黃賽杰，徐 敏，鄭小鹿，嚴 曉，黃碧雄

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動力電池充放電檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃賽杰1，徐 敏1，鄭小鹿2，嚴 曉1，黃碧雄1

（1上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620；2營口天維半導(dǎo)體制造有限公司，遼寧 營口 115000）

電動汽車的快速增長帶來的動力電池安全問題日趨成為行業(yè)關(guān)注的焦點，對動力電池快速安全檢測成為目前市場的需求。本工作設(shè)計了一套基于以雙向逆變器為主的硬件模塊和C#.NET上位機軟件模塊的動力電池充放電檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)檢測對象為電動汽車動力電池和梯次動力電池，其特點為快速檢測和深入檢測?？焖傩员憩F(xiàn)在兩分鐘內(nèi)檢測出電池包絕緣安全、單體一致性等問題。深入性是對單體層面的診斷，根據(jù)直流內(nèi)阻檢測模塊得到單體OCV和直流內(nèi)阻分布圖從而快速對電池一致性問題做診斷。每個檢測模塊的數(shù)據(jù)最終生成電子檢測報告，同時也保存至Excel中，用于后期進一步分析。系統(tǒng)運行可靠，可為在儲能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供一定的參考。

電動汽車動力電池；動力電池充放電檢測系統(tǒng)；C#.NET；快速檢測

隨著全球環(huán)境和發(fā)展間矛盾的日益尖銳，很多國家發(fā)布了禁售傳統(tǒng)燃油車的時間表，國際汽車巨頭及零部件公司將目標快速轉(zhuǎn)向新能源汽車，電動汽車的發(fā)展態(tài)勢不可阻擋，這意味著市場將迎來汽車的一個重大消費轉(zhuǎn)型[1]。受限于動力電池的使用壽命，未來報廢的動力電池數(shù)量也極為龐大。研究機構(gòu)預(yù)計，到2020年我國動力電池市場需求將達125 GW·h，報廢量將達32.2 GW·h，約50萬噸；到2030年，動力電池報廢量將達101 GW·h，約116萬噸[2]。從全產(chǎn)業(yè)鏈思維角度來看，電動汽車動力電池后市場的服務(wù)保障體系，例行檢測以及梯次利用也成為一個熱點。例行檢測中需要對動力電池進行快速體檢，包括絕緣安全測試、容量矯正測試、充放電能力測試及健康狀況一致性測試等，大約30 min全部檢測完畢并生成一份檢測報告給出檢測結(jié)果和維護建議。而梯次動力電池對接儲能領(lǐng)域，很好地解決了電池剩余價值使用和降低成本問題[3]。目前國內(nèi)外對汽車動力電池的檢測及診斷還處于較新的階段，國內(nèi)甚至世界上電動汽車數(shù)量遠沒達到飽和，因此對于電動汽車后市場服務(wù)，包括電動汽車在役電池的快速檢測和退役電池的梯次利用等還處于起步階段，針對后市場服務(wù)的檢測設(shè)備也都仍處于研發(fā)階段。目前占據(jù)市場的基本是動力電池測試設(shè)備，比如美國的Arbin測試設(shè)備及國內(nèi)的瑞能、長城等，主要功能是對電池包進行充放電、采集電池包單體信息并實時繪制--曲線等，缺少對電池的健康狀態(tài)、單體一致性等做快速診斷，且測試時間較長，適用于實驗室的研究環(huán)境。

針對以上對動力電池的檢測篩選問題，本文設(shè)計了一種基于C#.NET的動力電池充放電檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時讀取動力電池BMS發(fā)送的CAN報文信息，并根據(jù)協(xié)議通過編程算法將所有CAN報文解析后顯示于上位機軟件上，其中每個電池單體信息，如電壓、溫度等可通過偽色圖的方式實時顯示，通過顏色立即能分辨問題單體電池，界面直觀便捷。在讀取BMS數(shù)據(jù)的同時，上位機可通過Modbus-TCP協(xié)議控制雙向逆變器對電池包進行充放電，不同的充放電控制策略結(jié)合電池診斷算法和實時采集的電池數(shù)據(jù)，形成不同的檢測模塊，本系統(tǒng)軟件主要開發(fā)了容量矯正檢測模塊和直流內(nèi)阻檢測模塊，前者是對電池包容量的重新標定，后者是對單體電池直流內(nèi)阻一致性分布的檢測。最后，以舊的大學(xué)生電動方程式賽車電池為研究檢測對象，來驗證本系統(tǒng)的實用性和可靠性。

1 系統(tǒng)方案

梯次動力電池充放電檢測系統(tǒng)包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺兩部分，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。本系統(tǒng)通信主體架構(gòu)是基于TCP/IP的局域網(wǎng)通信，連接了PC端和各終端設(shè)備。系統(tǒng)工作時，PC上位機檢測模塊通過局域網(wǎng)向雙向逆變器發(fā)出基于Modbus-TCP協(xié)議的充放電控制指令，當(dāng)充電時，逆變器向電網(wǎng)獲取電流給電池組充電；當(dāng)放電時，電池組通過逆變器放電并反饋給電網(wǎng)。同時，在電池組的總正負極側(cè)實時檢測總電流和總電壓，通過A/D to LAN模塊由Modbus-TCP通信將數(shù)據(jù)傳給上位機顯示。另一側(cè)電池組的BMS上電后不斷向外發(fā)送單體電池的電壓、是否報警等CAN報文，通過CAN to LAN模塊將CAN通信轉(zhuǎn)換成TCP/IP通信，然后在PC端接收、解析及顯示，最終檢測完畢后生成一份檢測報告，并在本地存儲。至此，實現(xiàn)了對動力電池的充放電檢測。

圖1 電池充放電檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)

2.1 雙向逆變器模塊

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由雙向逆變器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和信號轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)雙向逆變器模塊為科陸新能電氣的NEPCS-30(H)。其電池側(cè)最大輸入功率為33 kW，直流電壓范圍為220～600 V，最大輸入電流150 A，完全符合了對一般汽車動力電池包的充放電檢測條件。且穩(wěn)壓精度和穩(wěn)流精度分別在1%和2%以內(nèi)，保障了對電池充放電檢測的質(zhì)量。在安全方面，此逆變器模塊做了很多保護措施，如過流過壓保護、IGBT過溫和故障保護和正負極性反接保護等，最大程度的保障了操作人員和自身設(shè)備的安全[4]。

此模塊的交流側(cè)與電網(wǎng)相連，直流側(cè)接上被測電池，當(dāng)雙向逆變器檢測到大于220 V的直流電壓后，將自動開啟通訊系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的Modbus- TCP通訊，在設(shè)定充放電模式的前提下，當(dāng)雙向逆變器接收到來自PC上位機對電池包充電請求報文時，電網(wǎng)通過雙向逆變器整流成直流電供電池充電。反之，當(dāng)接收到對電池包的放電請求報文后，逆變器將從電池包取電并逆變后反饋回電網(wǎng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊包含電壓分壓器單元、電流傳感器單元和信號采集傳輸單元。電壓采集單元選用的是ANALOG DEVICES公司的AD210分壓器，它具有精度高、功耗小等特點，最大可采集電壓為正負3500 V。本系統(tǒng)中設(shè)置的分壓比為 1∶66.8，這是根據(jù)信號傳輸單元的輸入量程而設(shè)定。電流傳感器單元為LF公司的205-S/SP3，它的原始標稱有效值電流為100 A，達到了本系統(tǒng)充放電電流要求。電流轉(zhuǎn)換率為1∶1000，因此次級有效值電流為100 mA?？偩仍?5 ℃下達到正負0.5%，檢測精度高。信號采集傳輸單元為研華公司的ADAM-6217智能I/O模塊，它是16位A/D模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號，且采用8路的差分通道，具有良好的電壓隔離和共模抑制 能力。

系統(tǒng)工作時，電池正負極電壓由分壓器單元分壓后，將電壓模擬量傳入信號采集傳輸單元，電池充放電電流由電流傳感器采集轉(zhuǎn)換后傳入信號采集傳輸單元，最終信號采集傳輸單元將信號模數(shù)轉(zhuǎn)換后通過基于Modbus-TCP的以太網(wǎng)通信上傳到上位機顯示，實現(xiàn)了系統(tǒng)總電壓、總電流的實時監(jiān)控。

2.3 信號轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)的信號轉(zhuǎn)換模塊為廣州致遠電子公司的CANET-2E-U，它是一款高性能工業(yè)級以太網(wǎng)與CAN-bus的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，配有800 MHz主頻32位處理器，CAN口波特率5 k～1000 kbps可任意設(shè)置，且支持基于以太網(wǎng)的多種通信協(xié)議，包括了Modbus-TCP[5]。

電池包BMS工作時，以設(shè)置的波特率不斷發(fā)送CAN信號，此時信號轉(zhuǎn)換模塊在輸入端接收CAN信號并轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)通信發(fā)送給上位機端，上位機接收到報文后再根據(jù)BMS協(xié)議進行解析CAN，并在上位機上實時顯示解析信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件三層架構(gòu)

本系統(tǒng)上位機開發(fā)選用的是C#編程語言，C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運行于.NET Framework之上的高級程序設(shè)計語言，具有安全、穩(wěn)定、簡單、優(yōu)雅等特征，是由C和C++衍生出來的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言[6]。

上位機架構(gòu)采用三層架構(gòu)模式，即用戶界面層（UI）、業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）和數(shù)據(jù)訪問層（DAL）[7]。用戶界面層是人機交互的窗口，主要用于用戶命令的輸入和數(shù)據(jù)、圖表的顯示，根據(jù)不同功能的需要，可在界面層添加相應(yīng)的控件容器并進行編程。業(yè)務(wù)邏輯層主要是處理一些邏輯業(yè)務(wù)，是功能的具體實現(xiàn)層，該層被UI層引用。數(shù)據(jù)訪問層是將BLL層處理好的結(jié)果或者報文等信息通過以太網(wǎng)發(fā)送給終端，同時可以獲取終端的返回信息，該層被BLL層引用。除此以外，還有公共參數(shù)類（PP），其 定義了整個系統(tǒng)所需要的參數(shù)，該類被其它三層 調(diào)用。

對于雙向逆變器和采集模塊，用戶從UI層觸發(fā)按鈕控件，控件中的代碼將Modbus-TCP報文片段，如充放電電流大小、充放電模式等傳給BLL層，后者接到報文片段后進行邏輯拼接形成一條完整的Modbus-TCP報文，然后BLL層傳給DAL層，后者接收完整報文后通過Socket網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)給逆變器或采集模塊，終端設(shè)備接收報文后返回相應(yīng)報文作為響應(yīng)。DAL層接收響應(yīng)報文并傳給PP類，BLL層從PP類調(diào)用響應(yīng)報文后進行解析并傳給UI層顯示。對于BMS，控制側(cè)與逆變器和采集模塊一致，將CAN報文從UI傳遞到終端BMS，采集側(cè)不同于Modbus-TCP的請求響應(yīng)式，BMS上電后會一直發(fā)送CAN報文，最終在BLL層解析后在UI層 顯示。

圖2 三層架構(gòu)控制邏輯結(jié)構(gòu)框圖

3.2 通信協(xié)議及報文解析

3.2.1 Modbus-TCP消息幀格式及報文解析

本系統(tǒng)中主通信方式為基于以太網(wǎng)的局域網(wǎng)通信。兩種通信協(xié)議，即Modbus-TCP協(xié)議和CAN協(xié)議。Modbus是與物理層無關(guān)的多用于工業(yè)控制的通信協(xié)議，而Modbus-TCP是在TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的Modbus報文傳輸協(xié)議。協(xié)議最大幀數(shù)據(jù)長度為260字節(jié)，表1為協(xié)議消息幀格式，其中字節(jié)0～6構(gòu)成MBAP報頭，字節(jié)7為功能碼，字節(jié)8之后為數(shù)據(jù)[8]。對于Modbus-TCP消息幀格式，下文列舉雙向逆變器的報文實例說明各部分的含義。

表1 Modbus TCP/IP消息幀格式

查詢報文：；

0x06：后續(xù)還有6個字節(jié)；0x01：單元標示符為1；0x03：功能碼3，即讀保持寄存器的值；0x07 0xD0：Modbus起始地址2000；0x00 0x03：讀取寄存器個數(shù)為3。

響應(yīng)報文：；

0x05：表示后續(xù)還有5個字節(jié)；0x01：同查詢報文，單元標示符；0x03：功能碼，同查詢報文；0x02：返回數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；0x0F 0x69：寄存器的值；

圖3為逆變器部分讀協(xié)議，可以看到讀地址從2000開始，代表交流電壓相有效值，比例系數(shù)為0.1。因為只讀了地址2000這一個16位寄存器，因此返回了2個字節(jié)值0x0F 0x69，根據(jù)大端模式低地址字節(jié)為高位字節(jié)，高地址字節(jié)為低位字節(jié)原則，把返回值整合為0x0F69。最后將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)后乘以對應(yīng)比例系數(shù)0.1得到最終交流電壓A相有效值為394.5 V。其余參數(shù)值的解析過程類似。部分解析程序如下：

fromInvt.acVoltA = (float)Convert.ToInt16("0x" + (toInvt.buf[9].ToString("x2") + toInvt.buf[10].ToString ("x2")), 16) / 10;//截取A相電壓字節(jié)轉(zhuǎn)換成浮點數(shù)

textBox37.Text = fromInvt.acVoltA.ToString();//將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成字符串在UI顯示控制逆變器充放電的Modbus-TCP寫幀格式與以上讀幀格式類似，寫單個寄存器的功能碼為06，寫多個寄存器的功能碼為16，并在數(shù)據(jù)段中。

圖3 逆變器部分讀協(xié)議圖

3.2.2 CAN消息幀格式及報文解析

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準（ISO 11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。CAN協(xié)議的幀數(shù)據(jù)長度為13字節(jié)，其中字節(jié)0為幀信息，用于標識該CAN幀的一些信息，如類型、長度等；字節(jié)1～4為幀ID，標準幀有效位是11位，擴展幀有效位是29位，用于解析時幀匹配。字節(jié)5～12為幀數(shù)據(jù)，這是需要解析的數(shù)據(jù)[9]。

根據(jù)CAN消息幀格式，以下列舉科列BMS的某幀CAN報文實例進行解析。

接收報文：；

0x88：表示幀信息；0x18 01 50 F3：表示幀ID；0x0E FE 0E D3 0F 22 0F 27：表示幀數(shù)據(jù)。

根據(jù)科列協(xié)議，找到幀ID為0x180150F3屬于電池單體電壓幀ID群范圍內(nèi)，該ID范圍從0x180050F3到0x184F50F3，且每個單體電壓值占據(jù)2個字節(jié)，因此該ID報文能放4個單體的電壓數(shù)據(jù)，且根據(jù)ID能判斷該4個單體電池為5～8號。根據(jù)大端模式低地址字節(jié)為高位字節(jié)，高地址字節(jié)為低位字節(jié)原則，把接收報文值整合為0x0EFE、0x0ED3、0x0F22和0x0F27四組，分別對應(yīng)5～8號單體電壓。最后將十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)后乘以對應(yīng)比例系數(shù)1分別得到單體電壓為3838 mV、3795 mV、3874 mV和3879 mV。其余參量的解析思路也是如此。

但由于不同動力電池包所配的BMS廠商不盡相同，因此會有各自的BMS協(xié)議。此外電池包中需監(jiān)控的參數(shù)量遠大于逆變器，因為就一個電池包的電池單體而言就有上百甚至上千個?；谝陨蟽煞矫妫舾鶕?jù)每個參量的ID匹配將CAN解析代碼固化到程序中顯然不合適，工作量巨大且不適用于其他協(xié)議。因此本軟件設(shè)計了一個自定義的協(xié)議編輯窗口，如圖4所示。該窗口可適用于不同BMS廠商的協(xié)議對每個參量編輯，如總電壓參量的ID、字節(jié)的位置、比例系數(shù)和單位等，編輯完并最終生成XML文件。當(dāng)需要解析CAN報文時，導(dǎo)入事前配置好的XML協(xié)議文件即可[10]。而在程序中，是將CAN報文中每個參數(shù)的解析根據(jù)XML中信息提煉成一個統(tǒng)一的方法，大大簡化了代碼的同時提高了協(xié)議更換的靈活性。CAN解析部分程序如下：

//導(dǎo)入科列協(xié)議分解成科目.xml

FileInfo fi = new FileInfo(strPath1);

if (fi.Exists){myds.ReadXml(strPath1);

dataGridView1.DataSource = myds.Tables[0];

MessageBox.Show("科列協(xié)議分解成科目.xml啟動成功");}

//根據(jù)XML信息截取參數(shù)字節(jié)

for (j = int起始字節(jié); j <= int結(jié)束字節(jié); j++)

{if (int起始字節(jié) == int結(jié)束字節(jié)) //若截取字位只發(fā)生于同一個字節(jié)

{byteA = Convert.ToByte("0x" + strData.Substring(j * 2, 2), 16); //16進制顯示

byteA <<= int起始位;

byteA >>= int起始位;

byteA >>= 7 - int結(jié)束位;

strDataGrp = byteA.ToString("x2").ToUpper().Trim();}// 16進制，占兩位

圖4 BMS協(xié)議編輯窗口界面圖

3.3 軟件模塊開發(fā)

3.3.1 絕緣檢測模塊

軟件主界面如圖5所示，目前開發(fā)了三個檢測模塊和一個報告模塊，三個檢測模塊分別為絕緣安全檢測模塊、容量校正模塊和直流內(nèi)阻檢測模塊。絕緣安全檢測模塊是在其它模塊檢測前對動力電池做的絕緣性測試，是通過硬件絕緣檢測模塊檢測動力電池包的總電壓、正極對地電阻和負極對地電阻。然后分別用正負極對地電阻除以總電壓得到的值與國標絕緣安全合格值500 Ω/V對比，若大于則絕緣安全檢測合格，否則不合格[11]。

點擊主界面的絕緣安全檢測模塊，進入其子界面，用戶首先點擊左側(cè)開啟按鈕啟動絕緣檢測硬件模塊，然后點擊開始檢測按鈕，在讀數(shù)顯示欄顯示當(dāng)前直流電壓和正負極對地電阻。絕緣安全檢測子界面如圖6所示。

圖5 軟件主界面圖

圖6 絕緣安全檢測模塊界面圖

3.3.2 容量校正模塊

容量校正模塊是為了對動力電池的容量做二次標定，其過程為先按某倍率對電池包進行放電，在這過程中實時監(jiān)控最低單體電壓信息，并與預(yù)設(shè)的單體電壓下限值做對比，若達到了下限值，則放電終止，然后以相同倍率進行充電，當(dāng)最高單體電壓達到預(yù)設(shè)上限值后停止充電。最后利用安時積分法根據(jù)充電電流和充電時間計算出所充電的容量，即為電池校正后的容量[12-13]。容量校正檢測流程圖如圖7所示。

點擊主界面的容量校正模塊，進入其子界面，用戶在參數(shù)設(shè)置欄進行參數(shù)設(shè)置后點擊開始檢測按鈕，系統(tǒng)自動按容量校正流程進行運作直到結(jié)束，這樣的一鍵式操作不僅降低了對操作工人的專業(yè)知識要求，也把人為操作的出錯率降到了最低。容量校正子界面如圖8所示，圖中①部分為電池單體偽色圖和溫度偽色圖顯示；②部分為充放電進程提示及預(yù)先達到電壓限值單體顯示；③部分藍色標簽為實時顯示的參數(shù)信息，紅色標簽為參數(shù)設(shè)定值，如單體電壓上下限值、充放電電流值等；④部分為實時總電壓和充放電容量曲線圖；⑤部分為一鍵式開始檢測按鈕和停機按鈕。

圖7 容量校正模塊檢測流程圖

圖8 容量校正模塊界面圖

3.3.3 直流內(nèi)阻檢測模塊

直流內(nèi)阻檢測模塊是快速判斷電池包單體健康狀況一致性的測試，其過程為設(shè)備開機后靜置5 s并同時對電池包進行數(shù)據(jù)采集，獲得單體開路電壓，對5 s數(shù)據(jù)平均后得到0。隨后按一定倍率電流對電池包進行放電秒并關(guān)機，橫向?qū)嶒炓怨潭〞r間和改變電流進行對比，一般取10 s，然后設(shè)備靜置5 s并對這5 s內(nèi)單體電壓數(shù)據(jù)平均后得到1。最終根據(jù)式(1)算出電池單體的直流內(nèi)阻直，并以分布直方圖顯示于界面上[14-15]。電流和電壓模擬圖如圖9所示。

點擊主界面直流內(nèi)阻檢測模塊，進入其子界面，用戶在參數(shù)設(shè)置欄設(shè)置參數(shù)并點擊開始檢測按鈕，系統(tǒng)會自動按檢測流程進行運作直到結(jié)束。直流內(nèi)阻檢測子界面如圖9所示，圖中①部分為電池單體偽色圖和溫度偽色圖顯示；②部分為實時總電流和總電壓顯示，參數(shù)設(shè)置及一鍵式啟停按鈕。

圖9 電流和電壓模擬圖

Fig.9 Current and voltage analogue diagram

根據(jù)檢測后的直流內(nèi)阻直方圖和開路電壓直方圖，可直觀的看到電池單體的一致性差異，為梯次電池的快速篩選及修復(fù)提供有效的方法。

4 實驗驗證

4.1 容量校正模塊驗證

以配有科列BMS的大學(xué)生方程式賽車動力電池包為實驗對象，該電池包有84片鈷酸鋰電池，單片出廠容量約為28 A·h，電壓范圍為3.7～4.2 V。應(yīng)用本系統(tǒng)對電池包容量的二次校正和單體直流內(nèi)阻的一致性進行了檢測。首先進行硬件的正確連接，將逆變器的正負極分別連接至電池包的正負極，將BMS的外部CAN_H和CAN_L線與系統(tǒng)的CAN信號轉(zhuǎn)換模塊CAN_H和CAN_L對應(yīng)相連，CAN通信速率設(shè)為250kbps，硬件部分連接完畢，給系統(tǒng)供電后等待檢測。

打開系統(tǒng)軟件，進入容量校正模塊，首先看到界面左邊部分出現(xiàn)了84個單體電壓和24個溫度的偽色圖，顏色是由程序根據(jù)采集的電壓值和溫度值來自動匹配。出于安全因素和廠家建議，本次實驗在模型參數(shù)設(shè)置框中設(shè)置單體電壓上限值、下限值和充放電電流值分別為3.75 V、4.10 V和正負 8 A。點擊開始檢測按鈕，進程提示框顯示電池放電中，測試的不同階段顯示相應(yīng)不同內(nèi)容。最終第二十組一號電池達到設(shè)定上限值4.10 V，充電停止，從左邊的電壓偽色圖看到第二十組一號顏色為黃色，代表電壓值最高，與進程提示相對應(yīng)。此時實時最高單體電壓為4.10 V，與預(yù)設(shè)值一致，最低單體電壓為3.974 V，控制精準。下方的容量-電壓曲線圖顯示本次實驗放電容量為1.96 A·h，充電容量為2.36 A·h。容量校正模塊測試圖如圖10所示。

圖10 直流內(nèi)阻檢測界面圖

4.2 直流內(nèi)阻檢測模塊驗證

硬件連接與容量校正模塊一致，打開系統(tǒng)軟件并進入直流內(nèi)阻檢測模塊，界面的左邊同樣是實時單體電壓和溫度的偽色圖顯示，此時電壓顏色條范圍設(shè)置為3.7～4.2 V，溫度顏色條范圍設(shè)置為25～40 ℃，中上部分為總電流和總電壓的實時值，當(dāng)前為0.03 A和330.48 V。本實驗采用1C放電，在參數(shù)設(shè)置框中設(shè)置放電電流為-28 A，放電時間為10 s，并點擊開始檢測按鈕，10 s后停機并在下方直接生成直流內(nèi)阻直方圖和開路電壓直方圖，由圖可知該電池包單體電池差異性明顯，個別單體直流內(nèi)阻接近最低的兩倍。直流內(nèi)阻檢測模塊測試圖如圖11所示。

圖11 容量校正模塊測試圖

圖12 直流內(nèi)阻檢測模塊測試圖

圖13 檢測報告預(yù)覽界面圖

所有檢測模塊檢測完后會將結(jié)果以文字、數(shù)據(jù)、圖片和表格的形式傳給檢測報告模塊生成一份檢測報告，并保存于本地。檢測報告預(yù)覽界面如圖13所示。

5 總結(jié)與展望

本文設(shè)計了一套動力電池充放電檢測系統(tǒng)，通過上位機軟件的一鍵式診斷開發(fā)模式實現(xiàn)了對動力電池容量的二次標定以及根據(jù)單體電池開路電壓分布和直流內(nèi)阻分布能快速診斷電池的健康一致性狀態(tài)，并在這過程中完成了對實時數(shù)據(jù)檢測、顯示及存儲，最終通過生成檢測報告的形式來展現(xiàn)和存儲。系統(tǒng)實時性強，準確度高，對保障電池健康狀態(tài)的檢測具有重要意義，這是目前市場上電池測試設(shè)備所缺少的特點。未來可以將本系統(tǒng)進一步優(yōu)化，在硬件方面可以將逆變器以外的各種模塊集成到雙向逆變器中，并將笨重的PC臺式機可換成輕便的平板電腦，通過無線的方式來控制和采集數(shù)據(jù)。在軟件方面進一步完善已有模塊的功能，如在容量校正時采用凹點法作為充放電截止條件，避免了對電池包進行過充和過放，有利于對電池的健康狀態(tài)做判斷。并進一步開發(fā)更多功能檢測模塊，如微循環(huán)標定SOH模塊、電池SOC估算模塊等，為動力電池剩余SOC、電池單體健康一致性等問題做更深入的診斷。由目前的動力電池檢測設(shè)備拓展到儲能領(lǐng)域，可采用儲能云平臺配合本地檢測設(shè)備的方案，實現(xiàn)對動力電池的遠程監(jiān)控和診斷。

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Design and implementation of power battery charging and discharging detection system

1,1,2,1,1

(1College of Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China;2Yingkou Tianwei Semiconductor Manufacturing Limited Company, Yingkou 115000, Liaoning, China)

The power battery safety problem brought about by the rapid growth of electric vehicles has become the focus of the industry. The rapid safety inspection of power batteries has become the demand of the current market. This paper designs a power battery charge and discharge detection system based on bidirectional inverter hardware module and C#.NET host computer software module. The system is tested for electric vehicle power batteries and second use batteries, which are characterized by rapid detection and in-depth inspection. The rapid performance shows that the battery pack insulation safety and monomer consistency are detected within two minutes, and it obtains the distribution map of opening circuit voltage (OCV) of battery cells and direct current (DC) internal resistance to quickly diagnose the battery consistency problem according to the DC internal resistance detection module. The data of each detection module finally generates an electronic test report and is saved in Excel format for further analysis as well. The system is reliable and can provide a reference for the promotion and application in the field of energy storage.

electric vehicle power battery; power battery charge and discharge detection system; C#.NET; rapid detection

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0119

TM 911

A

2095-4239（2019）01-146-09

2018-07-10；

2018-09-06。

上海市科委項目（15110501100），上海工程技術(shù)大學(xué)新能源汽車協(xié)同創(chuàng)新建設(shè)試點項目（2016xt02）。

黃賽杰（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為動力電池控制和檢測系統(tǒng)，E-mail：15000578554@163.com；

嚴曉，上海市千人計劃特聘教授，研究方向為基于iBattery的電池儲能系統(tǒng)和電機的測試和控制等，E-mail：xiao.yan@sues.edu.cn。