[发明专利]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

说明书

本发明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。

所属技术领域

本发明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-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。本发明主要应用于能源系统领域及其可靠性领域。

背景技术

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-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。

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。

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。

发明内容

本发明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。

为实现上述目的，本发明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。

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。

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。