CN105186049A

CN105186049A - 电池组智能管理系统及管理方法

Info

Publication number: CN105186049A
Application number: CN201510533415.XA
Authority: CN
Inventors: 曾建波
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明为电池组智能管理系统及管理方法，其中管理系统设置在电池组与充/用电器电路单元中，由分流器、记录仪、均衡器、MCU、储存单元、数据传输单元、电池芯片组成，记录仪对电池参数进行采样；均衡器对电池组进行电量均衡。本发明的MCU采集电池温度、电池ID号码指令；每只电池两极的电压数据；分流器两端的电压数据，并判断电池的工作状态是否正常，并做成数据包传输到手机。本发明能以提高电池的整体质量，从而提高电池的使用寿命，并将电池的使用信息上传到云平台。电池的生产厂商可以根据读取到的云平台数据，优化电池设计，把控生产环节的质量，从而提供性能更佳的电池。

Description

电池组智能管理系统及管理方法

技术领域

本发明涉及到一种电池组智能管理系统及管理方法。具体为采用信息采集与传输装置将电池工作信息传输到云平台，以便给电池的设计与生产商标提供电池工作参数。同时对电池早期故障进行干预，以提高电池的使用的寿命。

背景技术

当今人类已进入能源与环境的矛盾时代。一方面，会产生大量有害排放的能源被大量使用，造成了环境的严重破坏，对人类的生存环境造成威胁；另一方面，为了人类经济的发展与生活的便利还不得不使用这些高污染的能源，比如说石油。为了扭转这种局面，清洁能源已成为未来发展的驱动力。目前，电能是最被看好的清洁能源之一，由于其二氧化碳排放量非常低，而且为可再生能源，被认为是在绝大部分领域替代石油的一种很好的能源。因此，可充电式电池尤其是动力型电池的应用得到空前扩大，而人们对于电池的质量要求也越来越高。

但现目前充电电池却遇到发展瓶颈，使用寿命不佳就是发展瓶颈之一，因为充电电池的造价成本较高，所以希望其使用时间能够更长，以抵消高额的制造成本。电池寿命的下降最显著的表现就是其电池容量明显降低，容量降低后造成可用的时间变短，需要更频繁地进行充电才能使用。反应在车辆电池上就表现为车辆可巡航的里程变少，设备可持续工作的时间变短。

因此提高电池的使用寿命非常关健，如何能提高电池的使用寿命，这当然必须得从电池的设计和生产环节进行把控。由于电池都是基于电化学反应的应用，而在生产过程中由于电化学反应的复杂性和无法再现性而变得对电池质量难于管控。由于制造的变异性，无法确保每只电池的性能完全一致，所以就导致了这种称为“单只落后”的现象存在。动力电池往往都是以并联，串联或者混合的连接方式成组使用，而在使用与维修环节，由于一只或者几只性能与组内其它差异（内阻、充电接受能力等），就会造成电池组内的一个或数只电池性能迅速下降，即使更换新的单只电池组成新的电池组，由于与组内其他电池的性能存在差异，所以在很短时间内又会出现性能不同现象，给整个电池组造成影响。电池在使用过程中由于种种原因导致非正常劣化，使用户、维修商和生产厂商蒙受损失；目前的检测方法和手段，故障电池检测时间长，用户、维修商无法承受因电池检修而带来的宕机时间，只好盲目以新换旧，人为造成价值损失。随着电池应用规模的扩大，以上现象不仅造成用户的严重不满意，也导致生产厂商的成本升高，而且电池本身在非正常寿命终结情况下被淘汰，也造成了一定的环境负荷以及社会经济价值的损失等等。

对于电池生产厂商来讲，能够完整的把握包括电池生产、使用过程中的信息，不断对产品质量进行PDCA循环，可以确保为用户提供性能更佳的电池；而对于经销商或者售后服务来讲，能够及时了解用户在使用过程中电池的质量表现，一则可以在电池出现问题时快速进行判断以提高时效性，二则甚至在用户使用过程中及时发现潜在问题或者初期小问题从而做到提前干预，进行初期的补救措施以提高电池的使用寿命来提高客户的满意度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了电池组智能管理系统及管理方法，不仅能在电池的使用过程中有效地对电池进行保护，而且可以将电池的使用信息数据提供到云平台，让电池生产与销售厂家掌握电池使用情况，以对生产、使用环节进行干预，提高电池质量。

本发明的电池组智能管理系统，设置在电池组与充/用电器电路单元中，由设置在电池组与充/用电器之间的分流器、记录仪、均衡器、MCU、储存单元、数据传输单元组成，在单只电池内设置有电池芯片；记录仪设置在单只电池的正负极之间，对电池参数进行采样；均衡器设置在两只电池之间，对电池组进行电量均衡；电池芯片与MCU连接，电池芯片采集电池相关信息并传输到MCU。

MCU分别与记录仪、均衡器、微控制单元、数据传输单元连接。

所述的数据传输单元包括与MCU连接的传输模块，带有数据传输功能的手机，以及云服务器；传输模块与手机连接，手机与云服务器连接。

如上所述的电池组智能管理系统，具体为：所述的记录仪连接在分流器两端，对分流器两极的电流参数取样。

如上所述的电池组智能管理系统，具体为：所述的记录仪采用ADC电压/电流测量芯片。

如上所述的电池组智能管理系统，具体为：所述的数据存储单元为SD卡。

如上所述的电池组智能管理系统，具体为：所述的数据传输单元为蓝牙模块。

本发明的电池组智能管理方法，按以下过程实现：

1、MCU向电池芯片发出采集电池温度、电池ID号码指令，记录仪采集每只电池两极的电压数据，采集分流器两端的电压数据，用于间接测量充电/用电电流。

2、MCU将采集到的数据对应上时间标签；并通过计算电流方向确定所采集的数据是充电过程数据或用电过程数据；通过时间标签和电流方向确定充电/放电时间，对照该电池容量规格判断是否过充/过放电。

3、MCU根据采集到的充电电流大小和时间长短，判断充电器的工作状态是否正常。

4、MCU根据采集到的温度数据判断是否发生热失控。

5、均衡器对比相连的两只电池的电压，当两只电池之间的电压差超过设定的规格值，电压高的电池通过均衡器开始向电压低的电池充电直到电压平衡，因此使整个充电/放电过程中整组电池保持电压平衡，避免单只电池电压落后现象发生。

6、MCU将一次采集数据存储到数据存储单元，以备将该数据调取。

7、按上述步骤1-5，MCU完成多次数据的采集与存储，并做成数据包。

8、MCU确认与手机连接后，将数据包通过蓝牙传输模块传输到手机。

9、手机按收到数据后，确认与云平台连接，然后将该数据传输到云平台，在传输完成后，删除该数据包；同时MCU指示删除储存单元中的数据包。

如上所述的电池组智能管理方法，具体为，所述的充电与用电时长数据通过与MCU内的时钟信息比对，计算出充电与用电的时长数据，并通过充电与用电的时长、电池电压电流数据，计算出电池做功，其计算公式为：

Wh=n∫₀ ^t?(t)dt

式中：

n——电池只数

t——电池总的放电时间，h

?（t）——电池放电曲线函数

如上所述的电池组智能管理方法，具体为，所述的电池芯片与MCU采用单总线方式进行通讯，MCU与手机之间采用蓝牙协议进行通讯。

有益效果：

1、本发明在电池组内的每两只电池之间设置均衡器，通过对两只电池的电压进行比较，当电压差超过设定的规格值时，连接电池的MOSFET开启使电压高的电池开始对电压低的电池进行充电直到两只电池的电压差低于设定规格，从而使两只电池的充/放电保持一致，以提高电池的整体质量，从而提高电池的使用寿命。

2、本发明能将电池的使用信息（包括电池的充电/用电电流、单只电池电压、温度等配合时间标签）进行存储，并通过传输模块与手机连接，利用手机的信息交换功能将电池的使用信息数据上传到云平台。电池的生产厂商可以根据读取到的云平台数据，优化电池设计，把控生产环节的质量，从而提供性能更佳的电池。

电池的维护商可以在用户使用过程中及时发现潜在问题或者初期小问题从而做到提前干预，进行初期的补救措施以提高电池的使用寿命。当用户电池发生故障送修时，可以快速准确的进行判断，极大地缩短检测时间，降低误判率；

3、可以根据收集到的充电电流和充电时间，对充电器性能进行判断；

4、通过电池芯片的温度探测功能，对充电过程中的热失效进行控制，防止电池过充电。说明书附图

图1为本发明结构图。

具体实施方式

本发明的电池组智能管理系统，设置在电池组与充/用电器电路单元中，电池组与充/用电器电路包括设置在电池组与充/用电器之间的分流器、记录仪、均衡器、MCU、储存单元、数据传输单元组成；记录仪为ADC电压测量芯片，记录仪被连接在高精度分流器和电池两端，对分流器两极的电流参数取样。MCU为编程后的C51MCU。

记录仪接在每只电池的正负极之间和分流器的两端，MCU与记录仪相连进行通讯。MCU按照

电池内还设置有电池芯片（DS1820），电池芯片的体积小，并植入电池内部，该芯片具有-55~125℃，精度0.5℃的温度检测功能，能够对电池进行温度测量。电池芯片通过连接线与MCU相连，采用单总线方式与MCU通讯，每个电池芯片都有独立地址，MCU可以通过寻址方式与其通讯。每只电池有一个64位全球唯一的ID号码。在使用过程中，MCU发出采样的指令给记录仪和电池芯片，电池芯片会将有关信息反馈给MCU，MCU将有关信息和记录仪采用获得的信号组成一组信息，储存在SD卡中，这样就完整的保存了某只特定电池该时刻的电压、电流、时间、温度等信息，为后续的分析提供了数据基础。同时电池芯片根据测量到的温度值，和设定的规格进行比较以确定电池是否发生热失效，以控制电池充电或者其他动作，从而保护电池防止着火或者鼓包。

均衡器设置在两组电池之间，利用MOSFET、电容和电压比较器等，对相邻两只电池进行能量均衡，保证两只电池无论在充电或者放电过程中的电压保持一致，进而确保整组电池电压保持一致，有效降低“单只落后”的现象发生，这样在电池的使用过程中就不需要进行维护，提高了电池组的使用寿命。

所述的数据传输单元包括与MCU连接的蓝牙式传输模块，带有数据传输功能的手机，云服务器，传输模块与手机连接，手机与云服务器连接。

本发明提供的电池组智能管理方法为：

MCU向电池芯片采集电池温度、电池ID号码数据，记录仪采集电池两极的电流与电压数据，充电与用电时长数据，电池容量，采集分流器的电流大小、方向数据。电池芯片与MCU采用单总线（one-wire）方式进行通讯。

MCU将采集到的数据对应上时间标签。并通过计算电流方向确定所采集的数据是充电过程数据或用电过程数据。完成一次采集数据。

上述的充电与用电时长数据是通过与MCU内的时钟信息比对，计算出充电与用电的时长数据的，并通过充电与用电的时长、电池电压电流数据，计算出电池的实际做功，其计算公式（或方式）为：

Wh=n∫₀ ^t?(t)dt

式中：

n——电池只数

t——电池总的放电时间，h

?（t）——电池放电曲线函数

MCU将一次采集数据存储到数据存储单元，并重复上述步骤完成多次数据的采集与存储，并做成数据包。

当MCU与手机进行蓝牙连接成功后，自动将数据包传输到手机。为了便于下一次数据采集，在传输完成后，MCU删除该已上传到手机的数据包。手机按收到数据后，确认与云平台连接，然后将该数据传输到云平台。

通过对电池充电、放电过程中的电压、电流、时间以及温度进行监控并记录，可以对电池的使用历史性能进行跟踪，通过后续的分析，可以找出电池失效或者劣化的原因。可以提前通知用户到维修点进行早期干预，从而消除或者降低故障；也让维修点快速判断故障模式，极大地降低检测时间，提供快速服务；生产厂家也容易全面、客观的获得电池使用数据，为质量改进提供真实依据。

与MCU连接的存储装置为SD卡，采集到的数据被储存在SD卡中，而这些数据真正的用途是用于前期的质量干预，因此需要用合适的手段将其传输到云端进行分析判断，从而及时采取措施。由于数据不是实时传送，而且传输距离也不远，因此使用蓝牙将数据从SD卡向手机App进行传输（作为另外一种方案，可以使用电脑直接读取SD卡数据进行传输），在完成数据传输后将原SD卡上的数据进行删除，以释放储存空间，例如：TI的CC2541F256RHAR第四代蓝牙芯片。手机App将接受到的数据传输到云台。

电池发生热失控这通常在充电阶段，MCU根据采集到的温度数据判断是否发生热失控，如发生热失控便发出报警信息或者切断充电电源；为了实现该功能，在MCU上设置声光报警器，或者在手机的上也设置报警器，如果发生热失控，将紧急信息发送到手机，由手机发出报警。为了实现切断充电电源的功能，MCU与充电器连接，并在充电电路中设置开关，MCU与开关连接，用于以开关控制。

随着现代通讯技术的迅猛发展，使得过去那种在客户端需要较多硬件支持的数据处理，逐渐转移到服务器（云端）来进行集中处理。这样的好处是客户端的硬件需求逐渐减少，而且云端强大的数据处理能力使得各种客户端应用变得越来越简单。本系统软件，集成了以下功能：

电池生产信息，包括原材料、生产过程参数、操作者、生产日期、出厂日期、销售区域等信息。

故障模式分析，根据建立的故障模型，对从客户、维修商等反馈回来的电池信息进行分析，从而判断电池是否发生故障、发生故障的现象等，通知客户、维修商进行适当的处置。

其他故障判断，由于客户端安装有相应的数据采集器，采集到有关电池充放电过程中的电压、电流、温度、时间等参数，据此可以对相应的充电器、电池控制器等器件的质量作出相应的判断，从而提高整车的使用质量。

Claims

1.电池组智能管理系统，设置在电池组与充/用电器电路单元中，由设置在电池组与充/用电器之间的分流器、记录仪、均衡器、MCU、储存单元、数据传输单元组成，在单只电池内设置有电池芯片；记录仪设置在单只电池的正负极之间，对电池参数进行采样；均衡器设置在两只电池之间，对电池组进行电量均衡；电池芯片与MCU连接，电池芯片采集电池相关信息并传输到MCU；

MCU分别与记录仪、均衡器、微控制单元、数据传输单元连接；

2.如权利要求1所述的电池组智能管理系统，其特征在于，所述的记录仪连接在分流器两端，对分流器两极的电流参数取样。

3.如权利要求1所述的电池组智能管理系统，其特征在于，所述的记录仪采用ADC电压/电流测量芯片。

4.如权利要求1所述的电池组智能管理系统，其特征在于，所述的数据存储单元为SD卡。

5.如权利要求1所述的电池组智能管理系统，其特征在于，所述的数据传输单元为蓝牙模块。

6.电池组智能管理方法，按以下过程实现：

MCU向电池芯片发出采集电池温度、电池ID号码指令，记录仪采集每只电池两极的电压数据，采集分流器两端的电压数据，用以间接测量充电/用电电流；

MCU将采集到的数据对应上时间标签；并通过计算电流方向确定所采集的数据是充电过程数据或用电过程数据；通过时间标签和电流方向确定充电/放电时间，对照该电池容量规格判断是否过充/过放电；

MCU根据采集到的充电电流大小和时间长短，判断充电器的工作状态是否正常；

MCU根据采集到的温度数据判断是否发生热失控；

均衡器对比相连的两只电池的电压，当两只电池之间的电压差超过设定的规格值，电压高的电池通过均衡器开始向电压低的电池充电直到电压平衡，因此使整个充电/放电过程中整组电池保持电压平衡，避免单只电池电压落后现象发生；

MCU将一次采集数据存储到数据存储单元，以备将该数据调取；

按上述步骤1-6，MCU完成多次数据的采集与存储，并做成数据包；

MCU确认与手机连接后，将数据包通过蓝牙传输模块传输到手机；

手机按收到数据后，确认与云平台连接，然后将该数据传输到云平台，在传输完成后，删除该数据包；同时MCU指示删除储存单元中的数据包。

7.如权利要求六所述的电池组智能管理方法，其特征在于，所述的充电与用电时长数据通过与MCU内的时钟信息比对，计算出充电与用电的时长数据，并通过充电与用电的时长、电池电压电流数据，计算出电池做功，其计算公式为：

Wh=n∫₀ ^t?(t)dt

式中：

n——电池只数

t——电池总的放电时间，h

?（t）——电池放电曲线函数

如权利要求6所述的电池组智能管理方法，其特征在于，所述的电池芯片与MCU采用单总线方式进行通讯，MCU与手机之间采用蓝牙协议进行通讯。