CN109177807A - 一种用于电动汽车的新型电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蓄电池技术领域，具体涉及一种用于电动汽车的新型电池管理系统，包括外部电源接入模块、可控开关、电压采集模块、电流采集模块、温度管理系统、若干个子储能平台和MCU，若干个子储能平台相互串联构成储能平台，电压采集模块采集储能平台两端电压且与MCU连接，电流采集模块采集流经储能平台的电流并与MCU连接，温度管理系统调节储能平台温度。本发明的实质性效果是：通过设置子储能平台构成电池的储能平台，使电池方便扩展容量或者改型成其他电压的电池包，通过平衡模块和采样模块监测和平衡电芯充电电压，延长电芯寿命，通过安全管理单元用于在紧急情况下切断电源，避免或减少二次事故发生。

Description

一种用于电动汽车的新型电池管理系统
技术领域
本发明涉及蓄电池技术领域，具体涉及一种用于电动汽车的新型电池管理系统。
背景技术
随着社会的发展，锂电池在生产生活的各个领域应用非常广泛，锂电池的应用与管理变成了各种设备发展中一种非常关键的技术。本世纪初以来，锂电池生产与研究获得了非常大的突破，因其拥有的诸多良好优点，如放电电压稳定，自放电率低，工作温度范围宽，无记忆效应，储存寿命长，重量轻，体积小等特点，已经慢慢地代替了传统的镍镉蓄电池及铅酸蓄电池，在社会生产和生活的应用领域越来越宽，变成了目前主流的动力电池。由于在锂电池内部，其化学反应非常复杂，因此人们在不断完善电池自身性能的同时，也在对电池的管理技术及使用进行不断的研究，以增加电池的使用寿命，提高电池效率，最大地发挥电池性能。为此，电池管理系统(Battery Management System，BMS)应运而生，电池管理系统用于动态地监控电池单元及电池组的运行状态，能够准确地计算电池的剩余电量，对电池实施充放电保护，促使其处在最佳工作状态，降低运行成本，提高使用寿命。目前，应用于电动车的电池管理系统，其存在着可扩展性较低、人机交互性较差、缺乏紧急电力切断的缺陷。
中国专利CN107437637A，公开日2017年12月5日，一种用于电动汽车的新型电池管理系统，由上位机、串口通信模块、CAN总线通信模块和电池参数采集模块组成；上位机中设有ARM芯片，ARM芯片的串口控制管脚外围布线连接串口通信模块，串口通信模块采用AT系列微控制器；CAN总线通信模块包括CAN控制器、CAN收发器、CAN总线；CAN控制器通过接口模块与CAN收发器通过导线连接；CAN收发器另一端接收模块接入CAN总线；电池参数采集模块包括CAN控制器、CAN收发器和电池参数采集器。简化了硬件设计，能准确测量电池电压、电流和温度；采用CAN总线作为电池监控节点的通道，保证了数据传输的准确定和数据传输速率，同时能检测多组数据；采用带磁隔离的CAN收发器，保证数据传输抗干扰性。其改进了电池管理系统的内部通信技术，但其没有解决电池管理系统可扩展性较低以及缺乏紧急电力切断的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：当前电池管理技术有缺乏扩展性和缺少紧急电力切断功能的技术问题。提出了一种易于扩展易于改型的能够监测和平衡电芯充电电压的电池管理系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种用于电动汽车的新型电池管理系统，包括外部电源接入模块、可控开关、电压采集模块、电流采集模块、温度管理系统、若干个子储能平台和MCU，所述若干个子储能平台相互串联构成储能平台，所述储能平台正极与可控开关第二端连接，所述外部电源接入模块输入端与外部电源连接，所述外部电源接入模块输出端的正极与可控开关第一端连接，所述可控开关的控制端与MCU连接，所述电压采集模块采集所述储能平台两端电压且与MCU连接，所述电流采集模块采集流经储能平台的电流并与MCU连接，所述温度管理系统调节储能平台温度。
作为优选，所述外部电源接入模块包括若干个外部电源接入口和至少一个外部电源接入控制模块，所述外部电源为直流电源，所述接入口包括电容、瞬态抑制二极管、防反二极管、过欠压切除开关、电压监测模块和DC/DC电平转换模块，所述电容以及瞬态抑制二极管均与外部电源并联，所述过欠压切除开关为MOS管，所述防反二极管阳极与外接电源正极连接，所述防反二极管阴极与过欠压切除开关的漏极连接，过欠压切除开关的栅极与外部电源接入控制模块连接，过欠压切除开关的源极与DC/DC电平转换模块输入端正极连接，DC/DC电平转换模块输出端与外部电源接入控制模块连接，外部电源接入控制模块与储能平台连接，电压监测模块监测外部电源电压并与外部电源接入控制模块连接。
作为优选，还包括信息交互单元，所述信息交互单元与MCU连接，所述子储能平台还包括微控IC和串行通信单元，所述串行通信单元与微控IC连接，所述若干个子储能平台的串行通信单元与信息交互单元相互串联建立串行通信。
作为优选，所述子储能平台包括若干个相互并联的电芯串，所述电芯串包括若干个相互串联的电芯，所述若干个电芯串包含的电芯数量相等。
作为优选，所述串行通信单元为隔离串行通信单元。
作为优选，所述子储能平台还包括平衡模块和采集模块，所述平衡模块包括平衡控制器和若干个MOS管，所述若干个MOS管的漏极和源极分别与一个电芯的两端连接，所述若干个MOS管的栅极均与平衡控制器连接，所述采集模块采集每个电芯两端电压，所述平衡模块和采集模块通信连接。
作为优选，所述平衡模块包括平衡控制器和若干个可控负载，所述可控负载包括一个MOS管和一个阻性负载，所述MOS管和阻性负载串联，所述可控负载的两端分别与一个电芯的两端连接，所述若干个MOS管的栅极均与平衡控制器连接。
作为优选，所述平衡控制器按照以下步骤工作：A1）由采集模块读取每个电芯两端电压，求得储能平台的全部电芯的平均电压；A2）依次将每个电芯两端电压与平均电压对比，若电芯两端电压高于平均电压则控制与其连接的MOS管，使该MOS管等效阻值变小，若电芯两端电压小于平均电压则控制与其连接的MOS管，使该MOS管等效阻值变大。若某个电芯两端静态电压高于整个储能平台的全部电芯的平均电压超过设定阈值，该阈值由人为设定，则控制与其连接的MOS管导通，将高出的电量通过所述定值阻性负载消耗掉，从而保证该节电芯电量与储能平台平均电压差越来越小，实现电芯能量的一致性；若某个电芯两端电压小于整个储能平台的平均电压，则控制与其连接的MOS管关断，不允许该节电芯电量被定值阻性负载消耗掉。
作为优选，所述可控开关包括继电器、MOS管Q1、MOS管Q2和直流电源，所述MOS管Q1漏极与直流电源正极连接，MOS管Q1源极与继电器线圈第一端连接，继电器线圈第二端与MOS管Q2源极连接，MOS管Q2漏极接地，MOS管Q1栅极以及MOS管Q2栅极分别与MCU连接。
作为优选，所述温度管理系统包括若干个温度传感器、热控管理单元、加热模块、水泵和水管，所述水管贴附铺设在子储能平台上并至少覆盖子储能平台的至少一个侧面，所述水管两端分别与水泵出入口连接，所述加热模块贴敷在水管表面，所述若干个温度传感器分别布置在若干个子储能平台上监测子储能平台温度，所述若干个温度传感器、加热模块和水泵均与热控管理单元连接，所述水管以及水泵内充满液体。
作为优选，还包括CAN通信接口，所述CAN通信接口与MCU连接，CAN通信接口的另外一端连接外设。
作为优选，还包括安全管理单元，所述安全管理单元检测搭载电池的电动汽车是否发生碰撞以及储能平台高压输出端口是否正常连接，若发生碰撞或者高压输出端口连接异常则切断可控开关。
作为优选，电流采集模块包括电压计和采样电阻R1，所述采样电阻R1串联接入所述储能平台负极，所述电压计监测采样电阻R1两端电压并与MCU连接。
本发明的实质性效果是：通过设置子储能平台构成电池的储能平台，使电池方便扩展容量或者改型成其他电压的电池包，通过平衡模块和采样模块监测和平衡电芯充电电压，延长电芯寿命，通过安全管理单元用于在紧急情况下切断电源，避免或减少二次事故发生。
附图说明
图1为电池管理系统结构图。
图2为子储能平台电芯连接示意图。
图3为信息交互单元以及串行通信单元连接示意图。
图4为外部电源接入模块电路连接原理图。
图5为可控开关电路连接原理图。
图6为采集模块以及平衡模块电路连接原理图。
其中：101、外部电源1，102、外部电源2，103、外部电源m，101-1、电源监测模块1，101-2、DC/DC电平转换模块1，102-1、电源监测模块2，102-2、DC/DC电平转换模块2，103-1、电源监测模块m，103-2、DC/DC电平转换模块m，104、外部电源开关1，105、外部电源开关2，106、外部电源开关m，107、外部电源接入控制模块，200、可控开关K1，201、功率驱动单元，300、温度传感器，301、热控管理单元，302、加热模块，303、水泵，400、MCU，500、电流采集模块，600、电源采集模块，700、信息交互单元，701、端口A，702、端口B，800、子储能平台1，801、子储能平台2，802、子储能平台m，800-1、微控IC1，801-1、微控IC2，802-1、微控ICm、800-3，电芯串1，801-3，电芯串2，802-3，电芯串m，800-32，扩展电芯串1，801-32，扩展电芯串2，802-32，扩展电芯串m，800-4、平衡控制器，800-5、采集模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
如图1所示，为电池管理系统结构图，包括作为控制中心的MCU400，MCU400连接有外部电源接入控制模块107，外部电源接入控制模块107与外部电源开关1 104、外部电源开关2 105以及外部电源开关m 106连接，外部电源开关1 104、外部电源开关2 105以及外部电源开关m 106分别连接外部电源1 101、外部电源2 102以及外部电源m 103，子储能平台1800、子储能平台2 801以及子储能平台m 802串联作为电池系统的储能平台，至少一个温度传感器300布置在若干个子储能平台内，监测子储能平台温度，并与热控管理单元301连接，热控管理单元301与加热模块302和水泵303连接，水管铺设在子储能平台上并至少覆盖子储能平台一侧，水管两端分别与水泵303进出口连接，加热模块302贴敷在水管表面，电流采集模块500内有电压计，采样电阻R1串联接入储能平台负极和Pack-端口之间，电压计采集采样电阻R1两端电压并转换成电流值，电流采集模块500与MCU400连接，功率驱动单元201与MCU400连接以及可控开关K1 200的控制端连接，可控开关K1 200串联接入储能平台正极和Pack+端口之间，电压采集模块600采集储能平台两端电压并与MCU400连接，信息交互单元700与MCU400连接，子储能平台内有微控IC和串行通信单元，串行通信单元与微控IC连接，微控IC与子储能平台的采集模块以及平衡模块连接，信息交互单元700与若干个子储能平台的串行通信单元相互串联建立串行通信，Pack+端口和Pack-端口分别为电池对外供电的正极和负极。
如图2所示，为子储能平台电芯连接示意图，子储能平台1、子储能平台2以及子储能平台m分别包括电芯串1 800-3、电芯串2 801-3以及电芯串m 802-3，电芯串1 800-3、电芯串2 801-3以及电芯串m 802-3可以由数量相同的若干个电芯串联组成。作为扩展子储能平台的一种实施方式，子储能平台1、子储能平台2以及子储能平台m分别包括扩展电芯串1800-32、扩展电芯串2 801-32以及扩展电芯串m 802-32，扩展电芯串1 800-32、扩展电芯串2 801-32以及扩展电芯串m 802-32均包括若干个相互并联的电芯串。
如图3所示，为信息交互单元以及串行通信单元连接示意图，信息交互单元700与MCU400连接，信息交互单元700包括端口A 701和端口B 702，子储能平台1 800、子储能平台2 801以及子储能平台m 802分别安装有微控IC1 800-1、微控IC2 801-1、微控ICm 802-1以及串行通信单元，串行通信单元包括端口A 701和端口B 702，信息交互单元700以及子储能平台的串行通信单元的端口A 701和端口B 702相互串联，建立串行通信连接。该串行通信连接能够单向或者双向通信，当该串行通信连接出现一个故障断点时，仍然能够完成通信。例如，微控IC1 800-1连接的串行通信单元端口B与微控IC2 801-1连接的串行通信单元端口A出现断点时，微控IC1 800-1可以通过串行通信单元端口A 701与信息交互单元700的端口A 701通信，微控IC2 801-1则通过与其连接的串行通信单元端口B经后续微控IC直至微控ICm 802-1的端口B 702与信息交互单元700的端口B 702完成通信。
如图4所示，为外部电源接入模块电路连接原理图，电容C1以及瞬态抑制二极管TVS1均与直流的外部电源1 101并联，用于抑制瞬态电压波动，防反二极管D1阳极与外部电源1 101正极连接，防反二极管D1阴极与电压监测模块1输入端正极以及MOS管Q104的漏极连接，电压监测模块1输入端负极与外部电源1 101的阴极连接，MOS管Q104的栅极以及电压监测模块1数据端均与外部电源接入控制模块107连接，外部电源接入控制模块107接收到电压监测模块1监测到外部电源1 101的电压值，当该电压值超过设定电压允许阈值时，通过控制MOS管Q104的栅极切断MOS管Q104的漏极和源极，使外部电源1 101切除。MOS管Q104的源极与DC/DC电平转换模块1 101-2输入端正极连接，DC/DC电平转换模块1 101-2输入端负极与外接电源1 101负极连接，DC/DC电平转换模块1 101-2输出端与外部电源接入控制模块107连接，外部电源接入控制模块107与储能平台连接。外部电源2 102、电容C2、瞬态抑制二极管TVS2、防反二极管D2、电压监测模块2 102-1、MOS管Q105和DC/DC电平转换模块2102-2的连接关系以及外部电源m 103、电容C3、瞬态抑制二极管TVS3、防反二极管D3、电压监测模块3 103-1、MOS管Q106和DC/DC电平转换模块3 103-2的连接关系同上，在此不再赘述。图1~6中，带有黑点的交叉线为连通的导线。
如图5所示，为可控开关电路连接原理图，可控开关K1 200为继电器，功率驱动单元201包括直流电源、MOS管Q1和MOS管Q2，MOS管Q1漏极与直流电源正极连接，MOS管Q1源极与可控开关K1 200线圈第一端连接，可控开关K1 200线圈第二端与MOS管Q2源极连接，MOS管Q2漏极接地，MOS管Q1栅极以及MOS管Q2栅极分别与MCU 400连接。MCU 400通过控制MOS管Q1和MOS管Q2的通断，控制可控开关K1 200的通断，即控制电池系统对外连接的通断，当MOS管Q1和MOS管Q2均导通时，电池系统与外界连通，对外供电或者由外界对其充电，当MOS管Q1或MOS管Q2处于截止状态时，电池系统与外界隔断，无法充放电。通过两个开关的控制，使电池系统更容易与外界截断，在搭载的电动汽车出现碰撞部件受损时，能够更大概率成功切断，助于提高电池系统的安全性。
如图6所示，为采集模块以及平衡模块电路连接原理图，每个电芯串均设置有一个平衡控制器800-4、一个采集模块800-5和与电芯串内电芯数量相同的MOS管，MOS管Q81、MOS管Q82以及MOS管Q83源极均分别通过电阻R81、电阻R82以及电阻R83与一个电芯的正极连接，MOS管Q81、MOS管Q82以及MOS管Q83漏极分别与一个电芯的阴极连接，MOS管Q81、MOS管Q82以及MOS管Q83的栅极均与平衡控制器800-4连接，采集模块800-5采集每个电芯两端的电压，采集模块800-5与平衡控制器800-4通信连接。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
包括外部电源接入模块、可控开关、电压采集模块、电流采集模块、温度管理系统、若干个子储能平台和MCU，
所述若干个子储能平台相互串联构成储能平台，所述储能平台正极与可控开关第二端连接，所述外部电源接入模块输入端与外部电源连接，所述外部电源接入模块输出端的正极与可控开关第一端连接，所述可控开关的控制端与MCU连接，所述电压采集模块采集所述储能平台两端电压且与MCU连接，所述电流采集模块采集流经储能平台的电流并与MCU连接，所述温度管理系统调节储能平台温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述外部电源接入模块包括若干个外部电源接入口和至少一个外部电源接入控制模块，所述外部电源为直流电源，所述接入口包括电容、瞬态抑制二极管、防反二极管、过欠压切除开关、电压监测模块和DC/DC电平转换模块，所述电容以及瞬态抑制二极管均与外部电源并联，所述过欠压切除开关为MOS管，所述防反二极管阳极与外接电源正极连接，所述防反二极管阴极与过欠压切除开关的漏极连接，过欠压切除开关的栅极与外部电源接入控制模块连接，过欠压切除开关的源极与DC/DC电平转换模块输入端正极连接，DC/DC电平转换模块输出端与外部电源接入控制模块连接，外部电源接入控制模块与储能平台连接，电压监测模块监测外部电源电压并与外部电源接入控制模块连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
还包括信息交互单元，所述信息交互单元与MCU连接，所述子储能平台还包括微控IC和串行通信单元，所述串行通信单元与微控IC连接，所述若干个子储能平台的串行通信单元与信息交互单元相互串联建立串行通信。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述子储能平台包括若干个相互并联的电芯串，所述电芯串包括若干个相互串联的电芯，所述若干个电芯串包含的电芯数量相等。
5.根据权利要求3所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述串行通信单元为隔离串行通信单元。
6.根据权利要求4所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述子储能平台还包括平衡模块和采集模块，所述平衡模块包括平衡控制器和若干个可控负载，所述可控负载包括一个MOS管和一个阻性负载，所述MOS管和阻性负载串联，所述可控负载的两端分别与一个电芯的两端连接，所述若干个MOS管的栅极均与平衡控制器连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述平衡控制器按照以下步骤工作：
A1）由采集模块读取每个电芯两端电压，求得储能平台的全部电芯的平均电压；
A2）依次将每个电芯两端电压与平均电压对比，若电芯两端电压高于平均电压则控制与其连接的MOS管，使该MOS管等效阻值变小，若电芯两端电压小于平均电压则控制与其连接的MOS管，使该MOS管等效阻值变大。
8.根据权利要求1或2所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述可控开关包括继电器、MOS管Q1、MOS管Q2和直流电源，所述MOS管Q1漏极与直流电源正极连接，MOS管Q1源极与继电器线圈第一端连接，继电器线圈第二端与MOS管Q2源极连接，MOS管Q2漏极接地，MOS管Q1栅极以及MOS管Q2栅极分别与MCU连接。
9.根据权利要求1或2所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
所述温度管理系统包括若干个温度传感器、热控管理单元、加热模块、水泵和水管，所述水管贴附铺设在子储能平台上并至少覆盖子储能平台的至少一个侧面，所述水管两端分别与水泵出入口连接，所述加热模块贴敷在水管表面，所述若干个温度传感器分别布置在若干个子储能平台上监测子储能平台温度，所述若干个温度传感器、加热模块和水泵均与热控管理单元连接，所述水管以及水泵内充满液体。
10.根据权利要求1或2所述的一种用于电动汽车的新型电池管理系统，其特征在于，
还包括CAN通信接口，所述CAN通信接口与MCU连接，CAN通信接口的另外一端连接外设；
还包括安全管理单元，所述安全管理单元检测搭载电池的电动汽车是否发生碰撞，若发生碰撞则切断可控开关；
电流采集模块包括电压计和采样电阻R1，所述采样电阻R1串联接入所述储能平台负极和Pack-端口之间，所述电压计监测采样电阻R1两端电压并与MCU连接。
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