CN101692502B

CN101692502B - 电池管理系统

Info

Publication number: CN101692502B
Application number: CN2009101902971A
Authority: CN
Inventors: 吴义勇
Original assignee: Shenzhen Hangsheng Electronic Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Hangsheng Electronic Co Ltd
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-09-25
Also published as: CN101692502A

Abstract

本发明涉及一种电池管理系统，包括一电池组、一从控制器和一主控制器，该电池组连接到该从控制器，该从控制器连接到该主控制器，该电池组用于为电动车提供动力，该从控制器用于检测该电池组的电池数据并发送所检测的电池数据到该主控制器，该主控制器根据接收到的电池数据通过该从控制器对该电池组进行均衡管理。本发明还涉及一种电池管理方法。

Description

电池管理系统

技术领域

本发明涉及一种电池管理系统，特别是一种带有均衡管理功能的车用电池管理系统。本发明还涉及一种实现均衡管理的电池管理方法。

背景技术

中国交通业的迅速发展正在对环境构成越来越大的挑战。全国上路的汽车数量正在以每年一千万辆的速度递增。普通汽车排放的尾气已经成为不可忽视的空气污染源。

电动汽车以电代油，能够实现“零排放”，噪音低，是解决能源和环境问题的重要手段。随着石油资源的紧张和电池技术的发展，电动汽车在性能和经济性方面已经接近甚至优于传统燃油汽车，并开始在世界范围内逐渐推广应用。

我国初步建立了新兴电动汽车产业的技术基础。初步形成了以燃料电池汽车、混合动力汽车、纯电动汽车3种车型为目标，以多能源动力总成、驱动电机、动力蓄电池系统为3大共性关键技术的研发体系。

目前许多厂商都在进行新能源汽车产业化研发，提出了多种形式的混合动力方案和技术，但制约电动汽车发展的问题依然是储能动力电池和应用技术。

如何延长电池使用寿命、提高电池的能量效率和运行可靠性，是电动汽车能量管理系统必需解决的问题。电池管理系统是关系到电动汽车实用化、商品化的关键技术之一，而作为能量管理系统重要组成部分的电池剩余容量预测的研究对电动汽车的实用化、商品化起着重要作用，因此研究开发电池管理技术及系统并使其产业化具有十分重大的意义。

目前电动汽车用动力电池主要有三种，铅酸电池、镍氢电池和锂电池。其中，锂离子电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长，无污染等优点，是电动汽车发展的主要方向。但是，由于目前的锂离子电池的每个单体锂电池，其特性不可能完全一致，在其工作一段时间后这种差异就越明显，所以在对充、放电时就可能出现不平衡现象，即有的电池充电时电压达到上限电压，有的电池还没达到上限电压，这样就会出现个别电池超过其上限电压，当达到一定程度时就会出现爆炸事故。因此，目前的锂离子电池的使用过程中单体锂电池之间差异较大，导致出现锂离子电池充放电不均衡的问题，有时甚至会导致安全事故。

发明内容

为了解决现有技术锂离子电池中单体电池间充放电不均衡的问题，有必要提供一种锂离子单体电池均衡控制的电池管理系统。

为了解决现有技术锂离子电池中单体电池间充放电不均衡的问题，还有必要提供一种锂离子单体电池均衡控制的电池管理方法。

一种电池管理系统，包括一电池组、一从控制器和一主控制器，该电池组连接到该从控制器，该从控制器连接到该主控制器，该电池组用于为电动车提供动力，该从控制器用于检测该电池组的电池数据并发送所检测的电池数据到该主控制器，该主控制器根据接收到的电池数据通过该从控制器对该电池组进行均衡管理。

本发明电池管理系统中，还包括一接线盒和一传感器，该接线盒连接到该主控制器，该传感器连接到该主控制器，该接线盒内设置有主继电器，用于控制主电路的关断与导通，该传感器用于检测该电池组的电压和电流。

本发明电池管理系统中，该电池组包括多个依次串联的电池模块，每一电池模块包括多个依次串联的电池，该从控制器包括多个从控制单元，该多个从控制单元依次串联，该多个从控制单元分别对应该多个电池模块，该电池模块包括一第一端和一第二端，该多个从控制单元分别连接到对应的电池模块的第一端，该电池模块的第一端连接到上一电池模块的第二端或电压正极，该电池模块的第二段连接到下一电池模块的第一端或电压负极。

本发明电池管理系统中，该主控制器包括一定时器，该定时器用于在该电池组所应用的车辆停止一预定时间长度后唤醒该主控制器对该电池组进行均衡管理。

本发明电池管理系统中，该主控制器还包括一推算模块，该推算模块用于根据该控制器采集到的电压、温度以及该传感器提供的电流信号和系统时钟提供的电池使用时间信号，并按照预先设定的算法进行计算，从而获得关于电池点和状态(SOC)和健康状态(SOH)。

本发明电池管理系统中，该主控制器还包括一故障诊断模块、一控制逻辑模块、一内部CAN通信模块、一外部CAN通信模块和一检测模块，该控制逻辑模块和该接线盒连接，该故障诊断模块430具有功能监测、错误检测、记录故障信息、读取数据、EOL、电池识别、再编程等功能，该控制逻辑模块用于根据电池的工作状态，通过该接线盒中的主继电器控制如风扇、电热丝和主继电器等的外围电路，该内部CAN通信模块用于实现该从控制器和该主控制器之间的通信，该外部CAN通信模块用于实现该主控制器与外部的其它电子控制单元之间交换信息，该检测模块用于接收该传感器检测的电压和电流信号，并提供该电池组的总电压、电流的信号。

本发明电池管理系统中，该预定时间长度可以通过根据需要通过调整该定时器的内电阻和电容的大小进行设定。

本发明电池管理系统中，还包括一微控制器，其用于在停车后使该电池管理系统进入低功耗模式并启动该定时器。

一种电池管理方法，包括对预定时间长度计时；计时达到预定时间长度时，读取外部ECU信息；根据上述信息选择进行电池管理；和读取电池数据并根据读取的电池数据进行电池均衡管理。

本发明电池管理方法中，读取外部ECU信息具体包括通过外部CAN总线读取外部ECU信息，根据上述信息选择进行电池管理具体包括在外部ECU信息没有危险信号或服务信号时进行电池管理，否则进入对应的服务的应用程序或等待安全信号，读取电池数据并根据读取的电池数据进行电池均衡管理具体包括根据单体电池的电压、温度，按照特定的算法推算电池的SOC和SOH，如果电池SOC过低或者过高，则主电路切断，向外发送危险信号，程序结束；如果SOC正常，则判断单体电池电压间的最大电压差和整个电池包的单体电池间的最大电压差，如果最大电压差大于50mV，且电池处于充电状态下时，则进入均衡控制模式，直至最大电压差小于40mV或系统进入放电模式为止。

相较于现有技术，本发明电池管理系统通过读取外部ECU信息进行模式选择，在无危险信号或SERVICE信号时进入工作模式态。在该电池管理系统处于工作模式时，利用该从控制器检测该电池组的电池数据后，该主控制器根据该电池组的电池数据进行均衡控制。从而该电池组的各单体电池之间的差异在能够得到恢复或者消除，进而有效的均衡了单体电池间的电压不均衡。本发明电池管理方法包括选择进入工作模式后对电池进行管理，通过对电池数据的获取和计算来均衡管理电池。因此，单体电池之间能够得到均衡控制，其间的差异导致的问题得到改善或克服。

附图说明

图1是本发明电池管理系统一较佳实施方式的方框原理示意图。

图2是图1所示定时器的电路结构示意图。

图3是图1所示定时器的工作流程示意图。

图4是图1所示从控制单元的方框结构示意图。

图5是图1所示主控制器的工作流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，是本发明电池管理系统一较佳实施方式的方框原理示意图。该电池管理系统10包括一电池组100、一从控制器200、一主控制器400、一接线盒500和一传感器700。该电池组100连接到该从控制器200。该从控制器200通过一内部CAN总线300连接到该主控制器400。该主控制器400连接到该接线盒500且还连接到一外部CAN总线600。该传感器700连接到该主控制器400。

该电池组100用于为电动车提供动力。该从控制器200用于检测该电池组100的电池数据并发送所检测的电池数据到该主控制器400，该主控制器400根据接收到的电池数据通过该从控制器200对该电池组100进行均衡管理。该传感器700用于检测该电池组的电压和电流。

在本实施方式中，该从控制器200可以集成在该电池组100上。

该电池组100两端分别为正极电压(+)和负极电压(-)。该电池组100包括多个依次串联的电池模块110。每一电池模块包括多个依次串联的电池(未标示)。该从控制器200包括多个从控制单元210，该多个从控制单元210依次串联，该多个从控制单元210分别对应该多个电池模块110。该电池模块110的每个电池的正负极分别连接到该电池模块110对应的从控制单元210。

该从控制器200用于监测和采集该电池模块110的每一个电池的电压和该电池模块100的温度，从而可以对该电池模块110实施均衡管理。

该主控制器400包括一定时器410、一推算模块420、一故障诊断模块430、一控制逻辑模块440、一内部CAN通信模块450、一外部CAN通信模块460和一检测模块470。该控制逻辑模块440和该接线盒500连接。该接线盒500内设置有主继电器，用于控制主电路的关断与导通(图未示)。

该定时器410用于在该电池组100所应用的车辆停止一预定时间长度后唤醒该主控制器400对该电池组100进行均衡管理。该预定时间长度可以通过该定时器410设定。该推算模块420用于根据该从控制器200采集到的电压、温度以及该传感器700提供的电流信号和系统时钟提供的电池使用时间信号，并按照预先设定的算法进行计算，从而获得关于电池点和状态(SOC)和健康状态(SOH)。该故障诊断模块430具有功能监测、错误检测、记录故障信息、读取数据、EOL、电池识别、再编程等功能。该控制逻辑模块440用于根据电池的工作状态，通过该接线盒500中的主继电器控制如风扇、电热丝和主继电器等的外围电路。该内部CAN通信模块450用于实现该从控制器200和该主控制器400之间的通信。该外部CAN通信模块460用于实现该主控制器400与外部的其它电子控制单元(ECU)之间交换信息。该检测模块470用于接收该传感器700检测的电压和电流信号，并提供该电池组100的总电压、电流的信号。

在本实施方式中，该电池模块110可以包括4-12个电池，该电池模块110的数量则没有限制，可以根据其所应用的电动车的需要而定。该电池管理系统10还包括一微控制器(MCU)，其用于在停车后使该电池管理系统进入低功耗模式并启动该定时器410。

请参阅图2，是图1所示定时器410的电路结构示意图。该定时器410采用的芯片为MC14541。该定时器410的预定时间长度可以通过调整电阻RTC、电阻Rs和电容CTC的大小来设定。根据动力电池特性，在停止冲放电并静置一小时后，电池端电压几乎恢复到正常状态。

因此，在停车后，该电池管理系统10进入低功耗模式，并给该定时器410一个START触发信号，启动该定时器410。在预定时间长度后，如一个小时后，该定时器410向该电池管理系统10的微控制器发出一个RESET信号，唤醒该电池管理系统10。

请参阅图3，是图1所示定时器410的工作流程示意图。当停车后，该电池管理系统10的MCU进入低功耗模式前启动该定时器410。该定时器410在计时达到预定时间长度时前保持继续计时，在计时达到预定时间后唤醒该电池管理系统10的微控制器，该电池管理系统10进入均衡管理模式。

在本发明电池管理系统的变更实施方式中，该定时器410可以采用其他具有类似功能的芯片。另外，根据电池的特性，调整电阻RTC、Rs和电容CTC的参数从而实现不同的定时时间，或者通过将它们换成可调电阻或可调电容从而实现通用性。

请参阅图4，是图1所示从控制单元210的方框结构示意图。该从控制单元210包括电池单体电压AD采样电路、电池模块温度采样电路、均衡电路、SPI通信接口、CAN通信接口和RS232通信接口。

由于该电池组100采用模块化设计，可以提高系统可靠性和灵活性。由4节至12节单体电池组成该电池模块110，由该从控制单元210来监测该电池模块110上的单体电池电压和电池组温度信号。

该单体电池上设置热敏电阻NTC，从而该从控制单元210可以获取该电池模块110的温度。当该电池模块110的单体电池电压差超过50mv或者整个该电池组100中单体电池最高电压和最低电压差超过50mv时，该均衡电路启动。该SPI通信接口用于和电池监视芯片之间通信，该CAN通信接口用于实现和不同从控制单元210之间的内部CAN网络通信，以及实现和总控制器400之间的内部CAN网络通信。该RS232通信接口用于调试。

请参阅图5，是图1所示主控制器400的工作流程示意图。

当该电池管理系统10启动或复位后，该主控制器400首先进行初始化，并关中断，读取上次电池工作完后的SOC和时间，根据电池的静置时间和自放电规律，得到电池的初始SOC。其中，上述电池工作完后的SOC和时间可以存储在一电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)中。

接着，通过该外部CAN总线600或其他外部监控电路读取其他ECU的信息，进行模式选择。如果此时外部ECU发出了危险信号，则返回到读取其他ECU的信息，等待安全信号的到来；如果接收到了如读取故障信息、电池识别、电池寿命数据、再编程等的SERVICE信号，则将进入相应的SERVICE服务程序。如果外部CAN网络上没有接收到危险信号和SERVICE信号，则该电池管理系统10进入工作模式状态。

在该电池管理系统10进入工作模式后，首先需要通过AD转换读取该电池组100正负极绝缘电阻、总电压、总电流信号，如果发生绝缘电阻过低或过压、过流现象，则立即存储发生故障时的冻结帧数据(FFD)，并同时断开主继电器，切断主电路；如果没有绝缘电阻、过压、过流故障信号，则系统判定为安全，于是接受该多个从控制单元200的电池数据，包括单体电压、温度，根据特定的算法推算电池的SOC和SOH。如果电池SOC过低或者过高，则断开主继电器，切断主电路，向外发送危险信号，程序结束；如果SOC正常，则判断各电池模块110内部单体电池电压间的最大电压差和整个电池包的单体电池间的最大电压差，如果最大电压差大于50mV，且电池处于充电状态下时，则进入均衡控制模式，直至最大电压差小于40mV或系统进入放电模式为止。

相较于现有技术，本发明电池管理系统10通过读取外部ECU信息进行模式选择，在无危险信号或SERVICE信号时进入工作模式态。在该电池管理系统10处于工作模式时，利用该从控制器200检测该电池组100的电池数据后，该主控制器400根据该电池组100的电池数据进行均衡控制。从而该电池组100的各单体电池之间的差异在下一次充放电前能够得到恢复或者消除，进而有效的均衡了单体电池间的电压不均衡。

本发明电池管理方法包括：

停车后开始对预定时间长度计时；

读取外部ECU信息，其具体包括通过外部CAN总线600读取外部ECU信息；

根据上述信息选择进行电池管理，其具体包括在外部ECU信息没有危险信号或服务信号时进行电池管理，即上述的工作模式，否则进入对应的服务的应用程序或等待安全信号；

读取电池数据并根据读取的电池数据进行电池均衡管理，其具体包括根据单体电池的电压、温度，按照特定的算法推算电池的SOC和SOH。如果电池SOC过低或者过高，则断开主继电器，切断主电路，向外发送危险信号，程序结束；如果SOC正常，则判断各电池模块110内部单体电池电压间的最大电压差和整个电池包的单体电池间的最大电压差，如果最大电压差大于50mV，且电池处于充电状态下时，则进入均衡控制模式，直至最大电压差小于40mV或系统进入放电模式为止。应该说明的是，以上提到的最大电压差50mV和40mV是根据目前电池的一致性水平来设定的，随着电池制造工艺的提升，将来均衡系统将越来越精确，本发明并不局限于以上涉及的定量的电压差。

相较于现有技术，本发明电池管理方法包括选择进入工作模式后对电池进行管理，通过对电池数据的获取和计算来均衡管理电池。因此，单体电池之间能够得到均衡控制，其间的差异导致的问题得到改善或克服。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电池管理系统，其特征在于：包括一电池组、一从控制器、一主控制器、一接线盒和一传感器，该电池组连接到该从控制器，该从控制器连接到该主控制器，该电池组用于为电动车提供动力，该从控制器用于检测该电池组的电池数据并发送所检测的电池数据到该主控制器，该主控制器根据接收到的电池数据通过该从控制器对该电池组进行均衡管理，该接线盒连接到该主控制器，该传感器连接到该主控制器，该接线盒内设置有主继电器，用于控制主电路的关断与导通，该传感器用于检测该电池组的电压和电流，该电池组包括多个依次串联的电池模块，每一电池模块包括多个依次串联的电池，该从控制器包括多个从控制单元，该多个从控制单元依次串联，该多个从控制单元分别对应该多个电池模块，该电池模块的电池正负极都连接到对应的该从控制单元，该主控制器包括一定时器，该定时器用于在该电池组所应用的车辆停止一预定时间长度后唤醒该主控制器对该电池组进行均衡管理，该主控制器包括一推算模块，该推算模块用于根据该控制器采集到的电压、温度以及该传感器提供的电流信号和系统时钟提供的电池使用时间信号，并按照预先设定的算法进行计算，从而获得关于电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)，该主控制器还包括一故障诊断模块、一控制逻辑模块、一内部CAN通信模块、一外部CAN通信模块和一检测模块，该控制逻辑模块和该接线盒连接，该故障诊断模块具有功能监测、错误检测、记录故障信息、读取数据、电池识别、再编程中的任一或其组合功能，该控制逻辑模块用于根据电池的工作状态，通过该接线盒中的主继电器控制风扇、电热丝和主继电器的外围电路，该内部CAN通信模块用于实现该从控制器和该主控制器之间的通信，该外部CAN通信模块用于实现该主控制器与外部的其它电子控制单元之间交换信息，该检测模块用于接收该传感器检测的电压和电流信号，并提供该电池组的总电压和电流的信号。

2.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：该预定时间长度通过根据需要通过调整该定时器的内电阻和电容的大小进行设定。

3.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：还包括一微控制器，其用于在停车后使该电池管理系统进入低功耗模式并启动该定时器。