CN101039034A - 电池组管理系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池组管理系统，包括电动执行装置以及外部充电设备和外部放电设备，其特征在于它是由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、系统供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成。系统的工作方法为通过CPU对电池组中各电池单体电压进行分析，从而控制各电池单体平衡。本发明的优越性和技术效果在于：可以实时对电池组中的各电池单体电压进行取样，并对各电池单体进行有效的变流调整，保持充放电时电池组的各电池单体平衡，达到延长电池组使用寿命的目的，具有广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域：
本系统属于电池领域，特别涉及一种电池组管理系统及其工作方法，尤其是属于铅酸、镍氢、锂离子、锂离子聚合物等类二次电池组成的电池组，旨在发挥电池潜能、延长电池组寿命的管理系统。
(二)背景技术：
目前，电池组在使用之初各个单体间的性能差异较小，但在使用中，随着使用循环充放电次数的增加，这些差异会逐次放大，最终导致电池组报废，这既浪费资源，又不利于环保。其原因是在充放电环节中，无论三段式充电，还是几段式充电，都是对电池组整体进行串连充电，无法满足电池单体充电的技术要求，更无法解决每只电池不平衡的个体问题；在放电环节中，会出现类似于充电环节的情况，因为都是对电池组整体进行串连放电控制，无法满足电池单体的放电技术要求，最终导致了电池组严重不平衡，造成了电池组寿命远远小于电池单体寿命。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种电池组管理系统及其工作方法，它可以解决由多个相同电池组成的电池组在充、放电环节中出现的各单体电池不平衡进而导致电池组循环寿命缩短的普遍问题。
本发明的技术方案：一种电池组管理系统，包括电动执行装置以及外部充电设备和外部放电设备，其特征在于它是由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、系统供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成；所说的数据处理单元的输入端分别连接电池状态采样单元的输出端和系统供电识别基准单元的输出端，其输出端分别连接充电平衡调整执行单元的输入端、放电控制执行单元的输入端、电池状态采样单元的输入端及充电状态指示单元的输入端；所说的充电平衡调整执行单元通过引线连接由单体电池组成的电池组中各电池单体的正负极，其输入端连接外部充电设备的输出端；所说的放电控制执行单元通过引线连接电池组，其输出端连接电动执行装置的输入端；所说的电池状态取样单元的输入端通过引线连接电池组中各电池单体的正负极；所说的系统供电识别基准单元的输入端连接外部充电设备的输出端和外部放电设备的输出端；所说的电动执行装置的输出端连接外部放电设备的输入端；其中充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻；所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻、放电识别电阻、供电限流电阻、隔离二极管和稳压管；所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻和发光二极管。
上述所说的电池组是由n个电池单体组成，n的取值范围为3-250，其连接各电池单体正负极的引线应当是(n+1)条。
上述所说的数据处理单元可以是管理由5≤n≤250个电池单体组成的电池组的包括两个以上CPU的数据处理单元，也可以是管理由3≤n≤4个电池单体组成的电池组的包括单个低端CPU的数据处理单元。
上述所说的包括两个以上CPU的数据处理单元是由高端CPU、低端CPU、数据传输隔离器件、译码器和多路模拟开关所构成；所说的高端CPU输出端连接数据传输隔离器件的输入端、译码器的输入端和多路模拟开关的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端和多路模拟开关的输出端；所说的低端CPU的输出端连接数据传输隔离器件的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端；所说的数据传输隔离器件的输出端连接多路模拟开关的输入端，其输入端连接多路模拟开关的输出端；所说的译码器的输出端连接多路模拟开关的输入端。
一种电池组管理系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)外部充电设备或放电设备连入系统供电识别基准电路后，本系统开始工作，判断是否充电，“是”则转(2)，“否”则转(8)；
(2)充电开始；
(3)判断是否是新电池，“是”则转(4)，“否”则转(6)；
(4)采集各电池单体数据；
(5)对各电池单体电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行小比例调整，调整完毕转(4)；
(6)采集各电池单体数据；
(7)对各路电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行大比例调整，调整完毕转(6)；
(8)放电开始；
(9)采集各电池单体数据；
(10)判断各电池单体电压值是否小于电池组放电终止电压的平均值Vmin/n，“是”则转(11)，“否”则转(9)；
(11)控制输出；
(12)判断各电池单体电压值是否大于电池组恢复电压的平均值Vmid/n，“是”则转(13)，“否”则转(11)；
(13)取消输出，转(9)。
上述所说的采集各电池单体数据，当3≤n≤4时，由低端CPU直接采集各电池单体的电压并进行控制；当5≤n≤250时，先由高端CPU通过译码器、多路模拟开关等器件进行编解码、片选等工作完成对n个电池单体的采样和控制。
上述所说的充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻R21、驱动电阻R22和调整管MOSFET2，其中的调整管MOSFET2的漏极通过R21连接各电池单体的正极，其栅极通过R22连接数据处理单元的通用I/O口，其源极连接各电池单体的负极。
上述所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻R62、驱动电阻R61和调整管MOSFET6，其中MOSFET6的漏极连接电动执行装置的输入端，其栅极通过R61连接数据处理单元的通用I/O口，其源极接地。
上述所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻R31、R32，其中每组的R31、R32的两端分别连接各电池单体的正负极，其分压点连接数据处理单元的A/D转换口。
上述所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻R53、R55，放电识别电阻R52、R54，供电限流电阻R51，隔离二极管D1、D2，和稳压管DW1，其中R52、R54和R53、R55构成分压电路连接数据处理单元的通用I/O口，R51、D1、D2和DW1构成系统供电电路连接数据处理单元的电源端。
上述所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻R4和发光二极管LED，其中LED的正极端通过R4连接数据处理单元的通用I/O口，LED的负极端接地。
上述所说的低端CPU可以采用ATMEL公司的51、AVR系列产品和MICROCHIP的PIC系列产品；所说的高端CPU可以采用ARM、486系列产品；所说的数据传输隔离器件可以选用光电耦合器、红外传感器和数字变压器。
本发明的优越性和技术效果在于：可以实时对电池组中各电池单体电压进行取样，并对各电池单体进行有效的变流调整，保持充、放电时电池组的各电池单体平衡，达到延长电池组使用寿命的目的，具有广阔的应用前景。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉电池组管理系统及其工作方法中的电池组管理系统原理框图；
图2为本发明所涉电池组管理系统及其工作方法中的由n个电池单体组成的电池组的电池组管理系统的原理框图；
图3为本发明所涉电池组管理系统及其工作方法中的由4个电池单体组成的电池组的电池组管理系统的原理框图；
图4为图2所涉电路结构图；
图5为图3所涉电路结构图；
图6为本发明所涉电池组管理系统工作方法的程序流程图。
(五)具体实施方式：
实施例1：一种电池组管理系统(见图1)，包括电动执行装置以及外部充电设备和外部放电设备，其特征在于它是由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、系统供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成；所说的数据处理单元的输入端分别连接电池状态采样单元的输出端和系统供电识别基准单元的输出端，其输出端分别连接充电平衡调整执行单元的输入端、放电控制执行单元的输入端、电池状态采样单元的输入端及充电状态指示单元的输入端；所说的充电平衡调整执行单元通过引线连接由单体电池组成的电池组中各电池单体的正负极，其输入端连接外部充电设备的输出端；所说的放电控制执行单元通过引线连接电池组，其输出端连接电动执行装置的输入端；所说的电池状态取样单元的输入端通过引线连接电池组中各电池单体的正负极；所说的系统供电识别基准单元的输入端连接外部充电设备的输出端和外部放电设备的输出端；所说的电动执行装置的输出端连接外部放电设备的输入端；其中充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻；所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻、放电识别电阻、供电限流电阻、隔离二极管和稳压管；所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻和发光二极管。
上述所说的电池组是由4个电池单体组成，其连接各电池单体正负极的引线应当是5条。(见图5)
上述所说的数据处理单元(见图3、图5)是管理由4个电池单体组成的电池组的包括单个低端CPU如ATMEL公司的51系列CPU的数据处理单元。
一种电池组管理系统的工作方法(见图6)，其特征在于它包括以下步骤：
(1)外部充电设备或放电设备连入系统供电识别基准电路后，本系统开始工作，判断是否充电，“是”则转(2)，“否”则转(8)；
(2)充电开始；
(3)判断是否是新电池，“是”则转(4)，“否”则转(6)；
(4)采集各电池单体数据；
(5)对各电池单体电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行小比例调整，调整完毕转(4)；
(6)采集各电池单体数据；
(7)对各路电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行大比例调整，调整完毕转(6)；
(8)放电开始；
(9)采集各电池单体数据；
(10)判断各电池单体电压值是否小于电池组放电终止电压的平均值Vmin/n，“是”则转(11)，“否”则转(9)；
(11)控制输出；
(12)判断各电池单体电压值是否大于电池组恢复电压的平均值Vmid/n，“是”则转(13)，“否”则转(11)；
(13)取消输出，转(9)。
上述所说的采集各电池单体数据(见图6)，由低端CPU直接采集各电池单体的电压并进行控制。
上述所说的充电平衡调整执行单元(见图5)包括不少于一组的调整限流电阻R21、驱动电阻R22和调整管MOSFET2，其中的调整管MOSFET2的漏极通过R21连接各电池单体的正极，其栅极通过R22连接数据处理单元的通用I/O口，其源极连接各电池单体的负极。
上述所说的放电控制执行单元(见图5)包括调整限流电阻R62、驱动电阻R61和调整管MOSFET6，其中MOSFET6的漏极连接电动执行装置的输入端，其栅极通过R61连接数据处理单元的通用I/O口，其源极接地。
上述所说的电池状态采样单元(见图5)包括不少于一组的采样电阻R31、R32，其中每组的R31、R32的两端分别连接各电池单体的正负极，其分压点连接数据处理单元的A/D转换口。
上述所说的系统供电识别基准单元(见图5)包括充电识别电阻R53、R55，放电识别电阻R52、R54，供电限流电阻R51，隔离二极管D1、D2，和稳压管DW1，其中R52、R54和R53、R55构成分压电路连接数据处理单元的通用I/O口，R51、D1、D2和DW1构成系统供电电路连接数据处理单元的电源端。
上述所说的充电状态指示单元(见图5)包括不少于一组的显示限流电阻R4和发光二极管LED，其中LED的正极端通过R4连接数据处理单元的通用I/O口，LED的负极端接地。
实施例2：一种电池组管理系统(见图1)，包括电动执行装置以及外部充电设备和外部放电设备，其特征在于它是由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、系统供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成；所说的数据处理单元的输入端分别连接电池状态采样单元的输出端和系统供电识别基准单元的输出端，其输出端分别连接充电平衡调整执行单元的输入端、放电控制执行单元的输入端、电池状态采样单元的输入端及充电状态指示单元的输入端；所说的充电平衡调整执行单元通过引线连接由单体电池组成的电池组中各电池单体的正负极，其输入端连接外部充电设备的输出端；所说的放电控制执行单元通过引线连接电池组，其输出端连接电动执行装置的输入端；所说的电池状态取样单元的输入端通过引线连接电池组中各电池单体的正负极；所说的系统供电识别基准单元的输入端连接外部充电设备的输出端和外部放电设备的输出端；所说的电动执行装置的输出端连接外部放电设备的输入端；其中充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻；所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻、放电识别电阻、供电限流电阻、隔离二极管和稳压管；所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻和发光二极管。
上述所说的电池组是由18个电池单体组成，其连接各电池单体正负极的引线应当是19条。(见图4)
上述所说的数据处理单元(见图2、图4)可以是管理由18个电池单体组成的电池组的包括两个以上CPU的数据处理单元。
上述所说的包括两个以上CPU的数据处理单元(见图2、图4)是由高端CPU如ARM、低端CPU如51系列CPU、数据传输隔离器件如光电耦合器、译码器如74LS138和多路模拟开关如CD4067所构成；所说的高端CPU输出端连接数据传输隔离器件的输入端、译码器的输入端和多路模拟开关的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端和多路模拟开关的输出端；所说的低端CPU的输出端连接数据传输隔离器件的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端；所说的数据传输隔离器件的输出端连接多路模拟开关的输入端，其输入端连接多路模拟开关的输出端；所说的译码器的输出端连接多路模拟开关的输入端。
一种电池组管理系统的工作方法(见图6)，其特征在于它包括以下步骤：
(1)外部充电设备或放电设备连入系统供电识别基准电路后，本系统开始工作，判断是否充电，“是”则转(2)，“否”则转(8)；
(2)充电开始；
(3)判断是否是新电池，“是”则转(4)，“否”则转(6)；
(4)采集各电池单体数据；
(5)对各电池单体电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行小比例调整，调整完毕转(4)；
(6)采集各电池单体数据；
(7)对各路电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行大比例调整，调整完毕转(6)；
(8)放电开始；
(9)采集各电池单体数据；
(10)判断各电池单体电压值是否小于电池组放电终止电压的平均值Vmin/n，“是”则转(11)，“否”则转(9)；
(11)控制输出；
(12)判断各电池单体电压值是否大于电池组恢复电压的平均值Vmid/n，“是”则转(13)，“否”则转(11)；
(13)取消输出，转(9)。
上述所说的采集各电池单体数据(见图6)，先由高端CPU通过译码器、多路模拟开关等器件进行编解码、片选等工作完成对18个电池单体的采样和控制。
上述所说的充电平衡调整执行单元(见图4)包括不少于一组的调整限流电阻R21、驱动电阻R22和调整管MOSFET2，其中的调整管MOSFET2的漏极通过R21连接各电池单体的正极，其栅极通过R22连接数据处理单元的通用I/O口，其源极连接各电池单体的负极。
上述所说的放电控制执行单元(见图4)包括调整限流电阻R62、驱动电阻R61和调整管MOSFET6，其中MOSFET6的漏极连接电动执行装置的输入端，其栅极通过R61连接数据处理单元的通用I/O口，其源极接地。
上述所说的电池状态采样单元(见图4)包括不少于一组的采样电阻R31、R32，其中每组的R31、R32的两端分别连接各电池单体的正负极，其分压点连接数据处理单元的A/D转换口。
上述所说的系统供电识别基准单元(见图4)包括充电识别电阻R53、R55，放电识别电阻R52、R54，供电限流电阻R51，隔离二极管D1、D2，和稳压管DW1，其中R52、R54和R53、R55构成分压电路连接数据处理单元的通用I/O口，R51、D1、D2和DW1构成系统供电电路连接数据处理单元的电源端。
上述所说的充电状态指示单元(见图4)包括不少于一组的显示限流电阻R4和发光二极管LED，其中LED的正极端通过R4连接数据处理单元的通用I/O口，LED的负极端接地。
上述所说的低端CPU(见图1-5)可以采用ATMEL公司的51、AVR系列产品和MICROCHIP的PIC系列产品；所说的高端CPU(见图1、图2、图4)可以选用如ARM、486系列产品；所说的数据传输隔离器件(见图1、图2、图4)可以选用光电耦合器、红外传感器和数字变压器。
Claims (7)
1、一种电池组管理系统，包括电动执行装置以及外部充电设备和外部放电设备，其特征在于它是由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、系统供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成；所说的数据处理单元的输入端分别连接电池状态采样单元的输出端和系统供电识别基准单元的输出端，其输出端分别连接充电平衡调整执行单元的输入端、放电控制执行单元的输入端、电池状态采样单元的输入端及充电状态指示单元的输入端；所说的充电平衡调整执行单元通过引线连接由单体电池组成的电池组中各电池单体的正负极，其输入端连接外部充电设备的输出端；所说的放电控制执行单元通过引线连接电池组，其输出端连接电动执行装置的输入端；所说的电池状态取样单元的输入端通过引线连接电池组中各电池单体的正负极；所说的系统供电识别基准单元的输入端连接外部充电设备的输出端和外部放电设备的输出端；所说的电动执行装置的输出端连接外部放电设备的输入端；其中充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻、驱动电阻和调整管；所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻；所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻、放电识别电阻、供电限流电阻、隔离二极管和稳压管；所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻和发光二极管。
2、根据权利要求1所说的一种电池组管理系统，其特征在于所说的电池组是由n个电池单体组成，n的取值范围为3-250，其连接各电池单体正负极的引线应当是(n+1)条。
3、根据权利要求2所说的一种电池组管理系统，其特征在于所说的数据处理单元可以是管理由5≤n≤250个电池单体组成的电池组的包括两个以上CPU的数据处理单元，也可以是管理由3≤n≤4个电池单体组成的电池组的包括单个低端CPU的数据处理单元。
4、根据权利要求3所说的一种电池组管理系统，其特征在于所说的包括两个以上CPU的数据处理单元是由高端CPU、低端CPU、数据传输隔离器件、译码器和多路模拟开关所构成；所说的高端CPU输出端连接数据传输隔离器件的输入端、译码器的输入端和多路模拟开关的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端和多路模拟开关的输出端；所说的低端CPU的输出端连接数据传输隔离器件的输入端，其输入端连接数据传输隔离器件的输出端；所说的数据传输隔离器件的输出端连接多路模拟开关的输入端，其输入端连接多路模拟开关的输出端；所说的译码器的输出端连接多路模拟开关的输入端。
5、根据权利要求1所说的一种电池组管理系统，其特征在于所说的充电平衡调整执行单元包括不少于一组的调整限流电阻R21、驱动电阻R22和调整管MOSFET2，其中的调整管MOSFET2的漏极通过R21连接各电池单体的正极，其栅极通过R22连接数据处理单元的通用I/O口，其源极连接各电池单体的负极；所说的放电控制执行单元包括调整限流电阻R62、驱动电阻R61和调整管MOSFET6，其中MOSFET6的漏极连接电动执行装置的输入端，其栅极通过R61连接数据处理单元的通用I/O口，其源极接地；所说的电池状态采样单元包括不少于一组的采样电阻R31、R32，其中每组的R31、R32的两端分别连接各电池单体的正负极，其分压点连接数据处理单元的A/D转换口；所说的系统供电识别基准单元包括充电识别电阻R53、R55，放电识别电阻R52、R54，供电限流电阻R51，隔离二极管D1、D2，和稳压管DW1，其中R52、R54和R53、R55构成分压电路连接数据处理单元的通用I/O口，R51、D1、D2和DW1构成系统供电电路连接数据处理单元的电源端；所说的充电状态指示单元包括不少于一组的显示限流电阻R4和发光二极管LED，其中LED的正极端通过R4连接数据处理单元的通用I/O口，LED的负极端接地。
6、一种电池组管理系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
(1)外部充电设备或放电设备连入系统供电识别基准电路后，本系统开始工作，判断是否充电，“是”则转(2)，“否”则转(8)；
(2)充电开始；
(3)判断是否是新电池，“是”则转(4)，“否”则转(6)；
(4)采集各电池单体数据；
(5)对各电池单体电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行小比例调整，调整完毕转(4)；
(6)采集各电池单体数据；
(7)对各路电压进行比较，判断电压最大的一路电压值是否大于电池组最高充电电压的平均值Vmax/n，“是”则对该支路进行快速调整，“否”则对该路进行大比例调整，调整完毕转(6)；
(8)放电开始；
(9)采集各电池单体数据；
(10)判断各电池单体电压值是否小于电池组放电终止电压的平均值Vmin/n，“是”则转(11)，“否”则转(9)；
(11)控制输出；
(12)判断各电池单体电压值是否大于电池组恢复电压的平均值Vmid/n，“是”则转(13)，“否”则转(11)；
(13)取消输出，转(9)。
7、根据权利要求6所说的一种电池组管理系统的工作方法，其特征在于所说的步骤(4)、(6)、(9)采集各电池单体数据为：当3≤n≤4时，由低端CPU直接采集各电池单体的电压并进行控制；当5≤n≤250时，先由高端CPU通过译码器、多路模拟开关等器件进行编解码、片选等工作完成对n个电池单体的采样和控制。
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