CN104052087B - 电动车用智能锂离子电池管理系统及其均衡控制方法 - Google Patents

电动车用智能锂离子电池管理系统及其均衡控制方法 Download PDF

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本发明涉及一种电动车用智能锂离子电池管理系统,其特征在于:微控制器模块与电源模块、数据检测模块、充放电控制模块、安全保护模块、通讯模块、数据存储模块和均衡管理模块连接。其均衡控制方法包括:根据采集的电池单元内各单体电池电压数据,进行均衡自检;若均衡自检通过,判断是否开启均衡控制;若单体电池电压与均值电压差值大于设定阈值电压,且某一单体电池电压大于设定阈值时,根据单体电池电压得到的PWM占空比作为均衡时间进行均衡控制;否则不进行均衡控制。本发明为集中式电池管理系统,具有体积小,性能稳定,检测精度高,成本低,可靠性强等特点。

Description

电动车用智能锂离子电池管理系统及其均衡控制方法
技术领域
[0001]本发明属于动力电池管理系统领域,具体说是一种锂离子动力电池用的电池管理系统。
背景技术
[0002]随着电动车、混合动力工具的发展,各种动力电池得到广泛应用。锂电池以其体积小,能量密度高,循环使用寿命长,自放电率低等优点,成为最有前景的动力电池。但是锂电池安全稳定性不高,过充电、过放电都会对锂离子电池造成伤害,所以为保证锂离子电池的安全工作,必须配备高性能的电池管理系统。
[0003]现有电动车用锂离子保护装置多采用锂离子电池保护板,实现一些基本的保护功能,无存储功能,均衡精度不高,也不能给用户直观全面的电池监测信息。即使采用锂电池管理系统,由于现有的锂电池管理系统存在成本高,体积大,功耗大,很难大量应用于低成本、使用小容量动力电池的电动车。
发明内容
[0004]本发明目的是提供一种性能稳定、体积小、成本低、功耗小的电动车用智能锂离子电池管理系统,以克服上述电池管理系统的缺陷。
[0005]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种电动车用智能锂离子电池管理系统,微控制器模块与电源模块、数据检测模块、充放电控制模块、安全保护模块、通讯模块、数据存储模块和均衡管理模块连接;
[0006]微控制器模块:根据数据检测模块的电池数据信息估算电池荷电状态,并进行逻辑运算与判断来控制充放电控制模块、安全保护模块以及均衡管理模块,最后将电池数据信息和电池状态信息通过通讯模块发送给上位机,并存储到数据存储模块;
[0007]数据检测模块:用于单体电池电压、温度,电池组总电压、总电流以及系统温度的检测;
[0008]均衡管理模块:用于电池组充电过程中减少单体电池容量之间的差异度,且具有自动错误检测功能。
[0009]所述数据检测模块包括开关阵列模块,单体电池电压采集模块,温度、总电压、总电流检测模块;开关阵列模块输出端与单体电池电压采集模块的输入端连接。
[0010]所述开关阵列模块包括多个开关阵列;每个开关阵列包括两个场效应管,两个场效应管的G极与微控制器模块的一个输出端连接;两个场效应管的D极分别通过电阻R1、R2与单体电池的负极、正极连接,两个场效应管的S极分别与信号调整电路的反向输入端、正向输入端连接。
[0011 ]所述充放电控制模块采用多个场效应管;场效应管N1、N2的G极与微控制器模块的一个输出端连接,N3的G极与微控制器模块的另一个输出端连接,N1、N2的S极和N3的D极并联后依次经电流传感器、保险丝与电池单元的负极连接;场效应管N1、N2的D极并联后作为放电端子负端,与电池单元的正端作为放电端口与电动车连接;场效应管N3的S极作为充电端子负端,与电池单元的正端作为充电端口与充电机连接。
[0012]所述均衡管理模块包括多个均衡子模块,每个均衡子模块由均衡分流放电电路和均衡驱动电路组成;
[0013]均衡分流放电电路包括顺序连接的场效应管U1、电阻和二极管;场效应管Ul的S极与电阻Rl连接,D极与单体电池的负端连接,G极与相应的均衡驱动电路连接,二极管与单体电池的正端连接,还与相邻的均衡子模块中均衡分流放电电路的场效应管D极连接;
[0014] 均衡驱动电路包括顺序连接的电阻R2、场效应管U2、电阻R3、电阻R4;电阻R2接地,场效应管U2的G极与微控制器模块(3 )的输出端连接,S极与电阻R2连接,D极与电阻R3连接;R3、R4的中间结点与场效应管Ul的G极连接;R4与单体电池的正端连接。
[0015] —种电动车用智能锂离子电池的均衡控制方法,包括以下步骤:
[0016]根据采集的电池单元内各单体电池电压数据,进行均衡自检;
[0017]若均衡自检通过,判断是否开启均衡控制;若单体电池电压与均值电压差值大于设定阈值电压,且某一单体电池电压大于设定阈值时,根据单体电池电压得到的PWM占空比作为均衡时间进行均衡控制;否则不进行均衡控制。
[0018]所述均衡自检包括以下步骤:
[0019]首先进行电压自检:若电池单元内最高单体电池电压与最低单体电池电压的差大于2V,或者某一单体电池电压小于2V时,电压自检不通过,否则通过;然后进行电流自检,若电池单元总电流大于设定的阈值时,电流自检不通过,否则,通过;最后是温度自检,若系统温度或者单体电池温度大于设定的阈值时,温度自检不通过,否则通过;当电压自检、电流自检和温度自检都通过时,均衡自检通过,否则不通过。
[0020]所述根据单体电池电压得到的PffM占空比作为均衡时间进行均衡控制包括以下步骤:
[0021]微控制器将采集的电池单元内每个单体电池电压与其中的单体电池电压最低值进行差值并乘以因子系数得到加权值,将每个加权值与微控制器中预先设定的偏差阈值作差,根据该差值得到PWM占空比,通过控制每个单体电池对应的均衡驱动电路中场效应管的导通时间,来控制均衡分流放电电路的场效应管导通时间,即通过控制流过均衡分流放电电路的分流电阻的均衡电流实现电池的均衡控制。
[0022]本发明具有以下有益效果及优点:
[0023] 1.本发明为集中式电池管理系统,具有体积小,性能稳定,检测精度高,成本低,可靠性强等特点。
[0024] 2.所述电池管理系统在工作电流很小或电池组不工作时,系统处于低功耗休眠状态,静态电流很小。
[0025] 3.本发明能够实时监测锂电池系统的动态信息,同时自身系统参数可配置,用户可以根据实际需要选择技术参数配置,也就拓展了所述电池管理系统电芯的适用范围。
[0026] 4.本发明提供优化的均衡控制算法,并通过PffM的方式控制均衡时间,提高了被动均衡的精度,有效的控制热量的产生。
[0027] 5.本发明的均衡电路,结构简单,运用PffM脉冲控制,均衡精度高,且采用模块化设计,具有很强的可移植性。
附图说明
[0028]图1本发明的智能锂离子电池管理系统框架图;
[0029]图2本发明的数据检测模块电路图;
[0030]图3本发明的充放电控制模块原理示意图;
[0031 ]图4本发明的均衡管理模块电路图;
[0032]图5本发明的均衡控制算法流程图。
具体实施方式
[0033]下面结合附图对本锂电池管理系统进行详细描述,以便更好的理解本发明。
[0034]如附图1所示,本发明所述的电动车用智能锂离子电池管理系统由电源模块1、数据检测模块2、微控制器模块3、充放电控制模块4、安全保护模块5、通讯模块6、数据存储模块7和均衡管理模块8组成。电源模块I与数据检测模块2、微控制器模块3、通讯模块6、数据存储模块7电性连接,用于提供工作电源。数据检测模块2用于检测单体电池电压和温度、电池管理系统温度、总电压和总电流等信息。充放电控制模块4用于控制电池组的充放电过程。安全保护模块5具有防止电池组过充、过温、过放、过流、短路等功能。通讯模块6主要用于与外部设备以及上位机通讯,传递电池管理系统监测的数据信息(包括单体电池电压、温度、电池组总电压、总电流以及系统温度等信息)和状态信息(包括电池组充放电状态、电池组寿命和使用次数、电池管理系统报警信息和均衡状态等),以及电池管理系统参数配置信息(包括通讯配置参数、报警阈值,均衡设置阈值等)。数据存储模块7用于存储检测信息、管理系统运行信息以及故障信息等。均衡管理模块8用于电池组充电过程中减少单体电池容量之间的差异度,且具有自动错误检测功能。
[0035]微控制器模块3将数据检测模块2的数据信息接收处理后,利用SOC算法估算电池荷电容量,并进行逻辑运算与判断,控制相应的充放电控制模块4和安全保护模块5,以及均衡管理模块8,最后将数据信息和状态信息通过通讯模块6发送给上位机,并存储到数据存储模块7。
[0036]本发明所提出的数据检测模块2是通过多个由场效应管N_M0SFET组成的开关阵列模块12控制电池单元与单体电池电压采集模块13的选通。每个开关阵列由两个共用一个控制端的N_M0SFET组成,单体电池电压采集模块13由信号调整电路15和模拟信号采集功能模块17组成。信号调整电路15采用差分放大器构建,其输出信号由控制器模块内部的模拟信号采集功能模块采集,并将得到的数据信息交由微处理器进行后续处理。其原理示意图如图2所示,模拟信号的采集采用巡检的方式:若采集第一节单体电池BATl的电压,微控制器控制N_M0SFET Ql和Q2,打开第一个开关阵列16,其余开关阵列全部关闭,电池正负极电压经过分压电阻Rl和R5、R2和R6分压后,再通过信号调整电路15将信号调整到模拟信号采集模块17输入电压范围内,由单体电池电压采集模块13采集。差分放大器通过调整引脚f和h间电阻R7和R8阻值来调整放大的比例。以此类推,可以得到每一节单体电池的电压。
[0037]本发明所提出的温度、总电压、总电流检测电路14可以获取电池组和电池管理系统内部温度,以及电池组总电压和工作电流。由顺序连接的热敏电阻(霍尔传感器)、分压电路和另一个信号跟随调理电路15组成,信号随调理电路15的输入端VIN-、VIN+分别与系统的地和分压电路的输出端连接,输出信号由微控制器模块内部的模拟信号采集功能模块17采集,并将得到的数据信息交由微处理器进行后续处理。
[0038]本发明所提出的微控制器模块3是整个系统的核心,微处理器模块3采用微处理器,根据数据检测模块2的数据信息,计算SOC并进行逻辑运算与判断。SOC估算采用安时积分与电池模型参数辨识相结合的方法。首先利用安时积分法来实时计算电池S0C,然后利用开路电压,根据等效低阶电池模型进行在线参数辨识,来修正利用安时积分计算得到的SOC值,减少初值估算不准和累积误差,提高电池soc(电池荷电状态)的估算精度。
[0039]本发明所提出的充放电控制模块4由充电电路和放电电路组成,如附图3所示,放电端子接外部负载,为保证充放电的安全稳定,NI和N2是两个并联的,共用一个控制端的N_MOSFET,可承受50A的电流峰值,用于控制放电回路的通断。充电端子接充电机,N3是一个N_M0SFET,能通过1A的持续电流,用于控制充电回路的通断。且保证充电电路和放电电路不同时导通,所有开关控制端均由微控制器模块3控制。电流传感器接在电池负极端,可以检测总电流。充电过程分3个阶段,即小电流充电、大电流恒流充电和均衡恒压充电。第一阶段:在充电开始时,根据数据检测模块2采集的电池组电压数据,若电池组电压低于设定的最小阈值时,进入小电流充电阶段。根据实际电池组电压与设定阈值的差值来适时调整充电控制的场效应管N3的占空比,进而来控制充电电流的大小;第二阶段:当电池组电压大于设定的恒流充电阈值时,立刻进入恒流充电阶段,电池组以恒定电流充电;第三阶段:通过实时将电池组电压与设定恒压阈值比较,若电池组电压大于设定的恒压阈值时,转入恒压充电,电池组以额定电压充电。
[0040] 本发明所提出的安全保护模块5主要实现电池组过充电、过放电、超温、过流以及短路等一系列保护功能,确保电池组安全稳定的运行。保护功能分为三级保护,第一级保护为轻微程度,报警提示;第二级保护为严重程度,报警提示并断开工作电路;第三级保护为熔断器保护,切断总输出电源。所有控制信号均由微控制器根据处理后的数据信息逻辑判断后发出。
[0041]本发明所提出的通讯模块6,采用485通讯,实现电池管理系统与监控软件的通讯。所涉及的数据存储模块7,实时存储电池组的数据信息和电池管理系统的状态信息,采用铁电存储器存储,存取速度快,易于擦写。
[0042]本发明所提出的均衡管理模块8由多个均衡子模块9、10、11等组成,用于在充电过程中平衡电池组各单体电池的差异,采用电阻旁路的方式,如附图4所示,每个均衡子模块由均衡分流放电电路和均衡驱动电路组成。每个均衡分流放电电路由场效应管P_M0SFET,二极管和旁路电阻组成。以第一节电池为例说明,U1是P_M0SFET,用于控制分流电路的通断;二极管Dl是防止电池反接导致无辜损耗,也防止均衡电流过大造成的危害;旁路电阻Rl是功耗型电阻,用于均衡分流放电。均衡驱动电路用于驱动均衡分流电路的P_M0SFET,因为电池组串联,微控制器控制端输出电平无法打开P_M0SFET,所以增加了此驱动电路。通过N—MOSFET U2以及电阻R2,R3和R4分压得到驱动Ul的栅极驱动电压,近而微控制器模块通过控制U2就可以控制均衡子模块的通断。这种均衡管理模块的好处是易于扩展和集成化管理。均衡管理模块由多个均衡子模块组成,每个电池单元配备一个均衡子模块,微控制器模块通过控制均衡子模块的MOSFET开关进行旁路分流。均衡管理模块只在电池组充电过程中启用,且只有当单体电池电压达到均衡开启电压时才启动均衡模块。均衡子模块具有自身硬件保护功能,可防止反流、过流等危险的发生。微控制器模块根据均衡算法控制均衡管理模块8,且具有错误检测功能,当单体电池电压数据异常时,均衡模块停止工作。
[0043]本发明所提出的均衡控制算法如图5所示,首先根据读入的数据信息,进行均衡前的自检,以防止均衡误动作。其中,数据信息主要是指单体电池电压,总电流和温度。若最高单体电池电压与最低单体电池电压相差2V以上或者某一单体电池电压低于2V,总电流和温度超过设定阈值均属于均衡自检不通过,跳出均衡算法;若均衡自检通过,判断是否开启均衡模块,若单体电池电压与均值电压差值大于设定阈值电压,且某一单体电池电压大于设定阈值时,开启均衡模块,否则跳出均衡算法;均衡管理模块8采用PffM脉宽调制控制,即微控制器把数据检测模块2采集的单体电池电压与其中的电压最低值进行差值并乘以因子系数进行加权,将加权后结果再与微控制器中预先设定的偏差阈值进行差值计算,根据该差值得到PWM占空比,通过微控制器的HVM输出引脚控制开关管导通时间即均衡时间,达到控制均衡电流的目的,进而间接控制流入电池的充电电流。每一个需要均衡的单体电池的PWM占空比都需要计算,将图4中的单体电池BI举例说明:将该单体电池BI电压与电池单元内电压最低值的压差加权后,与偏差阈值作差得到差值,根据差值电压与PWM占空比对应关系,得到该单体电池的PWM占空比。差值电压与PWM占空比对应关系根据电池特性(电池容量,开路电压和放电电流)测试得到。通过HVM占空比控制场效应管的U2导通时间,进而控制场效应管Ul的导通时间,即通过控制流过均衡分流放电电路的分流电阻Rl的均衡电流实现电池的均衡控制。
[0044] 通过上述计算,以此来保证总功耗不会超过设定值。均衡算法经过多次循环控制,当满足所有单体电池与均值电压的压差在设定阈值之内,且所有单体电池电压都达到设定的满电阈值范围,任意相邻两个单体电池电压都不超过设定偏差值,电池S0C>90%,充电电流〈0.0lC时,均衡结束。其中,设定阈值电压、设定阈值、偏差阈值等均根据电池特性设定。
[0045]电池管理系统分为三级保护,第一级保护为显示报警信息,当电池管理系统的数据信息超过其设定的一级保护阈值时,以指示灯形式显示,并通过通讯模块发送给上位机;第二级保护为显示报警信息并切断工作电路(充放电控制模块4),当电池管理系统的数据信息超过其设定的二级保护阈值时进行保护;第三级保护为熔断器FUSE保护即充放电控制模块4中的熔断器保护,当电池组总电流超过FUSE的承载电流时,熔断器会熔断来保护整个系统。

Claims (7)

1.一种电动车用智能锂离子电池管理系统,其特征在于:微控制器模块(3)与电源模块(1)、数据检测模块(2)、充放电控制模块(4)、安全保护模块(5)、通讯模块(6)、数据存储模块(7)和均衡管理模块(8)连接; 微控制器模块(3):根据数据检测模块(2)的电池数据信息估算电池荷电状态,并进行逻辑运算与判断来控制充放电控制模块(4)、安全保护模块(5)以及均衡管理模块(8),最后将电池数据信息和电池状态信息通过通讯模块(6)发送给上位机,并存储到数据存储模块(7); 数据检测模块(2):用于单体电池电压、温度,电池组总电压、总电流以及系统温度的检测; 均衡管理模块(8):用于电池组充电过程中减少单体电池容量之间的差异度,且具有自动错误检测功能; 所述充放电控制模块(4)采用多个场效应管;场效应管N1、N2的G极与微控制器模块(3)的一个输出端连接,N3的G极与微控制器模块(3)的另一个输出端连接,N1、N2的S极和N3的D极并联后依次经电流传感器、保险丝与电池单元的负极连接;场效应管N1、N2的D极并联后作为放电端子负端,与电池单元的正端作为放电端口与电动车连接;场效应管N3的S极作为充电端子负端,与电池单元的正端作为充电端口与充电机连接。
2.根据权利要求1所述的一种电动车用智能锂离子电池管理系统,其特征在于:所述数据检测模块(2)包括开关阵列模块(12),单体电池电压采集模块(13),温度、总电压、总电流检测模块(14);开关阵列模块(12)输出端与单体电池电压采集模块(13)的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种电动车用智能锂离子电池管理系统,其特征在于:所述开关阵列模块(12)包括多个开关阵列;每个开关阵列包括两个场效应管,两个场效应管的G极与微控制器模块(3)的一个输出端连接;两个场效应管的D极分别通过电阻R1、R2与单体电池的负极、正极连接,两个场效应管的S极分别与信号调整电路(15)的反向输入端、正向输入端连接。
4.根据权利要求1所述的一种电动车用智能锂离子电池管理系统,其特征在于:所述均衡管理模块(8)包括多个均衡子模块,每个均衡子模块由均衡分流放电电路和均衡驱动电路组成; 均衡分流放电电路包括顺序连接的场效应管Ul、电阻和二极管;场效应管Ul的S极与电阻Rl连接,D极与单体电池的负端连接,G极与相应的均衡驱动电路连接,二极管与单体电池的正端连接,还与相邻的均衡子模块中均衡分流放电电路的场效应管D极连接; 均衡驱动电路包括顺序连接的电阻R2、场效应管U2、电阻R3、电阻R4;电阻R2接地,场效应管U2的G极与微控制器模块(3)的输出端连接,S极与电阻R2连接,D极与电阻R3连接;R3、R4的中间结点与场效应管Ul的G极连接;R4与单体电池的正端连接。
5.—种电动车用智能锂离子电池的均衡控制方法,其特征在于包括以下步骤: 根据采集的电池单元内各单体电池电压数据,进行均衡自检; 若均衡自检通过,判断是否开启均衡控制;若单体电池电压与均值电压差值大于设定阈值电压,且某一单体电池电压大于设定阈值时,根据单体电池电压得到的PWM占空比作为均衡时间进行均衡控制;否则不进行均衡控制。
6.根据权利要求5所述的一种电动车用智能锂离子电池的均衡控制方法,其特征在于:所述均衡自检包括以下步骤: 首先进行电压自检:若电池单元内最高单体电池电压与最低单体电池电压的差大于2V,或者某一单体电池电压小于2V时,电压自检不通过,否则通过;然后进行电流自检,若电池单元总电流大于设定的阈值时,电流自检不通过,否则,通过;最后是温度自检,若系统温度或者单体电池温度大于设定的阈值时,温度自检不通过,否则通过;当电压自检、电流自检和温度自检都通过时,均衡自检通过,否则不通过。
7.根据权利要求5所述的一种电动车用智能锂离子电池的均衡控制方法,其特征在于:所述根据单体电池电压得到的PWM占空比作为均衡时间进行均衡控制包括以下步骤: 微控制器将采集的电池单元内每个单体电池电压与其中的单体电池电压最低值进行差值并乘以因子系数得到加权值,将每个加权值与微控制器中预先设定的偏差阈值作差,根据该差值得到PWM占空比,通过控制每个单体电池对应的均衡驱动电路中场效应管的导通时间,来控制均衡分流放电电路的场效应管导通时间,即通过控制流过均衡分流放电电路的分流电阻的均衡电流实现电池的均衡控制。
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