CN101636892A - 电池管理系统 - Google Patents

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CN101636892A CN200780048774A CN200780048774A CN101636892A CN 101636892 A CN101636892 A CN 101636892A CN 200780048774 A CN200780048774 A CN 200780048774A CN 200780048774 A CN200780048774 A CN 200780048774A CN 101636892 A CN101636892 A CN 101636892A
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Abstract

公开了一种方法和设备，用于控制多个电池(12)的充电和放电的电池管理系统(BMS)的。每个电池具有相关联的多个控制电路(32，36)，其监测和控制单独电池的充电。这些单元由中央微控制器(14)控制，如果电池被完全充电则将电流旁通到其周围，如果电池被完全放电则停止放电，以防对电池的损害。

Description

电池管理系统
技术领域
本发明涉及一种用于控制充电和放电电池单元如锂离子电池的系统和方法。
背景技术
可充电锂离子电池的引入带入了很多新性能。锂技术提供了多个优点，其中在大温度范围下需要最大工作时间和电池循环寿命，加上紧凑的尺寸和最小的重量。该技术需要严格的充电和放电标准。防止和检测滥用在此是一种需求。为了满足这些需求，就要开发BMS(电池管理系统)。
发明内容
在上述背景技术中，本发明的一个目的是提供电池管理系统(BMS)，能保证每个单独的锂电池的充电和放电条件为最佳，并防止锂电池收到损害如过载和/或短路。
通过电池管理系统(BMS)获得本发明的这些和其它目的和优点，该电池管理系统用于控制和监测多个锂离子电池或包括锂钼、镍、镉和PB单元的类似电池单元，BMS包括中央控制微控制器和与各个电池单元连接的多个控制电路，这些控制电路用于单独分别监测独立电池单元的充电，在达到最大充电状态时建立跨过单独电池单元的分路，该分路使其余电池单元得以继续充电，并且同时把表示已经达到最大充电状态的消息传送给中央控制微控制器，在电池放电期间用于分别监测各个电池单元的状态并且倘若已经达到最小充电状态则通知中央控制微控制器，从而促使中央控制微控制器将电池从负载上断开以防单个电池单元过放电。
根据本发明的具体实施例，所述BMS包括用于对装置中温度进行持续监测的温度传感器，在过载/短路的情况下，用于关闭充电/放电的装置，通过旁路电阻器的电流监测，在过载/短路的情况下装置的熔线保护，用于控制单元的电源和燃料表。
本发明的上述和其它目的和优点还可以通过用于控制和监测多个锂离子电池或类似电池单元的方法而得到，类似电池单元包括锂钼、镍、镉和PB电池，该方法包括：
-在上述电池充电期间：
-相对电池情况调节电压/电流以取得最佳充电性能，并且当所述一个或多个单个电池已经达到峰值电压时，绕过一个或多个单个电池，使其余电池得以继续充电；
-在所述电池的放电期间
-监测每个独立电池的电压，直到在一个或多个独立电池中已经达到了最小值，与此同时，关闭所有的电池以防止已经达到最小电压电平的锂离子电池因继续放电而毁坏。
由此确保电池的最高性能在充电和放电期间保持最大安全性。
本发明还涉及模块设计的电池管理系统(BMS)，其中该系统适用于不同数量和物理布局的可充电电池。在本发明的模块系统中，由此在中心提供所有电池共有的电路/功能，例如在单个PCB上，反之，单个电池也可以具有相应的控制系统，该控制系统包括电池平衡装置和/或从传感装置，单个控制系统是适用于系统中所有电池的通用类型，或各自适用于每个独立电池的类型。根据该系统的具体实施例，独立电池处的控制系统可以通过有线连接，例如模拟连接或数字通信总线与该系统的中央电路进行联系。然而，还可以通过无线通信装置在单独电池控制系统和系统的中央部分之间提供通信连接，由此大大增加整个机构的灵活性。
在以下本发明的详细描述中，将参考本发明的两个具体实施例说明本发明的概念，但应当理解本发明的范围并不限于这些实施例。即使在本发明的详细描述中示出并描述的实施例涉及到了具体数量的电池和每个单独电池和整个电池上的具体电压，本发明并不局限于这些具体的数值。实际上本发明的系统和方法可以包括任意数量的单独电池。
附图说明
参考以下本发明实施例的详细描述结合附图，将更好地理解本发明，其中：
图1示出了本发明的BMS(电池管理系统)的第一实施例的示意性方块图，
图2示出了当使用图1的BMS时，说明14单元的锂离子电池的充电的图表，
图3示出了当使用图1的BMS时，类似于图2的14单元锂离子电池放电的图表；
图4示出了本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的示意性方块图，
图5示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的电池开关的示意图，
图6示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的电源的示意图，
图7示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的图6的电源启动的示意图，
图8示出了供给部分的示意图，该供给部分供来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的通信总线、内部温度传感器、外部温度传感器和输出燃料计使用，
图9示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的同步和控制单元的示意图，
图10示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的电池平衡模块和电池电压测量的示意图，
图11示出了来自本发明的BMS(电池管理系统)的第二实施例的单线总线的示意图。
具体实施方式
参考图1，示出了本发明的电池管理系统或BMS的第一实施例的示意性方块图，其中示出该BMS连接到多个锂离子电池，在图1中示出的实施例中，总共是15个锂离子电池。锂离子电池的其中一个由附图标记12标示，BMS整个由附图标记10标示。
BMS主要包括执行BMS的整体传感和控制的主微控制器，其中中央微控制器由附图标记14标示。微控制器14可通过接口连接器16连接到外部设备如外部PC。BMS连接到共同接地连接器或端子18上，并通过用于把充电输入连接器从电池输出连接器24隔开的充电控制器MOSFET22连接到充电输入连接器或端子20上，该电池输出连接器24相对于共同接地连接器或端子18构成了电池系统的正输出端子。
15个锂离子电池的串行结构限定了正极端子，其连接到电池输出端子或连接器24和充电控制MOSFET22的电池电压传感器端子之间的接点。15个锂离子电池的串行结构的负极端子通过放电控制MOSFET26和低欧姆电阻的串行结构连接到共同接地连接器或端子18。跨过低欧姆电阻器28的电压由电流放大器检测，输送输出电压以响应经过低欧姆电阻器28的过量电流，用来通知中央主微控制器14产生了贯穿15个锂离子电池串行结构的过量电流负载。如下所述，控制MOSFET26的放电由中央主微控制器14控制，并用于关闭来自锂离子电池的电流源。
作为本发明的BMS一个具体特征，每个锂离子电池连接到隔开的监测和控制电路，对于每个锂离子电池包括电池平衡电路32、温度传感器34和通信或传感从电路36，该从电路建立从电池平衡电路32和温度传感器到中央主微控制器的通信，或来自中央主微控制器14的通信。在充电期间和在连接到所讨论的电池平衡电路上的锂离子电池已经达到最大电压，并且主微控制器14仍然控制BMS为其余锂离子电池继续充电的情况下，电池平衡电路32基本用于监测横跨锂离子电池的电压，电池平衡电路32会使锂离子电池旁路，从而使其余锂离子电池得以继续充电。
如果锂离子电池和/或电池平衡和传感从电路32和36中分别达到了过高的温度，温度传感器34用于监测，而且传感从电路36用于在锂离子电池放电期间监测锂离子电池放电到最小值，此时传感器从电路36通知主微控制器14，发生了其中一个电池的完全放电，这会导致主微控制器14关闭整个电路，为了防止已经达到最小电压电平的锂离子电池被持续的锂离子电池放电而损坏。
参考图2，示出了说明通过使用如图1中所示的BMS，总共14个电池有优势的充电的图表，然而，修改成了与14个锂离子电池通信，而不是如图1中所示的15个锂离子电池。从图2可以很明显地看出，单独的锂离子电池可以被同时充电到近似4.2V的同一最大电平。
参考图3，示出了说明通过使用如图1中所示的BMS，总共14个电池有优势的放电和控制的图表，然而，修改成了与14个锂离子电池通信，而不是如图1中所示的15个锂离子电池。从图2可以明显看出，每个单独的电池被监测，在单个锂离子电池达到2.8V的最小电压电平时，电池作为整体得以关闭。
参考图4，示出了本发明的电池管理系统或BMS的第二实施例的示意性方块图，其示出BMS连接到多个锂离子电池，在图4中示出的实施例中为总共15个锂离子电池。锂离子电池的其中一个由附图标记12标示，BMS整个用附图标记10标示。
BMS主要包括执行BMS的整体传感和控制的主微控制器14。主微控制器14可通过外部设备总线16连接到外部设备如外部PC。
BMS连接到共同电池连接器或端子24，其连接到15个锂离子电池12的串行结构并限定了正极端子。15个锂离子电池的串行结构的负极端子通过低欧姆旁路电阻器28连接。跨过低欧姆旁路电阻器28的电压通过电流放大器44检测，输送输出电压以响应经过低欧姆电阻器28的过量电流，用来通知中央主微控制器14产生了贯穿15个锂离子电池串行结构的过量电流负载。在短路/过载的情况下，达到了充电电流或放电电流的阈值，中央主微控制器关闭充电/放电过程。
低欧姆旁路电阻器28进一步连接到在负载使能MOSFET26和充电使能MOSFET22之间的接点，该充电使能MOSFET用于把负载放电接地端子18和充电接地端子20中的充电负载分开。如下所述，负载使能MOSFET26和充电使能MOSFET22通过中央主微控制器14控制，并用于在放电的情况下把锂离子电池连接到负载上，在充电的情况下把锂离子电池连接到充电器上，在短路/过载的情况下，关闭电流源。
作为本发明的BMS的一个具体特征，每个锂离子电池连接到隔开的监测和控制电路，对于每个锂离子电池包括电池平衡电路32、通信或传感从电路36，该从电路建立从电池平衡电路32到中央主微控制器14的通信，或来自中央主微控制器14的通信。在充电期间和在连接到所讨论的电池平衡电路上的锂离子电池已经达到最大电压，并且主微控制器14仍然控制BMS为其余锂离子电池继续充电的情况下，电池平衡电路32基本用于监测横跨锂离子电池的电压，电池平衡电路32会使所讨论的锂离子电池旁路，以使其余锂离子电池得以继续充电。
由电池平衡电路32，使电池的正极和负极通过电源电阻器和快速开关晶体管而短路，从而实现旁路。PWM调制是本发明的一个实施例，以确保通过电阻器的电流可调节。
在锂离子电池放电期间，传感从电路36用于监测锂离子电池放电到最小值，此时传感从电路36通知主微控制器14其中的一个电池发生了完全放电，从而导致主微控制器14关闭整个电路，以避免已经达到最小电压电平的锂离子电池被锂离子电池的持续放电而损坏。
从电池馈送的电源用于为BMS的电子线路提供DC电压。以半桥式结构连接并且通过低通滤波器滤波而且还由调压器调节的开关晶体管为控制电路提供了必要的电压。
内部温度传感器34用于监测和向主微控制器14报告主微控制器14中的温度，在达到过高温度的情况下，主微控制器14将关闭充电/放电。电池温度传感器40用于监测和向主微控制器报告锂离子电池中和/或分别在电池平衡和传感从电路32和36中的温度。如果在锂离子电池和/或在电池平衡和传感从电路32和36中达到了过高的温度，主微控制器将关闭充电/放电过程。
电池通信总线42用于在主微控制器和每个单独的从电路中提供的从微控制器之间进行通信。总线通过隔离级和(拆离器)连接器38与主控制器隔离。总线也用作燃料计，其中报告剩余的电池容量。
参考图5，示出了放电使能和充电使能开关和电流检测旁路电阻器的详细描述。BMS包含两个平行的CMOS开关，其用于把充电输入接地连接器与电池输出接地连接器隔离。每个开关通过MOSFET的平行连接形成，其中在放电期间D1到D20号的MOSFET用于连接负载，在充电期间，D52、D55、D68、D64、D65、D67号的MOSFET用于连接充电器。
负载切换到具有电池-SW信号的“高电平”的电池，由此通过Q2和Q1晶体管连接来自+15V的正电压。充电器切换到具有充电器-SW信号的“高电平”的电池，由此通过Q29和Q28晶体管连接+15V。
在过载或短路的情况下，通过达到来自旁路电阻器的阈值电平来激活硬件关闭。充电电流的模拟值来自U2B倒相器输出CHARGE。负载电流的模拟值在两个范围内实现，即较低的电流范围从U4A的输出读取，较高的范围从U2A运算放大器(opamp)的输出读取，其中较低和较高电流间隔的界限将根据应用的不同而变化，并且将由非倒相放大器R8、R7、R35的增益决定电阻器而建立。为了节省电源，Q30晶体管启动或阻止供电给充电电流检测运算放大器(opamp)。
在因通过D61和D71MOSFET的电路短路而熔丝F2烧断以防电池深度放电的情况下，，“熔丝烧断”关闭通过由Q16和Q17提供的逻辑AND函数中的2个信号来启动，以避免“熔丝烧断”关闭的随机触发。在因高电流电平而硬件关闭的情况下，在Q4晶体管上的关闭信号的”HIGH”电平将导致Q4晶体管断路，该晶体管由贯穿R24电阻器的正电压反馈而保持断路状态。可以仅仅通过改变关闭RST信号的电平，由此切断Q5晶体管并断开由R24电阻器提供的正电压反馈，从而中止关闭。
参考图6，示出了用于控制模块的电源的详细示意性描述，该模块由以半桥结构方式连接并且由U22半桥驱动器驱动的D41和D40开关晶体管形成，其中来自电池电压的反馈通过U4B运算放大器施加，该U4B运算放大器以电压跟随器结构方式连接并且在功能上作为缓冲器。控制模块的DC输出通过对来自带有LC滤波器L1和C64的开关晶体管的脉冲DC电压进行滤波而形成，并通过电压调节器U24(15V输出+15V_ON)和U23(5V输出+5V_ON)调节电压和通过使用D48齐纳二极管将电压调节+9V和通过U20调节器将电压调节+5V，其中5V输出由电池直接提供，用于为休眠模式下的主微控制器供电。+5V输出由Q25禁用，当半桥的PWM(脉宽调制)启动时，Q25断路。
参考图7，示出了电源的启动顺序图，其中在主微控制器(1)加电后AUX_START信号“HIGH”为半桥提供了临时的电源。在近似100ms之后，DC电压完全展开，导致+5V_ON电压的斜升(2)，并且在附加的100ms之后，临时电源被中止(3)。
参考图8a，示出了用于从主微控制器到从微控制器通信总线的通信的供给部分详细的示意性描述，其中从主微控制器到从微控制器TX_CELL的信号被Q10晶体管放大。
参考图8b，示出了用于从从微控制器通信总线到主微控制器的通信的供给部分详细的示意性描述，其中从从微控制器到主微控制器的信号由+5V_ON信号提供，并且当RX_CELL被切换到接地以提供“LOW”信号电平时，电流由R194电阻器限制。
参考图8c，示出了内部温度传感器的详细示意性描述，其中内部温度由R45热敏电阻器检测。
参考图8d，示出了外部温度传感器的详细示意性描述，其中通过瞬态电压抑制器二极管、电压电平调节电阻器、滤波电容器和外部NTC热敏电阻器提供外部或电池温度检测。
参考图8e，示出了用于燃料计的模拟输出的详细示意性描述，其中电压电平由R44电阻器调节。燃料计使用PWM输出(V_OUT)，其中输出的占空因数可以用于得到电池的剩余容量，另外，PWM输出(V_OUT)可以用于携带用于数字燃料计的二进制信息。燃料计正在计数进入电池和从电池出来的所有电流。两级放大器Q11、Q13、Q12、Q14被用于提高PWM_output的电流运载能力。在两级放大器中的各级由并行的RC网络滤波，并且通过ISO1光耦合器与主微控制器分离。
参考图9，示出了供控制关闭的从微控制器使用的同步和控制单元、使充电或放电和电路检测能够进行。每个从微控制器具有它们自己的用于主微控制器的地址以识别它们，并且对于，每个从微控制器独立地接收来自主微控制器的用于电池平衡的同步脉冲和数值，并且把电压测量和状态信息发送给主微控制器。检测电路包括放电电流的电流检测(放电_高，放电低)，充电电流的检测(充电)，内部温度的检测(TEMPSNS_INT)，外部温度的检测(TEMPSNS_EXT)，和电池电压的检测(电池电压)。由START_AUX信号在启动处支持控制模块的电源，当半桥准备从其自身的输出供给其驱动器时，半桥的开关由PWM_AUX信号和来自输出+5V_ON的反馈进行调节。5V_uP可以使电流检测运算放大器无效，由此减小休眠模式下的功耗。用于使能充电的CMOS开关由CHARGE_SW信号控制，用于使能放电的CMOS开关由BATTERY_SW信号控制。‘HIGH’关闭信号将+15V从栅极断开，由此确保MOSFET的断路状态，并且在TURN_OFF信号的‘HIGH’电平之后几乎立即确保通过12欧姆电阻器的栅极的快速放电。微控制器通过在‘LOW’电平持续短时间周期的SHUT_DOWN信号，和用于OUT_1和OUT_2：OUT_1_DRIVE和OUT_2_DRIVE的驱动信号，来提供关闭状态取消。WAKE_UP信号的‘HIGH’电平通过将Q8的集电极接地，提供了在微控制器的管脚1上的低信号，由此从省电(待机)模式启动了微控制器。由TX_CELL(传输到电池)信号和RX_CELL(从电池接收)信号提供电池通信，由此可以通过BMS，通过使用TX_CELL把信息传送到电池，和通过使用RX_CELL信号接收来自电池的信息，并且可以使用适当的软件BMS进行进一步诊断。
参考图10a，示出了电池平衡模块，其中每个单独电池的充电由其自己的电压尖峰保护微控制器所控制。通过电源电阻器和快速开关晶体管，使电池的正极和负极短路而提供电池平衡。PWM用于确保可调电流经过电阻器。从微控制器接收来自主微控制器的电压，计算接收值之间的差值，并计算电池平衡PWM的占空系数。如果电池电压低于从主微控制器接收的电压，PWM被设定为零。
参考图10b，示出了电池电压测量模块，其中通过由并行的1k欧姆电阻器形成的电压分配器进行测量，其中模拟值连接到微控制器的管脚3。在测量电压时使电池平衡停止，以避免电缆中的电压降落。测量结果被传输到主微控制器。在休眠模式下，通过关闭PNP晶体管，使电压传感无效，导致PNP晶体管也被切断。
参考图11a，示出了用于将TX和RX信号传输给单线DATA的单线总线，包括与源的电气隔离并且由D64晶体管放大。
参考图11b，示出了输出OUTPUT_1的功率级。
参考图11c，示出了监测电池和/或在电池平衡和检测及控制电路中的热敏电阻器的保护电路。
参考图12，示出了到主微控制器通信总线的电池，该总线用于拆离TX_CELL信号与RX1直到RX15信号，并连接TX1直到TX15与RX_CELL信号。
参考下面的附件给出本发明一个实施例的详细描述，其中：
附件A包含技术说明；
附件B包含软件说明；以及
附件C包含系统各部分的详细电路图。
附件A
系统说明
Figure G200780048774XD00121
主板说明
BMS模块可以被主要描述为高电流容量CMOS开关，其特征在于在电池短路或过载的情况下紧急关闭。该开关在充电的情况下提供充电器到电池的连接，在正常工作期间提供到负载(马达)的连接。
●用于充电器和由微控制器控制的负载的电池开关，其特征在于在过载或短路的情况下硬件关闭；电流检测
●用于控制模块的电源
●用于电池通信总线的供应部分和留给燃料计的模拟输出
●主微控制器
(参见图5)
功能：
用于充电器和由微控制器控制的负载的电池开关，其特征在于在过载或短路的情况下硬件关闭；电流检测。另外，在开关MOSFET短路的情况下，引入“熔丝熔断”关闭以防电池的深度放电。
描述：
BMS包含用于把电池连接到充电器或负载上的两个并联CMOS。每个开关由并联连接的MOSFET形成：用于负载连接的晶体管D1到D20，用于充电器连接的开关由D52、D55、D68、D64、D65、D67晶体管的并联组合形成。
在正常模式下，负载通过BATTERY_SW信号的‘HIGH’电平切换到电池。这通过Q2和Q1晶体管连接来自+15V的正电压。充电器的连接被Q29到Q28晶体管用‘HIGH’CHARGER_SW信号启动。
在过载/短路的情况下，硬件关闭通过达到电流的阈值电平而启动。电流电平来自旁路电阻器R1，充电电流的模拟值来自U2B反相器输出-CHARGE。负载电流的读取在两个范围内实现：对于较低电流范围从U4A的输出读取，对于较高的范围从U2A运算放大器的输出读取。较低和较高的电流间隔的余量将取决于具体规划而不同，并且将由非反相放大器R8、R7、R35的增益决定电阻器设定。为了省电，Q30晶体管允许或禁止充电电流检测运算放大器的电源供给。
由高电流电平引起的硬件关闭将导致Q4晶体管上的关闭信号的‘HIGH’电平，导致Q4晶体管的断路，其通过经过R24电阻器的正向电压反馈保持断路状态(注意在正常行工作期间SHUTDOWN_RST信号的电平是‘HIGH’)。
断路Q6的SHUTDOWN的正向电压接通Q2，导致Q1晶体管的切断，在连接开关的栅极到地以防止当晶体管的栅极接地时可能会出现的+15V_ON和地的短路之前，其断开了+15V的源。
关闭可以仅仅通过改变SHUTDOWN_RST信号的电平、切断Q5晶体管和断开由R24电阻器提供的正电压反馈而中止。
微控制器启动的关闭通过设定TURN_OFF的电平到‘HIGH’电平(软件关闭)而实现。
通过连接电池的正负极而提供“熔丝熔断”关闭，导致经过D61和D71 MOSEFT的短路。短路电流将在充电熔丝F2以下。“熔丝熔断”关闭由逻辑AND函数中的2个信号启动(由Q16和Q17电路提供)，以避免随机触发这种类型的关闭。充电器的启动通过‘HIGH’充电_启动信号指示给处理器。
(参见附图6)
功能：
控制模块的电源
说明：
电源核心从电池反馈并由以半桥结构连接并由U22半桥驱动器驱动的D41和D40开关晶体管形成。通过以电压跟随器结构形式连接并用作缓冲器的U4B施加从电源(电池)电压的反馈。
DC输出通过利用低通LC滤波器(L1和C64的并联连接)对脉冲DC电压进行滤波而形成。通过电压调节器U24(15输出+15V_ON)和U23(5V输出+5V_ON)提供调整后的电压；通过使用D48齐纳二极管的+9V，和通过U20调节器的+5V。+5V输出直接从电池提供，并且其是仅仅供给休眠模式下的主微控制器。+5V输出由Q25晶体管禁用，Q25晶体管在半桥的PWM启动时断路。
首先在启动时AUX_START信号I‘HIGH’保证对驱动提供VCC电压。在一段时间后，信号被设定为“LOW”，并且VCC来源于+15V_ON电压。控制模块的开关电源的启动可以如图1中描述。在主微控制器(1)通电以后，处理器设定AUX_START信号为“高”以提供用于半桥驱动器的临时电源。在一定时间(大约为100ms)后，DC电压完全展开，导致+5V_ON电压上升(2)。为了保证电源的正确功能，临时电源额外保持100ms，在此之后中止(3)。
(参见图7)
(参见图8)
功能：
用于电池通信总线的供给部分和留给燃料计的模拟输出
说明：
从微控制器到电池TX_CELL的传输信号通过Q10晶体管放大。通过主控制器从从微控制器接收的信号由+5V_ON信号提供，并且当RX_CELL切换到地以提供“LOW”信号电平时，电流通过R194限定。内部温度通过R45热敏电阻检测，并且控制器的电压电平通过R44电阻器调节。
由于燃料计由PWM输出预定(V_OUT)，其中输出的占空系数(即脉冲宽度)可以等于电池的剩余电量，或其可以装载用于数字燃料计的二进制信息。输出的电流装载容量通过由Q11，Q13和Q12，Q14的两级放大器提高。在级联的级通过由并联RC网络形成的低通滤波器滤波。该输出也通过来自主微控制器ISO1光耦合器分离。
外部温度检测的电路通过瞬态电压抑制二极管、电压电平调节电阻器、滤波电容器和外部NTC热敏电阻形成。
(参见图9)
功能：
同步和控制从微控制器。关闭的控制和使能负载和充电器。
说明：
微控制器可以通过J32连接器编程和重设。用于同步和控制的信号可以被分成以下组：
》检测电路
》控制模块电源启动和调节
》CMOS开关控制
》电池通信
》充电器通信
》模拟/数字输出
检测电路由负载电流(DISCHARGE_HIGH和DISCHARGE_LOW)和充电电流(CHARGE)的电流检测，检测内部温度(TEMPSNS_INT)和电池温度(TEMPSNS_EXT)，检测电池电压(BATTERY_VOLTAGE)。
控制模块的电源通过START_AUX信号在启动时支持，当半桥准备好提供来自其输出的驱动器时，半桥的切换通过PWM_AUX信号和来自输出+5V_ON的反馈调节以通报。+5V_μP可以断开电流检测运算放大器的电源，由此减小在休眠模式的功耗。
充电器的CMOS开关通过CHARGE_SW信号切换，并且负载开关通过BATTERY_SW信号的电平控制。在关闭的情况下，几乎立即在TURN_OFF信号的“HIGH”电平保证通过12欧姆电阻的栅极快速放电之后，正电压SHUT_DOWN将从栅极断开+15V的电压以保证MOSFET的开启状态。
电池通信通过TX_CELL(传输到电池)和RX_CELL(从电池接收)提供电池通信。
在放电期间，充电可以通过BMS传输信息到充电器而调节，使用TX信号和接收来自充电器的信息-RX信号。这些信号可以用作具有正确软件的BMS的诊断。
微控制器提供了关闭状态，其通过在“低”电平下持续短时间的关闭信号和用于输出OUT_1和OUT_2的驱动信号：OUT_1_DRIVE和OUT_2_DRIVE而取消。
处理器从省电(待机)模式通过WAKE_UP信号的“高”电平而启动，其将在微控制器的管脚1上通过将Q8的集电极接地提供低信号。
控制模块
控制模块的主功能是管理电池分开的单元的充电，和通过控制充电器的整体充电。
(参考图10)
功能：
电池平衡
说明：
电池的每个分开的单元通过其自身的电压峰值保护微控制器控制。通过经过电源电阻器把电池的正和负极短路而提供电池平衡。通过PWM调制实现旁通以保证经过电阻器的可调节电流。电池单元通过快速开关晶体管旁路。单元电压测量通过电压分压器而实现，该电压分压器由1kΩ电阻器形成，其中模拟值连接到从微控制器的管脚3。
在休眠模式，电压传感器通过关闭NPN晶体管而禁止，也导致PNP晶体管的断开。
(参考图11)
功能：
用于充电器通信和输出接口的单线总线
说明：
把TX和RX信号转换成从源电流隔开并通过D64放大器放大的单线DATA。控制模块还包括输出OUTPUT_1的电源级。在控制板上具有位于主板上的热敏电阻的附加的保护电路。
(参考图12)
功能：
电池单元到微控制器总线的信号耦合/去耦，包括电流隔离。
说明：
把TX_CELL到RX1一直到RX15信号的连接去耦合，把TX1一直到TX15耦合到RX_CELL信号。
软件特点
内部功能：
模拟测量
在硬件部分描述了电池电压的测量，电流检测，温度检测-更新时间：10毫秒
电源管理
为了使在休眠模式的功耗最小化，设计中包含了如下的一些省电部件：
●断开充电器
●中止分开的电池单元的电压测量
●中止持续的电流检测(每1秒钟进行10次样品监测)
●断开除了主微控制器以外的控制电路的电源
电源
 电源启动电压1   27,78V
 电源输出电压   20V
 电源最大PWM占空系数   90％
功能：
充电
 充电最大电流(＜1秒)2   35A
 充电最大电流(＜40毫秒)3   50A
 充电关闭静止时间4   10秒
 在行中关闭5   3
 单元电压最大值6   4,25V
 单元电压值最大复位   4,15V
 总电压最大值7   58,8V
 总电压最大值复位   58,1V
放电
放电最大电流(＜1秒)(见注解2)   200A
 放电最大电流(＜40毫秒)(见注解3)   250A
 放电关闭静止时间4(见注解4)   10秒
 在行中关闭(见注解5)   3
 单元电压最小值8   2,8V
 单元电压值最小值复位9   3,7V
 放电重新使能燃料计10   10Ah
1需要启动电源的最小总体电压
2超过1秒的周期被认为是过载
3超过40毫秒的周期被认为是过载
4在下一次重启的时间间隔
5直到BMS完全关闭在行中的最大数
6当最大单元电压达到该值，充电停止并且单元平衡将补偿单元电压
当最大单元电压降到由单元电压最大复位给出的该值以下时，充电中止
7当电池电压达到该电平，充电停止并且当电压降到总电压最大复位值以下时，再次启动
8如果最低单元电压达到该值，放电停止
9当放电重新开始时，最小充电的电池剩余容量
电池单元平衡
当电池单元平衡启动时，从单元电压计算PWM。通过把单元电压和最低单元电压的差值加到一起，进行该计算。在把所有的单元电压相加后，每个单元的PWM值被计算以保证总的最大功耗不会超过限定值。
  单元平衡最大电源11   27W
  单元平衡启动电压平均值12   4,10V
  单元平衡峰值启动电压13   4,20V
  单元平衡最小充电电流14   0,5A
温度
  电池温度切断高15   70℃
  电池温度高复位   60℃
  电池温度切断低16   -20℃
  电池温度低复位   -10℃
  BMS温度切断高17   100℃
  BMS温度高复位   90℃
燃料计(计算安培/小时)
  燃料计最小输入18   ±0,3A
  最大值19   具体容量的105％
  自身学习20   1％/周期
休眠模式
  进入休眠模式后(＜300mA)   60秒
  觉醒电流   300mA
  待机搜索时间   0,1秒
接口：
单线总线(与充电器或诊断程序通信)
1模拟输出
1使集电极“高”/“低”电平输出断路
11单元平衡电源电阻器上允许的最大总功耗
12当来自所有单元的平均电压达到该电平，并且单元平衡最小充电电流条件满足了，就出发了单元平衡
13当任意单元的电压达到了该值，触发单元平衡
14当充电电流达到该值，单元平衡启动电压平均条件满足了，触发单元平衡
15当电池温度达到了，充电和放电停止直到温度下降到电池温度高复位，并且然后功能被重新启动
16当电池温度达到了，充电和放电停止直到温度上升到电池温度低复位，并且然后功能被重新启动
17当内部BMS温度达到了，充电和放电停止制造温度没有下降到BMS温度高复位，然后功能被重新启动
18充电/放电的值可以超过该值以与燃料计相关
19由燃料计表示的最大值与前述使用自身学习的估计容量相关
20当电池从空状态充电到满，实际容量可以在1％的范围内从在自身学习过重中的前面得到的值重新估计
BMS内部(单元)通信
内部通信
主控制器通过在从控制器和主控制器的通信控制和检测所有的从控制器。主控制器处理通信，当被请求时从控制器仅响应。
通信建立在USART全双工，在5kb通过9bit传输运行。
当第9比特设定时，该字节是指令，否则是数据。
当接收是程序包时，如果校验和是与接收的相同的，其存储在缓冲器中以计算。只要校验和匹配，其就将使用该程序包。
起始字节/地址
在所有程序包的开始，必须存在起始字节包含接收或发射的从设备的地址。其可能将多达120个从设备连接到主设备。从设备可以具有产品上给定的地址以便主设备去访问。从设备的地址可以从1到所连接从设备的序号。
地址列表：(第9比特设定)
  值   地址
  0   全球地址
  0-120   从设备地址
命令
主设备将程序包发送给从设备以给出通知或给出指令。该命令总是起始字节之后的第一字节。
一个程序包中总是有3个命令字节(起始字节、命令和校验和)。
命令列表：(第9比特设定)
  值   名称   描述
  0-120   起始位   起始位和从设备的地址
  121   发信息到主设备   把数据返回主设备
  122   来自主设备的信息   平均电池电压
  123   错误校验   如果从设备的其中一个有错误，检查
  124   进入休眠模式   使从设备进入休眠模式
  125   同步脉冲   主设备将传输同
  步脉冲
  126   校准   主设备传输真实单元电压，从设备调节测量的电压
  128-255   校验和
数据
在某些程序包中，有必要传输一些新的数据位。当传输数据位时，奇偶位必须是低以表明其是数据位而不是指令位。在从设备中的接收缓冲是非常小的，仅仅程序包可以传输或接收16位数据的程序包。当传输2位的数据值时，LSB首先发送。
校验和
校验和是程序包和数据来源的最后位，在数据被忽略后，仅仅在新程序包中的新起始位被接受了。由于校验和仅仅利用8位计算，对每个奇偶位加上值25。每次校验位溢出时，校验位每次都逐渐增加。校验和本身没有加到校验和，并且不进行计算。校验和可以仅仅具有从188到255的值，如果该值超出了范围，加上两个不同的值，取决于校验和值。
  校验和   加上的值
  奇偶   25
  每一字节   1
  溢出   1
  0-122   133(128+5)
  123-127   10
  128-255   不加
Ex1：          Ex2：            Ex3：
起始字节：1    5起始字节：120   起始字节：15
指令：121      指令：121        指令：122
数据：否       数据：否       数据：189
数据：否       数据：否       数据：3
校验和：186    校验和：169    校验和：134
标准主设备程序包
  字节计数   名称
  1   起始字节/地址
  1   命令
  2   数据(单元平衡电压)
  2   数据(PWM步/电压)
  1   校验和
  7   总字节
标准从设备程序包
  字节计数   名称
  1   起始字节/地址
  1   数据(状态字节)
  1   数据(PWM值)
  2   数据(电池电压)
  1   校验和
  6   总字节
附件B
1主设备版本1.03.05
主设备控制BMS充电器和放电电流，并从用于单元平衡和保护的从控制器收集信息。
1.1测量
主设备测量充电电流，放电电流，电池电压，内部温度和电池温度。所有的测量结果被1秒计算100次，并且每秒钟做一次平均测量。
1.2内部通信
主设备控制主设备和所有从设备。在正常操作中，一直重复下面的流程。
1.主发送用于从设备的同步脉冲以调节随着温度变化的时钟频率。
2.关于单元平衡的信息从主设备发送到所有的从设备。
3.主设备从所有的从设备收集电压信息。
1.3单线
在正常工作中，关于BMS状态的信息和从设备测量的电压的信息每秒钟传输一次。
来自主设备的信息
  字节   名称  描述
  4   状态字节  字节信息
  1   单元计数  在BMS中的单元数量
  2   电池电压  BMS中测量的电池电压
  2   总电池电压  加在一起的从电压
  2   单元电压低  最低单元电压
  2   单元电压平均  平均单元电压
  2   单元电压高  最高单元电压
  2   燃料计  燃料计计数
  2   放电电流  放电电流
  2   充电电流  充电电流
  2   温度在范围内  BMS内的温度
  2   温度超出  电池温度
  2   单元电压阶梯  单元平衡的总量
  2   单元电压pwm  用于pwm的电池平衡电压
1.4电源
在正常工作中，5伏和16伏是电源运行的电压，并在休眠状态中停止。
当启动电源时流程图如下：
1.加上5伏的电源电压并且等待80毫秒
2.在Op安培下测量偏移量
3.加电AUX_STRAT并等待100毫秒以为电容器充电
4.在驱动上启动PWM并等待100毫秒
5.停止AUX_START并且电源运行
用于16伏电源的PWM被从电池电压计算，并且以固定值运行以保持16伏的输出电压。PWM每10毫秒调节一次。
1.5充电
BMS控制充电和防止过度充电。为了控制充电，充电金属氧化物半导体晶体管可以是开启/关闭状态，并且仅仅当在充电启动时开启。当连接充电器并且主设备检测到充电器处于充电器使用管脚时，金属氧化物半导体晶体管开启并且可以开始充电。如果充电电流低于0.5A达到30秒，在其重新启动之前，充电停止并且充电器必须断开。
如果充电电流在限定值以上，充电停止并且在锁定之前将重新尝试3次。为了解锁，除去觉醒信号和充电器10秒钟。
如果电池温度超过限定值，直到温度在限定值内10℃充电才进行，这时自动重启。
如果BMS温度超过限定值，直到温度在限定值内10℃充电才进行，这时自动重启。
1.6放电
BMS控制放电和通过关闭放电金属氧化物半导体晶体管而防止深度放电。如果一个或多个单元被放电，放电金属氧化物半导体晶体管被关闭，并且主设备将进入休眠模式。放电仅在觉醒信号被启动的情况下启动，主设备将被叫醒并为控制电路通电，但只有当单元电压在限定值内，放电被启动。否则主设备将在30秒钟后重新回到休眠模式。
如果放电电流电流超出限定值，放电停止并且在锁定之前会重新尝试3次。为了解锁，去除觉醒信号和充电器10秒钟。
如果电池温度超出限定值，直到温度在限定值内10℃充电才进行，这时自动重启。
如果BMS温度超过限定值，直到温度在限定值内10℃充电才进行，这时自动重启。
1.7燃料计
燃料计计数所有进入电池和从电池出来的电流。如果测量的电流值在0.3A以下，其将不会被计入燃料计。燃料计值不得低于零或高于指定容量的105％。
1.8休眠
如果觉醒信号和充电器已经失去了30秒钟，BMS将进入休眠模式并使功耗最小化。如果在一个或多个从设备上存在欠电压，主设备将为控制电路通电并检查从电压并且进入休眠状态。为了再次使主设备觉醒，首先出去觉醒信号并再次连接。
1.9软件设定
电源设定
  说明   值
  电源启动电压   25,55V
  电源输出电压   23V
  电源最大PWM脉冲   90％
电流设定
  说明   值
  充电电流最大慢   35A
  充电电流最大慢时间   1秒
  充电电流最大快   50A
  充电电流最小值   0.5A
  放电电流最大慢   150A
  放电电流最大慢时间   8秒
  放电电流最大快   250A
  燃料计最小检测   0.3A
  燃料计充电效率   100％
  电池容量   80Ah
电压设定
  说明   值
  单元电压最小值   2.8V
  单元电压最小值复位   3.3V
  单元电压最大值   4.1V
  单元电压最大值复位   4.0V
  单元平衡启动电压(单电池)   4.0V
  单元平衡启动电压(平均)   3.8V
  单元平衡总功耗   27W
温度设定
  说明   值
  BMS内部温度最大值   105℃
  BMS内部温度复位   90℃
  电池充电温度最小值   -10℃
  电池充电温度最小值复位   0℃
  电池充电温度最大值   50℃
  电池充电温度最大值复位   40℃
  电池放电温度最小值   -20℃
  电池放电温度最小值复位   -10℃
  电池放电温度最大值   70℃
  电池放电温度最大值复位   60℃
2.从设备版本1.03.01
从设备测量单元的电压并利用来自主设备的信息控制单元平衡。
2.1测量
从设备每9,5ms测量单元，并在50次测量后计算平均值。当测量以避免由电缆中的电压降引起的错误值时，电池平衡停止。测量结果被传输给主设备。测量通过通信在产品中校准。
2.2单元平衡
从设备形成从主设备接收的单元平衡控制值。从设备接收来自主设备的电压，在该值和测量值之间的差被增加并放入。固定的计算值也从主设备接收并与delta电压相乘以计算单元平衡PWM的占空系数。如果单元电压低于来自主设备的接收电压，PWM被设定为零。
2.3通信
每个从设备都有自己的地址以便于主设备识别它们并控制电池。从设备每秒钟接收同步脉冲和电池平衡的值，主设备每秒钟得到电压测量和状态信息。
2.4体眠
如果主设备的通信停止超过10秒钟，从设备被设置到休眠状态并等到通信指令以重新启动。
3内部通信
主设备通过从设备和主设备之间的通信控制和监测所有的从设备。主设备处理通信，从设备仅仅当被请求时响应。通信建立在USART全双工的基础上，在具有9比特的5kb上运传输。当第9比特设定时，字节是指令，否则是数据。当接收程序包时，如果校验和与接收的相同，其存储在缓冲器中以计算。仅仅当校验和匹配，其将使用程序包。
3.1启动字节/地址
在所有程序包的开始，存在包含接收或传输的从设备地址的启动字节。可以把120个从设备连接到主设备。从设备将具有产品的地址以便于主设备访问它们。从设备的地址将从1开始，直到连接的从设备的序号。地址列表：(第9比特设定)
  值   地址
  0   全球地址
  1-120   从设备地址
3.2命令
主设备发送程序包到从设备以给信息或给出指令。该指令总是在起始字节后的第一个字节。
在一个程序包中总是有3个程序字节(起始字节、命令以及校验和)
命令列表：(第9比特设定)
  值   名称   说明
  0-120   起始字节   起始字节和从设备的地址
  121   发信息到主设备   把数据返回主设备
  122   来自主设备的信息   平均电池电压
  123   错误校验   如果从设备的其中一个有错误，检查
  124   进入休眠模式   使从设备进入休眠模式
  125   同步脉冲   主设备将传输同步脉冲
  126   校准   主设备传输真实单元电压，从设备调节测量的电压
  128-255   校验和
3.3数据
在某些程序包中，有必要传输几个新的数据字节。当传输数据字节时，奇偶比特必须是低的以表明其是数据字节而不是命令字节。在从设备中的接收缓冲是非常小的，仅仅程序包可以发射或接收多达16字节数据的程序包。当传输2字节的数据值时，LSB首先发送。
3.4校验和
校验和是程序包和数据来源的最后字节，在数据被忽略后，仅仅在新程序包中的新起始字节被接受了。由于校验和仅仅利用8位计算，对每个奇偶比特加上值25。每次校验位溢出时，校验位递增一倍。校验和本身没有加到校验和，并且不进行计算。校验和可以仅仅具有从188到255的值，如果该值超出了范围，加上两个不同的值，取决于校验和值。
  校验和   加上的值
  奇偶   25
  每一字节   1
  溢出   1
  0-122   133(128+5)
  123-127   10
  128-255   不加
Ex1：           Ex2：           Ex3：
起始字节：15    起始字节：120   起始字节：15
命令：121       命令：121       命令：122
数据：否        数据：否        数据：189
数据：否        数据：否        数据：3
校验和：186     校验和：169     校验和：134
标准主设备程序包：
  字节计数   名称
  1   起始字节/地址
  1   命令
  2   数据(单元平衡电压)
  2   数据(PWM阶梯/电压)
  1   校验和
  7   总字节
标准从设备程序包：
  字节计数   名称
  1   起始字节/地址
  1   数据(状态字节)
  1   数据(PWM值)
  2   数据(电池电压)
  1   校验和
  6   总字节

Claims (13)

1.用于控制和监测多个锂离子电池或类似电池单元的电池管理系统(BMS)，类似电池单元包括锂钼、镍、镉和PB单元，BMS包括中央控制微控制器(14)和多个控制电路(32，36)，该多个控制电路与各自的电池单元(12)连接和用于单独监测各个独立电池单元的充电，在达到最大充电状态时建立跨过单独电池单元的旁路，该旁路使其余电池单元得以继续充电，同时将表示已经达到最大充电状态的消息传输到中央控制微控制器(14)，在电池放电期间用于检测各个电池单元的状态并且如果已经达到最小充电状态则通知中央控制微控制器(14)，从而导致中央控制微控制器(14)使电池从负载上断开，以防单个电池单元过放电。
2.根据权利要求1的电池管理系统，其中所述控制电路包括电池平衡装置(32)和从检测装置(36)。
3.根据权利要求1或2的电池管理系统，其中所述从传感装置包括微控制器。
4.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括温度传感器，分别用于持续监测电池温度和/或在电池平衡和传感及控制电路中，在高温情况下使中央控制单元得以减小充电电路。
5.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括用于关闭电池的充电/放电的装置(26，22)，在电池过载或短路的情况下由所述中央控制微控制器(14)控制。
6.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括用于监测通过多个电池单元(12)的电流的装置(28，30)，由此使用与电池串联放置的旁路电阻器。
7.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括在电池过载或短路的情况下用于保护的熔丝。
8.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括用于供给控制单元的电源单元。
9.根据前述权利要求任意一项的电池管理系统，还包括用于持续监测电池电平的燃料计。
10.用于控制和监测多个锂离子电池或类似电池单元的方法，类似电池单元包括锂钼、镍、镉和PB单元，该方法包括：
-在所述电池充电期间：
-相对电池情况来调节电压/电流以得到最佳充电性能，并且当一个或多个单个电池已经达到最大电压时，为所述一个或多个单个电池设旁路，使其余电池得以继续充电；
-在所述电池放电期间：
-监测每个独立电池的电压，直到在一个或多个独立电池中已经达到了最小值，与此同时，关闭所有的电池以防所述已经达到最小电压电平的一个或多个电池受到继续放电的损害；
由此确保充电/放电过程的最高性能并防止对单个电池的损害。
11.根据权利要求10的方法，其中一个或多个单独电池和/或电池平衡和检测电路和/或包括中央微处理器的其他电路的温度被监测，由此在一个或多个所述电池和/或电路中达到不能接受的高温的情况下，减小充电电流。
12.根据权利要求10或11的方法，其中在电池过载或短路的情况下，电池的充电/放电被中断。
13.一种电池管理系统，包括中央控制系统和多个单独电池控制系统，该单独电池控制系统用于控制和监控单独电池的充电和/或放电，多个单独电池控制系统通过有线的模拟或数字通信装置或通过无线的模拟或数字通信装置与中央控制系统进行通信。
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