CN111830421A - 一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，包括多组锂电池模块，多组锂电池模块中的每组锂电池模块均各自通过测试单元电路与同一CAN总线连接，多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极依次经过充放电设备和上位机后与CAN总线CAN通信连接，多组锂电池模块中的一组锂电池模块的负极经分流器后接地，测试单元电路中包括分别与每组锂电池模块相连接的风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块，风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块均与主控制器相连接，主控制器经CAN通信电路模块与CAN总线连接。与现有技术相比，本发明具有精度高，测试时间短等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车退役锂电池处理技术领域，尤其是涉及一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置。
背景技术
随着世界汽车产业的发展，一方面石油能源的消耗日益增加，加快了能源短缺的步伐，发展新能源汽车、开发新型动力汽车，成为世界汽车产业面临的紧迫任务。电动汽车以其污染小、噪声低、能源效率高、能源来源多元化等优势备受青睐，当汽车锂电池组的荷电能力降低到原有容量的80％左右时，不再适合继续在电动汽车中使用，若将这些锂电池组报废进行回收处理，未能实现物尽其用，将造成极大的资源浪费。在锂电池外观完好、没有破损、各功能元件有效的情况下，可探讨进行锂电池的梯次回收再利用。在大规模动力电池梯次利用技术方面，我国起步较晚，与发达国家相比还有较大差距，在第二梯度的储能装置应用中我国和国外研究水平差距也很大，我国电池储能应用规模仍然较小。针对梯次利用锂电池工作特性衰退不一致的问题，分析了锂电池有效容量、内阻、开路电压和不同电流倍率等特性，指出锂电池经多次循环使用后容量和内阻参数符合正态分布，退役锂电池大倍率充放电相比新电池极化现象严重，适合投入到小倍率充放电的储能***中应用。
现在技术中存在以下问题：
(1)从电动汽车退役下来的锂电池处于离线状态。换句话说，此时锂电池组缺少了历史数据的支持，甚至出现重要数据丢失的情况，因此，在这种情况下较难估计锂电池健康状态。
(2)外部多变的测试环境。若发生历史数据和重要数据丢失的情况，如锂电池荷电特性、循环次数等数据，再加上外部环境温度波动，增大了梯次利用锂电池健康状态估计的难度。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，从退役锂电池性能验证和品质分级方面入手，研究锂电池寿命特性，选用和设计适合退役锂电池的测试方法、测试模式和测试条件，在实际工程条件允许的范围内(有限的测试时间和环境条件下)完成锂电池组的测试，准确地决策出合适的梯度范围。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，包括多组锂电池模块，所述多组锂电池模块中的每组锂电池模块均各自通过测试单元电路与同一CAN总线连接，所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极依次经过充放电设备和上位机后与所述CAN总线CAN通信连接，所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的负极经分流器后接地，所述测试单元电路中包括分别与每组所述锂电池模块相连接的风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块，所述风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块均与主控制器相连接，所述主控制器经CAN通信电路模块与所述CAN总线连接。
进一步地，所述主控制器还与用于控制与所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极连接的开关关断的继电器相连接。
进一步地，所述电压检测电路模块包括运算放大器和与所述运算放大器输入正负极各自相连接的模拟开关，所述电压检测电路模块通过所述模拟开关与所述锂电池模块相连接，所述运算放大器采用的芯片型号为OPA454，所述模拟开关采用的芯片型号为MAX14752。
进一步地，所述温度检测电路模块包括差分放大器和与所述差分放大器输入正负极经分压电阻并联的热敏电阻，所述差分放大器采用的芯片型号为TL084。
进一步地，所述均衡控制电路模块包括均衡电路以及与所述均衡电路相拓扑连接的均衡电路电流检测电路和均衡电路电压检测电路，所述均衡电路中包括多个彼此并联连接的单刀继电器和多个与所述单刀继电器输出端相串联连接的双刀继电器，每个所述单刀继电器的输入端与所述锂电池模块中的单节锂电池对应连接，所述双刀继电器的输出端正负极与电容组的正负极并联连接。
进一步地，所述均衡电路电压检测电路包括运算比较器，所述运算比较器的输入正负极分别经电阻后与所述电容组的正负极并联连接，其输出端与所述主控制器的PB7引脚相连接，所述运算比较器采用的芯片型号为TL084。
进一步地，所述均衡电路电流检测电路包括差动放大器、第一运算放大器和第二运算放大器，所述差动放大器的输出端与所述第一运算放大器的输入端负极连接，所述第一运算放大器的输出端与基准电压源相并联连接后与所述第二运算放大器的输入端正极连接，所述第二运算放大器的输出端与所述主控制器的PB8引脚相连接，所述第一运算放大器的输入端正极和所述第二运算放大器的输入端负极均接地，所述差动放大器采用的芯片型号为INA149，所述第一运算放大器采用的芯片型号为TLC2652。
进一步地，所述风扇控制电路模块包括比较器和与所述比较器输出端连接的开关管，所述比较器采用的芯片型号为LM324，所述开关管采用的型号为IRFIZ24N。
进一步地，所述CAN通信电路模块包括CAN收发器、数字隔离器和DB9接头，所述CAN收发器采用TJA1050芯片，所述数字隔离器采用ADUM1201芯片，所述TJA1050芯片的CANH端和CANL端分别与所述DB9接头的3号插口和2号插口对应连接，其RXD端和TXD端分别与所述ADUM1201芯片的Via端和Vcb端对应连接，所述ADUM1201芯片的Vcc端和Vih端分别与所述主控制器的PC11引脚和PC10引脚对应连接，所述DB9接头的9号接口和1号接口与CAN总线的5V电源端和接地端对应连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明中的测试单元电路主要完成锂电池模块中各单体电池电压检测、温度检测、风扇控制、继电器控制等功能，为使所设计测试单元电路具有通用性、实现锂电池管理***相应功能，并设计了均衡控制电路。实现梯次锂电池健康参数检测，改进了健康寿命模型的在线参数辨识方法和锂电池健康特征提取方法，提高了对离线锂电池的健康参数的精度。
(2)针对离线状态锂电池测试时间过长的问题，本发明提出了软硬件解决方案，实验验证锂电池性能测试工况整个测试时长缩短，使其在工程上应用成为可能。针对锂电池模块中各单体电池存在荷电特性差异的问题，通过设计均衡电路和程序控制启用锂电池模块均衡功能，解决锂电池平衡充放电过程中各锂电池差异大的问题。
附图说明
图1为本发明装置的整体架构示意图；
图2为本发明中锂电池电压检测电路模块的原理图；
图3为本发明中锂电池温度检测电路模块的原理图；
图4为本发明中均衡控制电路模块的原理图，其中，图4-a为均衡电路电流检测电路的原理图，图4-b为均衡电路电压检测电路的原理图，图4-c为均衡电路的原理图；
图5为本发明中风扇控制电路模块的原理图；
图6为本发明中CAN通信电路模块的原理图，其中，图6-a为数字隔离器的连接示意图，图6-b为CAN收发器的连接示意图，图6-c为DB9接头的连接示意图；
图7为本发明配套软件控制部分的总体逻辑控制框图；
图8为本发明配套软件控制部分的DSP主控制逻辑框图；
图9为本发明配套软件控制部分的锂电池均衡电路控制逻辑框图；
图10为本发明配套软件控制部分的上位机逻辑框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示为本发明装置的整体架构设计，如图所示，包括多组锂电池模块，多组锂电池模块中的每组锂电池模块均各自通过测试单元电路与同一CAN总线连接，多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极依次经过充放电设备和上位机后与CAN总线CAN通信连接，多组锂电池模块中的一组锂电池模块的负极经分流器后接地，测试单元电路中包括分别与每组锂电池模块相连接的风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块，风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块均与主控制器相连接，主控制器经CAN通信电路模块与CAN总线连接。
测试单元电路主要完成锂电池模块中各单体电池电压检测、温度检测、风扇控制、继电器控制等功能，为使所设计测试单元电路具有通用性、实现锂电池管理***相应功能，并设计了均衡控制电路。具体方案为：
1、硬件设计
***的硬件部分包括主控电路、锂电池电压检测电路、锂电池温度检测电路、锂电池模块均衡电路、锂电池风扇控制电路设计、CAN通信电路设计电路，其中，CAN通信电路、温度检测电路，需外接贴在锂电池表面的热敏电阻、风扇和继电器控制电路、锂电池模块的单体电压检测电路和均衡控制电路，控制模拟开关选择检测模块中各单体电池电压、控制继电器开关阵列实现各单体电池均衡管理。具体设计方案为：
(1)主控选择
本例中选用TI公司生产的TM320F2812芯片，TMS320F2812数字处理能力较强，32位定点微控制单元(MCU)，主频高达150MHz；具备I2C、SPI、CAN、PWM等总线接口，适用于各种控制类工业设备；其资源符合本例的设计需要。
(2)锂电池电压检测电路设计(如图2所示)
基于模拟开关和运算放大器的方法，设计了一种测量锂电池电压检测电路，由于电池串联而成的电池模块总电压较高，采用Maxim公司生产的模拟开关芯片MAX14752和TI公司生产的运放芯片OPA454。锂电池模块的单体电压检测电路和均衡控制电路，控制模拟开关选择检测模块中各单体电池电压、控制继电器开关阵列实现各单体电池均衡管理。
OPA454最高支持±50V供电，可满足锂电池模块高共模输入电压的要求，配合前端模拟开关需选用两片OPA454。主控制器通过控制MAX14752芯片的使能端口和逻辑选通端口即可实现锂电池模块中各单体电池的电压检测。
(3)锂电池温度检测电路设计(如图3所示)
采用双桥臂桥式电路设计温度检测电路如图3，热敏电阻在不同温度下表现出不同阻值，得到不同差值电压经运放TL084差分放大，运放输出电压经主控制器处理后可得温度值。
(4)锂电池模块均衡电路设计(如图4-a、图4-a和图4-c所示)
锂电池模块均衡主电路采用以超级电容作为能量传递中介的双向Buck-Boost均衡拓扑结构设计，均衡电路电流检测电路如图4-a所示，采用TI生产的高电压、高精度的差动放大器INA149，经TLC2652放大后叠加一个2.5V的基准电压变换为AD转换器可接受的电压范围。
均衡电路电压检测电路如图4-b所示。
均衡电路原理图如图4-c所示，前端与继电器阵列电路相连，图中K1～K17为单刀继电器、K18和K19为双刀继电器，继电器阵列电路用于从锂电池模块中选择需要均衡的单体电池，每选通一节电池，主控制器根据锂电池模块检测数据和控制需要，分时选通不同的继电器即可实现锂电池模块中各单体电池的均衡控制。
(5)锂电池风扇控制电路设计(如图5所示)
风扇控制电路原理图如图5所示，使用LM324芯片作为比较器，通过控制PWM占空比可控制风扇转速。
(6)CAN通信电路设计(如图6-a、图6-b和图6-c所示)
CAN通信电路原理图如图6-c所示，采用NXP公司生产的TJA1050芯片作为CAN高速收发器，总线终端信号CANH和CANL经DB9接口连接至CAN通信总线。
2、***软件设计
(1)总体软件框图(如图7所示)
使用TI公司提供的CCS6.0编译环境设计测试单元电路控制程序，***软件总体设计流程图如图7所示，***上电时进行***初始化；若无检测故障即可启动锂电池组充放电控制并将实时采集数据通过CAN总线上传，测试单元电路接收实时数据运行荷电状态估计算法。
(2)DSP程序设计(如图8所示)
DSP软件设计流程图如图8所示，***上电时进行***初始化，初始化单片机片上资源，如I/O口、***时钟、CAN通信和AD转换器等，启动充放电后，单片机实时检测充放电电流，并将检测数据通过CAN总线上传至各测试单元电路和上位机，如此循环直至锂电池组充放电结束，单片机即刻进入休眠状态。
(3)均衡电路控制程序设计(如图9所示)
锂电池模块中各单体电池存在荷电特性差异是无法避免的，通过程序控制启用锂电池模块均衡功能，本设计采用基于荷电特性的均衡控制方式，均衡控制程序流程图如图9所示。实时估算各单体电池当前荷电特性(SOC)状态并比较各SOC值大小，当SOC最大值(SOCmax)和SOC最小值(SOCmin)的差异超出设定的SOC差异范围(ΔSOCdis)时，启动均衡电路控制程序将SOC值较大电池的多余能量(ΔSOC＝(SOCmax-SOCmin)/2)存于超级电容，而后控制Buck电路将此能量(ΔSOC)再转存于SOC值较小的电池，重复上述过程直至充放电结束。
(4)上位机软件(如图10所示)
采用vs2010开发环境设计上位机软件***，其程序流程图如图10所示，可实时接收单片机和测试单元电路上传的锂电池模块工作数据和故障检测数据先进行软件参数设置，打开串口接收实时上传锂电池模块工作数据，软件采用预先设定的帧格式对数据进行解析，将故障信息在软件界面显示、将电池工作数据存入数据库并在表格中显示。
通过对梯次利用锂电池进行性能验证工况测试，实时记录并锂电池组中各单体电池端电压(UL)、充放电电流(Ib)和工作温度(T)等参数。
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揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，包括多组锂电池模块，所述多组锂电池模块中的每组锂电池模块均各自通过测试单元电路与同一CAN总线连接，所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极依次经过充放电设备和上位机后与所述CAN总线CAN通信连接，所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的负极经分流器后接地，所述测试单元电路中包括分别与每组所述锂电池模块相连接的风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块，所述风扇控制电路模块、电压检测电路模块、均衡控制电路模块和温度检测电路模块均与主控制器相连接，所述主控制器经CAN通信电路模块与所述CAN总线连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述主控制器还与用于控制与所述多组锂电池模块中的一组锂电池模块的正极连接的开关关断的继电器相连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述电压检测电路模块包括运算放大器和与所述运算放大器输入正负极各自相连接的模拟开关，所述电压检测电路模块通过所述模拟开关与所述锂电池模块相连接，所述运算放大器采用的芯片型号为OPA454，所述模拟开关采用的芯片型号为MAX14752。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述温度检测电路模块包括差分放大器和与所述差分放大器输入正负极经分压电阻并联的热敏电阻，所述差分放大器采用的芯片型号为TL084。
5.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述均衡控制电路模块包括均衡电路以及与所述均衡电路相拓扑连接的均衡电路电流检测电路和均衡电路电压检测电路，所述均衡电路中包括多个彼此并联连接的单刀继电器和多个与所述单刀继电器输出端相串联连接的双刀继电器，每个所述单刀继电器的输入端与所述锂电池模块中的单节锂电池对应连接，所述双刀继电器的输出端正负极与电容组的正负极并联连接。
6.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述均衡电路电压检测电路包括运算比较器，所述运算比较器的输入正负极分别经电阻后与所述电容组的正负极并联连接，其输出端与所述主控制器的PB7引脚相连接，所述运算比较器采用的芯片型号为TL084。
7.根据权利要求5所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述均衡电路电流检测电路包括差动放大器、第一运算放大器和第二运算放大器，所述差动放大器的输出端与所述第一运算放大器的输入端负极连接，所述第一运算放大器的输出端与基准电压源相并联连接后与所述第二运算放大器的输入端正极连接，所述第二运算放大器的输出端与所述主控制器的PB8引脚相连接，所述第一运算放大器的输入端正极和所述第二运算放大器的输入端负极均接地，所述差动放大器采用的芯片型号为INA149，所述第一运算放大器采用的芯片型号为TLC2652。
8.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述风扇控制电路模块包括比较器和与所述比较器输出端连接的开关管，所述比较器采用的芯片型号为LM324，所述开关管采用的型号为IRFIZ24N。
9.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车退役锂电池的梯次利用检测装置，其特征在于，所述CAN通信电路模块包括CAN收发器、数字隔离器和DB9接头，所述CAN收发器采用TJA1050芯片，所述数字隔离器采用ADUM1201芯片，所述TJA1050芯片的CANH端和CANL端分别与所述DB9接头的3号插口和2号插口对应连接，其RXD端和TXD端分别与所述ADUM1201芯片的Via端和Vcb端对应连接，所述ADUM1201芯片的Vcc端和Vih端分别与所述主控制器的PC11引脚和PC10引脚对应连接，所述DB9接头的9号接口和1号接口与CAN总线的5V电源端和接地端对应连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201027 |