一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统，包括一种锂电池组模块化夹具设计，充放电测试电路设计以及面向可靠性数字孪生的锂电池组数据采集方法。其中锂电池组模块化夹具支持8节电池的任意接线方式。健康状态测试电路与锂电池组模块化夹具相集成，除了监测电池工作状态、电池环境状态，还可以单独控制任意一节电池且不影响其他电池支路。锂电池组可靠性数字孪生建模方法基于上述锂电池组模块化夹具和健康状态测试电路，主要包括可靠性建模，物理实体建模和锂电池数据分析、环境数据分析。本发明专利技术系统可以应用于锂电池组可靠性数字孪生，实现锂电池组健康状态的评估和寿命预测。池组健康状态的评估和寿命预测。池组健康状态的评估和寿命预测。

【技术实现步骤摘要】
一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统
所属

[0001]本专利技术涉及一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统，具体是将锂电池测试电路集成到锂电池组夹具中，利用测试电路中的传感器数据建立锂电池组数字
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物理双空间映射，可与锂电池失效机理模型结合实现锂电池组的可靠性数字孪生。本专利技术主要应用于能源系统领域及其可靠性领域。

技术介绍

[0002]数字孪生是物理实体在虚拟空间中的全生命周期数字化映像，该思想最早由密歇根大学的Grieves命名为“信息镜像模型”。进入21世纪后，美国、德国在先进制造业提出了“信息
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物理系统”(CPS)，而数字孪生正是实现CPS的最佳技术。一些嗅觉敏锐的工厂、生产线开始引用数字孪生，采用信息技术对物理实体的组成、特征和性能进行数字化定义，通过虚拟方式进行产品或生产车间的判断、分析和预测。其中，基于数字孪生对产品进行可靠性评估与健康管理有着重要的意义。
[0003]可靠性数字孪生是借助虚拟空间对产品实体进行建模、描述，从而实现实时的个性化的健康状态及可靠性评估和预测。根据可靠性理论，产品失效是由外部环境、工作条件和内部失效机理共同作用的结果。传统可靠性失效机理模型可以从统计概率角度预测产品的故障及寿命，然而根据贝叶斯理论，产品当前所表现出的状态影响着各环节故障概率以及最终的产品寿命，因此基于数字孪生的全生命周期可靠性模型更具有实际应用价值。
[0004]在锂电池组应用领域，可靠性数字孪生技术能够为锂电池组故障/寿命信息的评估、优化和预测提供更详实信息。要想实现锂电池组可靠性的数字孪生，数据是核心之一。锂电池组的全寿命周期受到复杂的内外因素作用，其退化/失效机理主要由电、热、化学场的耦合引起。锂电池组实际健康状态的确定需要结合物理模型，充分采集和分析电池组及电池单体的数据。数据的采集依赖于电池组充放电测试装置，目前仍缺乏能够全面采集电池组数据的测试装置或系统。因此有必要建立一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于为锂电池组可靠性数字孪生提供充放电测试与数据采集系统，提出将锂电池测试电路集成到锂电池组夹具中，测试对象主要包括锂电池组及各电池单体充放电时的电压、电流和温度，充分利用传感器数据和物理模型信息，可实现锂电池组的可靠性数字孪生。
[0006]为实现上述目的，本专利技术包括一种锂电池组模块化夹具设计，充放电测试电路设计以及面向可靠性数字孪生的锂电池组数据采集方法。
[0007]一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统，其特征在于，锂电池组模块化夹具可以容纳8枚电池，其结构包括以下部分：柱状电池盒，弹簧顶针，温度
传感器和引线端子。充放电测试电路采用模块化设计，分为充放电测试主电路(以下简称主电路)和充放电测试子电路(以下简称子电路)，主电路包括单片机处理系统(MCU)、138译码器、通讯模块，子电路与锂电池组相匹配，包含八路电压模块、八路电流模块以及八位锁存器、八路继电器和GPIO扩展模块。
[0008]所述锂电池组模块化夹具，其特征在于，所述柱状电池盒材料为碳纤维板，且前后两侧有拼接榫头，用于将多个锂电池组模块化夹具级联，锂电池与柱状电池盒内侧缝隙小于1mm；所述弹簧顶针固定在所述柱状电池盒上下两侧，弹簧顶针针尖用于连接锂电池并起到固定作用，每个弹簧顶针尾部贴片连接两个所述引线端子，分别用于连接所述充放电测试电路中的电流模块和电压模块；所述温度传感器均匀分布在柱状电池盒内侧，最多包含锂电池四周的上中下三点共12个温度采集点，用于采集锂电池周围环境的热场分布信息。
[0009]所述充放电测试电路，其特征在于，当锂电池组接入充放电电路后，由所述主电路MCU通过138译码器控制每一个锂电池组模块化夹具子电路中的八位锁存器，并通过所述GPIO扩展模块接收汇总锂电池充放电状态监测数据；所述通讯模块包括蓝牙模块、WIFI模块的无线通讯模块，用于将健康状态监测数据发送至计算机。所述子电路中，所述八位锁存器的8个控制引脚与所述主电路MCU连接，8个输出引脚分别与所述八路继电器的控制引脚连接，所述八路继电器的开关引脚连接所述充放电路和所述电流计；所述八路继电器开关引脚分为公共引脚和常开常闭引脚，根据所述锂电池组模块化夹具中每节锂电池的串并联情况进行走线；所述GPIO扩展模块用于并行接收所述子电路中的8个电压模块和8个电流模块数据，并发送串行数据至所述主电路MCU。
[0010]所述充放电测试子电路，其特征在于，所述八位锁存器的使能引脚由所述主电路的138译码器控制，所述八位锁存器的8个控制引脚默认为高电平，8个输出引脚保持继电器的控制引脚为高电平；所述八路继电器为低电平触发，当所述八位锁存器的某个引脚改为低电平时，与之对应的一路继电器状态改变；所述八位锁存器和八路继电器用于保证无论所述锂电池组模块化夹具中的锂电池属于何种连接方式，都可以将某一个锂电池断路且不影响其他电池。
[0011]所述面向可靠性数字孪生的锂电池组数据采集方法，具体来说是基于锂电池组模块化夹具和充放电测试电路的，其特征在于包含以下步骤：
[0012]步骤一，将所述锂电池组模块化夹具中的电池进行不同数量、不同连接形式的排列，包括任意x并y串的连接方式(xy≤8，x、y为整数)，然后以所述锂电池组模块化夹具的一组电池为单位进行充放电测试，检验不同连接条件下电压、电流、温度数据是否正常采集；
[0013]步骤二，根据锂电池组的电池数量和串并联情况选择锂电池组模块化夹具的数量，将锂电池安装到锂电池组模块化夹具中并完成所述子电路走线，再依据串并联关系完成所述子电路之间的走线，最后利用榫头将多个锂电池组模块化夹具连接起来；
[0014]步骤三，根据实际电压、电流需求确定锂电池组的电池数量和串并联情况，根据锂电池组模块化夹具之间的位置关系和尺寸信息建立物理尺寸模型，完成锂电池组在计算机虚拟空间的数字映射，准备接受充放电测试电路传来的数据；
[0015]步骤四，完成接线后，所述充放电测试电路中的主电路MCU通过所述138译码器依次发送指令到每一个子电路，控制每一个子电路中的每一节锂电池接入或断开，在xy<8的连接方式下将断开的电池支路作为冗余设计；
[0016]步骤五，当锂电池组开始工作后，所述GPIO扩展模块以1Hz的频率将电压、电流、温度信息发送至所述主电路MCU，主电路MCU通过无线、蓝牙将数据发送给计算机；
[0017]步骤六，计算机将根据物理尺寸模型对非温度采集点的温度进行插值，从而建立锂电池组附近的热场，计算机通过数据分析提取每节电池的状态特征，整合每节电池的电压、电流、内阻、荷电状态、充电量、放电量、容量和热场信息，构建电池组物理
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数字双空间的实时映射，建立可靠性数字孪生模型，评估每节电池单体和锂电池组的状态，诊断锂电池组电路的故障，预测锂电池组寿命。
附图说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向可靠性数字孪生的锂电池组充放电测试与数据采集系统，包括一种锂电池组模块化夹具设计，充放电测试电路设计以及面向可靠性数字孪生的锂电池组数据采集方法；所述锂电池组模块化夹具，其特征在于，与所述充放电测试电路相匹配，最多可以容纳8节锂电池，温度传感器均匀分布在夹具内侧，每节锂电池四周最多有12个温度采集点；所述充放电测试电路，其特征在于，采用模块化设计，分为充放电测试主电路(以下简称主电路)和充放电测试子电路(以下简称子电路)，主电路包括单片机处理系统(MCU)、138译码器、通讯模块，子电路包含八路电压模块、八路电流模块以及八位锁存器、八路继电器和GPIO扩展模块；所述面向可靠性数字孪生的锂电池组数据采集方法，其特征在于包含以下步骤：步骤一，将所述锂电池组模块化夹具中的电池进行不同数量、不同连接形式的排列，包括任意x并y串的连接方式(xy≤8，x、y为整数)，然后以所述锂电池组模块化夹具的一组电池为单位进行充放电测试，检验不同连接条件下电压、电流、温度数据是否正常采集；步骤二，根据锂电池组的电池数量和串并联情况选择锂电池组模块化夹具的数量，将锂电池安装到锂电池组模块化夹具中并完成所述子电路走线，再依据串并联关系完成所述子电路之间的走线，最后利用榫头将多个锂电池组模块化夹具连接起来；步骤三，根据实际电压、电流需求确定锂电池组的电池数量和串并联情况，根据锂电池组模块化夹具之间的位置关系和尺寸信息建立物理尺寸模型，完成锂电池组在计算机虚拟空间的数字映射，准备接受充放电测试电路传来的数据；步骤四，完成接线后，所述充放电测试电路中的主电路MCU通过所述138译码器依次发送指令到每一个子电路，控制每一个子电路中的每一节锂电池接入或断开，在xy<8的连接方式下将断开的电池支路作为冗余设计；步骤五，当锂电池组开始工作后，所述GPIO扩展模块以1Hz的频率将电压、电流、温度信息发送至...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏权，任羿，杨德真，冯强，孙博，廉兆鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：