CN103441538A

CN103441538A - 一种新能源汽车锂电池管理系统

Info

Publication number: CN103441538A
Application number: CN2013102946795A
Authority: CN
Inventors: 朱正伟; 孙广辉; 潘忠来; 刘忠
Original assignee: Changzhou University
Current assignee: Liyang Chang Technology Transfer Center Co.,Ltd.
Priority date: 2013-07-15
Filing date: 2013-07-15
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2033-07-15
Also published as: CN103441538B

Abstract

本发明公开了一种新能源汽车锂电池管理系统，由智能充电单元、主机控制单元、从机控制单元、电池箱热处理单元和负载控制单元组成。智能充电单元与主机控制单元通过总线进行通信，从主机控制单元获得控制指令来调节充电状态；所述主机控制器单元用于完成系统的整体控制；从机控制单元用于完成电池组各个参数的采集以及电池的保护；电池箱热处理单元用于确保锂电池组的高效工作；负载控制单元用于完成负载功率需求变换以及短路保护。本发明充分利用FPAA技术可重构特性和在线可编程特点，合理的替代相应的电路使得系统设计的柔性提高功耗降低；通过不同量程传感器的组合，提高采集精度；温差电池和锂电池组的有机结合使得热能得以二次利用。

Description

一种新能源汽车锂电池管理系统

技术领域

本发明涉及锂电池管理系统领域，尤其涉及一种新能源汽车锂电池管理系统。

背景技术

人类在进入21世纪以后，能源短缺和环保问题成为制约社会发展的两大问题。随着我国经济的飞速发展和汽车保有量的高速增长，人们环保意识也不断增强，对汽车绿色动力系统有很高的要求。纯电动汽车的出现很好的解决了这两个问题，电动车可以减少人类对于不可再生燃料资源的依赖，同时电动车在使用过程中无任何污染。电动车的巨大优势使得电动车越来越受到关注，电池管理系统（BMS）作为电动车发展的重要技术之一，直接关系着电动车发展的成败。高效的电池管理系统可以推动电动车的飞速发展。

目前电池管理系统存在以下问题：

（1）信号采集电路设计复杂、调试难、升级不方便问题；

（2）电池正常工作产生热量直接排放掉，使得能源不能得以高效利用；

（3）电池电流测量精度不高，SOC估算精度不高。

发明内容

针对现有技术中电池管理系统存在的上述问题，本发明提供一种能源利用率高、信号采集电路简单、采集精度高的汽车锂电池管理系统，充分利用FPAA技术和温差电池技术使得电能利用率最大化。

本发明的技术方案是：

一种新能源汽车锂电池管理系统，该系统由智能充电单元、主机控制单元、从机控制单元、电池箱热处理单元和负载控制单元组成，各个单元之间通过总线进行通信；所述智能充电单元与主机控制单元通过总线进行通信，从主机控制单元获得控制指令来调节充电状态；所述主机控制器单元用于完成系统的整体控制；所述从机控制单元用于完成电池组各个参数的采集以及电池的保护；所述电池箱热处理单元用于确保锂电池组的高效工作；所述负载控制单元用于完成负载功率需求变换以及短路保护。

进一步，所述主机控制单元由热处理控制模块、SOC运算模块、电池组采集模块、漏电保护模块、电池均衡模块、通信模块、驱动控制模块、触摸屏显示模块、报警模块、充放电控制模块、能量控制模块和存储模块组成。

进一步，所述从机控制单元由过充放-短路保护电路、电池均衡电路、通信接口和采集电路组成。

进一步，所述负载控制单元由短路保护电路、负载功率转换电路、电机控制电路组成。

进一步，所述电池箱热处理单元包括加热模块和温差电池控制电路。

进一步，所述主机控制单元的电池组采集模块和从机控制单元的采集电路主要对电流、电压和温度进行采集；电流采集过程将三种不同量程的霍尔传感器组合使用，采用精密恒流技术和线性温度补偿技术，将电流变换为标准电压；前端采用差分放大，后期信号调理电路应用FPAA技术实现；FPAA调理电路包括二次放大电路、滤波电路和AD转换电路。

进一步，所述加热模块放置于电池箱底部，对电池进行预加热；温差电池控制电路用于对锂电池正常工作产热进行回收利用，并根据需要对锂电池进行电压补充。

进一步，所述新能源汽车锂电池管理系统采用从机分布式控制和主机集中控制架构。

进一步，所述SOC运算模块采用基于Kalman最优滤波理论的SOC估计算法。

本发明的有益效果是：

1、基于FPAAA技术设计采集电路，充分利用FPAA技术可重构特性和在线可编程特点，合理的替代相应的电路使得系统设计的柔性提高功耗降低；

2、通过不同量程传感器的组合，提高采集精度，对计算参数进行实时更新使得SOC的估算更加精确；

3、温差电池和锂电池组的有机结合使得热能得以二次利用，降低了能来那个的消耗。

附图说明

图1为本发明一种新能源汽车锂电池管理系统的系统框图；

图2为本发明一种新能源汽车锂电池管理系统的详细结构图；

图3为本发明中电池箱热处理单元的加热模块结构图；

图4为本发明中主机控制单元的主机软件流程图；

图5为本发明中SOC运算模块的电池SOC估算原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

本发明一种新能源汽车锂电池管理系统的结构如图1和图2所示。该系统由智能充电单元、主机控制单元、从机控制单元、电池箱热处理单元和负载控制单元组成，各个单元之间通过总线进行通信，传输数据和控制指令。

智能充电单元与主机控制单元通过总线进行通信，从主机控制单元获得控制指令来调节充电的各项指标，确保锂电池组的正常充电。

主机控制单元由热处理控制模块、SOC运算模块、电池组采集模块、漏电保护模块、电池均衡模块、通信模块、驱动控制模块、触摸屏显示模块、报警模块、充放电控制模块、能量控制模块和存储模块组成。主机控制器单元与从机控制单元通过总线相互通信，主机控制单元从从机控制单元获得各个电池的参数，每节电池的电压、温度及每个串联电池组的，主机控制器单元根据获得参数并分析、决策从机控制器单元工作指令，同时对从机控制单元反馈的警报信息发出警报；

从机控制单元由过充放-短路保护电路、电池均衡电路、通信接口和采集电路组成。从机控制单元从主机控制器单元获得控制指令后控制相应的电路，电路包括过充放保护电路、短路保护电路、电池均衡电路和采集电路。

电池箱热处理单元包括加热模块和温差电池控制电路。电池箱热处理单元通过总线从主机控制单元获得控制指令，根据指令进行相应的电路操作。加热模块主要在寒冷环境下发动汽车时启动工作，对电池进行预加热确保电池正常、高效工作；温差电池控制电路主要是当电池组工作温度超出最佳工作范围时启动对锂电池正常工作产热进行回收利用已提高能量的利用率，同时必要时对锂电池进行电压补充确保电池箱功能正常。加热模块的结构如图3所示，在电池四周用导热性能好、绝缘性好的材料进行隔离，在寒冷环境下发动汽车时，通过电池箱底部相连的电热丝加热，一直加热到电池至正常工作温度；待电池组正常应用构成产热较高时，启动温差电池，温差电池高温极与电池箱上边引出的导热端相连，电池低温极通过导热金属与车体下边散热片连接，确保温差，汽车行进过程产生较大气流使得散热片一直处于低温态可以使得温差电池正常工作。

负载控制单元由短路保护电路、负载功率转换电路、电机控制电路组成，用于完成负载功率需求变换以及短路保护。

主机控制流程如图4所示。

从机控制单元的采集电路和主机控制单元的电池组采集模块主要对电流、电压和温度进行采集。电流采用三种不同量程霍尔传感器组合方式提高采集精度，电流传感器的选择由电池的电流状态决定：首先用大量程霍尔传感器对电流进行粗估测，如果电流大于中量程霍尔传感器，采用大量程霍尔传感器；如果电流小于大量程霍尔传感器且大于小量程霍尔传感器，采用中程霍尔传感器；如果电流小于中量程霍尔传感器，采用小量程霍尔传感器。采用精密恒流技术和线性温度补偿技术，将其变换为标准电压。转换后采用前端差分放大电路进行初级放大，然后将放大后的信号输入到FPAA电路中，应用FPAA技术进行信号调理，调理电路包括二次放大电路、滤波电路、AD转换电路。调理后的信号传输到主机控制单元以备控制决策用。FPAA技术具有在线可重构特点，降低了调试难度；同时具有低功耗、高集成、易设计特点，FPAA芯片可以在不断电的情况下对电路进行重新匹配，这提高了电路设计的柔性。

SOC计算单元采用基于Kalman最优滤波理论的SOC估计算法。根据不断观测到的新数据调整修正增益，对SOC估计值进行修正，可以避免仅使用安时计量法引起的累积误差，提高SOC估计精度，并且还可以对SOC估计值的误差做出估计，提高SOC估计值的可信度。

基于Kalman最优滤波理论的SOC估算方法为:把动力电池看作一个系统，电池的荷电状态SOC和电池的极化电压作为系统的状态变量，电流作为系统的输入，电池的电压作为系统的观测量，这样电池SOC的估计问题就转化为在电流输入的激励下系统状态变量的估计问题。该方法的基本原理如图5所示。

在k+1时刻，利用k时刻的电池SOC值和当前时刻的电流值计算电池在k+1时刻估计的SOC值；再根据电池模型计算k+1时刻估计的电池电压值，将该值和实测的电压值比较，可以得出电压的估计误差；根据该误差对滤波器的增益进行修正；利用修正后的增益对估计的SOC值进行修正，得到k+1时刻经过滤波以后的SOC估计值；然后把该值作为下一时刻的SOC初值，进入下一个估计过程。

基于Kalman最优滤波理论的SOC估计算法根据不断观测到的新数据调整修正增益，对SOC估计值进行修正，可以避免仅使用安时计量法引起的累积误差，提高SOC估计精度，并且使用该方法还可以对SOC估计值的误差做出估计，提高SOC估计值的可信度。

本发明一种新能源汽车锂电池管理系统采用从机分布式控制和主机集中控制架构。此结构可以很好的降低主机的工作负担，同时也提高了从机调节电路的工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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

1.一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：由智能充电单元、主机控制单元、从机控制单元、电池箱热处理单元和负载控制单元组成，各个单元之间通过总线进行通信；所述智能充电单元与主机控制单元通过总线进行通信，从主机控制单元获得控制指令来调节充电状态；所述主机控制器单元用于完成系统的整体控制；所述从机控制单元用于完成电池组各个参数的采集以及电池的保护；所述电池箱热处理单元用于确保锂电池组的高效工作；所述负载控制单元用于完成负载功率需求变换以及短路保护。

2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述主机控制单元由热处理控制模块、SOC运算模块、电池组采集模块、漏电保护模块、电池均衡模块、通信模块、驱动控制模块、触摸屏显示模块、报警模块、充放电控制模块、能量控制模块和存储模块组成。

3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述从机控制单元由过充放-短路保护电路、电池均衡电路、通信接口和采集电路组成。

4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述负载控制单元由短路保护电路、负载功率转换电路、电机控制电路组成。

5.根据权利要求1所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述电池箱热处理单元包括加热模块和温差电池控制电路。

6.根据权利要求1或2所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述主机控制单元的电池组采集模块和从机控制单元的采集电路主要对电流、电压和温度进行采集；电流采集过程将三种不同量程的霍尔传感器组合使用，采用精密恒流技术和线性温度补偿技术，将电流变换为标准电压；前端采用差分放大，后期信号调理电路应用FPAA技术实现；FPAA调理电路包括二次放大电路、滤波电路和AD转换电路。

7.根据权利要求1或5所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述加热模块放置于电池箱底部，对电池进行预加热；温差电池控制电路用于对锂电池正常工作产热进行回收利用，并根据需要对锂电池进行电压补充。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述新能源汽车锂电池管理系统采用从机分布式控制和主机集中控制架构。

9.根据权利要求2所述的一种新能源汽车锂电池管理系统，其特征在于：所述SOC运算模块采用基于Kalman最优滤波理论的SOC估计算法。