一种免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统及方法

本发明涉及动力电池检测的技术领域，尤其涉及一种免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统及快速诊断分析方法。

背景技术：

目前，国内的电池制造企业较多，也有多家上市企业，与电池检测系统设备产业链联系较为紧密，根据电池制造商制造电池的类型不同，电池检测设备供应商提供相应的检测设备，应用于电池制造商的日常生产及研发使用。

在国内动力电池检测设备起步较晚，从20世纪80年代开始检测设备产业萌芽，经过了近40年的逐步发展，已经形成了不少成熟且具有自主研发创新能力的设备厂家。如深圳新威电池充放电产品，其产品包含了单体电芯测试仪器和电池模组检测仪器，可应用于动力电池包脉冲充放电测试、直流内阻测试、电池模组的容量测试，配合上位机操作系统可完成待测电池检测。国内还有瑞能科技公司，其动力电池检测设备支持单体和电池模组的充放电循环测试、电池循环寿命测试以及工况模拟。上海工程技术大学动力电池实验所研发的电池医生也可以实现动力电池充放电测试，但设备体积较大且功能单一，无法对电池模组除电池性能失效模式外进行诊断。

虽然国内动力电池检测设备种类丰富，但是就内部核心重要元器件还是需要依靠进口厂商支持，并且可以发现各个不同厂家检测仪器功能单一且重复，检测功能主要是面向实验室研究或科研需求。产品价格高昂，体积庞大且操作专业化，对于在用动力电池检测场景功能冗余。在当前大批量新能源汽车动力电池容量下降和退役电池梯次利用的需求下，需要一款检测设备可实现对动力电池核心参数检测，并且通过建立电池模组失效诊断树准确定位动力电池模组异常问题，在上位机操作系统得出快速诊断结果，同时该检测设备要足够轻巧便携、价格合理，支持二次开发以及丰富的电池算法导入。所以，一种便携且能够快速测试动力电池模组性能的检测设备有极大的市场潜力。

技术实现要素：

本发明提供了一种免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统及快速诊断分析方法，解决了现有动力电池检测产品价格高昂，体积庞大，对于在用动力电池检测场景功能冗余等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统，包括嵌入式lunix设备，所述嵌入式lunix设备与扩展板、触摸屏和web客户端相连，所述扩展板通过电阻负载与待测动力电池组相连，所述待测动力电池组与电池管理系统bms相连，所述嵌入式linux设备通过i2c通讯协议给扩展板发出控制指令，控制待测动力电池组进行恒流放电，所述电池管理系统bms将放电过程中的数据以can报文的方式传送给扩展板，所述扩展板通过spi通讯协议传送给嵌入式linux设备，所述嵌入式linux设备对接收到can报文进行分析处理，生成诊断报告，通过触摸屏显示出来，还能够通过tcp/ip协议上传至云服务器，供web客户端查询和分析。

进一步，所述嵌入式lunix设备采用树莓派作为处理器，所述扩展板包括与树莓派相连的时钟模块、数模转换器、模数转换器、can信号接收模块、扩展端口，以及与数模转换器、模数转换器相连的恒流模块，所述恒流模块通过负载与待测动力电池组相连，所述时钟模块用于提供免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统运行的时间戳，所述数模转换器用于模拟输出作为一个恒流模块的控制电压输入信号，向电池组索取电能，释放到回路的负载中，完成设定的恒流放电检测。

进一步，所述树莓派安装有raspberrypidesktop系统，所述嵌入式lunix设备的软件架构采用mvc三层架构模式，并扩展成为支持b/s架构模式。

进一步，所述诊断报告包括can通讯失效检测、bms通道失效检测、单体电池直流内阻检测和自放电率检测，以及内阻一致性检测。

一种基于上文所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统的快速诊断分析方法，包括can通讯失效检测、bms通道失效检测、单体电池内阻检测和自放电率检测，以及内阻一致性检测，其中，

通过检测bms的通讯生命信息来判断can通讯是否失效；

借助换线工装，先将各个bms通道和待检动力电池组中各个单体电池按序号依次对应连接，记录此时来自各个bms通道的数据，再将各个bms通道和待检动力电池组中各个单体电池按序号错位依次对应连接，记录此时来自各个bms通道的数据，比较两次获得的数据是否一致，若是，判断bms通道正常，否则判断bms通道失效；

利用如下方程式计算待测动力电池组中各个单体电池的直流内阻r，

其中，δuo和δup分别表示由电池的欧姆内阻和极化内阻引起的电压变化；i表示放电电流；uc表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组进行放电瞬间后的电池电压；ua表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组进行放电开始前的电池电压；

利用如下方程式计算待测动力电池组中各个单体电池的自放电率k，

其中，k表示电池自放电率，mv/d；ocv1表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组第一次测试放电结束后，各个单体电池对应的开路电压，v；ocv2表示待测动力电池组存储一段时间后，再利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组第二次测试放电结束后，各个单体电池对应的开路电压，v；δ表示存储时间，d；

先根据各个单体电池的直流内阻，计算出同一时间的平均直流内阻，从而计算出此时对应的电阻标准差σ，然后将每个单体电池的直流内阻和平均直流内阻的差值与3σ进行比较，若所述差值大于3σ，进行预警，从而完成内阻一致性检测。

进一步，通过查看科列bms系统信息服务通讯协议中186040f3的第8个字节所包含的通讯生命信息是否连续来检测can通讯是否正常。

本发明有益的技术效果在于：

1.设备精简易携带，测试方便，可做到对待测电池组进行大电流恒流放电。相比于常规的测试设备，如arbin、蓝电等，不仅在测试的基础上增加了诊断功能，包括直流内阻诊断、自放电效率分析、内阻一致性分析等等，而且更加轻巧，成本更低，应用场景更广。

2.能够采集到每个单体电池在测试过程中的数据，且数据会上传至云服务器，可从网页上查看直观的测试结果。

3.远程通信功能，可将测试数据上传至云服务器，在诊断功能的基础上实现诊断结果的可追溯、可以进行有效预测及预警。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的扩展板结构示意图；

图3为本发明的b/s架构模式示意图；

图4为本发明的部分科列bms系统信息服务通讯协议的示意图；

图5为本发明的bms通道和电池组中各个单体电池对应连接示意图；

图6为本发明的电池直流内阻的伏安特征曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统，包括嵌入式lunix设备，该嵌入式lunix设备与扩展板、触摸屏和web客户端相连，该扩展板通过电阻负载与待测动力电池组相连，该待测动力电池组与电池管理系统bms相连，该嵌入式linux设备通过i2c通讯协议给扩展板发出控制指令，控制待测动力电池组进行恒流放电，该电池管理系统bms将放电过程中的数据以can报文的方式传送给扩展板，该扩展板通过spi通讯协议传送给嵌入式linux设备，该嵌入式linux设备对接收到can报文进行分析处理，生成诊断报告，通过触摸屏显示出来，还能够通过tcp/ip协议上传至云服务器，供web客户端查询和分析。该诊断报告包括can通讯失效检测、bms通道失效检测、单体电池直流内阻检测和自放电率检测，以及内阻一致性检测等等。

利用本发明的快速诊断分析系统对待测动力电池组进行恒流放电检测，在测试过程中，嵌入式lunix设备将接收电池管理系统bms发送的can报文，根据报文协议解析can报文内容，包括待测动力电池组的电压、放电电流以及放电时间等等，通过modelviewcontroller简称mvc架构将底层数据传递至前端触摸屏显示，把单次放电检测结果以图标的形式展示给用户，同时操作人员可通过此界面设定放电工况来控制检测仪对动力电池模组放电。本发明的快速诊断分析系统除了传统嵌入式mvc架构外，还扩展设计了browser/server简称b/s模式，可以实现数据上传至云服务器，从web浏览器端查看电池检测数据并进行电池诊断计算，其中诊断算法主要包括各类动力电池模组失效判定及分类，所有检测结果将生成excel格式诊断报告。

本发明的快速诊断分析系统包括硬件设备与软件系统，整个系统的结构框图如图1所示，其中硬件设备包括嵌入式linux设备和扩展板等，软件系统分为设备端系统和远程系统。在硬件设备中嵌入式linux设备通过i2c通讯协议给扩展板发出控制指令，控制待测动力电池组进行恒流放电，在放电过程中，通过电池管理系统bms将报文数据以can通讯的方式传入扩展板中的can总线控制器，并通过spi通讯协议在嵌入式linux设备中接收can报文。该嵌入式linux设备将在接收到can报文后，完成报文的解析、存储、初步计算和显示，同时数据除本地存储外还会通过tcp/ip协议上传至云服务器，远程系统将管理上传的检测数据、提供数据页面显示、远程控制操作界面和进一步的电池诊断算法，最终生成快速诊断报告。

具体地，该嵌入式lunix设备采用树莓派作为处理器，该扩展板包括与树莓派相连的时钟模块、数模转换器、模数转换器、can信号接收模块、扩展端口，以及与数模转换器、模数转换器相连的恒流模块，该恒流模块通过负载与待测动力电池组相连，该时钟模块用于提供免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统运行的时间戳，该数模转换器用于模拟输出作为一个恒流模块的控制电压输入信号，向电池组索取电能，释放到回路的负载中，完成设定的恒流放电检测。

本发明的快速诊断分析系统选用了树莓派(raspberrypi3b)作为嵌入式linux设备的处理器，作为整个就地端检测部分的项目代码运行设备，同时用来与扩展板连接控制待测动力电池组恒的流放电以及can报文的接收。该树莓派可以运行完整的操作系统，在系统中使用的python和c语言的系统架构在树莓派中运行较为便捷。并且树莓派自带的接口比较全面，usb-host、rj45、hdmi、sd读卡器等常用接口都有，通过连接配套显示屏可直接解决人机操作界面的问题。同时本系统设计也不局限于就地端检测，要求数据上传至云服务器将进行深度检测，树莓派可做到连接wifi网络或者网线，通过tcp/ip的通讯方式即可完成就地设备同云平台的数据连接，省去了外加扩展。通过40pin引脚与本系统中的扩展板连接，同时引脚中的包括spi和i2c等通讯接口，满足通讯控制的需求。

树莓派可支持多种不同类型的系统，包括raspbian、debiangnu、fedora、ubuntu等，这其中最适配是树莓派的系统是raspberrypios，为树莓派官方深度定制的硬件驱动与软件程序，配套的桌面版本不仅有便捷的人机交互界面，还内置了常用工具以及python3的编译环境等三万多个预安装包。综合考虑本系统的树莓派安装raspberrypidesktop系统。

该扩展板根据系统需求和树莓派本身的局限性所设计，设计结构框图如图2所示，主要包括提供时间戳的时钟模块、模拟输出作为一个恒流模块的控制电压输入的数模转换器(dac)、接受模拟信号的模数转换器(adc)、can信号接收模块、恒流模块和后续进一步开发用的扩展端口485模块。该扩展板提供了树莓派没有的dac和adc端口，并且通过dac端口给恒流模块的控制电压输入信号可以实现向待测动力电池组索取电能，释放到回路负载中，完成设定的恒流放电检测，同时在测试工程中can信号接收模块作为can的控制芯片将采集到的数据报文传入树莓派中，为后续软件系统中的数据展示和分析做准备，具体如下：

1、时钟模块

树莓派自身没有硬件实时时钟模块，特别是系统需要在高准确度下为每一条由bms发送来的报文添加时间戳，来标识出检测过程中不同时刻电池的状态，而树莓派的先天性不够在于板上的时钟频率不太稳定，所以需要在扩展板上添加时钟芯片。本系统所用的时钟模块为ds1307，是一款低功耗，具有56字节非失性ram的全bcd码时钟日历实时时钟芯片，地址和数据通过两线双向的串行总线的传输，芯片可以提供秒，分，小时等信息，每一个月的天数能自动调整,并且有闰年补偿功能。

2、数字模拟转换器(dac)

在树莓派的主板上没有数字模拟转换器(dac)端口，本系统的扩展板需要模拟输出作为一个恒流电源板的控制电压的输入，所以需要增加这一端口。为后续控制的电压范围更宽，选择使用5v的电源而不是3.3v供电。要求可以支持i2c通信的芯片，本系统选择使用mcp4725芯片，它是一款低功耗、高精度、单通道的12位缓冲电压输出数模转换器，使用者可使用i2c的通讯接口命令将dac输入和配置写入存储器中，实现数模的转换功能。

3、模拟数字转换接口(adc)

在树莓派上没有模拟数字转换接口(adc)来读取模拟信号，同上文中dac端口，扩展板中将加入adc的端口接受模拟信号。为系统接收的电压的范围宽一些，选用5v电源供电。本系统所选用的芯片是具有i2c通信的ads1115，该芯片是具有16位分辨率的高精度模数转换器，采用超小型的无引线qfn封装，并且在设计时考虑了精度、功耗和实现的简易性，可应用在便携式仪器、电池监测以及温度测量的场景。

4、can信号接收模块

树莓派本身无法直接接收bms发送的can报文，需要由扩展板中加装can接收模块来实现spi通讯的can接收芯片。本系统选用的是can控制芯片mcp2515,该芯片能够接收和发送标准数据帧、扩展数据帧和远程帧，并且具有符合工业标准通讯的spi串行通讯接口，可与树莓派进行通讯。

5、恒流模块

在扩展板中已经集成了adc模块、dac模块、时钟模块以及can报文接受模块，需要一个恒流模块控制电池组恒定电流放电。本系统选用的恒流模块是美国lineartech的ltc3779恒流恒压电源板，是该公司的电源产品中电压最高的一个型号，是一款高性能降压-升压型开关稳压控制器，其可在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下工作。该器件运用了恒定频率电流模式架构，故可提供一个高达600khz的可锁相频率，而一个输入/输出恒定电流环路则提供了对电池充电的支持。

至于电阻负载，在检测系统对待测动力电池组进行恒流放电的过程中，待测动力电池组放出的电能需要在测试回路中转换成电阻热能消耗掉，所以在检测过程中需要合适规格的负载电阻作为放电电能的载体。本系统所选用的负载根据检测仪测试上限所决定，最高输出电压为100v，最大输出电流为50a，最高输出功率为5kw。根据欧姆定律可得输出端的负载电阻选为2欧姆，可选择电阻器型号为zx26-2.2，其安全可靠，具有容量大，耐腐蚀、无感应，无接触电阻，阻值稳定，误差为总阻值±7.5％，使用寿命长，优于取代老式电阻器，广泛适用于各类放电测试场景，适用于在用动力锂电池快速诊断系统。

本系统的硬件系统主要有树莓派、扩展板、触摸显示屏、负载电阻器、待测电池组以及配套的bms和移动电源。这其中树莓派、扩展板、触摸显示屏和移动电源集成在便携式壳体中，其余部分通过导线和杜邦线串联。树莓派与触摸屏通过四个螺栓固定，由usb转hdmi接口连接；扩展板与树莓派通过pin脚连接，并另外有两个螺栓固定；在扩展板中除恒流模块都集中在树莓派下部，恒流模块通过杜邦线与扩展板中adc和dac模块连接；与外电路接口通过恒流模块的dc端引出，并在内部串联了安全开关。在便携式壳体内树莓派和触摸屏由5v/3a的移动电源供电。

本系统的软件部分是基于c语言和python语言所编写，采用的是三层架构的设计模块。三层架构包括数据访问层(dal)、业务逻辑层(bll)和表示层(ui)，其中数据访问层使用c语言编写，业务逻辑层和表示层用python语言编写。最上层的设备端操作界面(ui层)用来提供用户参数命令输入界面、检测数据的可视化展示以及设备本身的基本操作；业务逻辑(bll)是用来处理处理所有的业务流程，接收从ui层传来的参数命令同时调用数据访问层，包括传递参数指令、解can报文以及保存检测数据等功能；数据访问层(dal)是将业务逻辑层传递过来的指令通过不同的协议控制各种模块运行，也可以接收各模块传来的参数。还有ui层和bll层公用的参数类，该参数类作为传递载体被同时使用。

在原有的三层架构的基础上，还将系统扩展成为支持b/s架构模式，架构如图3所示。保留原有的数据访问层和业务逻辑层，表示层改为flask框架搭建的后端服务，基于tcp/ip的通讯方式以ftp的方式将数据上传至云平台服务器。云平台中服务器搭建的服务接收并保存数据，在将电池诊断算法写入逻辑处理，给前端抛出数据后用户可实现从web浏览器端查看检测数据。

其中flask框架是使用python编写的轻量级应用框架，具有很强的扩展性和灵活度，可以快速部署在云服务上作为服务端；云服务器选用的阿里云的ecs服务器，该服务器以及云计算等服务较为完善；前端web服务选用的是vue.js的渐进性式框架，通过的api实现高效的数据绑定和灵活的组件系统，配合elementui和echar可实现网站界面的快速成型；在设备端和服务器间传数据是通过ftp的方式传输，设备端树莓派作为server端发送，服务器作为client客户端接收保存至指定路径。电池算法都部署在云服务的后端中，服务器调取数据后进行计算，将结果发送至前端给展示查看。

一般情况下，动力电池系统包括单体电芯、bms、汇流排以及连接线束等，在电池检测过程中研究动力电池系统的失效类型可提高检测结果的可靠性，并对不同失效类型的电池模组提出更有效的预警与回收建议。动力电池再利用及失效检测已有相对应的安全评价标准ul1974，该标准规范了在用和梯次电池进行评估中的检测项目。针对在用动力锂电池快速设备的快速检测且适用于现场的应用场景下，将可实现的检测与ul1974标准对比分析，罗列出快速检测仪可以实现的故障测试。根据标准ul1974检测分类，本发明还提供了一种基于上文所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统的快速诊断分析方法，主要分为三个方面，分别是bms设备故障、外部连接故障以及单体电池异常，其中bms设备故障包括can通讯失效和bms通道失效，外部连接故障是指汇流排接触异常，单体电池异常包括电池内阻异常和自放电率异常、内阻一致性分析等。

电池数据分析都是从can报文中获取的，所以bms中的can通讯必须达到可正常快速收发报文，并且报文中的电池各个参数要求是能真实反映电池实验过程中的状态。在上述检测都正常下开始对电池模组诊断，此过程所使用的数据来自于功能正常的bms所发的can报文。对电池模组的诊断包括外部连接故障以及单体电池异常，其中电池连接故障是指在电池单体中极柱螺栓与can线连接松动，不排除此故障会将连接故障误判为电池本身原因所导致的数据异常，因此要优先排除此类故障。最后，在所有检测条件均正常下，根据所测得电池电压与电流的变化关系，计算得出所有单体电池的直流内阻和开路电压等等，在确定内阻阈值后得到电池的诊断评估结果。

1、can通讯失效

本系统通过检测bms的通讯生命信息来判断can通讯是否失效，可选择检测bms的通讯生命信息来判断通讯是否异常，在实际检测实例中是科列bms系统信息服务通讯协议，其中包含通讯内容的报文如图4所示，可得到在186040f3的第8个字节包含了通讯生命信息，通过查看其中的数据连续性来检测bms通讯是否正常。

2、bms通道失效

借助换线工装，先将各个bms通道和待检动力电池组中各个单体电池按序号依次对应连接，如图5所示，记录此时来自各个bms通道的数据，再将各个bms通道和待检动力电池组中各个单体电池按序号错位依次对应连接，记录此时来自各个bms通道的数据，比较两次获得的数据是否一致，若是，判断bms通道正常，否则判断bms通道失效，具体如下：

用于通道的换线工装可以根据实际需要而定，原bms通道与电池模组按序号相连接，然后换线装置将连接顺序按此推后一位相连接，最后一位和第一位再进行连接。具体的就是bms一号通道原本应该是电池组中1号电池的信息转为2号电池的信息，以此类推，bms24号通道接收的成为电池组1号的信息。通过这种更换通道的方式得到的电池数据与未更换前电池通道的数据相对比，如果bms通道以及连接线未发生故障，前后两组数据应保持一致，只是各组单体的数据的序号向后推进的一位，具体数据内容并未发生改变。

3、外部连接故障

在动力电池系统中，大多数用动力电池模组的电芯间是通过螺栓连接，在一段时间的使用过后禁锢螺栓可能发生氧化脱落或由于振动导师螺栓松动。这种现象的出现将直接导致在连接处会产生大量的热量，甚至在严重的情况下导致电池组燃烧爆炸。除此之外，长期使用的电池螺栓会发生松动，导致bms数据采集线与极柱连接不牢靠，发生这种现象会导致得到数据异常跳动变化，将健康电池错误判断为老化异常电池本系统对汇流排处螺栓连接进行故障诊断，主要是基于采集的报文数据进行分析。

4、单体电池异常检测

电池在放电的过程中前期电压会发生迅速下降，在后期电压开始缓慢下降。如图6所示，这种现象是因为在前期电池中欧姆内阻将产生电池内部分压，导致电池的电压迅速下降，而在后期主要是因为电池的极化内阻发生电化学反应而引起电压缓慢变化。根据电池全生命周期中电池内流内阻的特性，欧姆内阻引起的电压变化远大于极化内阻，在本系统的设计检测中，将这两种内阻合并归为直流内阻r进行计算。

利用如下方程式计算待测动力电池组中各个单体电池的直流内阻r，

其中，δuo和δup分别表示由电池的欧姆内阻和极化内阻引起的电压变化；i表示放电电流；uc表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组进行放电瞬间后的电池电压；ua表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组进行放电开始前的电池电压；

利用如下方程式计算待测动力电池组中各个单体电池的自放电率k，

其中，k表示电池自放电率，mv/d；ocv1表示利用权利要求1所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组第一次测试放电结束后，各个单体电池对应的开路电压，v；ocv2表示待测动力电池组存储一段时间后，再利用上文所述的免拆解的锂电池快速检测诊断分析系统对待测动力电池组第二次测试放电结束后，各个单体电池对应的开路电压，v；δ表示存储时间，d；

先根据各个单体电池的直流内阻，计算出同一时间的平均直流内阻，从而计算出此时对应的电阻标准差σ，然后将每个单体电池的直流内阻和平均直流内阻的差值与3σ进行比较，若所述差值大于3σ，进行预警，从而完成内阻一致性检测。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。