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動力電池組測試平臺設計

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2019年11月12日  

1前言


作為電動汽車的能量存儲部件,電池的功率密度、儲電能力、安全性等不僅決定著電動車的行駛里程和行駛速度,更關系到電動車的使用壽命及市場前景。目前,電池在實際使用中普遍存在的問題是電荷量不足,一次充電行駛里程難以滿足實用要求。


另外,用可測得的電池參數對電池荷電狀態(SOC,State-Of-Charge)作出準確、可靠的估計,也一直是電動汽車和電池研究人員關注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動力電池測試平臺,利用該平臺對電池相關參數進行全面、精確的測量,實現電池性能試驗,工況模擬和算法研究,確定最合理的充放電方式及更為精確的SOC估算方法,從而合理的分配和使用電池有限的能量,盡可能延長電池的使用壽命,進一步降低電動汽車的整車成本。與以往的電池測試系統相比,該測試平臺可全面監測電池相關參數,并加入充放電能量的計量,可從能量的角度對電池的性能進行描述,從能量狀態(SOE,State-Of-Energy)的角度對電池的使用效率進行分析。系統硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護及均衡功能,可對單體電池進行監視和保護,減小電池間的不一致性。在充放電設備與上位機之間建立通信,控制充電機按照編程指令改變控制策略和輸出電流,檢驗充放電電流大小、方式和環境條件對電池的電荷量及使用壽命的影響。


2測試平臺結構


測試平臺的結構如圖1所示,以單片機為核心的電池數據采集系統直接對電池組的單體電壓、總電壓、溫度、電流、充放電容量、充放電能量等信息進行精確測量,并通過RS232總線將數據發送到上位機。由微型計算機構成的上位機監控系統,實時顯示并記錄接收到的測試數據,對數據進行分析,監控測試系統工作狀態。另外可根據具體的實驗要求,控制充放電設備按照編程指令輸出電流,模擬電池在某些特定條件下的使用情況。充放電設備實現電池組的充放電,完成電池和電網之間能量的雙向流動,與監控pC機通過CAN通信,可接收監控pC機的編程控制指令。文中主要完成數據采集系統、上位機監控系統的設計并實現各部分之間的實時通訊。


圖1平臺結構圖


3系統硬件設計


數據采集系統硬件結構如圖2所示,主要包括以下幾個模塊:微控制器、電源模塊、電流及安時檢測模塊、瓦時檢測模塊、電壓檢測模塊以及通信接口電路。


圖2硬件結構圖


微控制器采用的是MC9S12DT128B芯片,該芯片具有串行接口、CAN控制器等豐富的外圍資源,只需加入電平轉換電路即可實現與上位機之間的232通信。本設計使用數字溫度傳感器DS18B20來實現溫度檢測,它支持1-wire總線協議,可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數字化溫度信息,擴展方便。


電壓檢測采用bq76pL536芯片,它同時檢測3到6節電池,測量的單只電池的電壓范圍為1~5V。


該芯片由所測電池直接供電,供電電壓范圍為5.5~30V。為了保證芯片在所測電池少于3節時仍能正常工作,電路中外接9V的直流電源。在電池總電壓小于9V時,采用外部供電。該芯片具有電池過電壓,欠電壓保護功能,電壓閾值及檢測延遲時間這些保護參數可通過程序寫入。當某節電池的實際情況超過設定的安全閾值范圍時,芯片中電池故障寄存器相應字節置位,從而通知充電機動作,防止電池過充或過放。在芯片外圍,有MOS管與電阻構成的均衡電路,芯片的CBx管腳可以控制MOS管的導通與關斷,如圖3所示。通過軟件設置,當程序判斷出某節電池需要均衡時,該電池對應的CBx管腳被置位,這時與CBx相連接的MOS管導通,均衡電路啟動。


圖3均衡電路


CS5460A芯片能夠精確檢測和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS,本系統用兩片CS5460分別檢測電流、安時和瓦時。其中一片CS5460采用分壓電阻檢測電壓,分流器檢測電流,通過軟件設置,它在每秒鐘內對電壓、電流信號采樣4000次,并計算出瞬時功率。通過4000次功率的累計,芯片可自行計算出這一秒鐘內的能量值,即??瓦時。另外一片CS5460將通過電壓測量通道測量恒壓源信號,電流測量通道測量分流器信號,這樣測得的數值為電流與時間的積分,即電池電量的計量單位??安時,可用于SOC的計算。


4系統軟件設計


數據采集系統軟件分為主程序、電流檢測及安時檢測、瓦時檢測、電壓檢測、溫度檢測以及RS232程序。系統上電后,主程序開始運行。首先進行系統初始化,之后進入主循環,然后循環調用其他子程序模塊,完成各個參數的采集、通訊等功能。


上位機監控軟件在VC++6.0編程環境下完成,整個應用程序采用模塊化和結構化模式:各個程序模塊分別設計,然后用最小的接口組合起來,控制明確地從一個程序模塊轉移到下一個模塊。該監控系統包括:


數據顯示:實時顯示電池數據采集系統所檢測到的電池總電壓、單體電壓、電流、充放電總容量、充放電總能量、溫度等信息,將接收到的數據按時間先后順序存儲到access形式的數據庫中。讀取已存儲的access庫,以列表的形式在界面上顯示數據。


參數設置及校準:在數據采集系統上電后,通過RS232接口和pC之間的通訊,根據事先設定的通信協議,對電池的信息進行修改,或對芯片進行軟件校準等。


數據處理:分析收到的電壓、溫度數據,計算出最高、最低電壓/溫度,及其位置信息,并實時顯示。


另外數據采集系統已實現電池容量變化的實時計算,但實際應用場合,通過電流積分來進行SOC估算存在累計誤差,所以需要定期修正。在上位機程序中,有預留的模塊添加用于SOC修正的代碼。在進行SOC估算的實驗時,可根據實時收到的電池相關參數,結合程序事先設置好的修正方法,實現SOC在線估算。


充放電設備控制:在上位機程序中有預留的模塊用于添加充放電設備的控制程序,使電池的電壓、溫度、充放電容量、充放電能量等相關參數都能參與電池的充放電控制和管理。在電池充放電過程中,上位機分析收到的電池狀態和信息,同時判斷電池組中所有電池是否發生過充電、過放電或過溫,由于充放電設備與上位機之間存在CAN通信,會及時按照上位機的程序指令動作。這種控制模式可以方便的用于電池組充放電策略的研究,上位機按照預先設定好的控制策略計算出充放電設備的電壓、電流控制值,并發送給充放電設備使其動作。同時這種控制模式也可以模擬電動汽車的實際運行情況,提高了充放電設備的智能化水平,簡化了充電工作人員設置充電參數等繁瑣的工作,使得充電機具有了更好的適應性,充電機只需要得到上位機提供的指令就能實現安全充電。


5系統測試


為了測試該系統,使用3.7V/80Ah的錳酸鋰電池做恒流恒壓充電試驗。在上位機程序中設置如下參數:恒流階段充電電流80A,充電截止電壓4.2V,恒壓階段截止電流0.1A,得到的充電曲線如圖4所示。


圖4恒流恒壓充電曲線


從圖中可以看到,在恒流充電時,電流值保持恒定,電壓穩步上升,達到截止電壓后,電池開始恒壓充電,電壓值基本穩定,電流值逐漸下降至截止電流,達到了控制目的。在整個測試過程中,充電機能夠及時準確的按照上位機的編程指令動作,系統工作穩定,實時性好,采樣精度高,其中電壓測量相對誤差最大值為0.5%,電流測量平均誤差為0.41%,溫度測量誤差為0.5%,安時、瓦時計量誤差均在0.5%以內,符合設計要求。


6結論


該測試平臺能夠準確反應電池狀態的變化,為最大限度的發揮電池性能,提高電池使用效率,實現電池容量和能量的高效利用提供數據支持,達到了設計要求。上位機監控程序模塊化,結構化的優點,保證了系統良好的功能擴展性,為動力電池的性能測試、算法驗證、充電方法研究提供了可靠的平臺,為電動汽車的推廣使用奠定了基礎。


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