CN203069761U - 一种电池化成检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电池化成检测系统，包括比较电路、采样装置、IGBT模块和脉宽调制数字处理器，所述电池经所述采样装置与所述比较电路的输入端连接，所述脉宽调制数字处理器的输入端与所述比较电路的输出端连接；所述IGBT模块的输入端接开关电源，其输出端接所述电池，其控制端接所述脉宽调制数字处理器。本实用新型电池化成检测系统检测精度、系统可靠性、安全性和自动化程度高，设备能耗低，能满足大规模生产应用的需要。

Description

一种电池化成检测系统

技术领域

本实用新型涉及对电池进行化成检测的系统，尤其是对大容量电池（包括电池组）进行化成检测的系统。

背景技术

随着人们对周围环境保护意识的不断提高，而世界上石油和煤气资源的日益枯竭，电动汽车作为一种新能源汽车，是近年来世界各国竞相研究开发的热点。目前超级大容量的锂离子汽车动力电池的研制还处在实验室研究阶段，作为电动汽车动力源的电池大多串并联成组使用，因此对动力电池的生产而言，要求电池在特性上有较好的一致性，这也使得在生产过程中，动力电池性能的检测也就变得非常重要。

化成检测是电动汽车动力电池生产的关键工艺。目前国内比较稳定成熟的化成检测系统特别是大容量电池组的检测系统还比较少，已有系统（小型功率）的应用存在着以下几点问题：

（1）设备检测精度不高；

（2）设备能耗较高，主要由电阻耗能来完成电池放电过程；

（3）系统可靠性、安全性较差；

（4）整个系统自动化程度不高，难以满足大规模生产应用的需要。

据此，设计一种自动化程度高，能适应电动汽车大功率电池生产的锂离子动力电池组检测设备具有非常重要的意义。

实用新型内容

为解决现有电池化成检测系统检测精度低、系统可靠性差的技术问题，本实用新型提供一种技术方案：一种电池化成检测系统，包括比较电路、采样装置、IGBT模块和脉宽调制数字处理器，所述电池经所述采样装置与所述比较电路的输入端连接，所述脉宽调制数字处理器的输入端与所述比较电路的输出端连接；所述IGBT模块的输入端接开关电源，其输出端接所述电池，其控制端接所述脉宽调制数字处理器。

进一步的，所述IGBT模块为IPM模块。

进一步的，所述IPM模块包括两个IGBT，位于上桥臂的所述IGBT的源极和位于下桥臂的所述IGBT的漏极相接，位于上桥臂的该IGBT的漏极和位于下桥臂的该IGBT的源极各自分别接所述电池的两端，两个所述IGBT的栅极分别与所述脉宽调制数字处理器连接。

进一步的，所述脉宽调制数字处理器的输出端与所述IGBT模块的控制端之间接有高速光电耦合输入输出电路。

进一步的，所述脉宽调制数字处理器进行脉宽调制的载波为三角波。

进一步的，所述比较电路中预设有电压参考值，所述采样装置为对电池进行电压采样的电压采样器。

或者，所述比较电路中预设有电流参考值，所述采样装置为对电池进行电流采样的电流采样电路。

进一步的，所述电池化成检测系统包括依次通信连接的上位机、中位机和下位机，所述下位机包括控制执行电路，所述中位机包括所述脉宽调制数字处理器，所述上位机包括显示装置；所述控制执行电路接于所述脉宽调制数字处理器和所述电池之间。

进一步的，所述上位机和所述中位机通过CAN总线通信。

本实用新型带来的有益效果是：本实用新型电池化成检测系统基于新型电力电子器件IGBT的大功率主回路设计、基于DSP控制的高速高精度微机控制器以及基于CAN总线的新型通信功能模块设计的新型大功率电池化成检测系统，对采样电流或电压与基准电流或电压进行比较，生成PWM控制脉冲，控制新型电力电子器件IGBT模块的导通，转变成恒流源或恒压源加载到电池上，根据工艺要求，完成对电池的充放电控制和管理。

本实用新型电池化成检测系统检测精度、系统可靠性、安全性和自动化程度高，设备能耗低，能满足大规模生产应用的需要。

附图说明

图1为本发明电池化成检测系统的基本原理电路图；

图2为本发明电池化成检测系统的u/r、i/r曲线图；

图3为本发明电池化成检测系统实施例的结构示意框图；

图4为本发明电池化成检测系统实施例的三层架构示意框图；

图5为本发明电池化成检测系统实施例中脉宽调制控制原理图；

图6为本发明电池化成检测系统实施例中的光电耦合电路的电路结构图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本实用新型进一步说明。

本实用新型的大功率汽车动力电池化成检测系统的基本原理如图1所示。系统类似一个恒压源或恒流源对动力电池进行充放电，在充放电过程，按照如图2的工艺要求进行控制，并且在控制过程中，采集电流、电压和温度等电气参数，测算电池的内阻和容量。

本实用新型实施例的电池化成检测系统采用PWM（脉宽调制）的控制方法，构成恒压源或恒流源对电动汽车的动力电池进行充放电，如图3所示，系统包括比较电路1、采样装置6、IGBT模块4和脉宽调制数字处理器3，电池5经采样装置6与比较电路1的输入端连接，脉宽调制数字处理器2的输入端与比较电路1的输出端连接；IGBT模块4的输入端接开关电源7，其输出端接电池5，其控制端接脉宽调制数字处理器2。

IGBT模块4选用IPM模块（Intelligent Power Module，智能功率模块），包括两个IGBT，位于上桥臂的IGBT的源极和位于下桥臂的IGBT的漏极相接，位于上桥臂的IGBT的漏极和位于下桥臂的IGBT的源极各自分别接电池5的两端，两个IGBT的栅极分别与脉宽调制数字处理器2连接。

比较电路1中预设有电压或电流参考值，采样装置6为对电池5进行电压采样的电压或电流采样器。

在控制过程中，采样装置对电池电压或电流进行取样送入比较电路中，比较电路比较采样电压或电流与设定的电压或电流，形成脉宽调制波的控制脉冲，控制IGBT模块的导通，形成恒压源或恒流源加载到电池上。

在实际应用中为了更好的实施，如图4所示，化成检测系统包括依次通信连接的上位机1a、中位机2a和下位机3a。也即，化成检测系统构成管理机、控制机和输出机上中下的三层结构。其中，上位机充当管理机，大部分数据分析和处理工作将在上位机上完成，并由其中的显示装置提供丰富的显示界面，完成数据管理和查询功能；中位机担任控制机，其包括脉宽调制数字处理器，在接收到上位机发出的命令后，中位机需要对命令进行解析和执行，主要完成充放电控制命令形成和数据采集的功能；下位机则作为输出机，其包括控制执行电路，下位机在接收到上位机或是中位机发来的命令后，执行相应的操作，主要完成充放电功率输出的过程。

大功率汽车动力电池化成检测系统的控制机接收到的从各工位采集的数据需要发送给外部网络，由上位计算机对这些数据进行进一步的计算分析、存储、显示等工作，上位机通常选用PC机。这样既可以充分利用上位机丰富的存储和计算资源，也可以减轻下面工作站的负担，并且采集数据传输到外部网络也为数据的远程传输及数据共享提供了方便。考虑到动力电池化成检测系统的适应性及与现场网络对接的方便性，如图4所示，本实用新型的化成检测系统采用CAN接口作为中位机与上位机的数据通信接口，上位机1a和中位机2a通过CAN总线通信。

由于化成检测系统是一套实时检测系统，所以需要交互的通信量非常大，有：上位机——化成柜、上位机——检测柜，化成柜——上位机、检测柜——上位机之间的通信。因此，设计一套稳定可靠、相对简单且容易编程实现的协议就显得非常重要。在系统通讯功能模块的设计中，通过把信息帧分为:上位机——工作站和工作站——上位机两大种类型，然后在信息帧中用不同的标识号来具体细分化成柜和检测柜，来简化通讯协议编程的复杂程度，提高通信的可靠性和通信的效率。

控制机是电池化成检测系统的重要组成部分，它直接控制着功率器件IGBT模块的导通和关断，由于控制环节计算量大，流程复杂，精度要求高，所以控制机的性能及所采用的控制方案是大功率汽车动力电池化成检测系统运行效果的决定性因素，它的性能将直接影响整个系统的稳定性、可靠性以及安全性。并且，控制机需要处理智能控制算法处理和执行通信程序，对其微处理器的运算速度和通信速度有很高的要求，因此需要选择高性能的微处理器。

与单片机相比，DSP（数字处理器）具有较高的集成度，具有更快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO（先入先出队列）缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口，片内集成了A/D和保持电路，可提供PWM输出。本实用新型基于DSP微处理器的控制机具有快速的运算能力（指令执行时间为纳秒级），强大的片内外设功能（3个通用定时器和3个全比较单元可产生6路带死区的PWM波，3个单比较单元可产生3路PWM波)，使得高精度的脉冲发生和控制功能可以实现。

控制机主要完成以下功能：

（1）产生控制触发脉冲

根据优化控制算法，产生一定规律的触发脉冲，经门极驱动电路放大后去控制功率器件的导通和关断，使控制机能产生正确的控制波形；

（2）自我保护功能

控制机的保护功能是一种高层次的保护，当控制机短时间运行在过载或其他不正常状态后，控制机通过保护功能使其回到正常工作状态，从而能保证连续地正常工作；

（3）控制机自我容错功能

一旦控制机自身某些元件出现错误，控制机能立即发现并报警，同时不使控制机完全退出运行，故障修复后，就可很容易地恢复运行。

因此，在本实用新型的硬件结构设计中，控制机中采用数字处理器作为微处理器，并在控制算法中采用PWM脉宽调制控制方法，即控制机中具有脉宽调制数字处理器。

具体应用中，脉宽调制数字处理器选用TI公司型号为TMS320LF2407的DSP作为控制器的微处理器。（1）TMS320LF2407微处理器芯片采用修正的哈佛总线结构，8级流水线处理速度，指令系统中指令周期短，程序运行快，从而保证了系统数据实时处理的要求；（2）该微处理器芯片的16个通用I/O端口使得其与外部的输入输出连接灵活，从而可以控制多个软件模块，使之能协同工作，因此具备了强大的外部控制能力；（3）由于该微处理器芯片可以超频运行在250MHz，运算速度快，从而可以满足绝大多数智能控制算法的需求，同时，由于具有多个运算处理单元和硬件乘法器也使得该微处理器的运算处理能力可以满足系统数据实时显示的采样要求；（4）TMS320LF2407微处理器芯片在原有基础上扩展了64M 的SDRAM和64M 的FLASH存储器，使得SDRAM在系统运行时存储应用程序，而FLASH用来存储应用程序和数据，从而使程序运行的速度更快。

系统采用PWM的控制方法，形成脉宽调制波的控制脉冲，控制新型电力电子器件IGBT模块的导通，形成恒压源或恒流源加载到电池上。脉宽调制波的控制脉冲宽度的生成算法有许多种，最常用的是自然采样法，但由于自然采样法这种算法计算量较大，在实时计算要求较高的场合难以应用，因此在设计时，系统采用三角波作载波，利用改进的规则采样算法来计算调制脉冲的宽度。

图5是改进的规则采样算法的原理示意图，在三角载波的负脉冲尖峰时刻t(D)对设定的电流或电压控制波形采样而得到D点，通过D点作水平直线与三角载波分别相交于A点和B点，得到这两点之后，就可以在A点对应的时刻t(A)和B点对应的时刻t(B)控制功率器件的开关和通断。图中，u(C)为三角载波；T(C)为三角载波周期；u(r)为设定的电流或电压控制波形。

假设要调制成正弦信号，则由图5可得式（1）： 

(1+m*sin(w(r)*t(D)))/(δ/2)=2/(T(C)/2) ，

式（1）中:δ为算法中要计算的控制信号调制脉冲宽度；为PWM调制波的调制度；sin(w(r)*t(D))为正弦调制波在t(D)时刻的值。

由式(1)可得式（2）：

δ=T(C)*( 1+m*sin(w(r)*t(D)))/2.

在本实用新型电池化成检测系统的硬件结构设计中，如图3所示，在脉宽调制数字处理器2的调制脉宽控制信号PWM波输出端和执行机构新型电子功率器件IGBT 模块4的控制信号输入端之间，连接有高速光电耦合输入输出电路3。高速光电耦合电路起隔离干扰的作用，使得整个系统运行时，其主电路和控制电路之间能分离开来。

本实用新型实施例采用的高速光电耦合隔离输入输出电路的具体电路如图6所示。该电路有如下优点：

（1）增强输出信号的驱动能力，使之能充分驱动功率器件的通断；

（2）由于信号之间是通过光电二极管来传递信息，输入端与输出端之间的绝缘性能得到加强，而且相互间没有电磁感应现象，所以输入端的噪声不致传递到输出端，而输出端的噪声也不会反馈到输入信号源，因此达到有效抑制噪声的目的；

（3）信号之间的传递仅仅为单方向，只有从输入到输出，而无输出至输入的影响。

如上所云是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种电池化成检测系统，包括比较电路（1）和采样装置（6），所述电池（5）经所述采样装置（6）与所述比较电路（1）的输入端连接，其特征在于：还包括IGBT模块（4）和脉宽调制数字处理器（2），所述脉宽调制数字处理器（2）的输入端与所述比较电路（1）的输出端连接；所述IGBT模块（4）的输入端接开关电源（7），其输出端接所述电池（5），其控制端接所述脉宽调制数字处理器（2）。

2.根据权利要求1所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述IGBT模块（4）为IPM模块。

3.根据权利要求2所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述IPM模块包括两个IGBT，位于上桥臂的所述IGBT的源极和位于下桥臂的所述IGBT的漏极相接，位于上桥臂的该IGBT的漏极和位于下桥臂的该IGBT的源极各自分别接所述电池（5）的两端，两个所述IGBT的栅极分别与所述脉宽调制数字处理器（2）连接。

4.根据权利要求1所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述脉宽调制数字处理器（2）的输出端与所述IGBT模块（4）的控制端之间接有高速光电耦合输入输出电路（3）。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述脉宽调制数字处理器（2）进行脉宽调制的载波为三角波。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述比较电路（1）中预设有电压参考值，所述采样装置（6）为对电池（5）进行电压采样的电压采样器。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述比较电路（1）中预设有电流参考值，所述采样装置（6）为对电池（5）进行电流采样的电流采样器。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的电池化成检测系统，其特征在于：包括依次通信连接的上位机（1a）、中位机（2a）和下位机（3a），所述下位机（3a）包括控制执行电路，所述中位机（2a）包括所述脉宽调制数字处理器（2），所述上位机（1a）包括显示装置；所述控制执行电路接于所述脉宽调制数字处理器（2）和所述电池（5）之间。

9.根据权利要求8所述的电池化成检测系统，其特征在于：所述上位机（1a）和所述中位机（2a）通过CAN总线通信。

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