CN111864281A - 一种锂电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

一种锂电池管理系统，包括微控制模块，还包括N个采集锂电池电芯充放电信息的电压采集电路，电压采集电路包括模拟前端模块和位移缓存模块，所述N个电压采集电路的每个模拟前端模块通过对应位移缓存模块与微控制模块进行级联，实现时序切换电压采集电路对锂电池的每个电芯进行监控管理，并且除首级电压采集电路外，其余电压采集电路的位移缓存模块与微控制模块之间还连接有电平转换电路；通过使用模拟前端模块比市场上同样的数字前端成本低，并且节省了昂贵的隔离芯片，成本得到进一步降低；通过电平转换模块将低压控制信号转换成高端级联芯片的控制信号，不需要考虑高压和弱电电路的隔离问题，避开了隔离芯片的高压问题和失效问题。

Description

一种锂电池管理系统
技术领域
本发明涉及电池管理领域，尤其是涉及一种锂电池管理系统。
背景技术
随着新能源行业的快速发展，作为锂电池里面主要组件的电池管理系统也得到快速发展。在快速发展的同时，也经常爆出电池起火爆炸等问题，越来越多的人对锂电池的使用抱有谨慎怀疑的态度。对此，当前市场对电池管理系统的要求越来越高，既要控制成本，又追求高性能，还需要将电池化″抽象″为形象，一个好的电池管理系统既要保证安全、可靠，又要可以延长电池的寿命，还能让用户放心、省心、安心。
目前市场上的电池管理系统单板方案主要有：分立器件方案、数字前端芯片级联方案、硬件前端芯片级联方案。
分立器件方案，顾名思义使用分析器件搭建，此方案在成本、稳定性、空间上都没有优势，尤其是稳定性，很容易受感染而损坏。此方案属于早期电池管理芯片匮乏而且不稳定的阶段，现在在较高串数上基本上停止使用。
数字前端芯片级联方案，当前主流的智能电池管理系统方案，该方案用多颗芯片级联，再搭配一个微控制器和每一个芯片通信，这里面需要严格处理通信隔离和信号隔离问题，而且微控制器需要较为丰富的外设资源，除此之外，该方案成本高，主要集中在数字前端芯片和通信、信号隔离芯片。
硬件前端芯片级联方案，也是当前主流的方案，该方案虽然成本低，但灵活性很差、智能化极低，比如不能更改保护参数和时间、不能获取电池的电压、温度等基础数据、不能兼容不同的电芯体系等，对于生产备料、售后服务等带来了极大的不便。
事实上，市面上有很多模拟前端芯片，此类芯片只输出模拟信号给微控制器采集，从而获取电池的基础数据，并且此类芯片较数字前端芯片在价格上明显优势，只是当前模拟前端芯片仅仅作为单颗使用。本发明就利用模拟前端级联实现对电池数据的采集，不但控制住成本，而且不需要做通信或信号隔离，同时能够将电池数据通过广播的形式发送给移动设备而实现对电池的监控。
发明内容
本发明为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。
一种锂电池管理系统，包括微控制模块，还包括N个采集锂电池电芯信息的电压采集电路，电压采集电路包括模拟前端模块和位移缓存模块，所述N个电压采集电路的每个模拟前端模块通过对应位移缓存模块与微控制模块进行级联，实现时序切换电压采集电路对锂电池的每个电芯进行监控管理，并且除首级电压采集电路外，其余电压采集电路的位移缓存模块与微控制模块之间还连接有电平转换电路。
进一步的，所述微控制模块采用型号为″N76E003AT20″的控制芯片。
进一步的，所述位移缓存模块采用型号为″SN74HC595DR″的位移寄存芯片，所述位移缓存模块的第12号引脚与微控制模块的第16号引脚连接；位移缓存模块的第13号引脚还与微控制模块的第17号引脚连接；所述微控制模块的第12号引脚到第14号引脚作为控制端引脚，与每个电压采集电路的位移缓存模块的第14号引脚连接，并且除首级电压采集电路外，其余电压采集电路的位移缓存模块的第12号引脚、第13号引脚和第14号引脚与微控制模块之间分别经过电平转换电路实现共地连接。
进一步的，所述模拟前端模块采用型号为″PT6111″的IC芯片；每个电压采集电路的模拟前端模块的第12号引脚到第19号引脚分别与对应位移缓存模块的第15号引脚、第7号引脚、第6号引脚、第5号引脚、第1号引脚、第4号引脚、第3号引脚和第2号引脚单独连接；所述上一级电压采集电路的模拟前端模块的第11号引脚与下一级电压采集电路的位移缓存模块的第11号引脚连接进行级联切换。
在上述实施例中，微控制模块1输出控制时序信号，信号经过电平转换电路5后，输出到位移缓存模块4，位移缓存模块4锁存控制信号后，微控制模块1使能位移缓存模块4输出，将控制信号输出到IC芯片U1/U5/U8的BS0、BS1、BS2、BL、EN脚。
进一步的，还包括电源管理模块，所述电源管理模块连接总电源，对总电源进行降压后输出给微控制模块以及连接微控制模块的其他外围模块供电，所述微控制模块的第18号引脚以及第8号引脚与电源管理模块连接。
进一步的，还包括用于采集电路中充放电电流的电流检测模块，所述电流检测模块采用型号为″TP199A1-CR″的运放芯片，所述电流检测模块的第4号引脚与微控制模块的第19号引脚连接。
进一步的，还包括用于检测短路状态的短路检测模块，所述短路检测模块与微控制模块的第11号引脚和第20号引脚连接。
进一步的，还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块负责将锂电池电芯充放电信息通过网络数据播放出来；蓝牙模块采用″beacon″类蓝牙芯片；所述蓝牙模块的第12号引脚与微控制模块的第2号引脚连接。
进一步的，还包括MOSFET驱动模块，所述MOSFET驱动模块用于导通或端开充放电回路，所述MOSFET驱动模块与微控制模块的第1号引脚和第3号引脚连接；所述MOSFET驱动模块还通过短路检测模块进行关断锁死。
进一步的，还包括负载检测模块，所述负载检测模块用于检测MOSFET驱动模块在关断状态下负载的移除情况，所述负载检测模块与微控制模块的第15号引脚连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过使用模拟前端模块比市场上同样的数字前端成本低，并且节省了昂贵的隔离芯片，成本得到进一步降低；
通过电平转换模块将低压控制信号转换成高端级联芯片的控制信号，不需要考虑高压和弱电电路的隔离问题，避开了隔离芯片的高压问题和失效问题；
通过提出使用Beacon蓝牙作为外部通信的方式，具有成本低、可靠性强、安全系数高等优势，不需要额外接线从而避开了线束多带来的意外；提出Beacon蓝牙广播数据到移动端设备，移动端设备将电池形象化、傻瓜化，并提出利用手机震动、语音功能提示用户电池异常；
通过提出将短路简单的分为真假两种可能性，通过低成本、简单的电路识别真假短路，可避免所有状态下因为整车容性负载导致误报短路而不能使用的问题，并且通过预放电回路能够避免接入整车瞬间产生火花的问题；
能够兼容宽范围的容性负载，灵活性极高，避免不同的车辆需要改变硬件的问题；
能够用低成本、高可靠性的方式解决模拟电路不能诊断电池、查看电池信息、误报短路的问题，同时解决数字芯片成本高、需要高压隔离的问题；
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中模块连接图。
图2是本发明中微控制模块电路图。
图3是本发明中电压采集电路图。
图4是本发明中电压采集电路和电平转换电路图。
图5是本发明中电压采集电路具体电路图。
图6是本发明中电源管理模块电路图。
图7是本发明中电流检测模块电路图。
图8是本发明中短路检测模块电路图。
图9是本发明中蓝牙模块电路图。
图10是本发明中MOSFET驱动模块电路图。
图11是本发明中负载检测模块电路图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～11，本发明实施例中，一种锂电池管理系统，包括微控制模块1，还包括N个采集锂电池电芯12信息的电压采集电路2，电压采集电路2包括模拟前端模块3和位移缓存模块4，所述N个电压采集电路2的每个模拟前端模块3通过对应位移缓存模块4与微控制模块1进行级联，实现时序切换电压采集电路2对锂电池的每个电芯进行监控管理，并且除首级电压采集电路2外，其余电压采集电路2的位移缓存模块4与微控制模块1之间还连接有电平转换电路5。
进一步的如图2所示，所述微控制模块1采用型号为″N76E003AT20″的控制芯片。
进一步的如图3至图5所示，所述位移缓存模块4采用型号为″SN74HC595DR″的位移寄存芯片，所述位移缓存模块4的第12号引脚与微控制模块1的第16号引脚连接；位移缓存模块4的第13号引脚还与微控制模块1的第17号引脚连接；所述微控制模块1的第12号引脚到第14号引脚作为控制端引脚，与每个电压采集电路2的位移缓存模块4的第14号引脚连接，并且除首级电压采集电路2外，其余电压采集电路2的位移缓存模块4的第12号引脚、第13号引脚和第14号引脚与微控制模块1之间分别经过电平转换电路5实现共地连接。
进一步的如图3至图5所示，所述模拟前端模块3采用型号为″PT6111″的IC芯片；每个电压采集电路2的模拟前端模块3的第12号引脚到第19号引脚分别与对应位移缓存模块4的第15号引脚、第7号引脚、第6号引脚、第5号引脚、第1号引脚、第4号引脚、第3号引脚和第2号引脚单独连接；所述上一级电压采集电路2的模拟前端模块3的第11号引脚与下一级电压采集电路2的位移缓存模块4的第11号引脚连接进行级联切换。
进一步的如图6所示，还包括电源管理模块6，所述电源管理模块6连接总电源，对总电源进行降压后输出给微控制模块1以及连接微控制模块1的其他外围模块供电，所述微控制模块1的第18号引脚以及第8号引脚与电源管理模块6连接。
进一步的如图7所示，还包括用于采集电路中充放电电流的电流检测模块7，所述电流检测模块7采用型号为″TP199A1-CR″的运放芯片，所述电流检测模块7的第4号引脚与微控制模块1的第19号引脚连接。
进一步的如图8所示，还包括用于检测短路状态的短路检测模块8，所述短路检测模块8与微控制模块1的第11号引脚和第20号引脚连接。
进一步的如图9所示，还包括蓝牙模块9，所述蓝牙模块9负责将锂电池电芯12充放电信息通过网络数据播放出来；蓝牙模块9采用″beacon″类蓝牙芯片；所述蓝牙模块9的第12号引脚与微控制模块1的第2号引脚连接。
进一步的如图10所示，还包括MOSFET驱动模块10，所述MOSFET驱动模块10用于导通或端开充放电回路，所述MOSFET驱动模块10与微控制模块1的第1号引脚和第3号引脚连接；所述MOSFET驱动模块10还通过短路检测模块8进行关断锁死。
进一步的如图11所示，还包括负载检测模块11，所述负载检测模块11用于检测MOSFET驱动模块10在关断状态下负载的移除情况，所述负载检测模块11与微控制模块1的第15号引脚连接。
系统工作流程如图1所示：
微控制模块1上电后，输出控制信号，控制信号进入电压采集电路2，经过电平转换电路5和位移缓存模块4后输出到模拟前端模块3，通过切换模拟前端模块3完成单个锂电池电芯12电压采集和数值转换(详细流程看″电压采集电路具体实施例如下″)；
微控制模块1定时采集电流数据，假设零点值为Vzero，增益为lgain，采样电阻为Rsamp微控制模块1采集的电压值为Vsamp，如果Vsamp＞Vzero则定义为放电电流，反之为充电电流，实际电流值I＝|Vsamp-Vzero|/lgain/Rsamp；
微控制模块1得到电压、电流值后，计算电池剩余电量；
微控制模块1得到电压、电流值后，根据设定的告警和保护参数诊断电池是否存在过压、欠压、过流等保护，另外根据电池数据和状态参数诊断硬件失效、MOSFET驱动模块10失效等；
当出现放电过流或者短路时，先通过短路检测模块8检测是外部短路还是容性负载；如果是短路则通过短路检测模块8检测负载是否移除，负载移除后，清除过流或者短路状态；如果是容性负载造成的误检测短路，则下能通过预放电给外部容性负载充电，充电一段时间后再重新闭合放电MOSFET驱动模块10(详细流程看″短路检测和负载检测电路原理如下″)；
当出现充电过流时，通过负载检测模块11检测是否放电，当电池放电时，清除充电过流状态；
当出现锂电池电芯12欠压状态时，微控制模块1禁止所有的模拟前端模块3工作，并断开蓝牙模块9、电流检测模块7、微控制模块1自身电源等所有电源，进入关机状态，此时只能通过充电激活；
当微控制模块1检测到静置状态且无异常时，微控制模块1禁止所有的模拟前端模块3工作，并关掉所有外设，进入休眠状态，并定时唤醒采集电压、电流数据，通过蓝牙模块9发送出来，此时只能通过充放电电流唤醒；
微控制模块1检测到符合均衡条件时，微控制模块1输出控制信号，经过电平转换电路5后输出到位移缓存模块4，将信号锁存后，在使能位移缓存模块4输出控制模拟前端模块3，从而实现开启均衡；
微控制模块1将锂电池电芯12的数据和状态发送给蓝牙模块9，蓝牙模块9广播出来；
微信小程序或者移动端应用程序通过扫码方式连接蓝牙模块9，接收蓝牙模块9发送的数据，并将数据显示出来，如果出现异常，移动设备将开启震动或者语音播报的方式提醒用户。
电压采集电路具体实施例：
假设每一个模拟前端模块3最多可以采集N串锂电池电芯12，微控制模块1先控制第一片的位移缓存模块4U9(图5)，控制第一片IC芯片U8(图5)的采集通道CS0_L、CS1_L、CS2_L，选择好通道后使能EN_L，锂电池电芯12电压从模拟前端的VOUT_L传输到微控制模块1，微控制模块1采集VOUT_L电压，微控制模块1继续控制U8采集到IC芯片U8的最高串VB7，Vcell_L＝Vout*Vgain，其中Vcell_L为第一片模拟前端模块3的锂电池电芯12电压，Vout为VOUT_L的电压，Vgain为锂电池电芯12的电压增益；
第一片IC芯片U8保持CS0_L、CS1_L、CS2_L高电平选择最高级层的电压采集电路2，接着控制第二片IC芯片U5的CS0_M、CS1_M、CS2_M，第二片IC芯片U5的电压数据通过VOUT_M传输到第一片IC芯片U8的最高级层VB8位置，此时由于第一片IC芯片U8一直选择最高级层电压采集电路2，因此第一片IC芯片U8的VOUT_L输出电压就是VOUT_H经过转换后的电压；对于第二片IC芯片U5的电压转换为：Vcell_M＝Vout*Vgain*Vgain，其中Vcell_M为第二片IC芯片U5的接入的锂电池电芯12电压，Vout为VOUT_L的电压，Vgain为锂电池电芯12的电压增益；
第一片IC芯片U8和第二片IC芯片U5都保持选择最高级层电压采集电路2，CS0_L、CS1_L、CS2_L、CS0_M、CS1_M、CS2_M都保持高电平，此时开始控制第三片IC芯片U1的CS0_H、CS1_H、CS2_H，第三片IC芯片U5的电压数据通过VOUT_H传输到第二片IC芯片U5的最高级层位置VB8，IC芯片U5的电压数据通过VOUT_M传输到IC芯片U5的最高级层位置VB8，第一片IC芯片U8的VOUT_L输出电压就是VOUT_H转换后的电压；对于第三片IC芯片U1的电压转换为：Vcell_H＝Vout*Vgain*Vgain*Vgain，其中Vcell_H为第二片IC芯片U5的接入电压，Vout为VOUT_L的电压，Vgain为锂电池电芯12的电压增益；按照上述的逻辑可实现M个芯片的采集，实现M*(N-1)+1串电压采集；上述采集顺序只是表述的一种分级层方式，实际的采集顺序可从任意一节开始。
短路检测和负载检测电路原理：
根据图8和图11所示，当外部负载短路或者接入容性负载瞬间，负极的电压相当于总电源电压，在R94的分压让Q22导通，SC_DSG电平会拉低到地，从而锁死放电MOSFET驱动模块10，此时放电MOSFET驱动模块10不受微控制模块1控制，从而起到防止微控制模块1失效时误开启放电MOSFET驱动模块10；SC_DSG信号会输出到微控制模块1信号脚触发外部中断，微控制模块1收到中断信号后，Ulock输出高电平锁死Q22；短路保护后，微控制模块1输出高电平到DIS_EN脚，Q35、Q34、Q42分别导通，通过R132给负载预放电，并且微控制模块1通过VD_VSC采样电压，通过VD_VSC的压降判断外部负载是短路还是容性负载；如果是容性负载，微控制模块1控制Ulock重新解锁放电MOSFET驱动模块10；如果是短路则保持MOSFET驱动模块10死锁的状态，并检测VD_VSC电压判断负载是否移除，如果已移除则微控制模块1控制Ulock重新解锁放电MOSFET驱动模块10。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (10)

1.一种锂电池管理系统，包括微控制模块，其特征在于，还包括N个采集锂电池电芯信息的电压采集电路，电压采集电路包括模拟前端模块和位移缓存模块，所述N个电压采集电路的每个模拟前端模块通过对应位移缓存模块与微控制模块进行级联，实现时序切换电压采集电路对锂电池的每个电芯进行监控管理，并且除首级电压采集电路外，其余电压采集电路的位移缓存模块与微控制模块之间还连接有电平转换电路。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，所述微控制模块采用型号为″N76E003AT20”的控制芯片。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，所述位移缓存模块采用型号为″SN74HC595DR”的位移寄存芯片，所述位移缓存模块的第12号引脚与微控制模块的第16号引脚连接；位移缓存模块的第13号引脚还与微控制模块的第17号引脚连接；所述微控制模块的第12号引脚到第14号引脚作为控制端引脚，与每个电压采集电路的位移缓存模块的第14号引脚连接，并且除首级电压采集电路外，其余电压采集电路的位移缓存模块的第12号引脚、第13号引脚和第14号引脚与微控制模块之间分别经过电平转换电路实现共地连接。
4.根据权利要求3所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，所述模拟前端模块采用型号为″PT6111”的IC芯片；每个电压采集电路的模拟前端模块的第12号引脚到第19号引脚分别与对应位移缓存模块的第15号引脚、第7号引脚、第6号引脚、第5号引脚、第1号引脚、第4号引脚、第3号引脚和第2号引脚单独连接；所述上一级电压采集电路的模拟前端模块的第11号引脚与下一级电压采集电路的位移缓存模块的第11号引脚连接进行级联切换。
5.根据权利要求2所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括电源管理模块，所述电源管理模块连接总电源，对总电源进行降压后输出给微控制模块以及连接微控制模块的其他外围模块供电，所述微控制模块的第18号引脚以及第8号引脚与电源管理模块连接。
6.根据权利要求2所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括用于采集电路中充放电电流的电流检测模块，所述电流检测模块采用型号为″TP199A1-CR”的运放芯片，所述电流检测模块的第4号引脚与微控制模块的第19号引脚连接。
7.根据权利要求2所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括用于检测短路状态的短路检测模块，所述短路检测模块与微控制模块的第11号引脚和第20号引脚连接。
8.根据权利要求2所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括蓝牙模块，所述蓝牙模块负责将锂电池电芯充放电信息通过网络数据播放出来；蓝牙模块采用″beacon”类蓝牙芯片；所述蓝牙模块的第12号引脚与微控制模块的第2号引脚连接。
9.根据权利要求7所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括MOSFET驱动模块，所述MOSFET驱动模块用于导通或端开充放电回路，所述MOSFET驱动模块与微控制模块的第1号引脚和第3号引脚连接；所述MOSFET驱动模块还通过短路检测模块进行关断锁死。
10.根据权利要求9所述的一种锂电池管理系统，其特征在于，还包括负载检测模块，所述负载检测模块用于检测MOSFET驱动模块在关断状态下负载的移除情况，所述负载检测模块与微控制模块的第15号引脚连接。
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