CN101141070A - 一种新型智能电机电池控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型智能电机电池控制系统，在电动车/电动摩托车/电动自行车的蓄电池组、电机、控制器原有连接关系的基础上，增加了蓄电池的管理系统，并在电机内部设置状态监视和通讯控制模块，同时，控制器也增加了和蓄电池管理系统及电机的通讯控制模块。这种电池、电机、控制器一体化结构，依靠控制器的最优控制方案，使蓄电池寿命最长化，单次使用释放电能最多，同时，根据电机的特性设计的控制方案，保证电机最多可能的运行在高效率平台上。本系统不需要对原电动车/电动摩托车/电动自行车的车型结构进行改动，可以很方便的将电池、电机、控制器最高效地“组合”起来，使电动车/电动摩托车/电动自行车的能量使用效率大幅度提高。另外，本系统具有使用广泛的特点，我国对电动车辆的需求量日趋增加，每年的需求量特别大，具有极大的社会效益和经济效益。

Description

一种新型智能电机电池控制系统

一、所属技术领域

本发明涉及直流有刷电机、直流无刷电机、交流同步电机等电机及铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池的控制系统，所述电机用于电动自行车、电动摩托车、或电动汽车的驱动装置，所述电池用于电动自行车、电动摩托车、电动汽车的动力电源装置。

二、背景技术

通常，由蓄电池给电机和控制器供电，所述蓄电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等蓄电池等动力源装置；所述电机包括直流有刷电机、直流无刷电机、交流同步电机等驱动装置；所述控制器包括根据指令值输出控制电机停止与运转的控制单元。

图1为表明现有技术电机电池控制系统的结构框图。图1中1为电动自行车、电动摩托车或电动汽车上使用的蓄电池组，根据不同的使用状况，蓄电池组有不同的电池规格，2为车用电机，3为控制器。

运行时，蓄电池组给控制器和电机提供电源，控制器则根据外部指令信号来驱动或者停止电机的运转。蓄电池作为动力源，电机作为驱动装置，控制器则根据外部指令驱动电机的运转与停止。

整个系统存在的不足在于：

(1)蓄电池的能量状态不能准确显示，可能会由于大电流放电，过放电及过充电引起的蓄电池的寿命严重缩水；

(2)电机的效率状态及发热状况没有能够实时指示，导致电机不能以最佳状况运行；

(3)控制器不能够充分发挥其功能。

导致这些缺陷的原因如下：

(1)蓄电池的放电量的大小是和其寿命密切相关的，长时间大电流的放电会降低每次蓄电池能够使用的容量，从而直接减少其使用寿命，无疑增加使用成本。同时，镍氢电池和锂离子电池本身价格比较昂贵，所以，尽可能保护蓄电池不要因为使用的原因导致寿命缩短成为必须。

(2)电机工作在低效率状况下，会导致发热比较多，使电机温度升高，对于无刷直流电机的位置信号，磁钢的磁性能都是比较严重的威胁，同时，在能源日趋枯竭的情况下，节能，高效率化也迫在眉睫。

(3)在尽可能降低成本的前提下，要保证整个控制系统的全面性能的优良，必须在控制器的功率管、功率管驱动及电源IC等方面的控制上面着手解决，但是，由于成本的限制，目前使用在电动自行车控制系统上的芯片为单片机，进行高级的控制算法时，资源不太充足。

三、发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明所提供的方法所要解决的技术问题是：通过监视电池的能量状态，控制电池的最大放电量、充放电程度，及放电过程中的瞬间充电来延长其循环使用寿命；根据所使用的电机的T-n(转矩-转速)特性曲线，在电机内部设计其状态检测器，全面表示电机的状态并在适当的时候控制电机运行在最佳状态，并将这些状态数据送给控制器，由控制器的通信控制模块来协调电机和蓄电池，使控制器、电机、蓄电池三者工作在最佳状态。

蓄电池管理系统作为本发明中延长蓄电池使用寿命的一种实施手段，配合电机和控制器三位一体化，具有节能、节省成本的优点。当前，尤其是镍氢电池和锂离子电池，由于其电池芯本身价格比较高，单体电压低(镍氢电池1.2V，锂电池3.7V)，需要串联使用。电池芯在生产制备过程中，生产工艺的控制，原材料的品质差异，生产时间，等等的差异均会导致单体电池出现或大或小的差异性，而且，即使电池在出厂时平衡控制得比较好，在串联使用时，串联方式不同，各单体的散热条件的差异性会导致单体间的性能差异，这些性能差异包括：单体电压，容量，导电材质等等，最终导致蓄电池组内出现单体间差异性变大，容量一致性变差，每次充电容量衰减，放电使用时间也变短，从而电池的寿命变短。而电池管理系统能够最大限度的缓解这种由于单体的不平衡性导致的寿命缩短缺陷。

电机的状态监视及控制模块与电机设计成一体，作为本发明中提升电机的运行效率的状态监视器，从而提高整个电动车/电动摩托车/电动自行车系统的能量利用率，减少日消费。电机的损耗主要在于铁损、铜损及杂散损耗，如何减少这些损耗，成为提高电机效率的关键。但是电机的材料，绕线方式，等等在电机出厂时已经成为定数，而且综合考虑电机的成本、性能之后，电机的整体性能也会有限制。所以，本发明中所述的电机状态监视及控制模块对电机的运行状态进行实时检测，尽可能保证电机运行在其高效率平台区域。提高了电动车/电动摩托车/电动自行车整体的能量利用率。

控制器包括了通信控制模块，由它来全面协调电机和蓄电池的工作状况，并检测整车系统的运行状况，确保整体运行在最佳状态。

以上蓄电池管理系统、电机的状态监视及控制模块以及控制器一体化结构能够最大可能的提高系统的效率，延长整体使用寿命，降低成本，节省能源。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种新型智能电机电池控制系统的构建方法，其特征在于，按以下方法构建：

(1)首先在蓄电池组上设置一个电池管理系统，用于均衡充放电时蓄电池组内的各单体间的电压及电量，以及对电池组整体的过充电与过放电的控制，同时对控制器和电机提供电源；

(2)设置电机的状态监视及控制模块，用于检测电机的状态信息，并同时与控制器进行通讯，接受来自控制器的指令信号并发送电机自身的状态信息；

(3)设置控制器的通信控制模块，用于与蓄电池管理系统和电机的状态监视及控制模块进行通讯，控制器对这些信息进行综合处理后，来控制电机和蓄电池组协调运行。

上述蓄电池管理系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件包括以下部分：均衡电路、保护电路、AD转换、采样电路、接口电路组成，均衡电路连接到每个单体电池的正负极，并与保护电路相连接，对设定的单体电池进行均衡，保证各单体间的压差不超过一定电压值。保护电路连接到每个单体电池的正负极，用来控制各单体电池输出的电流值及放电量。采样电路作为所有动作的来源，其重要性由此可见，对于单体电池电压的采样方法，采样精度的要求均需认真考虑，本发明中由差分采样电路和精密电阻分压完成。外部连接显示仪表，显示电池的SOC、本次使用剩余电量、循环寿命等等。

蓄电池管理系统的软件部分包括：SOC显示、中断处理、放电记录(主要是循环寿命及SOC的记录)、电池信息(生产序列号和分类号)。整个管理系统是基于蓄电池组的整体检测与控制。

上述电机的状态监视及控制模块，由温度采样电路、速度采样电路、电流采样电路、电压采样电路组成电机监视模块；控制模块由通讯接口和保护限制电路组成，其中，通讯接口主要负责和控制器及电池管理系统的通信，当电机的某一种状态出现警告或报警时，保护限制电路则发出相应的指令来保护电机；同时，当电机工作状态效率比较低时，调节其运行状态，控制电机工作在高效率下。这种方式在目前能源短缺的大环境下，成为一种很有效的方法。

上述控制器的通信控制模块，由RS485通信协议来完成软件，主要分为通信控制块和通信接口组成。

采用本发明构建的新型智能电机电池控制系统，具有以下明显优点：

(1)由蓄电池管理系统保护的蓄电池组，大大减少了因单体电池特性的细微差异引起的单体压差不断增大而造成的蓄电池组寿命缩短的现象，同时对于单次使用电池的放电容量也能得到最大化，由于在充电过程中的蓄电池管理系统也处于均衡工作状态，因此在放电过程中也就增加了每次能够使用的电量，使整个蓄电池的寿命得到延长及每次使用时能够释放的电量；

(2)在电动车/电动摩托车/电动自行车爬坡、带大负载运行时，电机的状态监视及控制模块向控制器索取相应的控制指令，从蓄电池管理系统获取更大的电流，根据三大件一体化结构中电机的T-n曲线来调整电机的运行速度，保证电机运行效率能够保持在一定的高水平；

(3)在电动车/电动摩托车/电动自行车下坡、不带负载运行(仅骑行者)运行时，电机的状态监视及控制模块向控制器索取相应的控制指令，并通知蓄电池管理系统，提供小电流保证其运行，提供的电流的大小根据当时系统中所使用的电机的T-n曲线及效率曲线来调整，同时对速度加以调整，控制电机运行在高效率平台上。

(4)在电动车/电动摩托车/电动自行车下坡、刹车减速、人力蹬骑时，电机的控制模块根据控制器给出的指令信号，判断是否进入能量回馈状态，如果是，则由电动机工作状态转变为发电机的工作状态，在发电机状态下，所回馈的能量经由控制器调整，并通过其通信控制模块与蓄电池能量管理系统来调整回充到蓄电池组的电流。增加了电动车/电动摩托车/电动自行车一次充电的行驶里程。

(5)控制器实时协调蓄电池管理系统和电机，具有功耗最小的优点。

四、附图说明

图1为现有技术的结构框图；

图2为本发明的三大件一体化结构框图；

图3为蓄电池及其管理系统的封装示意图；

图4为蓄电池管理系统的结构框图；

图5为串联电池组件的主动均衡电压电路；

图6为数字控制Buck变换器的原理图

五、具体实施方式

以下结合附图和本发明给出的实例，对本发明作进一步的详细描述。

参见图2～4，依照本发明的技术方案，本实施例的技术路线是：在电动摩托车原有的三大件简单连接的基础上，增设蓄电池能量管理系统、电机状态监视及控制模块及控制器的通信控制模块，这三块给整个三大件系统的整合提供高效率运行的条件。

蓄电池管理系统的硬件部分主要是均衡电路、保护电路、AD转换、采样电路。均衡电路包括单体电池电压采样电路，均衡放电电路，均衡充电电路，根据不同电池单体电压范围，采样电路有差分法和电阻分压法，差分法需要考虑接地的方法，电阻分压法对精度提出了考验，因为电池均衡电路的压差本身比较小，分压电阻测试法把电池分压后，采样的精度不能保证，本发明采用的是差分电路的办法来进行单体电池电压的采样。本实施例采用的蓄电池为锂离子电池，14只单体串联，单体电压3.7V，标称值48V，均衡保证各单体间的压差不超过2％，即74mV。在获取单体电池的电压值后，根据当前电池的充电状态或者放电状态，及各单体比较值，决定对要实施均衡的电路连接方法(数字开关触发选择放电还是充电均衡)。通过均衡模块，对电池组各单体电压进行动态均衡，保证系统内所有电池有良好的一致性。图5描述电压均衡控制方案的基本工作原理，是基于电流可逆的Buck-boost变换器，它允许电能从电池B₁传输给B₂，或者相反，电压U_R1和U_B2彼此独立。当U_B1＞U_B2时，晶体管T₂截止，晶体管T₁按照规定的开关频率导通和截止；相反，当U_B2＞U_B1时，晶体管T₁截止，晶体管T₂按照相同的开关频率导通和截止。晶体管通断的切换过程从检测到电池B₁和B₂的规定压差开始，至两电池的电压基本相同结束。

根据当前电池的电荷电量及电池状态，对充放电最大电流进行预测，并传到电池管理系统，控制电池的充电和放电，保护电池。图6为恒压--恒流充电模块的基本结构。控制电路主要包括：A/D输入部分、微处理器运算部分、输出驱动部分。A/D输入部分用于检测变换器的输出电压和电流，经过微处理器的推理运算后，得到控制脉宽信号，再经驱动电路来控制开关管。

均衡电路连接到每个单体电池的正负极，并与保护电路相连接，对设定的单体电池进行均衡，保证各单体间的压差不超过一定电压值。保护电路连接到每个单体电池的正负极，用来控制各单体电池输出的电流值及放电量。采样电路作为所有动作的来源，其重要性由此可见，对于单体电池电压的采样方法，采样精度的要求均需认真考虑，本发明中由差分采样电路和精密电阻分压完成。外部连接显示仪表，显示电池的SOC、本次使用剩余电量、循环寿命等等。

蓄电池管理系统的软件部分包括：SOC显示、中断处理、放电记录(主要是循环寿命及SOC的记录)、电池信息(生产序列号和分类号)。整个管理系统是基于蓄电池组的整体检测与控制。

本实施例中的电机状态监视及控制模块，由温度采样电路、速度采样电路、电流采样电路、电压采样电路组成电机监视模块；控制模块由通讯接口和保护限制电路组成，其中，通讯接口主要负责和控制器及电池管理系统的通信，当电机的某一种状态出现警告或报警时，保护限制电路则发出相应的指令来保护电机；同时，当电机工作状态效率比较低时，调节其运行状态，控制电机工作在高效率下。这种方式在目前能源短缺的大环境下，成为一种很有效的方法。

上述控制器的通信控制模块，由RS485通信协议和UART来完成软件的通讯部分，由通信控制块和通信接口组成。

具体的工作原理：

电动摩托车在大电流启动时，速度比较小，控制器的通讯控制模块接受到从锂电池管理系统及电机监视和通讯控制模块的状态信息后，以最大电流最大加速度启动电机，使电动摩托车迅速提高速度，并根据实施例中电机的T-n特性曲线，将速度控制在一定范围之内；

经过加速阶段，进入稳定运行时，此时电流处于平衡，输出转矩也比较平稳，同加速启动一样，控制器的通讯控制模块在取得蓄电池组的信息和电机的状态信息后，根据T-n曲线做出合适的判断并给出指令值。

在刹车减速或者下坡减速时，此时不需要电机的驱动，电机的状态监视和通信控制模块在检测到不需要驱动的状况时，由控制器的通信控制模块指令给锂电池管理系统，准备进入充电模式。

可以理解，上面讲述的实施方案指示举例说明了可以表述本发明原理的可能的特定实施方案，对于本领域中的那些熟练技术人员来说，在不偏离本发明的范围和要旨的前提下，根据这些原理可以很容易的设计出其它系统方案。

Claims (4)

1.一种新型智能电机电池控制系统，其特征在于：

(1)首先在蓄电池组上设置一个电池管理系统，用于均衡充放电时蓄电池组内的各单体间的电压及电量，以及对电池组整体的过充电与过放电的控制，同时对控制器和电机提供电源；

(2)设置电机的状态监视及控制模块，用于检测电机的状态信息，并同时与控制器进行通讯，接受来自控制器的指令信号并发送电机自身的状态信息；

(3)设置控制器的通信控制模块，用于与蓄电池管理系统和电机的状态监视及控制模块进行通讯，控制器对这些信息进行综合处理后，来控制电机和蓄电池组协调运行。

上述蓄电池管理系统由软件和硬件两部分组成，其中硬件包括以下部分：均衡电路、保护电路、AD转换、采样电路、接口电路组成，外部连接显示仪表，显示电池的SOC、本次使用剩余电量、循环寿命等等。

蓄电池管理系统的软件部分包括：SOC显示、中断处理、放电记录(主要是循环寿命及SOC的记录)、电池信息(生产序列号和分类号)。整个管理系统是基于蓄电池组的整体检测与控制。

上述电机的状态监视及控制模块，由温度采样电路、速度采样电路、电流采样电路、电压采样电路组成电机监视模块；控制模块由通讯接口和保护限制电路组成。

上述控制器的通信控制模块，由RS485和UART来实现通讯，由通信控制块和通信接口组成。

2.如权利要求1所述的新型智能电机电池控制系统，其特征在于，电机为直流有刷电机、直流无刷电机、交流同步电机，并内置状态监视和控制通讯模块。

3.如权利要求1所述的蓄电池为铅酸蓄电池，镍氢蓄电池和锂离子电池，蓄电池管理系统主要针对镍氢电池和锂离子电池。

4.如权利要求1所述的新型智能电机电池控制系统，其特征在于，电机，电池，控制器的通讯连接方式。

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