CN104852435B - 一种电动汽车用串联锂电池管理系统及其管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电动汽车用串联锂电池管理系统及其管理方法，管理系统包括主控制器模块、电池组控制模块、电池电压检测模块、电池电流检测模块、数据存贮模块、温控模块、显示模块、报警模块、电源模块和电源控制模块。本系统及其管理方法够实现整个锂电池系统的电压、电流采集、电池温度控制；每个电池组控制模块具有单体电池电压和温度采集、均衡充放电控制功能，系统能识别电池包中其它电池压差过大的电池并通过充放电控制电路实现单体电池容量的一致性，避免单体电池过充或欠充，达到锂电池组均衡充放电，根据电压、充放电流、温度参数的历史值估算单体电池的使用寿命以及与电池包的匹配程度，确保锂电池系统长效、安全地运行。

Description

一种电动汽车用串联锂电池管理系统及其管理方法

技术领域

本发明涉及一种锂电池电源管理技术领域，特别涉及一种电动汽车用串联锂电池管理系统及其管理方法。

背景技术

单体电池串联使用能够提高电池组的输出电压，并联使用能够获得更大的电池容量。在电动汽车用动力电池组中，提高电池组输出电压能够提升系统效率，从而降低电动汽车的总成本。因为单体电池的电压低并且容量有限，因此，通过采用若干单体电池串并联从而得到高电压大容量电池组的方法在汽车用动力电池中普遍采用。单体电池的状态好坏和寿命长短影响整车能的优劣。在电动汽车的动力电池使用过程中，单体电池不均衡是影响电池组工作的重要因素，因此对电池组进行均衡控制是十分必要的。

中国专利101814754A公开一种锂电池组电源管理系统，采用两路控制模式，对充电管和放电场管进行控制，能够增加系统的稳定性和控制精度。

中国专利201110421975.8公开了一种锂电池充电电源管理方法和系统，可根据输入电源上电时检测的锂电池电压确定是否充电，当充电超出电池额定电压的10％时停止充电，并提供一种充电系统，可以避免因锂电池被频繁充电和长期处于满容量状态而影响电池的寿命。

中国专利201110335313.9公开一种电动汽车锂电池组管理系统，也是采用主控单元加底层控制单元的形式，其专利内容更倾向于对单体电池的检测电路设计和均衡充电控制。

在已有的电池管理系统中，大多的发明是针对于单体电池的电压、电流检测技术和整个电池组的均衡充放电技术。缺少对电池寿命的估计和预测的研究；缺少对为电池管理系统各部分供电电源的控制研究；缺少对整个电池组中所有单体电池的匹配程度的研究。

本发明的目的是为填补上述现有技术的空白，提供一种电动汽车用串联锂电池管理系统及其管理方法。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是电动车用串联锂电池管理系统，即：提供一种主从结构皆基于飞思卡尔单片机的控制系统，能够在对单体电池电压、电流、温度精确测量的基础上实现对单体电池容量的较精确估计，从而实现电池的均衡充放电控制；在基于硬件精确测量的基础上，软件系统能够计算整个电池组中单体电池的匹配程度并估计电池的使用寿命。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电动汽车用串联锂电池管理系统，包括主控制器模块、8个电池组控制模块、电池电压检测模块、电池电流检测模块、温控模块、显示模块、报警模块、电源模块和电源控制模块。

所述的电动汽车用串联锂电池管理系统适用对象的最大范围是88节单体锂电池串联组成的电池系统，其中88节单体锂电池组成8个锂电池组，每个锂电池组由11节单体电池串联组成。

进一步地，所述的主控制器模块带有CAN接口，与8个电池组控制模块通过功能CAN通信引脚相互连接，实现多个控制器的数据交换。

进一步地，所述的主控制器模块与显示模块通过功能引脚相互连接，在电动车运行状态和电池系统充放电状态下，可以将整个电池系统的荷电状态及每个单体电池的充电状态显示在屏幕上，用户可以通过屏幕查询电池的匹配程度和电池的使用寿命情况。

进一步地，所述的主控制器模块的PTD引脚与温控模块的功能引脚相互连接，实时启动风冷装置，实现控制电池在充放电过程中因发热导致温度过高而出现的危险情况。

进一步地，所述的主控制器模块与报警模块通过功能引脚相互连接，实现在短路、电池寿命极限和电池充放电时出现的特殊情况的报警功能，本发明中采用声光报警的形式。

进一步地，所述的主控制器模块与电源模块通过功能引脚相互连接，实现为主控制器模块及其他附属电路供电的功能，供电电源由电池组或车带蓄电池提供，具体切换和控制方式由电源控制模块实现。

进一步地，所述的主控制器模块与电源控制模块通过功能引脚相互连接，电源控制模块通过切换电路实现在电池组和车带蓄电池之间的选择功能，并通过逻辑电路实现在停车状态下对主控制器模块的不间断唤醒功能。

进一步地，所述的电源控制模块通过继电器开关与电源模块通过引脚相互连接，实现对电源模块的切换和开关功能。

进一步地，所述的每个电池组控制模块包括电池组控制器、切换模块、充放电模块、单体电池温度检测模块、单体电池电压检测模块、电池组电流检测模块和通信模块。

进一步地，所述的电池组控制器与切换模块通过功能引脚相互连接，通过继电器矩阵和光耦实现对单个电池的充放电选择功能。

进一步地，所述的电池组控制器与采样模块通过功能引脚相互连接，采样模块分别与单体电池温度检测模块、单体电池电压检测模块和电池组电流检测模块电连接，采样模块对单体电池温度、电压、电池组充放电电流检测采样，为估算电池容量提供可靠的数据基础，确保电池充放电过程安全、准确。

进一步地，所述的电池组控制器与充放电模块通过引脚相互连接，实现在对单体电池充放电过程中的开关功能。

进一步地，所述的电池组控制器与通信模块通过引脚相互连接，完成与主控制器模块的CAN总线通信功能。

进一步地，所述的切换模块、单体电池电压检测模块和充放电模块分别与本组的每个单体电池的正负极通过导线相互连接。

进一步地，所述的电源控制模块由电源切换模块、逻辑电路、12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2、12-5C/DC模块1、12-5DC/DC模块2、12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4组成。

进一步地，所述的电源切换模块分别与车载蓄电池、电池包及12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2、12-5C/DC模块1、12-5DC/DC模块2相连接，并在主控制器模块控制信号CRL1的作用下为各电池组控制模块各产生两类12V和5V的电压。

进一步地，所述的12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4与车载蓄电池通过导线相接，并在逻辑电路产生的控制信号作用下为主控制器模块产生两类5V的电压。

进一步地，所述逻辑电路在主控制器模块控制信号CRL2、CRL3和CRL4的作用下，产生逻辑控制信号CRL5、CRL6、CRL7和CRL8，其中CRL5、CRL6分别用于主控制器模块和与其相连的数据存贮模块的唤醒功能，CRL7和CRL8分别用于两类5V电压的逻辑控制。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明提出的电动汽车用串联锂电池管理系统总体结构框图。

图2为本发明提出的电池组控制模块的结构框图。

图3为本发明提出的电源控制模块的结构框图。

图4为本发明提出的电池管理系统的主体流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为电动汽车用串联锂电池管理系统总体结构框图，它包括主控制器模块、8个电池组控制模块、电池电压检测模块、电池电流检测模块、数据存贮模块、温控模块、显示模块、报警模块、电源模块和电源控制模块。

当电动汽车车点火后，主控制器模块通过电源控制模块切换至电池包并打开电源模块给各电池组控制模块供电；通过电池电压检测模块和电池电流检测模块按照一定的采样周期采集整个电池包的电压值和放电电流，如果电池包电压降至额定电压以下，则通过报警模块发出声光报警，同时在显示模块的LCD屏幕上显示相关的信息；同时，主控制器模块通过CAN总线和8个电池组控制模块进行实时通信，接收每个单体电池的端电压、放电电流、温度信号，并将所有接收的数据存贮在数据存贮模块中，实时进行SOC估算，为电池均衡充放电模块提供控制基础，同时主控制器根据这三类历史数据进行电池匹配度分析和电池使用寿命估算；当通过CAN总线接收的各单体电池温度值超过设定值时，主控制器模块将触发温控模块启动风冷设备；如果通过CAN总线接收的各单体电池的电压或放电电流值出现异常，则通过报警模块发出声光报警，并LCD屏幕上显示相关信息，所有的异常信息代码将保存在数据存贮模块模块中。

当电动汽车熄火后，主控制器模块根据存贮的历史数据确定是否需要给容量少于设定值的单体电池充电。如果需要充电，则通过电源控制模块切换至车载蓄电池以给各电池组控制模块供电并进行小范围的均衡充电，并存贮电压、电流、充电时间等信息；如果不需均衡充电，则切断各电池组控制模块电源，主控制器模块进入定时唤醒模式。

图2为电池组控制模块结构框图，它包括电池组控制器、采样模块、切换模块、充放电模块、单体电池温度检测模块、单体电池电压检测模块、电池组电流检测模块和通信模块。

主控制器模块给电池组控制模块上电，系统初始化后，通过单体电池温度检测、单体电池电压检测模块、电池组电流检测模块实时测量11个单体电池的温度、电压、充放电电流值，电池组控制器然后通过采样模块分时采集所述的测量值，并通过通信模块以CAN总线形式发送给主控制器模块；电池组控制器收到主控制器模块的充放电指令后，通过控制切换模块中的继电器矩阵选择需要充放电的单体电池，并开启充放电模块功能为单体电池进行均衡充放电。

图3为电源控制模块的结构框图，包括电源切换模块、逻辑电路、12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2、12-5C/DC模块1、12-5DC/DC模块2、12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4。

电池管理系统电源来自于车载蓄电池或电池包，电源控制模块实现为主控制器模块和各电池组控制模块选择或开关电源的功能。在电动汽车点火后，主控制器模块通过控制信号CRL1触发电源切换模块，选择电池包电源并为各电池组控制模块提供12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2、12-5C/DC模块1、12-5DC/DC模块2四种电源，其中12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2分别为采样模块和继电器提供电源，12-5C/DC模块1、12-5DC/DC模块分别为电池组控制模块提供5V的参考电压和工作电压；在电动汽车熄火后如果不需要对各部分单体电池均衡充电，则主控制器模块通过CRL1关闭各电池组控制模块的电源，如果需要进行均衡充电，则电源切换模块选择蓄电池为各电池组控制模块提供电源；车载蓄电池始终为主控制器模块提供两类5V电源12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4；在电动汽车熄火后并且单体电池不需要均衡充放电情况下，主控制器模块进入定时唤醒模式，逻辑电路在主控制器模块控制信号CRL2、CRL3和CRL4的作用下，产生逻辑控制信号CRL5、CRL6、CRL7和CRL8，其中CRL5、CRL6分别用于主控制器模块和与其相连的数据存贮模块的唤醒功能，CRL7和CRL8分别用于两类5V电压的逻辑控制。

图4为本发明提出的电池管理系统的管理过程的流程图，包括如下步骤：

S1：系统上电后进行初始化；

S2：首先判断电池是否进入充电状态，如果开始充电，则执行S3，如果不是充电状态，则执行S4；

S3：开始记录所有单体电池的充电时间、充电电流、电池两端的电压并累加电池的充电次数及总的充电时间，同时将数据提供给S12；

S4：判断电池是否进入放电状态，如果开始放电，则执行S5，如果不是放电状态，则返回到S2；

S5：开始记录所有单体电池的放电时间、放电电流、电池两端的电压并累加电池的放电次数及总的放电时间,同时将数据提供给S12；

S6：调用电池容量估算子程序，对每个电池的荷电状态SOC_i进行估算；

S7：计算所有电池的平均容量和每个电池与平均容量的差值同时将数据提供给S12；

S8：找出并记录所有电池中最大的5个容量差值Δ_i；

S9：用最新的5个容量差值Δ_i与历史记录中的5个最大差值进行比较；

S10：通过比较，判断同一个电池在连续5次电池充放电中其容量差值是否都属于5个最大差值，如果是，则进入S11，同时将数据提供给S12；如果不是，则返回到S8；

S11：调用电池匹配程度子程序，计算所用电池的匹配度，找出不匹配的单体电池；

S12：调用电池寿命估算子程序，预测电池的使用寿命；

S13：调用显示子程序，在LCD屏幕上显示匹配结果或电池寿命估算结果。

综上所述，本发明实施例的电动汽车用串联锂电池管理系统，其主从结构皆为基于飞思卡尔单片机的控制系统，在对单体电池电压、电流、温度精确测量的基础上实现对单体电池容量的较精确估计，能够实现电池的均衡充放电控制；在基于硬件精确测量的基础上，软件系统能够计算整个电池组中单体电池的匹配程度并估算电池的使用寿命。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电动汽车用串联锂电池管理系统，包括主控制器模块，其特征在于：

所述锂电池管理系统还设有与主控制器模块电连接的多个电池组控制模块、电池电压检测模块、电池电流检测模块、数据存贮模块、温控模块、显示模块、报警模块、电源模块和电源控制模块；

主控制器模块分别通过电池电压检测模块和电池电流检测模块连接电池组，主控制器模块通过电池电压检测模块和电池电流检测模块按照设定的采样周期采集整个电池组的电压值和放电电流；

主控制器模块与多个电池组控制模块通过功能CAN通信引脚相互连接，主控制器模块通过CAN总线和多个电池组控制模块进行实时通信，接收每个单体电池的端电压、充放电电流、温度信号，并将所有接收的数据存贮在数据存贮模块中，实时进行SOC估算，为电池均衡充放电模块提供控制基础，同时主控制器模块根据这三类历史数据进行电池匹配度分析和电池使用寿命估算；

主控制器模块与显示模块通过功能引脚相互连接，在电动汽车运行状态和电池系统充电状态下，将电池的相关信息显示在LCD显示模块上；主控制器模块与温控模块通过功能引脚相互连接，避免电池在充放电过程中因发热而导致温度过高的情况发生；主控制器模块与报警模块通过功能引脚相互连接，实现在短路或电池寿命极限时的报警功能；主控制器模块与电源模块通过功能引脚相互连接，实现为主控制器模块、多个电池组控制模块及其他附属电路供电的功能；主控制器模块与电源控制模块通过功能引脚相互连接，电源控制模块再与电源模块通过功能引脚相互连接，电源模块由电池组或车载蓄电池提供，具体切换和控制方式由电源控制模块实现；电源控制模块通过切换电路实现在电池组和车载蓄电池之间的选择功能，并通过逻辑电路实现在停车状态下对主控制器模块的不间断唤醒功能；

电池组由相同数量的单体电池串联组成，电池组相互串联连接组成电池包作为电动汽车用电源；

电源控制模块由电源切换模块、逻辑电路、12-12DC/DC模块、12-5DC/DC模块组成；

12-12DC/DC模块由12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2组成；

12-5DC/DC模块由12-5DC/DC模块1、12-5DC/DC模块2、12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4组成；

电源切换模块分别与车载蓄电池、电池包及12-12DC/DC模块1、12-12DC/DC模块2、12-5DC/DC模块1、12-5DC/DC模块2相连接，并在主控制器模块控制信号CRL1的作用下为各电池组控制模块各产生两类12V和5V的电压；12-5DC/DC模块3、12-5DC/DC模块4与车载蓄电池通过导线相接，并在逻辑电路产生的控制信号作用下为主控制器模块产生两类5V的电压；逻辑电路在主控制器模块控制信号CRL2、CRL3和CRL4的作用下，产生逻辑控制信号CRL5、CRL6、CRL7和CRL8，其中CRL5、CRL6分别用于主控制器模块和与其相连的数据存贮模块的唤醒功能，CRL7和CRL8分别用于两类5V电压的逻辑控制。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车用串联锂电池管理系统，其特征在于：所述的多个电池组控制模块中的每一个电池组控制模块均由电池组控制器、采样模块、切换模块、充放电模块、单体电池温度检测模块、单体电池电压检测模块、电池组电流检测模块、通信模块和供电模块组成。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车用串联锂电池管理系统，其特征在于：所述的电池组控制器与采样模块通过功能引脚相互连接，采样模块分别与单体电池温度检测模块、单体电池电压检测模块和电池组电流检测模块电连接，采样模块对单体电池温度、电压、电池组充放电电流检测采样；电池组控制器与供电模块通过引脚相互连接，为电池组控制器提供电源；电池组控制器与充放电模块通过引脚相互连接，对单体电池充放电过程进行控制功能；电池组控制器与通信模块通过引脚相互连接，多个电池组控制模块与主控制器模块通过CAN总线交换数据。

4.根据权利要求2所述的一种电动汽车用串联锂电池管理系统，其特征在于：所述的切换模块、单体电池电压检测模块和充放电模块分别与本组的每个单体电池的正负极通过导线相互连接。

5.一种基于权利要求1所述的电动汽车用串联锂电池管理系统的管理方法，其特征在于包含以下步骤：

S1：系统上电后进行初始化；

S2：首先判断电池是否进入充电状态，如果开始充电，则执行S3，如果不是充电状态，则执行S4；

S3：开始记录所有单体电池的充电时间、充电电流、电池两端的电压并累加电池的充电次数及总的充电时间，同时将数据提供给S12；

S4：判断电池是否进入放电状态，如果开始放电，则执行S5，如果不是放电状态，则返回到S2；

S5：开始记录所有单体电池的放电时间、放电电流、电池两端的电压并累加电池的放电次数及总的放电时间,同时将数据提供给S12；

S6：调用电池容量估算子程序，对每个电池的荷电状态SOC_i进行估算；

S7：计算所有电池的平均容量和每个电池与平均容量的差值同时将数据提供给S12；

S8：找出并记录所有电池中最大的5个容量差值Δ_i；

S9：用最新的5个容量差值Δ_i与历史记录中的5个最大差值进行比较；

S10：通过比较，判断同一个电池在连续5次电池充放电中其容量差值是否都属于5个最大差值，如果是，则进入S11，同时将数据提供给S12；如果不是，则返回到S8；

S11：调用电池匹配程度子程序，计算所用电池的匹配度，找出不匹配的单体电池；

S12：调用电池寿命估算子程序，预测电池的使用寿命；

S13：调用显示子程序，在LCD屏幕上显示匹配结果或电池寿命估算结果。