CN102608537A - 一种馈网型大功率电池测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈网型大功率电池测试装置，包括：监控服务器、协议网关设备、充放电机、电池数据采集模块、电池管理系统采集模块、动力电池包；本发明能够快速精确地为动力电池在电动汽车上的应用提供准确可靠的基础数据，本发明搭载的具有的用户编程能力和电池评价能力的后台软件系统使用户能够依据自己设定的控制流程来完成对动力电池组功能的检测、输出性能的测试，具有较强的实用价值。

Description

一种馈网型大功率电池测试装置

技术领域

本发明涉及一种馈网型大功率电池测试装置，属于电池技术领域。

背景技术

目前，随着电池技术的发展，动力电池在能量密度、功率密度和循环寿命等方面有了很大提高。然而在实践过程中发现，动力电池串并联成组后出现单体电池不一致，使得整组电池的使用寿命和动态特性远不及单体电池，也无法满足电动汽车、储能系统等应用场合的要求。因此，伴随着电动汽车的规模化发展，如何对动力电池进行分选成组以及成组测试，综合评价成组电池的电气性能成为亟待解决的关键问题。动力电池组测试装置主要包括动力电池组功率输出设备和电池数据检测装置以及相应的软件系统。目前用于动力电池组测试的国产设备技术不完善，性能指标难以满足测试要求，因此动力电池组测试设备主要生产商集中在欧美地区，采购价格高、生产周期长、维修困难、严重阻碍了动力电池组的测试和评估；同时现有动力电池测试监控系统软件开放性差，缺乏复杂算法的控制。

现有动力电池测试系统只是针对不同电压等级设计的硬件设备，后台软件只包含简单的监控功能，开放性差；而且现有的动力电池测试设备有些不包括回馈电网功能，造成测试过程中的能量浪费。而当前现有的国内大功率开关型动力电池测试设备技术落后，动态响应速度慢，能量密度和转换效率较低，其动力电池测试监控软件只包含简单的监控功能，无法嵌入集成电池组的复杂测试和流程控制算法；后台软件开放性差，无法满足高级用户复杂测试功能。因此，现有动力电池测试装置不包含动力电池组的功能测试，即不包含电池管理系统的功能测试、高压器件的功能测试等，难以适应电动汽车规模化发展后电池组(包)的检测需求。

目前，在电动汽车初步规模化发展的条件下，动力电池包的功能检测对电动车辆的可靠运行意义重大。现在，动力电池包的功能检测主要是出厂检测，由电池厂或电池包生产厂负责。然而电子器件的稳定性在运行一段时间后可能发生变化，易出现故障状态，而电子器件的失效直接决定了动力电池运行的安全性。目前实际运行的电动汽车电池包系统多次出现电池管理系统检测精度下降、保护功能失效以及包内高压器件误动作或不动作等故障现象，造成动力电池包的在故障或无监控的条件下运行，存在严重的安全隐患。

由于动力电池包的输出特性与组成电池包的单体电池相关，而单体电池的特性与电池的老化状态相关，因此动力电池包的输出特性随着运行时间的增加逐渐变差。由实践经验得出，当电动汽车运行一段时间后，动力电池的容量特性、倍率特性等输出特性与初始状态截然不同，因而车辆的动力性能如续驶里程、加速性能等也会发生变化。因此，需要对动力电池包的输出特性进行定期检测，以便获得电池当前的实际状态和性能参数，为车辆提供真实可信的数据。

因此，迫切需要开发出能够依据用户自己设定的控制流程完成动力电池组功能检测、输出性能测试的硬件测试平台。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的馈网型大功率电池测试装置，其能够完成对集成动力电池高性能充放电测试及其监控软件的动力电池组测试，能够实现动力电池测试过程中电池能量与电网能量的双向流动，为动力电池的功能测试和评估提供了完整的硬件平台。

本发明包括：搭载了具备电池诊断评估功能和用户高级编程能力的高开放性智能电池测试程序和数据库管理软件的监控服务器、协议网关设备、具备能量双向流动的主电路拓扑结构的充放电机、具备高同步性的电池数据采集模块、位于电池箱中的电池管理系统(BMS)、动力电池包；所述监控服务器分别通过LAN总线与协议网关设备连接，所述协议网关设备通过CAN总线分别与充放电机和电池数据采集模块连接；所述协议网关设备通过CAN总线与电池管理系统连接，所述电池管理系统和电池数据采集模块分别通过采样总线与动力电池包连接；所述充放电机与动力电池包通过动力总线连接。

本发明的网络总线分为动力总线、采样总线和数据通讯总线，所述数据通讯总线包括LAN总线和CAN总线两种；所述动力总线主要用于电池充放电电流的输出，为动力电池提供能量输入和有源负载；所述采样总线用于将电池模拟信息接入电池标准测试设备以保证电池电量的采集；所述数据通讯总线用于负责整个充放电测试过程中电池数据的汇总、监控系统控制指令的发出以及电池管理系统数据的接收。

所述监控服务器负责采集电池电量信息、对电池管理系统进行功能测试和检测精度测试、电池箱电气系统功能测试流程控制、动力电池特征参数测试算法控制以及电池数据库系统管理。当多个电池测试装置并行使用时，各电池测试装置可以通过LAN网络进行级联控制，在一个监控网络下工作。同时与网络交换机连接，实现远程访问、网络存储等功能。

所述充放电机包括依次连接的隔离变压器、PWM整流器和双向DC/DC变换器：所述PWM整流器为拓扑升压结构，其包括以绝缘栅双极型功率管为主的三相可控整流桥；具有整流和逆变双重功能。所述双向DC/DC变换器采用了以降压升压(Buck-Boost)电路为基本结构，包括两个降压升压变换器，两个降压升压变换器输出端的负端连接在一起，而两个降压升压变换器的正端分别构成了总输出电压，连接到被测试电池。由于采用降压升压变换器的控制方式，其动态响应较快，输出电压范围广，可以实现充电-放电模式间的快速转换，既增大了系统容量，又降低了纹波电流。

所述电池数据采集模块包括数采样总线、总信息采集装置、并行采样装置、串联电池组；所述采样总线分别与总信息采集装置和并行采样装置连接，所述并行采样装置与串联电池组连接。所述总信息采集装置分别与串联电池组的输出正端和输出负端连接。

所述电池数据采集模块通过采样总线级联，保证电池模拟信息能够接入电池标准测试设备，同时保证电池充放电过程中的电压、电流等信息同步采集过程。其中总信息采集装置为同步信息发出端，在充放电过程中，通过采样总线为并行采样装置提供同步采样信号，并负责整个充放电测试过程中同步采集的协调控制。随着单体电池串联数量的增加，并行采样装置也同步增加，但是由于各并行采样装置采用并行采样模式，模块电压、温度采集具备独立性和同步性，而当多个并行采集装置同时接入网络总线中时，可以依据采样总线信号进行采样时机同步，因此无论一组动力电池包中有多少节串联单体电池，利用所述电池数据采集模块都能对串联电池组中的每个单体电池的电压、温度等进行同步采集，满足了对串联电池组中各单体电池电压、温度数据的分析要求。

本发明针对现有电池化成及测试设备用户编程能力弱的缺点，建立包括数据采集、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等功能的函数库，用户能够根据实际目标及需求进行编程，依据真实工况数据对电池进行充放电测试，程序运行时实时处理数据并输出结果，便于实现灵活多样的电池测试方案；同时用户能够根据电池的当前反馈状态对输入输出电流、电压进行控制，形成具有闭环控制的电池测试过程，便于用户开发优化的电池应用方案；同时，利用测试过程中检测的电池参数，进一步分析和计算获得内阻、极化等特性参数，形成数据库并能够绘制电池组电压、温度、内阻、SOC等参数的变化曲线，在用户设定的评估算法和参数阈值条件下，对电池的静态特性和动态特性进行识别、诊断和评估，完成电池的一致性评价、分选等重要功能；本发明能够快速精确地为动力电池生产厂家、动力电池研发机构、动力电池包生产厂家、电动汽车整车生产企业、动力电池检测机构以及动力电池的运营企业提供科学有效的电池成组应用后的功能测试和电池性能测试，为动力电池在电动汽车上的应用提供准确可靠的基础数据，本发明搭载的具有的用户编程能力和电池评价能力的后台软件系统使用户能够依据自己设定的控制流程来完成对动力电池组功能的检测、输出性能的测试，具有较强的实用价值。

附图说明

图1是本发明所述一种馈网型大功率电池测试装置的整体结构示意图；

图2是本发明所述一种馈网型大功率电池测试装置的充放电机的结构示意图；

图3是本发明所述一种馈网型大功率电池测试装置的电池数据采集模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。如图1所示，本发明包括：搭载了具备电池诊断评估功能和用户高级编程能力的高开放性智能电池测试程序和数据库管理软件的监控服务器1、协议网关设备2、协议网关设备3、具备能量双向流动的主电路拓扑结构的充放电机4、具备高同步性的电池数据采集模块5、位于电池箱中的电池管理系统6、动力电池包7；监控服务器1分别通过LAN总线与协议网关设备2和协议网关设备3连接，协议网关设备2通过CAN总线分别与充放电机4和电池数据采集模块5连接；协议网关设备3通过CAN总线与电池管理系统6连接，电池管理系统6和电池数据采集模块5分别通过采样总线与动力电池包7连接；充放电机4与动力电池包7通过动力总线连接。

充放电机4包括依次连接的隔离变压器41、PWM整流器42和双向DC/DC变换器43：PWM整流器42为拓扑升压结构，其包括以绝缘栅双极型功率管为主的三相可控整流桥；具有整流和逆变双重功能。双向DC/DC变换器43采用了以降压升压(Buck-Boost)电路为基本结构，包括两个降压升压变换器，两个降压升压变换器输出端的负端连接在一起，而两个降压升压变换器的正端分别构成了总输出电压，连接到被测试电池。

电池数据采集模块5包括总信息采集装置511、并行采样装置512、并行采样装置513、并行采样装置51n、串联电池组521、串联电池组522、串联电池组52n；所述采样总线分别与总信息采集装置511、并行采样装置512、并行采样装置513、并行采样装置51n连接，并行采样装置512与串联电池组521连接，并行采样装置513与串联电池组522连接，并行采样装置51n与串联电池组52n连接；总信息采集装置511分别与串联电池组的输出正端和输出负端连接。

电池数据采集模块5通过采样总线级联，保证电池模拟信息能够接入电池标准测试设备，同时保证电池充放电过程中的电压、电流等信息同步采集过程。其中总信息采集装置511为同步信息发出端，在充放电过程中，通过采样总线为并行采样装置511、并行采样装置512、并行采样装置513、并行采样装置51n提供同步采样信号，并负责整个充放电测试过程中同步采集的协调控制。随着单体电池串联数量的增加，并行采样装置也同步增加，但是由于各并行采样装置采用并行采样模式，模块电压、温度采集具备独立性和同步性，而当多个并行采集装置同时接入网络总线中时，可以依据采样总线信号进行采样时机同步，因此无论一组动力电池包中有多少节串联单体电池，利用所述电池数据采集模块都能对串联电池组中的每个单体电池的电压、温度等进行同步采集，满足了对串联电池组中各单体电池电压、温度数据的分析要求。

本发明的搭载了具备电池诊断评估功能和用户高级编程能力的高开放性智能电池测试程序和数据库管理软件的监控服务器1可以完成对动力电池以下测试功能：

1.对电池箱中的电池管理系统6检测精度校验，其中包括：

(1)静态校验：在充放电初始阶段没有电流的情况下，监控服务器1通过电池数据采集模块5采集电池电压、电流、温度(备选)信息，并与电池管理系统6采集的电池电压、电流、温度(备选)进行对比，测试电池管理系统6的检测精度。

(2)动态校验：在动力电池充放电测试过程中，监控服务器1通过电池数据采集模块5采集电池电压、电流、温度(备选)信息，并与电池管理系统6采集的电池电压、电流、温度(备选)进行对比，测试电池管理系统6的检测精度。

2.动力电池性能参数测试，其中包括：

(1)容量测试：监控服务器1通过电池数据采集模块5采集的实际容量信息计算电池组的充放电实际容量，并写入监控服务器1的数据库中。

(2)内阻测试：监控服务器1通过电池管理系统6采集充放电过程中电池组的电压信息，计算每个单体电池的直流内阻，并写入监控服务器1的数据库中。

(3)充放电平台一致性测试：监控服务器1通过电池管理系统6采集充放电过程中电池组的电压信息，在线获取每个单体电池的工作电压平台，比较一致性，并写入监控服务器1的数据库中。

3.电池箱充放电温度场测试，其中包括：监控服务器1通过电池管理系统6(或红外成像仪)采集充放电过程中电池箱内各部分的温度信息，测试动力线连接是否良好。

4.测试信息统计输出，其中包括：对电池测试后，监控服务器1对数据进行统计分析，将测试结果通过打印输出。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种馈网型大功率电池测试装置，其特征在于，包括：搭载了具备电池诊断评估功能和用户高级编程能力的高开放性智能电池测试程序和数据库管理软件的监控服务器、协议网关设备、具备能量双向流动的主电路拓扑结构的充放电机、具备高同步性的电池数据采集模块、位于电池箱中的电池管理系统、动力电池包；所述监控服务器分别通过LAN总线与协议网关设备连接，所述协议网关设备通过CAN总线分别与充放电机和电池数据采集模块连接；所述协议网关设备通过CAN总线与电池管理系统连接，所述电池管理系统和电池数据采集模块分别通过采样总线与动力电池包连接；所述充放电机与动力电池包通过动力总线连接；所述监控服务器负责采集电池电量信息、对所述电池管理系统进行功能测试和检测精度测试、电池箱电气系统功能测试流程控制、动力电池特征参数测试算法控制以及电池数据库系统管理；当多个电池测试装置并行使用时，各电池测试装置通过LAN网络进行级联控制，在一个监控网络下工作，同时与网络交换机连接，实现远程访问、网络存储等功能。

2.根据权利要求1所述的一种馈网型大功率电池测试装置，其特征在于，所述充放电机包括依次连接的隔离变压器、PWM整流器和双向DC/DC变换器：所述PWM整流器为拓扑升压结构，其包括以绝缘栅双极型功率管为主的三相可控整流桥；具有整流和逆变双重功能；所述双向DC/DC变换器采用了以降压升压电路为基本结构，包括两个降压升压变换器，两个降压升压变换器输出端的负端连接在一起，而两个降压升压变换器的正端分别构成了总输出电压，连接到被测试电池。

3.根据权利要求1所述的一种馈网型大功率电池测试装置，其特征在于，所述电池数据采集模块包括采样总线、总信息采集装置、并行采样装置、串联电池组；所述采样总线分别与总信息采集装置和并行采样装置连接，所述并行采样装置与串联电池组连接，所述总信息采集装置分别与串联电池组的输出正端和输出负端连接。

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