CN110850316B - 一种电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池的测试仪，特别是针对电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪和方法。测试仪包括了直流负载、电流检测器、电池管理***(BMS)、与电池管理***通信的总线控制和收发器以及微处理器等。利用对直流恒流负载的电流的设置和通断，一次检测出所有单体电池的直流电阻(直流内阻)，并且提取出欧姆内阻值。本发明可以直接利用动力电池包中所包含的BMS，适合退役的动力电池的梯次利用的检测。

Description

一种电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪和方法

技术领域：

本发明涉及一种电池的测试仪，特别是涉及电池组中的所有单体电池的直流电阻的测试，适用于动力电池的梯次利用的测试。本发明还涉及一种使用本发明的测试仪测试电池组中的所有单体电池的直流电阻的方法。

背景技术：

本发明与电池组的测试有关，特别是由多个单体电池相串联所构成的电池组中的所有单体电池的测试。这样的电池组在通信基站、数据中心、储能和电动汽车等行业有着日益增多的使用。电池组中任何单个单体电池的故障或者提前退化，都可能造成严重后果。所以定期的或者是在线的对电池组中的所有单体电池的测试，是安全运行的保障。另一方面，大量的退役的电动汽车动力电池包(组)将进入梯次利用的市场，目前主流倾向是尽可能采用原有的整体电池包，在不施行整体拆卸的前提下，对个别故障的或者退化的单体电池的进行替换。这样，就需要对电池组中的所有单体电池做出快速测试，本发明中的测试方法所利用的原有的电池管理***与单体电池的连接还可以免去大量的接线和拆卸工作。

本发明与电池的测试技术有关，特别是直流电阻测试技术(DC Load)。比较其他的一些测试技术，如交流电导测试(AC Conductance)和电化学阻抗谱 (EIS)，直流电阻测试技术采用了接近于实际的工作电流，更能反映出电池的运行时的实际状况；采用了快速的电流切换，使得直流电阻(直流内阻)所包括的两部分(欧姆内阻和极化电阻)易于分开，而欧姆内阻的数值更能简单直接地表征电池的故障和退化；利用了欧姆内阻的瞬态响应，将检测时间缩短到数秒或更短的时间内。若将直流负载与实际工况中的负载相结合，本发明的直流电阻测试技术也适用于在线检测。

本发明与电池管理***(BMS)有关，其能够循环测试所有单体电池的电压，并且将这些电压值按一定的次序和某种协议以有线或者无线的通信方式传递给测试上位机。目前的动力电池包都是配备有这样的电池管理***(有些还分为主机和从机)，其按CAN的通信协议发送单体电池的电压值，重复周期不少于 250毫秒。本发明截获这些通信报文，解析得出所有单体电池的电压值。目前的非动力电池的电池组未必配置有符合上述要求的电池管理***，本发明的实施中需要为其添加配置相应的电池管理***。

1982年授权的公开号为4322685的美国专利《Automatic battery analyzerincluding apparatus for determining presence of single bad cell》采用固定电阻值的负载对一个含有6个单元的铅酸电池经过继电器的机械开关进行放电，同时采集总的电压数值。从开路时和放电中的总电压的变化中判断是否有坏的单元。这个方法并没有取出各个单元的电压值。在单元数目还不多时，虽尚可判断，但无法定位；当单元数目增多时，仅靠总电压的数值的微小变化，是难以做出可靠的判断。

2007年授权的公开号为US7212006的美国专利《Method and apparatus formonitoring the condition of a battery by measuring its internal resistance》采用固定值的电阻负载对一个电池组经过一个功率晶体管的电子开关进行放电，同时采集电池组两端以及固定电阻负载两端的电压数值。结合后者计算出的回路电流值可得到电池的总的直流电阻。但是这个方法无法得到单体电池的直流电阻。

2009年授权的公开号为CN101339230的中国专利《电池内阻测量装置和方法》和公开号为CN101359035的中国专利《一种测量电池内阻的方法及装置》采用不同的固定阻值的电阻分别作为负载接入待测电池，从而得到某个直流内阻的差值。但是这些方法无法得到电池组的单体电池的直流电阻。

2010年授权的公开号为US7782061的美国专利《Battery ohmic resistancecalculation system and method》提出用一个含有估算功能的控制采样盒，依次对一个串联回路电池组中的某个单体电池采集两次在线的电压和电流数值，从这两次数值的变化，得到直流电阻的变化值，再对初始的直流电阻的估计值进行修正，但是从这些变化值，即使是累计的变化值，是不能得到绝对的直流电阻值的。

2011年授权的公开号为US8063643的美国专利《System and method formeasuring battery internal resistance》采用一个由多个固定阻值的电阻的可变组合的电阻箱并且含有功率晶体管的开关作为负载，采用一个多路复用器以选择电池组中的某一个单体、若干个相邻单体串联的某个片串或者整个体的电池组串，接至一个电压测试模块进行测试。每次测试只能是选择其中的一种。当电池组的所有单体电池都被测试一遍，所需的时间就会较多，各电池的起始状态也会因为前后多次测试放电而有所改变。

2011年授权的公开号为CN102116847A的中国专利《用于电池组的单体电池性能参数采集***》提出了为采集单体电池的参数专门制作的电池管理***，相比通用的为动力电池配套的BMS，其声称有更高的精度和更快的速度。但是对梯次利用的动力电池包的检测，利用电池包中原有的BMS作为单体电池的数据来源更具有优势。。

2012年授权的公开号为US8159228的美国专利《Method for determiningbattery internal resistance》提出在电池组的在线运行中，采用一个电池管理***，对单体电池采集电压和电流数值，将这些前后时间的数值相结合，得到直流电阻的变化值。但是从这些变化值，即使是累计的变化值，是不能得到绝对的直流电阻值的。

2015年授权的公开号为CN104330636A的中国专利《一种锂离子电池直流内阻推测方法》提出先对一个样板电池做出系列的直流电阻和交流阻抗的测试，并找出其中的关联函数；之后只需要对待测电池作一次交流阻抗的测试，即可推算出了其直流电阻，而免去实际的放电测试。对于多单体电池的电池组，交流阻抗谱仪的接入引入误差较大。在动力电池的梯次利用的测试中，难以备有相对应的样板电池以及系列的老化试验的对照关联函数。

2018年授权的公开号为CN104880605B的中国专利《电池管理***及电池单体的直流内阻的测量方法》提出了对于动力电池单体电池的一种采用电池管理***测试直流内阻的方法。该***有别于一般的电池管理***是增加了一个优先级别的“测内阻模式”，构造出一个测试专用BMS，在每次接受到上位机调用该模式的指令后，才能执行单体电池和电压和电流的测试。该方法是从两个相邻时间的测试，计算得出的是该时段的直流电阻的差值，并不是测试所需要的直流内阻的绝对值。另一方面，从方便检测的角度，特别是对梯次利用的动力电池包，会是利用电池包中原有的BMS而不是另行接线换用一个测试专用的BMS。而目前符合GB/T27930-2015国家标准的一般的BMS的功能已经胜任自动测试采样和发送数值的要求，并不存在或者需要一个“测内阻模式”。

发明内容：

本发明的目的在于为了克服上述现有技术所存在的缺点或不足，而提供的一种针对电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪，其可以尽可能地利用电池组中原配置的电池管理***，无需或者减少繁杂的联线重接，或者采用符合 GB/T27930-2015国家标准的一般的电池管理***，一次完成所有单体电池的测试；其采用电力电子的恒流技术和大电流开关的技术，测试原理中不涉及估计值、假设和推测，测试和计算的结果直接就是欧姆内阻绝对值。

本发明的另一个目的是通过使用上述直流电阻测试仪，提供一种对电池组中的所有单体电池的直流电阻的测试方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种针对电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪，其中包含直流负载、电流检测器、电池管理***(电池组中原有配置的；若原无配置，则需添加)、与电池管理***通信的总线控制和收发器，微处理器以及电磁阀等。将待测的电池组的电极通过电缆连接到断路器、电磁阀、电流检测器和直流负载；将与电池组相配合的电池管理***的通信接口通过有线或者无线的方式连接到总线控制和收发器以及微处理器；对直流负载设置给定的电流值的序列组合，对直流负载的电子开关设置相应的断-通-断等动作的序列组合，其中电子开关的闭合时间为0.25秒至60秒；同时总线控制和收发器以及微处理器接收和处理电池管理***的通信报文，微处理器解析相关的报文得到所有单体电池的电压值；微处理器根据电流设定值的改变和电压值的改变，计算出所有单体电池的直流电阻值。

按上述方案，其中的电池管理***为原电池组所配置的，或者为所添加的，其能够通过有线或者无线的方式检测电池组中所有单体电池的电压值，所测电压值的范围为0伏特至4-15伏特以内(视电池种类而定)，响应时间为50毫秒以内；其能够通过有线或者无线的通信方式将检测所获得的电池组中所有单体电池的电压值以一定的通信方式输出，重复周期为250毫秒以内。

按上述方案，其中的直流负载为可接受电流设定值的恒定电流负载，电能的输出可以是电阻散热型的、能量转换型的、馈电型的或者储能型的；所述的直流负载包含非机械式的固态电子开关，允许在两个或者多个设定的电流值之间切换，电流值的范围为0安培至300安培，切换时间短于10毫秒，切换寿命大于5万次。

按上述方案，其中的电流检测器为霍尔传感器、磁阻传感器、磁阻抗传感器或者是串联于回路的分压或者分流元件等所构成，所测电流值的范围为0安培至300安培，响应时间为10毫秒以内。

按上述方案，其中的与电池管理***的通信的总线控制和收发器为独立的芯片或者为微处理器的一部分；所述的微处理器具备与总线控制和收发器相匹配的接口、与电流检测器相匹配的输入接口、与直流负载的电流设定相匹配的输出接口、与直流负载的电子开关相匹配的触发接口和与电磁阀相匹配的触发接口。

本发明的优点在于：1、最快在数秒钟内，一次快速完成电池组所有的单体电池的直流电阻的测试；2、直接利用动力电池包中所包含的电池管理***，不需要重接繁杂的联线，缩短两次测试之间的准备时间，尤其适合大量退役的动力电池进入梯次利用前的检测；3、若电池组未包括电池管理***，而为测试所添加的可以是无额外要求的一般的电池管理***；4、电子负载的恒流数值可以在0安培到最大值之间连续设置，无需切换外部负载(如更换电阻器)；5、将直流负载与实际工况中的负载相结合，适用于在线检测；6、欧姆内阻绝对值的计算不涉及假设和推测；6、采用恒流放电，所获的欧姆内阻绝对值线性比例于所测的电压差值。

附图说明：

图1为本发明实施例一的原理图。

图2为本发明实施例一中的直流负载的原理图

图3为本发明实施例一的三个典型的单体电池实测电压随电流开关变化，同时得到的同一个电池组的24个单体电池中的其他的21个的数据未显示。

图4为本发明实施例二的原理图之一。

图5为本发明实施例二的原理图之二。

具体实施方式：

实施例一：

一种针对电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪的发明实例的原理图如图1。待测电池组90含有多个单体电池相串联的电池串91和相配合的电池管理***92。在原电池组的电池管理***缺失的情况下，需要先行添加92，配置齐全后才能进入测试；若单体电池电压低于5V，可以直接采用符合 GB/T27930-2015国家标准的一般的用于动力电池包的电池管理***，对于不同厂家的型号，只需要在通信协议的软件解析代码中作出相应的改动；若单体电池电压高于5V，在电池串91与电池管理***92之间增加一个多路电压变换器后，亦可采用符合GB/T27930-2015国家标准的一般的用于动力电池包的电池管理***。

本发明实例中的直流电阻测试仪100包括，由直流恒流负载101、限流断路器105、电磁阀106、电流检测器107、与电池管理***92通信的总线控制和收发器102以及微处理器103等。图1中以粗线表示电力通道，以细线表示通信或者控制通道。实施中，将待检测的电池串91的正极端子通过电力线连接到断路器105、电磁阀106和电流检测器107和直流恒流负载101，再从负载101 的另一端回到电池串91的负极端子；然后对直流负载101设置一给定的电流值，对直流负载101中的电子开关施行相应的断-通-断的操作；同时从总线控制和收发器102获取的电池管理***92的通信报文；微处理器103解析相关的报文得到电池串91中所有单体电池90的电压值；微处理器根据电流值和电压值的改变，计算出所有单体电池的直流电阻值。

本发明实例中的报文发送和接收器102采用了如MCP2515或者SJA1000等的 CAN总线控制器芯片和如TJA1050或者SN65HVD230等收发器芯片，并通过通信总线与微处理器103通信。报文发送和接收器102亦可以包含于含有的CAN控制器/收发器物理层的微处理器LPC11Cxx。

本发明实例中的电流检测器107采用霍尔类型的ACS770LCB-50传感器，其具有80mV/1A的灵敏度，也可以采用磁阻传感器、磁阻抗传感器或者是串联于回路的分压或者分流元件等所构成传感器。

本发明实例中对直流负载101设置了一给定的电流值，也可以设置一个电流值的序列组合，结合对开关设置一个相应的断-通-断等动作的序列组合，可以检测出直流电阻值在不同电流设置下的差异。

本发明实例中的直流负载101的原理图如图2所示。以粗线表示电力通道，以细线表示通信或者控制通道。电流控制器201是由电流或者电压调制型的PWM 芯片或者DSP芯片为核心，其接收从微处理器103发出的恒流设定值，与从互感器205经过整流的反馈信号比较，调整其输出的PWM波形的脉宽。该PWM控制信号经过功率驱动器202放大后驱动由IGBT或者功率MOS管构成的全桥变换器203，从而实现了电力电流的可调。调制后的高频电流经过变压以及整流，能量最终消耗于固定电阻器206。电流控制器201同时接受从微处理器103发出的另一路的电子开关的控制信号，控制PWM芯片的通断，实现电力电流的开路和闭合。

本发明实例中的直流负载101采用了高频开关电子技术，图2中的全桥变换器203也可以被半桥变换器、正激变换器或反激变换器所代替；实例中的直流负载101采用了DC的输出，也可以是逆变后的工频输出；直流负载101也可以是采用DC输出的线性恒流电路。

本发明实例中的电阻器206的阻值和功率的选择，依据所测的电池组的电压、容量以及放电的最大电流的选择。本实例中采用了退役的动力电池组，含有 24个单体电池，总共80V，标称容量50Ah，若最大放电测试电流为1C，高频变压器的变压比为1∶3，则电阻器206的阻值为R＝80V/50A*3＝4.8欧姆。考虑到全桥变换器203的损耗、防交叉导通的关断时间和变压器204的损耗，R可选择略小一些。电阻功率的选择可以比较满功率时小些，因为测试中放电的时间只是在数秒到数十秒的时间范围，而且一般不会在间隔数十秒之内紧接着连续放电测试。本实例中满功率为4000W，实际选用了2000W的标称功率。

上述电阻器206也可以换用其他电阻散热型的(如PTC陶瓷加热器)、光能转换型、机械能转换型的、馈电型的或者储能型的等其他能量转移设施。

图3是本发明的实例的典型的实测数据。同时测试的是上述的退役的含有 24个单体电池的动力电池组。设置了时长为10秒的26.3安培的放电电流，前后的电流设置值为0。图示的是三个典型的单体电池的实际电压随电流开关变化的数据。可以看到直流电阻的离散，从r＝(3291-3207)/26.3＝3.2毫欧(编号为#1的单体电池)到r＝(3265-2590)/26.3＝25.7毫欧(编号为#12的单体电池)。直流电阻值较小的曲线随时间响应较为缓慢，可见是以极化阻抗为主；直流电阻值较大的曲线随时间响应较为快速，可见是以欧姆内阻为主。

实施例二：

一种针对电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪的发明实例的原理图如图4和图5。待测电池组90含有4个由多个单体电池相串联的电池串91-1， 91-2，91-3和91-4相串联，并且含有相应配合的电池管理***的从机92-1、 92-2、92-3、92-4和主机92-0。图4和图5的不同之处在于：图4中，总线控制和收发器302接收来自BMS主机92-0的报文；图5中，总线控制和收发器302 截取来自BMS从机92-1，92-2，92-3，92-4的报文。在许多情况下，BMS主机并不发送单体电池的报文，图5显示的实例利用了BMS从机必须在线发送单体电池信息的这一特点。图5中，四个从机是共用一条物理的通信通道。若四个从机是单独与主机的四个端口分别连接通信的，则需要配备4个总线控制和收发器302，以分别接受四个从机的报文。

本发明实例中的直流测试仪300包括，由直流恒流负载301、限流断路器305、电磁阀306、霍尔电流检测器307、总线控制和收发器302以及微处理器303等。图中以粗线表示电力通道，以细线表示通信或者控制通道。实施中，将待检测的电池串91-1的正极端子上的电力线通过断路器305、电磁阀306和电流检测器307连接到直流恒流负载301，再从负载301的另一端回到电池串91-4的负极端子；然后对直流负载301设置一给定的电流值，对直流负载301中的电子开关施行相应的断-通-断的操作；同时从总线控制和收发器302获取的电池管理***92-1、92-2，92-3和92-4的通信报文；解析相关的报文得到电池串91-1， 91-2，91-3和91-4中所有单体电池的电压值；解析相关的报文得到电池串中所有单体电池的电压值；根据电流设定值的改变和电压值的改变，计算出所有单体电池的直流电阻值。

本发明实例中的直流负载301的原理如同图2中所示的直流负载101的原理。其工作原理在实施例一中已经叙述。不同的是，由于电池组的电压提高了，高频变压器的变压比要减小，固定电阻器的阻值和标称功率也会不同。假定电池组90的电压提高到320V，高频变压器的变压比采取1∶1，最大放电测试电流为1C，固定电阻器206的阻值为6.4欧姆，满功率为16KW，实际选用8KW的标称功率。

Claims (6)

1.一种电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪，其特征在于包含直流恒流负载、电流检测器、电池管理***与电池管理***通信的总线控制和收发器以及微处理器；

所述电池管理***为被测试的由多个单体电池相串联所构成的电池组所提供的，符合国家标准GB/T 27930-2015的用于动力电池组的电池管理***，测试免于单体电池线束的重新接线；若未提供，测试前需要将其添加和连接到电池组中；

所述微处理器用于对所述直流恒流负载设置给定的系列电流值，对所述直流恒流负载中的电子开关施行相应的断-通-断的操作，接收和处理所述电池管理***的通信报文并且计算所有单体电池的直流电阻；

所述直流恒流负载含有可接受恒定电流值设置的以产生恒定电流的电子变换器、可在两个或者多个设定的电流值之间切换的电子开关和能量转移设施。

2.按权利要求1所述的直流电阻测试仪，其特征在于其能够通过有线或者无线的方式检测电池组中所有单体电池的电压值，所测电压值的范围为0伏特至15伏特以内，响应时间为50毫秒以内；其能够通过有线或者无线的通信方式将检测所获得的电池组中所有单体电池的电压值以某种协议编码输出，重复周期为250毫秒以内。

3.按权利要求1所述的直流电阻测试仪，其特征在于所述的直流恒流负载为可接受电流设定值的恒定电流负载，所述能量转移设施可以是电阻散热型的、能量转换型的、馈电型的或者储能型的；所述的电子开关为非机械式的固态电子开关，允许在两个或者多个设定的电流值之间切换，电流值的范围为0安培至300安培，切换时间短于10毫秒，切换寿命大于5万次。

4.按权利要求1所述的直流电阻测试仪，其特征在于所述的电流检测器为霍尔传感器、磁阻传感器、磁阻抗传感器或者是串联于回路的分压或者分流元件所构成，所测电流值的范围为0安培至300安培，响应时间为10毫秒以内。

5.按权利要求1所述的直流电阻测试仪，其特征在于所述的与电池管理***通信的总线控制和收发器为独立的芯片或者为微处理器的一部分；所述的微处理器具备与总线控制和收发器相匹配的接口、与电流检测器相匹配的输入接口、与直流恒流负载的电流设定相匹配的输出接口和与直流恒流负载的电子开关相匹配的触发输出接口。

6.一种使用权利要求1所述的电池组中的所有单体电池的直流电阻测试仪的测试方法，其特征在于将待测的电池组的电极通过电缆连接到所述的电流检测器和直流恒流负载；将所述的电池管理***的通信接口通过有线或者无线的方式连接到所述的总线控制和收发器以及微处理器；对直流恒流负载设置给定的电流值的序列组合，对直流恒流负载的电子开关设置相应的通断动作的序列组合，其中电子开关的闭合时间为0.25秒至60 秒；同时总线控制和收发器以及微处理器接收和处理电池管理***的通信报文；微处理器解析相关的报文得到所有单体电池的电压值；微处理器根据电流设定值的改变和电压值的改变，计算出所有单体电池的直流电阻值。

Images