；

步骤7、采集短路过程中电池的电压值、电流值和测量点的温度值；

步骤8、更换该组中下一电池组，返回执行步骤3，直至该组中所有电池组均完成测试，则执行步骤9；

即如果N＜10，N＝N+1，返回步骤3；如果N＝10，进入步骤9；

步骤9、修改控温箱的温度设置，更换下一组电池组，执行步骤3，直至所有组电池组均完成测试，执行步骤10；

即改变温度设置：T＝T+1，更换第二组电池，使用电池N＝1，进入步骤3；直到三组电池全部测试完毕，进入步骤10；

步骤10、实验结束，整理实验数据，根据电压与电流变化关系拟合电池的等效电路模型，根据温度变化关系拟合电池的热模型；

步骤11、将实验中已经发生了短路故障的电池组，重新进行容量测试，并与短路之前的实验数据进行对比，确定短路过程对电池所带来的损坏结果。

Claims (6)

1.一种带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台，其特征在于，包括上位机、短路触发控制器、温度测量电路、电压测量电路、电流测量电路、控温箱、电池防护箱、电磁继电器、电流传感器、温度传感器、电池组和电子负载，其中，

所述的温控箱内部设置有电池防护箱，电池防护箱内部设置有电磁继电器、电流传感器、温度传感器和电池组，其中，电磁继电器的输出端连接电池组中被测电池的两端，且电流传感器设置于电磁继电器的输出端，温度传感器设置于被测电池表面，电池组的两端依次通过电池防护箱的通孔和控温箱的通孔连接电子负载的两端；

所述的上位机与短路触发控制器相连接，短路触发控制器的控制信号输出端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接电磁继电器的输入端；短路触发控制器的第一输入端连接温度测量电路的一端，温度测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端；短路触发控制器的第二输入端连接电压测量电路的一端，电压测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接被测电池的正负极；短路触发控制器的第三输入端连接电流测量电路的一端，电流测量电路的另一端依次通过控温箱的通孔和电池防护箱的通孔连接温度传感器的输出端。

2.根据权利要求1所述的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台，其特征在于，该试验台还包括摄像头和红外测温仪，且均设置于电池防护箱的上端。

3.根据权利要求1所述的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台，其特征在于，所述的电池组包括串联结构、并联结构和混合结构。

4.根据权利要求1所述的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台，其特征在于，所述的温度传感器设置于被测电池表面，具体为：设置于被测电池表面的正极、中间部位、负极和被测电池的周围，形成点阵分布。

5.采用权利要求1所述的带有远程控制功能的电动汽车电池短路试验台进行的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、进行实验前的初始化，对所测试的锂离子电池进行容量测试、开路电压测试、内阻测试与循环工况测试，得到电池在健康状态下的工作特性实验数据，选择多组电池组进行短路测试，每组电池组对应不同的实验环境温度；

步骤2、选择第一组中的第一电池组进行实验；

步骤3、将电池组安装至安全防护箱中，连接直流电子负载，同时安放温度传感器与电流传感器；

步骤4、确定电压量程、电流量程和温度量程，启动温控箱并设置温度值，当温控箱温度达到稳定启动电子负载，设置电池组工作状态，启动红外测温仪与摄像机，检查确保各传感器读数状态无异常；

步骤5、启动上位机，设置采样频率、重置电磁继电器和设置短路持续时间；

步骤6、通过上位机发送控制指令通过短路触发控制器至电磁继电器，触发被测电池短路故障；

步骤7、采集短路过程中电池的电压值、电流值和测量点的温度值；

步骤8、更换该组中下一电池组，返回执行步骤3，直至该组中所有电池组均完成测试，则执行步骤9；

步骤9、修改控温箱的温度设置，更换下一组电池组，执行步骤3，直至所有组电池组均完成测试，执行步骤10；

步骤10、实验结束，整理实验数据，根据电压与电流变化关系拟合电池的等效电路模型，根据温度变化关系拟合电池的热模型；

步骤11、将实验中已经发生了短路故障的电池组，重新进行容量测试，并与短路之前的实验数据进行对比，确定短路过程对电池所带来的损坏结果。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，步骤1所述的工作特性实验数据，包括：容量、开路电压和内阻。