CN110911765B - 一种电池均衡策略验证平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池均衡策略验证平台。所述平台包括电池均衡模块、电池检测模块、系统控制模块、上位机；电池检测模块用于实时监测电池单体状态，并将电池单体状态信息发送给上位机；上位机接收电池单体状态信息，并将均衡充放电动作指令发送给系统控制模块；系统控制模块将上位机的指令转化为控制信号发送给电池均衡模块；电池均衡模块包括双向DC‑DC变换器、开关阵列、DC/DC控制芯片和开关驱动芯片，双向DC‑DC变换器作为均衡充放电主电路，根据控制信号实现电池单体与外界的能量传输。本发明增强了验证平台的可操作性，同时能够控制电池均衡过程的电流大小、均衡电量等，对开展多种均衡实验、研究不同均衡策略的均衡效果具有重要意义。

Description

一种电池均衡策略验证平台

技术领域

本发明涉及动力电池组均衡控制技术以及上位机控制通讯技术领域，具体说是一种电池均衡策略验证平台，搭建了一套可用于电池均衡实验，同时能够监控和记录电池数据的实验平台。

背景技术

锂离子电池作为目前十分常见的一种电池，具有容积比高、环保无污染、使用寿命长、安全性能高等优点，在众多领域得到了广泛的应用。近年来，锂离子电池技术不断进步与成熟，特别是电动汽车的发展，以及在储能等方面的应用，更是将锂电池的市场推向了一个高峰。随着锂离子电池的应用需求逐渐扩大，其一致性问题也逐渐受到广泛关注。

电池在生产制造中会存在工艺上的一些差异，在使用过程中也会因环境的不同发生不同的变化，这些因素都会导致电池单体在性能上表现出不一致。这种不一致的现象主要体现在单体容量、内阻以及自放电率等方面。在实际的应用中，这种不一致问题会导致整个电池组的可用容量大大减小。研究表明，单个电池单元容量差异20％会导致电池组容量损失大约40％。

锂电池一致性的变化是一个随着使用时间的增加逐渐累积的过程，同时，复杂多变的使用环境如温度、湿度等因素，也会导致电池单体间的差异越来越大。如果不采用一定的措施减小这种差异，电池组的能量利用率会大大减小，使用周期缩短，严重时还有可能会发生电池过充过放，从而导致热失控等安全问题。

解决电池一致性问题可以从几个方面入手，一是在生产制造工艺方面严格把关，但这种方法不能彻底解决一致性问题。另一方面则是在电池使用过程中，采用均衡的技术手段，解决电池一致性问题，通过采集温度、电压、电流等数据，用相应的均衡控制策略对电池中的能量进行重新分配，使得电池组中各个单体之间的差异缩小到一定的范围以内，从而更好地提高电池组的使用性能，保证电池在使用过程中的安全。

电池的均衡管理技术需要依赖具体的均衡拓扑电路和一定的均衡控制策略，不同的均衡拓扑电路有不同的最佳均衡策略。目前比较常用的电池均衡参考变量主要有电池的单体电压和单体SOC。在实际应用中，要综合考虑均衡目标、技术成本等因素，选择合适的均衡参考量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种针对电池均衡策略进行测试实验的实验平台。目前已有的电池均衡技术大体可以分为被动均衡和主动均衡两种，被动均衡技术是利用电阻器，通过放掉某些单体电池上的能量来实现系统的均衡，主动均衡是利用能量储能元器件，通过将部分能量从能量多的电池转移到能量少的电池来实现均衡，其本质是能量的转移。同时均衡功能的实现要基于一定的均衡控制策略，对目前已有的多种均衡控制策略，需要经过大量的实验验证其均衡效果，从而更好地改善电池的不一致性问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种电池均衡策略验证平台，包括电池均衡模块、电池检测模块、系统控制模块、上位机；

所述上位机与系统控制模块连接，系统控制模块与电池均衡模块连接，电池均衡模块与待均衡的串联电池组连接，串联电池组与电池检测模块连接，电池检测模块与上位机连接；

所述电池检测模块用于实时监测串联电池组中电池单体状态，并将电池单体状态信息发送给上位机；

所述上位机用于接收电池检测模块发送的电池单体状态信息，根据电池单体状态信息生成充放电控制指令，并将充放电控制指令解析成相应的报文信息发送给系统控制模块；

所述系统控制模块用于将上位机发送的报文信息解析成相应的串口信号，并发送给电池均衡模块；

所述电池均衡模块包括双向DC-DC变换器、开关阵列、DC/DC控制芯片和开关驱动芯片；所述系统控制模块与开关驱动芯片连接，开关驱动芯片同时与DC/DC控制芯片和开关阵列连接，DC/DC控制芯片与双向DC/DC变换器连接；所述开关阵列的一侧与双向DC/DC变换器连接，另一侧与串联电池组连接；

所述电池均衡模块用于接收系统控制模块发送的串口信号，并根据接收的串口信号控制开关阵列中相应开关以及双向DC/DC变换器的开通或闭合，实现串联电池组中电池单体与外界的能量双向传输。

在上述技术方案的基础上，所述电池均衡模块通过SPI串口通信总线接收系统控制模块发送的串口信号。

在上述技术方案的基础上，所述系统控制模块为CPU；所述CPU与上位机之间通过CAN通信总线连接，CPU与开关驱动芯片之间通过SPI串口通信总线连接。

在上述技术方案的基础上，所述开关阵列由串联电池组中每节电池单体两端连接的开关形成，用于根据控制指令将某一单体电池接入双向DC/DC变换器来对其进行充电或者放电。

在上述技术方案的基础上，所述电池检测模块包括若干检测通道；每节电池单体配置一路检测通道，每一路检测通道设置一个检测芯片；检测芯片用于对相应电池单体的电压及电流进行采集，并通过安时积分计算均衡过程中电池单体上流过的电量，即均衡电量；每路检测通道用于将电池单体的电压、电流以及均衡电量转化成数字信号，通过CAN通信总线传送给上位机。

在上述技术方案的基础上，所述双向DC-DC变换器满足5A以内的均衡电流。

在上述技术方案的基础上，所述电池单体状态包括电池电压、均衡电流、均衡电量等。

在上述技术方案的基础上，所述双向DC/DC变换器连接220V转12V的开关电源。

在上述技术方案的基础上，所述电池检测模块连接直流24V电源。

本发明的有益效果如下：

本发明的提出，为研究电池均衡策略提供了独立完整的验证平台。该验证平台中均衡充放电、电池状态检测、上位机监测控制三部分相互独立，增强验证平台的可操作性。同时能够控制电池均衡过程的电流大小、均衡电量等，对开展多种均衡实验、研究不同均衡策略的均衡效果具有重要意义。

附图说明

本发明有如下附图：

图1电池均衡策略验证平台基本架构图；

图2电池均衡策略验证平台示意图；

图3电池均衡策略验证平台的工作操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～3所示，为了更好地开展电池均衡策略的研究，并开展相关实验，本发明设计了一种电池均衡策略验证平台，所述验证平台能够实现电池均衡实验中所需的均衡动作控制、电池状态监测等多项功能，满足了实验过程中的操作以及实验数据的收集等需求。电池均衡模块，可以满足5A以内的均衡电流，以双向DC-DC变换器作为均衡充放电主电路，实现电池单体与外界的能量传输；电池检测模块，能够实时监测电池单体状态，包括电池电压、均衡电流、均衡电量等；系统控制模块，作为上位机与电池均衡电路的衔接，将上位机的指令转化为控制信号发送给电池均衡模块进行相应的动作；上位机操作界面，能够实时观测采样回来的电池单体状态信息，并实现对均衡充放电动作指令的发送。

电池均衡模块，均衡主电路基于双向DC-DC变换器，能够实现能量双向流动，即均衡过程中电池可充可放；串联电池组的每节单体电池两端连有开关形成开关阵列，通过开关阵列的切换，可以将某一节电池单体接入均衡主电路来对其进行充电或者放电，这种双向DC-DC变换器结合开关阵列的结构具有较好的稳定性和一致性，在均衡过程中每次动作仅能对串联电池组中的某一节电池单体进行充放电；电池均衡模块采用SPI串口通信接收系统控制模块的控制指令，采用相应的芯片控制开关阵列的切换以及充放电电流大小和方向的配置。

电池检测模块，一节电池单体配置一路检测通道，实现每路检测之间的隔离，对各电池单体进行实时监测；每一路检测通道中的检测芯片可对电池单体的电压及电流进行采集，并通过安时积分计算得到均衡过程中电池单体上流过的电量；每路检测通道将检测结果转化成数字信号，通过CAN通信传送给上位机，确保能够实时地监测均衡过程中的电池状态。

系统控制模块，通过CAN通信接收上位机指令，当接收到某一均衡命令时，对均衡命令进行解析，并发送相应的串口信号给均衡模块进行动作。

上位机中的操作界面，上位机软件实时监测电池状态，通过CAN通信接收电池检测模块传送过来的数据，并在操作界面上显示每个电池单体的电压、电流、均衡电量；上位机可发送均衡充放电指令，通过对均衡指令的解析将相应的报文信息发送给系统控制模块。

图1～2展示了电池均衡策略验证平台的基本架构及各部分之间的控制与通讯关系。双向DC/DC变换器作为均衡主电路由220V转12V的开关电源供电，输出电流大小及电流方向受DC/DC控制芯片控制。串联电池组通过开关阵列与均衡主电路相连接，开关阵列由多个MOS管组合而成，通过开关驱动芯片驱动相应的开关闭合，可将任意一节单体电池接入双向DC/DC变换器的输出端。系统控制模块连接上位机与电池均衡模块，CPU通过CAN通信接收上位机的指令，开关驱动芯片和DC/DC控制芯片受CPU控制，通过SPI串口通信接收CPU发出的指令而做出相应的动作。串联电池组中每节单体电池配置一个独立的电池检测模块，电池检测模块由直流24V电源供电，对电池单体两端的电压及流过电池的均衡电流进行采样，并通过安时积分计算电池的均衡电量，所有电池检测模块检测的电池单体状态信息通过CAN总线传送至上位机，并在上位机操作界面中显示。

实际在进行电池均衡实验时，需要实时监控电池状态，并且能够随时对某一单体电池进行均衡动作，图3展示了实验平台在工作情况下的具体操作流程图。实验平台上电，电池检测模块受24V供电后正常工作，开启电压电流检测，并通过CAN通信将电池状态信息发送给上位机，电池均衡模块受12V供电后开始工作，进入休眠状态，等待接收CPU的均衡指令，当上位机发送一个命令(对某一单体电池进行充电/放电)，CPU通过CAN通信接收到上位机命令后，通过SPI串口通信向开关驱动芯片发送均衡指令，开关驱动芯片接收到指令后做出动作，通过DC/DC控制芯片控制双向DC-DC变换器开启，并配置电流大小方向并驱动相应的开关，对相应的单体电池进行充电或放电。电池均衡模块在工作过程中若返回任何错误，则关闭开关阵列停止均衡，进入休眠状态。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种电池均衡策略验证平台，其特征在于，包括电池均衡模块、电池检测模块、系统控制模块和上位机；

所述上位机与系统控制模块连接，系统控制模块与电池均衡模块连接，电池均衡模块与待均衡的串联电池组连接，串联电池组与电池检测模块连接，电池检测模块与上位机连接；

所述电池检测模块用于实时监测串联电池组中电池单体状态，并将电池单体状态信息发送给上位机；

所述上位机用于接收电池检测模块发送的电池单体状态信息，根据电池单体状态信息生成充放电控制指令，并将充放电控制指令解析成相应的报文信息发送给系统控制模块；

所述系统控制模块用于将上位机发送的报文信息解析成相应的串口信号，并发送给电池均衡模块；

所述电池均衡模块包括双向DC-DC变换器、开关阵列、DC/DC控制芯片和开关驱动芯片，所述系统控制模块与开关驱动芯片连接，开关驱动芯片同时与DC/DC控制芯片和开关阵列连接，DC/DC控制芯片与双向DC/DC变换器连接；所述开关阵列的一侧与双向DC/DC变换器连接，另一侧与串联电池组连接；

所述电池均衡模块用于接收系统控制模块发送的串口信号，并根据接收的串口信号控制开关阵列中相应开关以及双向DC/DC变换器的开通或闭合，实现串联电池组中电池单体与外界的能量双向传输；

所述电池检测模块包括若干检测通道；每节电池单体配置一路检测通道，每一路检测通道设置一个检测芯片；检测芯片用于对相应电池单体的电压及电流进行采集，并通过安时积分计算电池单体的均衡电量；每路检测通道用于将电池单体的电压、电流以及均衡电量转化成数字信号，通过CAN通信总线传送给上位机；

所述双向DC-DC变换器满足5A以内的均衡电流；

所述电池单体状态包括电池单体的电压、电流以及均衡电量。

2.如权利要求1所述的电池均衡策略验证平台，其特征在于，所述电池均衡模块通过SPI串口通信总线接收系统控制模块发送的串口信号。

3.如权利要求1所述的电池均衡策略验证平台，其特征在于，所述系统控制模块为CPU；所述CPU与上位机之间通过CAN通信总线连接，CPU与开关驱动芯片之间通过SPI串口通信总线连接。

4.如权利要求1所述的电池均衡策略验证平台，其特征在于，所述开关阵列由串联电池组中每节电池单体两端连接的开关形成，用于根据控制指令将某一单体电池接入双向DC/DC变换器来对其进行充电或者放电。

5.如权利要求1所述的电池均衡策略验证平台，其特征在于，所述双向DC/DC变换器连接220V转12V的开关电源。

6.如权利要求1所述的电池均衡策略验证平台，其特征在于，所述电池检测模块连接直流24V电源。

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