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动力电池综合性能测试系统的开发研制 |
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作者：天津大学 李国洪 资新运 刘鲁源 |
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摘要：电动汽车动力电池综合性能测试系统以上位工控机作为系统的控制核心，系统集采集、数据处理、充放电控制、数据显示、打印于一体，可实时检测动力电池的单体（或模块）电压、充放电电流、电池壳体温度、估计电池容量及剩余电量。充放电过程可手动控制，也可自动控制。经实际使用证明，本系统性能稳定、实用性强、充放电电流可达300A，满足电动汽车用大容量动力电池和电池组的充放电性能检测、容量检测、能量测量和寿命实验，解决了电动汽车用动力电池检测的难题。
关键词：电动汽车动力电池 性能 测试
1 前言
近年来，由于环境污染和石油资源日益枯竭，电动汽车（包括纯电动汽车和混合动力电动汽车）已成为世界汽车领域研究和发展的热点，电动汽车的一些关键技术也相继取得突破，蓄电池技术、能源管理系统、电力驱动及其控制技术和车体技术等关键技术已经开始进入实际应用阶段。相对其它关键技术，蓄电池技术仍不是十分成熟且成本较高，是当前制约电动汽车应用的主要瓶颈技术。因此，选择合适的蓄电池并加以合理的使用对电动汽车来说是十分重要的。
为了正确地评价、选择和合理地使用蓄电池，在电动汽车的实际应用条件下对蓄电池进行试验和研究。由于蓄电池车载试验成本高、测试手段受限，针对电动汽车的实际使用条件，自主开发了一套适合多种蓄电池（铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池等）的全自动蓄电池测试评价系统。该系统利用模拟仿真技术，在实验室模拟蓄电池车载使用的状况，进行测试评价与试验研究，从而以较低的成本获得蓄电池性能评价。同时，该系统提供可为电池能量管理研究提供试验平台，最终实现合理地使用蓄电池，及时显示蓄电池状态并处理故障。经过实际使用，该系统精度高、性能稳定、可靠，完全满足电池性能检测要求。本文就系统的检测原理、技术路线和测量结果等方面进行介绍。
2 动力电池检测要求
动力电池的检测特性主要包括：电池端电压、充放电电流、电池表面温度、电池内阻、容量、寿命、荷电保持能力等。一般来说，一次充放电过程可测试得到上述大部分指标。
动力电池的性能检测一般可分为几个阶段：①充电阶段。有峰值电压、充电电流、充电模式、充电时间、充电安时数、记录时间间隔、电压差等设定。充电终止以先满足的条件为依据。当充电时间、充电安时数、峰值电压、电压差等其中任一条件满足时，即停止充电，避免过充电。②充放电间隔。充放电之间的自然放电状态。③放电阶段。该阶段有放电模式、放电时间、电压截止、记录时间间隔、电压差、等设定。电池的充放电容量、内阻等在充放电过程得到，剩余电量相应得到。④周期间隔。多周期工作时两周期之间的时间间隔，此阶段电池处于自放电状态。
下图是动力电池组综合测试系统框图。
3 系统测试原理
3.1 充电工作原理
充电部分对购置的充电机进行调整和改进，利用原充电机硬件，改造相关部分软件，加装放电电阻箱，以消耗动力电池放电过程中放出的能量，并对原设备的电流和电压信号进行采样，采样信号输入新设计的单片机，从而对输出的充电电压和充电电流进行控制。使上位计算机（工控机）和新设计的单片机通过串行接口进行通讯，从而能够控制充电系统，使充电机能够完成可编程充电，能够进行实现自动变电流充电，既可按标准进行充电，又可模拟电动车制动再生充电。
3.2 放电原理
3.2.1 蓄电池放电回路
整体划分为多路单独的放电回路，各回路之间及回路与电源之间可能存在干扰，为了防止MOSFET与MOSFET 之间干扰每个回路都采用隔离电源单独供电。
3.2.2 驱动信号的处理
蓄电池放电部分是通过上位工控机或面板的操作键设定放电电流的大小或放电模式，它将信号传送给单片机，单片机将输出脉宽调制信号送给驱动电路。在驱动电路中采用了高速光耦进行信号隔离，防止功率MOSFET 的干扰信号进入单片机引起单片机死机或跑飞。
购置的放电负载电阻箱可以实现多个回路手动控制放电。为了实现放电的电子控制，放电部分选用了多只大功率场效应管来控制放电的多个回路，使之与手动控制的多个回路并联，即可以实现放电的手动和自动的切换。并在放电主回路上加装了电流传感器，从而实现对放电电流的采样。采样信号送给放电部分的单片机，经过处理后，实现多个放电回路的自动控制。
这样, 可以选择蓄电池放电模型和进行放电控制，通过软件虚拟电动车蓄电池实际放电工作状态，蓄电池用电模式选择模块，提供标准模式、城市工况模式和实际运行模式。
3.2.3 放电控制硬件
放电控制模块完成放电控制。具有自动和手动控制两种方式，实现在工控机或人工指令下的放电过程控制。
(1) 控制模块采用先进的ECU+CPLD 控制技术，具有结构简单，系统可靠的特点。
(2) 传感器部分包括温度传感器、电流传感器、电压传感器的信号采集及处理电路，采取了适当的抗干扰措施，保证了信号的精度。
(3) 本系统通过RS232 接口实现了和上位机的通信，保证了放电过程指令的下达和过程参数的上传。
3.3 数据检测
为保证测试响应时间和减少系统故障率，四个充放电回路的检测在硬件上相互独立，因此测试软件可实时采集过程参数，进行处理加工，反馈上位机。每个回路设置数据检测模块，采集相应硬件线路上电池组或每一路电池单体模块的温度、电流、电压、内阻等信号。其中单个蓄电池的电压、内阻和温度都采用巡检方式。
具体如下：充电部分的电流、电压信号取自原设备的电流电压采样信号；放电部分加装电流传感器；配置了温度传感器，以采集温度信号，信号直接送与单片机进行处理；
另外，电池内阻的检测有两种方式：一是通过对电池的电压、电流信号的采样，用编制的程序和特定算法进行计算而得出；二是通过蓄电池内阻检测仪进行直接的测量得出。这两种方式得出的结果可以进行比较分析，并将数据存入系统数据库中进行保存，以便以后的调用。
每组蓄电池的各种检测信号由充电部分和放电部分的单片机进行采样，通过串口输入到上位计算机，由上位计算机进行保存和处理。
下图是数据检测硬件结构框图。
数据检测硬件结构框图
3.4 数据显示
蓄电池综合测试系统具有独立的数据显示模块，对于放电部分，在放电负载电阻箱的面板上加装数据显示模块。实时显示组电压、电流、温度（电池组平均温度）、SOC、环境温度。
单个蓄电池的数据显示在上位工控机采用图形和数据表结合的方式来显示。
电池的故障诊断与报警。
3.5 控制软件
开发的测试系统具备以下软件功能：
系统能够与蓄电池硬件控制部分通过串口方式进行通信，接收测试数据存入数据库，并且向下位机传送各种控制命令，具有良好的用户接口；可输入编辑蓄电池充放电制度；控制充放电装置按给定的制度进行充放电，能同时对4 个充放电回路进行管理；对处于测试状态的蓄电池的参数进行测试并显示；具有管理被测蓄电池和测试数据的数据库；故障测试并诊断、保护硬件；打印测试结果等。
4 系统技术指标
(1) 输入系统电压380V、50Hz 交流电，总功率120kW；
(2) 系统共四路：2 路0~18V、1 路、0~150V，1 路100~400V；
(3) 可检测充放电特性、容量、能量、电池壳体温度、剩余电量SOC；
(4) 电池充放电电流（0~300A）±0.5%FS；
(5) 电池充放电电压（0~400V）±0.5%FS；
(6) 充放电循环周期数：理论上无次数限制。
5 测试结果分析
经实际使用证明，本系统性能稳定、实用性强、充放电电流可达300A，电压测试精度为0.5%，电流精度为0.5%，总电压精度为1%，温度精度为±0.5°C，系统使用温度范围为-10°C~60°C。完全满足电动汽车用大容量动力电池和电池组的充放电性能检测、容量检测、能量测量和寿命实验，解决了电动汽车用动力电池检测的难题。
下图是一个12V、55AH 单体模块电池的充放电过程图。
参考文献
1 曾巍等. 电动车用动力电池检测系统. 电源技术，2001 NO.1
2 张培仁等. MCS-51 单片机原理与应用. 北京：清华大学出版社，2003
3 王幸之等. 单片机应用系统抗干扰技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2001(end)
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(6/21/2005) |
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