CN103227491B - 用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置及方法，包括数据采集模块、能量均衡模块、通道选择电路、通信模块及控制模块；能量均衡模块、通道选择电路、锂电池组、数据采集模块、通信模块及控制模块依次相连；利用通道选择电路自动从电池充电模块或蓄能单元中选择充电模式，通过数据采集模块对单体电池工作状态的实时采集，控制模块选通相应的单体电池通道，通过能量均衡模块对其进行能量均衡控制，有效的利用电动车的发电系统及蓄能单元为单体电池在电动车在运行中及时进行在线充电，发热小，均衡效果好，提高锂电池组的使用效率，有效延长电动车行驶路程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置及方法。
背景技术
能源危机和环境污染是当今世界各国面临的两大难题。电动汽车具有节能、环保的优点，成为未来汽车发展的必然趋势。动力电池组是制约电动汽车产业化进程的关键零部件，锂电池具有稳定的安全性能和高容量等特点，被广泛应用于电动汽车中。
由于电动车锂电池组(通常简称为动力电池组)通常是由几十个乃至上百个单体电池组成，而电池组内各单体电池的充电接受能力、自放电率及容量衰减速率存在差异，导致电池组内各单体电池的荷电量差距越来越大，呈发散趋势，容易加大电池组内部电池离散性，造成个别电池性能衰减加剧，从而导致整组电池失效。所以每一个单体电池的工作状态对整个电池组都有很大影响。
实践表明，在电动汽车运行过程中，如不及时检测，找出电压过低电池进行切换和充电调整，电池组的容量将变小，电池寿命将缩短，影响整个电池组的安全运行。
对锂电池组电流和电压采集现在大多数据采集系统采用巡回采集每节单体电池电压值的方法，用一套采集电路分时采集各个单体电池，将每个单体电池的电压信号引入采集设备，采用多通道切换的技术，即通过开关器件或者继电器依次选通单体电池进行直接测量(参见图2)。开关切换动态地改变了参考点，保证每次测量都是一个单体电池的端电压，然而开关的动态变换范围有一定的限制性，容易产生系统测量误差。
为了及时检测单体电池的工作状态，作为锂电池组的一致性测试指标和方法的基础，快速、精准且同步性高的电池数据采集至关重要。
采用均衡控制策略解决由于某几节单体电池本身特性导致串联电池组整体容量降低的问题，即对容量偏低的电池进行补电，从而提高整组电池容量。传统的均衡控制方法是对每个电池单元都设置一个开关连接到一个负载电阻，这种被动电路可以对个别被选中的单元放电。但该方法只适用于在充电模式下抑制最强电池单元的电压攀升。为限制功耗，此类电路一般只允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时间较长，并有能量的消耗，产生大量的热，效率较低。
为了满足电源的长寿命要求，需要采用一种新的电池均衡技术，使其具有能量浪费少，充电效率高，均衡性好等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置及方法，该装置同步采集锂电池组中单体电池的充放电电流及电压，保证数据的一致性；利用制动发电充电控制系统，在线修复过放电的单体电池，使电池组尽快进入系统运行，克服现有技术中电池均衡技术存在的问题与不足。
一种用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置，包括数据采集模块、能量均衡模块、通道选择电路、通信模块及控制模块；
充电电池模块与能量均衡控制模块均与通道选择电路的输入端相连，通道选择电路的多个输出端分别与锂电池组包含的多个单体电池相连；数据采集模块的输入端与锂电池组相连，输出端通过通信总线与通信模块相连，通信模块与控制模块相连，控制模块与能量均衡模块相连，控制模块与通道选择电路的通道选择输入控制端相连；
所述数据采集模块包括N个单体电池监测单元，每个单体监测单元与一个单体电池相连，用于实时采集单体电池的电压、电流及温度，N为大于或等于1的整数；
还包括与控制模块相连的报警单元。
所述能量均衡模块包括PWM控制器、隔离驱动电路、D/A电路、电动车制动发电单元、DC/DC斩波电路及蓄能单元，所述电动车制动发电单元、蓄能单元、DC/DC斩波电路及通道选择电路依次相连，D/A电路、PWM控制器和隔离驱动电路依次相连，隔离驱动电路驱动DC/DC斩波电路；D/A电路的输入端与控制模块的输出端相连；
所述控制模块与PWM控制器的充电强度使能端相连，控制模块通过D/A电路与PWM控制器的脉冲宽度调节信号接收端相连；
所述单体电池监测单元包括电压比较电路、电流变送电路、光耦隔离放大电路、滤波电路及电池监控芯片；电压比较电路与电流变送电路并联，一端与单体电池连接，另一端与光耦隔离放大电路连接；光耦隔离放大电路、滤波电路、电池监控芯片及通信模块依次相连。
DC/DC隔离电源与所述电池监控芯片相连。
所述电池监控芯片为DS2348。
一种用于电动汽车锂电池组的数据采集和能量均衡控制方法，采用所述用于电动汽车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置，具体步骤如下：
依据汽车启动信号，利用控制模块对通道选择电路发出控制指令，选择电池充电模块或者蓄能单元充电通道对单体电池进行充电；
其中，汽车停止时，选择电池充电模块充电通道即选择外接电源为单体电池充电；汽车运行过程中，选择蓄能单元充电通道，利用电动车的制动发电系统发电为单体电池充电；
利用数据采集模块实时采集所有单体电池的电压或电流信号，通过通信模块将所有单体电池的电压信号传送至控制模块，控制模块判断单体电池电压是否不足或者工作是否正常；
若存在单体电池电压不足，控制模块发出控制信号至PWM控制器、D/A电路及通道选择电路，选通相应的单体电池通道，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选通的单体电池，对其进行充电；控制模块发出的充电强度使能信号控制PWM波的输出与否，经过D/A电路后的充电强度信号调节PWM波的占空比以达到控制充电电流大小；
若选择超出预设工作范围，则控制模块发出控制信号至PWM控制器和通道选择电路，利用通道选择电路选择相应的单体电池通道电路，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选择的单体电池通道电路，对其进行控制保护。
所述控制保护是指PWM控制器对单体电池的过温保护、过压保护及过流保护；
当电池监控单元监测到单体电池的电流增加速度超过预设值，或电流值超过预设温度范围，或电压超过预设电压范围，或电压增加速度超过预设值，或温度增加速度超过预设值，或温度超过预设温度范围时，控制模块发出控制指令至PWM控制器，PWM控制器发出脉冲信号至单体电池通道电路的继电器，单体电池从工作的锂电池组中断开，实现单体电池的过温保护、过压保护及过流保护。
有益效果
本发明提供了用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置及方法，包括数据采集模块、能量均衡模块、通道选择电路、通信模块及控制模块；能量均衡模块、通道选择电路、锂电池组、数据采集模块、通信模块及控制模块依次相连；利用通道选择电路自动从电池充电模块或蓄能单元中选择充电模式，通过数据采集模块对单体电池工作状态的实时采集，控制模块选通相应的单体电池通道，通过能量均衡模块对其进行能量均衡控制，有效的利用电动车的发电系统及蓄能单元为单体电池在电动车在运行中及时进行在线充电；数据采集模块采用多个相互隔离的单体电池监测单元，保证了锂电池组的数据采集的一致性，快速、精准且同步性高；利用电动车制动发电，电能通过蓄能单元转移到电压低的单体电池，该均衡电路具有充分利用能源，发热小，均衡效果好的优点，提高锂电池组的使用效率，有效延长电动车行驶路程。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明的能量均衡模块原理框图；
图3为本发明的单体电池监测单元原理框图；
图4为现有技术中采用光控MOS继电器实现电池电压切换的电路图；
图5为本发明选用的矩阵开关型通道选择电路原理框图。
具体实施方式
为了是本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，应当理解，本处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明的系统结构框图，包括数据采集模块、能量均衡模块、通道选择电路、通信模块及控制模块；
充电电池模块与能量均衡控制模块均与通道选择电路的输入端相连，通道选择电路的多个输出端分别与锂电池组包含的多个单体电池相连；数据采集模块的输入端与锂电池组相连，输出端通过通信总线与通信模块相连，通信模块与控制模块相连，控制模块与能量均衡模块相连，控制模块与通道选择电路的通道选择输入控制端相连；
所述数据采集模块包括N个单体电池监测单元，每个单体监测单元与一个单体电池相连，用于实时采集单体电池的电压、电流及温度，N为大于或等于1的整数。
如图2所示，所述能量均衡模块包括PWM控制器、隔离驱动电路、D/A电路、电动车制动发电单元、DC/DC斩波电路及蓄能单元，所述电动车制动发电单元、蓄能单元、DC/DC斩波电路及通道选择电路依次相连，D/A电路、PWM控制器和隔离驱动电路依次相连，隔离驱动电路驱动DC/DC斩波电路；D/A电路的输入端与控制模块的输出端相连；
所述控制模块与PWM控制器的充电强度使能端相连，控制模块通过D/A电路与PWM控制器的脉冲宽度调节信号接收端相连。
如图3所示，所述单体电池监测单元包括电压比较电路、电流变送电路、光耦隔离放大电路、滤波电路及DS2348电池监控芯片；电压比较电路与电流变送电路并联，一端与单体电池连接，另一端与光耦隔离放大电路连接；光耦隔离放大电路、滤波电路、电池监控芯片及通信模块依次相连；电池监控芯片带有温度传感器，实时采集单体电池的温度，并将温度信号通过通信模块传送至控制模块；DC/DC隔离电源与所述电池监控芯片相连。
图4为现有技术中采用光控MOS继电器实现电池和电压的采集的切换电路图，在本发明中，采用如图5所示的依据矩阵开关型通道选择电路原理采用直流继电器通道选择电路，控制端A0、A1信号由控制模块提供，选择通道数可以根据单体电池个数增加。
用于电动汽车锂电池组的数据采集和能量均衡控制方法，采用所述用于电动汽车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置，具体步骤如下：
依据汽车启动信号，利用控制模块对通道选择电路发出控制指令，选择电池充电模块或者蓄能单元充电通道对单体电池进行充电；
其中，汽车停止时，选择电池充电模块充电通道即选择外接电源为单体电池充电；汽车运行过程中，选择蓄能单元充电通道，利用电动车的制动发电系统发电为单体电池充电；
利用数据采集模块实时采集所有单体电池的电压或电流信号，通过通信模块将所有单体电池的电压信号传送至控制模块，控制模块判断单体电池电压是否不足或者工作是否正常；
若存在单体电池电压不足，控制模块发出控制信号至PWM控制器、D/A电路及通道选择电路，选通相应的单体电池通道，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选通的单体电池，对其进行充电；控制模块发出的充电强度使能信号控制PWM波的输出与否，经过D/A电路后的充电强度信号调节PWM波的占空比以达到控制充电电流大小；
若选择超出预设工作范围，则控制模块发出控制信号至PWM控制器和通道选择电路，利用通道选择电路选择相应的单体电池通道电路，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选择的单体电池通道电路，对其进行控制保护。
所述控制保护是指PWM控制器对单体电池的过温保护、过压保护及过流保护；
当电池监控单元监测到单体电池的电流增加速度超过预设值，或电流值超过预设温度范围，或电压超过预设电压范围，或电压增加速度超过预设值，或温度增加速度超过预设值，或温度超过预设温度范围时，控制模块发出控制指令至PWM控制器，PWM控制器发出脉冲信号至单体电池通道电路的继电器，单体电池从工作的锂电池组中断开，实现单体电池的过温保护、过压保护及过流保护。
电动车在运行过程中，当单体电池电压不足时，从工作的锂电池组中断开，将其切换到蓄能单元进行充电。蓄能单元的电能来自于电动车制动发电单元。电动车制动器连接交流发电机的转子，当电动车制动时，制动动能带动转子旋转，当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。产生的电能存储在蓄能变压器中，等待对电压不足的单体电池充电。
单体电池充电电压通过电压比较器大于原有的电池组平均单体电压值时，断开充电开关，切换到锂电池组正常运行状态。
在本发明中，本锂电池数据采集模块采用多个相互隔离的单体电池监测单元，保证了电池组的一致性测试，快速、精准且同步性高。
在本发明中，本锂电池均衡电路在线对单体电池进行能量均衡，利用电动车制动发电，电能通过变压存储器转移到电压低的锂电池，该均衡电路具有充分利用能源，发热小，均衡效果好的优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种用于电动车锂电池组的数据采集和能量均衡控制装置，其特征在于，包括数据采集模块、能量均衡模块、通道选择电路、通信模块及控制模块；
充电电池模块与能量均衡模块均与通道选择电路的输入端相连，通道选择电路的多个输出端分别与锂电池组包含的多个单体电池相连；数据采集模块的输入端与锂电池组相连，输出端通过通信总线与通信模块相连，通信模块与控制模块相连，控制模块与能量均衡模块相连，控制模块与通道选择电路的通道选择输入控制端相连；
所述数据采集模块包括N个单体电池监测单元，每个单体电池监测单元与一个单体电池相连，用于实时采集单体电池的电压、电流及温度，N为大于或等于1的整数；
所述能量均衡模块包括PWM控制器、隔离驱动电路、D/A电路、电动车制动发电单元、DC/DC斩波电路及蓄能单元，所述电动车制动发电单元、蓄能单元、DC/DC斩波电路及通道选择电路依次相连，D/A电路、PWM控制器和隔离驱动电路依次相连，隔离驱动电路驱动DC/DC斩波电路；D/A电路的输入端与控制模块的输出端相连；
所述控制模块与PWM控制器的充电强度使能端相连，控制模块通过D/A电路与PWM控制器的脉冲宽度调节信号接收端相连；
所述单体电池监测单元包括电压比较电路、电流变送电路、光耦隔离放大电路、滤波电路及电池监控芯片；电压比较电路与电流变送电路并联，一端与单体电池连接，另一端与光耦隔离放大电路连接；光耦隔离放大电路、滤波电路、电池监控芯片及通信模块依次相连；
还包括报警单元，与控制模块相连；
DC/DC隔离电源与所述电池监控芯片相连；
所述电池监控芯片为DS2348；
所述控制模块的具体步骤如下：
依据汽车启动信号，利用控制模块对通道选择电路发出控制指令，选择电池充电模块或者蓄能单元充电通道对单体电池进行充电；
其中，汽车停止时，选择电池充电模块充电通道即选择外接电源为单体电池充电；汽车运行过程中，选择蓄能单元充电通道，利用电动车的制动发电系统发电为单体电池充电；
利用数据采集模块实时采集所有单体电池的电压或电流信号，通过通信模块将所有单体电池的电压信号传送至控制模块，控制模块判断单体电池电压是否不足或者工作是否正常；
若存在单体电池电压不足，控制模块发出控制信号至PWM控制器、D/A电路及通道选择电路，选通相应的单体电池通道，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选通的单体电池，对其进行充电；控制模块发出的充电强度使能信号控制PWM波的输出与否，经过D/A电路后的充电强度信号调节PWM波的占空比以达到控制充电电流大小；
若选择超出预设工作范围，则控制模块发出控制信号至PWM控制器和通道选择电路，利用通道选择电路选择相应的单体电池通道电路，PWM控制器输出控制信号至通道选择电路选择的单体电池通道电路，对其进行控制保护；
所述控制保护是指PWM控制器对单体电池的过温保护、过压保护及过流保护；
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