CN104836306A - 一种电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能源管理领域一种电池管理系统，用于对电池组中的各个锂电池在充电过程中的电量进行控制，所述包括单片机、温度测量电路、电池电压采样电路、均衡放电电路、充电控制电路和液晶显示电路；所述温度测量电路、所述充电控制电路和所述液晶显示电路同时连接所述单片机；所述电池电压采样电路连接所述单片机和所述电池组中的各个锂电池；所述均衡放电电路连接所述电池组中的各个锂电池和所述电池电压采样电路。其技术效果是：能够保证电池管理系统对电池组中各个锂进行充电管理，保证电池组在充电过程中的安全性。

Description

一种电池管理系统

技术领域

本发明涉及能源管理领域的一种电池管理系统。

背景技术

能源危机和环境污染已然成为影响社会发展的两大难题，当今世界各国都在致力于解决这两大难题。在世界各国人民不断呼吁“低碳生活”的背景下，新能源开始占据着越来越重要的地位，锂电池作为新能源的一部分，得到了空前的发展。尤其是近年来电动汽车的发展，更将锂电池的应用推向一个新的高潮。政府和企业不断加大对电动汽车产业的投入，迫切希望提升我国电动汽车的自主研发能力，而电池管理系统正是制约其发展的关键因素。

由于功率和电压的限制，锂电池在大多数应用场合都需要串联使用，然而锂电池在容量、内阻、自放电率上的不同很容易造成电池之间容量的差异，又因为“木桶效应”的存在，整个电池组的有效容量就会取决于最小容量的单体电池。除此之外，确保锂电池在使用过程中的安全性也同样极具挑战。因此，为电池组配备电池管理系统以确保电池组高效、安全的使用就变得至关重要了。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种电源管理系统，能够保证电池管理系统对电池组中各个锂电池进行充电管理，保证电池组在充电过程中的安全性。

实现上述目的的一种技术方案是：一种电池管理系统，用于对电池组中的各个锂电池在充电过程中的电量进行控制，所述包括单片机、温度测量电路、电池电压采样电路、均衡放电电路、充电控制电路和液晶显示电路；

所述温度测量电路、所述充电控制电路和所述液晶显示电路同时连接所述单片机；

所述电池电压采样电路连接所述单片机和所述电池组中的各个锂电池；

所述均衡放电电路连接所述电池组中的各个锂电池和所述电池电压采样电路。

进一步的，所述电池电压采样电路包括采样单片机，所述采样单片机连接所述单片机，所述采样单片机与所述电池组中每节锂电池的正极之间连接有一个采样电阻，所述采样单片机与所述电池组中第一节锂电池的负极之间也设有采样电阻，任意两个相邻的所述采样电阻之间连接有采样电容，使所述电池组中任意一节锂电池都与两个所述采样电阻和一个所述采样电容构成一个采样回路。

再进一步的，所述均衡放电电路包括并联在所述电池组中每个锂电池上的一个散热通路。每个所述述散热通路是由依次串联的散热电阻和MOS开关组成的，每个所述MOS开关通过一个控制电阻连接所述采样单片机。

进一步的，所述充电控制电路包括一个充电单片机，所述充电单片机，使所述充电控制电路分别与所述单片机和所述电池组连接。

进一步的，所述温度控制电路DALLAS公司生产的单线数字式集成型的DS18B20温度传感器。

进一步的，所述液晶显示电路包括液晶显示芯片，所述液晶显示芯片采用的是东芝的DWT48270LCD液晶显示芯片。

进一步的，所述一种电池管理系统还包括一个电流采样电路，所述电流采样电路位于所述电池组和负载构成的回路中。

进一步的，所述单片机上还连接有晶振电路、复位电路和保护电路

采用了本发明的一种电池管理系统的技术方案，用于对电池组中的各个锂电池在充电过程中的电量进行控制，所述包括单片机、温度测量电路、电池电压采样电路、均衡放电电路、充电控制电路和液晶显示电路；所述温度测量电路、所述充电控制电路和所述液晶显示电路同时连接所述单片机；所述电池电压采样电路连接所述单片机和所述电池组中的各个锂电池；所述均衡放电电路连接所述电池组中的各个锂电池和所述电池电压采样电路。其技术效果是：能够保证电池管理系统对电池组中各个锂进行充电管理，保证电池组在充电过程中的安全性。

附图说明

图1为本发明的一种电池管理系统的结构示意图。

图2为本发明的一种电池管理系统的单片机的示意图。

图3为本发明的一种电池管理系统的温度测量电路的示意图。

图4为本发明的一种电池管理系统的电池电压采样电路的示意图。

图5为本发明的一种电池管理系统的均衡放电电路的示意图。

图6为本发明的一种电池管理系统的充电控制电路的示意图。

图7为本发明的一种电池管理系统的液晶显示电路的示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

本实施例中的电池组包括六个依次串联的锂电池100。

请参阅图1，本发明的一种电池管理系统主控电路主要包括单片机1、温度测量电路2、电池电压采样电路3、均衡放电电路4、充电控制电路5、电流采样电路6、液晶显示电路7。

单片机1选用了宏晶科技的STC12C5620AD型单片机。STC12C5620AD型单片机的单时钟工作模式大大提高了电池管理系统的运行速度，STC12C5620AD型单片机的丰富的外围接口以及极低的成本使得电池管理系统的成本大大降低。同时，单片机1还具有将从其A/D接口输入的电压信号转换成电流信号的能力。

单片机1上的接口包括RST1接口、RX1接口、TX1接口、XTAL2接口、XTAL1接口、DQ1接口、GND1接口、VCC1接口、PD1接口、CS1接口、SCLK1接口、SDI1接口、CNVST1接口、SDO1接口、ALERT1接口和CC1接口。其中VCC1接口连接+5V电源端。

温度测量电路2选用了DALLAS公司生产的单线数字式集成型的DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器具有体积小、硬件成本低、抗干扰能力强、精度高等特点。温度测量电路2上设有接地的GND2接口、接+5V电源端的VCC2接口，以及DQ2接口。温度测量电路2的DQ2接口连接单片机1的DQ1接口。同时，单片机1的DQ1接口与+5V电源端之间还连接有电阻值为10kΩ的电阻。

电池电压采样电路3包括采样单片机31，采样单片机31上设有依次设置的VIN0接口、CB1接口，VIN1接口、CB2接口，VIN2接口、CB3接口，VIN3接口、CB4接口，VIN4接口、CB5接口，VIN5接口、CB6接口和VIN6接口。VIN0接口和VIN1接口之间，VIN1接口和VIN2接口之间，VIN2接口和VIN3接口之间，VIN3接口和VIN4接口之间，VIN4接口和VIN5接口之间，VIN5接口和VIN6接口之间分别设有一个采样电容33。同时VIN1～VIN6接口与电池组中对应的锂电池100的正极之间通过一个采样电阻32连接，VIN0接口与电池组中第一节锂电池100的负极之间也连接有一个采样电阻32。因此电池组中的每个锂电池100的电压都是通过一个采样电容33和两个的采样电阻32进行采样的。采样电阻32的阻值均为10kΩ。电池组中任意一节锂电池100都与两个采样电阻32和一个采样电容33构成一个采样回路。采样单片机31选用了亚诺德公司的AD7280A单片机。

同时，采样单片机31上还设有VDD3接口、MASTER3接口、PDhi接口、Cshi接口、SCLKhi接口、SDOhi接口、CNVSThi接口、SDIhi接口，ALERThi接口、SDO3接口和ALERT3接口。其中VDD3接口与电池组中最末一节锂电池100的正极之间连接有一个电感L3。电池组中最末一节锂电池100的正极与接地端之间连接有电容C14，同时VDD3接口与接地端之间设有电容C20、极性电容E11以及一个击穿电压为30V的击穿二极管Z1，击穿二极管Z1的正极接地，负极连接VDD3接口。极性电容E1的负极接地，正极连接VDD3接口。PDhi接口、Cshi接口、SCLKhi接口、SDOhi接口和CNVSThi接口与VDD3接口短接。SDIhi1接口，ALERThi1接口与VDD3接口之间均连接有阻值为1kΩ的电阻，Master3接口与VDD1接口之间连接有阻值为10kΩ的电阻。

采样单片机31上还设有AUX1～AUX6接口，以及AUXterm接口，AUX1～AUX6，以及AUXterm接口分别通过一个电阻RM接地。采样单片机31上还设有AVCC接口、Vdrive接口、DVCC3接口、VREG3接口和DGND3接口。AVCC接口、Vdrive接口、DVCC3接口、VREG3接口短接，AVCC接口和DVCC3分别通过一个电容接地，DGND3接口直接接地。

采样单片机31上还设有接地的VSS3接口、分别通过一个电容接地的VREF3接口和CREF3接口、分别通过一个电阻接地的SDOIo3接口和ALERTIo3接口。同时接地的AGND3接口和REFGND3接口，以及PD3接口、CS3接口、SCLK3接口、SDI3接口和CNVST3接口，PD3接口、CS3接口、SCLK3接口、SDI3接口、CNVST3接口、SDO3接口以及ALERT3接口，与单片机1上的PD1接口、CS1接口、SCLK1接口、SDI1接口、CNVST1接口、SDO1接口、ALERT1接口对应连接。

均衡放电电路4，包括并联在每个锂电池100上的一个散热通路。每个散热通路是由依次串联的散热电阻41和MOS开关42组成的，其中，散热电阻41连接在锂电池100的正极，MOS开关42连接在锂电池100的负极。采样单片机31上的CB1～CB6接口与六个散热通路一一对应，且CB1～CB6接口均通过一个控制电阻43与对应MOS开关42的栅极连接。采样单片机31根据对锂电池100的采样结果，控制MOS开关42的通断。

充电控制电路5，锂电池充电一般分为三个阶段：预充电阶段、恒流充电阶段和恒压充电阶段，预充电主要针对深度放电的锂电池，以小电流充电来修复深度放电的电池，当锂电池电压上升到一定的值后，便可进入恒流充电，锂电池的电能补充大部分是在恒流充电阶段完成的，此时锂电池端电压不断上升，最后进入恒压充电，维持锂电池端电压不变，充电电流开始下降，直到下降到设定的阈值，锂电池的电能就补充完成。

本系统选用的充电单片机51为德州仪器推出的同步开关模式电池充电控制器BQ24650,除了包含上述基本功能外，它还拥有温度控制功能，由于锂电池充电的温度范围是0-45℃，当不满足这一条件时，它能自动暂停充电，直到温度重新回到合理范围内，再次开启充电。

充电控制电路5，包括充电单片机51。充电单片机51上设有MPPSET5接口、TERM_EN接口、VREF5接口，TS5接口、STAT1接口、STAT2接口、PAD5接口、HIDRV接口、REGN5接口、BTST5接口、PH5接口、LODRV接口、GND5接口、SRP5接口、VFB5接口和VCC5接口。其中，PAD5接口同时接接地端和等电势端。STAT1接口通过一个阻值为20kΩ的电阻和一个发光二极管连接充电控制电路5的输入端，STAT2接口通过一个阻值为20kΩ的电阻和一个发光二极管连接充电控制电路5的输入端，两个所述的发光二极管一红一绿，且不能同时打开，用于显示电池组的充电状态。TS5接口通过相互并联的一个阻值为20kΩ的电阻和一个可调电阻连接等电势端，VREF5接口和TS5接口之间连接有一个电阻，VREF5接口通过一个电容值为1μF的电容连接等电势端。TERM_EN接口与VREF5接口短接。同时充电控制电路5的输入端与接地端之间通过依次串联的第一隧道效应二极管52、第一MOS管53和第二MOS管54连接。其中第一隧道效应二极管的正极连接充电控制电路5的输入端，负极连接第一MOS管53的漏极，第一MOS管53的源极连接第二MOS管连接54的漏极，第二MOS管的源极接地。MPPSET5接口与第一隧道效应二极管51的负极之间连接有阻值为100kΩ的电阻，第一隧道效应二极管51的负极与接地端之间设有依次串联的电阻R1和电容C1。MPPSET5接口与等电势端之间连接有阻值为30kΩ的电阻。VCC5接口通过一个电阻R4连接第一隧道效应二极管51的负极，通过一个容量为51μF的电容连接等电势端。第一隧道效应二极管51的负极还通过一个电容值为47μF，击穿电压为35V的极性电容E1接地。极性电容E1的正极接第一隧道效应二极管51的负极，负极接地。HIDRV接口和LODRV接口对应连接第一MOS管53的栅极和二MOS管连接54的栅极。REGN5接口和BTST5接口之间连接有第二隧道效应二极管55，第二隧道效应二极管55的正极连接REGN5接口，负极连接BTST5接口。REGN5接口与等电势端之间通过一个电容值为1μF的电容相连。BTST5接口与PH5接口之间通过一个电容相连。PH5接口与SRP5接口之间通过一个电感量为10μH的电感相连。SRP5接口与SPN5接口之间通过相互并联设置的电容C6和电阻R10相连，其中SRN5接口与接地端之间设有两个极性电容和一个电容C8。VFB5接口通过并联设置的一个电容和一个电阻R14接地。SRN5接口和VFB5接口之间通过相互串联设置的电阻R12和电阻R13连接。SRN5接口和VFB5接口之间还通过电容值为22pF的电容连接。SRN5接口连接充电控制电路5的输出端。充电控制电路5输出接口为SRN5接口。充电控制电路5的输入接口连接单片机1的CC1接口，输出接口连接电池组中最末一节锂电池100的正极。

电流采样电路6位于所述电池组与负载构成的回路中。

液晶显示电路7包括液晶显示芯片71，液晶显示芯片71上设有1#～10#接口，其中1#～3#接口接地，8#～10#接口接+5V电源端。6#接口接单片机1的TX1接口，5#接口连接单片机1的RX1接口。本实施例中，液晶显示芯片71采用的是东芝的DWT48270LCD液晶显示芯片，其硬件连接简单、控制方便、显示效果丰富。

本发明的一种电池管理系统还包括晶振电路11、复位电路12和保护电路13。

晶振电路11包括并联在单片机1的XTAL2接口、XTAL1之间的晶振Y1。晶振CY1的两端对应通过电容CY1和电容CY2接地。晶振Y1的频率为32MHz。电容CY1和电容CY2的容量为15pF。

复位电路12包括复位电阻RN1和复位电容CN1。复位电阻RN1连接单片机1的RST1接口和接地端，复位电容CN1连接单片机1的RST1接口和+5V电源端。复位电阻RN1的阻值为10kΩ。

保护电路13连接在单片机1的VCC1接口上，包括连接在+5V电源端和接地端之间并联的一个电容和一个极性电容，该极性电容的正极连接+5V电源端，负极连接接地端。

本发明的一种电池管理系统主控电路，能够保证电池管理系统对电池组中各个锂进行充电管理，保证电池组在充电过程中的安全性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种电池管理系统，用于对电池组中的各个锂电池在充电过程中的电量进行控制，所述包括单片机、温度测量电路、电池电压采样电路、均衡放电电路、充电控制电路和液晶显示电路；其特征在于：

所述温度测量电路、所述充电控制电路和所述液晶显示电路同时连接所述单片机；

所述电池电压采样电路连接所述单片机和所述电池组中的各个锂电池；

所述均衡放电电路连接所述电池组中的各个锂电池和所述电池电压采样电路。

2.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述电池电压采样电路包括采样单片机，所述采样单片机连接所述单片机，所述采样单片机与所述电池组中每节锂电池的正极之间连接有一个采样电阻，所述采样单片机与所述电池组中第一节锂电池的负极之间也设有采样电阻，任意两个相邻的所述采样电阻之间连接有采样电容，使所述电池组中任意一节锂电池都与两个所述采样电阻和一个所述采样电容构成一个采样回路。

3.根据权利要求2所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述均衡放电电路包括并联在所述电池组中每个锂电池上的一个散热通路。每个所述述散热通路是由依次串联的散热电阻和MOS开关组成的，每个所述MOS开关通过一个控制电阻连接所述采样单片机。

4.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述充电控制电路包括一个充电单片机，所述充电单片机，使所述充电控制电路分别与所述单片机和所述电池组连接。

5.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述温度控制电路DALLAS公司生产的单线数字式集成型的DS18B20温度传感器。

6.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述液晶显示电路包括液晶显示芯片，所述液晶显示芯片采用的是东芝的DWT48270LCD液晶显示芯片。

7.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：其还包括一个电流采样电路，所述电流采样电路位于所述电池组和负载构成的回路中。

8.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述单片机上还连接有晶振电路、复位电路和保护电路。