CN103107565A - 电动汽车电池管理系统静态均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新能源电动汽车中锂离子动力电池，尤其是电动汽车电池管理系统的静态均衡方法。本发明利用单片机、数字电路、光隔继电器、超级电容等技术，依靠动力电池管理系统中的电压采集模块，在电动汽车处于静态（电流小于电池容量的0.05C）时进行均衡，均衡方式为：（1）利用超级电容实现能量的搬移（将电能从电动势高的电池搬移到电动势低的电池）；（2）利用大功率电阻对整组电池进行放电；将两种方式进行结合，同时结合绝大多数机动车处于静态的间很长的特点，最终可以实现整车电池的容量平衡。本发明改善动力电池在使用的过程中因容量不平衡而造成电池使用寿命衰减等问题。

Description

电动汽车电池管理系统静态均衡方法

技术领域

本发明是针对新能源的电动汽车领域中锂离子动力电池在长期使用中各个电池会产生容量不均衡的现象而制定的一种均衡方案，该技术方案由电池管理系统实现。

背景技术

随着世界石油资源的日益紧张和机动车辆对环境污染的不断恶化,节能环保的电动汽车已经成为举世关注的具有战略意义的产业。锂离子电池组作为电动汽车动力的主要来源,其工作的稳定性和使用寿命直接影响整车的性能。锂离子电池组由于电池自放电率的不同，长时间的积累，造成电池的容量的差异；电池使用过程中，由于使用环境如温度、电池接触内阻的差异，也会导致电池容量的不平衡。这些容量的不平衡会直接对电池的使用产生影响：在充电时，因为整车电池的容量不一致，会有先被充满，为防止电池过充（锂离子电池过充有可能发生起火爆炸的危险）充电过程停止，这样整车的电池并没有充满，影响电动汽车的续航里程；放电时，那些长期充电不足的蓄电池，会使蓄电池容量下降，内阻增加，造成蓄电池的早期损坏，影响电池的使用寿命。如何抑制这种不平衡的产生，必须使用电池的均衡方法。目前对电池组进行均衡管理的技术，都是在动态的情况下，即电动汽车处于运行或者充电的状态下进行的，但是在这种动态情况下进行均衡会存在以下缺点： 

1、现在的均衡方法都是基于两端的电压来进行的，动态方式下管理系统所采集的电池端电压不能真正反映电池的电动势（该端电压包含电池电动势、欧姆内阻产生电压、极化内阻产生电压总和），其中电池电动势真正反映电池的容量，其余两项会造成均衡的误差。所以在此状态下进行均衡，并不能达到均衡的效果；

2、均衡方法由MOS管等开关管来实现，在动态方式下，整车的电磁干扰非常强，很容易把开关管击穿，然后造成电池大电流自放电甚至短路的严重后果。

发明内容

本发明的目的在于避免上述不足，提供一种当电动汽车处于静态时对电池进行充电放电均衡的电动汽车电池管理系统静态均衡方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电动汽车电池管理系统静态均衡方法，包括以下步骤：电压采集模块2实现对电池电压和温度的采集，将采集结果上传给主控单元1；主控单元1汇总电压采集模块2上传的数据，同时实现对动力电池充放电电流的采集，控制电池的充放电、均衡以及输出电池的实时状态。

主控单元1获得均衡电压具体步骤为：

（1）、S102，给电压采集模块发获取电压数据指令，取得每一只电池的电压数据V1…Vn；

（2）、S103，采集电流数据；

（3）、S104，如果电流大于静态电流的阈值，说明电动汽车还处

于动态，则重复步骤（1），否则执行步骤（3）；

（4）、S105，电流一直小于静态电流的阈值I0(0.05C)的时间大

于T0(可设为5分钟)，则认为电动汽车已经处于静态；

（5）、S106，当电动汽车处于静态时，对所有采集的电压求均值，

该均值即为电动汽车在该时刻的均衡电压值V0，各电压采集模块根据该均衡电压值V0对电池进行充电或放电；

（6）、S107，主控单元1将求得的均衡电压值V0下传给各电压

采集模块2。

电压采集模块2采集电池电压、温度，将数据上传给主控单元1，具体步骤为：

（1）、S202，采集电池电压、温度；

（2）、S203，S204，如果收到主控单元1上传采集结果的命令，

将采集的数据通过内部总线，上传给主控单元1；

（3）、S204，车辆如果没有进入静态，重复步骤（1）、（2），否则执行步骤（4）；

（4）、S205，根据主控单元1下传的均衡电压V0，对电池进行充放电均衡。

电压采集模块2执行静态均衡，具体步骤为：

（1）、S302、S303，当电压采集模块2所采集的电池电压都高于主控单元1所下传的均衡电压V0时，采用大功率电阻对电池放电；

（2）、S302、S304，当电压采集模块2所采集的电池电压有的高

于主控单元（1）所下传的均衡电压V0，有的低于均衡电压V0时，利用超级电容，使用能量转移的方式，将电量从电压高的电池转移到电压低的电池；

（3）、S305、S306，采集电池的电压，当所有电池的电压与均衡电压V0的差值小于设定的门限V1时，停止均衡。

电动汽车电池管理系统静态均衡装置，主要由主控单元1和电压采集模块2组成，其中：所述的主控单元1连接电流传感器5采集电流；电压采集模块2通过电池采样线4连接动力电池，采集每只电池的电压和相应的温度信息；主控单元1和电压采集模块2之间由内部通信总线3连接，通过内部通信总线3，主控单元1给电压采集模块2下达指令，并获取电池的电压、温度数据。

电压采集模块2包括AQW210单路光隔继电器2-1、AQW210单路光隔继电器2-2、DC/DC开关电源模块2-3、超级电容2-4、大功率放电电阻2-5、通信隔离接口电路2-6、单片机2-7、ADC采样电路2-8以及多个双路光隔继电器组成2-9～2-n，AQW210单路光隔继电器2-1、AQW210单路光隔继电器2-2分别连接超级电容2-4、大功率放电电阻2-5进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块2-3给整个模块提供电源；通信隔离接口电路2-6输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机2-7相连；单片机2-7是电压采集模块2的核心，与其它部分相连；ADC采样电路2-8负责采集电池电压和温度，通过SPI总线与单片机2-7相连；双路光隔继电器组成2-9～2-n的输入连接电池，输出连接ADC采样电路2-8，并由单片机2-7控制打开和闭合。

所述的通信隔离接口电路2-6所用的CAN通信接口芯片为SN65HV1050Q，单片机2-7型号为R5F21236。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下优点和效果：

1、本发明在静态方式下均衡，整车的动力电池的充放电电流非常小或为0（车辆熄火），电池的欧姆内阻和极化内阻几乎不会产生电压，所采集的电池端电压非常接近电池电动势，可以直接反映电池的容量，因此可以达到更加理想的均衡效果；

2、本发明在静态方式下均衡，整车的所产生电磁干扰非常小，均衡电路不会因电磁干扰而受到影响，避免了在动态方式下，整车的电磁干扰非常强，均衡电路频繁开启、关闭，其开关管非常容易被强干扰所击坏；

3、对于机动车来说，大多数的时间处于静态，在该方式下可以充分实现对电池的均衡，改善动力电池在使用的过程中因容量不平衡而造成电池使用寿命衰减问题。

附图说明

图1为本发明主控单元产生均衡电压的流程示意图

图2为本发明电压采集模块的工作流程示意图

图3为本发明电压采集模块的均衡过程流程示意图

图4为本发明的系统框图

图5 为本发明电压采集模块的内部原理框图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面结合附图，对本发明进行详细阐述。

一种电动汽车电池管理系统静态均衡方法，利用单片机、数字电路、光隔继电器、超级电容等技术，由主控单元1和电压采集模块2组成电池管理系统，电压采集模块2实现对电池电压和温度的采集，将采集结果上传给主控单元1；主控单元1汇总电压采集模块2上传的数据，同时实现对动力电池充放电电流的采集，控制电池的充放电、均衡以及输出电池的实时状态。

如图1所示，主控单元1在该方法中的主要作用为获得均衡电压，所执行的步骤为：

（1）、S102，给电压采集模块发获取电压数据指令，取得每一只电池的电压数据V1…Vn；

（2）、S103，采集电流数据；

（3）、S104，如果电流大于静态电流的阈值，说明电动汽车还处于动态，则重复步骤（1），否则执行步骤（4）；

（4）、S105，电流一直小于静态电流的阈值I0(0.05C)的时间大于T0(可设为5分钟)，则认为电动汽车已经处于静态；

（5）、S106，当电动汽车处于静态时，对所有采集的电压求均值，该均值即为电动汽车在该时刻的均衡电压值V0，各电压采集模块根据该均衡电压值V0对电池进行充电或放电；

（6）、S107，主控单元1将求得的均衡电压值V0下传给各电压

采集模块。

表1为24只电池的微型电动汽车在某时刻的均衡电压值，其中单位为V。

                            表1  均衡电压值

如图2所示，电压采集模块2在该方法中的主要作用为：采集电池电压、温度，将数据上传给主控单元1，所执行的步骤为:

（1）、S202，采集电池电压、温度；

（2）、S203，S204，如果收到主控单元1上传采集结果的命令，将采集的数据通过内部总线，上传给主控单元1；

（3）、S204，车辆如果没有进入静态，重复步骤（1）、（2），否则执行步骤（4）；

（4）、S205，根据主控单元1下传的均衡电压V0，对电池进行充放电均衡。

如图3所示，电压采集模块2执行静态均衡，所执行的步骤为:

（1）、S302、S303，当电压采集模块2所采集的电池电压都高于主控单元1所下传的均衡电压V0时，采用大功率电阻对电池放电；

（2）、S302、S304，当电压采集模块2所采集的电池电压有的高于主控单元1所下传的均衡电压V0，有的低于均衡电压V0时，利用超级电容，使用能量转移的方式，将电量从电压高的电池转移到电压低的电池；

（3）、S305、S306，采集电池的电压，当所有电池的电压与均衡电压V0的差值小于设定的门限V1时，停止均衡。

参照图4，一种电动汽车电池管理系统静态均衡装置，主要由主控单元1、电压采集模块2、内部通信总线3、电池电压采样线4、电流传感器5组成。

主控单元1连接电流传感器5采集电流，主控单元1和电压采集模块2通过内部通信总线3（CAN总线）连接。主控单元1通过内部通信总线3，给电压采集模块2下传指令，并获取电池的电压、温度数据，或者电压采集模块2上传采集的电压数据到主控单元1；电压采集模块2通过电池电压采样线4连接动力电池组，进行每只电池电压和相应温度信息的采样， 电池的动力线从电流传感器5中穿过，实现对电流的采集；主控单元1汇总电压采集模块上传的数据以及电流等参数产生均衡策略，电压采集模块2根据该均衡策略，控制内部电路实现对电池的动态均衡。

参照图5，电压采集模块2包括单路光隔继电器2-1、单路光隔继电器2-2、DC/DC开关电源模块2-3、超级电容2-4、大功率放电电阻2-5、通信隔离接口电路2-6、单片机2-7、ADC采样电路2-8以及多个双路光隔继电器组成2-9～2-n。

AQW210单路光隔继电器2-1、AQW210单路光隔继电器2-2分别连接超级电容2-4、大功率放电电阻2-5进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块2-3给整个模块提供电源；通信隔离接口电路2-6所用的CAN通信接口芯片为SN65HV1050Q，输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机2-7相连。

单片机2-7是电压采集模块的核心，其型号为R5F21236，与其它部分相连。当电动汽车处于动态时，DC/DC开关电源模块2-3给电压采集模块提供3.3V电源，同时给超级电容2-4充电；电动汽车处于车辆熄火的状态时，DC/DC开关电源模块2-3不能给电压采集模块提供电源，如果需要均衡，由超级电容2-4负责给模块提供电源，同时双路光隔继电器在循环切换，由动力电池给超级电容补充电能。当均衡过程结束后，双路光隔继电器关闭，超级电容2-4中的电量消耗完毕后电压采集模块停止工作。

对某只电池电压采样时，相应双路光隔继电器打开，ADC采样电路2-8采样该电池电压和温度，通过SPI总线与单片机2-7相连，并将采样结果输出给单片机2-7。双路光隔继电器2-9～2-n的输入连接电池，输出连接ADC采样电路2-8，并由单片机2-7控制打开和闭合。

当电动汽车处于静态时，如果该电池电压高于均衡电压，单路光隔继电器2-2打开，该电池对超级电容2-4进行充电，如果电池电压低于均衡电压，单路光隔继电器2-2打开，超级电容2-4对该电池充电。如果某个电压采集模块所对应的所有电池电压均高于均衡电压，则打开单路光隔继电器2-1，通过大功率放电电阻2-5对电池进行放电。电压采集模块利用热敏电阻实现温度的采集。

具体均衡动作由电压采集模块2根据主控单元1的均衡策略执行。动力电池组中的每一只电池对应一个光隔继电器，单片机2-7利用该光隔继电器切换到所要采样和均衡的电池，其过程如下：

在车运行的动态过程中，电压采集模块2利用光隔继电器、A/D、单片机实现对电池电压的采样，并将采样的结果上传给管理系统的主控单元1，主控单元1产生均衡策略，并将该策略下传给每个电压采集模块；

在车辆处于静态时，电压采集模块2先对电池电压进行采样，根据均衡策略，进行均衡：如果某只电池的静态电压高于主控单元给出的均衡电压，则打开超级电容充电通路，该电池对超级电容充电；如果某只电池的静态电压低于主控单元给出的均衡电压，则打开超级电容放电通路，将超级电容中多余的能量补充给该电池；如果该电压采集模块所监测的电池电压都高于主控单元给出的均衡电压，则打开放电电阻通路，对电池进行放电。

上述实例的电路均采用本领域的公知电路。

本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。 

Claims (7)

1.一种电动汽车电池管理系统静态均衡方法，包括以下步骤：电压采集模块2实现对电池电压和温度的采集，将采集结果上传给主控单元1；主控单元1汇总电压采集模块2上传的数据，同时实现对动力电池充放电电流的采集，控制电池的充放电、均衡以及输出电池的实时状态。

2.根据权利要求1所述的电动汽车电池管理系统静态均衡方法，其特征在于：主控单元1获得均衡电压具体步骤为，

（1）、S102，给电压采集模块发获取电压数据指令，取得每一只电池的电压数据V1…Vn；

（2）、S103，采集电流数据；

（3）、S104，如果电流大于静态电流的阈值，说明电动汽车还处于动态，则重复步骤（1），否则执行步骤（4）；

（4）、S105，电流一直小于静态电流的阈值I0(0.05C)的时间大于T0(可设为5分钟)，则认为电动汽车已经处于静态；

（5）、S106，当电动汽车处于静态时，对所有采集的电压求均值，该均值即为电动汽车在该时刻的均衡电压值V0，各电压采集模块根据该均衡电压值V0对电池进行充电或放电；

（6）、S107，主控单元1将求得的均衡电压值V0下传给各电压采集模块。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统静态均衡方法，其特征在于：电压采集模块2采集电池电压、温度，将数据上传给主控单元1，具体步骤为，

（1）、S202，采集电池电压、温度；

（2）、S203，S204，如果收到主控单元1上传采集结果的命令，将采集的数据通过内部总线，上传给主控单元1；

（3）、S204，车辆如果没有进入静态，重复步骤（1）、（2），否则执行步骤（4）；

（4）、S205，根据主控单元1下传的均衡电压V0，对电池进行充放电均衡。

4.根据权利要求1所述的电池管理系统静态均衡方法，其特征在于：电压采集模块2执行静态均衡，具体步骤为，

（1）、S302、S303，当电压采集模块2所采集的电池电压都高于主控单元1所下传的均衡电压V0时，采用大功率电阻对电池放电；

（2）、S302、S304，当电压采集模块2所采集的电池电压有的高于主控单元1所下传的均衡电压V0，有的低于均衡电压V0时，利用超级电容，使用能量转移的方式，将电量从电压高的电池转移到电压低的电池；

（3）、S305、S306，采集电池的电压，当所有电池的电压与均衡电压V0的差值小于设定的门限V1时，停止均衡。

5.一种电动汽车电池管理系统静态均衡装置，主要由主控单元1和电压采集模块2组成，其特征在于：所述的主控单元1连接电流传感器5采集电流；电压采集模块2通过电池采样线4连接动力电池，采集每只电池的电压和相应的温度信息；主控单元1和电压采集模块2之间由内部通信总线3连接，通过内部通信总线3，主控单元1给电压采集模块2下达指令，并获取电池的电压、温度数据。

6.根据权利要求5所述的电动汽车电池管理系统静态均衡装置，其特征在于：所述的电压采集模块2包括AQW210单路光隔继电器2-1、AQW210单路光隔继电器2-2、DC/DC开关电源模块2-3、超级电容2-4、大功率放电电阻2-5、通信隔离接口电路2-6、单片机2-7、ADC采样电路2-8以及多个双路光隔继电器组成2-9～2-n，AQW210单路光隔继电器2-1、AQW210单路光隔继电器2-2分别连接超级电容2-4、大功率放电电阻2-5进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块2-3给整个模块提供电源；输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机2-7相连；单片机2-7是电压采集模块2的核心，与其它部分相连；ADC采样电路2-8负责采集电池电压和温度，通过SPI总线与单片机2-7相连；双路光隔继电器2-9～2-n的输入连接电池，输出连接ADC采样电路2-8，并由单片机2-7控制打开和闭合。

7.根据权利要求6所述的电动汽车电池管理系统静态均衡装置，其特征在于：所述的通信隔离接口电路2-6所用的CAN通信接口芯片为SN65HV1050Q，单片机（2-7）型号为R5F21236。

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