CN102185354A - 一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统。该系统包括电池管理控制单元、均衡子系统、电池监测子系统、充电器和电池组。电池管理控制单元是以微控制器为核心，并配以相关的外围辅助电路、电量显示电路和驱动电路组成。均衡子系统由斩波及驱动模块、同轴变压器和多个MOS开关组成。电池监测子系统由滤波器和信号放大调理电路构成，并复用了同轴变压器。本发明所形成的以同轴变压器为核心的DC/DC均衡电路，结构简单、可靠，能够对电池单元之间实现非能耗主动均衡。本发明在电池组充电、放电和空闲时都能进行均衡工作，增加了电动车得续行里程，降低了用户的使用成本。

Description

一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统

技术领域

本发明涉及一种串联锂动力电池组管理均衡控制系统，特别涉及一种无能耗电量均衡、自动充放电控制和剩余电量估算的锂电池组智能管理控制系统。该系统可用于各种类型的电动自行车和其他装备小型电池组的应用领域。

背景技术

目前，随着电动自行车轻型化、小型化的要求，锂电池在电动自行车上的应用越来越普及，其动力电源已经采用将多个锂电池通过并串组合连接在一起组成电池组进行供电。在正常使用过程中，由于电池使用一段时间后导致各节电池单体特性之间出现差异，使得电池组整体能量性能得不到充分发挥，尤其在电池组充电过程后期，可能会同时出现过充电和欠充电的问题，产生各单体电池间的不均衡现象。如果电池组长期运行在这种不均衡的状态下，会导致过充电或过放电频繁发生，必定会损坏电池，造成安全隐患，进而严重影响电池的使用性能和寿命。

从严格意义上讲，现有的一般电池管理系统仅仅具备过充、过放保护和温度保护功能，只能算是一个电池监视系统，并不是真真意义上的电池管理系统。上述一般系统只是根据充电、放电截止电压来判断是否对电池组进行充放电，并没有将电池状态监测、电量预测、均衡管理和充放电强度控制有机结合起来，在实际应用中意义不大。

因此，要实现真正意义上的电池管理系统，必须要从一个复杂大系统的角度出发，将电池状态监测、电池电量估算（SOC）、均衡管理和充放电控制作为一个整体来考虑，同时还要兼顾相互之间的关联性。电池状态的监控很容易实现，只要通过单片机系统就可采集到电池组的电流、电压和温度信号。电池电量估算技术目前在国内外都不是很完善、特别是在运行过程中的实时估算很难实现，但一些公开的预估算法其精度也可达到8%以内。电池均衡管理和充放电控制技术也是主要的技术难点，尤其是无能耗均衡技术以及与之配合工作的充电控制技术对电池管理系统而言至关重要。

发明内容

针对现有技术的缺陷，提供本发明一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统，其可以实现非能耗均衡管理、且具有充放电强度控制的功能。

本发明的技术方案是这样的：其包括电池管理控制单元、均衡子系统、电池监测子系统、充电器和电池组，所述充电器具有单线通信接口，能够根据微控制器给出的指令协议实时改变工作模式和调整充电电流的大小，微控制器根据电池当前状态和均衡情况决定充电器工作状态，指令协议的格式由单总线上PWM（脉宽调制）信号的占空比来定义；所述电池组由电池串联组成，也可对每节进行并联以增大电池组的容量，其特征在于：所述电池管理控制单元是以微控制器为核心，并配以相关的外围辅助电路、电量显示和驱动电路，负责均衡算法、电池电量预估算法、充电强度控制算法和电池状态信息的运算、处理和控制；所述均衡子系统由一个同轴变压器、MOS开关及驱动电路构成，负责对各单节电池的容量进行非能耗主动均衡；所述电池监测子系统由滤波器和运算放大器组成，通过电压扫描的方式对各单节电池的电压进行采样并送到微控制器的ADC（模数转换）输入端口,电池监测子系统除了对单节电池的电压进行监测之外，同时还担负着对整个电池组的电压和电流进行监测。

其进一步特征在于：所述电池组由12节电池串联组成；

所述均衡子系统包括斩波及驱动模块、同轴变压器和M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、Mp MOS开关；所述斩波及驱动模块将微控制器输出的开关控制信号隔离驱动后控制各MOS开关的开通和闭合，每路驱动信号均为频率20kHz、占空比可变的PWM信号；所述同轴变压器有Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12次级绕组和1个初级绕组Tp，Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12次级绕组分别经M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12  MOS开关连接到12个电池单元，初级绕组Tp通过一个MOS开关Mp与电池组正负端相连；在该均衡子系统中，微控制器可根据各单体电池的容量和电压差异情况，通过增大或减小PWM信号的占空比对每路均衡电流进行调整，以适应电池组在不同状态下的均衡模式，达到智能化均衡管理的目的。

所述电池监测子系统包括信号放大调理电路和滤波器，同时复用了均衡电路中同轴变压器的初级绕组Tp和MOS开关；该电池监测子系统完成12个单节电池的电压采样以及整个电池组的总电压和电流的检测，并将调理后的信号送入微控制器的ADC输入口。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）所述电池管理控制单元能够根据电池当前状态和单体电池之间的容差大小实时控制均衡电流的强度和充电器充电模式，避免了电池组可能会同时出现过充电和欠充电的问题，使得电池组的容量最大限度发挥，有效增加了电池组的使用寿命。

（2）所述均衡子系统采用了以同轴变压器为核心的DC/DC均衡电路，能够对电池单元之间转移能量，实现了电池组的非能耗主动均衡。

（3）所述电池监测子系统仅仅利用同轴变压器的初级绕组Tp，通过电压扫描的方式实现了对所有电池单元的电压检测，省去了传统方法中必须要采用的开关阵列，同时也避免了共地隔离的难题。相比而言，该方案成本较低、结构简单、可靠。

附图说明

图1为本发明的一种电动自行车锂电池组智能管理控制系统结构示意图；

图2为本发明的均衡子系统功能框图；

图3为本发明的电池监测子系统结构示意图。

具体实施方式

见图1，本发明包括电池管理控制单元30、均衡子系统40、电池监测子系统20、充电器10和电池组50，充电器10的正负端通过连线1、2与电池组50正负端连接，充电器10具有单线通信接口3，能够根据微控制器给出的指令协议实时改变工作模式和调整充电电流的大小，微控制器根据电池当前状态和均衡情况决定充电器工作状态，指令协议的格式由单总线上PWM（脉宽调制）信号的占空比来定义；电池组50由12节电池串联组成，也可对每节进行并联以增大电池组50的容量；电池管理控制单元30是以微控制器为核心，并配以相关的外围辅助电路、电量显示和驱动电路，负责均衡算法、电池电量预估算法、充电强度控制算法和电池状态信息的运算、处理和控制，电池管理控制单元30通过信号线束8与均衡子系统40连接，用于控制均衡电路中MOS开关管的导通和关断，电池管理控制单元30通过信号线3与充电器10连接，用于与充电器10进行通信，控制充电强度和充电模式的切换；均衡子系统40由一个同轴变压器42，具体为多副边绕组同轴变压器、MOS开关及驱动电路构成，均衡子系统40通过电缆线6、7与电池组50正负端连接，通过电缆线9与电池组50的各单节电池连接，负责对各单节电池的容量进行非能耗主动均衡；电池监测子系统20由滤波器21和运算放大器组成，通过电压扫描的方式对各单节电池的电压进行采样并送到微控制器的ADC（模数转换）输入端口，电池监测子系统20分别通过信号线4和5与电池管理控制单元30和均衡子系统40连接，电池监测子系统20除了对单节电池的电压进行监测之外，同时还担负着对整个电池组50的电压和电流进行监测。

见图2，其包括斩波及驱动模块41、同轴变压器42和多个MOS开关（M1到M12，Mp）；斩波及驱动模块41将微控制器输出的开关控制信号隔离驱动后控制各MOS开关的开通和闭合，实现对电池组50单元电池之间的能量均衡；每路驱动信号均为频率20kHz、占空比可变的PWM信号，通过调整占空比大小可实现对均衡电流强度的实时调节；同轴变压器42有12个次级绕组Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12和1个初级绕组Tp，次级绕组Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12分别经MOS开关M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12连接到电池组50的12个电池单元，初级绕组Tp的一端接电池组50正端，另一端通过一个MOS开关Mp与电池组50负端相连，该同轴变压器42用于各单元电池之间的能量转移。在该均衡子系统40中，微控制器可根据各单体电池的容量和电压差异情况，通过增大或减小PWM信号的占空比对每路均衡电流进行调整，以适应电池组50在不同状态下的均衡模式，达到智能化均衡管理的目的。

见图2、图3，电池监测子系统20包括信号放大调理电路22和滤波器21，同时复用了同轴变压器42；同轴变压器42初级绕组Tp的同名端与滤波器21连接，滤波器21与信号放大调理电路22连接，信号放大调理电路22同时要采样电池组50的电压和电流，所有被测信号都被送入微控制器的ADC输入端口。

电池组智能充放电管理控制系统的管理控制方法如下：微控制器实时巡检电池组50各电池单元的电压、温度、电池组50充放电电流等参数，并与设定的保护阈值相比较，通过控制电池组50充放电开关实现电池组50过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、温度保护和单体电池的过充过放保护；管理控制系统根据所测单体电池的电压参数判断单体电池之间是否存在不均衡现象，若单体电池之间的差异超过一定的范围，则启动均衡子系统40开始工作。在均衡过程中，均衡电流的强度可根据单体电池之间容差的大小进行动态调节；电池组50在充电过程中，当均衡电流已经达到系统硬件电路所允许的极限，但仍然无法满足均衡的要求时，微控制器通过单总线发送指令给充电器10，使其减小充电电流的强度，若系统最大均衡电流能够满足均衡要求，则充电器10的充电电流为其额定电流。

均衡子系统40的均衡方法如下：如图2所示，当电池组50在充电模式下，如果某个单体电池C11的电压高于其他单元，首先闭合开关M11，电流从电池C11流向同轴变压器42，电池单元中转移出的能量以磁场的形式得到存储，然后断开开关M11，闭合初级线圈上的主开关Mp，此时，同轴变压器42从储能模式进入了能量输出模式，能量通过初级线圈送入整个电池组50，从而实现了能量从较强的电池向较弱的电池转移；当电池组50在放电和空闲模式下，如果某个单体电池C2的电压低于其他单元，此时闭合主开关Mp，电池组50开始对同轴变压器42充电，主开关Mp断开后，相应的次级开关M2闭合，就开始能量转移。

上述电池监测子系统20对各单节电池的电压测量方法如下：当M1到M12这些开关中有一个闭合时，与其相连的电池单元的电压就转换到同轴变压器42的初级绕组Tp中，在经过一个滤波器21滤波之后，被测信号被送入微控制器的ADC输入端口，通过这种同轴变压器42回扫的方法，在一个很小的时隙里即可实现12节电池单元的电压巡检。

图1中：1. 电池组正端；2.电池组负端；3.与充电器通信信号线；4. ADC采样输入；5.单节电池电压检测信号线；6、7.均衡子系统电源正负连线；8.MOS开关控制信号线；9.单节电池引出线。

Claims (4)

1.一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统，其包括电池管理控制单元、均衡子系统、电池监测子系统、充电器和电池组，所述充电器具有单线通信接口，能够根据微控制器给出的指令协议实时改变工作模式和调整充电电流的大小，微控制器根据电池当前状态和均衡情况决定充电器工作状态，指令协议的格式由单总线上脉宽调制信号的占空比来定义；所述电池组由电池串联组成，也可对每节进行并联以增大电池组的容量，其特征在于：所述电池管理控制单元是以微控制器为核心，并配以相关的外围辅助电路、电量显示和驱动电路，负责均衡算法、电池电量预估算法、充电强度控制算法和电池状态信息的运算、处理和控制；所述均衡子系统由一个同轴变压器、MOS开关及驱动电路构成，负责对各单节电池的容量进行非能耗主动均衡；所述电池监测子系统由滤波器和运算放大器组成，通过电压扫描的方式对各单节电池的电压进行采样并送到微控制器的模数转换输入端口,电池监测子系统除了对单节电池的电压进行监测之外，同时还担负着对整个电池组的电压和电流进行监测。

2.根据权利要求1所述一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统，其特征在于：所述电池组由12节电池串联组成。

3.根据权利要求1所述一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统，其特征在于：所述均衡子系统包括斩波及驱动模块、同轴变压器和M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12、Mp MOS开关；所述斩波及驱动模块将微控制器输出的开关控制信号隔离驱动后控制各MOS开关的开通和闭合，每路驱动信号均为频率20kHz、占空比可变的PWM信号；所述同轴变压器有Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12次级绕组和1个初级绕组Tp，Ts1、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、Ts10、Ts11、Ts12次级绕组分别经M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12  MOS开关连接到12个电池单元，初级绕组Tp通过一个MOS开关Mp与电池组正负端相连；在该均衡子系统中，微控制器可根据各单体电池的容量和电压差异情况，通过增大或减小PWM信号的占空比对每路均衡电流进行调整，以适应电池组在不同状态下的均衡模式，达到智能化均衡管理的目的。

4.根据权利要求2所述一种用于电动自行车的锂电池组智能充放电管理控制系统，其特征在于：所述电池监测子系统包括信号放大调理电路和滤波器，同时复用了均衡电路中同轴变压器的初级绕组Tp和MOS开关；该电池监测子系统完成12个单节电池的电压采样以及整个电池组的总电压和电流的检测，并将调理后的信号送入微控制器的ADC输入口。

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