一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统及方法。一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，包括控制计算机、至少一个温度模拟器和至少一个单体电池输出电压模拟器。一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟方法包括1功能选择；2初始化功能选择；3输入输出模拟数据；4保存数据；5向模拟器发送模拟数据；6接收和存储模拟数据；7重复步骤5～6直至所有模拟器的数据均被正确设置；8配置模拟器；9发出将要进行的模拟过程；10接收模拟命令后将模拟器设置为对应状态；11模拟使能；12监测电池当前状态；13模拟器定时更新模拟器输出；14模拟器定时更新模拟器输出；15模拟器定时更新模拟器输出；16模拟器停止更新输出值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于车载电池外特性模拟
，具体涉及一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统及方法。
技术介绍
纯电动汽车是完全由可充电电池(例如，锂离子电池)提供动力源的汽车。由于单个电池的能量和端电压限制，为了能给纯电动汽车提供足够的动力，首先并联多个电池满足电流需求而构成一节单体电池，然后串联多节单体电池构成电池组，最后串联若干电池组构成了满足电压需求的车载电池。但是这种电池及其组合使用方式存在以下缺陷：(1)受制造过程中各种复杂因素影响，各个电池性能不可能完全一致，导致电池组的充放电过程容易造成单体电池之间电压与剩余容量的差异；(2)所有电池都有正常工作电压窗口，过度充放电将超出电池正常工作窗口将极大地缩短电池寿命，严重时甚至造成电池损坏；(3)所有电池都有正常工作温度范围要求，电池长期处于高温环境中会产生爆炸隐患，而低温环境中电池容量将明显下降。为了弥补上述缺陷可能引发的纯电动汽车安全问题和使用成本问题，需要对纯电动汽车车载电池进行有效控制和管理，担负这一任务的系统称为电池管理系统。电池管理系统具有实时监控车载电池状态、优化使用车载电池能量、延长车载电池寿命和保证车载电池安全使用等重要作用；对整车的安全运行、整车控制策略的选择、充电模式的选择以及运营成本都要很大影响；无论在车辆行驶(放电)过程中还是在充电过程中都要可靠地完成车载电池状态的实时监控和故障诊断；并通过CAN总线与整车控制器和充电机交互，以便采用更加合理的控制策略，达到有效且高效使用车载电池的目的。纯电动汽车的车载电池通常包括成百上千单个电池，为了有效实施对数量众多的电池进行有效控制与管理，电池管理系统采用集散式系统结构，具体结构如图1所示。每套电池管理系统有一个控制单元和多个测量单元组成；每个测量单元可连接一个由多节单体电池串联组成电池组并对这个电池组实施监控和电池组各个单体电池间的电量均衡；每个测量单元包括多个模拟量输入、数字量输入和数字量输出引脚，可连接多个温度传感器和温度控制部件有效实现对电池管理系统的热管理；各个测量单元多采用菊链式连接，各个测量单元连接的电池组串联组成车载电池；测量单元1还连接分流器和电流检测单元，测量电池组的充放电电流。对故障电池管理系统的测试中需要用到电池，但是不易采用真实电池。原因如下：(1)在测试过程中采用真实电池易引发安全性问题。例如，电池管理系统由于存在故障可能无法正常工作而造成电池过度放电或过度充电；又例如，电池管理系统由于存在故障而失效或进入到一个意想不到的状态，这可能会从电池吸收过多的电流而导致引发火灾、爆炸和化学品泄漏等事故。(2)在测试过程中采用真实电池易引起测试结果不一致、测试时间长和测试费用高。故障检测过程可能需要电池处于不同的荷电状态，真实电池需要进行重复的充放电过程才能达到，又由于电池存在自放电，荷电状态很难较长时间保持一致，测试时间长且测试结果重复性差；真实电池存在老化问题，需要经常更换，测试费用高。为了避免上述问题发生，应使用电池组模拟器暨车载电池外特性的模拟系统。模拟系统模拟了车载电池电压、电流和表面温度的外特性。模拟系统不存在过压和过流问题，可在测试出现问题时中断测试；模拟系统不存在电池的老化问题，也不存在电池的自放电现象，容易确定荷电状态并得到一致和重复的测试结果；同时，还可以缩短测试时间，降低测试费用。模拟系统的作用是在电池管理系统测试过程中充当测试电池组，专为电池管理系统测试而设计的模拟系统，应具备以下主要功能：(1)能够模拟车载电池的充电、均衡和放电特性；(2)能够模拟车载单体电池的电压输出变化特性；(3)能够模拟车载电池的充电电流和放电电流变化特性；(4)能够模拟车载电池在不同工况下的温度变化特性；(5)能够模拟车载电池过欠压、过流和温度异常等故障；(6)能够模拟车载电池与电池管理系统中测量单元的连接。电动汽车电池模拟器目前大约分为两类。一类是为电动汽车整车和部件(例如，整车控制器、电机控制器、充电机、显示仪表等)的研发、生产、测试等环节提供类似于车载电池供给的电能。其中代表性的产品包括：(1)合肥科威尔电源系统公司的EVS系列电池模拟器，它是一个具有高精度、高动态特性且可双向运行的直流电源，同时电源可以模拟电池充放电特性，可应用于电动汽车电机、控制器、充电机等的测试。(2)深圳市伊力科电源有限公司的Econic电池模拟电源(电池模拟器)是一款大功率电力电子装置，它可以精确、高效实施各种电池类型、电压等级以及功率等级的电池特性双向模拟任务。可应用于电动汽车研发、生产和测试。(3)山东沃森电源设备有限公司的EVWS系列模拟器采用四象限PWM整流技术、双向DC/DC技术和纯数字控制技术，具备输出稳定精度高、瞬态响应迅速、能量双向流动等特点，可模拟动力电池充放电等动态特性。是转为新能源汽车电机控制器、驱动电机、整车测试、试验而开发的。另一类则专用于电动汽车电池管理系统测试环节提供类似于车载电池外特性的装置，其中代表性的方法和装置包括：(1)ETAS公式与其合作伙伴ComemsoGmbh共同开发了一种高精度电池单体模拟器(BCS，BatteryCellSimulator)可以对电池管理系统进行全面功能测试。利用该模拟器可以在不到1ms的时间内实现在0V和0.85V～8V的范围内调整电池电压，精度达到每个电池单体±500uV；该模拟器的额定电流为3A，每个电池都有电子负载，可用于主动和被动平衡；负载可吸收0A～2A电流，精度为250uA；每个电池都有模拟短路、电缆短路和反极性的故障模拟；该模拟器的输出包括一个高精度电流测量系统，可实现±2uA的精度，分辨率为180nA；该模拟器还包括一个温度传感器模拟器，可以模拟电池区域的温度；可应用于多达200节单体电池的模拟。(2)奇瑞汽车股份有限公司申请的专利技术专利“一种汽车动力电池的模拟方法和装置”(申请号：201110214894.0)可用于整车控制器、电池管理系统、以及电机控制器的试验验证以及设计改进。一种汽车动力电池的模拟方法包括：由计算机发出电压、电流、电池温度等模拟指令，由动力电池模拟器输出相应的单体电压、总电压、电流、电池温度。一种汽车动力电池的模拟装置包括：动力电池模拟器、计算机以及运行于计算机之上的软件、CAN通信接口。动力电池模拟器包括温度子板、电压子板、电流子板、微控制器(MCU)，MCU用于控制温度子板的温度输出，电压子板的电压输出以及电流子板的电流输出，同时协调各子板之间的工作以及接收由CAN通信接口来的命令消息并做出相应的动作；计算机软件包括读取固定格式的整车工况数据以及手工编辑的数据；CAN通信接口用于动力电池模拟器与计算机之间的通讯。(3)北京群菱能源科技有限公司开发的电池管理系统测试平台，其核心部分是一个高精度单体电池模拟器，它包括三个12通道高精度电压模拟模块、高精度恒流源和高精度高压恒压源，可以模拟六十节电池串联的电池组电压，每节电池的电压可以在0V～5V内调整，电压的分辨率为0.1mV可以用于测试BMS电池管理系统电压检测精度和对于电池电压高和低的反应，电源的每个通道可以吸收和提供0A～5A的电流，可以用于检测电池管理系统的电池均衡功能。但是上述技术均存在以下缺点：(1)缺少本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，其特征在于，包括控制计算机、至少一个温度模拟器和至少一个单体电池输出电压模拟器，所述控制计算机包括含有网络接口和三个USB接口的通用计算机、一个USB/DO转换器和一个USB/SPI接口转换器，所述USB/SPI接口转换器、所述USB/DO转换器与所述通用计算机通过USB接口相连，所述温度模拟器与所述控制计算机通过网络接口通信互连，所述USB/DO转换器的输出端与所述温度模拟器的输入端相连，所述温度模拟器用于模拟温度传感器测量单体电池表面温度时温度传感器的输出值，并以温度传感器输出值来表征温度传感器放置处的温度；所述单体电池输出电压模拟器与所述控制计算机通过网络接口通信互连，所述USB/DO转换器的输出端与所述单体电池输出电压模拟器的输入端相连，所述单体电池输出电压模拟器用于模拟单体电池的输出电压。

【技术特征摘要】
1.一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，其特征在于，包括控制计算机、至少一个温度模拟器和至少一个单体电池输出电压模拟器，所述控制计算机包括含有网络接口和三个USB接口的通用计算机、一个USB/DO转换器和一个USB/SPI接口转换器，所述USB/SPI接口转换器、所述USB/DO转换器与所述通用计算机通过USB接口相连，所述温度模拟器与所述控制计算机通过网络接口通信互连，所述USB/DO转换器的输出端与所述温度模拟器的输入端相连，所述温度模拟器用于模拟温度传感器测量单体电池表面温度时温度传感器的输出值，并以温度传感器输出值来表征温度传感器放置处的温度；所述单体电池输出电压模拟器与所述控制计算机通过网络接口通信互连，所述USB/DO转换器的输出端与所述单体电池输出电压模拟器的输入端相连，所述单体电池输出电压模拟器用于模拟单体电池的输出电压。2.根据权利要求1所述的一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，其特征在于，还包括一个分流电阻输出电压模拟器，所述分流电阻输出电压模拟器与所述控制计算机通过网络接口通信互连，所述USB/DO转换器的输出端与所述分流电阻输出电压模拟器的输入端相连，所述分流电阻输出电压模拟器用于模拟上述分流电阻两端的输出电压。3.根据权利要求2所述的一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，其特征在于，所述温度模拟器、所述单体电池输出电压模拟器、所述分流电阻输出电压模拟器结构相同。4.根据权利要求3所述的一种纯电动汽车车载电池外特性的模拟系统，其特征在于，所述温度模拟器包括：单片计算机；均衡状态检测电路，其输出端与所述单片计算机的模数输入端相连；数字电位计，其SPI接口与所述单片计算机的SPI接口相连，数字电位计A端选择电路，其多路选择控制电路S与所述单片计算机的输出端相连，所述数字电位计A端选择电路与所述数字电位计相连，选择连接正电压V+、空N、空N三路之一，数字电位计B端选择电路，其多路选择控制电路S与所述单片计算机的输出端相连，所述数字电位计B端选择电路与所述数字电位计相连，选择连接负电压V-、空N、地G三路之一；输出选择电路，其多路选择控制电路S与所述单片计算机的输出端相连，所述输出选择电路分别与所述数字电位计、所述均衡状态检测电路、数字输入输出调理电路相连；数字输入输出调理电路，分别与所述单片计算机、所述输出选择电路通信互连，参考电源模块，其输出端分别与所述数字电位计A端选择电路、所述数字电位计B端选择电路相连；网络接口，与所述单片计算机相连，网络地址设置装置，与所述单片计算机相连，单体电池输出电压模拟器指示灯L1，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，分流电阻两端电压模拟器指示灯L2，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，温度传感器输出模拟器指示灯L3，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，数字输入模拟器指示灯L4，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，数字输出模拟器指示灯L5，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，当前数字输入/数字输出状态指示灯L6，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，充电和均衡状态指示灯L7，其输入端与所述单片计算机的输出端相连，放电状态指...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荣明，杨小亭，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61