CN111337834B - 一种电池电特性模拟系统及其模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池电特性模拟系统及其模拟方法，在本发明提供的方案中，控制单元通过控制S1从而控制双向功率变换单元的A端口与直流电源提供单元连接时，该直流电源提供单元通过该双向功率变换单元的A端口向B端口放电，当控制双向功率变换单元的A端口与直流负载单元连接时，双向功率变换单元的B端口通过A端口向直流负载单元充电，控制单元通过控制S1来改变双向功率变换单元能量传递的方向，从而控制电池电特性模拟系统的对外电特性表现，实现了模拟电池的功能，也即可以利用本发明提供的电池电特性模拟系统实现其他配套电子设备的测试，节省了测试时间，且可满足各种测试环境的需要。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，更具体地说，涉及一种电池电特性模拟系统及其模拟方法。
背景技术
电池在当前工业领域获得非常广泛的应用，如电动汽车、电动工具、智能穿戴设备等，但利用真实电池对其它配套电子设备进行测试时非常耗时耗力，正常完成一次充放电循环周期测试通常需要十个小时以上，一个电池的全生命周期通常有500次充放电以上，另外真实的电池也很难满足电池不同失效状态或环境状态如低温条件的测试需要。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种电池电特性模拟系统及其模拟方法。
为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种电池电特性模拟系统，包括传感测量单元、控制单元、直流电源提供单元、用于模拟电池的充电放电特性的双向功率变换单元以及用于模拟电池在充电过程中的能量流入的直流负载单元，所述双向功率变换单元包括A、B两个接线端口，其中：B端口作为模拟电池输入/输出端组，A端口连接有状态切换开关S1，所述状态切换开关S1受所述控制单元控制，在电池放电特性模拟状态时，所述控制单元控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元，该直流电源提供单元通过所述双向功率变换单元的A端口向B端口放电；在电池充电特性模拟状态时，所述控制单元控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流负载单元，所述双向功率变换单元的B端口通过A端口向所述直流负载单元充电，所述传感测量单元用于测量所述模拟电池输入输出端组的电流、电压及环境温度。
进一步地，在所述B端口的两个接线端子之间依次串接有开关S2和超级电容C1，所述控制单元还用于控制开关S2闭合或断开。
进一步地，所述A端口的两个接线端子之间还连接有电容C2。
进一步地，所述双向功率变换单元包括一个同步降压BUCK拓扑结构的电路和一个同步BOOST变换拓扑结构的电路，在电池放电特性模拟状态时，所述A端口通过所述同步降压BUCK拓扑结构的电路向所述B端口放电；在电池充电特性模拟状态时，所述B端口通过所述同步BOOST变换拓扑结构的电路向所述A端口充电。
进一步地，所述双向功率变换单元采用多相双向电流控制器LM5170。
进一步地，所述直流电源提供单元包括交流电源和AC/DC转换器。
进一步地，在电池放电特性模拟状态下，所述模拟电池输入/输出端组与待测试电子设备连接。
本发明还提供一种基于上述任意一种电池电特性模拟系统的模拟方法，包括：
S1：根据待模拟电池的信息初始化电池电特性模拟系统的系统参数；
S2：判断当前是否满足启动电池电特性模拟的条件，如是，转至S3，否则，转至S9；
S3：判断是否模拟充电电特性，如是，转至S4，否则，转至S6；
S4：控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流负载单元，双向功率变换单元为输入方向，由B端口通过A端口向所述直流负载单元充电；
S5：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入输出端的对地电压，并输出对地电压的变化曲线；
S6：判断是否模拟放电电特性，如是，转至S7，否则，转至S9；
S7：控制所述对内连接端与所述直流电源提供单元的正输出端连接，双向功率变换单元为输出方向；
S8：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
S9：结束模拟。
进一步地，所述步骤S2包括：
S21：根据待模拟电池的SOC值确定该待模拟电池的开路电压；
S22：控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元，所述传感测量单元测量所述模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
S23：当步骤S22中测量得到的电压与步骤S21中的开路电压之差的绝对值在预设的差值阈值范围内时，判定当前满足启动电池电特性模拟的条件，否则，判定当前不满足启动电池电特性模拟的条件。
进一步地，当所述B端口的两个接线端子之间依次串接有开关S2和超级电容C1时，步骤S4还包括：先控制开关S2闭合对C1充电后再控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元；
步骤S7包括：先控制开关S2闭合对C1充电后再控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元。
在本发明提供的电池电特性模拟系统及其模拟方法中，控制单元通过控制S1从而控制双向功率变换单元的A端口连接直流电源提供单元，或者控制双向功率变换单元的A端口连接直流负载单元，进而改变双向功率变换单元能量传递的方向，从而控制电池电特性模拟系统的对外电特性表现，实现了模拟电池的功能，也即可以利用本发明提供的电池电特性模拟系统实现其他配套电子设备的测试，节省了测试时间，且可满足各种测试环境的需要。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例提供的电池电特性模拟系统的结构框图；
图2为电池电特性模拟系统的部分结构示意图；
图3为双向功率变换单元的主拓扑示意图；
图4为直流负载单元的拓扑结构示意图；
图5为电池电特性模拟系统的模拟方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种电池电特性模拟系统，请参见图1所示，包括传感测量单元、控制单元、直流电源提供单元、用于模拟电池的充电放电特性的双向功率变换单元以及用于模拟电池在充电过程中的能量流入的直流负载单元，双向功率变换单元包括A、B两个接线端口，其中：B端口作为模拟电池输入/输出端组，A端口连接有状态切换开关S1，状态切换开关S1受控制单元控制，传感测量单元用于测量模拟电池输入输出端组的电流、电压及环境温度。
在电池放电特性模拟状态时，控制单元控制所述状态切换开关S1使得A端口连接直流电源提供单元，该直流电源提供单元通过双向功率变换单元的A端口向B端口放电；在电池充电特性模拟状态时，控制单元控制状态切换开关S1使得A端口连接直流负载单元，双向功率变换单元的B端口通过A端口向所述直流负载单元充电。
在图1示出的电池电特性模拟系统中还包括通信单元和人机交互单元，人机交互单元用以完成对电池电特性模拟系统的电池行为控制，电池电特性模拟状态选择输入，电池模拟当前状态指示等。通信单元包括无线通信单元与有线通信单元，有线通信单元用于电池电特性模拟系统之间的成组级联，无线通信单元用于手持式交互控制。
应当说明的是，本实施例中的直流电源提供单元包括交流电源和AC/DC转换器，AC/DC转换器的负输出端与直流负载单元的负输入端连接，在电池放电特性模拟状态时，控制单元控制对内连接端与AC/DC转换器的正输出端连接。
请参见图2所示，本实施例所提供系统的状态切换开关S1可以是单刀双掷开关，包该单刀双掷开关S1的动触点与双向功率变换单元的A端口的一个接线端子相连，单刀双掷开关S1的两个静触点分别与直流电源提供单元的正输出端和直流负载单元的正输入端连接，直流电源提供单元的负输出端和直流负载单元的负输出端与双向功率变换单元的A端口的另一个接线端子相连。
可选的，在B端口的两个接线端子之间依次串接有开关S2和超级电容C1，控制单元还用于控制开关S2闭合或断开。放电模拟与充电模拟之前控制单元控制S2闭合对超级电容C1充电，可以解决电池电特性模拟时，充放电切换时电压陡降对系统造成的扰动，实现无扰动充放电模拟。
本实施例中的双向功率变换单元包括一个同步降压BUCK拓扑结构的电路和一个同步BOOST变换拓扑结构的电路，在电池放电特性模拟状态时，A端口通过同步降压BUCK拓扑结构的电路向B端口放电；在电池充电特性模拟状态时，B端口通过同步BOOST变换拓扑结构的电路向A端口充电。
请参见图3所示，图3示出了双向功率变换单元的主拓扑结构，图3中的双向功率变换单元采用的是多相双向电流控制器LM5170，该双向功率变换单元的B端口包括接线端子BT+和接线端子GND，A端口包括接线端子HV和接线端子GND，控制器LM5170各引脚连接的电子元器件如图3所示，当系统在电池放电特性模拟状态下时，从HV到BT+是一个同步降压BUCK拓扑，当系统在电池充电特性模拟状态下时，从BT+到HV端口是一个同步BOOST变换拓扑。其中MOS管Q1、电感L1、MOS管Q2是一路，MOS管Q3、MOS管Q4与电感L2是另一路，两路通过控制器LM5170进行交错互补控制。R1和R2为电流取样电阻，
在图3中，双向功率变换单元的A端口的两个接线端子之间还连接有电容C2，C2可以为超级电容，同样可以解决电池电特性模拟时，充放电切换时电压陡降对系统造成的扰动。
直流负载单元的拓扑结构如图4所示，本实施例中直流负载单元的工作模式有两种，一种是恒流工作，另一种是恒压工作模式，由单片机进行选择，直流负载单元可以用单片机STM32F100来选择工作模式，图4中的Q1为功率场效应管，R3为电流取样电阻，U5为电流采样信号放大芯片，具体的，可以选用芯片INA199X1来放大电流采样信号，直流负载单元的恒压信号与恒流反馈信号可以通过模拟开关U1和模拟开关U3进行选通然后进入U1反馈，R6和C2对设定电流或电压信号进行滤波。功率回路为BT+、R3、Q1、GND，本实施例中的模拟开关U1和U3的功能可以由芯片MAX4596实现。
通过将上述电池电特性模拟系统与待测电子设备连接，也即是将模拟电池输入/输出端组与待测试电子设备的输入端连接，从而实现对其他电子设备的测试，也即在测试的时候无需使用真实电池，节省了测试时间，便于控制测试环境。
基于上述任意一种电池电特性模拟系统，本实施例还提供一种模拟方法，请参见图5所示，包括：
S1：根据待模拟电池的信息初始化电池电特性模拟系统的系统参数；
具体来说，可以根据待模拟电池的工作温度设置电池电特性模拟系统当前的环境温度，或者根据待模拟电池的电池种类、额定电压以及SOC值设置电池电特性模拟系统的模拟参数。
S2：判断当前是否满足启动电池电特性模拟的条件，如是，转至S3，否则，转至S9；
具体的，步骤S2可以包括以下子步骤：
S21：根据待模拟电池的SOC值确定该待模拟电池的开路电压；
S22：控制状态切换开关S1使得A端口连接直流电源提供单元，传感测量单元测量模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
S23：当步骤S22中测量得到的对地电压与步骤S21中的开路电压之差的绝对值在预设的差值阈值范围内时，判定当前满足启动电池电特性模拟的条件，否则，判定当前不满足启动电池电特性模拟的条件。
S3：判断是否模拟充电电特性，如是，转至S4，否则，转至S6；
S4：控制状态切换开关S1使得A端口连接直流负载单元，双向功率变换单元为输入方向，由B端口通过A端口向所述直流负载单元充电；
对于图2而言，步骤S4相当于是将S1下接。
S5：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
具体来说，SOC值根据时间与环境温度定时更新，所以系统可以输出开路电压跟随SOC值变化的电压曲线。
S6：判断是否模拟放电电特性，如是，转至S7，否则，转至S9；
S7：控制所述对内连接端与直流电源提供单元的正输出端连接，双向功率变换单元为输出方向；
对于图2而言，步骤S7相当于是将S1上接。
S8：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入输出端的对地电压，并输出对地电压的变化曲线；
S9：结束模拟。
进一步地，当B端口的两个接线端子之间依次串接有开关S2和超级电容C1时，步骤S4还包括：先控制开关S2闭合对C1充电后再控制状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元；
步骤S7包括：先控制开关S2闭合对C1充电后再控制状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元。具体步骤流程也即如图5所示。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.一种电池电特性模拟系统，其特征在于，包括传感测量单元、控制单元、直流电源提供单元、用于模拟电池的充电放电特性的双向功率变换单元以及用于模拟电池在充电过程中的能量流入的直流负载单元，所述双向功率变换单元包括A、B两个接线端口，其中：B端口作为模拟电池输入/输出端组，A端口连接有状态切换开关S1，所述状态切换开关S1受所述控制单元控制，在所述B端口的两个接线端子之间依次串接有开关S2和超级电容C1，所述控制单元还用于控制开关S2闭合或断开；
所述控制单元先控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元，并判定当前是否满足启动电池电特性模拟的条件，满足启动电池电特性模拟的条件后:
在电池充电特性模拟状态时，先控制开关S2闭合对超级电容C1充电后再控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流负载单元，所述双向功率变换单元的B端口通过A端口向所述直流负载单元充电；
在电池放电特性模拟状态时，先控制开关S2闭合对超级电容C1充电后再控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元，该直流电源提供单元通过所述双向功率变换单元的A端口向B端口放电；
所述传感测量单元用于测量所述模拟电池输入输出端组的电流、电压及环境温度。
2.如权利要求1所述的电池电特性模拟系统，其特征在于，所述A端口的两个接线端子之间还连接有电容C2。
3.如权利要求1所述的电池电特性模拟系统，其特征在于，所述双向功率变换单元包括一个同步降压BUCK拓扑结构的电路和一个同步BOOST变换拓扑结构的电路，在电池放电特性模拟状态时，所述A端口通过所述同步降压BUCK拓扑结构的电路向所述B端口放电；在电池充电特性模拟状态时，所述B端口通过所述同步BOOST变换拓扑结构的电路向所述A端口充电。
4.如权利要求1或3所述的电池电特性模拟系统，其特征在于，所述双向功率变换单元采用多相双向电流控制器LM5170。
5.如权利要求1所述的电池电特性模拟系统，其特征在于，所述直流电源提供单元包括交流电源和AC/DC转换器。
6.如权利要求1-5任一项所述的电池电特性模拟系统，其特征在于，在电池放电特性模拟状态下，所述模拟电池输入/输出端组与待测试电子设备连接。
7.如权利要求1-6任一项所述的电池电特性模拟系统的模拟方法，其特征在于，包括：
S1：根据待模拟电池的信息初始化电池电特性模拟系统的系统参数；
S2：判断当前是否满足启动电池电特性模拟的条件，如是，转至S3，否则，转至S9；
S3：判断是否模拟充电电特性，如是，转至S4，否则，转至S6；
S4：控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流负载单元，双向功率变换单元为输入方向，由B端口通过A端口向所述直流负载单元充电；
S5：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入输出端的对地电压，并输出对地电压的变化曲线；
S6：判断是否模拟放电电特性，如是，转至S7，否则，转至S9；
S7：控制所述A端口与所述直流电源提供单元的正输出端连接，双向功率变换单元为输出方向；
S8：SOC更新，传感测量单元测量模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
S9：结束模拟。
8.如权利要求7所述的电池电特性模拟系统的模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21：根据待模拟电池的SOC值确定该待模拟电池的开路电压；
S22：控制所述状态切换开关S1使得所述A端口连接所述直流电源提供单元，所述传感测量单元测量所述模拟电池输入/输出端组的电流、电压及环境温度，并输出变化曲线；
S23：当步骤S22中测量得到的电压与步骤S21中的开路电压之差的绝对值在预设的差值阈值范围内时，判定当前满足启动电池电特性模拟的条件，否则，判定当前不满足启动电池电特性模拟的条件。
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