CN112598988A - 一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，采用下述硬件实现电池及管理系统实验教学平台的设计，电池及管理系统实验教学平台的硬件，包括电池模块、加热模块、散热模块、绝缘检测模块、放电模块、有线充电模块、无线充电模块、直流电源、选择开关模块、输入输出接口模块、有机玻璃板。采用本发明设计的电池及管理系统实验教学平台应用于汽车新能源技术相关的课程中，可为学生提供基础的实验平台，有助于学生对电池特性及电池管理系统功能、组成的理解掌握，从而帮助学生进行电池管理系统的初步设计，培养其电池管理系统及相关嵌入式系统设计能力。

Description

一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法

技术领域

本发明涉及一种适用于新能源汽车电池管理教学的实验教学仪器,尤其是一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，用于大中专高校进行新能源汽车电池管理系统实验教学及课程设计，具有充电、放电等多种模式及多种与数据端子接口，便于学生与单片机连接进行电池管理学习及设计，属于大学工科的教育、教学领域。

背景技术

随着国家弯道超车的战略推进，电动汽车为代表的新能源汽车产销量连年攀升，电动汽车成为汽车行业的主导已经成为必然的趋势。高等学校为应对这一态势，纷纷开设了新能源汽车专业方向，传授学生电动汽车技术、电池管理技术等方面的理论及设计方法。电池管理的学习离不开基于实验平台的测试和设计，而电动汽车电池组的高压安全性及成本制约了实验室的建设及相关实验的实施。为此，亟需一种可实现多种电池及电池管理实验功能的低成本、较安全的实验平台。

目前，许多企业开发了基于STM32、MC9S12等单片机的电池管理系统开发板系统，可用于科研的demo设计及测试。然而，这些系统都是基于单片机的硬件电路，只提供了一些I/O接口，需配套相应的实验平台，才可进行管理系统的设计和验证。而由于教学仪器属于小众市场，关于这方面的研究，目前还未见到。为此，本发明提出一种低成本的实验平台的设计方法及结构，使其具有充电、放电、热管理、绝缘检测等功能，提供信号采集与控制接口，能方便学生开展电池性能测试实验，进行电池管理系统功能的验证及改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，实现充放电功能，通过电阻丝及风扇模拟工作环境与热管理，并提供测点和控制选择端子与其他仪器组成更复杂的系统，该设计方法简单，功能组合多，成本低，可满足课程理论及实验教学需要。

本发明的技术方案是这样实现的：一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，具体为：

（1）电池及管理系统实验教学平台的硬件准备：

电池及管理系统实验教学平台的硬件，包括电池模块、加热模块、散热模块、绝缘检测模块、放电模块、有线充电模块、无线充电模块、直流电源、选择开关模块、输入输出接口模块、有机玻璃板；

（2）设计方法为：

电池模块、加热模块、散热模块三者叠加在一起，加热模块、电池模块布置在有机玻璃板的上面，散热模块分布在加热模块的外侧，实现电池模块的散热、加热热管理功能的测试，加热模块、散热模块均由电池模块供电；电池模块的两端并联放电模块、充电模块，充电模块由有线充电模块和无线充电模块组成，从而形成三种工况，这三种工况采用选择开关模块进行控制；加热模块、散热模块的运行工况也由选择开关模块控制；有线充电模块和无线充电模块通过直流电源供电；电池模块的两侧还并联有绝缘检测模块，便于测试绝缘性能；输入输出接口模块分别与充电模块、电池模块、放电模块信号连接，以便于实验测试及数据采集。

对上述技术方案的进一步限定：有线充电模块采用可调直流DC-DC模块，无线充电模块采用电磁感应充电模块；放电模块采用可调电阻作为负载，实现变负载放电；这种选择，能轻易获得，成本低。

对上述技术方案的进一步限定：加热模块、散热模块、有线充电模块、无线充电模块均设计按键及单片机控制端子两种控制模式，并提供对应的控制端子；这种功能配置，便于灵活选择控制模式，易于操作。

对上述技术方案的进一步限定：加热模块采用电阻丝，散热模块采用风扇，易于获得，成本低，还便于布局。

本发明的有益效果是：本发明通过合理设计，把充电、放电、热管理、绝缘检测多模块整合在一起，可实现多种实验的目的，能直接进行电池模块充放电、绝缘检测及热管理实验，并通过欧姆表、温度仪测量通过输入输出接口模块在相关检测端子处测量电压、电流的变化，进行充放电实验数据记录及分析，并可运用单片机系统检测测量端子处的电压、电流，通过外接控制端子进行闭环温度控制、充放电控制、及其它测试；采用本发明设计的电池及管理系统实验教学平台应用于汽车新能源技术相关的《动力电池及管理》等课程中，可为学生提供基础的实验平台，有助于学生对电池特性及电池管理系统功能、组成的理解掌握，从而帮助学生进行电池管理系统的初步设计，培养其电池管理系统及相关嵌入式系统设计能力。

附图说明

图1是本发明设计的电池及管理系统实验教学平台的结构布局示意图。

图2是本发明设计的电池及管理系统实验教学平台的电路原理图。

具体实施方式

结合图1所示的电池及管理系统实验教学平台的结构布局,进一步描述本发明：一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，具体为：

（1）电池及管理系统实验教学平台的硬件准备：

电池及管理系统实验教学平台的硬件，包括电池模块（图1中所示为三块电池1、2、3串联组成的）、加热模块（图1中所示为电阻丝）、散热模块（图1中所示为风扇）、绝缘检测模块、放电模块、有线充电模块、无线充电模块、直流电源、选择开关模块、输入输出接口模块、有机玻璃板；

（2）具体设计方法为：

电池模块、加热模块、散热模块三者叠加在一起，加热模块（图1中所示为电阻丝）、电池模块（图1中所示为三块电池1、2、3串联组成的）布置在有机玻璃板的上面，散热模块（图1中所示为风扇）分布在加热模块的外侧，实现电池模块的散热、加热热管理功能的测试，加热模块（电阻丝）、散热模块（风扇）均由电池模块供电；电池模块的两端并联放电模块、充电模块，充电模块由有线充电模块和无线充电模块组成，从而形成三种工况，这三种工况采用选择开关模块进行控制；加热模块、散热模块的运行工况也由选择开关模块控制；有线充电模块和无线充电模块通过直流电源供电；电池模组的两侧还并联有绝缘检测模块，便于测试绝缘性能；输入输出接口模块分别与充电模块、电池模块、放电模块信号连接，以便于实验测试及数据采集。

图1中所示，有线充电模块采用可调直流DC-DC模块，无线充电模块采用电磁感应充电模块；加热模块、散热模块、有线充电模块、无线充电模块均设计按键及单片机控制端子两种控制模式，并提供对应的控制端子；放电模块采用可调电阻作为负载，实现变负载放电。

本发明中，加热模块采用电阻丝，散热模块采用风扇，易于获得，成本低，还便于布局。

如图1所示，电池模块由三块电池1、2、3串联组成，这种设置结构简单，成本低。

结合图2的一种具体电路原理图，进一步描述本发明：电阻丝、风扇的负极连接到电池模组的负极，正极分别连接到端子P2、P3上；电池模块采用18650锂电池串联而成，正极有测点T1和端子P1，负极有端子P6和测点T5，中间有测点T6、T7；电池模块正极连接一个单刀多掷开关SK的输入端，该开关的四个输出端分别连接放电模块（负载）、无线充电接收器、有线充电模块输出端的正极及外界充电端子P4；放电模块（负载）用可调电阻，其负极与无线充电接收器的负极均连接到端子P5；有线充电模块输出端的负极通过开关K2也连接到端子P5，有线充电模块采用可调DC-DC电源模块，有线充电模块输入端、无线充电模块发射端的正负极，分别与直流电源模块输出端的正负极并联；直流电源由220V交流电供电，绝缘检测模块由电阻R1、R2、R3、R4、R5及与R1并联的开关K1组成，分别于电池模块正负极及电源地连接，并设有T2、T3、T4三个测点；为检测绝缘性能，R1、R2、R5分别采用兆欧及以上的电阻，R3、R4的阻值根据电池模组的总电压大小及检测单元的输入需求设置；开关K2的作用为：有线充电时连通电路，绝缘检测时防止电源地与电池负极短路，或设置绝缘检测故障；端子P5、P6用于电流检测，可直接连接电流表或电流检测单元；端子P1分别与端子P2、P3通过开关或控制电路连接，可实现对风扇及电阻丝的控制；单刀多掷开关SK可实现电池组有线充电、无线充电、放电工况的切换，负载电阻的可调可模拟变工况放电的场景；如需采用外接充电模式，开关SK接通端子P4，通过端子P4、P5与外接充电器并联，可实现该功能；电池模块的单体锂电池电池电压及总电压可采用电压表或电压传感器测量测点T5、T6、T7、T8处的电压得到，通过切换开关K1的状态，在测点T2、T3处测量电阻R3的端电压，在测点T3、T4出测量电阻R4的端电压的变化，可计算电池组的绝缘电阻；因有线充电模块通常负极接地，通过闭合K2，可模拟负极绝缘短路的现象。

采用图2的电路配置，能实现下面的6项具体实验。

1、无线充电实验：结合图2所示，SK开关拨动到无线充电模式，将无线充电模块发射端与无线充电模块接收端重叠放置，为12V直流电源上电，电池组（电池模块）开始充电；学生采用电压表、电流表或采集仪器，定时采集电池单体及总电压，流经电池组的电流，绘制电压、电流曲线进行分析和计算。

2、有线充电实验：结合图2所示，SK开关拨动到有线充电模式，闭合开关K2，为12V电源模块上电，电池组（电池模块）开始充电；学生采用电压表、电流表或采集仪器，定时采集电池单体及总电压，流经电池组的电流，通过DC-DC电源模块的调整按钮实现对电池组的恒压、恒流充电控制；绘制电压、电流曲线进行分析和计算。

3、放电实验：结合图2所示，SK开关拨动到放电模式，电池组（电池模块）开始放电；学生采用电压表、电流表或采集仪器，定时采集电池单体及总电压，流经电池组的电流；通过负载电阻的阻值调整按钮实现对电池组的变工况放电控制；绘制电压、电流曲线进行分析和计算。

4、热管理实验：结合图2所示，SK开关拨动到充电或放电模式，电池开始工作；学生通过连接端子P1、P2，P1、P3的开关或控制按钮，实现对电池组（电池模块）的加热和散热；设计合适的热管理工况，进行对电池组的散热、加热速率进行分析；采用电压表、电流表或采集仪器，定时采集电池单体及总电压，流经电池组的电流，通过热成像仪、温度传感器定时采集电池的温度。绘制电压、电流曲线进行分析和计算，讨论冷却能耗与电池组性能提升的关系。

5、绝缘监测实验：结合图2所示，首先断开开关K1、K2，采用电压表测量电阻R3、R4的电压。然后闭合开关K1，再次测量测量电阻R3、R4的电压；采用电压定律计算电池组（电池模块）正极、负极的接地绝缘电阻阻值；最后闭合开关K2，再次计算绝缘电阻阻值。

6、电池管理系统设计实验：结合图2所示，首先将端子P1、P2和端子P1、P3之间的开关分别采用继电器或控制电路替代，然后将电池管理系统的信号采集端与对应测点连接，控制输出端与对应继电器或控制电路的控制端连接；之后采集电池组（电池模块）在充电、放电工况中的电压、电流、进行电池SOC的预估及热管理研究；如在测点T1、T5、T6、T7处并联电池均衡电路，可进行电池组（电池模块）均衡的控制算法设计及实验。

Claims (5)

1.一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，其特征在于，具体为：

（1）电池及管理系统实验教学平台的硬件准备：

电池及管理系统实验教学平台的硬件，包括电池模块、加热模块、散热模块、绝缘检测模块、放电模块、有线充电模块、无线充电模块、直流电源、选择开关模块、输入输出接口模块、有机玻璃板；

（2）设计方法为：

电池模块、加热模块、散热模块三者叠加在一起，加热模块、电池模块布置在有机玻璃板的上面，散热模块分布在加热模块的外侧，实现电池模块的散热、加热热管理功能的测试，加热模块、散热模块均由电池模块供电；电池模块的两端并联放电模块、充电模块，充电模块由有线充电模块和无线充电模块组成，从而形成三种工况，这三种工况采用选择开关模块进行控制；加热模块、散热模块的运行工况也由选择开关模块控制；有线充电模块和无线充电模块通过直流电源供电；电池模块的两侧还并联有绝缘检测模块，便于测试绝缘性能；输入输出接口模块分别与充电模块、电池模块、放电模块信号连接，以便于实验测试及数据采集。

2.根据权利要求1所述一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，其特征在于：有线充电模块采用可调直流DC-DC模块，无线充电模块采用电磁感应充电模块；放电模块采用可调电阻作为负载，实现变负载放电。

3.根据权利要求1或2所述一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，其特征在于：加热模块、散热模块、有线充电模块、无线充电模块均设计按键及单片机控制端子两种控制模式，并提供对应的控制端子。

4.根据权利要求1或2所述一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，其特征在于：

加热模块采用电阻丝，散热模块采用风扇。

5.根据权利要求3所述一种电池及管理系统实验教学平台的设计方法，其特征在于：

加热模块采用电阻丝，散热模块采用风扇。

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