CN102009595A - 一种电动汽车锂电池能量管理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车的锂动力电池能量管理装置，提供一种安装在车上的可对锂动力电池进行实时监测，并能够按照锂动力电池的充放电要求进行适当控制的电动汽车锂动力电池能量管理系统。本发明中每个集成锂动力电池由专用控制芯片控制，充电过程采用涓流预充电、快速恒流充电、恒压充电和脉冲补充充电囚阶段法。放电过程采用均衡放电控制，有利于输出电压的稳定，使电动汽车运行平顺性好。专用控制芯片都有唯一的地址编码，系统的微处理器可以对专用芯片进行信息的读写。根据采集的电池电压、充放电电流、温度信息控制系统的能量传输控制模块的电压变化，达到各组锂动力电池充放电过程平衡。

Description

一种电动汽车锂电池能量管理装置及方法

技术领域

本发明属于电动汽车能量管理领域，具体涉及电动汽车用锂动力电池组的充放电过程的管理和控制方法。

背景技术

随着国际原油价格飞涨，各种新型能源的研究成为公众关注的焦点。国内已经掀起研制各种电动汽车的热潮。锂动力电池具有较高的比能量密度与比功率，大大降低了车载电池组的重量，无记忆效应，可重复充电次数多，使用寿命较长等优点成为动力电能的首选。电池目前仍然是电动汽车商业化发展的瓶颈。为安全高效地使用电池，研制与电池配套使用的电池能量管理系统意义十分重要。

作为一种新型动力技术，锂动力电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需求，但是由于锂电池具有明显的非线性、不一致性和时变性，因此在应用时需要进行一定的管理。另外锂电池对充放电要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏组电池性能，导致电池寿命缩短。当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单格锂电池内部特性的不一致，会导致各单格锂电池充放电的不一致。某单格性能恶化时，整个电池组的行为都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能，延长使用寿命，必须对锂电池在充放电时进行实时监控，提供过压/过流/温度保护和电池间能量均衡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种安装在车上的可对锂动力电池进行实时监测，并能够按照锂动力电池的充放电要求进行适当控制的电动汽车锂动力电池能量管理系统。

一种电动汽车锂电池能量管理装置，它包括电动汽车电源系统，所述电动汽车电源系统通过数据总线与接口电路连接，所述接口电路与微控制器和通信模块依次连接，所述微控制器还分别与显示模块和报警模块连接。

所述电动汽车电源系统包括多个并联的电池组，每个电池组包括多个串联的集成锂动力电池系统。

所述集成组动力电池系统包括单格锂动力电池和电池控制检测装置，其中，所述电池控制检测装置包括控制芯片，所述控制芯片、驱动电路、充放电控制电路和单格锂动力电池依次连接，所述控制芯片还通过检测模块与单格锂动力电池连接。

所述检测模块包括电流检测、温度检测和电压检测，它们均分别与控制芯片和单格铿动力电池连接。

一种电动汽车锂电池能量管理方法，该管理方法如下：

Step1：初始化电动汽车电源系统及通信模块、显示模块、接口模块和报警模块；

Step2：判断电源系统是否有外接电源，如有外接电源说明该系统在充电，进入step3继续执行；反之则说明该系统在放电，进入step4继续执行；

Step3：检测每个单格锂动力电池的电压电流信号，根据检测的电压电流信号，微控制器控制每个能量传输模块输入电压和电流信号；

Step4：检测每个单格锂动力电池的电压电流信号，根据检测的电压电流信号，微控制器控制每个能量传输模块的输出电压和电流的信号；

Step5：微控制器根据输入/输出电压和电流信号，判断充/放电是否完毕；

Step6：如是充电，微控制器则判断所有单格锂动力电池是否充满，如充满则关闭锂动力电池组及报警提示，反之则返回step3继续执行；如是放电，微控制器则判断所有单格铿动力电池是否放电完毕，如放电完毕则关闭锂动力电池组及报警提示，反之进入step4继续执行。

所述的每个单格锂动力电池充放电控制方法如下；

Step1：控制芯片检测锂动力电池的电压、电流和温度信号；

Step2：控制芯片与微控制器通信，获得控制单格锂动力电池的电压电流信号；

Step3：根据获得的电压电流信号，控制芯片判断锂动力电池是否处于充电状态；

Step4：如是充电状态，则判断是否是涓流预充电状态，如是涓流预充电状态则进行涓流预充电一定时间后返回step1；如不是涓流预充电状态则判断是否是处于恒流充电状态，如是则进行恒流充电一定时间后返回step1；如不是恒流充电状态则判断是否处于恒压充电状态，如是则进行恒压充电一定时间后返回step1；如不是恒压充电状态，则判断是否是脉冲补充电状态，如是则脉冲补充充电一定时间后返回step1，反之结束本单格电池充电过程；

Step5；如不是充电状态，则判断是否是处于强制放电状态，如不是返回step1；如是则判断电压是否超过限定值，如未超过设定限定值则放电一定时间后返回step1；如超过设定限定值，则停止放电，结束本单格放电过程。

本发明电动汽车动力管理管理系统具有以下优点：

1.电池监测控制电路可对电池及电池组的电压、温度、充电电流、放电电流等参数进行实时监控，并对充放电电路作出适当的控制，以防止过充、过放，保证电池的使用安全，有效的提高电池的使用寿命。

2.充放电电路采用单格电池独立充电方式，精确控制单格电池的充放电过程，防止多次充放电后各单格锂动力电池内部特性的不一致而导致各节锂动力电池充放电的不一致。某单格电池性能恶化时，整个电池组的行为都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。

3.每块集成锂动力电池的专用控制芯片都有唯一的地址编码，微处理器可以对其进行信息的读写，以采集信息和控制驱动电路。

4.对每个锂动力电池可以利用电池充放电控制电路隔离，防止其在充放电时电流过大，过充电或过放电，当其被隔离后必然引起本组电池的电压和其他电池组的电压不一致。可以由微处理器发出控制命令，根据各组中的检测的电压和温度信号将其他各组中相应数量的较差的锂动力电池主动隔离，使得锂动力电池组保持的端电压相同，不能产生环流消耗能量。

5.当隔离掉一个或k个电池后端电压会降低，在放电过程中对电池组的影响较小，但在充电时需要降低充电电压，防止充电电流过大对锂电池造成不可恢复的伤害。可以对根据检测的信号控制能量传输控制模块，进行变电压/变电流控制。

6.电池监测/控制电路具有通信功能，能及时的将电池状态参数传输到主控ECU，并在显示仪表盘显示相应的电量、电流、电压、温度信息。当完成充电或放电时可以进行报警以便及时的充电或断开电源。内部的存储单元可以存储每块锂动力电池的状态信息，以便对电池进行维护。

附图说明

图1为本发明电动汽车锂动力电池能量管理系统的原理示意图；

图2单格锂动力电池系统示意图；

图3锂动力电池常规充电法时序图；

图4锂动力电池控制系统充电时序图；

图5锂动力电池的不同放电电流下放电特性曲线；

图6电动汽车电源控制系统微控制器的控制程序流程图；

图7单格锂动力电池的控制流程图；

其中，1、银动力电池控制检测装置，2、单格锂动力电池，3、能量传输控制模块，4、数据总线，5、接口电路，6、显示模块，7、微控制器，8、通信模块，9、报警模块，10、能量传输线，11、MCU芯片，12、电流检测电路，13、温度检测电路，14、电压检测电路，15、驱动电路，16、充放电控制电路。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明；

如图1，本发明电动汽车动力电源管理系统包括；锂动力电池控制检测装置1、单格锂动力电池2，接口电路5、微控制器7、显示模块6、报警模块9和通信模块8等。

其中，锂动力电池控制检测装置1可实时监测单格锂动力电池2的电压、充放电电流及温度等参数，把信号通过数据总线4和接口电路5输入到微控制器7，微控制器7控制能量传输控制模块3调节经过能量传输线10传送的电压电流。

N个集成锂动力电池系统串联组成一组电池，所串联的个数根据系统的电压选择，M个电池组并联组成M×N的电动汽车电源系统，每个集成铿动力电池系统都通过数据总线4与接口电路5输入信息到电动汽车电源控制系统微控制器7。

锂动力电池控制检测装置1和单格组动力电池2组成集成锂动力电池系统，该系统的原理方块图如图2所示主要由专用MCIJ芯片11、电流检测电路12、温度检测电路13、电压检测电路14、驱动电路15、充放电控制电路16和单格1锂动力电池2组成，它可以通过数据总线4和接口电路5与电源控制系统微控制器7相联。其中专用MCU芯片11可以采用Maxim公司的DS2784或DS2786或者Microchip公司的AN1260，专用MCIJ芯片11集成了电压检测，温度检测，电流检测，只需要加一个分流器就行。

电流检测电路12对电池的充放电电流进行检测并提供信号到专用MCU芯片11。

温度检测电路13对电池的温度进行检测，在充电过程当温度过高时自动停止充电，在放电过程中当温度过高时限制电流的大小。

电压检测电路14对电池的电压进行检测，根据锂动力电池的电压决定充电阶段是预充状态、恒流充电和恒压充电阶段。

充放电控制电路16，受驱动电路15驱动来完成电能的双向传输控制。

专用MCU芯片11采集的锂电池的状态信息通过总线和接口电路5传输到电源控制系统微控制器7进行处理，控制整个电池组的充放电过程，显示整个过程中的信息。

由于专用MCU芯片11在锂动力电池的充放电过程中是实时监测的，所以其还具有以下功能；

1.对电池的容量预测根据对电池容量的监测，可实时得出单格电池的剩余容量并送到微控制器进行显示，根据记录数据可以调整电池的组合方式，在电池的充电过程中可以记录并显示每单体电池的充电时间、放电时间，从而优化电池组的方案，防止由于同组使用的各单体电池特性不一致或组合封装时初始状态不一致，所导致电池组整体特性急剧衰退和部分电池的加速损坏。为此，在电池进行多个串并联使用时，必须进行有效地配组。使电池组发挥最佳的效率，同时还可以显示容量底限需充电的提示；

2.对电池的自检功能

通过电压、电流、温度等数据参数，能分析电池是否正常工作，并能自动进行系统自检，如有故障，发出故障信号到微控制器，并切断动力电源开关。

3.故障预警

在电池使用过程中，随时记录电池使用参数，判断电池的有效性，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其它电池不一致性增大，则通过总线传送到微控制器，并显示故障。

4.外电路故障保护

当外部电路出现严重故障或失效时，系统能产生安全保护，使电池不致过放、过充、短路等。

按照锂动力电池组的充电过程的要求，常规充电法是按预充电、恒流充电、恒压充电三个阶段进行的，如图3所示。图中只是定性的描述了常规充电方法中锂动力电池的充电电流电压随充电过程的变化曲线，实线表示充电过程中的电流变化曲线；虚线表示充电过程中的端电压变化曲线。

为了既提高锂动力电池充电速度，又避免充电过程中产生过充和过热、使极板活性物质脱落损坏，本发明中组动力电池采用囚阶段的充电方式；涓流预充电、快速恒流充电、恒压充电、脉冲补充电，如图4所示。图中阴影部分表示充电的能量变化；实线表示充电过程中充电电压的变化过程曲线；虚线表示充电过程中充电电流的变化曲线。在图中只是定性的表述不同的充电阶段随充电时间变化锂动力电池的电压电流变化趋势。

1.涓流预充电阶段

若锂动力电池在充电初期如已处于深度放电状态，为避免对蓄电池充电电流过大，造成热失控，微处理器通过监测蓄电池的电压，对蓄电池实行稳定小电流涓流充电。在涓流充电阶段，电池电压开始上升，当电池电压上升到能接受大电流充电的阔值时，则转入快速充电阶段。

2.快速恒流充电阶段该阶段为大电流恒流充电，充电电流大小因蓄电池容量而异，一般为0.1C(C为蓄电池组的容量)，当电压上升至恒压电压阂值时，则转入恒压阶段。

3.恒压充电

该阶段为恒压充电，电压值是取决于蓄电池节数与蓄电池温度。这时充电电流逐渐减小，当电流下降至某一阙值时，自动转入脉冲补充电。

4.脉冲补充电

该阶段主要用来补充蓄电池自放电所消耗的能量当充电电压达到设定最大值时，此时标志着充电过程结束。

比较两种充电方法可以看出本发明中用的方法更符合锂动力电池的充电过程原理实现快速安全的充电，能够更好的保护理电池，发挥锂动力电池的优越性能，延长使用寿命。

锂动力电池的放电过程是个复杂的电化学变化过程，放电过程受到电池温度、放电率、自放电、充放电循环次数等多种因素的影响，使得对于放电过程中控制十分困难。

图5为锂动力电池的不同放电电流下放电特性曲线，该曲线的特点是；

(1)锂动力电池具有很好的带负载能力，最大可安全的提供3C的放电电流；

(2)不同的放电电流对电压和电量的影响不同，能够输出的有效电量也相差很大；

(3)放电到3V左右，电池电量已经基本输出完毕；

根据放电特性，本设计中将采用合适的放电管理和保护技术实现对放电过程的管理。

图6给出了电动汽车电源控制系统微控制器的控制程序流程图，电源控制系统微控制器的控制步骤如下；

Step1：进行初始化，完成对电源控制系统微控制器7的初始化，进行通信模块8，显示模块6、接口模块5、报警模块9的初始化，检测各系统的状态；

Step2：采集各单格锂动力电池2的电压、电流、温度信号，显示电池的当前状态，根据采集的信息，设置充电<或放电>时各组能量传输控制模块3的电压电流大小方向；

Step3：进行充电状态还是放电状态；

如是充电，微控制器则判断所有单格锂动力电池是否充满，如充满则关闭锂动力电池组及报警提示，反之则返回step2继续执行；如是放电，微控制器则判断所有单格锂动力电池是否放电完毕，如放电完毕则关闭锂动力电池组及报警提示，反之进入step2继续执行。

锂动力电池控制检测装置的专用控制芯片程序流程图7，实现了对每一个单格锂动力电池2的充放电过程控制。

Step1：上电初始化，与系统的微控制器进行通信设定，接收微控制器发来的控制信号，对各组动力电池控制检测装置1进行初始化设定；

Step2：检测锂动力电池的电压、电流、温度等传到锂动力电池控制检测装置1，根据电动汽车电源控制系统微控制器7的通过接口电路5对锂动力电池控制检测装置1的状态设置，判断是进行充电、放电；

Step3：如是充电状态，则判断是否是涓流预充电状态，如是涓流预充电状态则进行涓流预充电一定时间如5秒后返回step2；如不是涓流预充电状态则判断是否是处于恒流充电状态，如是则进行恒流充电一定时间如10秒后返回step2；如不是恒流充电状态则判断是否处于恒压充电状态，如是则进行恒压充电一定时间如5秒后返回step2；如不是恒压充电状态，则判断是否是脉冲补充电状态，如是则脉冲补充充电一定时间如3秒完成后返回；step2，反之结束本单格电池充电过程；

Step4：如不是充电状态，则判断是否是处于强制放电状态，如不是返回step2；如是则进行判断电压是否超过限定值，如不是超过设定限定值则放电一定时间如10秒后返回step2；如超过设定阙值，则停止放电，结束本单格放电过程。

充电时根据检测的电压、电流、温度进行控制充电的四个不同过程；放电时根据检测的电压、电流、温度控制放电过程保护电池，防止过放电或短路故障。

上述实例只是体现本发明技术方案的优选方案，本技术领域的技术人员对其中的某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电动汽车锂动力电池能量管理方法，其特征在于：可进行实时监测锂动力电池的参数变化，并能够按照理动力电池的能量管理要求进行充放电控制的电动汽车组动力电源管理系统。充放电电路具有串联与均衡相结合的充放电电路，电池监测控制电路由采样的电池状态数据自动判断而作出选择控制命令，对蓄电池进行串联充放电、均衡充放电、变电压/变电流充放电。

2.如权利要求1所述，电动汽车组动力电池能量管理方法，其特征在于：电动汽车组动力电源管理系统由根据电动汽车需要的电压选择N个集成锂动力电池系统串联组成一组电池，根据电动汽车的功率需要M个电池组并联组成M×N的电动汽车电源系统。

3.如权利要求书1、2所述锂动力电池控制检测系统，其特征在于：组动力电池控制检测系统电路直接与组动力电池组阵列的每个单格电池相连，并可通过总线和接口传输到微控制器，微控制器根据每组电池的信息控制能量传输控制模块进行充放电时的变电压/变电流控制，由显示模块显示蓄电池的状态信息。

4.如权利要求书1、3所述锂动力电源管理系统，其特征在于：锂动力电源管理系统可实时监测蓄电池的电压、充放电电流及温度等参数，并依据这些参数对充放电电路作出适当的保护控制命令。组动力电池充放电控制检测装置直接与组动力电池组阵列的每个单格电池相连，并可显示蓄电池的状态信息。

5.如权利要求书2所述其特征在于：电动汽车锂动力电源管理系统，包括集成锂动力电池系统、接口电路、微控制器、显示模块、报警模块和通信模块等。

6.如权利要求书3、5所述具有锂动力电池能量管理系统具有通信功能，能及时的将电池状态参数传输到主控ECIj，并在显示仪表盘显示相应的电量、电流、电压、温度信息。当完成充电或放电时可以进行报警以便及时的充电或断开电源。内部的存储单元可以存储每块组动力电池的状态信息，以便对电池进行维护。

7.如权利要求书1、3所述锂动力电池能量管理系统的软件主要包括：微处理器主程序、与专用控制芯片通信程序、运算处理程序、显示程序、与电动汽车其他控制器的通信程序、能量传输控制模块驱动控制程序和中断程序等。微处理器的主程序流程图见图6所示，图中给出了充电过程和放电过程的主程序。

8.如权利要求书1、3所述专用控制芯片的软件主要包括：根据充放电特性所设计的过程控制程序、电压/电流/温度检测程序、控制算法程序、均衡控制电路驱动程序、恒流/恒压驱动程序、与微处理器通信程序、中断程序等。

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