动力电池充放电检测系统的设计与实现

黄赛杰，徐 敏，郑小鹿，严 晓，黄碧雄



动力电池充放电检测系统的设计与实现

黄赛杰1，徐 敏1，郑小鹿2，严 晓1，黄碧雄1

（1上海工程技术大学，上海 201620；2营口天维半导体制造有限公司，辽宁 营口 115000）

电动汽车的快速增长带来的动力电池安全问题日趋成为行业关注的焦点，对动力电池快速安全检测成为目前市场的需求。本工作设计了一套基于以双向逆变器为主的硬件模块和C#.NET上位机软件模块的动力电池充放电检测系统。该系统检测对象为电动汽车动力电池和梯次动力电池，其特点为快速检测和深入检测。快速性表现在两分钟内检测出电池包绝缘安全、单体一致性等问题。深入性是对单体层面的诊断，根据直流内阻检测模块得到单体OCV和直流内阻分布图从而快速对电池一致性问题做诊断。每个检测模块的数据最终生成电子检测报告，同时也保存至Excel中，用于后期进一步分析。系统运行可靠，可为在储能领域的推广应用提供一定的参考。

电动汽车动力电池；动力电池充放电检测系统；C#.NET；快速检测

随着全球环境和发展间矛盾的日益尖锐，很多国家发布了禁售传统燃油车的时间表，国际汽车巨头及零部件公司将目标快速转向新能源汽车，电动汽车的发展态势不可阻挡，这意味着市场将迎来汽车的一个重大消费转型[1]。受限于动力电池的使用寿命，未来报废的动力电池数量也极为庞大。研究机构预计，到2020年我国动力电池市场需求将达125 GW·h，报废量将达32.2 GW·h，约50万吨；到2030年，动力电池报废量将达101 GW·h，约116万吨[2]。从全产业链思维角度来看，电动汽车动力电池后市场的服务保障体系，例行检测以及梯次利用也成为一个热点。例行检测中需要对动力电池进行快速体检，包括绝缘安全测试、容量矫正测试、充放电能力测试及健康状况一致性测试等，大约30 min全部检测完毕并生成一份检测报告给出检测结果和维护建议。而梯次动力电池对接储能领域，很好地解决了电池剩余价值使用和降低成本问题[3]。目前国内外对汽车动力电池的检测及诊断还处于较新的阶段，国内甚至世界上电动汽车数量远没达到饱和，因此对于电动汽车后市场服务，包括电动汽车在役电池的快速检测和退役电池的梯次利用等还处于起步阶段，针对后市场服务的检测设备也都仍处于研发阶段。目前占据市场的基本是动力电池测试设备，比如美国的Arbin测试设备及国内的瑞能、长城等，主要功能是对电池包进行充放电、采集电池包单体信息并实时绘制--曲线等，缺少对电池的健康状态、单体一致性等做快速诊断，且测试时间较长，适用于实验室的研究环境。

针对以上对动力电池的检测筛选问题，本文设计了一种基于C#.NET的动力电池充放电检测系统，该系统能实时读取动力电池BMS发送的CAN报文信息，并根据协议通过编程算法将所有CAN报文解析后显示于上位机软件上，其中每个电池单体信息，如电压、温度等可通过伪色图的方式实时显示，通过颜色立即能分辨问题单体电池，界面直观便捷。在读取BMS数据的同时，上位机可通过Modbus-TCP协议控制双向逆变器对电池包进行充放电，不同的充放电控制策略结合电池诊断算法和实时采集的电池数据，形成不同的检测模块，本系统软件主要开发了容量矫正检测模块和直流内阻检测模块，前者是对电池包容量的重新标定，后者是对单体电池直流内阻一致性分布的检测。最后，以旧的大学生电动方程式赛车电池为研究检测对象，来验证本系统的实用性和可靠性。

1 系统方案

梯次动力电池充放电检测系统包括硬件结构和软件平台两部分，其整体结构如图1所示。本系统通信主体架构是基于TCP/IP的局域网通信，连接了PC端和各终端设备。系统工作时，PC上位机检测模块通过局域网向双向逆变器发出基于Modbus-TCP协议的充放电控制指令，当充电时，逆变器向电网获取电流给电池组充电；当放电时，电池组通过逆变器放电并反馈给电网。同时，在电池组的总正负极侧实时检测总电流和总电压，通过A/D to LAN模块由Modbus-TCP通信将数据传给上位机显示。另一侧电池组的BMS上电后不断向外发送单体电池的电压、是否报警等CAN报文，通过CAN to LAN模块将CAN通信转换成TCP/IP通信，然后在PC端接收、解析及显示，最终检测完毕后生成一份检测报告，并在本地存储。至此，实现了对动力电池的充放电检测。

图1 电池充放电检测系统结构框图

2 系统主要硬件结构

2.1 双向逆变器模块

系统硬件结构主要由双向逆变器模块、数据采集模块和信号转换模块构成。本系统双向逆变器模块为科陆新能电气的NEPCS-30(H)。其电池侧最大输入功率为33 kW，直流电压范围为220～600 V，最大输入电流150 A，完全符合了对一般汽车动力电池包的充放电检测条件。且稳压精度和稳流精度分别在1%和2%以内，保障了对电池充放电检测的质量。在安全方面，此逆变器模块做了很多保护措施，如过流过压保护、IGBT过温和故障保护和正负极性反接保护等，最大程度的保障了操作人员和自身设备的安全[4]。

此模块的交流侧与电网相连，直流侧接上被测电池，当双向逆变器检测到大于220 V的直流电压后，将自动开启通讯系统。本系统采用的Modbus- TCP通讯，在设定充放电模式的前提下，当双向逆变器接收到来自PC上位机对电池包充电请求报文时，电网通过双向逆变器整流成直流电供电池充电。反之，当接收到对电池包的放电请求报文后，逆变器将从电池包取电并逆变后反馈回电网。

2.2 数据采集模块

本系统的数据采集模块包含电压分压器单元、电流传感器单元和信号采集传输单元。电压采集单元选用的是ANALOG DEVICES公司的AD210分压器，它具有精度高、功耗小等特点，最大可采集电压为正负3500 V。本系统中设置的分压比为 1∶66.8，这是根据信号传输单元的输入量程而设定。电流传感器单元为LF公司的205-S/SP3，它的原始标称有效值电流为100 A，达到了本系统充放电电流要求。电流转换率为1∶1000，因此次级有效值电流为100 mA。总精度在25 ℃下达到正负0.5%，检测精度高。信号采集传输单元为研华公司的ADAM-6217智能I/O模块，它是16位A/D模块，可以采集电压、电流等模拟量输入信号，且采用8路的差分通道，具有良好的电压隔离和共模抑制 能力。

系统工作时，电池正负极电压由分压器单元分压后，将电压模拟量传入信号采集传输单元，电池充放电电流由电流传感器采集转换后传入信号采集传输单元，最终信号采集传输单元将信号模数转换后通过基于Modbus-TCP的以太网通信上传到上位机显示，实现了系统总电压、总电流的实时监控。

2.3 信号转换模块

本系统的信号转换模块为广州致远电子公司的CANET-2E-U，它是一款高性能工业级以太网与CAN-bus的数据转换设备，配有800 MHz主频32位处理器，CAN口波特率5 k～1000 kbps可任意设置，且支持基于以太网的多种通信协议，包括了Modbus-TCP[5]。

电池包BMS工作时，以设置的波特率不断发送CAN信号，此时信号转换模块在输入端接收CAN信号并转换成以太网通信发送给上位机端，上位机接收到报文后再根据BMS协议进行解析CAN，并在上位机上实时显示解析信息。

3 系统软件设计

3.1 软件三层架构

本系统上位机开发选用的是C#编程语言，C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言，具有安全、稳定、简单、优雅等特征，是由C和C++衍生出来的面向对象的编程语言[6]。

上位机架构采用三层架构模式，即用户界面层（UI）、业务逻辑层（BLL）和数据访问层（DAL）[7]。用户界面层是人机交互的窗口，主要用于用户命令的输入和数据、图表的显示，根据不同功能的需要，可在界面层添加相应的控件容器并进行编程。业务逻辑层主要是处理一些逻辑业务，是功能的具体实现层，该层被UI层引用。数据访问层是将BLL层处理好的结果或者报文等信息通过以太网发送给终端，同时可以获取终端的返回信息，该层被BLL层引用。除此以外，还有公共参数类（PP），其 定义了整个系统所需要的参数，该类被其它三层 调用。

对于双向逆变器和采集模块，用户从UI层触发按钮控件，控件中的代码将Modbus-TCP报文片段，如充放电电流大小、充放电模式等传给BLL层，后者接到报文片段后进行逻辑拼接形成一条完整的Modbus-TCP报文，然后BLL层传给DAL层，后者接收完整报文后通过Socket网络接口发给逆变器或采集模块，终端设备接收报文后返回相应报文作为响应。DAL层接收响应报文并传给PP类，BLL层从PP类调用响应报文后进行解析并传给UI层显示。对于BMS，控制侧与逆变器和采集模块一致，将CAN报文从UI传递到终端BMS，采集侧不同于Modbus-TCP的请求响应式，BMS上电后会一直发送CAN报文，最终在BLL层解析后在UI层 显示。

图2 三层架构控制逻辑结构框图

3.2 通信协议及报文解析

3.2.1 Modbus-TCP消息帧格式及报文解析

本系统中主通信方式为基于以太网的局域网通信。两种通信协议，即Modbus-TCP协议和CAN协议。Modbus是与物理层无关的多用于工业控制的通信协议，而Modbus-TCP是在TCP/IP网络上的Modbus报文传输协议。协议最大帧数据长度为260字节，表1为协议消息帧格式，其中字节0～6构成MBAP报头，字节7为功能码，字节8之后为数据[8]。对于Modbus-TCP消息帧格式，下文列举双向逆变器的报文实例说明各部分的含义。

表1 Modbus TCP/IP消息帧格式

查询报文：；

0x06：后续还有6个字节；0x01：单元标示符为1；0x03：功能码3，即读保持寄存器的值；0x07 0xD0：Modbus起始地址2000；0x00 0x03：读取寄存器个数为3。

响应报文：；

0x05：表示后续还有5个字节；0x01：同查询报文，单元标示符；0x03：功能码，同查询报文；0x02：返回数据字节数；0x0F 0x69：寄存器的值；

图3为逆变器部分读协议，可以看到读地址从2000开始，代表交流电压相有效值，比例系数为0.1。因为只读了地址2000这一个16位寄存器，因此返回了2个字节值0x0F 0x69，根据大端模式低地址字节为高位字节，高地址字节为低位字节原则，把返回值整合为0x0F69。最后将十六进制数转换成十进制数后乘以对应比例系数0.1得到最终交流电压A相有效值为394.5 V。其余参数值的解析过程类似。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相电压字节转换成浮点数

textBox37.Text = fromInvt.acVoltA.ToString();//将浮点数转换成字符串在UI显示控制逆变器充放电的Modbus-TCP写帧格式与以上读帧格式类似，写单个寄存器的功能码为06，写多个寄存器的功能码为16，并在数据段中。

图3 逆变器部分读协议图

3.2.2 CAN消息帧格式及报文解析

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO 11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一，在欧洲已是汽车网络的标准协议。CAN协议的帧数据长度为13字节，其中字节0为帧信息，用于标识该CAN帧的一些信息，如类型、长度等；字节1～4为帧ID，标准帧有效位是11位，扩展帧有效位是29位，用于解析时帧匹配。字节5～12为帧数据，这是需要解析的数据[9]。

根据CAN消息帧格式，以下列举科列BMS的某帧CAN报文实例进行解析。

接收报文：；

0x88：表示帧信息；0x18 01 50 F3：表示帧ID；0x0E FE 0E D3 0F 22 0F 27：表示帧数据。

根据科列协议，找到帧ID为0x180150F3属于电池单体电压帧ID群范围内，该ID范围从0x180050F3到0x184F50F3，且每个单体电压值占据2个字节，因此该ID报文能放4个单体的电压数据，且根据ID能判断该4个单体电池为5～8号。根据大端模式低地址字节为高位字节，高地址字节为低位字节原则，把接收报文值整合为0x0EFE、0x0ED3、0x0F22和0x0F27四组，分别对应5～8号单体电压。最后将十六进制数转换成十进制数后乘以对应比例系数1分别得到单体电压为3838 mV、3795 mV、3874 mV和3879 mV。其余参量的解析思路也是如此。

但由于不同动力电池包所配的BMS厂商不尽相同，因此会有各自的BMS协议。此外电池包中需监控的参数量远大于逆变器，因为就一个电池包的电池单体而言就有上百甚至上千个。基于以上两方面，若根据每个参量的ID匹配将CAN解析代码固化到程序中显然不合适，工作量巨大且不适用于其他协议。因此本软件设计了一个自定义的协议编辑窗口，如图4所示。该窗口可适用于不同BMS厂商的协议对每个参量编辑，如总电压参量的ID、字节的位置、比例系数和单位等，编辑完并最终生成XML文件。当需要解析CAN报文时，导入事前配置好的XML协议文件即可[10]。而在程序中，是将CAN报文中每个参数的解析根据XML中信息提炼成一个统一的方法，大大简化了代码的同时提高了协议更换的灵活性。CAN解析部分程序如下：

//导入科列协议分解成科目.xml

FileInfo fi = new FileInfo(strPath1);

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

dataGridView1.DataSource = myds.Tables[0];

MessageBox.Show("科列协议分解成科目.xml启动成功");}

//根据XML信息截取参数字节

for (j = int起始字节; j <= int结束字节; j++)

{if (int起始字节 == int结束字节) //若截取字位只发生于同一个字节

{byteA = Convert.ToByte("0x" + strData.Substring(j * 2, 2), 16); //16进制显示

byteA <<= int起始位;

byteA >>= int起始位;

byteA >>= 7 - int结束位;

strDataGrp = byteA.ToString("x2").ToUpper().Trim();}// 16进制，占两位

图4 BMS协议编辑窗口界面图

3.3 软件模块开发

3.3.1 绝缘检测模块

软件主界面如图5所示，目前开发了三个检测模块和一个报告模块，三个检测模块分别为绝缘安全检测模块、容量校正模块和直流内阻检测模块。绝缘安全检测模块是在其它模块检测前对动力电池做的绝缘性测试，是通过硬件绝缘检测模块检测动力电池包的总电压、正极对地电阻和负极对地电阻。然后分别用正负极对地电阻除以总电压得到的值与国标绝缘安全合格值500 Ω/V对比，若大于则绝缘安全检测合格，否则不合格[11]。

点击主界面的绝缘安全检测模块，进入其子界面，用户首先点击左侧开启按钮启动绝缘检测硬件模块，然后点击开始检测按钮，在读数显示栏显示当前直流电压和正负极对地电阻。绝缘安全检测子界面如图6所示。

图5 软件主界面图

图6 绝缘安全检测模块界面图

3.3.2 容量校正模块

容量校正模块是为了对动力电池的容量做二次标定，其过程为先按某倍率对电池包进行放电，在这过程中实时监控最低单体电压信息，并与预设的单体电压下限值做对比，若达到了下限值，则放电终止，然后以相同倍率进行充电，当最高单体电压达到预设上限值后停止充电。最后利用安时积分法根据充电电流和充电时间计算出所充电的容量，即为电池校正后的容量[12-13]。容量校正检测流程图如图7所示。

点击主界面的容量校正模块，进入其子界面，用户在参数设置栏进行参数设置后点击开始检测按钮，系统自动按容量校正流程进行运作直到结束，这样的一键式操作不仅降低了对操作工人的专业知识要求，也把人为操作的出错率降到了最低。容量校正子界面如图8所示，图中①部分为电池单体伪色图和温度伪色图显示；②部分为充放电进程提示及预先达到电压限值单体显示；③部分蓝色标签为实时显示的参数信息，红色标签为参数设定值，如单体电压上下限值、充放电电流值等；④部分为实时总电压和充放电容量曲线图；⑤部分为一键式开始检测按钮和停机按钮。

图7 容量校正模块检测流程图

图8 容量校正模块界面图

3.3.3 直流内阻检测模块

直流内阻检测模块是快速判断电池包单体健康状况一致性的测试，其过程为设备开机后静置5 s并同时对电池包进行数据采集，获得单体开路电压，对5 s数据平均后得到0。随后按一定倍率电流对电池包进行放电秒并关机，横向实验以固定时间和改变电流进行对比，一般取10 s，然后设备静置5 s并对这5 s内单体电压数据平均后得到1。最终根据式(1)算出电池单体的直流内阻直，并以分布直方图显示于界面上[14-15]。电流和电压模拟图如图9所示。

点击主界面直流内阻检测模块，进入其子界面，用户在参数设置栏设置参数并点击开始检测按钮，系统会自动按检测流程进行运作直到结束。直流内阻检测子界面如图9所示，图中①部分为电池单体伪色图和温度伪色图显示；②部分为实时总电流和总电压显示，参数设置及一键式启停按钮。

图9 电流和电压模拟图

Fig.9 Current and voltage analogue diagram

根据检测后的直流内阻直方图和开路电压直方图，可直观的看到电池单体的一致性差异，为梯次电池的快速筛选及修复提供有效的方法。

4 实验验证

4.1 容量校正模块验证

以配有科列BMS的大学生方程式赛车动力电池包为实验对象，该电池包有84片钴酸锂电池，单片出厂容量约为28 A·h，电压范围为3.7～4.2 V。应用本系统对电池包容量的二次校正和单体直流内阻的一致性进行了检测。首先进行硬件的正确连接，将逆变器的正负极分别连接至电池包的正负极，将BMS的外部CAN_H和CAN_L线与系统的CAN信号转换模块CAN_H和CAN_L对应相连，CAN通信速率设为250kbps，硬件部分连接完毕，给系统供电后等待检测。

打开系统软件，进入容量校正模块，首先看到界面左边部分出现了84个单体电压和24个温度的伪色图，颜色是由程序根据采集的电压值和温度值来自动匹配。出于安全因素和厂家建议，本次实验在模型参数设置框中设置单体电压上限值、下限值和充放电电流值分别为3.75 V、4.10 V和正负 8 A。点击开始检测按钮，进程提示框显示电池放电中，测试的不同阶段显示相应不同内容。最终第二十组一号电池达到设定上限值4.10 V，充电停止，从左边的电压伪色图看到第二十组一号颜色为黄色，代表电压值最高，与进程提示相对应。此时实时最高单体电压为4.10 V，与预设值一致，最低单体电压为3.974 V，控制精准。下方的容量-电压曲线图显示本次实验放电容量为1.96 A·h，充电容量为2.36 A·h。容量校正模块测试图如图10所示。

图10 直流内阻检测界面图

4.2 直流内阻检测模块验证

硬件连接与容量校正模块一致，打开系统软件并进入直流内阻检测模块，界面的左边同样是实时单体电压和温度的伪色图显示，此时电压颜色条范围设置为3.7～4.2 V，温度颜色条范围设置为25～40 ℃，中上部分为总电流和总电压的实时值，当前为0.03 A和330.48 V。本实验采用1C放电，在参数设置框中设置放电电流为-28 A，放电时间为10 s，并点击开始检测按钮，10 s后停机并在下方直接生成直流内阻直方图和开路电压直方图，由图可知该电池包单体电池差异性明显，个别单体直流内阻接近最低的两倍。直流内阻检测模块测试图如图11所示。

图11 容量校正模块测试图

图12 直流内阻检测模块测试图

图13 检测报告预览界面图

所有检测模块检测完后会将结果以文字、数据、图片和表格的形式传给检测报告模块生成一份检测报告，并保存于本地。检测报告预览界面如图13所示。

5 总结与展望

本文设计了一套动力电池充放电检测系统，通过上位机软件的一键式诊断开发模式实现了对动力电池容量的二次标定以及根据单体电池开路电压分布和直流内阻分布能快速诊断电池的健康一致性状态，并在这过程中完成了对实时数据检测、显示及存储，最终通过生成检测报告的形式来展现和存储。系统实时性强，准确度高，对保障电池健康状态的检测具有重要意义，这是目前市场上电池测试设备所缺少的特点。未来可以将本系统进一步优化，在硬件方面可以将逆变器以外的各种模块集成到双向逆变器中，并将笨重的PC台式机可换成轻便的平板电脑，通过无线的方式来控制和采集数据。在软件方面进一步完善已有模块的功能，如在容量校正时采用凹点法作为充放电截止条件，避免了对电池包进行过充和过放，有利于对电池的健康状态做判断。并进一步开发更多功能检测模块，如微循环标定SOH模块、电池SOC估算模块等，为动力电池剩余SOC、电池单体健康一致性等问题做更深入的诊断。由目前的动力电池检测设备拓展到储能领域，可采用储能云平台配合本地检测设备的方案，实现对动力电池的远程监控和诊断。

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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。

上海市科委项目（15110501100），上海工程技术大学新能源汽车协同创新建设试点项目（2016xt02）。

黄赛杰（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为动力电池控制和检测系统，E-mail：15000578554@163.com；

严晓，上海市千人计划特聘教授，研究方向为基于iBattery的电池储能系统和电机的测试和控制等，E-mail：xiao.yan@sues.edu.cn。