CN101141012A - 一种集散式动力电池组动态均衡管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集散式动力电池组动态均衡管理系统。该系统包括电池监测子系统(7)、电池均衡子系统(1)、电池管理子系统(12)和上位机(10)。电池监测子系统(7)主要由多个单体电池采样模块组成，电池管理子系统(12)包括以微控制器为核心的电池管理ECU、多通道通讯电路(23)和总线通讯模块以及通道选通控制模块，电池均衡子系统(1)由多个单体电池均衡模块(2)与通道选择电路(3)连接组成。本发明所形成的新的动力电池组动态均衡管理系统具有紧凑的拓扑布局、结构简单、性能可靠，便于移植、维护和扩展，实现了集中监控，动态分散均衡的管理方式，它具备优良的调节控制性能和较高的可靠性。

Description

一种集散式动力电池组动态均衡管理系统

技术领域

本发明涉及一种集散式动力电池组均衡管理系统。该系统可用于纯电动汽车、混合动力电动汽车、燃料电池电动汽车、电动船舶或其它装备动力电池组的领域。

背景技术

目前，国内外所研制的动力电池组能量管理系统一般都是从安全的角度来设计的。严格的来讲，一般的电池管理系统仅具备电池监测的功能。这种系统能对电池的状态参数进行监测，并将各类故障通过总线通讯技术报告给上位机。在安全角度上来讲，普通的电池管理系统大都通过模拟电路来控制电池的充电截止电压、放电截止电压和电池温度这几个参数，以确保电池不被损坏。这样，它实际上最多只是简单的实现了均衡充电，没有均衡放电的功能。当一组电池中某一个电池出现放电截至电压时，整组电池就不能工作了，造成很大的资源浪费，降低了电动汽车的续使里程。而且，它对电池剩余电量(State of Charge，简称SOC)的估计一般是静态的，精度比较低，实时性不强。总而言之，这种动力电池管理系统只是基于安全来设计的，并不是真正意义上的能量管理系统，而且它只根据电池的充电、放电截至电压来判断充放电与否(可称之为两点控制)，只能满足纯电动汽车的基本要求。对于混合动力电动汽车，在控制策略中，一般都要求电池工作在既不充饱也不放光的高效率工作段，这样这种两点控制的电池能量管理系统没有任何意义可言，它不能满足混合动力电动汽车的要求。

要实现真正意义上的电池能量管理系统，最主要的问题是电池状态的监测、电池SOC预测和电池均衡的实现，这也是技术难点所在。日益发展成熟的单片机系统能采集电池的电压、电流和温度信号，采用CAN总线技术使得管理电池的电子控制单元(Electric Control Unit，简称ECU)与上位机可方便、实时地进行通讯，这使电池状态的监控易于实现。电池SOC是衡量蓄电池剩余电量的重要参数。在车辆运行条件下实时而可靠地获得电池组SOC值，是电池管理系统最基本和最首要的任务。根据电池组的SOC，可以预测电动汽车的续驶里程、控制电池的最大放电电流或调整电动车多能源动力总成的功率分配策略等。当然也可根据单电池SOC的大小分辨出电池间的性能差异，作为均衡充放电的依据来实现充放电均衡，保持电池之间的一致性，维持电池组正常工作及延长电池寿命。电池SOC预测技术在国内外都不太完善，特别是很难实现在线实时估计，且一般误差在10％左右。对于均衡充放电的实现，一般在国内外的研究工作中只考虑均衡充电，对均衡放电研究甚少。在给每节电池都配备一个充电机之后，通过对充电使能信号的控制就可以简单实现电池的独立充电，从而实现均衡充电，而均衡放电的实现在技术上有很大的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种集散式动力电池组动态均衡管理系统。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种集散式动力电池组动态均衡管理系统，其特征在于该系统包括电池监测子系统(7)、电池均衡子系统、电池管理子系统和上位机；所述电池监测子系统由主要多个单体电池采样模块组成，每个单体电池采样模块分别通过电缆与电池组的一单体电池连接，各个单体电池监测模块之间采用单总线通讯单总线连接，并通过单总线与电池管理子系统连接；所述电池管理子系统包括以微控制器为核心的电池管理ECU、多通道通讯电路和总线通讯模块以及通道选通控制信号模块，该ECU是以具有I/O模块和SCI、SPI和CAN通信模块的集成IC芯片CPU为核心，辅以外围电路组成的；上位机通过通讯总线与电池管理子系统的总线通讯模块连接；所述电池均衡子系统由多个单体电池均衡模块与通道选择电路连接组成，单体电池均衡模块分别与电池管理子系统)连接，通道选择电路分别与电池组的单体电池和电池管理子系统连接。

所述电池监测子系统包括分压电路、分流器、滤波电路、单体电池采样模块、驱动电路和高速光藕隔离电路；所述分压电路和分流器一端分别与充电单体电池连接，另一端分别与滤波电路连接，滤波电路与单体电池采样模块连接，单体电池采样模块通过单总线与驱动电路连接，驱动电路通过单总线与高速光藕隔离电路连接，高速光藕隔离电路通过单总线与电池管理子系统的多通道通讯电路连接；其它电池检测模块通过单总线与多通道通讯电路连接；单体电池采样模块还与DC/DC隔离电源连接。单体电池监测模块对单体电池的状态监测是采用单总线工作方式，进出芯片的数据通过一根数据、地址、电源复用线完成。电池监测子系统7与电池管理子系统之间的通讯是依靠单总线来完成的，电池管理子系统与上位机是通过通讯总线(如单总线、CAN总线、FlexRay总线等)来完成。

所述单体电池均衡模块包括直流/直流(DC/DC)斩波电路、隔离驱动和脉宽调制(PWM)控制器，所述DC/DC斩波电路一端与高压总线连接，另一端与通道选择电路连接；所述DC/DC斩波电路还通过隔离驱动与PWM控制器连接，PWM控制器分别与电池管理子系统连接，接收来自电池管理子系统的充电使能、过温保护、过流保护、过压保护和充电强度的控制指令。电池均衡子系统根据电池管理子系统的指令，对需要均衡充电的电池进行均衡充电。充电使能信号给每个充电模块提供一个是否充电的开关量信号，充电电流控制信号是控制应以多大的电流对蓄电池进行充电。在电池均衡子系统中，电池管理子系统发来的控制指令，包括使能信号和充电强度信号通过隔离之后，可以直接作为脉宽调制输出模块的控制参数，来控制充电机的开关以及充电强度，这样可以实现该电池均衡子系统的开关与充电强度的调节。电池均衡模块在功能上相当于一个可程序控制的智能充电机。

所述通道选择电路优选为矩阵开关，所述矩阵开关是由n×m个开关组成矩阵，每一开关有两种可选择的连接方式，其中n为单体电池均衡模块的个数，m为单体电池5的个数，1≤n≤m，n和m为正整数，每一个单体电池均衡模块2可以为m个单体电池中的任何一个进行按需均衡充电，n个单体电池均衡模块可以同时为m个单体电池中的n个电池进行均衡充电。均衡充电模块8的配备不是采用以前的将整个动力电池组(由m个单体电池组成，m＞1，m为正整数)每个单体电池对应一个车载充电模块的做法，而是配备n(1≤n≤m的整数)个车载充电模块，这n个充电模块通过通道选择电路与电池组连接，通过电池管理ECU控制，动态地为电池组m个电池中的n个剩余电量(即SOC)最低的单体电池按需充电，从而实现动态巡检均衡充电功能。

所述电池管理子系统和电池监测子系统通过单总线通讯，以获取各单体电池的状态信息，在对数据进行处理之后，发出对电池均衡子系统的控制信号。电池管理子系统可以通过通讯总线与上位机进行通讯。电池管理子系统ECU主程序调用电流信号采集、电压信号采集、温度信号采集子程序，然后通过运算处理、进行充电使能控制、充电电流控制和总线通讯控制。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

(1)电池监控系统采用单总线局域网，现场信号与电池管理ECU有很好的隔离，这种基于数字信号的隔离对参数测量的精度有很好的保证。

(2)电池的充放电均衡采用一组电池配备不少于或等于单体电池个数个充电机的方式，这样电池的均衡控制更为灵活，避免了一对一的配备方式，降低了成本，提高了系统的可靠性。

(3)所形成的新系统具有紧凑的拓扑布局、实现了集中监控，分散动态均衡的管理方式，它具备优良的调节控制性能和较高的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例1组成结构示意图；

图2是图1中单体电池监测模块的原理框图；

图3为图1中电池均衡模块的原理框图；

图4为图1中矩阵开关型的通道选择电路的原理图；

图5为实施例2的分组通道选择开关原理图。

具体实施方式

为进一步理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

该发明的系统组成及工作原理，现以多通道选择电路为矩阵开关的方案为例，结合图2～图5进行阐述。

实施例1

如图1所示，一种集散式动力电池组动态均衡管理系统包括电池监测子系统7、电池均衡子系统1、电池管理子系统12和上位机10；电池监测子系统7主要由多个单体电池采样模块组成，每个单体电池采样模块分别通过电缆15与电池组4的一单体电池5连接，各个单体电池监测模块之间采用单总线通讯单总线9连接，并通过单总线9与电池管理子系统12连接；电池管理子系统12包括以微控制器为核心的电池管理ECU、多通道通讯电路23和总线通讯模块以及通道选通控制信号模块，该ECU是以具有I/O模块和SCI、SPI和CAN通信模块的集成IC芯片CPU为核心，辅以外围电路组成的。上位机10通过通讯总线11与电池管理子系统12的总线通讯模块连接；所述电池均衡子系统1由多个单体电池均衡模块2与通道选择电路3连接组成，各单体电池均衡模块2通过信号线13分别与电池管理子系统12连接，通道选择电路3分别与电池组4的单体电池5连接，并通过信号线14和电池管理子系统12连接连接。电池组4与高压总线6连接。该系统中，电池管理子系统的ECU处理过后的信号可以经过通讯模块将需要的信号发送给上位机10，同时电池管理子系统12还通过充电使能、充电强度控制和通道选择信号经信号线13和14来控制电池均衡子系统1。电池均衡子系统1的电源由电池组高压总线6提供(图中未画出)，电池均衡子系统的输出通过电缆16连接到电池组4上，中间经过了通道选择电路3的选择。

单体电池监测模块8的原理如图2所示，单体电池采样模块包括分压电路19、分流器25、滤波电路20、单体电池采样模块8、驱动电路21和高速光藕隔离电路22；所述分压电路19和分流器25一端分别与充电单体电池5连接，另一端分别与滤波电路20连接，滤波电路20与单体电池采样模块8连接，单体电池采样模块8通过单总线9与驱动电路21连接，驱动电路21通过单总线9与高速光藕隔离电路22连接，高速光藕隔离电路22通过单总线9与电池管理子系统12的多通道通讯电路23连接；其它电池检测模块通过单总线与多通道通讯电路23连接；单体电池采样模块8还与DC/DC隔离电源24连接。其工作原理：首先单体电池5的电压通过分压电路19分压后，经由滤波电路20的处理，连接到电池监测芯片DS2348，而单体电池5的充电电流信号是经过分流器25转换为电压信号，再经过滤波电路20连接到电池监测芯片38。电池监测芯片DS2348自带由温度检测模块，其电源由DC/DC隔离电源24提供。电池监测芯片DS2348采集到的数据通过单总线来传输。数字信号经过单总线通讯电缆9后连接到一个放大驱动电路21上，然后经过高速光藕隔离电路22后发送到单总线上。单总线上还存在很多其它电池的检测模块，通讯电路23中带有一些多芯插座，以连接这些电池检测模块。

图3为电池均衡子系统1的电池均衡模块2的原理图。如图3所示，单体电池均衡模块2包括DC/DC斩波电路26、隔离驱动29和PWM控制器28，所述DC/DC斩波电路26一端与高压总线6连接，另一端与通道选择电路3连接；所述DC/DC斩波电路26还通过隔离驱动29与PWM控制器28连接，PWM控制器28分别与电池管理子系统12连接，接收来自电池管理子系统12的充电使能、过温保护、过流保护、过压保护和充电强度的控制指令。电池均衡模块2在功能上相当于一个可程序控制的智能充电机。工作时，充电使能控信号块给充电模块2提供一个是否充电的开关量信号，充电电流控制信号是控制应以多大的电流对蓄电池进行充电。在电池均衡子系统1中，来自电池管理子系统12的控制指令，包括使能信号和充电强度信号通过隔离之后，可以直接作为脉宽调制输出模块的控制参数，来控制充电模块2的开关以及充电强度，这样可以实现电池均衡子系统的开关与充电强度的调节。主电路是电池组高压总线6通过DC/DC斩波电路26后变成单个电池均衡电压。经过通道选择电路3后最终连接到需要均衡充电的单体电池5上。DC/DC斩波电路26是由PWM控制器28来控制的，PWM控制器28产生的PWM波经过隔离驱动电路29后可以直接驱动斩波电路中开关管。PWM控制器28的控制信号由电池管理子系统12提供，在该模块中也自带有一些温度、电流和电压采集模块，它们为PWM控制器28提供强制停止工作的信号，以保证安全。电池管理子系统12在采集到各电池的状态后，会发出通道选择信号来控制通道选择电路3，对各需要均衡充电的电池进行充电。同时，它还会输出充电使能信号、充电强度信号以及过温过流过压保护信号。充电使能信号控制PWM波的输出与否，电池管理子系统经过D/A转换电路27后的充电强度信号调节PWM波的占空比以达到控制充电电流大小的目的。

图4为矩阵开关型的通道选择电路3的原理图。如图4所示，通道选择电路3为矩阵开关，所述矩阵开关是由n×m个开关组成矩阵，每一开关有两种可选择的连接方式，其中n为单体电池均衡模块2的个数，m为单体电池5的个数，1≤n≤m，n和m为正整数，每一个单体电池均衡模块2可以为m个单体电池中的任何一个进行按需均衡充电，n个单体电池均衡模块可以同时为m个单体电池中的n个电池进行均衡充电。这n个充电模块通过矩阵开关式通道选择电路与电池组连接，通过电池管理ECU控制，动态地为电池组m个电池中的n个剩余电量(即SOC)最低的单体电池按需充电，从而实现动态巡检均衡充电功能。其工作原理是：当电池管理子系统12判断出电池组4中m个单体电池5的SOC后，经过对比分析，判断出其中n个SOC最低的单体电池5，并计算出这n个单体电池5各自所需的均衡充电电流大小，发出控制信号给通道选择开关3及电池均衡子系统1，电池均衡子系统1依据发来的指令对n个SOC最低的单体电池进行均衡充电。矩阵开关优点是，n个电池均衡模块2没有与m个单体电池5一一绑定，而是根据需要，动态分配为哪一些单体电池进行均衡。一旦某个电池均衡模块2出现故障，电池管理子系统12可以停止其工作，则剩下得(n-1)个电池均衡模块2可以正常工作，每次可以同时为m个单体电池5中的(n-1)个进行均衡。如此循环，m个单体电池均能得到均衡管理。

本发明的采用了系统的设计方法，在电池管理子系统12中，主程序调用电流信号采集、电压信号采集、温度信号采集子程序，由电池监测子系统7采集相关信息，然后通过运算处理、进行充电使能控制、充电电流控制和CAN总线通讯。电池监测是电池管理的工作任务之一，它对电池的状态进行采集。对采集到的数据进行处理的过程当中，程序会以某种特定的算法来鉴别电池的状态，例如电池荷电状态等，进而判断不均衡的电池和各类故障信号，包括温度保护信号、电压保护信号和电流保护信号等。在需要对某个电池进行均衡充电时，由电池管理子系统发出电池选通信号、充电使能信号和充电强度信号来控制对需均衡电池的选择、充电机的开关和充电强度的调节。电池监测子系统7和各单体电池监测模块及电池管理子系统12是通过单总线来通讯的，通讯严格遵守单总线协议。在电池管理子系统在开机之后，首先进行单总线的自检，判别单总线的工作是否正常，正常的话，则开始与各个单总线节点的通讯，实现各单体电池5的巡检。每个电池监测模块8都有一片电池监测芯片DS2438，负责采集电池的状态。在电池管理子系统12巡检的过程中，首先对芯片进行复位动作，在收到应答信号之后，发出电压、电流和温度转换指令，然后是等待，在转换成功之后，电池管理子系统便开始读取转换的值。在一轮电池巡检结束之后，电池管理子系统便开始新一轮的巡检。在这个过程中，电池管理子系统12还同时与上位机10通过CAN总线(或FlexRay等其他总线)进行通讯，在分析采样数据之后，将各类信息报告给上位机10。

对电池状态的采集一般需要采集的参数有：总线电压、总线电流、单电池电压、单电池均衡电流和电池温度。总线电压的获取必须具备高精确度，可以通过高精度的隔离电压采集模块来实现。电流采样可以用具备高精度的隔离电流采集模块。对单体电池参数的采集，由于由单体电池串连构成的电池组中，每节电池的地电位是不一致的，并且电势相差特别大。简单的用多路A/D采样是不能够达到目的的。本发明对单体电池电压信号的隔离，最终将信号能共地。在对信号进行隔离的时候，本发明采取光耦隔离芯片对数字量进行隔离。

实现电池状态的采集一般有如下方案：本实施例采用独立采样方案避免了巡检采样的缺点，通过给每个电池配备独立的电池状态监测模块，各采集系统中通过数据来通讯。在本发明中，电池监测子系统7采用以DS2438芯片为核心的电池监测模块。DS2438是DALLAS公司生产的专用电池检测芯片，它是单总线工作方式，进出芯片的数据通过一根数据线、地址、电源复用线完成。电池管理子系统采用以Motorola的高性能16位HCS12系列微控制器的MC9S12DB128单片机为核心的ECU，该芯片集成了丰富的I/O模块和SCI、SPI、CAN等一系列通信模块，与上位机通过CAN总线来进行通讯。本发明电池监测子系统7采用单总线局域网，现场信号与电池管理子系统12有很好的隔离，这种基于数字信号的隔离对参数测量的精度有很好的保证。电池的充放电均衡采用一组电池配备不多于电池个数个充电模块的方式，避免了一对一的配备方式，降低了成本，提高了系统的可靠性。

本系统在各种模式下的工作情况如下：

(1)停车均衡模式。如果在车辆行驶的过程中的电池均衡过程没有结束，车辆停止行驶后，只要不要切断整车高压和24V低压，系统仍然继续进行电池均衡。

(2)停车外接充电模式。该模式可以实现电池的定期均衡充电维护。电池管理系统有一个模式选择开关，即均衡模式和充电模式。电池在停止使用后，如果剩余电量不足，可以外接充电机对电池均衡。外接充电有3种模式，即直充模式、均充模式和混合快充模式。在直充模式下，外接充电机直接连接电池组，给电池组串连充电。此时充电电流比较灵活，可以大电流充电也可以小电流充电，而电池电池均衡子系统工作于均衡模式。在均充模式下，外接充电机不直接连接电池组，而是只连接电池电池均衡子系统，此时电池均衡子系统工作于充电模式。这种模式需要同时切断电池电池均衡子系统与电池组的连接。在这种均充模式下，电池电池均衡子系统对电池独立充电，以达到电池均衡目的。另外一种是混合快充模式，即现直充，再均充，这样可以提高充电和均衡的效率，达到快充的目的。

(3)行车均衡模式。车辆在行驶过程中，如果发现某个电池存在不均衡的现象，电池电池均衡子系统将在电池组高压总线上取电来对不均衡的电池均衡。在行车过程中，判定哪个电池或者哪几个电池不均衡是由控制策略决定的。

(4)行车电能反馈模式。这种模式是在电动汽车采用了电池均衡系统之后的一个很大的特别之处。普通的电动汽车在进行电能反馈的时候，如果发电电压低于电池组电压，则只能通过DC/DC泵压之后再给电池组充电。而电池电池均衡子系统的供给电压范围比较广泛，比如可以工作于150v-500v之间，这样即使发电电压低于电池组总电压，也可以通过电池电池均衡子系统来吸收反馈的电能。这种模式需要电池管理ECU根据整车的当前状态来启动，它需要同时切断电池电池均衡子系统与电池组的连接。

(5)行车充电模式。这种模式会给混合动力电动汽车提供全新的行车充电方法。它不需要发电机提供高于电池组总线电压的高压，发电机工作于低转速时所产生的低压也可以通过电池电池均衡子系统来给电池均衡充电。这种模式也需要电池管理ECU根据整车的当前状态来启动，它需要切断电池电池均衡子系统与电池组的连接。

实施例2

图5为分组式通道选择开关的原理图。如图所示，电池均衡模块2与小组电池之间通过1对多的通道开关31连接。为简化系统结构及降低成本，通道选择开关可以选用分组式管理。即将动力电池组的m个单体电池5在布置上分为n个小组，配备n个电池均衡模块3，每个电池均衡模块3与n小组电池一一对应连接。电池监测子系统7和电池管理子系统12与实施例1相同。这种方案的优点是每个电池均衡子系统固定管理1小组电池，通道开关结构简单，便于查错。其余部分的工作原理与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种集散式动力电池组动态均衡管理系统，其特征在于该系统包括电池监测子系统(7)、电池均衡子系统(1)、电池管理子系统(12)和上位机(10)；所述电池监测子系统(7)由主要多个单体电池采样模块组成，每个单体电池采样模块分别通过电缆(15)与电池组(4)的一单体电池(5)连接，各个单体电池监测模块之间采用单总线通讯单总线(9)连接，并通过单总线(9)与电池管理子系统(12)连接；所述电池管理子系统(12)包括以微控制器为核心的电池管理ECU、多通道通讯电路(23)和总线通讯模块以及通道选通控制信号模块，该ECU是以具有I/O模块和SCI、SPI和CAN通信模块的集成CPU芯片为核心，辅以外围电路组成的；上位机通过通讯总线(11)与电池管理子系统(12)的总线通讯模块连接；所述电池均衡子系统(1)由多个单体电池均衡模块(2)与通道选择电路(3)连接组成，单体电池均衡模块(2)分别与电池管理子系统(12)连接，通道选择电路3分别与电池组4的单体电池5和电池管理子系统12连接。

2.根据权利要求1所述的集散式动力电池组动态均衡管理系统，其特征在于所述通道选择电路(3)为矩阵开关，所述矩阵开关是由n×m个开关组成矩阵，每一开关有两种可选择的连接方式，其中n为单体电池均衡模块(2)的个数，m为单体电池(5)的个数，1≤n≤m，n和m为正整数，每一个单体电池均衡模块(2)可以为m个单体电池中的任何一个进行按需均衡充电，n个单体电池均衡模块可以同时为m个单体电池中的n个电池进行均衡充电。

3.根据权利要求1所述的集散式动力电池组动态均衡管理系统，其特征在于所述单体电池采样模块包括分压电路(19)、分流器(25)、滤波电路(20)、单体电池采样模块(8)、驱动电路(21)和高速光藕隔离电路(22)；所述分压电路(19)和分流器(25)一端分别与充电单体电池(5)连接，另一端分别与滤波电路(20)连接，滤波电路(20)与单体电池采样模块(8)连接，单体电池采样模块(8)通过单总线(9)与驱动电路(21)连接，驱动电路(21)通过单总线(9)与高速光藕隔离电路(22)连接，高速光藕隔离电路(22)通过单总线(9)与电池管理子系统(12)的多通道通讯电路(23)连接；其它电池检测模块通过单总线与多通道通讯电路(23)连接；单体电池采样模块(8)还与DC/DC隔离电源(24)连接。

4.根据权利要求1所述的集散式动力电池组动态均衡管理系统，其特征在于所述单体电池均衡模块(2)包括DC/DC斩波电路(26)、隔离驱动(29)和PWM控制器(28)，所述DC/DC斩波电路(26)一端与高压总线(6)连接，另一端与通道选择电路(3)连接；所述DC/DC斩波电路(26)还通过隔离驱动(29)与PWM控制器(28)连接，PWM控制器(28)分别与电池管理子系统(12)连接，接收来自电池管理子系统(12)的充电使能、过温保护、过流保护、过压保护和充电强度的控制指令。

Images