一種單體電池測試模擬裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種單體電池測試模擬裝置，包括微控制器、充電電路和放電電路，能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池的恒流、恒壓、恒功率充電和恒流、恒功率放電以及能夠?qū)误w電池進(jìn)行自定義UDDS、DST循環(huán)工況測試，并且具有模擬電池的功能；本實用新型能夠自動完成單體電池的諸多特殊測試：①單體電池循環(huán)壽命試驗；②單體電池容量試驗；③單體電池直流內(nèi)阻試驗；④單體電池充/放電特性試驗；⑤單體電池荷電保持能力試驗；⑥單體電池充/放電效率試驗；⑦單體電池過充速率承受能力試驗；⑧單體電池過放速率承受能力試驗；⑨單體電池溫度特性試驗；⑩單體電池模擬試驗。
【專利說明】
一種單體電池測試模擬裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種單體電池測試模擬裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]能源危機(jī)和環(huán)境污染使具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保優(yōu)勢的電動汽車發(fā)展迅猛，極大促進(jìn)了動力電池等新興行業(yè)的快速增長。其中，鋰離子電池因其高能量密度、低放電率和沒有記憶效應(yīng)，作為動力源廣泛應(yīng)用在電動汽車和混合電動汽車中。研究電池的充放電特性和循環(huán)壽命特性，測試電池在不同條件下的性能，對保證電池安全性、提高其利用效率以及開發(fā)更合適電動汽車的電機(jī)驅(qū)動器具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。與此同時，電動汽車復(fù)雜的運行環(huán)境對動力電池品質(zhì)提出了嚴(yán)苛要求，必須對動力電池予以精確測量，為其建模、特性分析提供數(shù)據(jù)支撐，從而為電池優(yōu)化設(shè)計、分選、一致性測試以及高效能量管理策略制定提供科學(xué)依據(jù)。
[0003]目前，國內(nèi)外動力電池測試系統(tǒng)主要有Digatron、AVL、德普電氣、新威等，現(xiàn)有的電池測試設(shè)備一般功率較大、電流/電壓工作幅值較高，難以實現(xiàn)對電池單體進(jìn)行測試，特別是電池單體的循環(huán)壽命測試試驗。例如，AVL電池測試設(shè)備輸出電壓為8?800V,輸出電流為±600A，峰值功率可到達(dá)160kW?？傮w來說，現(xiàn)有的電池測試設(shè)備存在以下問題:①能耗高、效率低輸出電壓較高，難以對電池單體進(jìn)行測試；③自動化程度不高，穩(wěn)定性、可靠性較差；④控制簡單，部分測試設(shè)備只能進(jìn)行簡單的電池充放電試驗，不具有對電池進(jìn)行復(fù)雜工況的測試功能；⑤不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行模擬軟件功能簡單，不具有數(shù)據(jù)存儲的功倉泛。
[0004]中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01220512987.1)提出了一種電池測試儀，該發(fā)明只能進(jìn)行電池內(nèi)阻和電壓的測量，且要求電池電壓的范圍在60V以上。
[0005]中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01210544381.0)提出了一種電池充放電測試儀，用于對待測電池的充放電性能進(jìn)行測定，主要包括主控單元、充電單元、放電負(fù)載單元和待測電池。但是，該發(fā)明只能進(jìn)行簡單地恒流、恒壓、恒功率充放電測試，不能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行復(fù)雜工況測試，也不具有模擬電池的功能，且不能用于單體電池測試。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型為了解決上述問題，提出了一種單體電池測試模擬裝置，包括微控制器、充電電路和放電電路，能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池的恒流、恒壓、恒功率充電和恒流、恒功率放電以及能夠?qū)误w電池進(jìn)行自定義 Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS)、DynamicStress Test(DST)循環(huán)工況測試，并且具有模擬電池的功能。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種單體電池測試模擬裝置，包括微控制器、充電電路和放電電路,所述充電電路包括濾波器、整流橋、半橋變換器、切換開關(guān)、電池模擬模塊和電池測試模塊；其中，微控制器通過多路選通開關(guān)連接電源開關(guān)，電源開關(guān)連接濾波器，濾波器連接整流橋，整流橋連接半橋變換器，半橋變換器通過測試模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)連接電池模擬模塊和電池測試模塊；微控制器通過電壓/電流/溫度采集模塊連接電池模擬模塊、電池測試模塊和電池單體；電池測試模塊連接放電電路。
[0009]所述放電電路包括Boost變換電路，所述Boost變換電路包括電容、MOSFET開關(guān)、二極管和電感，其中，電容反相串聯(lián)二極管后與MOSFET開關(guān)并聯(lián)，MOSFET開關(guān)一端串聯(lián)電感后通過一個切換開關(guān)連接電池測試模塊，MOSFET開關(guān)另一端連接電池測試模塊；B00st變換電路的電容兩端并聯(lián)有一個電阻。
[0010]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用1端；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓/電流/溫度采集模塊與電池測試模塊、電池模擬模塊和電池單體連接，用于將電壓/電流/溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，作為控制器的輸入；
[0011]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過PWM驅(qū)動電路連接半橋變換器、切換開關(guān)和放電電路，用于產(chǎn)生MOSFET開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0012]所述通用1端通過一個多路選通開關(guān)與電源開關(guān)連接用于接通和斷開電網(wǎng)與單體電池測試模擬裝置的連接；與電池測試模塊的負(fù)載開關(guān)和電池模擬模塊的負(fù)載開關(guān)連接，用于接通和斷開負(fù)載與電池測試模塊和電池模擬模塊的連接。
[0013]所述充電電路的半橋變換器采用半橋型高頻開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)。
[0014]所述切換開關(guān)采用2位按鍵式開關(guān)，當(dāng)按鍵開關(guān)處于I時，裝置工作在電池模擬模式；當(dāng)按鍵開關(guān)處于2時，裝置工作在電池測試模式。
[0015]所述快速切換開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的MOSFET開關(guān)組成，其中，兩個MOSFET開關(guān)的漏極與漏極相連，兩個MOSFET開關(guān)的源極一個為輸入端，一個為輸出端。
[0016]所述充電電路的切換開關(guān)和放電電路的切換開關(guān)由一對狀態(tài)互補(bǔ)的信號控制，當(dāng)放電電路的切換開關(guān)斷開充電電路的切換開關(guān)閉合時，電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)充電電路的切換開關(guān)斷開放電電路的切換開關(guān)閉合時，電池處于放電狀態(tài)。
[0017]所述半橋變換器的兩個MOSFET開關(guān)M1和M2采用雙極性控制方式:由兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號控制，其中M1由第一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第一個信號控制，M2由第二對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第二個信號控制。
[0018]所述兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的占空比之和為I。
[0019]所述半橋變換器的控制方式采用PI控制，根據(jù)微控制器采集的電流、電壓值與設(shè)定值比較采用PI控制器調(diào)節(jié)兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的占空比，可實現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率和變電流充電以及能夠精確模擬電池的ι-v特性。
[0020]所述放電主電路的Boost變換的控制方式采用PI控制，根據(jù)微控制器采集的電流值與設(shè)定的電流值比較采用PI控制器控制Boost變換的MOSFEtM1的占空比，可實現(xiàn)恒流、恒功率和電動汽車復(fù)雜工況放電。
[0021]本實用新型的有益效果為:
[0022]1、該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池的恒流、恒壓、恒功率充電和恒流、恒功率放電以及能夠?qū)误w電池進(jìn)行自定義m)DS、DST循環(huán)工況測試；并且具有模擬電池1-V特性的功能；
[0023]2、能夠自動完成單體電池的諸多特殊測試:①電池單體循環(huán)壽命試驗；@電池單體容量試驗；③電池單體直流內(nèi)阻試驗；④電池單體充/放電特性試驗；⑤電池單體荷電保持能力試驗；⑥電池單體充/放電效率試驗；⑦電池單體過充速率承受能力試驗電池單體過放速率承受能力試驗；⑨電池單體溫度特性試驗；⑩電池單體模擬試驗；
[0024]3、具有數(shù)據(jù)存儲和顯示的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型的應(yīng)用原理圖；
[0026]圖2為本實用新型的半橋變換器的雙極性PWM控制方式示意圖；
[0027]圖3為本實用新型的單體電池恒流、恒壓充電實驗波形圖；
[0028]圖4為本實用新型的單體電池恒流放電實驗波形圖。
[0029]圖5為本實用新型的單體電池UDDS循環(huán)工況實驗波形圖。
[0030]圖6為本實用新型的單體電池DST循環(huán)工況實驗波形圖。
[0031]圖7為本實用新型的用戶根據(jù)實際需要搭建的單體電池模型原理圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖與實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。
[0033]如圖1所示，一種單體電池測試/模擬裝置，包括微控制器、充電主電路和放電主電路。其中，充電主電路包括AC交流源、電源開關(guān)K1、濾波器、變壓器T1、整流橋、半橋變換器、電池測試/模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)Sp電池模擬輸出端、模擬器負(fù)載開關(guān)κ3、電池測試輸出端、電池測試負(fù)載開關(guān)K2和快速充放電切換開關(guān)Μ5。放電主電路包括一個Boost變換、一個大功率、低阻值電阻和快速充放電切換開關(guān)M4。微控制器通過多路選通開關(guān)連接電源開關(guān)1、電池測試負(fù)載開關(guān)K2和模擬器負(fù)載開關(guān)K3 ;微控制器通過PWM驅(qū)動電路連接MOSFET開關(guān)M1?M5 ;微控制器通過電壓、電流、溫度采集模塊連接電池測試輸出端、電池模擬輸出端和電池單體；微控制器通過CAN總線連接顯示器和存儲模塊。其中，
[0034]微控制器選用數(shù)字信號處理DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采樣和PWM輸出；多路選通開關(guān)選用⑶4051，是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C三個二進(jìn)制控制輸入端以及妨共4個輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流；電壓檢測電路采用凌特公司的LTC6802專用電池電壓測量芯片實時測量電池電壓。
[0035]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用1端；
[0036]所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓、電流、溫度采集模塊與電池測試輸出端、電池模擬輸出端和電池單體連接，用于將電壓、電流、溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，作為控制器的輸入；
[0037]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過PWM驅(qū)動電路連接半橋變換器、充放電切換開關(guān)M4、M5和Boost變換，用于產(chǎn)生MOSFET開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0038]所述通用1端通過一個多路選通開關(guān)與電源開關(guān)連接用于接通和斷開電網(wǎng)與電池測試/模擬器的連接；與電池測試負(fù)載開關(guān)和模擬器負(fù)載開關(guān)連接，用于接通和斷開負(fù)載與電池測試器和模擬器的連接。
[0039]所述充電主電路的半橋變換器采用半橋型高頻開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)。
[0040]所述電池測試/模擬切換開關(guān)采用2位按鍵式開關(guān)，當(dāng)按鍵開關(guān)處于I時，裝置工作在電池模擬模式；當(dāng)按鍵開關(guān)處于2時，裝置工作在電池測試模式。
[0041]所述電池測試/模擬器電源開關(guān)和負(fù)載開關(guān)K1?K3采用一個常開觸點和一個常閉觸點的繼電器，其型號為ZHNQIQ3F-1Z-05V，當(dāng)發(fā)生故障時，可快速斷開電源、負(fù)載與電池測試/模擬器的連接。
[0042]所述充放電快速切換開關(guān)由兩個反向串聯(lián)(漏極與漏極相連)的MOSFET組成，其中，輸出端I和2分別為兩個MOSFET的源極。
[0043]所述充放電快速切換開關(guān)M4和M5由一對狀態(tài)互補(bǔ)的信號控制，當(dāng)M4斷開M5閉合時，電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)M5斷開M4閉合時，電池處于放電狀態(tài)，由于M4和M5由MOSFET構(gòu)成，可實現(xiàn)充放電的快速切換。
[0044]所述充放電快速切換開關(guān)M4和M5能夠使得電池測試裝置模擬電動汽車的復(fù)雜工況。
[0045]如圖2所示為本實用新型的半橋式變換器的雙極性PWM控制示意圖。其中，半橋變換器的兩個MOSFEtM1和M2由兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號控制，其中M1由第一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第一個信號PWMa控制，M2由第二對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第二個信號PWMd控制。所述兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的占空比之和為I。
[0046]所述半橋變換器的控制采用PI控制器，控制雙極性PWM信號的占空比，可實現(xiàn)恒壓、恒流、恒功率和變電流充電以及精確模擬電池的1-V特性。
[0047]所述放電主電路的Boost變換的控制方式采用PI控制，根據(jù)微控制器采集的電流值與設(shè)定值比較，采用PI控制器控制Boost變換的MOSFEtM1的占空比，可實現(xiàn)恒流、恒功率和電動汽車復(fù)雜工況放電。
[0048]一種應(yīng)用上述單體電池測試/模擬裝置的實現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0049](I)選擇工作模式，將按鍵開關(guān)撥到I處時，電路工作在電池模擬工作模式；將按鍵開關(guān)撥到2處時，電路工作在電池測試工作模式；
[0050](2)對于電池測試模式,又有三種工作模式:充電模式、放電模式和混合充放電模式；
[0051](3)對于充電模式,首先獲取電池電壓、電流和溫度信號,借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并判斷是否超出限值，若超出限值則斷開K1和K2,否則閉合K1和K2,再發(fā)控制信號讓M5導(dǎo)通；
[0052](4)微控制器根據(jù)采集的電壓、電流值，并與設(shè)定值比較，采用PI控制算法和雙極性控制模式，調(diào)節(jié)半橋變換器的兩個MOSFET M1和M2的PWM信號的占空比，使得電池測試裝置的輸出隨著設(shè)定值的變化而變化，并對電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲?？蓪崿F(xiàn)恒流、恒壓、恒功率和脈沖充電模式；
[0053](5)對于放電模式,首先獲取電池電壓、電流和溫度信號,借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并判斷是否超出限值，若超出限值則斷開K2,否則閉合K2,再發(fā)控制信號讓M4導(dǎo)通；
[0054](6)微控制器根據(jù)采集的電壓、電流值，并與設(shè)定值比較，采用PI控制算法，調(diào)節(jié)Boost換器的MOSFET M3的PWM信號的占空比，使得電池放電電流隨著設(shè)定值的變化而變化，并對電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。可實現(xiàn)恒流、恒功率和脈沖等放電模式；
[0055](7)對于混合充放電模式，即UDDS或DST循環(huán)工況，首先獲取電池電壓、電流和溫度信號，借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并判斷是否超出限值，若超出限值則斷開K1和K2，否則閉合K1和K2 ；
[0056](8)微控制器根據(jù)電流設(shè)定值的正、負(fù)控制電池充電或放電；
[0057](9)當(dāng)電流設(shè)定值為正時，對電池進(jìn)行充電，控制M5導(dǎo)通M4斷開；
[0058](10)當(dāng)電流設(shè)定值為負(fù)時，對電池進(jìn)行放電，控制M4導(dǎo)通M5斷開；
[0059](11)并根據(jù)采集的電壓、電流值，并與設(shè)定值比較，采用PI控制算法，調(diào)節(jié)半橋變換器或Boost換器的PWM信號的占空比，使得電池充、放電電流跟隨設(shè)定值的變化而變化，并對電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲?？蓪崿F(xiàn)自定義UDDS、DST循環(huán)工況測試；
[0060](12)對于電池模擬模式,首先獲取電池電壓、電流和溫度信號,借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并判斷是否超出限值，若超出限值則斷開K1和K3,否則閉合K1和K3 ；
[0061](13)用戶根據(jù)實際情況建立電池模型，微控制器根據(jù)用戶建立的電池模型和負(fù)載電流，計算出電池模型輸出電壓，并采用PI控制算法和雙極性PWM模式，調(diào)節(jié)半橋變換器的兩個MOSFET M1和M2的PWM信號的占空比，使得模擬器的輸出電壓跟隨電池模型輸出電壓的變化而變化，從而實現(xiàn)精確模擬電池的1-V特性，并對電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和存儲。
[0062]如圖3?4所示為本實用新型的單體電池恒流恒壓充電和恒流放電的實驗波形圖。說明本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池的恒流充放電測試，且控制精度和穩(wěn)定性較高。
[0063]如圖5?6為本實用新型的單體電池UDDS和DST循環(huán)工況實驗波形圖。說明本實用新型能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池的復(fù)雜工況的動態(tài)測試，且跟蹤性能、控制精度和穩(wěn)定性都較高。
[0064]如圖7為本實用新型的用戶根據(jù)實際需要建立的單體電池模型原理圖。
[0065]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:包括微控制器、充電電路和放電電路，所述充電電路包括濾波器、整流橋、半橋變換器、切換開關(guān)、電池模擬模塊和電池測試模塊；其中，微控制器通過多路選通開關(guān)連接電源開關(guān)，電源開關(guān)連接濾波器，濾波器連接整流橋，整流橋連接半橋變換器，半橋變換器通過測試模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)連接電池模擬模塊和電池測試模塊；微控制器通過電壓/電流/溫度采集模塊連接電池模擬模塊、電池測試模塊和電池單體；電池測試模塊連接放電電路。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:所述放電電路包括Boost變換電路，所述Boost變換電路包括電容、MOSFET開關(guān)、二極管和電感，其中，電容反相串聯(lián)二極管后與MOSFET開關(guān)并聯(lián)，MOSFET開關(guān)一端串聯(lián)電感后通過一個切換開關(guān)連接電池測試模塊，MOSFET開關(guān)另一端連接電池測試模塊；Boost變換電路的電容兩端并聯(lián)有一個電阻。
3.如權(quán)利要求1所述的一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用1端；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓/電流/溫度采集模塊與電池測試模塊、電池模擬模塊和電池單體連接，用于將電壓/電流/溫度模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，作為控制器的輸入； 所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過PWM驅(qū)動電路連接半橋變換器、切換開關(guān)和放電電路，用于產(chǎn)生MOSFET開關(guān)的控制驅(qū)動信號； 所述通用1端通過一個多路選通開關(guān)與電源開關(guān)連接用于接通和斷開電網(wǎng)與單體電池測試模擬裝置的連接；與電池測試模塊的負(fù)載開關(guān)和電池模擬模塊的負(fù)載開關(guān)連接，用于接通和斷開負(fù)載與電池測試模塊和電池模擬模塊的連接。
4.如權(quán)利要求1所述的一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:所述充電電路的半橋變換器采用半橋型高頻開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)；所述半橋變換器的兩個MOSFETmi和M2采用雙極性控制方式:由兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號控制，其中M1由第一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第一個信號控制，M2由第二對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的第二個信號控制；所述兩對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號的占空比之和為I。
5.如權(quán)利要求1所述的一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:所述切換開關(guān)采用2位按鍵式開關(guān)，當(dāng)按鍵開關(guān)處于I時，裝置工作在電池模擬模式；當(dāng)按鍵開關(guān)處于2時，裝置工作在電池測試模式；所述切換開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的MOSFET組成，其中，兩個MOSFET的漏極與漏極相連，兩個MOSFET的源極一個為輸入端,一個為輸出端。
6.如權(quán)利要求1所述的一種單體電池測試模擬裝置，其特征是:所述充電電路的切換開關(guān)和放電電路的切換開關(guān)由一對狀態(tài)互補(bǔ)的信號控制，當(dāng)放電電路的切換開關(guān)斷開充電電路的切換開關(guān)閉合時，電池處于充電狀態(tài)；當(dāng)充電電路的切換開關(guān)斷開放電電路的切換開關(guān)閉合時，電池處于放電狀態(tài)。
【文檔編號】G01R31/36GK203930015SQ201420264365
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張承慧, 商云龍, 崔納新, 史永超 申請人:山東大學(xué)