CN106208236A - 一种电池的均衡管理系统及主动均衡控制方法 - Google Patents

一种电池的均衡管理系统及主动均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电池的均衡管理系统及主动均衡控制方法，包括数据采集单元、监测控制单元、均衡单元电路、显示单元和上位机；所述数据采集单元用于采集电池单体数据，包括各电池单体的电压和温度，电池单体的相关数据通过显示单元显示；所述监测控制单元用于与电池单体信息实时采集单元和上位机进行实时信息交互，及进行均衡控制规则算法的计算和控制信号生成，生成的控制信号用于控制均衡单元电路，以实现整个电池组能量的均衡一致。本发明不仅能实时监测电池单体信息，并在电池之间出现不均衡状态后，能准确有效的动作相应的主动均衡控制单元，而且相比较被动均衡技术，主动均衡能更好的提升锂电池的能量利用率。

Description

一种电池的均衡管理系统及主动均衡控制方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体是一种电池的均衡管理系统及主动均衡控制方法。
背景技术
电池管理系统(BMS)作为锂电池动力系统中的关键部件，是电池和整个动力系统的联接纽带。电池管理系统主要是通过实时监测电池参数（电压、电流、温度等），判断出电池当前的工作状态，若存在不平衡则通过均衡控制单元使整个锂电池组回归到基本平衡态。
锂电池均衡控制的方案主要分为能量耗散型和非能量耗散型两大类型。由于节能减排是国家发展的主题，因此非能量耗散型是整体发展的趋势，但是在实际推广中也要考虑成本因素和复杂程度。
尽管近年来国内外企业和科研机构设计的电池管理系统的性能已经有了很大的提升，甚至也有一部分已经进入了实际应用阶段，但总是或多或少的有些问题。同时相对于国外的电池管理系统而言，国内的电池管理系统仍然处于落后状态。国内研究开发的设备在开发与应用方面仍存在系统可靠性不高、设备精度不高、智能化程度不够高以至于不能满足大规模应用的需要、设备功耗较高等不足。
因此，迫切需要提供一种高效、稳定、低功耗的电池均衡管理系统及控制方法，以解决以上所述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效、稳定、低功耗的电池均衡管理系统及电池的主动均衡控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种电池的均衡管理系统，包括数据采集单元、监测控制单元、均衡单元电路、显示单元和上位机；所述数据采集单元用于采集电池单体数据，包括各电池单体的电压和温度，电池单体的相关数据通过显示单元显示；所述监测控制单元与数据采集单元、显示单元和上位机相连，该监测控制单元用于与电池单体信息实时采集单元和上位机进行实时信息交互，及进行均衡控制规则算法的计算和控制信号生成，生成的控制信号用于控制均衡单元电路，以实现整个电池组能量的均衡一致。
其中，所述数据采集单元为ATA6870芯片或普通的A/D采样模拟电路。本方案采用ATA6870芯片采集方案，其集成采集芯片内部自带6通道12位的A/D转换，大大简化了采集电路的复杂性，同时提高了采集数据的精度。
所述均衡单元电路包括相串联的单体电池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二极管D1、D2，电感L1、L2，所述单体电池Celln的正极与MOS管Q1的漏极相连，MOS管Q1的栅极经电容C1、电阻R1与单体电池Celln-1的正极相连，MOS管Q1的源极经电感L1分别与电池Celln-1的正极和二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极经电感L2与MOS管Q1的漏极相连，所述电池Celln-1的负极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与MOS管Q1的源极相连。
所述监测控制单元为ATmega32HVB微控制器，通过SPI与ATA6870芯片通信，通过生成PWM信号控制均衡单元电路的PMOS开关状态。
所述上位机与监测控制单元之间通过CAN方式来进行数据传递。优选采用液晶显示屏为显示单元。
另一方面，本发明还相应的提供了电池的主动均衡控制方法，包括以下步骤：
a. 通过电池单体信息实时采集芯片采集并传输电池系统中电池的电压、温度信号；
b. 通过监测控制单元将获得的数据进行处理后，经算法处理获得整个电池系统的工作状态及通过与监测控制单元相连接的上位机获得估算的电池系统的剩余容量；
c. 如果出现电池能量不均衡的状态，则通过监测控制单元来启动相应的均衡单元电路实现整个电池组能量得到均衡一致，并实时的将电池的工作状态通过显示单元提供给用户；
d. 如果电池出现故障时，通过上位机实时监控信息反馈至用户使用端并相应作出保护动作。
进一步的，在步骤a中，所述电池单体信息实时采集芯片为ATA6870芯片，该芯片内部集成A/D采样单元。
进一步的，在步骤b中，获取监测并上传的电池单体信息后，通过安时积分及卡尔曼滤波器修正来预估电池剩余电量。
进一步的，在步骤c中，出现电池不均衡状态后，通过双向无损均衡控制方式来实现电池单体之间的状态均衡。这里所阐述的无损是比较被动均衡而言，真正的无损均衡是不现实的。
由上述技术方案可知，本发明中不仅能实时监测电池单体信息，并在电池之间出现不均衡状态后，能准确有效的动作相应的主动均衡控制单元，而且相比较被动均衡技术，主动均衡能更好的提升锂电池的能量利用率。
附图说明
图1是本发明电池的均衡管理系统的结构图；
图2是本发明电池的均衡管理系统的均衡控制策略示意图；
图3是本发明的均衡单元电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本实施例的电池的均衡管理系统，包括数据采集单元1、监测控制单元3、均衡单元电路2、显示单元6和上位机5；该数据采集单元1用于采集电池单体数据，包括各电池单体的电压和温度，电池单体的相关数据通过显示单元6显示；监测控制单元3与数据采集单元1、显示单元6和上位机5相连，该监测控制单元3用于与电池单体信息实时采集单元和上位机5进行实时信息交互，及进行均衡控制规则算法的计算和控制信号生成，生成的控制信号用于控制均衡单元电路2，以实现整个电池组能量的均衡一致。
本实施例的数据采集单元1为ATA6870芯片，ATA6870芯片具有节约空间，低功耗，无需额外增加电源等突出的优点，并能在相当长的一段时间（不小于15年）内维持较高的测量精度。当然，ATA6870芯片也可以由普通的A/D采样模拟电路以实现相同功能。
监测控制单元3为ATmega32HVB微控制器，通过SPI与ATA6870芯片通信，通过生成PWM信号控制均衡单元电路的MOS管Q1的状态。上位机5与监测控制单元3之间通过CAN方式来进行数据传递。显示单元6为液晶显示屏。系统首先通过ATA6870的电压监测单元监测出当前电池的电压状态值，经过芯片内部的ADC转换。由于ATA6870内部没有PWM生成模块，所以将相应的数字信号通过芯片相应的SPI通信接口传送到ATmega32HVB微控制器，经过相应的均衡决策，通过PWM输出信号来控制相应的MOS管Q1的开关状态。当电池组出现过放、过充等现象时，对应的保护电路4启用以达到硬件保护的功能。
进一步参考图3，均衡单元电路2包括相串联的单体电池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二极管D1、D2，电感L1、L2，及外围电路。所述单体电池Celln的正极与MOS管Q1的漏极相连，MOS管Q1的栅极经电容C1、电阻R1与单体电池Celln-1的正极相连，MOS管Q1的源极经电感L1分别与电池Celln-1的正极和二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极经电感L2与MOS管Q1的漏极相连，所述电池Celln-1的负极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与MOS管Q1的源极相连。该电路仅对两个单体电池进行举例，在实际当中可在此电路的基础上进行电路改进，以适合多个单体电池进行均衡处理。
当Cell n的电压高于Cell n-1时，相应的PMOS导通，电池能量暂时存放在电感Ln中，经过一段时间，MOS管关断，通过续流作用，电感中能量转移到Cell n-1中。相反的情况，则控制方式也是按照此种方式进行。特此说明，图3仅为相邻单体电池间的均衡单元电路2，多级电池相邻单体之间参照此种电路拓扑展开。
进一步参考图2，本系统可实现电池单体间的能量自主向着平衡转移，一步步减小各个电池单体的差距进而达到整体均衡。
进一步而言，均衡单元电路2由电压值较高的电池单体转移到较低的电池单体从而达到整体均衡。如前面所述电池的电压是体现电池当前状态SOC的代表性参数，即整个锂电池组达到了能量均衡状态。此种均衡方式的导通损耗小，电路组成简易，且能量转移过程快速高效。
此外，与该系统相互配套的电池的主动均衡控制方法，包括以下步骤：
a. 通过电池单体信息实时采集芯片采集并传输电池系统中电池的电压、温度信号；
b. 通过监测控制单元3将获得的信号数据进行处理后，经算法处理获得整个电池系统的工作状态及通过与监测控制单元3相连接的上位机5获得估算的电池系统的剩余容量；
c. 如果出现电池能量不均衡的状态，则通过监测控制单元3来启动相应的均衡单元电路2实现整个电池组能量得到均衡一致，并实时的将电池的工作状态通过显示单元提供给用户；
d. 如果电池出现故障时，通过上位机5实时监控信息反馈至用户使用端并相应作出保护动作。
在步骤a中，所述电池单体信息实时采集芯片为ATA6870芯片，该芯片内部集成A/D采样单元。在步骤b中，获取监测并上传的电池单体信息后，通过安时积分及卡尔曼滤波器修正来预估电池剩余电量。在步骤c中，出现电池不均衡状态后，通过双向无损均衡控制方式来实现电池单体之间的状态均衡
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池的均衡管理系统，其特征在于：包括数据采集单元、监测控制单元、均衡单元电路、显示单元和上位机；
所述数据采集单元用于采集电池单体数据，包括各电池单体的电压和温度，电池单体的相关数据通过显示单元显示；
所述监测控制单元与数据采集单元、显示单元和上位机相连，该监测控制单元用于与电池单体信息实时采集单元和上位机进行实时信息交互，及进行均衡控制规则算法的计算和控制信号生成，生成的控制信号用于控制均衡单元电路，以实现整个电池组能量的均衡一致。
2.根据权利要求1所述的均衡管理系统，其特征在于：所述数据采集单元采用型号为ATA6870的芯片或普通的A/D采样模拟电路。
3.根据权利要求2所述的均衡管理系统，其特征在于：所述均衡单元电路包括相串联的单体电池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二极管D1、D2，电感L1、L2，所述单体电池Celln的正极与MOS管Q1的漏极相连，MOS管Q1的栅极经电容C1、电阻R1与单体电池Celln-1的正极相连，MOS管Q1的源极经电感L1分别与电池Celln-1的正极和二极管D1的阳极相连，二极管D1的阴极经电感L2与MOS管Q1的漏极相连，所述电池Celln-1的负极与二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极与MOS管Q1的源极相连。
4.根据权利要求3所述的均衡管理系统，其特征在于：所述监测控制单元为ATmega32HVB微控制器，通过SPI与ATA6870芯片通信，并通过生成PWM信号控制均衡单元电路的PMOS开关状态。
5.根据权利要求1所述的均衡管理系统，其特征在于：所述上位机与监测控制单元之间通过CAN方式来进行数据传递。
6.根据权利要求1所述的均衡管理系统，其特征在于：所述电池均衡管理系统还设置有保护电路，保护电路连接于监测控制单元和电池组之间，当电池组出现过放、过充等现象时，对应的保护电路启用以达到硬件保护的功能。
7.一种电池的主动均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 通过电池单体信息实时采集芯片采集并传输电池系统中电池的电压、温度信号；
b. 通过监测控制单元将获得的信号数据进行处理后，经算法处理获得整个电池系统的工作状态及通过与监测控制单元相连接的上位机获得估算的电池系统的剩余容量；
c. 如果出现电池能量不均衡的状态，则通过监测控制单元来启动相应的均衡单元电路实现整个电池组能量得到均衡一致，并实时的将电池的工作状态通过显示单元提供给用户；
d. 如果电池出现故障时，通过上位机实时监控信息反馈至用户使用端并相应作出保护动作。
8.根据权利要求7所述的主动均衡控制方法，其特征在于：在步骤a中，所述电池单体信息实时采集芯片为ATA6870芯片，该芯片内部集成A/D采样单元。
9.根据权利要求7所述的主动均衡控制方法，其特征在于：在步骤b中，获取监测并上传的电池单体信息后，通过安时积分及卡尔曼滤波器修正来预估电池剩余电量。
10.根据权利要求7所述的主动均衡控制方法，其特征在于：在步骤c中，出现电池不均衡状态后，通过双向无损均衡控制方式来实现电池单体之间的状态均衡。
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