CN110010985A - 用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，包括：CAN总线，连接电池组内铅酸蓄电池采集电池组总电压；模数转换单元，用于采集铅酸蓄电池的端电压；电压转换单元，用于转换直流电压至额定电压进行供电；处理器，用于根据铅酸蓄电池的端电压得到其对应的开路电压，利用SOC查找表、参照电池组总电压与目标均衡电压以及SOC温度修正系数得到当前铅酸蓄电池的SOC值；电压均衡控制系统，用于判断铅酸蓄电池的端电压是否大于目标均衡电压时，当其大于目标均衡电压时，采用运算方式放电直到其电压满足目标均衡电压为止；当其小于目标均衡电压时，增大目标均衡电压的充电电流直到其电压满足目标均衡电压为止。

Description

用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构
技术领域
本发明涉及电池处理技术领域，特别是涉及一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构。
背景技术
在铅酸蓄电池领域，要计算单体铅酸蓄电池参数往往需要采用多种仪器分别测量，通过多种仪器结合测量最终才能获取铅酸蓄电池参数(如电量、电压、健康状态等参数)，同时，各个电池单体在使用过程中产生不一致性，如果不加以控制将会对电池的使用造成一定的影响甚至是危险，它的影响主要体现在以下几个方面：(1)由于串联电池组的电池是同充同放的，在充电过程中，容量低的电池必然先充满。出于对电池的寿命以及安全性的考虑，此时就要断开充电电流，认为电池组已充满。这样就造成电池组的容量得不到充分的利用，并且低容量的电池长期处于深充深放状态也会造成电池寿命的衰减率远大于高容量电池。(2)充电时低容量电池必定最先达到充电截止电压并过充，同样，放电时低容量电池也会最先放出所有电量并过放。这样导致的后果就是低容量电池将迅速损坏报废，影响电池组正常工作，严重的话还会引起电池爆炸，威胁人身安全。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，用于解决现有技术中芯片无法智能管理铅酸蓄电池参数，实现各个单体电池均衡的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，包括：
CAN总线，连接电池组内各个铅酸蓄电池，采集电池组总电压；
模数转换单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于采集铅酸蓄电池的端电压；
电压转换单元，连接外部电源，用于转换直流电压至额定电压进行供电；
处理器，用于根据所述铅酸蓄电池的端电压得到其对应的开路电压，利用SOC查找表、参照所述电池组总电压与目标均衡电压以及SOC温度修正系数得到当前铅酸蓄电池的SOC值；还用于查询SOH查找表得到该铅酸蓄电池的SOH值；
电压均衡控制系统，用于判断所述铅酸蓄电池的端电压是否大于目标均衡电压时，当其大于所述目标均衡电压时，采用计算SOC值与SOH值进行放电直到其电压满足目标均衡电压为止；当其小于所述目标均衡电压时，增大所述目标均衡电压的充电电流直到其电压满足目标均衡电压为止。
于本发明的一实施例中，所述电压均衡控制系统，包括：
能量消耗控制单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测到所述铅酸蓄电池的端电压大目标均衡电压时，启动能量消耗芯片进行SOC值与SOH值计算，降低所述能能量消耗芯片端电压直到满足目标均衡电压为止；
能量补给单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测所述铅酸蓄电池的端电压小于目标均衡电压时，增大直流母线的充电电流提高所述酸蓄电池的直到其电压满足目标均衡电压为止。
于本发明的一实施例中，所述能量消耗芯片包括：
串行总线，连接所述能量消耗控制单元，用于接收其控制；
电源，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于获取所述铅酸蓄电池电压为所述能量消耗芯片提供电源；
SOC算法模型，用于计算与优化SOC值；
SOH算法模型，用于计算与优化SOH有效值。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：温度监测单元，用于采集蓄电池壳体温度为所述处理器计算其对应的SOC温度修正系数。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：电池模型存储区，连接调试单元，用于将电池模型数据写入其存储区。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：时钟单元，用于产生时钟信号。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：复位单元，用于接收复位信号初始化芯片内寄存器与处理器。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：
随机存储内存，用于读取运行处理器程序；
只读存储器，用于存储SOC查找表、SOH查找表。
于本发明的一实施例中，该芯片架构还包括：
所述处理器当监测到所述铅酸蓄电池的端电压等于目标均衡电压时，持续监测所述铅酸蓄电池的端电压。
于本发明的一实施例中，所述芯片架构应用于额定电压为2V单体铅酸蓄电池。
如上所述，本发明的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，具有以下有益效果：
根据各个电池组电池单体的SOC检测结果，控制剩余电量(SOC)较高的电池单体的能量进行供电以大量运算的能量消耗进行放电，控制剩余电量(SOC)较小的电池单体的能量进行充电，提高了电池组能量的利用率，延长了电池使用时间，该芯片架构还具有实时端电压测量、电池温度测量、电池容量预估、健康状态预测、适应多型号电池的特点。
附图说明
图1显示为本发明提供的一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构结构示意图；
图2显示为本发明提供的一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，为本发明提供一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构结构示意图，包括：
CAN总线，连接电池组内各个铅酸蓄电池，采集电池组总电压；
其中，该铅酸蓄电池优选为额定电压为2V单体铅酸蓄电池，当然，根据需求也可统一替换成多种其他型号的蓄电池。
模数转换单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于采集铅酸蓄电池的端电压；
电压转换单元，连接外部电源，用于转换直流电压至额定电压进行供电；
处理器，用于根据所述铅酸蓄电池的端电压得到其对应的开路电压，利用SOC查找表、参照所述电池组总电压与目标均衡电压以及SOC温度修正系数得到当前铅酸蓄电池的SOC值；还用于查询SOH查找表得到该铅酸蓄电池的SOH值；
电压均衡控制系统，用于判断所述铅酸蓄电池的端电压是否大于目标均衡电压时，当其大于所述目标均衡电压时，采用计算SOC值与SOH值进行放电直到其电压满足目标均衡电压为止；当其小于所述目标均衡电压时，增大所述目标均衡电压的充电电流直到其电压满足目标均衡电压为止。
在本实施例中，所述处理器的位数至少为32位，CAN总线至少一路，用于电池组内各个单体电池组网通信，两路模数转换器，可选24位2路ADC，连接所述铅酸蓄电池用于采集铅酸蓄电池的端电压；能量补给单元，用于蓄电池能量补充，能量消耗控制单元，用于带你吃能量泄放；SOC查找表，用于电池容量推算；SOH查找表，用于推算SOH，电池模型存储区，用于存放电池模型，电源变换单元，用于芯片供电和能量补给；温度检测单元，用于检测芯片外部温度。
请参阅图2，为为本发明提供的一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构原理示意图，包括：
所述电压均衡控制系统，包括：
能量消耗控制单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测到所述铅酸蓄电池的端电压大目标均衡电压时，启动能量消耗芯片进行SOC值与SOH值计算，降低所述能能量消耗芯片端电压直到满足目标均衡电压为止；
其中，所述能量消耗芯片包括：
串行总线，连接所述能量消耗控制单元，用于接收其控制；
电源，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于获取所述铅酸蓄电池电压为所述能量消耗芯片提供电源；
SOC算法模型，用于计算与优化SOC值；
SOH算法模型，用于计算与优化SOH有效值。
能量补给单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测所述铅酸蓄电池的端电压小于目标均衡电压时，增大直流母线的充电电流提高所述酸蓄电池的直到其电压满足目标均衡电压为止。
所述处理器当监测到所述铅酸蓄电池的端电压等于目标均衡电压时，持续监测所述铅酸蓄电池的端电压。
在本实施例中，本芯片采用集成电路设计技术，将电池电压均衡、SOC计算、SOH预估等功能进行集成。可实现铅酸蓄电池的主动均衡、被动均衡以及混合均衡；具有电池端电压测量、SOC计算、SOH预估功能；具有算法自我进化功能。
该芯片架构还包括：温度监测单元，其采用温度传感器采集蓄电池壳体温度为所述处理器计算其对应的SOC温度修正系数。
电池模型存储区，连接调试单元，用于将电池模型数据写入其存储区。
时钟单元，用于产生时钟信号。
复位单元，用于接收复位信号初始化芯片内寄存器与处理器。
随机存储内存，用于读取运行处理器程序；
只读存储器，用于存储SOC查找表、SOH查找表。
在上述实施例基础上，该芯片的工作原理为：
采用功率线和信号线连接芯片外围。功率线连接：(1)蓄电池的正负极分别接2路ADC接口；(2)能量补给单元的正负极也接到蓄电池正负极；(3)能量消耗单元的正负极接到能量补给的正负极；(4)直流电源母线的正负极接电压变换单元的正负极。信号线连接：(1)2路ADC采样分别接到蓄电池的正负极；(2)1路CAN总线接到电池组CAN总线上；(3)能量消耗控制单元的串行总线(SPI)接到能量消耗单元的串行总线上；(4)温度测量单元接到温度传感器上；
初始化芯片：通过调试接口，将电池模型数据写入电池模型存储区，将SOC查找表、SOH查找表写入对应区域。
芯片上电后，ADC模块采集蓄电池的实时端电压，CAN通信模块读取并解析从外部CAN总线上接收到的其他电池的电压，温度监测单元读取蓄电池壳体温度。CPU在读取上述数据后，根据端电压，得到电池开路电压，由开路电压通过查表的方式得到SOC；根据CAN总线数据可以得到电池组总电压和目标均衡电压；通过温度监测单元可以得到电池壳体温度，从而得出SOC温度修正系数，最终得到当前蓄电池的SOC。蓄电池的SOH通过读取SOH查找表直接获得。
当蓄电池端电压高于目标均衡电压时，CPU将通过能量消耗控制单元启动能量消耗芯片开始工作，工作时将通过串行总线，将当前的运算参数传入运算芯片，运算芯片将在蓄电池供电的情况下进行大运算量计算，从而消耗蓄电池电能使得电压降低，直到满足目标均衡电压控制要求。在大运算量计算时，主要完成SOC、SOH计算模型的修正和优化，并将最后结果保存到电池模型存储区。
当蓄电池端电压低于目标均衡电压时，CPU将通过能量补给单元，将直流母线上获得的能量注入蓄电池，使得蓄电池上的充电电流高于其他串接的蓄电池，达到提升本节电池达到目标均衡电压。
当蓄电池端电压等于目标均衡电压时，CPU将只进行端电压测量。
综上所述，本发明根据各个电池组电池单体的SOC检测结果，控制剩余电量(SOC)较高的电池单体的能量进行供电以大量运算的能量消耗进行放电，控制剩余电量(SOC)较小的电池单体的能量进行充电，提高了电池组能量的利用率，延长了电池使用时间，该芯片架构还具有实时端电压测量、电池温度测量、电池容量预估、健康状态预测、适应多型号电池的特点。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，包括：
CAN总线，连接电池组内各个铅酸蓄电池，采集电池组总电压；
模数转换单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于采集铅酸蓄电池的端电压；
电压转换单元，连接外部电源，用于转换直流电压至额定电压进行供电；
处理器，用于根据所述铅酸蓄电池的端电压得到其对应的开路电压，利用SOC查找表、参照所述电池组总电压与目标均衡电压以及SOC温度修正系数得到当前铅酸蓄电池的SOC值；还用于查询SOH查找表得到该铅酸蓄电池的SOH值；
电压均衡控制系统，用于判断所述铅酸蓄电池的端电压是否大于目标均衡电压时，当其大于所述目标均衡电压时，采用计算SOC值与SOH值进行放电直到其电压满足目标均衡电压为止；当其小于所述目标均衡电压时，增大所述目标均衡电压的充电电流直到其电压满足目标均衡电压为止。
2.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，所述电压均衡控制系统包括：
能量消耗控制单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测到所述铅酸蓄电池的端电压大目标均衡电压时，启动能量消耗芯片进行SOC值与SOH值计算，降低所述能能量消耗芯片端电压直到满足目标均衡电压为止；
能量补给单元，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于监测所述铅酸蓄电池的端电压小于目标均衡电压时，增大直流母线的充电电流提高所述酸蓄电池的直到其电压满足目标均衡电压为止。
3.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，所述能量消耗芯片包括：
串行总线，连接所述能量消耗控制单元，用于接收其控制；
电源，分别连接所述铅酸蓄电池的正极、负极，用于获取所述铅酸蓄电池电压为所述能量消耗芯片提供电源；
SOC算法模型，用于计算与优化SOC值；
SOH算法模型，用于计算与优化SOH有效值。
4.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，还包括：温度监测单元，用于采集蓄电池壳体温度为所述处理器计算其对应的SOC温度修正系数。
5.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，还包括：电池模型存储区，连接调试单元，用于将电池模型数据写入其存储区。
6.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，还包括：时钟单元，用于产生时钟信号。
7.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，还包括：复位单元，用于接收复位信号初始化芯片内寄存器与处理器。
8.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，还包括：
随机存储内存，用于读取运行处理器程序；
只读存储器，用于存储SOC查找表、SOH查找表。
9.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，所述处理器当监测到所述铅酸蓄电池的端电压等于目标均衡电压时，持续监测所述铅酸蓄电池的端电压。
10.根据权利要求1所述的用于铅酸蓄电池智能管理的芯片架构，其特征在于，所述芯片架构应用于额定电压为2V单体铅酸蓄电池。
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