CN105429226B - 大容量充放电电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大容量充放电电池管理系统,包括单体电池电压检测与均衡控制电路、微处理器、短路保护电路、SOC估算单元、电流检测电路、充电控制电路、放电控制电路和温度检测电路;其特点是:单体电池电压检测与均衡控制电路实时采集每个单体电池电压,将采集到的电压信号输出到微处理器;同时,单体电池电压检测与均衡控制电路接收微处理器输出的信号,输出控制信号到均衡电路;均衡电路接收单体电池电压检测与均衡控制电路输出的控制信号,均衡电路对电压高的单体电池的充电电流进行旁路;本发明实时采集单体电池参数并估算电池当前电量,对电池进行充放电保护,并能均衡各电池电量,具有成本低、功耗低、高可靠性等特点,具有良好的应用前景。

Description

大容量充放电电池管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电池管理系统,具体涉及大容量充放电电池管理系统。
背景技术
[0002] 随着经济的发展以及能源环保等问题的日益突出,传统的以有限的石油资源为基 础的发展模式越来越不被人们所接受。具备零排放、低噪声的动力电池已被广泛用于汽车、 医疗设备及测量仪器等领域。由于电池的制造技术和工艺的制约,单体电池的一致性较差, 电池在充放电过程中如有过充和过放等问题将严重缩短电池的寿命,甚至直接让电池报 废;其次,由于电池是封闭的,使用者很难对电池当前电量做出准确的评估;而且电池在短 路状态下极易发生火灾或爆炸。
[0003] 现有的国产动力电池管理系统一般支持几十安培的负载电流,短路保护和过流保 护通常靠保险丝实现,发生短路时不能立即关断,需等到保险丝熔断才能保护,安全性低; 电池电量通过采集电池的输出电压来估算,电量估算误差大;BMS电池管理系统充电开关和 放电开关均采用继电器,大电流继电器体积庞大,安装困难,功耗大,成本高,体积大。
[0004] 因此具备对电池组实时监控及有效管理、提高电池的使用效率,延长电池寿命、降 低运行成本、提高安全性的电池管理系统(BMS)是今后的发展趋势。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是大容量充放电电池管理系统,包括单体电池电压检 测与均衡控制电路、微处理器、短路保护电路、S0C估算单元、电流检测电路、充电控制电路、 放电控制电路和温度检测电路;其特点是:
[0006] 单体电池电压检测与均衡控制电路实时采集每个单体电池电压,将采集到的电压 信号输出到微处理器;同时,单体电池电压检测与均衡控制电路接收微处理器输出的信号, 输出控制信号到均衡电路;
[0007] 均衡电路接收单体电池电压检测与均衡控制电路输出的控制信号,均衡电路对电 压高的单体电池的充电电流进行旁路;使电池组内电压高的单体电池的充电电流减小,以 使电池组内各单体电池的电压尽量相等;
[0008]电流检测电路分别检测电池的充电电流和放电电流,将电流信号转换为电压信 号,再进行AD转换,将AD转换后的信号输出到S0C估算单元;同时将放电电流信号转换为电 压信号后输出到短路保护电路;
[0009]温度检测电路检测电池的温度,将采集到的信号输出到微处理器;
[0010]短路保护电路接收电流检测电路输出的电压信号,与参考电压进行比较,以快速 识别是否有短路现象发生,并将比较结果输出到微处理器;如果发生短路故障,则触发微处 理器的中断响应,快速断开充电控制电路和放电控制电路;
[0011] S0C估算单元接收电流检测电路输出的信号,同时接收微处理器输出的电池电压、 温度、充电状态、放电状态等信息,对电池当前电量进行估算,并将估算结果输出到微处理 器;
[0012] 微处理器接收单体电池电压检测与均衡控制电路、温度检测电路和S0C估算单元 输出的信号,进行处理后分别输出信号到单体电池电压检测与均衡控制电路、S0C估算单 元、充电控制电路和放电控制电路;同时,微处理器还接收短路保护电路输出的信号,当负 载发生短路或过流时输出控制信号到放电控制电路,控制放电控制电路与负载断开;
[0013] 充电控制电路接收微处理器输出的信号,当微处理器检测到电池处于放电状态 时,充电控制电路导通,外部充电电源通过充电控制电路对电池充电;
[0014] 放电控制电路接收微处理器输出的信号,当电池电量低于设定值时或当负载发生 短路或过流时,放电控制电路断开。
[0015] 本发明利用单体电池电压检测与均衡控制电路实时采集单体电池电压,利用电流 检测电路检测电池的充、放电电流,电池的温度,利用温度检测电路检测电池的温度,通过 测量的电池的温度、电流和电压,利用S0C估算单元对电池当前电量进行估算,电量估算精 度高,电量估算误差小于5%,以判断电池当前电量状态,并利用处理器控制充电控制电路 和放电控制电路的通断,避免出现过充、过放的现象,以对电池的充放电进行保护;同时还 利用均衡电路在充电过程中平衡各节电池的电压,把电压高的电池充电电流旁路掉一部 分,使电池组内各单体电池的电压尽量相等,以达到优化电池可充电量的目的;其次,当负 载发生短路或过流时模块需快速响应,及时关断放电控制电路并立即报警,短路响应速度 快。
[0016] 根据本发明所述的大容量充放电电池管理系统的优选方案,放电控制电路均包括 开关电路和开关驱动电路;开关电路由多个N沟道M0SFET管并联构成;开关驱动电路接收微 处理器输出的控制信号,输出驱动信号到M0SFET管的栅极,控制M0SFET管导通和截止。本发 明采用工业级N型M0SFET作为开关电路大大降低了开关的成本。
[0017]根据本发明所述的大容量充放电电池管理系统的优选方案,短路保护电路包括比 较器;比较器将电流检测电路输出的电压信号与参考电压进行比较,以快速识别是否有短 路现象发生;并将比较结果输出到微处理器。
[0018] 由于该电池管理系统可管理大容量电池组,放电电流可高达100安培,当负载发生 短路时,瞬时电流可达1000安培,如果短路事件发生时不及时关断电路将会导致电路烧毁, 电池起火等,因此快速识别短路可提高系统的安全性。
[0019] 根据本发明所述的大容量充放电电池管理系统的优选方案,均衡电路包括若干个 泄放电路,泄放电路的数量与单体电池数量相等;每个泄放电路均包括旁路开关和旁路电 阻;旁路开关包括P沟道M0SFET管;单体电池的正极连接P沟道M0SFET管的源极,P沟道 M0SFET管的漏极通过旁路电阻连接单体电池的负极;P沟道M0SFET管的栅极接收单体电池 电压检测与均衡控制电路输出的控制信号。
[0020] 本发明所述的大容量充放电电池管理系统的有益效果是:实时采集单体电池电 压,充放电电流,电池的温度,通过判断电池的温度、电流和电压状态估算电池当前电量,对 电池进行充放电保护,避免出现过充、过放的现象,并在应用中均衡各电池电量;当负载发 生短路或过流时模块快速响应,能及时关断放电开关并立即报警;电池的电压、电流、温度、 报警信息均能通过CAN总线通信传输到外部;本发明电路结构简单,具有成本低、体积小、低 功耗、高可靠性、能承受的负载电流大、安全性高的特点,具有良好的应用前景。
附图说明
[0021]图1是本发明所述的大容量充放电电池管理系统原理框图。
[0022]图2是放电控制电路7的原理图。
[0023] 图3是短路保护电路3的原理图。
[0024]图4是均衡电路11中泄放电路的原理图。
[0025]图5是S0C估算单元4进行电量估算的流程框图。
具体实施方式
[0026]参见图1至图4,大容量充放电电池管理系统,由单体电池电压检测与均衡控制电 路1、微处理器2、短路保护电路3、S0C估算单元4、电流检测电路5、充电控制电路6、放电控制 电路7、CAN总线通信电路8、温度检测电路9和供电电路1〇构成;供电电路丨〇为各电路单元供 电。
[0027]单体电池电压检测与均衡控制电路1实时采集每个单体电池电压,将采集到的电 压信号输出到微处理器2;同时,单体电池电压检测与均衡控制电路1接收微处理器2输出的 信号,输出控制信号到均衡电路11;
[0028]均衡电路11接收单体电池电压检测与均衡控制电路1输出的控制信号,均衡电路 11对电压高的单体电池的充电电流进行旁路;使电池组内电压高的单体电池的充电电流减 小,以使电池组内各单体电池的电压尽量相等;
[0029]电流检测电路5分别检测电池的充电电流和放电电流,将电流信号转换为电压信 号,电压信号通过跟随器隔离后,送到AD转换器进行AD转换,将AD转换后的信号输出到S0C 估算单元4;同时将放电电流信号转换为电压信号后输出到短路保护电路3;
[0030]温度检测电路9检测电池的温度,将采集到的信号输出到微处理器2;
[0031 ]短路保护电路3接收电流检测电路5输出的电压信号,与参考电压进行比较,以快 速识别是否有短路现象发生;并将比较结果输出到微处理器2;如果发生短路故障,则触发 微处理器2的中断响应,快速断开充电控制电路6和放电控制电路7;
[0032] S0C估算单元4接收电流检测电路5输出的信号,同时接收微处理器2输出的电池电 压、温度、充电状态、放电状态等信息,对电池当前电量进行估算,并将估算结果输出到微处 理器2;
[0033] 微处理器2接收单体电池电压检测与均衡控制电路1、温度检测电路9和S0C估算单 元4输出的信号,进行处理后分别输出信号到单体电池电压检测与均衡控制电路^况估算 单元4、充电控制电路6和放电控制电路7;同时,微处理器2还接收短路保护电路3输出的信 号,当负载发生短路或过流时输出控制信号到放电控制电路7,控制放电控制电路7与负载 断开;
[0034] 充电控制电路6接收微处理器2输出的信号,当微处理器2检测到电池处于放电状 态时,充电控制电路6导通;控制外部充电电源通过充电控制电路6对电池充电;该种方式可 以减小充电控制电路6内阻。
[0035]放电控制电路7接收微处理器2输出的信号,电池通过放电控制电路7对外部负载 放电;当电池电量低于设定值时或当负载发生短路或过流时,放电控制电路7断开。
[0036] 电池的电压、电流、温度、报警信息均能通过CAN总线通信电路8传输到外部显示。
[0037] 在具体实施例中单体电池电压检测与均衡控制电路1采用LTC6803。每个LTC6803 都能测量多达12个串联连接的独立电池单元。该器件的专有设计使多个LTC6803能串联叠 置,而无需光耦合器或隔离器,从而允许对长串串联连接电池中的每一节电池进行精确的 电压监视。并且在每个电池输入具有一个相关联的M0SFET电源开关,用于对过度充电的电 池进行放电。
[0038] 放电控制电路7和充电控制电路6均由开关电路和开关驱动电路构成;开关电路由 多个N沟道MOSFET管并联构成;开关驱动电路接收微处理器2输出的控制信号,输出驱动信 号到MOSFET管的栅极,控制M0SFET管导通和截止。参见图2,图2为放电控制电路7的原理图。 在具体实施例中,放电控制电路7的开关电路由八个N沟道MOSFET管V3-V10并联构成。N沟道 MOSFET管的数量可根据需要增减。单个管子内阻小于3mD,能承受上百安培的持续电流,采 用并联方式一方面可以减小开关的等效内阻,另一方面可以降低管子的发热,如果放电电 流为100安培,用8个NM0S并联,则管子的总功耗为3 • 75W,平均到每一个管子上仅有0.469W, 管子几乎不发热。N沟道MOSFET管V3-V10的源极与源极相互连接,漏极与漏极相互连接,栅 极与栅极相互连接;漏极的连接节点接外部负载和外部充电电源;源极的连接节点通过电 阻R16接栅极的连接节点;开关驱动电路包括三极管VI和P沟道MOSFET管v2;三极管VI的基 极接收微处理器2输出的控制信号SW_DSG,三极管VI的集电极与P沟道MOSFET管的v2栅极连 接,同时通过稳压管D1接12V电源;v2的源极接12V电源,v2的漏极通过电阻R15接V3的栅极, 以控制MOSFET管导通和截止。当SW_DSG为低电平或开路时,NM0S的Vgs = 0V,V3-V10处于关 断状态,B到A的方向无电流流过。当SW_DSG为高电平时,NM0S的Vgs = 12V,V3-V10完全开启。 [0039] 充电控制电路6的电路结构和工作原理与放电控制电路7相同;充电控制电路6的 开关电路也是由多个N沟道MOSFET管并联构成,且连接方式与放电控制电路7中的连接方式 相同;充电控制电路6的N沟道MOSFET管源极的连接节点与放电控制电路7的N沟道MOSFET管 源极的连接节点连接;充电控制电路6的N沟道MOSFET管漏极的连接节点与电流检测电路5 连接。
[0040] 参见图3,在具体实施例中,短路保护电路3包括比较器;比较器将电流检测电路5 输出的电压信号与参考电压进行比较,以快速识别是否有短路现象发生;并将比较结果输 出到微处理器2。
[0041] 其中,IC1为电流传感器,IC1的输出电压与流过的电流成线性关系,电流越大输出 电压越高。IC2为快速比较器,通过R1,R3合理设置参考电压,当电流传感器的输出电压超过 参考电压时,比较器的输出将出现高电平,将比较器的输出接微处理器2的外部中断10 口, 如果有短路现象发生时微处理器2可在50微秒内响应。通过数次开关,可判断大电流产生是 因为大负载电容充电还是发生了真正的短路。
[0042]在具体实施例中,均衡电路11包括若干个泄放电路,泄放电路的数量与单体电池 数量相等;参见图4,每个泄放电路均包括旁路开关和旁路电阻R4;旁路开关包括P沟道 MOSFET管K;单体电池的正极连接所对应的P沟道MOSFET管的源极,P沟道MOSFET管的漏极通 过旁路电阻连接所对应的单体电池的负极;P沟道MOSFET管的栅极接收单体电池电压检测 与均衡控制电路1输出的控制信号。
[0043]均衡电路实现原理是电池在充电过程中,实时监测电池组内各单体电池电压,当 电池组内各单体电池出现较大压差时,控制P沟道M0SFET管导通,电压高的电池的充电电流 被旁路电阻旁路掉一部分,电压低的电池充电电流未被旁路,即电压低的电池充电电流大, 电压高的电池充电电流小,从而可以有效的使电压低的电池电量跟上电压高的电池的电 量。
[0044]图5是S0C估算单元4进行电量估算的流程框图。参见图5,当前电池电量估算采用 安时积分法,并在电池充放电过程中,结合电池的温度和电池实际特性曲线,实时的更新电 池在当前状态下可充放总电量。当电池达到满充或放空状态时对电池电量进行修正,并且 电池从满充状态持续放电到放空状态时也将更新总电量。经测试,使用该方案估算电池的 当前剩余电量估算误差小于5%。
[0045]上面对本发明的具体实施方式进行了描述,但是,本发明保护的不仅限于具体实 施方式的范围。

Claims (4)

1.大容量充放电电池管理系统,包括单体电池电压检测与均衡控制电路(1)、微处理器 (2)、短路保护电路(3)、SOC估算单元⑷、电流检测电路(5)、充电控制电路⑹、放电控制电 路⑺和温度检测电路(9);其特征在于: 单体电池电压检测与均衡控制电路(1)实时采集每个单体电池电压,将采集到的电压 信号输出到微处理器(2);同时,单体电池电压检测与均衡控制电路(1)接收微处理器(2)输 出的信号,输出控制信号到均衡电路(11); 均衡电路(11)接收单体电池电压检测与均衡控制电路(1)输出的控制信号,均衡电路 (11)对电压高的单体电池的充电电流进行旁路; 电流检测电路(5)分别检测电池的充电电流和放电电流,将电流信号转换为电压信号, 再进行AD转换,将AD转换后的信号输出到SOC估算单元(4);同时将放电电流信号转换为电 压信号后输出到短路保护电路(3); 温度检测电路⑼检测电池的温度,将采集到的信号输出到微处理器(2); 短路保护电路(3)接收电流检测电路(5)输出的电压信号,与参考电压进行比较,并将 比较结果输出到微处理器(2); SOC估算单元⑷接收电流检测电路⑸输出的信号,同时接收微处理器⑵输出的电池 信息,对电池当前电量进行估算,当前电池电量估算采用安时积分法,并在电池充放电过程 中,结合电池的温度和电池实际特性曲线,实时的更新电池在当前状态下可充放总电量;当 电池达到满充时,且电池电量为100 %,根据当前温度和电流对电池可充放电量进行修正; 如果电池达到满充时,且电池电量为大于100%或者小于100%时,则需要将总电量增加1 % 或者减少1 %后再根据当前温度和电流对电池可充放电量进行修正;如果电池从满充持续 放电到电量为0时,则更新总电量,并根据当前温度和电流对电池可充放电量进行修正;如 果电池不是从满充状态开始放电时,如果当前电量为0时,则根据当前温度和电流对电池可 充放电量进行修正,如果当前电量大于0或者小于0时,则需要将总电量减少1 %或者增加 1%后再根据当前温度和电流对电池可充放电量进行修正,并将估算结果输出到微处理器 (2); 微处理器(2)接收单体电池电压检测与均衡控制电路(1)、温度检测电路⑼和SOC估算 单元⑷输出的信号,进行处理后分别输出信号到单体电池电压检测与均衡控制电路(1)、 SOC估算单元(4)、充电控制电路(6)和放电控制电路(7);同时,微处理器(2)还接收短路保 护电路(3)输出的信号,当负载发生短路或过流时输出控制信号到放电控制电路(7),控制 放电控制电路(7)与负载断开; 充电控制电路(6)接收微处理器(2)输出的信号,当微处理器(2)检测到电池处于放电 状态时,充电控制电路⑹导通; 放电控制电路(7)接收微处理器(2)输出的信号,当电池电量低于设定值时或当负载发 生短路或过流时,放电控制电路(7)断开。
2.根据权利要求1所述的大容量充放电电池管理系统,其特征在于:放电控制电路(7) 和充电控制电路⑹均包括开关电路和开关驱动电路;开关电路由多个N沟道MOSFET管并联 构成;开关驱动电路接收微处理器(2)输出的控制信号,输出驱动信号到N沟道MOSFET管的 栅极,控制N沟道MOSFET管导通和截止。
3.根据权利要求2所述的大容量充放电电池管理系统,其特征在于:短路保护电路(3) 包括比较器;比较器将电流检测电路(5)输出的电压信号与参考电压进行比较,并将比较结 果输出到微处理器(2)。
4.根据权利要求1或2或3所述的大容量充放电电池管理系统,其特征在于:均衡电路 (11)包括若千个泄放电路,泄放电路的数量与单体电池数量相等;每个泄放电路均包括旁 路开关和旁路电阻;旁路开关包括P沟道MOSFET管;单体电池的正极连接P沟道MOSFET管的 源极,P沟道MOSFET管的漏极通过旁路电阻连接单体电池的负极;p沟道MOSFET管的栅极接 收单体电池电压检测与均衡控制电路(1)输出的控制信号。
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