CN104112877A - 一种锂电池组维护与性能检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种锂电池组维护与性能检测装置，包括用于连接锂电池组的充放电机单元，用于对锂电池组中各电池进行均衡的均衡单元；还包括一个本地监控单元，本地监控单元采样控制连接所述充放电机单元；本地监控单元与均衡单元均连接在CAN总线上。本发明功能强大，可实现的功能有电池组均衡、单体内阻测试、容量测试等。

Description

一种锂电池组维护与性能检测装置
技术领域
本发明涉及一种锂电池组维护与性能检测装置，属于电动汽车及新能源动力电池领域。
背景技术
动力电池组是各种电动车辆的主要能量载体和动力来源，也是电动车辆整车成本的主要组成部分，其寿命直接影响电动车辆的使用成本。
电动汽车上的电池组一般都是采用多个单体电池串联使用的，串联使用的电池的充放电和单体电池的充放电过程相比较要复杂的多，汽车高速行驶时所需要的动力在40kW以上，因此电池放电时的电流一般很大，充电时为了在短时间内充满，也要求大电流充电，一段时间后就会造成电池组内电池的不一致性。电池的不一致性会严重影响电动汽车的性能，这就要求在充电站建立相应的维护间，完成电池重新配组、电池组均衡、电池组实际容量检测、电池故障的应急处理工作等。
目前并没有专门针对锂离子动力电池组的维护测试***，只有单一的均衡模块或者单一的充放电测试设备，且常规的均衡模块均衡电流小，均衡效果不明显。进行电池组性能检测时还需要另外操作复杂的电池测试设备，工作效率差。而且现有维护技术大多数针对单体电池或者是铅酸电池组，而对锂离子电池的成组维护技术还几乎没有，针对锂离子动力电池组的性能检测技术也不太完善。
发明内容
本发明的目的是提供一种锂电池组维护与性能检测装置，用以解决锂电池组性能检测的问题。
为实现上述目的，本发明的方案为一种锂电池组维护与性能检测装置，包括用于连接锂电池组的充放电机单元，用于对锂电池组中各电池进行均衡的均衡单元；还包括一个本地监控单元，本地监控单元采样控制连接所述充放电机单元；本地监控单元与所述均衡单元均连接在CAN总线上。
CAN总线分为两条线路，分别为第一CAN总线和第二CAN总线。本地监控单元连接在第一CAN总线上，均衡单元连接在第二CAN总线上，控制单元连接第一CAN总线，第二CAN总线上还连接有一个用于电池组绝缘检测的直流参数监测单元，有一上位机输出端口连接第一和第二CAN总线。
充放电机单元由三相交流电源、隔离变压器、AC/DC功率单元、DC/DC功率单元组成；本地监控单元控制连接充放电机单元，本地监控单元采样连接交流侧电压电流采集端口、直流侧电压电流采集端口、输出端电压电流采集端口。
均衡单元包括与各个单体锂电池一一对应的均衡模块，每个均衡模块包括控制单元和DC/DC模块，DC/DC模块用于对应连接单体锂电池。
本发明的有益效果是，1)功能强大，可实现的功能有电池组均衡、单体内阻测试、容量测试等。2)数据采集于锂电池组的维护接口，自动化程度高，现场操作灵活简便。3)均衡单元采用模块化结构设计思想，每部分承担相对独立的工作，不影响其它部分的工作，一方面提高了***的可靠性，另一方面使得***便于维护管理，均衡电流大(最大可达10A)，有效提高了均衡的效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的整体架构框图；
图2是本发明实施例2的整体架构框图；
图3是充放电机单元直流侧***结构图；
图4是充放电机单元交流侧***结构图；
图5是均衡单元原理框图。
图中：
U1、U2……Un为各均衡模块，B1、B2……Bn为每个均衡模块对应的单体电池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，图1为本发明实施例1的整体架构框图，本发明提供一种锂电池组维护与性能检测装置，包括：充放电机单元、上位机、本地监控单元、直流参数监测单元、均衡单元。
为了管理和日常维护的方便，本发明包括的各个功能单元可以放置在柜子里，例如：充放电机单元设置在一个充/放电机柜中；上位机、本地监控单元、直流参数监测单元、均衡单元设置在一个测量控制柜中，如图1所示；还可以充放电机单元和本地监控单元设置在一个充/放电机柜中；上位机、直流参数监测单元和均衡单元设置在一个测量控制柜中，如图2所示。
为了便于用户进行测试控制管理，由上位机完成对充/放电柜和测试控制柜进行数据采集和控制命令下发。
采用CAN总线型实时通讯网络连接。本实施例中，为了增加通讯稳定性和效率，CAN总线分为两条不同传输波特率的线路，分别为第一CAN总线和第二CAN总线；本地监控单元连接在第一CAN总线上，均衡单元和直流参数监测单元连接在第二CAN总线上。
充放电机单元由三相交流电源、隔离变压器、AC/DC功率单元、DC/DC功率单元组成。本地监控单元控制连接充放电机单元，本地监控单元采样连接交流侧电压电流采集端口、直流侧电压电流采集端口、输出端电压电流采集端口。
充放电机单元将电网AC380V转化为标称范围的直流电对锂电池组进行充电放电时，将电池组能量转换为交流电回馈电网。本地监控单元接收现场测试设备的控制数据，在上位机故障或通信中断的情况下，可以保证充放电机单元的正常工作，不影响现场设备的正常测试。
上位机、直流参数监测单元和均衡单元，分别提供用户在对电池进行充放电控制，电池组绝缘检测以及对电池进行均衡充电的维护。
均衡单元连接锂电池组的维护接口。均衡单元采用的是多模块开关均衡法，每个均衡模块结构相同且相互独立的控制一节单体电池。均衡模块包括控制单元和DC/DC模块，锂单体电池对应连接DC/DC模块。
上位机通过第一CAN总线与本地监控单元、锂电池组的BMS连接，通过第二CAN总线与直流参数监测单元、均衡单元连接。用户可直接在上位机界面上操作自动完成各种电池性能测试。
图3所示是充放电机单元直流侧***结构图，图4是充放电机单元交流侧***结构图，图3和图4合起来为充放电机单元总电路图。充放电机单元提供最大充放电电流360A,适用于电压等级100V以下的锂电池组，最大功率36KW，为了实现能量的双向流动和降低***对电网的污染，主电路采用PWM整流器。直流侧电容C1起到抑制谐波电压和稳定直流电压的作用，电阻RL的作用是先启动建立直流母线电压，等待双向DC-DC变换器启动，以实现对电池组的充电或放电。交流侧电感L起滤波和使PWM整流器实现四象限运行的作用，PWM整流器主要是为后级的直流变换器提供稳定的直流电压和实现能量的双向流动，而双向DC-DC变换器可扩大输出电压的范围和实现锂电池组的充放电工作。
当对锂电池组充电时，开关管S1导通，S2保持关断，此时变换器相当于一个降压斩波电路，将PWM整流器输出的电压降为适合的充电值，能量通过PWM整流器从电网传输给电池组。当锂电池组放电时，开关管S1导通，S2保持关断，变换器工作在升压斩波状态，电池组放出的能量通过双向DC-DC变换器回送给PWM整流器直流环节，从而造成直流母线电压上升；PWM整流器为了稳定直流母线电压，所以要向电网输出能量。这时PWM整流器工作在有源逆变状态，能量回馈给电网，达到节能的目的。
本发明可实现的功能有锂电池组均衡维护、单体内阻测试、容量测试等，下面结合具体实施例对本发明可实现的功能作进一步说明。
(1)容量测试
容量测试是为了测定当前锂电池组的放电容量是否满足技术要求，进行容量检测时，首先输入当前锂电池组的额定容量，上位机会根据当前电池组的额定容量自动选择相应的充电策略，以一箱300AH的磷酸铁锂动力锂电池组容量测试操作为例，输入当前电池组容量C＝300AH,执行的充电策略如下：
初始充电电流：100A，(0.3C+10A)，当任一单体电压≤3.50V按此电流充电；
当上位机检测BMS上送的任一单体电压≥3.50V时,降低充电电流为75A；
当上位机检测BMS上送任一单体电压≥3.55V时,降低充电电流为50A；
当上位机检测BMS上送任一单体电压≥3.60V时,降低充电电流为25A；
当上位机检测BMS上送任一单体电压≥3.65V时,停止充电，充电完成。
然后以C/3(100A)恒流对锂电池组放电，充放电单元实时采集电压电流信息，当上位机检测BMS上送任一单体电压≤2.8V时，停止放电，上位机根据上送的放电全程电流信息计算出容量，完成容量测试后，上位机将数据以EXCEL形式保存，供用户调用查看。
(2)均衡维护
如图5所示为均衡单元原理框图，进行均衡维护时，首先根据锂离子电池的类型，在上位机上选择相应的均衡策略，由上位机开启均衡命令，如磷酸铁锂动力电池组均衡充电截止电压应为3.65V,锰酸锂动力电池组均衡充电截止电压应为4.5V,下面以磷酸铁锂动力锂电池组均衡操作为例。如图4所示，每一个均衡模块Un中的控制单元负责实时采集与之对应的单体电池Bn两端的电压，采集完成后判断采集到的单体电池电压是否大于等于3.65V：如果大于等于3.65V，则表明此节单体电池不需要进行均衡操作，对应的此路均衡模块不工作；如果单体电池Bn电压小于3.65V,对应的均衡模块输出继电器闭合，进一步判断此节单体电池Bn电压是否小于3.6V，如果此节单体电池Bn电压小于3.6V，则对应均衡模块中的DC/DC模块将以设定电流值10A对单体电池进行恒流充电；如果此节单体电池Bn电压大于3.6V，则对应均衡模块中的DC/DC模块将以设定电压值3.65V对单体电池进行恒压充电。恒压充电阶段，均衡模块中的控制单元实时检测充电电流的大小，如果充电电流小于设定值1A，均衡模块输出继电器断开，表明对应的此节单体电池均衡完成。均衡完成后，对应的均衡模块通过CAN总线将均衡完成信息上送给上位机，当所有单体电池全部均衡完成后，上位机提示整个锂电池组均衡完成。
(3)单体内阻测试
开启单体内阻检测时，首先输入当前锂电池组额定容量，上位机会根据当前电池组的额定容量自动选择相应的充放电电流，本发明测定的是电池的直流内阻，完成一轮内阻测试共耗时220S，以一箱300AH的磷酸铁锂动力锂电池组内阻测试操作为例，输入当前电池组容量C＝300AH,电流取正代表给动力电池组充电，电流取负代表给动力电池组放电，上位机给充放电机单元下发充电放策略如下表所示：
Time时间[s] 电流值 电压 电流
0 0 U0 I0
0.1 -1C U1 I1
2 -1C U2 I2
5 -1C U3 I3
10 -1C U4 I4
18 -1C U5 I5
18.1 -0.75C U6 I6
20 -0.75C U7 I7
30 -0.75C U8 I8
60 -0.75C U9 I9
90 -0.75C U10 I10
120 -0.75C U11 I11
160 0 U12 I12
160.1 0.75C U13 I13
162 0.75C U14 I14
170 0.75C U15 I15
180 0.75C U16 I16
220 0 U17 I17
在此过程中，充放电机单元实时采集单体的电压、电流数据上送给上位机，上位机根据上送的充放电单元电压、电流信息计算单体充放电内阻，计算方法见下表；
Value值 公式 ΔT[S]
0.1s放电电阻 Rd(0.1s，dch)＝(U0-U1)/I1 0.1
2s放电电阻 Rd(2s，dch)＝(U0-U2)/I2 2
5s放电电阻 Rd(5s，dch)＝(U0-U3)/I3 5
10s放电电阻 Rd(10s，dch)＝(U0-U4)/I4 10
18s放电电阻 Rd(18s，dch)＝(U0-U5)/I5 18
18.1s放电电阻 Rd(18.1s，dch)＝(U0-U6)/I6 18.1
20s放电电阻 Rd(20s，dch)＝(U0-U7)/I7 20
30s放电电阻 Rd(30s，dch)＝(U0-U8)/I8 30
60s放电电阻 Rd(40s，dch)＝(U0-U9)/I9 60
90s放电电阻 Rd(40s，dch)＝(U0-U10)/I10 90
120s放电功率 Rd(40s，dch)＝(U0-U11)/I11 120
总的放电电阻 Rd(dch)＝(U12-U11)/I11 40
0.1s充电电阻 Rc(0.1s，cha)＝(U12-U13)/I13 0.1
2s充电电阻 Rc(2s，cha)＝(U12-U14)/I14 2
10s充电电阻 Rc(10s，cha)＝(U12-U15)/I15 10
20s充电电阻 Rc(10s，cha)＝(U12-U16)/I16 20
总的充电电阻 Rc(cha)＝(U16-U17)/I17 20
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述维护与性能检测装置包括用于连接锂电池组的充放电机单元，用于对锂电池组中各电池进行均衡的均衡单元；还包括一个本地监控单元，本地监控单元采样控制连接所述充放电机单元；所述本地监控单元与所述均衡单元均连接在CAN总线上。
2.根据权利要求1所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述CAN总线分为两条线路，分别为第一CAN总线和第二CAN总线；所述本地监控单元连接在第一CAN总线上，所述均衡单元连接在第二CAN总线上。
3.根据权利要求2所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述第二CAN总线上还连接有一个用于电池组绝缘检测的直流参数监测单元。
4.根据权利要求1所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，有一上位机输出端口连接所述第一和第二CAN总线。
5.根据权利要求1所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述充放电机单元由三相交流电源、隔离变压器、AC/DC功率单元、DC/DC功率单元组成；所述本地监控单元控制连接所述充放电机单元，所述本地监控单元采样连接交流侧电压电流采集端口、直流侧电压电流采集端口、输出端电压电流采集端口。
6.根据权利要求2所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述均衡单元包括与各个单体锂电池一一对应的均衡模块，每个均衡模块包括控制单元和DC/DC模块，DC/DC模块用于对应连接单体锂电池。
7.根据权利要求6所述的锂电池组维护与性能检测装置，其特征在于，所述控制单元连接第一CAN总线。
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