CN104617627A - 一种电池充放电管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种电池充放电管理系统，属于蓄电池充放电技术领域。包括电池组内的多节电池，其特征在于：包括供电模块、电池组参数采集模块以及电池组单体均衡模块，供电模块与电池组参数采集模块相连并为其供电，电池组单体均衡模块同时与电池组内的各电池相连，电池组参数采集模块与电池组单体均衡模块相连。通过本发明的电池充放电管理系统，可以对电池组的参数进行实时采集，实现了电池组内单节电池的均衡充放电，可以有效延长电池使用寿命。避免了深度放电、单个电池的过度放电、充电过程高温、充电不均衡等现象的出现，可在异常事故中及时中断电池的工作状态，保证人身安全。
Description
技术领域
一种电池充放电管理系统，属于蓄电池充放电技术领域。
背景技术
目前，影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题，延长电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。目前应用于电动车辆的动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池、锂聚合物电池三种动力电池，其中铅酸电池经过100多年的发展，技术成熟，成本比镍氢电池和锂聚合物电池低得多，而且电池结构方面的新技术继续提高着铅酸电池的性能，因此在一定时间内铅酸电池仍然会较广泛的使用，但是有不可逆硫酸盐化、极板弯曲和断裂、活性物质的脱落等弊端，而造成这些弊端的原因除却生产工艺的差别，基本上可以概括为充放电不当造成的，如长期充电不足导致的极板硫酸盐化、大电流充电控制不当导致的正极板栅弯曲和断裂、大量失水，热失控导致的活性物质脱落和充鼓、充胀等，使得电池寿命不断衰减；镍氢电池主要是充电发热、正负极衰退、内压升高等问题，其关键原因是电池充放电时正极连续地出氧反应未能及时消除，此时负极亦将出现析氢过程，导致内压不断升高，温度过热导致机壳变形、爆炸等，严重影响电池使用寿命；锂聚合物电池主要的也是充电发热和过充电等问题，这些将导致锂电池组容量不平衡，而且一旦电池的容量平衡发生改变，这种改变就是不可逆的，并且可以通过多次循环进行累积，严重影响电池使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具备电池组参数采集和单体均衡，可以有效延长电池使用寿命的电池充放电管理系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该电池充放电管理系统，包括电池组内的多节电池，其特征在于：包括供电模块、电池组参数采集模块以及电池组单体均衡模块，供电模块与电池组参数采集模块相连并为其供电，电池组单体均衡模块同时与电池组内的各电池相连，电池组参数采集模块与电池组单体均衡模块相连。
优选的，所述的电池组参数采集模块，包括：信息处理模块、电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块以及数据存储模块，所述的电池组内的各电池同时与电压采集模块、电流采集模块以及温度采集模块相连，电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块同时与信息处理模块相连，信息处理模块与数据存储模块以及所述的电池组单体均衡模块相连。
优选的，所述的信息处理模块为型号是μPD78F0820A系列的单片机，第一微处理器U1的12脚、20脚、23脚、49脚和72脚接信号地，第一微处理器U1的13脚、19脚、24脚、48脚和71脚接供电模块+5V，第一微处理器U1的21脚和22脚为CAN通信引脚，第一微处理器U1的30脚为SYSV_AD端口，第一微处理器U1的31脚为Curr_AD1端口，第一微处理器U1的32脚为Curr_AD端口，第一微处理器U1的33脚为Temp_AD端口，第一微处理器U1的50脚为REST端口，第一微处理器U1的57脚~62脚依次为TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C端口，第一微处理器U1的65脚~70脚依次为MU1C、MU1B、MU1A、MU2C、MU2B、MU2A端口，第一微处理器U1的78脚~80脚依次为AD_DSCK、AD_DOUT、AD_CONV端口，第一微处理器U1的17脚和18脚之间串接晶振Y1，第一微处理器U1的17脚通过隔直滤波电容C1接信号地，第一微处理器U1的18脚通过隔直滤波电容C2接信号地，第一微处理器U1的50脚通过电解电容C3接信号地、通过电阻R1接供电模块+5V。
优选的，所述的电流采集模块包括型号为为ISO-U3P2O4的电源隔离模块U2、型号为HNC系列的霍尔电流传感器H1以及分流器SH1，电源隔离模块U2的1脚通过电位器R5接分流器SH1的电流输入端，同时电源隔离模块U2的1脚还通过下拉电阻R3接入电源地；电源隔离模块U2的2脚直连分流器SH1的电流输出端，同时电源隔离模块U2的2脚还通过下拉电阻R4接入电源地；电源隔离模块U2的1脚和2脚之间还并接有隔直滤波电容C5和电解电容C4；电源隔离模块U2的4脚接+12VO2电源；电源隔离模块U2的5脚接电源地；电源隔离模块U2的8脚接信号地；电源隔离模块U2的9脚与10脚之间串接电位器R2；电源隔离模块U2的8脚和11脚之间依次串接电解电容C7、隔直滤波电容C6和快恢复二极管D2；电源隔离模块的11脚接第一位处理器U1的Curr AD引脚；电源隔离模块U2的11脚通过快恢复二极管D1接所述供电模块的+5V接口端；霍尔电流传感器H1的1脚接供电模块的+12VO1接口、2脚接供电模块的-12VO1接口、3脚接第一位处理器U1的Curr AD1引脚、4脚接信号地。
优选的，所述的电压采集模块包括型号为LTC1864的AD转换芯片U3、运算放大器U4以及高速光耦U5~U7，AD转换芯片U3的1脚和8脚接供电模块的+5VO，AD转换芯片U3的1脚和8脚分别通过隔直滤波电容C9和C10接信号地，AD转换芯片U3的2脚接运算放大器U4的1脚，AD转换芯片U3的3脚接滤波电感L1的3脚，AD转换芯片U3的3脚与运算放大器U4的3脚之间并联电阻R7，AD转换芯片U3的4脚接电源地；
AD转换芯片U3的5脚接高速光耦U7的4脚，AD转换芯片U3的6脚通过电阻R12接三极管Q7的基极，AD转换芯片U3的7脚接高速光耦U5的4脚，运算放大器U4的1脚和2脚通过电阻R8连接，运算放大器U4的3脚通过电阻R6接滤波电感L1的4脚；高速光耦U5的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U5的2脚通过电阻R14与第一微处理器U1的AD_DSCK端口连接；高速光耦U5的3脚接电源地，高速光耦U5的4脚与5脚并联电阻R10，高速光耦U5的5脚接供电模块的+9VO；高速光耦U7的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U7的2脚通过电阻R15接第一微处理器U1的AD_CONV端口，高速光耦U7的3脚接电源地，高速光耦U7的4脚和5脚之间并接电阻R11，高速光耦U7的5脚接供电模块的+9VO；高速光耦U6的1脚接供电模块的+9VO，高速光耦U6的2脚通过电阻R13接三极管Q7的集电极，高速光耦U6的3脚接电源地，高速光耦U6的4脚接第一微处理器U1的AD_DOUT端口，高速光耦U6的4脚和5脚之间串接电阻R16，高速光耦U6的5脚接供电模块的+5V，三极管Q7的发射极接电源地，三极管Q7的基极和发射极之间串接电阻R9。
优选的，所述的温度采集模块包括模拟电子开关芯片U8~U9、三极管Q1~Q6、电阻R17~R30、隔直滤波电容C12以及集线端子T1，模拟电子开关芯片U8的1脚接集线端子T1的4脚，模拟电子开关芯片U8的2脚接集线端子T1的5脚，模拟电子开关芯片U8的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口；模拟电子开关芯片U8的5脚接集线端子T1的6脚，模拟电子开关芯片U8的6脚、7脚和8脚接信号地，模拟电子开关芯片U8的9脚接三极管Q3的集电极，模拟电子开关芯片U8的10脚接三极管Q2的集电极，模拟电子开关芯片U8的11脚接三极管Q1的集电极，模拟电子开关芯片U8的12脚接集线端子T1的3脚，模拟电子开关芯片U8的14脚接集线端子T1的2脚，模拟电子开关芯片U8的15脚接集线端子T1的1脚，模拟电子开关芯片U8的16脚接供电模块的+5V；
模拟电子开关芯片U9的1脚接集线端子T1的10脚，模拟电子开关芯片U9的2脚接集线端子T1的11脚，模拟电子开关芯片U9的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口，模拟电子开关芯片U9的5脚接集线端子T1的12脚，模拟电子开关芯片U9的6脚、7脚和8脚接信号地；模拟电子开关芯片U9的9脚接三极管Q6的集电极，模拟电子开关芯片U9的10脚接三极管Q5的集电极，模拟电子开关芯片U9的11脚接三极管Q4的集电极，模拟电子开关芯片U9的12脚接集线端子T1的9脚，模拟电子开关芯片U9的14脚接集线端子T1的8脚，模拟电子开关芯片U9的15脚接集线端子T1的7脚，模拟电子开关芯片U9的16脚接供电模块的+5V，供电模块的+5V和信号地之间串接隔直滤波电容C12，三极管Q1~Q6的发射极都接供电模块的+5V，三极管Q1~Q6的集电极分别通过串接电阻R25~R30接信号地，三极管Q1~Q6的基极分别通过串接电阻R19~R24依次接第一微处理单元U1的TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C。
优选的，所述的供电模块包括：电压调节集成电路U10、正向低压降稳压器U11、基准电压芯片U12、运算放大器U13、电源隔离模块U14、U17、电源模块U15以及三端稳压芯片U16；电压调节集成电路U10的1脚通过电阻R32接运算放大器U13的3脚，电压调节集成电路U10的2脚接第一微处理器U1的REST端口，电压调节集成电路U10的3脚接电源地，电压调节集成电路U10的4脚通过隔直滤波电容C15接电源地，电压调节集成电路U10的5脚通过电解电容C14接电源地，电压调节集成电路U10的2脚和5脚之间串接电阻R31，电压调节集成电路U10的5脚接正向低压降稳压器U11的3脚，正向低压降稳压器U11的3脚通过隔直滤波电容C16接电源地，正向低压降稳压器U11的1脚接电源地，正向低压降稳压器U11的2脚和4脚相连输出+3.3V并通过隔直滤波电容C17与电源地隔离；
基准电压芯片U12的6脚输出+5VO，基准电压芯片U12的4脚接电源地，基准电压芯片U12的2脚通过隔直滤波电容C19与电源地隔离，运算放大器U13的1脚接第一微处理器U1的SYSV_AD端口，运算放大器U13的1脚和2脚通过电阻R34连接，运算放大器U13的3脚通过电阻R33接信号地、通过电阻R32和电解电容C13接电源地；电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的2脚接电源地，电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的1脚均接快恢复二极管D3的阴极，电源隔离模块U14和U17的3脚均接电源地，电源隔离模块U14的4脚接三端稳压芯片U16的1脚，电源隔离模块U17的4脚输出+12VO2，电源模块U15的7脚输出+12VO1，电源模块U15的9脚输出-12VO1，电源模块U15的10脚接信号地，电源模块U15的7脚和10脚之间并接电解电容C22，电源模块U15的9脚和10脚之间并接电解电容C20，三端稳压芯片U16的1脚和2脚之间串接电解电容C18，三端稳压芯片U16的2脚接电源地，三端稳压芯片U16的3脚输出+9VO，三端稳压芯片U16的2脚和3脚之间串接电解电容C21，快恢复二极管D3的输入端接系统电源输入正极，系统电源输入正负极之间并接齐纳二极管D4。
优选的，所述的电池组单体均衡模块包括第二微处理器以及与电池组内的电池数量一一对应的多个均衡单元，第二微处理器同时与所有均衡单元相连，所述的电池组参数采集模块与第二微处理器相连；
所述的均衡单元包括与电池组内单节电池连接形成正向均衡回路或负向均衡回路的一个快恢复二极管、一个开关管以及与一个储能电感。
优选的，所述的正向均衡回路连接方式为：快恢复二极管的阴极对应与功率开关的源极相连，电池的正极对应连接功率开关管的漏极，电池的负极对应连接电感之后并联至快恢复二极管的阴极；
所述的反向均衡回路连接方式为：快恢复二极管的阳极对应与功率开关管的漏极相连，电池的负极对应连接功率开关管的源极，电池的正极接电感之后并联至快恢复二极管的阳极；
正向均衡回路中的快恢复二极管的阳极同时并联至整个电池组的负极，负向均衡回路中的快恢复二极管的阴极同时并联至整个电池组的正极，功率开关管的栅极通与第二微处理器的信号输出端相连。
优选的，还设置有与所述的电池组参数采集模块的输出端相连的预警模块以及通信模块，通信模块的输出端同时连接预警模块以及一外部平台，所述的电池组单体均衡模块的输出端同时与预警模块相连。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、电池充放电管理系统，使电动汽车的运行、充电等功能与电池的有关参数（电流、电压、容量）紧密相连并协调工作，有效延长电池组循环使用寿命。
2、对电池组内的每节电池进行均衡充放电，避免了深度放电、单个电池的过度放电、充电过程高温、充电不均衡等现象的出现，可在异常事故中及时中断电池的工作状态，保证人身安全。
3、采用主动无损单体均衡技术，既可以实现电池组充电单体均衡，也可以实现电池组放电单体均衡，电池组一致性更强。
4、可通过RS232或CAN通信等方式与外部平台进行数据互联，增强了所述电池管理系统使用的灵活性，有利于建立电驱动系统一体化信息平台。
5、具备对电池性能的保护、防止个别电池早期损坏的作用，同时具有各种警告和保护功能。
附图说明
图1为电池充放电管理系统原理方框图。
图2为电池充放电管理系统电池组参数采集模块原理方框图。
图3为电池充放电管理系统第一微处理器电路原理图。
图4为电池充放电管理系统电流采集模块电路原理图。
图5为电池充放电管理系统电压采集模块电路原理图。
图6为电池充放电管理系统温度采集模块电路原理图。
图7为电池管理供电模块电路原理图。
图8为电池充放电管理系统电池组单体均衡模块原理方框图。
图9为单体均衡模块内的均衡单元电路原理图。
具体实施方式
图1~9是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~9对本发明做进一步说明。
在如图1所示的原理方框中，黑色箭头表示信号源走向，白色箭头表示电源信号走向。电池充放电管理系统，包括供电模块、预警模块、通讯模块、电池组参数采集模块、电池组以及电池组单体均衡模块，电池组内包括第一电池、第二电池……第N电池等多节电池。供电模块同时与预警模块、通信模块以及电池组参数采集模块相连并为其供电。电池组单体均衡模块同时与电池组内的所有电池相连，并实现对各电池的均衡充电。
电池组参数采集模块同时与预警模块、通信模块、电池组单体均衡模块相连，电池组参数采集模块同时与电池组内的多节电池相连。通信模块同时与预警模块以及外部平台相连。电池组单体均衡模块与预警模块相连。
电池组单体均衡模块根据电池组参数采集模块的信息，综合管理电池组电量分配，保证电池组内所有电池的充放电均衡；通信模块根据外部需求可将电池组参数实时与外部网络对接，实现与外部平台的数据交互；预警模块实时跟踪电池组参数监测模块、电池组单体均衡模块和通信模块的工作状态，实时进行各种故障状态告警；供电模块与电池组参数采集模块、通信模块和预警模块通过电气线连接，为上述模块提供工作电源。电源包括+5V、+12V、-12V、+3.3V、+9V等规格。
通信模块可采用常见的多种通信方式实现，如RS232、CAN等方式实现与外部平台的互通互联。车载设备采用CAN通信的模式，固定式设备采用RS232通信模式与上位机联机通信。
预警模块实时跟踪电池组参数监测模块、电池组单体均衡模块和通信模块的工作状态进行实时监控告警，预警时，相应的故障模块将停止工作，确保电池充放电管理系统的工作稳定性、可靠性和安全性。预警采用蜂鸣报警的方式和指示灯闪烁实现报警。
如图2所示，电池组参数采集模块，包括：信息处理模块、电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块以及数据存储模块。电池组内的多节电池同时与电压采集模块、电流采集模块以及温度采集模块相连，电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块分别采集电池组内每节电池的电流、电压以及温度值，并分别将采集到的数值送至信息处理模块进行处理，在信息处理模块内设置有电池参数速算策略，计算得出电池组剩余容量（SOC）和健康状态（SOH）等状态参数，并将电流、电压、温度、SOC和SOH等参数送至与之相连的数据存储模块中进行存储。电池组参数采集模块既可以独立于电池组外，也可以内嵌到电池组各单体中。数据存储模块采用大容量存储介质进行电池参数数据的实时存储，如SD卡等。数据存储模块的存储容量不小于2GB。
电池组剩余容量（SOC）的计算公式为： ；。
其中，为充放电效率，，通常情况下取，为采样时刻的电流值，为电池组上一次充满电后实际放出的容量，为充放电向量，充电时向量符号为“＋”，放电时向量符号为“－”。
，式子中为电池组开路端电压，为电池组单体电池个数，为电池组静置后的开路电压，为电池组各单体开路电压的平均值，即，其中为电池组各单体电池开路端电压，为10小时率下单体电池的放电电流。
电池健康状态（SOH）及计算公式为：。
其中，，为环境温度修正系数，为10小时率下单体电池的标称容量。
如图3所示，上述的信息处理模块包括第一微处理器U1，第一微处理器U1采用型号为μPD78F0820A系列的单片机实现。第一微处理器U1的12脚、20脚、23脚、49脚和72脚接信号地，第一微处理器U1的13脚、19脚、24脚、48脚和71脚接供电模块+5V（VDD），第一微处理器U1的21脚和22脚为CAN通信引脚，第一微处理器U1的30脚为SYSV_AD端口，第一微处理器U1的31脚为Curr_AD1端口，第一微处理器U1的32脚为Curr_AD端口，第一微处理器U1的33脚为Temp_AD端口，第一微处理器U1的50脚为REST端口，第一微处理器U1的57脚~62脚依次为TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C端口，第一微处理器U1的65脚~70脚依次为MU1C、MU1B、MU1A、MU2C、MU2B、MU2A端口，第一微处理器U1的78脚~80脚依次为AD_DSCK、AD_DOUT、AD_CONV端口，第一微处理器U1的17脚和18脚之间串接晶振Y1，第一微处理器U1的17脚通过隔直滤波电容C1接信号地，第一微处理器U1的18脚通过隔直滤波电容C2接信号地，第一微处理器U1的50脚通过电解电容C3接信号地、通过电阻R1接供电模块+5V（VDD）。
如图4所示，电流采集模块包括电源隔离模块U2以及霍尔电流传感器H1以及分流器SH1。电源隔离模块U2的1脚通过电位器R5接分流器SH1的电流输入端，同时电源隔离模块U2的1脚还通过下拉电阻R3接入电源地；电源隔离模块U2的2脚直连分流器SH1的电流输出端，同时电源隔离模块U2的2脚还通过下拉电阻R4接入电源地；电源隔离模块U2的1脚和2脚之间还并接有隔直滤波电容C5和电解电容C4；电源隔离模块U2的4脚接+12VO2电源，+12VO2电源由供电模块的+12VO2接口提供；电源隔离模块U2的5脚接电源地；电源隔离模块U2的8脚接信号地；电源隔离模块U2的9脚与10脚之间串接电位器R2；电源隔离模块U2的8脚和11脚之间依次串接电解电容C7、隔直滤波电容C6和快恢复二极管D2；电源隔离模块的11脚接第一位处理器U1的Curr AD引脚；电源隔离模块U2的11脚通过快恢复二极管D1接供电模块的+5V接口端；霍尔电流传感器H1的1脚接供电模块的+12VO1接口、2脚接供电模块的-12VO1接口、3脚接所述第一位处理器U1的Curr AD1引脚、4脚接信号地。
电源隔离模块U2采用型号为ISO-U3P2O4的芯片；霍尔电流传感器H1采用型号为HNC系列量程范围为0~400A的霍尔电流传感器。
如图5所示，电压采集模块包括AD转换芯片U3、运算放大器U4以及高速光耦U5~U7，AD转换芯片U3的1脚和8脚接供电模块的+5VO，AD转换芯片U3的1脚和8脚分别通过隔直滤波电容C9和C10接信号地，AD转换芯片U3的2脚接运算放大器U4的1脚，AD转换芯片U3的3脚接滤波电感L1的3脚，AD转换芯片U3的3脚与运算放大器U4的3脚之间并联电阻R7，AD转换芯片U3的4脚接电源地。
AD转换芯片U3的5脚接高速光耦U7的4脚，AD转换芯片U3的6脚通过电阻R12接三极管Q7的基极，AD转换芯片U3的7脚接高速光耦U5的4脚，运算放大器U4的1脚和2脚通过电阻R8连接，运算放大器U4的3脚通过电阻R6接滤波电感L1的4脚。高速光耦U5的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U5的2脚通过电阻R14与第一微处理器U1的AD_DSCK端口连接；高速光耦U5的3脚接电源地，高速光耦U5的4脚与5脚并联电阻R10，高速光耦U5的5脚接供电模块的+9VO。高速光耦U7的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U7的2脚通过电阻R15接第一微处理器U1的AD_CONV端口，高速光耦U7的3脚接电源地，高速光耦U7的4脚和5脚之间并接电阻R11，高速光耦U7的5脚接供电模块的+9VO。高速光耦U6的1脚接供电模块的+9VO，高速光耦U6的2脚通过电阻R13接三极管Q7的集电极，高速光耦U6的3脚接电源地，高速光耦U6的4脚接第一微处理器U1的AD_DOUT端口，高速光耦U6的4脚和5脚之间串接电阻R16，高速光耦U6的5脚接供电模块的+5V，三极管Q7的发射极接电源地，三极管Q7的基极和发射极之间串接电阻R9。
AD转换芯片U3采用型号为LTC1864的芯片，运算放大器U4采用型号为LM2904的芯片，高速光耦U5~U7采用型号为TLP113的芯片。
如图6所示，温度采集模块包括模拟电子开关芯片U8~U9、三极管Q1~Q6、电阻R17~R30、隔直滤波电容C12以及集线端子T1。其中，模拟电子开关芯片U8的1脚接集线端子T1的4脚，模拟电子开关芯片U8的2脚接集线端子T1的5脚，模拟电子开关芯片U8的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口。模拟电子开关芯片U8的5脚接集线端子T1的6脚，模拟电子开关芯片U8的6脚、7脚和8脚接信号地，模拟电子开关芯片U8的9脚接三极管Q3的集电极，模拟电子开关芯片U8的10脚接三极管Q2的集电极，模拟电子开关芯片U8的11脚接三极管Q1的集电极，模拟电子开关芯片U8的12脚接集线端子T1的3脚，模拟电子开关芯片U8的14脚接集线端子T1的2脚，模拟电子开关芯片U8的15脚接集线端子T1的1脚，模拟电子开关芯片U8的16脚接供电模块的+5V。
模拟电子开关芯片U9的1脚接集线端子T1的10脚，模拟电子开关芯片U9的2脚接集线端子T1的11脚，模拟电子开关芯片U9的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口，模拟电子开关芯片U9的5脚接集线端子T1的12脚，模拟电子开关芯片U9的6脚、7脚和8脚接信号地。模拟电子开关芯片U9的9脚接三极管Q6的集电极，模拟电子开关芯片U9的10脚接三极管Q5的集电极，模拟电子开关芯片U9的11脚接三极管Q4的集电极，模拟电子开关芯片U9的12脚接集线端子T1的9脚，模拟电子开关芯片U9的14脚接集线端子T1的8脚，模拟电子开关芯片U9的15脚接集线端子T1的7脚，模拟电子开关芯片U9的16脚接供电模块的+5V，供电模块的+5V和信号地之间串接隔直滤波电容C12，三极管Q1~Q6的发射极都接供电模块的+5V，三极管Q1~Q6的集电极分别通过串接电阻R25~R30接信号地，三极管Q1~Q6的基极分别通过串接电阻R19~R24依次接第一微处理单元U1的TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C。
模拟电子开关芯片U8~U9可采用型号为CD4051或74HC4051的芯片、三极管Q1~Q6采用型号为8550的PNP三极管。
如图7所示，供电模块包括：电压调节集成电路U10、正向低压降稳压器U11、基准电压芯片U12、运算放大器U13、电源隔离模块U14、U17、电源模块U15以及三端稳压芯片U16。其中，电压调节集成电路U10的1脚通过电阻R32接运算放大器U13的3脚，电压调节集成电路U10的2脚接第一微处理器U1的REST端口，电压调节集成电路U10的3脚接电源地，电压调节集成电路U10的4脚通过隔直滤波电容C15接电源地，电压调节集成电路U10的5脚通过电解电容C14接电源地，电压调节集成电路U10的2脚和5脚之间串接电阻R31，电压调节集成电路U10的5脚接正向低压降稳压器U11的3脚，正向低压降稳压器U11的3脚通过隔直滤波电容C16接电源地，正向低压降稳压器U11的1脚接电源地，正向低压降稳压器U11的2脚和4脚相连输出+3.3V并通过隔直滤波电容C17与电源地隔离。
基准电压芯片U12的6脚输出+5VO，基准电压芯片U12的4脚接电源地，基准电压芯片U12的2脚通过隔直滤波电容C19与电源地隔离，运算放大器U13的1脚接第一微处理器U1的SYSV_AD端口，运算放大器U13的1脚和2脚通过电阻R34连接，运算放大器U13的3脚通过电阻R33接信号地、通过电阻R32和电解电容C13接电源地。电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的2脚接电源地，电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的1脚均接快恢复二极管D3的阴极，电源隔离模块U14和U17的3脚均接电源地，电源隔离模块U14的4脚接三端稳压芯片U16的1脚，电源隔离模块U17的4脚输出+12VO2，电源模块U15的7脚输出+12VO1，电源模块U15的9脚输出-12VO1，电源模块U15的10脚接信号地，电源模块U15的7脚和10脚之间并接电解电容C22，电源模块U15的9脚和10脚之间并接电解电容C20，三端稳压芯片U16的1脚和2脚之间串接电解电容C18，三端稳压芯片U16的2脚接电源地，三端稳压芯片U16的3脚输出+9VO，三端稳压芯片U16的2脚和3脚之间串接电解电容C21，快恢复二极管D3的输入端接系统电源输入正极，系统电源输入正负极之间并接齐纳二极管D4。
电压调节集成电路U10可采用型号为TLE4275的芯片，正向低压降稳压器U11采用型号为AMS1117系列的芯片，基准电压芯片U12采用型号为MAX6175的芯片，运算放大器U13采用型号为LM2904的芯片，电源隔离模块U14和U17采用型号为B1212S系列的模块，电源模块U15采用型号为IA1212S系列的模块，三端稳压芯片U16采用型号为LM7805的模块。
如图8所示的电池组单体均衡模块原理方框图中，黑色箭头表示信号源走向，白色箭头表示电源信号走向。电池组单体均衡模块包括第二微处理器以及与电池组内电池数量相符的多个均衡单元：第一均衡单元、第二均衡单元……第N均衡单元，每个均衡单元均与一节电池相匹配，第二微处理器同时与所有均衡单元相连。电池组参数采集模块内的信息处理模块与第二微处理器相连。
第一均衡单元、第二均衡单元……第N均衡单元采用包括电子开关控制电路、快恢复二极管和储能电感组成，第二微处理器根据电池组参数采集模块的信息，综合管理电池组电量分配，保证充放电均衡。
在充电时，第二微处理器根据电池组参数采集模块的信息，综合控制所述均衡单元1~N的工作状态，保证外部充电设备提供的电能，通过电子开关控制电路的有序控制实现对电池组的均衡充电过程。
在放电时，第二微处理器根据电池组参数采集模块的信息，综合控制所述均衡单元1~N的工作状态，保证放电过程中各单体电池的电能，通过电子开关控制电路的有序控制，实现电池组各单体电池间的能量转化，确保放电均衡度。第二微处理器可采用与第一微处理器相同型号的芯片实现。
每一个均衡单元包括与电池组内每节电池连接形成回路的一个快恢复二极管、一个开关管以及与一个储能电感。在本电池管理系统中，电池组内的电池的数量n优选为偶数，电池组内电池设置为偶数，可以保证能量传递的对称性。串联连接的n节电池中，第1~(n/2)节电池与相对应的快恢复二极管、开关管以及与储能电感之间形成正向均衡回路；第（n/2+1）~n节电池与相应的快恢复二极管、开关管以及与储能电感之间形成反向均衡回路。当电池组内电池数量为奇数时，第（n+1）/2节电池可任意组成正向均衡回路或反向均衡回路。
在如图9所示的均衡单元电路原理图中，第一均衡单元包括快恢复二极管HD1，功率开关管HQ1和储能电感HL1；第二均衡单元包括快恢复二极管HD2，功率开关管HQ2和储能电感HL2，……第N均衡单元包括快恢复二极管HDn，功率开关管HQn和储能电感HLn。
当电池数量n为偶数时，上述的正向均衡回路连接方式为：快恢复二极管HD1的阴极与功率开关管HQ1的源极相连，电池BAT1的正极接功率开关管HQ1的漏极，电池BAT1的负极连接电感HL1之后并联至快恢复二极管HD1的阴极；同样的，快恢复二极管HD2的阴极与功率开关管HQ2的源极相连，电池BAT2的正极接功率开关管HQ2的漏极，电池BAT2的负极连接电感HL2之后并联至快恢复二极管HD2的阴极；……快恢复二极管HD（n/2）的阴极与功率开关管HQ（n/2）的源极相连，电池BAT（n/2）的正极接功率开关管HQ（n/2）的漏极，电池BAT（n/2）的负极连接电感HL（n/2）之后并联至快恢复二极管HD（n/2）的阴极。快恢复二极管HD1~HD（n/2）的阳极同时并联至电池BATn的负极。
上述的反向均衡回路连接方式为：快恢复二极管HD（n/2+1）的阳极与功率开关管HQ（n/2+1）的漏极相连，电池BAT（n/2+1）的负极接功率开关管HQ（n/2+1）的源极，电池BAT（n/2+1）的正极接电感HL（n/2+1）之后并联至快恢复二极管HD（n/2+1）的阳极；……快恢复二极管HDn的阳极与功率开关管HQn的漏极相连，电池BATn的负极接功率开关管HQn的源极，电池BATn的正极接电感HLn之后并联至快恢复二极管HDn的阳极；快恢复二极管HD（n/2+1）~恢复二极管HDn的阴极同时并联至电池BAT1的正极。功率开关管HQ1~HQn的栅极通过驱动芯片（如IR2110），与第二微处理器的信号输出端相连。
当电池数量n为奇数时，电池组中中间一节电池，即第（n+1）/2节电池，可按照上述的电路连接方式任意组成正向均衡回路或反向均衡回路。
均衡单元的工作原理：
当均衡单元中的功率开关管HQ1~HQn开通时，电池BAT1~BATn对相对应的储能电感HL1~HLn充电储能。储能电感HL1~HLn的电流线性上升；当功率开关管HQ1~HQn关断时，电感HL1~HLn将能量释放到其他单体电池中；电池BAT1~BAT（n/2）的储存能量通过相应的快恢复二极管HD1~HD（n/2）到下游电池中，电池BAT（n/2+1）~BATn的储存能量通过快恢复二极管HD（n/2+1）~HDn流到电池BAT1~BAT（n/2）中，各均衡单元的功率开关管的通断由第二微处理器输出的PWM进行控制，可实时调节能量转移的速度。
具体工作过程及工作原理如下：
系统上电后，电池组参数采集模块采集电池组内各电池单体的电流、电压、温度等参数并计算各单体当前的SOC值和SOH值，当检测到电池组充放电过程中的过流、过压、过温等异常时则通过预警模块进行实时预警，若检测到电池组充放电过程中电流、电压、温度等处于正常状态，则进行各单体SOC值的检测（SOH值的检测只在系统初始上电后进行一次计算），若检测各单体间的SOC值的绝对误差在5%以内，则单体均衡模块不动作；否则，单体均衡模块根据各单体SOC值按降序进行单体均衡模块各均衡单元的优先级从高到低进行均衡。
如若检测到各单体模块的SOC值按降序排列为第一电池＜第二电池……＜第N电池，则单体均衡模块各均衡单元的开启时序优先级为为第一均衡单元＞第二均衡单元……＞第N均衡单元。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种电池充放电管理系统，包括电池组内的多节电池，其特征在于：包括供电模块、电池组参数采集模块以及电池组单体均衡模块，供电模块与电池组参数采集模块相连并为其供电，电池组单体均衡模块同时与电池组内的各电池相连，电池组参数采集模块与电池组单体均衡模块相连。
2.根据权利要求1所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的电池组参数采集模块，包括：信息处理模块、电流采集模块、电压采集模块、温度采集模块以及数据存储模块，所述的电池组内的各电池同时与电压采集模块、电流采集模块以及温度采集模块相连，电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块同时与信息处理模块相连，信息处理模块与数据存储模块以及所述的电池组单体均衡模块相连。
3. 根据权利要求2所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的信息处理模块为型号是μPD78F0820A系列的单片机，第一微处理器U1的12脚、20脚、23脚、49脚和72脚接信号地，第一微处理器U1的13脚、19脚、24脚、48脚和71脚接供电模块+5V，第一微处理器U1的21脚和22脚为CAN通信引脚，第一微处理器U1的30脚为SYSV_AD端口，第一微处理器U1的31脚为Curr_AD1端口，第一微处理器U1的32脚为Curr_AD端口，第一微处理器U1的33脚为Temp_AD端口，第一微处理器U1的50脚为REST端口，第一微处理器U1的57脚~62脚依次为TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C端口，第一微处理器U1的65脚~70脚依次为MU1C、MU1B、MU1A、MU2C、MU2B、MU2A端口，第一微处理器U1的78脚~80脚依次为AD_DSCK、AD_DOUT、AD_CONV端口，第一微处理器U1的17脚和18脚之间串接晶振Y1，第一微处理器U1的17脚通过隔直滤波电容C1接信号地，第一微处理器U1的18脚通过隔直滤波电容C2接信号地，第一微处理器U1的50脚通过电解电容C3接信号地、通过电阻R1接供电模块+5V。
4. 根据权利要求2所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的电流采集模块包括型号为为ISO-U3P2O4的电源隔离模块U2、型号为HNC系列的霍尔电流传感器H1以及分流器SH1，电源隔离模块U2的1脚通过电位器R5接分流器SH1的电流输入端，同时电源隔离模块U2的1脚还通过下拉电阻R3接入电源地；电源隔离模块U2的2脚直连分流器SH1的电流输出端，同时电源隔离模块U2的2脚还通过下拉电阻R4接入电源地；电源隔离模块U2的1脚和2脚之间还并接有隔直滤波电容C5和电解电容C4；电源隔离模块U2的4脚接+12VO2电源；电源隔离模块U2的5脚接电源地；电源隔离模块U2的8脚接信号地；电源隔离模块U2的9脚与10脚之间串接电位器R2；电源隔离模块U2的8脚和11脚之间依次串接电解电容C7、隔直滤波电容C6和快恢复二极管D2；电源隔离模块的11脚接第一位处理器U1的Curr AD引脚；电源隔离模块U2的11脚通过快恢复二极管D1接所述供电模块的+5V接口端；霍尔电流传感器H1的1脚接供电模块的+12VO1接口、2脚接供电模块的-12VO1接口、3脚接第一位处理器U1的Curr AD1引脚、4脚接信号地。
5. 根据权利要求2所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的电压采集模块包括型号为LTC1864的AD转换芯片U3、运算放大器U4以及高速光耦U5~U7，AD转换芯片U3的1脚和8脚接供电模块的+5VO，AD转换芯片U3的1脚和8脚分别通过隔直滤波电容C9和C10接信号地，AD转换芯片U3的2脚接运算放大器U4的1脚，AD转换芯片U3的3脚接滤波电感L1的3脚，AD转换芯片U3的3脚与运算放大器U4的3脚之间并联电阻R7，AD转换芯片U3的4脚接电源地；
AD转换芯片U3的5脚接高速光耦U7的4脚，AD转换芯片U3的6脚通过电阻R12接三极管Q7的基极，AD转换芯片U3的7脚接高速光耦U5的4脚，运算放大器U4的1脚和2脚通过电阻R8连接，运算放大器U4的3脚通过电阻R6接滤波电感L1的4脚；高速光耦U5的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U5的2脚通过电阻R14与第一微处理器U1的AD_DSCK端口连接；高速光耦U5的3脚接电源地，高速光耦U5的4脚与5脚并联电阻R10，高速光耦U5的5脚接供电模块的+9VO；高速光耦U7的1脚接供电模块的+5V，高速光耦U7的2脚通过电阻R15接第一微处理器U1的AD_CONV端口，高速光耦U7的3脚接电源地，高速光耦U7的4脚和5脚之间并接电阻R11，高速光耦U7的5脚接供电模块的+9VO；高速光耦U6的1脚接供电模块的+9VO，高速光耦U6的2脚通过电阻R13接三极管Q7的集电极，高速光耦U6的3脚接电源地，高速光耦U6的4脚接第一微处理器U1的AD_DOUT端口，高速光耦U6的4脚和5脚之间串接电阻R16，高速光耦U6的5脚接供电模块的+5V，三极管Q7的发射极接电源地，三极管Q7的基极和发射极之间串接电阻R9。
6. 根据权利要求2所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的温度采集模块包括模拟电子开关芯片U8~U9、三极管Q1~Q6、电阻R17~R30、隔直滤波电容C12以及集线端子T1，模拟电子开关芯片U8的1脚接集线端子T1的4脚，模拟电子开关芯片U8的2脚接集线端子T1的5脚，模拟电子开关芯片U8的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口；模拟电子开关芯片U8的5脚接集线端子T1的6脚，模拟电子开关芯片U8的6脚、7脚和8脚接信号地，模拟电子开关芯片U8的9脚接三极管Q3的集电极，模拟电子开关芯片U8的10脚接三极管Q2的集电极，模拟电子开关芯片U8的11脚接三极管Q1的集电极，模拟电子开关芯片U8的12脚接集线端子T1的3脚，模拟电子开关芯片U8的14脚接集线端子T1的2脚，模拟电子开关芯片U8的15脚接集线端子T1的1脚，模拟电子开关芯片U8的16脚接供电模块的+5V；
模拟电子开关芯片U9的1脚接集线端子T1的10脚，模拟电子开关芯片U9的2脚接集线端子T1的11脚，模拟电子开关芯片U9的3脚通过电阻R18接信号地、通过电阻R17接第一微处理器U1的Temp_AD端口，模拟电子开关芯片U9的5脚接集线端子T1的12脚，模拟电子开关芯片U9的6脚、7脚和8脚接信号地；模拟电子开关芯片U9的9脚接三极管Q6的集电极，模拟电子开关芯片U9的10脚接三极管Q5的集电极，模拟电子开关芯片U9的11脚接三极管Q4的集电极，模拟电子开关芯片U9的12脚接集线端子T1的9脚，模拟电子开关芯片U9的14脚接集线端子T1的8脚，模拟电子开关芯片U9的15脚接集线端子T1的7脚，模拟电子开关芯片U9的16脚接供电模块的+5V，供电模块的+5V和信号地之间串接隔直滤波电容C12，三极管Q1~Q6的发射极都接供电模块的+5V，三极管Q1~Q6的集电极分别通过串接电阻R25~R30接信号地，三极管Q1~Q6的基极分别通过串接电阻R19~R24依次接第一微处理单元U1的TU1A、TU1B、TU1C、TU2A、TU2B、TU2C。
7. 根据权利要求1所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的供电模块包括：电压调节集成电路U10、正向低压降稳压器U11、基准电压芯片U12、运算放大器U13、电源隔离模块U14、U17、电源模块U15以及三端稳压芯片U16；电压调节集成电路U10的1脚通过电阻R32接运算放大器U13的3脚，电压调节集成电路U10的2脚接第一微处理器U1的REST端口，电压调节集成电路U10的3脚接电源地，电压调节集成电路U10的4脚通过隔直滤波电容C15接电源地，电压调节集成电路U10的5脚通过电解电容C14接电源地，电压调节集成电路U10的2脚和5脚之间串接电阻R31，电压调节集成电路U10的5脚接正向低压降稳压器U11的3脚，正向低压降稳压器U11的3脚通过隔直滤波电容C16接电源地，正向低压降稳压器U11的1脚接电源地，正向低压降稳压器U11的2脚和4脚相连输出+3.3V并通过隔直滤波电容C17与电源地隔离；
基准电压芯片U12的6脚输出+5VO，基准电压芯片U12的4脚接电源地，基准电压芯片U12的2脚通过隔直滤波电容C19与电源地隔离，运算放大器U13的1脚接第一微处理器U1的SYSV_AD端口，运算放大器U13的1脚和2脚通过电阻R34连接，运算放大器U13的3脚通过电阻R33接信号地、通过电阻R32和电解电容C13接电源地；电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的2脚接电源地，电源隔离模块U14、U17和电源模块U15的1脚均接快恢复二极管D3的阴极，电源隔离模块U14和U17的3脚均接电源地，电源隔离模块U14的4脚接三端稳压芯片U16的1脚，电源隔离模块U17的4脚输出+12VO2，电源模块U15的7脚输出+12VO1，电源模块U15的9脚输出-12VO1，电源模块U15的10脚接信号地，电源模块U15的7脚和10脚之间并接电解电容C22，电源模块U15的9脚和10脚之间并接电解电容C20，三端稳压芯片U16的1脚和2脚之间串接电解电容C18，三端稳压芯片U16的2脚接电源地，三端稳压芯片U16的3脚输出+9VO，三端稳压芯片U16的2脚和3脚之间串接电解电容C21，快恢复二极管D3的输入端接系统电源输入正极，系统电源输入正负极之间并接齐纳二极管D4。
8. 根据权利要求1或2所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的电池组单体均衡模块包括第二微处理器以及与电池组内的电池数量一一对应的多个均衡单元，第二微处理器同时与所有均衡单元相连，所述的电池组参数采集模块与第二微处理器相连；
所述的均衡单元包括与电池组内单节电池连接形成正向均衡回路或负向均衡回路的一个快恢复二极管、一个开关管以及与一个储能电感。
9. 根据权利要求8所述的电池充放电管理系统，其特征在于：所述的正向均衡回路连接方式为：快恢复二极管的阴极对应与功率开关的源极相连，电池的正极对应连接功率开关管的漏极，电池的负极对应连接电感之后并联至快恢复二极管的阴极；
所述的反向均衡回路连接方式为：快恢复二极管的阳极对应与功率开关管的漏极相连，电池的负极对应连接功率开关管的源极，电池的正极接电感之后并联至快恢复二极管的阳极；
正向均衡回路中的快恢复二极管的阳极同时并联至整个电池组的负极，负向均衡回路中的快恢复二极管的阴极同时并联至整个电池组的正极，功率开关管的栅极通与第二微处理器的信号输出端相连。
10. 根据权利要求1所述的电池充放电管理系统，其特征在于：还设置有与所述的电池组参数采集模块的输出端相连的预警模块以及通信模块，通信模块的输出端同时连接预警模块以及一外部平台，所述的电池组单体均衡模块的输出端同时与预警模块相连。
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