CN102856886A

CN102856886A - 一种电动汽车电池保护电路

Info

Publication number: CN102856886A
Application number: CN2012103180613A
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 姜凯; 林玉健
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-08-31
Also published as: CN102856886B

Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池保护电路，包括主电路，电压检测模块，电池回路电流检测模块，电池温度检测模块，电动汽车惯性检测模块，电磁继电器开关模块，和单片机控制模块。各检测模块通过对电池单体电压、电池回路电流、电池温度的检测，将信号传给单片机控制模块，分析其电流、电压和温度的变化趋势。此电路不仅实现了对电动汽车电池的外部电压、电流的检测，对过电压、过电流、欠电压等异常状态下的切断保护，而且实现了对电池输出特性的提前预测，对电池的荷电异常进行检测和保护，还通过对汽车的惯性检测保证在电池完好的情况下电动汽车出现各类故障时及时切断电源电路防止出现电池的燃烧和爆炸。

Description

一种电动汽车电池保护电路

技术领域

本发明涉及纯电动汽车、混合动力汽车领域，具体涉及电动汽车电池保护电路。

背景技术

目前电动汽车的电池保护技术包括两大部分：一是通过对电池外部附加金属或非金属装置，实现电池与外部的隔绝，防止电池破损或减轻电池的碰撞和震动，以此防止电池燃烧和爆炸，实现对电动汽车和人员的保护。二是通过对电动汽车电池回路通断的控制来实现在异常情况下及时切断电动汽车的电源，实现对电池和人员的保护。主要是通过对主电路的电压、电流的检测与基准电压和基准电流的比较分析来判断电池的工作状态是否正常，由此来控制主回路的通断（如《一种超低功耗锂离子电池保护电路》、《锂离子电池的保护系统》等）。所用的方法有电路异常自锁、检测实时端电压判断最大放电电流等。这些方法只是通过检测外部电流、电压的参数来实现对电池的管理，没有对电池的内部荷电状态进行估算和预测，不能预测电池的内部荷电特性，而控制也就出现了滞后性，不能对电池故障及时进行预测和对电路的保护。同时这些装置没有考虑到在电池完好的情况下电动汽车出现碰撞和侧翻等各类故障时对电池的及时保护，以防止电池因碰撞等造成损坏，从而出现燃烧和爆炸现象。

发明内容

鉴于以上背景，为了克服现有的不足，提供了一种电动汽车电池保护电路，此电路不仅实现了对电动汽车电池的外部电压、电流的检测，对过电压、过电流、欠电压等异常状态下的切断保护，而且增加了对输出电压、电流、电池温度的变化数值进行微分处理，实现了对电池输出特性的提前预测，并通过应用卡尔曼滤波法和Ah计量法实现了对电池内部荷电状态的估算，对电池的荷电异常进行检测和保护，还通过对汽车的惯性检测保证在电池完好的情况下电动汽车出现碰撞和侧翻等各类故障时及时切断电源电路防止出现电池的燃烧和爆炸。此电路实现了对电池和人员的更加全面的保护。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种电动汽车电池保护电路，包括主电路，电压检测模块，电池回路电流检测模块，电池温度检测模块，电动汽车惯性检测模块，电磁继电器开关模块，和单片机控制模块；主电路包括多组单体电池串联，用于提供电动汽车电源，每个单体电池的两端接电压检测模块，电池回路电流检测模块与充电器或负载串接在电池回路中，电池回路电流检测模块用于检测回路总电流，电池回路中还串联有一个电磁继电器开关；电压检测模块的两端接每个电池单体的两端，用于实时检测每个单体电池的电压，电压检测模块的输出接入单片机控制模块；温度检测模块用于检测单体电池的温度，电池温度检测模块的输出接单片机控制模块；电动汽车惯性检测模块与单片机控制模块连接，用于检测电动汽车的外部运行状态；电磁继电器开关的控制端接至单片机模块；单片机控制模块用于输出信号对各模块进行控制。

进一步的，上述电动汽车电池保护电路还包括电源供电模块，对各模块进行供电。

进一步的，电压检测模块包括第一电阻，第二电阻，第三电阻，第一电容，第二电容，和第一运放；第一电阻与第二电阻串联，第一电容与第二电阻并联，第一运放正相输入端接第一电阻与第二电阻连接端，第一运放反相端接输出端，第二电容并联接于第一运放输出端与地之间，第三电阻一端接第一运放的输出端，另一端接于单片机的第三A/D转换IO口。

进一步的，电池回路电流检测模块包括第一电流传感器，第二运放，第三电容，第四电阻，第四电容，第五电阻，第六电阻，第七电阻，和第五电容；主电路的电流从第一电流传感器正端流入并从第一电流传感器的负端流出，第一电流传感器的电源端VCC接正5v电源，第一电流传感器的接地端GND接地，第一电流传感器的电压信号输出端Vout接第四电阻的一端，第四电阻的另一端接第二运放的反相输入端，第三电容并联接于第一电流传感器的电源端VCC与第一电流传感器的接地端GND之间，第四电容并联接于第二运放的反相输入端与地之间，第六电阻接于第二运放的反相输入端与输出端之间，第五电阻接于第二运放的正向输入端与地之间，第七电阻一端接到第二运放的输出端，另一端接到单片机的第二A/D转换IO口，第五电容并接于单片机的第二A/D转换IO口与地之间。

进一步的，电池温度检测模块包括第一温度传感器和第十八电容，第一温度传感器的电源端VDD接+5v电源，第一温度传感器信号输出端DQ端接单片机的第二A/D转换IO口，第十八电容并联接于+5v电源和地之间，第一温度传感器的GND端接地。

进一步的，所述惯性检测模块包括惯性传感器。

进一步的，电磁继电器开关模块包括第一三极管，第十电阻，第一二极管和第一电磁继电器电流线圈，第一三极管的基极接单片机的P3.0脚，集电极接第一电磁继电器电流线圈的一端，第一电磁继电器电流线圈的另一端接+12v电源，第一二极管反并联接于第一电磁继电器电流线圈两端，第一三极管的发射极接第十电阻的一端，第十电阻另一端接地。

进一步的，电源供电模块包括两部分，第一部分输出为+12v，第二部分输出为+5v；第一部分包括第十七电容，第二二极管，第三二极管，第一稳压芯片，第十六电容，和第十五电容；第十七电容并接于电动汽车电池单体的b+端和b-端，第一稳压芯片U4的输入Vin端接b+端，第一稳压芯片的GND端接地，在地与单体电池负极b-之间正向接第二二极管，反向接第三二极管，第一稳压芯片的Vout端即为+12v输出端，在+12v输出端与地之间接第十五电容和第十六电容；第二部分包括第二稳压芯片，第十九电容和第二十电容；第十九电容并接于+12v电源和地之间，第二稳压芯片的输入Vin端接+12v电源端，第二稳压芯片的GND端接地，第二稳压芯片的Vout端为输出+5v电源端，第二十电容并接于第二稳压芯片的Vout端与地之间。

进一步的，单片机控制模块包括STC12C5206单片机，第九电容，第十电容，第八电阻，第六电容，第七电容，第八电容和晶振XTAL；单片机的VCC接+5v电源，第九电容与第十电容并接于电源和地之间，晶振XTAL接于单片机的XTAL1与XTAL2脚之间，第七电容并接于XTAL2与地之间，第八电容并接于XTAL1与地之间，单片机的RST端接第六电容负端，第六电容正端接+5v电源，第八电阻并接于单片机的RST与地之间。

上述的电动汽车电池保护电路中，由电压，电流，温度，惯性四方面的检测，送入单片机，用卡尔曼滤波法和Ah计量法对电动汽车电池的SOC进行准确估算，经过比较分析对电路出现的过电压，过电流，温度异常，以及电池荷电状态的异常进行检测，提前预防电池故障，并且用惯性传感器对汽车的外部运行状态进行检测，对于异常碰撞和突然加减速进行电路保护，实现提前对电池或汽车事故的预防以及对人身安全的全面保护。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明的各个方案及其结合不仅实现了对电动汽车电池的外部电压、电流的检测，对过电压、过电流、欠电压等异常状态下的切断保护，而且增加了对输出电压、电流、电池温度检测，通过单片机对变化数值进行微分处理，实现了对电池输出特性的提前预测，并可通过应用卡尔曼滤波法和Ah计量法实现了对电池内部荷电状态的估算，对电池的荷电异常进行检测和保护，还能通过对汽车的惯性检测保证在电池完好的情况下电动汽车出现碰撞和侧翻等各类故障时及时切断电源电路防止出现电池的燃烧和爆炸。此电路实现了对电池和人员的更加全面的保护。本发明还适用于电动汽车与智能电网互动的小型化、智能化、高效率的双向充电站系统的控制技术与面向智能电网的电动汽车基础设施的建设领域。

附图说明

图1是电动汽车电池保护电路的总体结构图。

图2是实施例中电压检测模块的电路图。

图3是实施例中电池回路电流检测模块的电路图。

图4是实施例中电池温度检测模块电路图。

图5是实施例中电动汽车惯性检测模块电路图。

图6是实施例中电磁继电器开关模块。

图7是实施例中单片机控制模块电路图。

图8a和图8b分别是实施例中电源供电模块的12V和5V电源电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

图1给出了本发明示例的电动汽车电池保护电路的总体结构图，其中包括主电路，电压检测模块，电池回路电流检测模块，电池温度检测模块，电动汽车惯性检测模块，电磁继电器开关模块，单片机控制模块以及电源供电模块。主电路由多组单体电池串联提供电动汽车电源，每个单体电池接电压检测模块，电池回路电流检测模块串入主回路，连接至充电器或负载，再串入一个电磁继电器开关K，控制主回路的开关。电压检测模块两端接每组电池单体的两端实时检测每组单体电池的电压，电路输出接入单片机的第一A/D转换IO口P1.0；电池回路电流检测模块串入电池主回路中，检测回路总电流，输出接入单片机的第二A/D转换IO口P1.1；电池温度检测模块输出接单片机的第三A/D转换IO口P1.2；电动汽车惯性检测模块控制端和输入端分别接入单片机的引脚；电磁继电器开关模块开关串在电路主回路中，其控制的电流线圈的控制输入端接单片机；单片机控制模块接各模块的输入及控制信号，输出信号对各模块进行控制；电源供电包括12v和5v供电单元，对各模块进行供电。

图2给出了电动汽车电池保护电路电池单体电压检测模块，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第一电容C1，第二电容C2，和第一运放U1A；第一电容与第二电容串联，第一电容与第二电阻并联，第一运放正相输入端接第二电阻正相端，反相端接第一运放输出端，第二电容并联接于第一运放输出端与地之间，第三电阻一端接于第一运放的输出端，另一端接于单片机的第三A/D转换IO端口P1.2。此模块对每个单体电池进行电压实时监测，经A/D转换后输入单片机，提供电池的电压参数。

图3给出了电动汽车电池保护电路中电池回路电流检测模块，包括第一电流传感器U1，第二运放U2A，第三电容C3，第四电阻R4，第四电容C4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，和第五电容C5；第一电流传感器IP+端接主回路的I+端，第一电流传感器的IP-端接主回路的I-端，一电流传感器的VCC接正5v电源，GND端接地，Vout接第四电容的一端，第四电容的另一端接第二运放的反相输入端，第三电容并联接于VCC与地GND之间，第四电容并联接于第二运放的反相输入端与地之间，第六电阻接于第二运放的反相输入端与输出端第五电阻接于第二运放的正向输入端与地之间，第七电阻一端接到第二运放的输出端，另一端接到单片机的第二A/D转换IO端口P1.1，第五电容并接于单片机的第二A/D转换IO端口与地之间。此模块实时监测电池主回路的电流，经A/D转换后输入单片机，提供电池回路的电流参数。

图4给出了电动汽车电池保护电路中电池温度检测模块，包括第一温度传感器U2和第十八电容C18。第一温度传感器的VDD端接+5v电源，DQ端接单片机的第三A/D转换IO端口P1.2口，第十八电容并联接于+5v电源和地之间，第一温度传感器的GND端接地。此模块对电池的温度进行监测，经A/D转换后输入单片机，提供电池的温度参数。

图5给出了电动汽车电池保护电路中电动汽车惯性检测模块包括电动汽车惯性检测模块包括第一惯性传感器U3（现有产品），第十一电容C11，第十二电容C12，第十三电容C13，第十四电容C14。第一惯性传感器U3的VCC端接+5v电源，第十四电容C14并接于第一惯性传感器U3的Vssa端和Cref端，第十三电容C14并接于第一惯性传感器U3的Vssa端和Cfega端，第十二电容并接于第一惯性传感器U3的Vssa端和Creg端，第十一电容C11并接于第一惯性传感器U3的VCC与地之间，第一惯性传感器U3的Vssa端、Vss端、Vpp/TEST端接地。此模块对电动汽车的运行惯性进行监测，输出信号给单片机，提供惯性参数。

图6给出了电动汽车电池保护电路中电磁继电器开关模块包括：第一三极管Q1，第十电阻R10，第一二极管D1和第一电磁继电器电流线圈L。第一三极管的基极接单片机的P3.0口，集电极接第一电磁继电器电流线圈的一端，第一电磁继电器电流线圈的另一端接+12v电源，第一二极管反并联接于第一电磁继电器电流线圈两端，第一三极管的发射极接第十电阻，第十电阻另一端接地。此模块由单片机的输出控制，对主电路的开端进行控制。

图7给出了电动汽车电池保护电路中电源供电模块包括两部分，第一部分输出为+12v，第二部分输出为+5v；第一部分包括第十七电容C17，第二二极管D2，第三二极管D3，第一稳压芯片U4，第十六电容C16，和第十五电容C15；第十七电容并接于电动汽车电池单体的b+端和b-端，第一稳压芯片U4的输入Vin端接b+端，第一稳压芯片U4的GND端接地，在地与单体电池负极b-之间正向接第二二极管D2，反向接第三二极管D3，第一稳压芯片U4的Vout端即为+12v输出端，在+12v输出端与地之间接第十五电容C15和第十六电容C16；第二部分包括第二稳压芯片U5，第十九电容C19和第二十电容C20；第十九电容并接于+12v电源和地之间，第二稳压芯片U5的输入Vin端接+12v电源端，第二稳压芯片U5的GND端接地，第二稳压芯片U5的Vout端为输出+5v电源端，第二十电容C20并接于第二稳压芯片U5的Vout端与地之间。此模块为单片机以及各芯片提供电源。

图8给出了电动汽车电池保护电路中单片机控制电路包括：包括STC12C5206单片机，第九电容C9，第十电容C10，第八电阻R8，第六电容C6，第七电容C7，第八电容C8和晶振XTAL，单片机的VCC接+5v电源，第九电容与第十电容并接于电源和地之间，XTAL接于单片机的XTAL1与XTAL2之间，第七电容并接于XTAL2与地之间，第八电容并接于XTAL1与地之间，单片机的RST端接第六电容负端，第六电容正端接+5v电源，第八电阻并接于RST与地之间。

本实例中，单片机控制模块首先将单体电池电压检测模块、主回路电流检测模块、电池温度检测模块的输入，跟基准电压比较，用卡尔曼滤波法和Ah计量法对电池的SOC进行计算，保证电池的荷电状态正常。其次对过电压，欠电压，过电流现象进行判断，及时给电磁继电器模块开关信号。再次对电压，电流和温度的采集信号进行微分，判断其变化趋势是否正常，不正常则切断电源。另外，通过惯性传感器的检测，对于电动汽车的加减速或碰撞翻滚等进行判断，及时控制电池回路电磁继电器开关的通断。

Claims

1.一种电动汽车电池保护电路，特征在于包括主电路，电压检测模块，电池回路电流检测模块，电池温度检测模块，电动汽车惯性检测模块，电磁继电器开关模块，和单片机控制模块；主电路包括多组单体电池串联，用于提供电动汽车电源，每个单体电池的两端接电压检测模块，电池回路电流检测模块与充电器或负载串接在电池回路中，电池回路电流检测模块用于检测回路总电流，电池回路中还串联有一个电磁继电器开关；电压检测模块的两端接每个电池单体的两端，用于实时检测每个单体电池的电压，电压检测模块的输出接入单片机控制模块；温度检测模块用于检测单体电池的温度，电池温度检测模块的输出接单片机控制模块；电动汽车惯性检测模块与单片机控制模块连接，用于检测电动汽车的外部运行状态；电磁继电器开关的控制端接至单片机模块；单片机控制模块用于输出信号对各模块进行控制。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于还包括电源供电模块，对各模块进行供电。

3.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于电压检测模块包括第一电阻（R1），第二电阻（R2），第三电阻（R3），第一电容（C1），第二电容（C2），和第一运放（U1A）；第一电阻（R1）与第二电阻（R2）串联，第一电容（C1）与第二电阻（R2）并联，第一运放（U1A）正相输入端接第一电阻（R1）与第二电阻（R2）连接端，第一运放反相端接输出端，第二电容（C2）并联接于第一运放（U1A）输出端与地之间，第三电阻（R3）一端接第一运放（U1A）的输出端，另一端接于单片机的第三A/D转换IO口（P1.2）。

4.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于电池回路电流检测模块包括第一电流传感器（U1），第二运放（U2A），第三电容（C3），第四电阻（R4），第四电容（C4），第五电阻（R5），第六电阻（R6），第七电阻（R7），和第五电容（C5）；主电路的电流从第一电流传感器正端流入并从第一电流传感器的负端流出，第一电流传感器的电源端VCC接正5v电源，第一电流传感器的接地端GND接地，第一电流传感器的电压信号输出端Vout接第四电阻（R4）的一端，第四电阻（R4）的另一端接第二运放（U2A）的反相输入端，第三电容并联接于第一电流传感器的电源端VCC与第一电流传感器的接地端GND之间，第四电容并联接于第二运放（U2A）的反相输入端与地之间，第六电阻（R6）接于第二运放（U2A）的反相输入端与输出端之间，第五电阻（R5）接于第二运放（U2A）的正向输入端与地之间，第七电阻（R7）一端接到第二运放（U2A）的输出端，另一端接到单片机的第二A/D转换IO口（P1.1），第五电容（C5）并接于单片机的第二A/D转换IO口（P1.1）与地之间。

5.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于电池温度检测模块包括第一温度传感器（U2）和第十八电容（C18），第一温度传感器（U2）的电源端VDD接+5v电源，第一温度传感器（U2）信号输出端DQ端接单片机的第二A/D转换IO口（P1.1），第十八电容（C18）并联接于+5v电源和地之间，第一温度传感器（U2）的GND端接地。

6.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于所述惯性检测模块包括惯性传感器。

7.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于电磁继电器开关模块包括第一三极管（Q1），第十电阻（R10），第一二极管（D1）和第一电磁继电器电流线圈（L），第一三极管（Q1）的基极接单片机的P3.0脚，集电极接第一电磁继电器电流线圈（L）的一端，第一电磁继电器电流线圈（L）的另一端接+12v电源，第一二极管（D1）反并联接于第一电磁继电器电流线圈（L）两端，第一三极管（Q1）的发射极接第十电阻（R10）的一端，第十电阻（R10）另一端接地。

8.根据权利要求1所述的电动汽车电池保护电路，特征在于电源供电模块包括两部分，第一部分输出为+12v，第二部分输出为+5v；第一部分包括第十七电容（C17），第二二极管（D2），第三二极管（D3），第一稳压芯片（U4），第十六电容（C16），和第十五电容（C15）；第十七电容并接于电动汽车电池单体的b+端和b-端，第一稳压芯片U4的输入Vin端接b+端，第一稳压芯片（U4）的GND端接地，在地与单体电池负极b-之间正向接第二二极管（D2），反向接第三二极管（D3），第一稳压芯片（U4）的Vout端即为+12v输出端，在+12v输出端与地之间接第十五电容（C15）和第十六电容（C16）；第二部分包括第二稳压芯片（U5），第十九电容（C19）和第二十电容（C20）；第十九电容并接于+12v电源和地之间，第二稳压芯片（U5）的输入Vin端接+12v电源端，第二稳压芯片（U5）的GND端接地，第二稳压芯片（U5）的Vout端为输出+5v电源端，第二十电容（C20）并接于第二稳压芯片（U5）的Vout端与地之间。

9.根据权利要求1～8任一项所述的电动汽车电池保护电路，特征在于单片机控制模块包括STC12C5206单片机，第九电容（C9），第十电容（C10），第八电阻（R8），第六电容（C6），第七电容（C7），第八电容（C8）和晶振XTAL；单片机的VCC接+5v电源，第九电容（C9）与第十电容（C10）并接于电源和地之间，晶振XTAL接于单片机的XTAL1与XTAL2脚之间，第七电容（C7）并接于XTAL2与地之间，第八电容（C8）并接于XTAL1与地之间，单片机的RST端接第六电容（C6）负端，第六电容（C6）正端接+5v电源，第八电阻（R8）并接于单片机的RST与地之间。