亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：虚拟电池管理系统及其应用方法
技术领域：
本发明属于新能源技术领域，特别涉及虚拟电池管理系统及其应用方法。
背景技术：
在电动汽车充电设备的性能测试中，试验用充电负载主要分为两类，其中，一类是由真实的动力电池和电池管理系统为主构成的电池包，另一类是模拟电池的电子负载。第一类负载为真实的动力电池包，其最突出的特点是构建了一个真实的测试环境，可以在一定程度上反应充电设备实际运行的性能和状态，还可以了解充电设备对动力电池带来的实际影响。但是，首先由于动力电池的多样性，及其电池管理系统所提供的充电模式的差异性，在实际应用中，对单一的动力电池组及其电池管理系统所构成的电池包的试验不能完全反映充电设备的充电性能和状态。如果要考虑充电设备对不同类型动力电池组充电的性能和状况，就需要购置多种动力电池包，这样将大量增加费用、存放场地以及测试的工作量，事实上用所有生产厂家的动力电池组对充电设备做测试也是不现实的。其次，在充电过程中，充电模式、充电参数以及电池状况均受电池包中电池管理系统的决定，一定容量的电池包，其电池管理系统设定的工作模式和充电参数将是单一不变的，而且，在正常的充电过程中，动力电池组极端参数，例如单体温度过高，单体电压过高， 一般不会出现，难以试验充电设备的应急和保护的能力，因此，整个测试过程是被动的，测试过程耗时长，效率低，测试范围和测试项目有限，无法实现对充电设备的可控测试。最后，利用实际的动力电池作为负载对充电设备进行测试时，每次测试前都必须有专门的设备给动力电池组放电，如果不能很好地利用动力电池组放出的能量，还将带来能源的浪费。第二类负载为模拟电池的电子负载，其最突出的特点是灵活。目前，较为先进的电子负载是采用程控的直流电子负载，这类负载可对动力电池包的端口电压和内阻进行模拟，但还没有建立系统、完整的动力电池模型，与实际动力电池包的特性相距甚远；而且，电子负载尚没有考虑电池管理系统的功能，使用这种电子负载测试充电设备时，没有也无法测试两者之间握手、参数配置、充电和充电结束等阶段的数据通信功能及能力；并且在充电过程中也忽略了动力电池的实际状态，例如，当电池过充、电池温度过高或过低时，由于没有电池管理系统的在线监测功能，电子负载不能及时给充电设备提供越限状态信息，更谈不上去测试判断充电设备对收到的信息进行处理并做出反应的能力。因此，为了保障充电设备的通用性、性能的一致性，在充电设备性能检测测试环节中，一种准确模拟动力电池包参数和状态功能信息的虚拟电池管理系统是必不可少的。

发明内容
本发明的针对上述缺陷公开了虚拟电池管理系统，它的结构如下中央数据处理单元分别连接人机交互单元、动力电池仿真单元、CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元。
所述CAN通信单元通过CAN总线与待测充电设备连接，电子负载控制单元连接电子负载，测量单元分别连接待测充电设备和电子负载。所述动力电池仿真单元存储的数据为动力电池实验数据库、动力电池电路模型、 动力电池热模型和动力电池状态参数关系图表。虚拟电池管理系统的应用方法分为以下步骤1)由人机交互单元提供动力电池模型参数配置界面，通过输入试验型号动力电池的参数来确定试验型号动力电池模型，动力电池仿真单元依此为依据提供动力电池模型特性曲线；判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合，如果判断结果为否， 则通过人机交互单元来修正试验型号动力电池的参数，从而微调动力电池模型特性曲线， 然后继续判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合；如果判断结果为是，进入步骤2)；2)通过人机交互单元设定虚拟电池管理系统的运行方案；设定完成后，将上述运行方案和试验型号动力电池模型保存为一个工程文件，同时进入步骤3)；3)调用已有的工程文件或承接步骤2、，中央数据处理单元根据上述运行方案和试验型号动力电池模型初始化CAN通信单元和电子负载控制单元，电子负载控制单元通过以太网、RS485通讯或RS232通讯建立电子负载与电子负载控制单元的通讯连接，CAN通信单元基于虚拟电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议，建立与待测充电设备的通讯连接；然后测试通讯连接是否正常，如果结果为否，则进入步骤5)，如果结果为是，则进入步骤4)；4)中央数据处理单元读取试验型号动力电池的参数和虚拟电池管理系统的运行方案，然后通过电子负载控制单元设定电子负载的初始状态，同时启动测量单元；中央数据处理单元将虚拟电池管理系统的充电级别要求和试验型号动力电池模型的实时充电信息通过CAN通信单元发送给待测充电设备；待测充电设备根据上述充电级别要求和实时充电信息实时调整充电参数，同时向虚拟电池管理系统发送充电状态信息； 虚拟电池管理系统根据接收情况判断是否符合充电要求，如果虚拟电池管理系统接收超时或接收到的充电状态信息不符合充电要求，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，则运行下一步操作；测量单元监测待测充电设备实际的充电电流、充电电压，中央数据处理单元判断监测到的充电电流、充电电压是否在误差允许范围；如果判断结果为否，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，则将测量单元得到的充电电流与充电电压两项数据输入到试验型号动力电池模型，通过试验型号动力电池模型计算并更新充电状态参数；中央数据处理单元先判断充电状态参数是否在工程设定的正常范围内，如果判断结果为否，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，电子负载控制单元根据充电状态参数控制电子负载的工作状态，以模拟真实动力电池负载的充电电流和充电电压；最后中央数据处理单元判断虚拟电池管理系统是否达到充电结束条件，如果判断结果为否，中央数据处理单元再次将虚拟电池管理系统的充电级别要求和试验型号动力电池模型的实时充电信息通过CAN通信单元发送给待测充电设备；如果判断结果为是，则发出充电结束命令，转到步骤5)；
5)中央数据处理单元接收到充电结束命令后，控制CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元，从而进入充电结束阶段，同时通过人机交互单元输出充电结束统计信息。所述动力电池仿真单元在步骤1)完成后相当于一个虚拟电池包，当待测充电设备采用恒流充电方式或脉冲充电方式时，动力电池仿真单元根据测量单元所测得的充电电流计算试验型号动力电池的荷电状态、虚拟电池包端口电压、虚拟电池包中单体电池电压和温度，并根据试验型号动力电池的荷电状态、虚拟电池包端口电压、虚拟电池包中单体电池电压和温度来模拟试验型号动力电池；电子负载控制单元根据虚拟电池包端口电压值设定电子负载的初始状态，使虚拟电池管理系统处于充电运行阶段；当待测充电设备采用恒压充电方式时，动力电池仿真单元根据测量单元所测得的充电电压计算试验型号动力电池的荷电状态、充电电流、虚拟电池包中单体电池电压和温度，并根据试验型号动力电池的荷电状态、充电电流以及虚拟电池包中单体电池电压和温度来模拟试验型号动力电池；电子负载控制单元根据充电电流值设定电子负载的初始状态，使虚拟电池管理系统处于充电运行阶段。所述试验型号动力电池的参数为试验型号动力电池的类型、内部单体电池串联数、生产厂家、额定容量、额定电压和散热模式；所述动力电池模型特性曲线为电流曲线、电压曲线、电池荷电状态曲线和温度曲线.
一入 ，所述虚拟电池管理系统的运行方案为虚拟电池管理系统的运行模式、时间系数、 充电参数以及动力电池状态参数；所述时间系数为实际时间1秒与虚拟电池管理系统中虚拟充电时间1秒的比值；所述虚拟电池管理系统的充电级别要求为充电模式、电流需求和电压需求；所述试验型号动力电池模型的实时充电信息为估计充满时间、当前电池荷电状态、电池组的最高温度与最低温度、充电电流和充电电压；所述充电状态信息为累计充电时间、充电电流和充电电压；所述充电状态参数为虚拟电池的荷电状态、单体电压和单体电池温度； 所述充电结束命令为在人机交互单元人为输入的充电结束命令、待测充电设备发出的充电结束命令、测量单元由于测量值超限而发出的充电结束命令、电子负载控制单元由于电子负载异常而发出的充电结束命令和步骤4)中所提及的充电结束命令；所述充电结束统计信息为结束原因、累计充电时间、单体电池电压的最高值和最低值、初始和结束时的电池荷电状态、累计充电时间、充电输入能量和充电输入电量。所述人机交互单元对试验型号动力电池的参数的修正方法为对全部试验型号动力电池的参数进行统一修正，或对部分试验型号动力电池的参数进行修正。所述试验型号动力电池为新型电池时，通过向动力电池仿真单元中导入实验数据来增加动力电池模型。所述虚拟电池管理系统在完成充电结束阶段后，能够生成虚拟电池管理系统运行报告；所述人机交互单元能够直接读取中央数据处理单元中的历史数据并进行分析处理。所述虚拟电池管理系统运行报告为充电过程中虚拟电池的状态信息、待测充电设备的状态信息和充电结束统计信息。本发明的有益效果是第一，扩充了充电设备测试过程中的模拟运行情况，将实际使用过程中可能遇到的充电对象的状态和充电要求集成于一个系统，改变了现有虚拟电池负载的模拟状态的单一性；第二，实现了虚拟电池管理系统与待测充电设备之间的充电状态信息交互；第三，本发明可以对试验型号动力电池模型参数和时间系数进行调整，提高了对充电设备的可控性及工作效率；第四，本发明同时模拟在充电过程中动力电池各单体电池的端口电压、荷电状态、内阻变化以及电池包的温度变化，提供了充电设备对动力电池充电过程中对动力电池的影响参考，实现了充电负载的多样性和充电设备测试环境的普遍性。


图1为虚拟电池管理系统的结构示意图；图2为虚拟电池管理系统工作流程图；图3为虚拟电池管理系统的充电阶段详细流程图；图4为在恒流充电或脉冲方式充电状态下虚拟电池管理系统模拟动力电池充电状态的计算过程；图5为在恒压充电状态下虚拟电池管理系统模拟动力电池充电状态的计算过程。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进一步详细说明。如图1所示，虚拟电池管理系统的结构如下中央数据处理单元分别连接人机交互单元、动力电池仿真单元、CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元。CAN通信单元通过CAN总线与待测充电设备连接，电子负载控制单元连接电子负载，测量单元分别连接待测充电设备和电子负载。动力电池仿真单元存储的数据为动力电池实验数据库、动力电池电路模型、动力电池热模型和动力电池状态参数关系图表。如图2所示，虚拟电池管理系统的应用方法分为以下步骤1)由人机交互单元提供动力电池模型参数配置界面，通过输入试验型号动力电池的参数来确定试验型号动力电池模型，动力电池仿真单元将给出所确定动力电池模型在 25°C温度条件下，分别以C/3、1C、2C(C代表预设动力电池的额定安时数)的充电电流(行业内，一般用电池的总安时的倍率数来表示充放电电流，例如，C为60Ah，lC即表示60A电流)模拟恒流充电特性曲线，并以此来表征该动力电池模型的外部特性。判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合，如果判断结果为否，则通过人机交互单元来修正试验型号动力电池的参数，从而微调动力电池模型特性曲线，然后继续判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合；如果判断结果为是，进入步骤2)；试验型号动力电池的参数为试验型号动力电池的类型、内部单体电池串联数、生产厂家、额定容量、额定电压和散热模式；动力电池模型特性曲线为电流曲线、电压曲线、电池荷电状态曲线和温度曲线；人机交互单元对试验型号动力电池的参数的修正方法为对全部试验型号动力电池的参数进行统一修正，或对部分试验型号动力电池的参数进行修正，造成电池包内部单体电池之间的不一致，以此来模拟电池管理系统中可能出现的单体温度过高，单体电压过高等情况；试验型号动力电池为新型电池时，通过向动力电池仿真单元中导入实验数据来增加动力电池模型。2)通过人机交互单元设定虚拟电池管理系统的运行方案；设定完成后，将上述运行方案和试验型号动力电池模型保存为一个工程文件，同时进入步骤3)；虚拟电池管理系统的运行方案为虚拟电池管理系统的运行模式、时间系数、充电参数(包括充电电流或电压值，充电时间等)以及动力电池状态参数(包括所处环境温度、 动力电池充电状态下的温度充许范围、动力电池的初始荷电状态(SOCtl))；虚拟电池管理系统的时间系数为实际时间1秒与虚拟电池管理系统中虚拟充电时间1秒的比值；时间系数值取1时本发明仿真实际动力电池充电过程，加大时间系数值可以将几小时的充电过程在几分钟内完成。本发明也提供对非电池特性负载的模拟，即通过人机交互单元直接设定虚拟电池管理系统运行模式及参数，使电子负载工作在恒流、恒压或恒功率等运行状态，以满足电动汽车充电设备测试时的其它特殊需求。3)调用已有的工程文件或承接步骤2、，中央数据处理单元根据上述运行方案和试验型号动力电池模型初始化CAN通信单元和电子负载控制单元，电子负载控制单元通过以太网、RS485通讯或RS232通讯建立电子负载与电子负载控制单元的通讯连接，CAN通信单元基于虚拟电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议，建立与待测充电设备的通讯连接；通过虚拟电池管理系统与待测充电设备之间的握手连接、系统配置，达到充电准备状态。然后测试通讯连接是否正常，如果结果为否，则进入步骤5)，如果结果为是，则进入步骤 4)；4)如图3所示为虚拟电池管理系统的充电阶段详细流程图，中央数据处理单元读取试验型号动力电池的参数和虚拟电池管理系统的运行方案，然后通过电子负载控制单元设定电子负载的初始状态，同时启动测量单元；中央数据处理单元将虚拟电池管理系统的充电级别要求和试验型号动力电池模型的实时充电信息通过CAN通信单元发送给待测充电设备；待测充电设备根据上述充电级别要求和实时充电信息实时调整充电参数，同时向虚拟电池管理系统发送充电状态信息； 虚拟电池管理系统根据接收情况判断是否符合充电要求，如果虚拟电池管理系统接收超时或接收到的充电状态信息不符合充电要求，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，则运行下一步操作；虚拟电池管理系统的充电级别要求为充电模式、电流需求和电压需求；试验型号动力电池模型的实时充电信息为估计充满时间、当前电池荷电状态、电池组的最高温度与最低温度、充电电流和充电电压；充电状态信息为累计充电时间、充电电流和充电电压；测量单元监测待测充电设备实际的充电电流、充电电压，中央数据处理单元判断监测到的充电电流、充电电压是否在误差允许范围；如果判断结果为否，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，则将测量单元得到的充电电流与充电电压两项数据输入到试验型号动力电池模型。动力电池仿真单元在步骤1)完成后相当于一个虚拟电池包，它用来计算试验型号动力电池的荷电状态、充电电流(待测充电设备采用恒压充电方式)或电池包端口电压 (待测充电设备采用恒流充电方式或脉冲充电方式)以及单体电池的电压和温度，并以此来模拟试验型号动力电池；计算流程分两种情况讨论第一种情况，如图4所示，即待测充电设备采用恒流充电方式或脉冲充电方式工作的情况，计算过程如图4所示，详细说明如下模型初始化根据所设虚拟电池管理系统运行方案中电池的初始荷电状态S0Ci(l、 环境温度Titl以及充电电流值I ‘ co,并基于动力电池仿真单元中的动力电池状态参数关系图表估计单体电池内阻初始值(R' i0) ((i = 1,2.3, ...，i彡η)，η为电池包串联电池个数，)，再利用电池复合模型推算得到单体电池电压Uratl，将各单体电池累加得到电池包的端口电压值Upo将此电压值设定为电子负载初始恒压工作的电压值；估计电池荷电状态(SOC)基于折算库仑效率的安时法，对电池荷电状态(SOC)进行估算，其数学关系表述如下
权利要求
1.虚拟电池管理系统，其特征在于，它的结构如下中央数据处理单元分别连接人机交互单元、动力电池仿真单元、CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元。
2.根据权利要求1所述的虚拟电池管理系统，其特征在于，所述CAN通信单元通过CAN 总线与待测充电设备连接，电子负载控制单元连接电子负载，测量单元分别连接待测充电设备和电子负载。
3.根据权利要求1所述的虚拟电池管理系统，其特征在于，所述动力电池仿真单元存储的数据为动力电池实验数据库、动力电池电路模型、动力电池热模型和动力电池状态参数关系图表。
4.权利要求1所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，它分为以下步骤 1)由人机交互单元提供动力电池模型参数配置界面，通过输入试验型号动力电池的参数来确定试验型号动力电池模型，动力电池仿真单元依此为依据提供动力电池模型特性曲线；判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合，如果判断结果为否，则通过人机交互单元来修正试验型号动力电池的参数，从而微调动力电池模型特性曲线，然后继续判断动力电池模型特性曲线是否与试验型号动力电池相符合；如果判断结果为是，进入步骤2)；2)通过人机交互单元设定虚拟电池管理系统的运行方案；设定完成后，将上述运行方案和试验型号动力电池模型保存为一个工程文件，同时进入步骤3)；3)调用已有的工程文件或承接步骤2、，中央数据处理单元根据上述运行方案和试验型号动力电池模型初始化CAN通信单元和电子负载控制单元，电子负载控制单元通过以太网、RS485通讯或RS232通讯建立电子负载与电子负载控制单元的通讯连接，CAN通信单元基于虚拟电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议，建立与待测充电设备的通讯连接；然后测试通讯连接是否正常，如果结果为否，则进入步骤5)，如果结果为是，则进入步骤4)；4)中央数据处理单元读取试验型号动力电池的参数和虚拟电池管理系统的运行方案， 然后通过电子负载控制单元设定电子负载的初始状态，同时启动测量单元；中央数据处理单元将虚拟电池管理系统的充电级别要求和试验型号动力电池模型的实时充电信息通过CAN通信单元发送给待测充电设备；待测充电设备根据上述充电级别要求和实时充电信息实时调整充电参数，同时向虚拟电池管理系统发送充电状态信息；虚拟电池管理系统根据接收情况判断是否符合充电要求，如果虚拟电池管理系统接收超时或接收到的充电状态信息不符合充电要求，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，则运行下一步操作；测量单元监测待测充电设备实际的充电电流、充电电压，中央数据处理单元判断监测到的充电电流、充电电压是否在误差允许范围；如果判断结果为否，则发出充电结束命令， 转到步骤5)，如果判断结果为是，则将测量单元得到的充电电流与充电电压两项数据输入到试验型号动力电池模型，通过试验型号动力电池模型计算并更新充电状态参数；中央数据处理单元先判断充电状态参数是否在工程设定的正常范围内，如果判断结果为否，则发出充电结束命令，转到步骤5)，如果判断结果为是，电子负载控制单元根据充电状态参数控制电子负载的工作状态，以模拟真实动力电池负载的充电电流和充电电压；最后中央数据处理单元判断虚拟电池管理系统是否达到充电结束条件，如果判断结果为否，中央数据处理单元再次将虚拟电池管理系统的充电级别要求和试验型号动力电池模型的实时充电信息通过CAN通信单元发送给待测充电设备；如果判断结果为是，则发出充电结束命令，转到步骤5)；5)中央数据处理单元接收到充电结束命令后，控制CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元，从而进入充电结束阶段，同时通过人机交互单元输出充电结束统计信息。
5.根据权利要求3所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述动力电池仿真单元在步骤1)完成后相当于一个虚拟电池包，当待测充电设备采用恒流充电方式或脉冲充电方式时，动力电池仿真单元根据测量单元所测得的充电电流计算试验型号动力电池的荷电状态、虚拟电池包端口电压、虚拟电池包中单体电池电压和温度，并根据试验型号动力电池的荷电状态、虚拟电池包端口电压、虚拟电池包中单体电池电压和温度来模拟试验型号动力电池；电子负载控制单元根据虚拟电池包端口电压值设定电子负载的初始状态，使虚拟电池管理系统处于充电运行阶段；当待测充电设备采用恒压充电方式时，动力电池仿真单元根据测量单元所测得的充电电压计算试验型号动力电池的荷电状态、充电电流、虚拟电池包中单体电池电压和温度，并根据试验型号动力电池的荷电状态、充电电流以及虚拟电池包中单体电池电压和温度来模拟试验型号动力电池；电子负载控制单元根据充电电流值设定电子负载的初始状态，使虚拟电池管理系统处于充电运行阶段。
6.根据权利要求3所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述试验型号动力电池的参数为试验型号动力电池的类型、内部单体电池串联数、生产厂家、额定容量、 额定电压和散热模式；所述动力电池模型特性曲线为电流曲线、电压曲线、电池荷电状态曲线和温度曲线； 所述虚拟电池管理系统的运行方案为虚拟电池管理系统的运行模式、时间系数、充电参数以及动力电池状态参数；所述时间系数为实际时间1秒与虚拟电池管理系统中虚拟充电时间1秒的比值； 所述虚拟电池管理系统的充电级别要求为充电模式、电流需求和电压需求； 所述试验型号动力电池模型的实时充电信息为估计充满时间、当前电池荷电状态、电池组的最高温度与最低温度、充电电流和充电电压；所述充电状态信息为累计充电时间、充电电流和充电电压； 所述充电状态参数为虚拟电池的荷电状态、单体电压和单体电池温度； 所述充电结束命令为在人机交互单元人为输入的充电结束命令、待测充电设备发出的充电结束命令、测量单元由于测量值超限而发出的充电结束命令、电子负载控制单元由于电子负载异常而发出的充电结束命令和步骤4)中所提及的充电结束命令；所述充电结束统计信息为结束原因、累计充电时间、单体电池电压的最高值和最低值、 初始和结束时的电池荷电状态、累计充电时间、充电输入能量和充电输入电量。
7.根据权利要求3所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述人机交互单元对试验型号动力电池的参数的修正方法为对全部试验型号动力电池的参数进行统一修正，或对部分试验型号动力电池的参数进行修正。
8.根据权利要求3所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述试验型号动力电池为新型电池时，通过向动力电池仿真单元中导入实验数据来增加动力电池模型。
9.根据权利要求3所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述虚拟电池管理系统在完成充电结束阶段后，能够生成虚拟电池管理系统运行报告；所述人机交互单元能够直接读取中央数据处理单元中的历史数据并进行分析处理。
10.根据权利要求10所述的虚拟电池管理系统的应用方法，其特征在于，所述虚拟电池管理系统运行报告为充电过程中虚拟电池的状态信息、待测充电设备的状态信息和充电结束统计信息。
全文摘要
本发明公开了属于新能源技术领域的虚拟电池管理系统及其应用方法。虚拟电池管理系统的结构如下中央数据处理单元分别连接人机交互单元、动力电池仿真单元、CAN通信单元、测量单元和电子负载控制单元。本发明的有益效果是第一，将实际使用过程中可能遇到的充电对象的状态和充电要求集成于一个系统；第二，实现了虚拟电池管理系统与待测充电设备之间的充电状态信息交互；第三，本发明可以对试验型号动力电池模型参数和时间系数进行调整，提高了对充电设备的可控性及工作效率；第四，本发明提供了充电设备对动力电池充电过程中对动力电池的影响参考，实现了充电负载的多样性和充电设备测试环境的普遍性。
文档编号G01R31/00GK102411128SQ20111020865
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月25日 优先权日2011年7月25日
发明者李伟, 谷建成, 颜湘武 申请人:华北电力大学(保定)