CN110333452A - 一种bms测试平台用动力电池模拟系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通用性强、成本低、测试精确度高的BMS测试平台用动力电池模拟系统及其控制方法。本发明包括通过n个单通道虚拟电池的设置，配合主开关、副开关Ⅰ、副开关Ⅱ、副开关Ⅲ和副开关Ⅳ的开闭配合，使得本发明的动力电池模拟系统在对BMS产品进行测试时，能够节省测试成本，与现有的采用电池模块和电池包相比，测试性能和测试精度不会受到测试次数和不同产品测试的影响，提高了测试精确度，并且对各种型号BMS产品具有较好的普适性；此外，其方法操作简单，根据需求对不同的开关进行设置即可实现。本发明可应用于动力电池领域。

Description

一种BMS测试平台用动力电池模拟系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及动力电池领域，尤其涉及一种BMS测试平台用动力电池模拟系统及其控制方法。

背景技术

近些年，随着新能源汽车行业的快速发展，新能源汽车的安全性和可靠性越来越得到广泛的关注。调查发现，新能源汽车50%以上的安全事故来源于动力电池系统，而BMS作为动力电池系统的“大脑”，负责监测并控制整个动力电池系统的实时状态，并且与整车控制器进行通讯，与其他系统协调工作，因此，BMS产品质量的优劣对于电池系统的安全性具有极其重要的影响。

目前，对BMS的测试通常采用实际的电池包或模组进行检测，其中具有诸多缺点有待改进。首先，BMS通常是定制化产品，不同BMS适用于不同类型的电池包；其次，电池包价格昂贵，测试成本较大；最后，随着电池包使用次数的增加，性能发生较大变化，测试结果的一致性受到影响。另外，BMS的最小检测单元通常为电池模组，由于电池模组连接方式的多样性，串联、并联、串联和并联的混合连接方式等，现有的电池包或电池包很难满足各种测试需求，必须对电池包进行定制，这进一步增加了成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种通用性强、成本低、测试精确度高的BMS测试平台用动力电池模拟系统及其控制方法。

本发明所述BMS测试平台用动力电池模拟系统所采用的技术方案是：本发明包括n个含有正极端和负极端的单通道虚拟电池CH₁、CH₂、…、CH_n，

在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一主开关S₁，在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二主开关S₂，在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三主开关S₃，依次类推地，直至在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n主开关S_n；

在第一单通道虚拟电池CH₁的正极与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一副开关ⅠS₁₀, 在第二单通道虚拟电池CH₂的正极与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二副开关ⅠS₂₀, 在第三单通道虚拟电池CH₃的正极与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三副开关ⅠS₃₀, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的正极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n副开关ⅠS_n0；

在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第二单通道虚拟电池CH₂的负极之间连接有第一副开关ⅡS₁₃, 在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第三单通道虚拟电池CH₃的负极之间连接有第二副开关ⅡS₂₃, 在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第四单通道虚拟电池CH₄的负极之间连接有第三副开关ⅡS₃₃, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的负极之间连接有第n副开关ⅡS_n3；

在第一副开关ⅠS₁₀与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一副开关ⅢS₂₁，在第二副开关ⅠS₂₀与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二副开关ⅢS₃₁，在第三副开关ⅠS₃₀与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三副开关ⅢS₄₁，依次类推地，在第n副开关ⅠS_n0与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n副开关ⅢS_n+11；

在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第一副开关ⅡS₁₃之间连接有第一副开关ⅣS₁₂，在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第二副开关ⅡS₂₃之间连接有第二副开关ⅣS₂₂，在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第三副开关ⅡS₃₃之间连接有第三副开关ⅣS₃₂，依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n副开关ⅡS_n3之间连接有第n副开关ⅣS_n2，其中n为自然数。

上述方案可见，采用单通道虚拟电池组建动力电池组模拟系统代替实际电池模块和电池包，节省了测试成本，与现有的采用电池模块和电池包相比，测试性能和测试精度不会受到测试次数和不同产品测试的影响，提高了测试精确度，并且对各种型号BMS产品具有较好的普适性；相对于单通道模拟输出上限限制，通过主开关和多组副开关的设置，实现了多通道的串并联来实现电池单体模拟，可使电池单体的模拟范围更广，如单通道电压模拟输出能力为5V，通过两通道串联后模拟单电池的电压输出能力可提高到10V；相对于动力电池组的全通道并联或者全通道串联的单一控制方式，本发明通过主开关和多种副开关的结合可实现更为复杂的混联，使系统模拟方式更灵活，且适用性更强。

进一步地，第一单通道虚拟电池CH₁至第n单通道虚拟电池CH_n均包括交流输入端、滤波整流部分、高频变压器、PWM控制器、光耦器、电压变阻器R11、R17和直流输出端，交流输入端输入交流电，经PWM控制器调制，再经滤波整流后在所述高频变压器T1的作用下降压，结合所述光耦器U2反馈隔离并在所述电压变阻器R11、R17的联合调节下进行2.5～18V的直流输出。由此可见，交流输入后经滤波整流、PWM调制、降压并经过电压变阻器的调节，经精密稳压电源芯片稳压后最终输出稳定的直流电压，实现电池组或电池包的模拟，避免了真实的昂贵的电池组和电池包的投入，降低了成本，也使得测试适用性更加广，也避免了实际电池组或电池包寿命问题对测试造成影响，保证了测试精度。

上述BMS测试平台用动力电池模拟系统的控制方法包括如下步骤：

（1）当需要模拟电池内部的电池单体全串联模拟输出时，将第一主开关S₁至第n主开关S_n全部闭合，第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0、第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3、第一副开关ⅢS₂₁至第n副开关ⅢS_n+11以及第一副开关ⅣS₁₂至第n副开关ⅣS_n2均断开；

（2）当需要模拟电池内部的电池单体全部并联模拟输出时，将第一主开关S₁至第n主开关S_n全部断开，第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0、第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3、第一副开关ⅢS₂₁至第n副开关ⅢS_n+11以及第一副开关ⅣS₁₂至第n副开关ⅣS_n2均闭合；

（3）当需要模拟电池内部的电池单体若干路串联再整体并联模拟输出时，将第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0以及第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3全部闭合，需要串联的单通道虚拟电池之间的主开关闭合，位于串联后形成的单通道虚拟电池串联单元首端的正极端的副开关Ⅲ以及位于该串联后形成的单通道虚拟电池串联单元最末端的负极端的副开关Ⅳ均闭合；

（4）当需要模拟电池内部的电池单体若干路并联再整体串联模拟输出时，并联部分的副开关Ⅰ、副开关Ⅱ、副开关Ⅲ以及副开关Ⅳ均闭合，并联部分与并联部分之间的主开关闭合，其中n为自然数。

上述方案可见，通过主开关、副开关Ⅰ、副开关Ⅱ、副开关Ⅲ以及副开关Ⅳ的配合实用，根据不同需求对主开关和各个副开关采用断开或闭合的动作，使得接入的单通道虚拟电池的有效数目随着要求的而便捷的变化，使得整个系统控制更加简单方便，且能够满足各种混联的要求，使系统模拟方式更灵活，且适用性更强。

附图说明

图1是本发明系统的简易结构示意图；

图2是图1中在全串联模拟输出状态下的电路示意图；

图3是图1中在全并联模拟输出状态下的电路示意图；

图4是图1中在先串联再并联模拟输出状态下的电路示意图；

图5是图1中在先并联再串联模拟输出状态下的电路示意图；

图6是所述单通道虚拟电池的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统包括n个含有正极端和负极端的单通道虚拟电池CH₁、CH₂、…、CH_n，其中n为自然数，下同。在本实施例中，第一单通道虚拟电池CH₁至第n单通道虚拟电池CH_n均包括交流输入端、滤波整流部分、高频变压器T1、PWM控制器、光耦器U2、电压变阻器R11、R17和直流输出端，交流输入端输入交流电，经滤波整流后再经PWM控制器调制，在所述高频变压器T1的作用下降压，结合所述光耦器U2反馈隔离并在所述电压变阻器R11、R17的联合调节下进行2.5～18V的直流输出。再本实施例中，经过电压变阻器后，再输入精密稳压电源芯片KIA431做稳压处理后最终输出稳定的直流电压。

在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一主开关S₁，在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二主开关S₂，在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三主开关S₃，依次类推地，直至在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n主开关S_n。在第一单通道虚拟电池CH₁的正极与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一副开关ⅠS₁₀, 在第二单通道虚拟电池CH₂的正极与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二副开关ⅠS₂₀, 在第三单通道虚拟电池CH₃的正极与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三副开关ⅠS₃₀, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的正极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n副开关ⅠS_n0。在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第二单通道虚拟电池CH₂的负极之间连接有第一副开关ⅡS₁₃, 在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第三单通道虚拟电池CH₃的负极之间连接有第二副开关ⅡS₂₃, 在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第四单通道虚拟电池CH₄的负极之间连接有第三副开关ⅡS₃₃, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的负极之间连接有第n副开关ⅡS_n3。在第一副开关ⅠS₁₀与第二单通道虚拟电池CH₂的正极之间连接有第一副开关ⅢS₂₁，在第二副开关ⅠS₂₀与第三单通道虚拟电池CH₃的正极之间连接有第二副开关ⅢS₃₁，在第三副开关ⅠS₃₀与第四单通道虚拟电池CH₄的正极之间连接有第三副开关ⅢS₄₁，依次类推地，在第n副开关ⅠS_n0与第n+1单通道虚拟电池CH_n+1的正极之间连接有第n副开关ⅢS_n+11。在第一单通道虚拟电池CH₁的负极与第一副开关ⅡS₁₃之间连接有第一副开关ⅣS₁₂，在第二单通道虚拟电池CH₂的负极与第二副开关ⅡS₂₃之间连接有第二副开关ⅣS₂₂，在第三单通道虚拟电池CH₃的负极与第三副开关ⅡS₃₃之间连接有第三副开关ⅣS₃₂，依次类推地，在第n单通道虚拟电池CH_n的负极与第n副开关ⅡS_n3之间连接有第n副开关ⅣS_n2。

针对不同的需求，对主开关和各个副开关的控制过程如下：

当需要模拟电池内部的电池单体全串联模拟输出时，如图2所示，将第一主开关S₁至第n主开关S_n全部闭合，第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0、第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3、第一副开关ⅢS₂₁至第n副开关ⅢS_n+11以及第一副开关ⅣS₁₂至第n副开关ⅣS_n2均断开。此时，单通道虚拟电池CH₁、CH₂、…、CH_n均处于串联状态，串联数目上限由电池模拟系统的通道总数决定。并且当某一单通道虚拟电池CH_m+1故障时，可切断主开关S_m，闭合副开关ⅣS_m2、副开关ⅡS_m3和副开关ⅣS_m+12，其中m是取值于1与n之间的自然数。其他开关状态保持如图2，即可可剔除单通道虚拟电池CH_m+1故障通道，其他n-1个单通道虚拟电池处于全串联状态，使系统在单通道故障时不影响整体使用。当第一个单通道虚拟电池CH₁出现故障时，则断开主开关S1，同时闭合副开关ⅠS₁₀和副开关ⅢS₂₁，即可将第一个单通道虚拟电池CH₁剔除。

当需要模拟电池内部的电池单体全部并联模拟输出时，如图3所示，将第一主开关S₁至第n主开关S_n全部断开，第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0、第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3、第一副开关ⅢS₂₁至第n副开关ⅢS_n+11以及第一副开关ⅣS₁₂至第n副开关ⅣS_n2均闭合。并联数目上限由电池模拟系统通道总数决定。当某一单通道虚拟电池CH_m故障时，可切断位于其两端的副开关ⅢS_m1和副开关ⅣS_m2，其中m取值1～n。其他开关状态如图3所示，可剔除CH_m故障通道，其他n-1个虚拟电池通道处于全并联状态，使系统在单通道故障时不影响整体使用。

当需要模拟电池内部的电池单体若干路串联再整体并联模拟输出时，如图4所示，将第一副开关ⅠS₁₀至第n副开关ⅠS_n0以及第一副开关ⅡS₁₃至第n副开关ⅡS_n3全部闭合，需要串联的单通道虚拟电池之间的主开关闭合，位于串联后形成的单通道虚拟电池串联单元首端的正极端的副开关Ⅲ以及位于该串联后形成的单通道虚拟电池串联单元最末端的负极端的副开关Ⅳ均闭合。以先两路串联后再整体并联连接为例，在图1的电路示意图中，当n为奇数时，主开关S₁、S₃···S_n全闭合，主开关S₂、S₄···S_n-1全断开；副开关ⅠS₁₀、S₂₀、S₃₀、···、S_n0全闭合；副开关ⅢS₂₁、S₄₁、···、S_n+11全断开，副开关ⅢS₃₁、S₅₁···S_n1全闭合；副开关ⅣS₁₂、S₃₂、···、S_n2全断开，副开关ⅣS₂₂、S₄₂、···、S_n-12全闭合；副开关ⅡS₁₃、S₂₃、S₃₃···S_n3全闭合。在上述控制策略下，图1可简化成如图4所示的电路示意图，单通道虚拟电池CH₁、CH₂串联，CH₃、CH₄串联，···，CH_n-1、CH_n串联，然后串联单元之间处于并联连接状态。同理，在此基础上可实现多路串联后再整体并联输出。

当需要模拟电池内部的电池单体若干路并联再整体串联模拟输出时，如图5所示，并联部分的副开关Ⅰ、副开关Ⅱ、副开关Ⅲ以及副开关Ⅳ均闭合，并联部分与并联部分之间的主开关闭合。以先两路并联后再整体串联连接为例，在图1的电路示意图中，当n为奇数时，主开关S₁、S₃、···、S_n全断开，主开关S₂、S₄、···、S_n-1全闭合；副开关ⅠS₁₀、S₃₀、···、S_n0全闭合，副开关ⅠS₂₀、S₄₀···S_n-10全断开；副开关ⅢS₂₁、S₃₁、···、S_n1全闭合，副开关ⅣS₁₂、S₂₂、···、S_n2全闭合；副开关ⅡS₁₃、S₃₃、···、S_n3全闭合，副开关ⅡS₂₃、S₄₃、···、S_n-13全断开。在上述控制策略下，图1可简化成如图5所示的电路示意图，单通道虚拟电池CH₁和CH₂并联，CH₃和CH₄并联，···，CH_n和CH_n+1并联，然后并联单元之间处于串联连接状态。同理，在此基础上可实现多路并联后再整体串联输出。

当然，除了上述控制策略外，还可以根据实际需求进行开关控制，如需要两路单通道虚拟电池串联后再与其它通道虚拟电池并联，或者某一单通道虚拟电池与其它并联的虚拟电池串接，等等。

由上可见，本发明与现有技术相比，本发明采用动力电池组模拟系统代替实际电池模块和电池包，具有较好的测试灵活性、测试结果重现性，提高了测试精确度，并且对各种型号BMS产品具有较好的普适性。本发明申请的动力电池模拟系统可单通道模拟动力电池单体输出，并且通过控制策略和控制方法可实现动力电池组模拟系统全通道串联、全通道并联、连续相邻多通道串联后再整体并联、连续多通道并联后再串联等控制方法，控制灵活，适应性更强。

Claims (3)

1.一种BMS测试平台用动力电池模拟系统，其特征在于：它包括

n个含有正极端和负极端的单通道虚拟电池（CH₁、CH₂、…、CH_n），

在第一单通道虚拟电池（CH₁）的负极与第二单通道虚拟电池（CH₂）的正极之间连接有第一主开关（S₁），在第二单通道虚拟电池（CH₂）的负极与第三单通道虚拟电池（CH₃）的正极之间连接有第二主开关（S₂），在第三单通道虚拟电池（CH₃）的负极与第四单通道虚拟电池（CH₄）的正极之间连接有第三主开关（S₃），依次类推地，直至在第n单通道虚拟电池（CH_n）的负极与第n+1单通道虚拟电池（CH_n+1）的正极之间连接有第n主开关（S_n）；

在第一单通道虚拟电池（CH₁）的正极与第二单通道虚拟电池（CH₂）的正极之间连接有第一副开关Ⅰ（S₁₀）, 在第二单通道虚拟电池（CH₂）的正极与第三单通道虚拟电池（CH₃）的正极之间连接有第二副开关Ⅰ（S₂₀）, 在第三单通道虚拟电池（CH₃）的正极与第四单通道虚拟电池（CH₄）的正极之间连接有第三副开关Ⅰ（S₃₀）, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池（CH_n）的正极与第n+1单通道虚拟电池（CH_n+1）的正极之间连接有第n副开关Ⅰ（S_n0）；

在第一单通道虚拟电池（CH₁）的负极与第二单通道虚拟电池（CH₂）的负极之间连接有第一副开关Ⅱ（S₁₃）, 在第二单通道虚拟电池（CH₂）的负极与第三单通道虚拟电池（CH₃）的负极之间连接有第二副开关Ⅱ（S₂₃）, 在第三单通道虚拟电池（CH₃）的负极与第四单通道虚拟电池（CH₄）的负极之间连接有第三副开关Ⅱ（S₃₃）, 依次类推地，在第n单通道虚拟电池（CH_n）的负极与第n+1单通道虚拟电池（CH_n+1）的负极之间连接有第n副开关Ⅱ（S_n3）；

在第一副开关Ⅰ（S₁₀）与第二单通道虚拟电池（CH₂）的正极之间连接有第一副开关Ⅲ（S₂₁），在第二副开关Ⅰ（S₂₀）与第三单通道虚拟电池（CH₃）的正极之间连接有第二副开关Ⅲ（S₃₁），在第三副开关Ⅰ（S₃₀）与第四单通道虚拟电池（CH₄）的正极之间连接有第三副开关Ⅲ（S₄₁），依次类推地，在第n副开关Ⅰ（S_n0）与第n+1单通道虚拟电池（CH_n+1）的正极之间连接有第n副开关Ⅲ（S_n+11）；

在第一单通道虚拟电池（CH₁）的负极与第一副开关Ⅱ（S₁₃）之间连接有第一副开关Ⅳ（S₁₂），在第二单通道虚拟电池（CH₂）的负极与第二副开关Ⅱ（S₂₃）之间连接有第二副开关Ⅳ（S₂₂），在第三单通道虚拟电池（CH₃）的负极与第三副开关Ⅱ（S₃₃）之间连接有第三副开关Ⅳ（S₃₂），依次类推地，在第n单通道虚拟电池（CH_n）的负极与第n副开关Ⅱ（S_n3）之间连接有第n副开关Ⅳ（S_n2）；其中n为自然数。

2.根据权利要求1所述的一种BMS测试平台用动力电池模拟系统，其特征在于：第一单通道虚拟电池（CH₁）至第n单通道虚拟电池（CH_n）均包括交流输入端、滤波整流部分、高频变压器（T1）、PWM控制器、光耦器（U2）、电压变阻器（R11、R17）和直流输出端，交流输入端输入交流电，经PWM控制器调制，再经滤波整流后在所述高频变压器（T1）的作用下降压，结合所述光耦器（U2）反馈隔离并在所述电压变阻器（R11、R17）的联合调节下进行2.5～18V的直流输出。

3.一种如权利要求1所述的BMS测试平台用动力电池模拟系统的控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

（1）当需要模拟电池内部的电池单体全串联模拟输出时，将第一主开关（S₁）至第n主开关（S_n）全部闭合，第一副开关Ⅰ（S₁₀）至第n副开关Ⅰ（S_n0）、第一副开关Ⅱ（S₁₃）至第n副开关Ⅱ（S_n3）、第一副开关Ⅲ（S₂₁）至第n副开关Ⅲ（S_n+11）以及第一副开关Ⅳ（S₁₂）至第n副开关Ⅳ（S_n2）均断开；

（2）当需要模拟电池内部的电池单体全部并联模拟输出时，将第一主开关（S₁）至第n主开关（S_n）全部断开，第一副开关Ⅰ（S₁₀）至第n副开关Ⅰ（S_n0）、第一副开关Ⅱ（S₁₃）至第n副开关Ⅱ（S_n3）、第一副开关Ⅲ（S₂₁）至第n副开关Ⅲ（S_n+11）以及第一副开关Ⅳ（S₁₂）至第n副开关Ⅳ（S_n2）均闭合；

（3）当需要模拟电池内部的电池单体若干路串联再整体并联模拟输出时，将第一副开关Ⅰ（S₁₀）至第n副开关Ⅰ（S_n0）以及第一副开关Ⅱ（S₁₃）至第n副开关Ⅱ（S_n3）全部闭合，需要串联的单通道虚拟电池之间的主开关闭合，位于串联后形成的单通道虚拟电池串联单元首端的正极端的副开关Ⅲ以及位于该串联后形成的单通道虚拟电池串联单元最末端的负极端的副开关Ⅳ均闭合；

（4）当需要模拟电池内部的电池单体若干路并联再整体串联模拟输出时，并联部分的副开关Ⅰ、副开关Ⅱ、副开关Ⅲ以及副开关Ⅳ均闭合，并联部分与并联部分之间的主开关闭合，其中n为自然数。