CN109037801B - 一种锂电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，包括一个电池组控制器以及多个单体电池控制器，单体电池控制器的输入端口连接有单体电池，多个单体电池控制器在其输出端串联形成电池组，电池组输出端连接至电池组控制器输出端，电池组控制器的输入端连接至用电负载或充电设备；单体电池控制器的功率拓扑采用双向DC‑DC变换器，用于实现对单体电池的充电或放电；单体电池控制器和电池组控制器通过功率信号复合调制通信的方式进行通信。本发明可以实现信息采集、数据通信、电池电能主动均衡、电池组保护和历史信息存储等多项功能，同时具有通信成本低、维护简单、节省线束、结构紧凑和便于电池二次使用的优点。

Description

一种锂电池管理系统
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统。
背景技术
锂离子动力电池在生活、生产的方方面面都得到了大规模的应用，无论是日常生活中常见的电动汽车、电动工具、电动自行车，或是新兴技术例如新能源发电、智能电网中，锂离子动力电池都是其重要组成部分，为系统提供能源或存储多余能量。
在大功率应用领域，相对于其他类型的储能电池，锂离子电池具有能量与功率密度高、循环寿命长、环保等的优点；与镍氢电池相比，其电芯电压约高3倍，功率密度约高2倍，自放电率约为1/2，且无记忆效应。但是，在大多数系统中，锂离子电池的可靠性是其性能瓶颈，由于锂离子电池的热稳定性和一致性较差，对应用环境要求更为苛刻，不可过充电和过放电，因此在锂电池应用场合一般配备电池管理系统(Battery Management System，BMS)，对电池进行合理有效的管理和控制，确保电池安全、延长电池寿命、提升系统性能。
在BMS硬件架构方面，从可靠性、模块化、均衡技术等角度出发，学术界和工业界做了大量的相关研究，目前主流的硬件架构方案是两层式的结构，如图1所示，它仅包含模块电池管理单元和成组电池管理单元。这样的结构在已公开的专利中有很多，这主要是因为为每个单体电池提供专门的管理单元大幅度增加了成本，在这些模块电池监控单元中，一般采用前端采样芯片(Analoguefront end，AFE)监控每个单体电池的电压，而相关信息在模块电池管理单元的MCU中进行处理，即模块电池是最小的管理单位。多家半导体厂商开发了用于锂电池的前端采样芯片，用于支持该种硬件架构，如凌力尔特(Linear)的LTC680X系列、德州仪器(Texas instruments)的BQ76PL536、美信(Maxim)的MAX11068等。不同于这样的两层式架构，基于单体电池的方案是用一颗芯片独立地管理一个单体电池，再通过总线和主控MCU通信，实现系统级的监控和控制，将MCU、前端采样和单体电池集成在一起，用于监控单节单体电池，执行SOC估算及相关控制，尽管器件的数量和成本可能会相应上升，但是考虑到电动汽车中大容量单体电池的成本以及可能带来的好处，该部分的成本上升仍然是可接受的。
在BMS的通信方面，可采用无线通信或有线通信，有线通信又可分为独立布线方式和电源线载波通信方式。无线通信的组网调试比较复杂，降低了系统的可靠性；独立布线的有线通信技术较为成熟，通信速率可达1Mbps，如配以CAN收发芯片的CAN(ControlledAreaNetwork)现场总线技术，目前被广泛应用，但是与电源线载波通信方式相比，其接线复杂，且增加了安装成本。由于电池管理系统中主要传输的是电池电压、电流信息，这些信息变化的时间尺度较大，通信速率要求不高，基于成本考虑，电源线载波通信方式可能是一个更为简便的解决方案。
在BMS的电池均衡方面，电池均衡技术可分为被动均衡和主动均衡。被动均衡通过控制开关，使得多余电量通过电阻泄放，达到均衡目的，该方法电路和控制简单，成本低，目前在商用BMS中得到大规模应用，但该方法均衡效率低、发热量大，因此无论在学术界还是工业界，都倾向于用主动均衡替代被动均衡；主动均衡技术利用飞渡电容或是功率变换器，实现电池间的能量转移。特别是基于功率变换器的方案，能达到较好的均衡效果和速度。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，能够解决传统电池管理系统设计和布线复杂的问题。
一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，包括一个电池组控制器以及多个单体电池控制器；所述单体电池控制器用于管理对应的单体电池，其输入端连接单体电池，其内部功率拓扑采用双向DC-DC变换器，用于实现对单体电池的充电或放电；所有单体电池通过各自的单体电池控制器在输出端依次串联后形成电池组并与电池组控制器的输出端相连，电池组控制器的输入端连接至用电负载或充电设备。
进一步地，所述电池组控制器输出端与电池组的连接方式为串联或并联，电池组控制器内部功率拓扑采用降压型DC-DC变换器(如Buck型DC-DC变换器或双有源桥式DC-DC变换器等)。
进一步地，所述单体电池控制器与电池组控制器之间以及单体电池控制器相互之间均通过功率信号复合调制通信的方式进行通信。
进一步地，所述单体电池控制器包括双向DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路，其中：
所述双向DC-DC变换器一方面用于控制单体电池的充电电流和放电电流，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集双向DC-DC变换器的输入电压、输出电压和输入电流，并对输出电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输入电压、输出电压、输入电流以及纹波电压传输至数字控制器；
所述数字控制器在单体电池控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成双向DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动双向DC-DC变换器中的功率开关器件。
进一步地，所述单体电池控制器的数字控制器包括：
采样信号处理模块，用于对所述输入电压、输出电压和输入电流进行AD采样并计算得到单体电池的SOC(荷电状态)，并对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到其频谱信息；
电池故障保护模块，用于根据所述输入电压、输出电压和输入电流对单体电池进行过压、欠压以及过流保护，并生成0或1的故障结果信号发送给电池组控制器，若故障结果信号为1则控制双向DC-DC变换器停止工作；
通信载波调制模块，用于在单体电池控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
功率载波调制模块，用于根据电池组控制器下发的参考电流值，计算确定双向DC-DC变换器功率调节的控制量，进而使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成双向DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，用于在单体电池控制器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据；
历史信息存储模块，用于每隔一段时间对采样和计算得到的单体电池各项参数数据进行存储。
进一步地，所述电池组控制器包括降压型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路，其中：
所述降压型DC-DC变换器一方面用于对电池组进行充放电控制，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集降压型DC-DC变换器输入电压、输出电压和输入电流，并对输出电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输入电压、输出电压、输入电流以及纹波电压传输至数字控制器；
所述数字控制器在电池组控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成降压型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动降压型DC-DC变换器中的功率开关器件。
进一步地，所述电池组控制器的数字控制器包括：
采样信号处理模块，用于对所述输入电压、输出电压、纹波电压和输入电流进行AD采样，并对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到其频谱信息；
电池故障保护模块，用于根据输入电压对电池组进行过压和欠压保护，并生成0或1的故障结果信号，若故障结果信号为1则发送信息控制所有单体电池控制器停止工作；
参考电流计算模块，用于根据电池组当前的充放电状态以及电池组内每个单体电池的SOC通过主动均衡算法计算出每个单体电池充放电的参考电流值；
通信载波调制模块，用于在电池组控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
功率载波调制模块，用于根据降压型DC-DC变换器的输入与输出电压之比确定其功率调节的控制量，进而使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成降压型DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，用于在电池组控制器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据。
进一步地，所述调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。
基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明采用单体电池控制器作为最小的控制单元，这样彻底的模块化设计提高了控制的简便性；当串联电池数量变化时或应用领域改变时，方便配置系统，最大程度上降低硬件和软件的修改工作；单体电池控制器与单体电池集成在一起，减少了采样线束的长度，简化了接线的工作量，也减少了线束长度可能对采样带来的影响。
(2)本发明提出的功率信号复合通信方式，信号的调制和解调均可以由功率控制芯片实现，仅需要在信号接收端接入采样电路和信号调理电路，不需要额外的通信模块和布线，节约成本，后期维护容易。
(3)本发明将单体电池控制器和电池结合在一起，即引入了智能化电池的概念，电池除了可以提供和存储能量以外，也记录了电池所有的历史信息，此类信息不仅可以用于诊断电池本身状态，评估电池性能，便于二次使用，亦使得电池厂商可获得大量同类型号电池的海量数据，便于工艺提升和产品优化。
附图说明
图1为传统电池管理系统的结构示意图。
图2为本发明电池管理系统的结构示意图。
图3为Buck/Boost型DC/DC变换器拓扑结构及控制示意图。
图4为双有源全桥DC/DC变换器拓扑结构示意图。
图5为功率信号复合调制的电压波形示意图。
图6为功率信号复合调制信息的传输过程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图从具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明电池管理系统的硬件架构如图2所示，其为一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，该电池管理系统中每个单体电池控制器输出端并联所控制的单体电池，用以实现对每个单体电池充放电电流的控制，单体电池控制器的输出端串联后形成电池组输出端，电池组输出端连接至电池组控制器输出端，电池组控制器的输入端连接用电负载或电池充电设备。
单体电池控制器和电池组控制器之间通过功率信号复合调制(PSDM)通信的方式进行通信，单体电池控制器控制单体电池的充电/放电电流，对单体电池进行过温、过压、欠压和过流保护，并采集所控制的单体电池电压、单体电池电流等关键信息，通过功率信号复合调制的通信方式发送至电池组控制器；电池组控制器对整个电池组的充电或放电进行控制，其采集电池组电压、电池组电流等关键信息，对电池组进行过压、过流保护，并根据接收到的每个单体电池电压、电流信息，执行主动均衡算法，确定每个单体电池的充电或放电参考电流，将其通过功率信号复合调制的通信方式发送至单体电池控制器。同时，单体电池和电池组的历史信息被分别存入单体电池控制器和电池组控制器的存储芯片中。
本实施方式中单体电池控制器所采用的功率拓扑为一双向DC/DC变换器，输入端接单体电池，具体拓扑可采用Buck/Boost型、Cuk型、SEPIC型等。以Buck/Boost型双向DC-DC变换器为例，其结构如图3所示，开关管Q1、Q2互补工作，单体电池控制器的数字控制器通过电感电流控制环调节开关管Q1、Q2占空比，进而控制充电/放电电流io的大小，并实现单体电池之间的电能主动均衡。
本实施方式中电池组控制器与电池组的连接方式为并联连接，所采用的功率拓扑为降压型DC/DC电路，具体拓扑可采用双有源桥式DC-DC变换器、Buck型DC-DC变换器等。以双有源全桥DC-DC变换器为例，如图4所示，当电池组处于充电状态时，开关管Q5～Q8始终保持关断，变换器可等效为由Q1～Q4控制的全桥变换器，采用传统的移相控制策略，根据双有源全桥DC-DC变换器的输入端电压vDAB_in，调节移相角，使得输出端电压vDAB_out稳定；当电池组处于放电状态时，开关管Q1～Q4始终保持关断，变换器可等效为由Q5～Q8控制的全桥变换器，采用传统的移相控制策略，根据双有源全桥DC-DC变换器的输出端电压vDAB_out，调节移相角，使得用电负载得到稳定的电压vDAB_in。
本发明功率信号复合调制PSDM的通信过程为：数字控制器将待发送的数据经数字编码和数字调制后得到的扰动量叠加于所述的单体电池控制器或电池组控制器的内部功率控制回路的某一节点，使得功率控制回路输出的控制量叠加了通信载波，进而使变换器的功率输出复合了通信分量；在信号的接收端对电压进行采样，采样值通过带通滤波器和放大器、经离散傅里叶算法(DFT)解调后，得到原始的编码，对编码进行解码即可得到原始数据。
数字调制包含ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK(相移键控)等调制方式。本实施方式中，将经二进制振幅键控(2ASK)调制的数字信号叠加在功率控制环输出的占空比控制信号d上，得到d'，从而使得发送端的输出电压和电流带有通信载波。接收端对输出电压或电流进行采样，经滤波、放大、解调、解码得到原始数据，发送和接收的过程如图6所示；当电池组控制器向所有单体电池控制器发送信息时，用示波器采样电池组控制器输出端电压，和某一单体电池控制器输入端经滤波放大后的电压波形，如图5所示；从图6中可以看到接收端可以接收到发送端传输来的通信载波，经解调、解码后即可得到原始通信数据，验证了本发明通信方法的可行性。
借助于这种通信方式，本发明电池管理系统可以在电池组充电/放电等不同工况下实现对单体电池电能的主动均衡，以最大化地利用单体电池电能；并实现对单体电池与电池组状态的实时监控，使得电池组得到保护。
通过以上实施方法，本发明电池管理系统和电池管理方法可以实现信息采集、数据通信、电池电能主动均衡、电池组保护和存储电池历史信息等多项功能，同时具有通信成本低、维护简单、节省线束、结构紧凑和便于电池二次使用的优点。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种集成了信息采集、数据通信、电能均衡功能的锂电池管理系统，其特征在于：包括一个电池组控制器以及多个单体电池控制器；所述单体电池控制器用于管理对应的单体电池，其输入端连接单体电池，其内部功率拓扑采用双向DC-DC变换器，用于实现对单体电池的充电或放电；所有单体电池通过各自的单体电池控制器在输出端依次串联后形成电池组并与电池组控制器的输出端相连，电池组控制器的输入端连接至用电负载或充电设备；
所述单体电池控制器与电池组控制器之间以及单体电池控制器相互之间均通过功率信号复合调制通信的方式进行通信；
所述单体电池控制器包括双向DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路，其中：
所述双向DC-DC变换器一方面用于控制单体电池的充电电流和放电电流，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集双向DC-DC变换器的输入电压、输出电压和输入电流，并对输出电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输入电压、输出电压、输入电流以及纹波电压传输至数字控制器；
所述数字控制器在单体电池控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成双向DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动双向DC-DC变换器中的功率开关器件；
所述单体电池控制器的数字控制器包括：
采样信号处理模块，用于对所述输入电压、输出电压和输入电流进行AD采样并计算得到单体电池的SOC，并对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到其频谱信息；
电池故障保护模块，用于根据所述输入电压、输出电压和输入电流对单体电池进行过压、欠压以及过流保护，并生成0或1的故障结果信号发送给电池组控制器，若故障结果信号为1则控制双向DC-DC变换器停止工作；
通信载波调制模块，用于在单体电池控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
功率载波调制模块，用于根据电池组控制器下发的参考电流值，计算确定双向DC-DC变换器功率调节的控制量，进而使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成双向DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，用于在单体电池控制器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据；
历史信息存储模块，用于每隔一段时间对采样和计算得到的单体电池各项参数数据进行存储；
所述电池组控制器包括降压型DC-DC变换器、信号采样与调理电路、数字控制器和驱动电路，其中：
所述降压型DC-DC变换器一方面用于对电池组进行充放电控制，另一方面通过调制向输出端口发送数字信息；
所述信号采样与调理电路用于采集降压型DC-DC变换器输入电压、输出电压和输入电流，并对输出电压进行滤波得到其中的纹波电压，进而将所述输入电压、输出电压、输入电流以及纹波电压传输至数字控制器；
所述数字控制器在电池组控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量，并在内部功率调节环的输出端或给定参考功率上叠加所述扰动量以确定调制波信号，进而使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成降压型DC-DC变换器的控制信号以实现功率与通信数据的双调制控制；
所述驱动电路用于对所述控制信号进行功率放大后以驱动降压型DC-DC变换器中的功率开关器件；
所述电池组控制器的数字控制器包括：
采样信号处理模块，用于对所述输入电压、输出电压、纹波电压和输入电流进行AD采样，并对所述纹波电压进行傅里叶变换以得到其频谱信息；
电池故障保护模块，用于根据输入电压对电池组进行过压和欠压保护，并生成0或1的故障结果信号，若故障结果信号为1则发送信息控制所有单体电池控制器停止工作；
控制降压型DC-DC变换器的开关状态；
参考电流计算模块，用于根据电池组当前的充放电状态以及电池组内每个单体电池的SOC通过主动均衡算法计算出每个单体电池充放电的参考电流值；
通信载波调制模块，用于在电池组控制器对外发送信息时，根据待发送的数据为0或1通过调制算法计算出对应的扰动量；
功率载波调制模块，用于根据降压型DC-DC变换器的输入与输出电压之比确定其功率调节的控制量，进而使所述扰动量与控制量相叠加得到调制波信号；
控制信号生成模块，用于使所述调制波信号与给定的功率载波信号比较，生成降压型DC-DC变换器的控制信号；
接收解码模块，用于在电池组控制器接收信息时，对所述频谱信息进行解码识别以还原发送设备传递的数据；
所述调制算法采用固定占空比改变开关频率的调制方法或采用固定开关频率在功率给定的占空比基础上叠加扰动的调制方法。
2.根据权利要求1所述的锂电池管理系统，其特征在于：所述电池组控制器输出端与电池组的连接方式为串联或并联，电池组控制器内部功率拓扑采用降压型DC-DC变换器。
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