CN105759221A - 一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统，在实时检测电池组电压、电流、温度、各单体电池电压、充放电电量的基础上，使用瞬间直流放电的测量方法，实现了对动力电池组中各单体电池直流内阻的在线快速检测，记录动力电池组在反复充电、放电使用过程中各单体电池内阻的变化过程，保障动力电池组充、放电过程的安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统，用于检测充电、放电过程中动力电池组中各单体电池的状态,特别适用于对由锂充电电池串联构成的动力电池组的管理。
背景技术
动力电池组广泛应用于电动汽车和风力发电、光伏发电的储能系统。电池管理系统，业内称之为BMS(BatteryManagementSystem）,是对充放电过程中电池的工作状态进行实时检测、对充放电过程进行控制、为电池的安全使用提供保障的综合性电子控制系统。
众知的电池管理系统(BMS),实时检测电池组的充放电电流、电压和电池组中各单体电池的电压、温度，采用各种数学模型计算电池组的剩余电量，避免电池组过充、过放和过热，控制充、放电过程，对老化、失效单体电池进行预警，为动力电池组充电和放电提供安全保护。
动力电池组由多个可充电的单体电池串联构成,可充电电池在存储和使用过程中充、放电性能会逐渐衰退,电池内阻逐渐增大，表现为荷电能力下降、充放电过程中因内阻增大导致电池内部发热，严重的发热会损伤电池内部的电化学结构，造成内部短路、起火、爆炸等安全事故。
内阻是反应电池状态的重要标志之一。无论是电池即将失效、容量衰减或是电池内部的电化学结构出现异常，都可以从它的内阻变化中体现出来。通过测量电池内阻，对电动汽车用动力电池的健康状况进行判断，对性能衰退或失效的电池进行预警，可有效地避免电池过充、过放、过热等危及电池寿命和运行安全的情况发生。
中国专利CN102205800B，公开了“一种智能电动车电池管理系统”，该技术方案中，采用交流压降内阻测量法进行电池内阻的测量，具体测量方法是：给电池施加（注入）一个固定频率和固定电流的小电流信号(目前一般使用1KHZ频率，50mA小电流)，并对电池端电压进行电压采样，整流、滤波、信号放大等一系列处理后，通过计算得到该电池的内阻值。
由于电动汽车配用的动力电池的内阻极小（单体电池的初始内阻一般小于2毫欧），对单体电池施加小电流信号（注入电流100mA），在单体电池上产生的电压响应微弱(约200微伏)，整流、滤波等一系列处理电路也会引入信号噪声，使用通常的测量电路，测量准确度难以得到保证。实现微弱电压信号的高精密度检测，必须使用极为复杂测量电路，导致实际应用成本大幅度提高。
中国专利CN100498367C公开了“一种电动汽车蓄电池内阻脉冲检测方法”，该技术方案采用“脉冲恒流信号”注入电池，通过检测电池的端电压和电池的端电压的变化量计算内阻。该技术方案应用于动力电池的内阻测量，同样存在因动力电池的内阻极小，在电池端产生的电压信号很小，电压测量误差大的问题（张卫钢，等：电动汽车蓄电池内阻脉冲控制检测方法，交通运输工程学报，2007年12月，第7卷第6期，第39页）。同时，该技术方案所述的注入被测电池的“脉冲恒流信号(恒流Is)”是以被测电池为电源的，被测电池的电压变化，直接影响注入被测电池的“脉冲恒流信号（恒流Is）”的大小。电动汽车用动力电池中的单体锂电池工作电压范围一般为3.0伏至4.2伏，即，被测电池电压的变化导致注入的“脉冲恒流信号”的大幅度变化，进而导致“在电池内阻抗z上产生的电压信号(Uz)”的大幅度变化。依据该电压信号(Uz)进行变换处理和计算所得到的电池内阻的误差不可忽视。
中国专利CN101276949B公布了“一种用于混合动力汽车电池性能检测装置的检测方法”，提供的电池内阻测量方法是：通过信号采集单元采集发动机起动过程的电池电压V1，起动电流I1，发动机起动后电池电压V2，电池电流I2，通过内阻计算公式：Rbatt＝(V2-V1)/(I1-I2)计算电池的内阻。
该测量方法不适合针对动力电池组中的各单体电池的内阻测量，原因在于：动力电池组中的单体电池的内阻很小，对测量精度要求高。该方法以混合动力汽车的发动机作为电池内阻测量过程中的放电负载，放电回路中的逆变器和发动机导致放电回路包含了容性负载、开关负载、电机感性负载，负载特性复杂且不稳定,开关负载产生的谐波影响电压采样的准确性，电容负载和感性负载导致放电回路中的电压与电流之间产生相位差，影响电压、电流采样在时间上的对应关系，电压、电流的测量精度难以得到保证。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统。在实时检测电池组电压、电流、温度、各单体电池电压、充放电电量的基础上，设计了直流内阻检测模块，通过直流瞬间放电的测量方法，实现了对动力电池组中各单体电池直流内阻的在线快速检测。可以在动力电池组每次充、放电前和充电过程中，快速检测并记录动力电池组中各单体电池内阻，保障充放电过程的安全，同时记录了动力电池组反复充放电使用过程中各单体电池内阻的变化过程，为单体电池生产技术的改进提供了重要的基础数据。
本发明的具体技术方案如下：
一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统,参见图1，包括动力电池组、电源模块、电源开关KX、管理模块、电流检测模块、内阻检测模块、充放电控制模块、充放电插座JC、通讯模块，还包括至少1个电压检测模块、至少1个隔离模块和至少1个温度检测模块。
所述的动力电池组，参见图1，由1-10个电池模块串联构成，每个电池模块由6-12个可充电的单体电池串联构成，动力电池组的电源输出连接点包括正电极P+，负电极P-。
所述的电源模块由DC/DC隔离变换器电路和电源滤波电路组成。电源模块与电池组的电源输出正电极P+、负电极P-连接，由电池组为电源模块中的DC/DC变换器提供输入电源，DC/DC变换器的输出端连接至管理模块，为管理模块及与管理模块相连接的其他模块提供工作电源，电源模块与置于外部的电源开关KX连接，电源开关KX控制DC/DC变换器输入电源的闭合和分断。
所述的管理模块由微控制器(microcontroller)集成电路及微控制器的外围电路构成，参见图1，管理模块与隔离模块、电流检测模块、内阻检测模块、充放电控制模块、通讯模块、温度检测模块相连接。微控制器执行预制的程序向电流检测模块、内阻检测模块、温度检测模块和电压检测模块发送检测命令，读取各个模块的检测数据，判断各单体电池的电压、温度和电池组的充电或放电电流和电量，判断动力电池组过充、过放和过热的情况，向充放电控制模块发送控制命令，控制充电和放电过程。在每次上电自检完成后，管理模块运行内阻检测程序，检测动力电池组中各个单体电池的直流内阻，并与各单体电池的初始内阻（动力电池组初次装配时各单体电池的内阻）相比较，计算各单体电池内阻的变化量，判断各单体电池的充放电性能的衰减程度。
所述的电流检测模块，参见图2，由霍尔电流传感器、运算放大电路、比较器电路、电量计量电路(库仑计电路)组成。霍尔电流传感器的电流检测端分别与电池组的电源输出负电极P-和充放电控制模块连接，霍尔电流传感器的信号输出端与运算放大电路相连接，运算放大电路的输出端与比较器电路的输入端、电量计量电路的输入端连接，比较器电路和电量计量电路的信号输出端与管理模块连接。霍尔电流传感器将动力电池组的充电或放电电流转换为电压信号，该电压信号经运算放大器电路放大后，送至比较器电路和电量计量电路。比较器电路将其输入端的信号与预定的电压相比较，当输入端的信号电压大于预定的电压时，判断充电或放电过程中发生过电流的情况，并向管理模块发送过流报警的电平信号。电量计量电路连续采集输入端的信号，将其转换成等于当前充电或放电电流的数字量，并将该电流数字量对时间积分，得到充、放电过程中的累计充电电量和放电电量。电量计量电路按照管理模块的指令，将充电或放电过程中当前的电流数据和累计充、放电电量数据发送至管理模块。
所述的每个电压检测模块包括至少一片电池数据采集集成电路芯片,在本发明的实施例中使用的是Maxim生产的MAX11068GUU集成电路芯片。每个电压检测模块与对应的电池模块中各单体电池的电极相连接，每个电压检测模块可以检测6-12个串联连接的单体电池的端电压。各电压检测模块接收管理模块发送的控制命令，对所连接的电池模块中各个单体电池的电压的进行检测，并将检测数据发送到管理模块。
所述的隔离模块由光电隔离电路（光藕合电路）构成，参见图1，隔离模块与电压检测模块和管理模块连接，实现管理模块与电压检测模块间的数字信号的双向隔离传送。
所述的内阻检测模块，参见图3,包括隔离电源DC2、开关驱动电路DR、延时保险FR、负载电阻RL、内阻检测开关KR、分流器RS、隔离电源DC3、信号放大电路AV、A/D转换电路和数字隔离电路DT。所述的延时保险FR、负载电阻RL、内阻检测开关KR、分流器RS串联连接，串联后的电路的2个电连接端点J52和J53分别连接到动力电池组的电源输出的正电极P+和负电极P-。检测开关KR的控制端与开关驱动电路DR的输出端连接，分流器RS与信号放大电路AV的输入端连接。信号放大电路AV的输出端与A/D转换电路的模拟输入端连接，A/D转换电路与数字隔离电路DT连接。参见图1和图2，数字隔离电路DT、开关驱动电路DR、隔离电源电路DC2和隔离电源电路DC3分别与连接器J51连接，连接器J51连接至管理模块。
所述的内阻检测开关KR是一个在其外部信号控制下可以快速地闭合和分断其所在电路的电路元件，内阻检测开关KR可以是场效应管开关、干簧管开关或具有相同功能、在电路中具有同等作用的其他电路元件。
所述的每个温度检测模块中包含有至少1只数字温度传感器，数字温度传感器接受管理模块发出的命令，检测单体电池的温度，并将测温数据发送到管理模块。
所述的充放电控制模块，参见图4，包括由至少一个场效应管构成的电路开关KM、隔离光藕KD和隔离电源DC1。参见图1，充放电控制模块的接线端J30与管理模块连接，充放电控制模块的接线端子J31与动力电池组电源输出的正电极P+连接,充放电控制模块的接线端子J32连接至动力电池组电源输出的负电极P-,充放电控制模块的接线端子J33连接至充放电插座JC。
所述的通讯模块包括串行通讯接口集成电路，通讯模块与管理模块中的微控制器(microcontroller)集成电路连接，实现管理模块与外部设备的数据通讯。
本发明在实时检测电池组电压、电流、温度、各单体电池电压、充放电电量的基础上，通过直流瞬间放电的测量方法，对动力电池组中各单体电池直流内阻的在线快速检测。管理模块在每次上电完成系统自检后和充电过程中运行内阻检测程序，检测动力电池组中各个单体电池的直流内阻，具体检测步骤包括：
(1)关断电路开关KM和内阻检测开关KR
(2)检测各单体电池的电压V1i。(i是单体电池的编号)
(3)闭合内阻检测开关KR
(4)延时2-200毫秒
(5)同时检测各单体电池的电压V2i和通过分流器RS的电流Is
(6)关断内阻检测开关KR
(7)延时2-200毫秒
(8)同时检测各单体电池的电压V3i
(9)使用内阻检测开关KR闭合前、后测得的单体电池电压变化值V1i-V2i,计算各单体电池的直流内阻Rdi：
Rdi=(V1i-V2i)/Is
(10)使用内阻检测开关KR断开前、后测得的单体电池电压变化值V3i-V2i计算各单体电池的直流内阻Rui：
Rui=(V3i-V2i)/Is
(11)管理模块将计算得到的各单体电池的直流内阻Rdi、Rui与各单体电池的初始内阻（动力电池组初次装配时各单体电池的直流内阻）相比较，计算各单体电池内阻的变化量，判断各单体电池的充放电性能的衰减程度
(12)管理模块依据自检过程检测的各单体电池的电压、温度和内阻检测过程中检测得到的单体电池的直流内阻变化量，判定动力电池组中各单体电池的状态：
①判定各单体电池的状态正常，则向充放电控制模块发送命令，闭合电路开关KM，动力电池组充电或放电正常进行；
②判定各单体电池的状态异常，则向充放电控制模块发送命令，断开电路开关KM，禁止动力电池组充电和放电。并通过通讯模块向外部设备发送报警信息。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
附图说明
图1是本发明一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统电路结构图。
图2是电流检测模块的电路结构图。
图3是内阻检测模块的电路结构图。
图4是充放电控制模块的电路结构图。
图5是本发明实施例中应用的一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统的电路结构图。
图6是本发明实施例中应用的内阻检测模块的电路图。
图7是本发明实施例中应用的管理模块微控制器程序流程图。
具体实施方式
本实施例以由16个单体锂电池串联构成的动力电池组为例,说明本发明的具体实施步骤。所用的单体锂电池容量30Ah,额定放电电流30A,最大放电电流60A,充电电流小于15A,充电截至电压4.2V，放电截至电压3.0V。动力电池组输出电压：48-67.2V。在本实施例中将16个单体电池分为2个电池模块，参见图5，对应地设置2个电压检测模块、2个温度检测模块和2个隔离模块。
电压检测模块A和电压检测模块B均选用MaximIntegrated生产的MAX11068电池检测集成电路芯片，隔离模块A和隔离模块B选用AnalogDevices生产的ADuM1250双向I2C隔离接口集成电路。
管理模块以ATMEL公司生产的AT89S52微控制器为核心，配置基本的外围电路，微控制器通过模拟I2C接口1与电压检测模块A之间建成隔离的模拟I2C通讯通道，进行数据和命令的传送，微控制器通过模拟I2C接口3与电压检测模块B之间建成隔离的模拟I2C通讯通道，进行数据和命令的传送。
通讯模块选用MaximIntegrated生产的MAX3232串口RS232接口集成电路，实现管理模块与外部设备(汽车中央控制系统或控制计算机等)的实时数据通讯。
温度检测模块A包括8只LM75数字温度传感器，这8只数字温度传感器共用一条I2C通讯总线，这条通讯总线连接到微控制器的模拟I2C接口2。温度检测模块A包括的8只数字温度传感器分别附着安装在电池模块A中的8个单体电池上。
温度检测模块B包括8只LM75数字温度传感器，这8只数字温度传感器共用一条I2C通讯总线，这条通讯总线连接到微控制器的模拟I2C接口4。温度检测模块B包括的8只数字温度传感器分别附着安装在电池模块B中的8个单体电池上。
电源模块选用通用的DC-DC隔离电源，根据本实施例中动力电池组的输出电压范围，选用广州金升阳科技有限公司生产的输入电压36-72V、输出电压5V的DC-DC隔离电源，型号为WRF4805P-6W。外置的电源开关KX连接在DC-DC隔离电源的输入端。
电流检测模块，参见图2，其中的霍尔电流传感器选用AllegroMicroSystems生产的ACS759LCB-100B霍尔线性电流传感器,其电流量程±100A；运算放大电路选用TexasInstrumentsIncorporated生产的OPA4830集成电路芯片；比较器电路选用LM393集成电路芯片；电量计量电路选用MaximIntegrated生产的DS2740库仑计集成电路。霍尔电流传感器输出的信号经运算放大电路调理后，分别送比较器电路和电量计量电路。比较器电路将输入信号与预定的充放电过流保护值相比较。当过流发生时，比较器电路向乡管理模块中的微控制器发送中断信号。电量计量电路实时累计充电或放电过程中流入或流出动力电池组的电量，并将累计的电量数据实时传送给管理模块。
充放电控制模块，参见图4，其中的电路开关KM选用2只InternationalRectifier生产的IRFB4110大功率场效应管，并设计R32,R33电阻为场效应管的输入提供保护，R32的电阻值为5欧，R33的电阻值为10千欧。隔离电源DC1选用金升阳生产的输入电压5V、输出电压12V的隔离稳压开关电源模块WRB0512CKS-1W。隔离光藕KD选用市售普通的TLP521-1光藕，隔离光藕KD的输入端连接至管理模块中的微控制器，输出端连接至电路开关KM。隔离电源DC1和隔离光藕KD组成隔离驱动电路，接收管理模块发来的命令，驱动电路开关KM的闭合和关断。
内阻检测模块，参见图6，根据本实施例中动力电池组的容量、充放电参数和各单体电池的初始内阻值及本实施例中选用的电压检测模块的电压测量精度，确定内阻检测模块中各电路元件的参数，内阻检测电流15-20A。内阻检测负载电阻RL选用3Ω的大功率脉冲负载电阻；延时保险FR选用10A125VDC的延时保险，检测开关KR选用Vishay生产的耐压150V的SUP80N15场效应管；分流器RS选用精度0.2级的FL-27直流分流器，分流器规格75mV/30A；信号放大电路AV选用AnalogDevices生产的精密低噪声比例放大器AD8606；A/D转换器电路选用MaximIntegrated生产的低功耗12bit模拟-数字转换集成电路MAX1236；数字隔离电路DT选用AnalogDevices生产的双向I2C隔离接口集成电路ADuM1250；开关驱动电路DR使用市售的光耦芯片TLP521-1；隔离电源DC2选用金升阳生产的输入电压5V、输出电压12V的隔离稳压开关电源模块WRB0512CKS-1W；隔离电源DC3选用金升阳生产的输入电压5V、输出电压5V的隔离稳压开关电源模块WRB0505CKS-1W。隔离电源DC3为信号放大电路AV和A/D转换器电路提供隔离的工作电源。
在本实施例中,在每次闭合电源开关KX，电源模块上电，管理模块中的微控制器上电启动，并执行预制的程序，参见图7，完成系统自检后运行内阻检测程序，通过直流瞬间放电的测量方法，按照前面所述的检测步骤(1)-(12)，对动力电池组中各单体电池直流内阻的在线快速检测。随后，管理模块实时检测电池组电压、电流、温度、各单体电池电压、充放电电量，判定各单体电池的状态，通过充放电控制模块控制充放电过程；通过通讯模块，向外部设备(汽车中央控制系统或控制计算机等)实时传送动力电池组及各单体电池的状态数据。
Claims (2)
1.一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统，包括动力电池组、电源模块、电源开关KX、管理模块、电流检测模块、内阻检测模块、充放电控制模块、充放电插座JC、通讯模块，还包括至少1个电压检测模块、至少1个隔离模块和至少1个温度检测模块。
2.根据权利要求1所述的一种带有内阻监测功能的动力电池组管理系统，其特征在于所述的内阻检测模块中包括隔离电源DC2、开关驱动电路DR、延时保险FR、负载电阻RL、内阻检测开关KR、分流器RS、隔离电源DC3、信号放大电路AV、A/D转换电路、数字隔离电路DT，其中所述的延时保险FR、负载电阻RL、内阻检测开关KR、分流器RS串联连接，串联后的电路的2个电连接端点J52和J53分别连接到动力电池组的电源输出的正电极P+和负电极P-，内阻检测开关KR的控制端与开关驱动电路DR的输出端连接，分流器RS与信号放大电路AV连接。
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- 2016-04-29 CN CN201610276251.1A patent/CN105759221A/zh active Pending
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