CN102653263A - 电动汽车动力电池管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种电动汽车动力电池管理系统及方法，该系统包括：电池信息检测模块，可以检测各电池单体的电压；中央处理模块，接收所述电池信息检测模块检测到的各电池单体的电压，并对检测结果中的所有电压作比较，计算出平均电压值，找出其中电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体；逻辑开关阵列切换模块，所述中央处理模块将所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体与该逻辑开关阵列切换模块导通；以及电源模块，为所述中央处理模块供电及向所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体充电。本发明能精确的控制电池充电的电量、充电效率高。

Description

电动汽车动力电池管理系统及方法
技术领域
本发明属于汽车新能源技术领域，具体涉及一种电动汽车的动力电池管理系统及方法。
背景技术
随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放、噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统(BMS)，是电动车产业化的关键。
现有的电动汽车电池管理系统采用多路变压器对动力电池组进行充放电，体积庞大、造价偏高，并且对单体电池电压的采集精度不高，而且电路存在变压器等能量器件产生的纹波干扰等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能精确的控制电池充电的电量、效率高的电动汽车动力电池管理系统及方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种电动汽车动力电池管理系统，包括：电池信息检测模块，与电动汽车动力电池组内的各电池单体连接，该电池信息检测模块可以检测各电池单体的电压；中央处理模块，与所述电池信息检测模块连接，接收所述电池信息检测模块检测到的各电池单体的电压，并对检测结果中的所有电压作比较，计算出平均电压值，找出其中电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体；逻辑开关阵列切换模块，与所述电动汽车动力电池组内的各电池单体及中央处理模块连接，所述中央处理模块将所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体与该逻辑开关阵列切换模块导通；以及电源模块，与所述中央处理模块及逻辑开关阵列切换模块连接，为所述中央处理模块供电及向所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体充电。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，其中所述电池信息检测模块还可以检测各电池单体的电流和温度。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，还包括一与所述中央处理模块连接的电池状态监控模块；所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并通过所述电池状态监控模块显示出来；所述电池信息检测模块检测各电池单体的温度传送给所述中央处理模块，并通过所述电池状态监控模块显示出来。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，还包括一与所述中央处理模块连接的故障报警模块；所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则通过所述故障报警模块报警；所述电池信息检测模块检测各电池单体的温度并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则通过所述故障报警模块报警。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，其中所述电池信息检测模块包括一AD采集芯片和一滤波芯片，通过所述AD采集芯片对电池信号采集后进行A/D转换，接着通过所述FPGA滤波芯片进行低通滤波后传送给所述中央处理模块。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，其中所述AD采集芯片对电池信号差分采集。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，其中所述逻辑开关阵列切换模块为FPGA模块。
本发明所述的电动汽车动力电池管理系统，其中所述电源模块分别与所述中央处理模块及逻辑开关阵列切换模块之间采取DC-DC电源隔离，所述中央处理模块的输入输出接口采用光耦隔离。
本发明还提供了一种电动汽车动力电池管理方法，包括：步骤S1：采集动力电池组内各电池单体的电压；步骤S2：计算出所有电池单体的平均电池电压，并找出低于所述平均电池电压且是电池组中最低电压的电池单体，通过电源给最低电压的电池单体充电，由此完成一次电池平衡；步骤S3：重复步骤S2，当动力电池组的平均电池电压与电池单体的最高电压接近时停止平衡工作。
本发明所述的电动汽车动力电池管理方法，还包括：采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态和温度，并显示出来。
本发明所述的电动汽车动力电池管理方法，还包括：采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态及温度；将各电池单体的荷电状态与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则报警；将各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则报警。
本发明基于FPGA(大规模可编程逻辑器件)实现动力电池的平衡管理，能精确的控制电动汽车动力电池充电的电量，充电电流大、效率高，充电条件可以灵活调整，并且还具有体积小、造价低、抗电磁干扰能力强的优点。本发明电池管理系统直接检测及管理电动汽车的动力电池运行的全过程，包括电池电压测量、电流测量、电量估计、单体电池间的均衡、电池故障诊断。
附图说明
图1为本发明动力电池管理系统一实施例的结构框图；
图2为图1中电源供电系统一实施例的结构框图；
图3为本发明动力电池管理系统另一实施例的结构框图；
图4为本发明动力电池管理系统又一实施例的结构框图；
图5为本发明动力电池管理方法动力充放电平衡的流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。
请参照图1，为本发明动力电池管理系统一实施例的结构框图，该动力电池管理系统20包括：电池信息检测模块21，与电动汽车动力电池组10内的各电池单体连接，该电池信息检测模块21可以检测各电池单体的电压；中央处理模块22，与所述电池信息检测模块21连接，接收所述电池信息检测模块21检测到的各电池单体的电压，并对检测结果中的所有电压作比较，计算出平均电压值，找出其中电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体；逻辑开关阵列切换模块23，与所述电动汽车动力电池组10内的各电池单体及中央处理模块22连接，所述中央处理模块22将所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体与该逻辑开关阵列切换模块23导通；以及电源模块24，与所述中央处理模块22及逻辑开关阵列切换模块23连接，为所述中央处理模块22供电及向所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体充电。请参照图2，图1中的电源模块由电瓶供电，并在电池组和电瓶之间连接逆变器，即汽车电瓶给电池管理系统供电并给各电池单体充电；电池组也可以通过逆变器给汽车电瓶充电，这样形成一个循环的体系。
请参照图3，为本发明动力电池管理系统另一实施例的结构框图，该动力电池管理系统20’与图1所示实施例的不同之处在于，电池信息检测模块还可以检测电流和温度，所述中央处理模块连接一电池状态监控模块25；所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给中央处理模块，中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并通过所述电池状态监控模块显示出来；所述电池信息检测模块检测各电池单体的温度传送给所述中央处理模块，并通过所述电池状态监控模块显示出来。
请参照图4，为本发明动力电池管理系统又一实施例的结构框图，该动力电池管理系统20”与图1所示实施例的不同之处在于，电池信息检测模块还可以检测电流和温度，所述中央处理模块连接一故障报警模块26；所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则通过所述故障报警模块报警；电池信息检测模块检测各电池单体的温度并传送给所述中央处理模块，中央处理模块根据各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则通过所述故障报警模块报警。
本发明动力电池管理系统的再一实施例，中央处理模块可以同时连接电池状态监控模块和故障报警模块，并同时进行前述电池状态监控和故障报警工作。
本发明的电动汽车动力电池管理系统，其中电池信息检测模块可以包括一AD(模数)采集芯片和一FPGA滤波芯片，通过所述AD采集芯片对电池信号差分采集后进行A/D(模/数)转换，接着通过所述FPGA滤波芯片实现32阶低通椭圆滤波方案，利用FPGA的硬件高速计算处理特性，以满足32阶A/D采集信号的实时处理，滤波后传送给所述中央处理模块；所述逻辑开关阵列切换模块可以为FPGA模块，实现大规模逻辑开关阵列，利用一个变压器对多块单体电池进行充放电平衡。由于电动汽车用电环境非常复杂，驱动电机和充电机都会产生很强的电磁干扰，从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作，为了减小电磁干扰，所述电源模块分别与所述中央处理模块及逻辑开关阵列切换模块之间采取DC-DC电源隔离，所述中央处理模块的输入输出接口采用光耦隔离，并且中央处理模块通过CAN总线与外部通信，实现整机标定、电池数据输出等功能。
请参考图5，为本发明动力电池管理方法充放电平衡的流程图，包括：步骤S1：采集动力电池组内各电池单体的电压；步骤S2：计算出所有电池单体的平均电池电压，并找出低于所述平均电池电压且是电池组中最低电压的电池单体，通过电源给最低电压的电池单体充电，由此完成一次电池平衡；步骤S3：重复步骤S2，当动力电池组的平均电池电压与电池单体的最高电压接近时停止平衡工作。本发明动力电池管理方法还包括：采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态和温度，并显示出来；以及采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态及温度；将各电池单体的荷电状态与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则报警；将各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则报警。。
具体来说，纯电动车辆点火后，动力电池管理系统启动，由蓄电池给动力电池管理系统供电，开始采集动力电池组内各电池单体的电压、温度、电流等状态，差分采集电压后通过A/D转换芯片进行A/D转换并将处理结果送到FPGA芯片，在FPGA芯片中通过椭圆低通滤波算法进行滤波后将电压值传送给中央处理模块，中央处理模块计算出平均电池电压，并找出最低电压的电池单体，利用FPGA逻辑开关阵列切换模块的大规模逻辑开关阵列将蓄电池的能量经过变压器转换到最低电压的电池单体上，给最低电压的电池单体充电，由此完成一次电池平衡。规定一次平衡的时间为1秒，当电池组的平均电池电压与电池单体的最高电压接近时停止平衡工作。同时每秒计算一次SOC(荷电状态)剩余电池电量以及电池异常状态检测等工作，并将所有数据通过CAN总线按照协议发出。
本发明采用FPGA实现大规模逻辑门开关来同时控制多组电池单体，很好的解决了需要多路变压器带来的体积和成本问题。并且电压采集中加入32阶椭圆低通滤波，使电压信号的测量精度达到进一步提升，使电压采集的精度在千分之5的范围内，有利于电池平衡计算与电池电量SOC分析。
虽然已参照上述典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，包括：
电池信息检测模块，与电动汽车动力电池组内的各电池单体连接，该电池信息检测模块可以检测各电池单体的电压；
中央处理模块，与所述电池信息检测模块连接，接收所述电池信息检测模块检测到的各电池单体的电压，并对检测结果中的所有电压作比较，计算出平均电压值，找出其中电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体；
逻辑开关阵列切换模块，与所述电动汽车动力电池组内的各电池单体及中央处理模块连接，所述中央处理模块将所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体与该逻辑开关阵列切换模块导通；以及
电源模块，与所述中央处理模块及逻辑开关阵列切换模块连接，为所述中央处理模块供电及向所述电压低于所述平均电压值且是电池组中电压最低的电池单体充电。
2.如权利要求1所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，所述电池信息检测模块还可以检测各电池单体的电流和温度。
3.如权利要求2所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，还包括一与所述中央处理模块连接的电池状态监控模块；
所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并通过所述电池状态监控模块显示出来；
所述电池信息检测模块检测各电池单体的温度传送给所述中央处理模块，并通过所述电池状态监控模块显示出来。
4.如权利要求2或3所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，还包括一与所述中央处理模块连接的故障报警模块；
所述电池信息检测模块检测各电池单体的电流并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的电流计算各电池单体的荷电状态，并与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则通过所述故障报警模块报警；
所述电池信息检测模块检测各电池单体的温度并传送给所述中央处理模块，所述中央处理模块根据各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则通过所述故障报警模块报警。
5.如权利要求1所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，所述电池信息检测模块包括一AD采集芯片和一FPGA滤波芯片，通过所述AD采集芯片对电池信号采集后进行A/D转换，接着通过所述FPGA滤波芯片进行低通滤波后传送给所述中央处理模块。
6.如权利要求5所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，所述AD采集芯片对电池信号差分采集。
7.如权利要求1所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，所述逻辑开关阵列切换模块为FPGA模块。
8.如权利要求1所述的电动汽车动力电池管理系统，其特征在于，所述电源模块分别与所述中央处理模块及逻辑开关阵列切换模块之间采取DC-DC电源隔离，所述中央处理模块的输入输出接口采用光耦隔离。
9.一种电动汽车动力电池管理方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采集动力电池组内各电池单体的电压；
步骤S2：计算出所有电池单体的平均电池电压，并找出低于所述平均电池电压且是电池组中最低电压的电池单体，通过电源给最低电压的电池单体充电，由此完成一次电池平衡；
步骤S3：重复步骤S2，当动力电池组的平均电池电压与电池单体的最高电压接近时停止平衡工作。
10.如权利要求9所述的电动汽车动力电池管理方法，其特征在于，还包括：采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态和温度，并显示出来。
11.如权利要求9或10所述的电动汽车动力电池管理方法，其特征在于，还包括：采集动力电池组内各电池单体的电流和温度信息，每隔一预定时间计算一次各电池单体的荷电状态及温度；将各电池单体的荷电状态与一预设的门限荷电状态进行比较，若有电池单体的荷电状态低于该门限荷电状态，则报警；将各电池单体的温度与一预设的门限温度进行比较，若有电池单体的温度高于该门限温度，则报警。
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