CN112208334A - 一种新能源电动电池智能管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新能源电动电池智能管理系统，包括电池组，还包括电池管理系统、光耦隔离继电器、微处理器、通信模块、触摸显示屏、均衡模块和存储器；电池管理系统对电池组进行监测，电池管理系统通过光耦隔离继电器与微处理器电性连接，微处理器通过通信模块与触摸显示屏信息连接，微处理器分别与均衡模块和存储器电性连接；电池管理系统包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块。本发明具有保护电池性能，防止电池组中个别电池早期损坏的功能，利于电动车的运行，还具有报警的功能；本发明在电动汽车充电、运行与电池有关参数协调工作是依靠对电池箱内电池模块的监控来实现的，可以计算并发出相关指令，执行指令，向用户提出警告。

Description

一种新能源电动电池智能管理系统

技术领域

本发明涉及新能源电动电池技术领域，具体涉及一种新能源电动电池智能管理系统。

背景技术

近年来由燃油汽车、船舶所排放的尾气造成的大气污染已成为当今世界大气最大、最严重的污染源，由于汽车，船舶的数量仍处于急剧增加的阶段，所带来的污染也将日益加剧。据有关部门统计，大气污染中46.7％的氮氧化合物、65.4％的一氧化碳和74.5％的碳氧化合物都来源于燃油汽车的尾气排放；燃油汽车船舶还存在着另一种污染，即噪声污染，据了解，目前世界上环境噪声最主要的来源是交通噪声，其中大部分交通噪声来自于汽车，交通工具产生的噪声污染同大气污染一样也会不同程度的损害人的身心健康；众所周知，石油为不可再生资源，石油储量在迅速减少，据国外相关部门预测，以现在的能源消耗速度，目前所探明的石油储量只能维持28年左右，而每年全世界石油总消耗量的43％来自于燃油汽车船舶。如今环境和能源这两个现实的问题己经成为全人类面临的问题，因此世界各国都在想方设法研究更加清洁、利用率更高的新能源来解决环境污染和能源紧张的问题。针对环境和能源问题，全球汽车船舶业选择了发展节能技术和新能源，一般指以车船舶载电池为车辆船舶提供部分或全部动力，新能源汽车船舶是由电池提供动力，以现有的技术，电池中的电能可以来自风能、水能、太阳能、核能等各个领域，电能的使用使汽车船舶尾气中的有害物质大大减少，而且电动汽车及船舶的效率比传统燃油汽车内燃机的效率高出很多，运行时产生的噪音比内燃机也要小。因此，新能源汽车船舶代表着现代汽车及船舶工业的发展方向，也是汽车船舶工业的必然走向。电池管理系统作为电动汽车船舶的重要组成部分，其作用不言而喻，电池管理系统不仅能够实时监控电池状态，可以优化使用电池能量，延长电池寿命，保证电池的使用安全，因此对电动汽车船舶电池管理系统的研究也是非常必要的。

在国内的电动汽车的研究和发展上，车载电池及其管理系统的研究与制造占据着重要的位置，特别是船舶超大容量电池组如何有效地利用电池的能量，延长电池的寿命是电池管理系统研究的关键部分。

随着近年来电动汽车研究和使用的不断升温，国外一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种电池作了大量研究及试验，总结出电池的数学模型，并成功开发出许多电池管理系统装在车上试用。比较有代表性的有：德国Mentzer ElectronieGmbH和wernerRetzlaff为首设计的BADICHEQ系统及BADICOACH系统；德国的B.Hauck设计的BATTMAN系统；美国通用汽车公司生产的电动汽车EVI上的电池管理系统；美国Aerovironment公司开发的Smart Guadr系统(Long-Life Battery Using Intelligent Modular Controlsystem)；美国AC Propulsion公司开发的名为BatOPt的高性能电池管理系统；日本丰田的混合车用系统。新能源船舶电池包容量大，电压高对它进全面管理有很大的意久。

我国对电池管理系统发展十分重视，被列为国家高科技攻关项目，同时被列为国家科技攻关项目。其中清华大学、北京理工大、北京航空航天大学以及北方交通大学都对电池管理系统进行了研究。总体来讲，电池管理系统(管理系统)与电机、电机控制技术、电池技术相比，还不是很成熟。电池管理系统作为新能源电动是最关键的技术之一，在近年来虽然有很大的提高，很多方面都已经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，尤其是在采集数据的可靠性、SOC的估算精度和安全管理等方面都有待进一步改进和提高。该系统应用于新能源电池监测及管理。系统实现了对电池的运行状态监控、剩余电量估计、故障早期诊断及自动均衡充电，从而最大限度地延长电池组的寿命。

随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以及新能源船舶零排放，噪声低等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。作为发展新能源船舶的关键技术之一的电池管理系(管理系统)，是电动力产业化的关键。

电池管理系统(battery management system，管理系统)是用来对蓄电池组进行安全监控及有效管理，提高蓄电池的使用效率，达到增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性，已经成为电动汽车的不可少的核心部件。

综合电动电池研究情况，我们发现各国都存在着同一个现象，即电池是整个电动车研究中出问题最多的部件，严重的甚至威胁到安全问题，大大影响了电动船舶的研究进程。主要原因有：

1、高性能蓄电池的成本非常高，目前很难产业化，目前常用的蓄电池可存储的能量有限，导致电动车续驶里程短，还远达不到普通燃油汽车的水平，如何合理利用这些有限能源也成了一个不小的问题。

2、蓄电池的使用寿命一般都较短，如果在使用当中不正确的操作，如对电的过充电和过放电等，将会损伤电池从而进一步减短电池寿命，严重的会使电池报废。

3、蓄电池组尤其是电动船舶用蓄电池组都是由几十万上百万个单蓄电池串联起来为电池动力提供能量的，由于单电池之间存在个体差异，且在运行中可能由于运行状态的不一样，导致单电池的性能不一致，即会出现有些电池变成落后电池而有些电池状态还比较好的现象。这种情况下，这些落后的单体电池或模块电池的性能决定着整个蓄电池组的性能，即整个电池组的性能也下降，而且由于落后电池与健康电池是串联使用，会使健康电池的性能受到影响，缩短使用寿命，所以要及时准确的判断出蓄电池组中落后电池。

4、在燃油中通过油表来提示，在电动船舶上是通过提示剩余电量来完成的。另外剩余电量还是电池状态的一个重要参数，是用来诊断电池的健康状态和判断电池是否过充放电等的重要依据之一。但是由于蓄电池本身是个复杂的电化学反应系统，且影响电量估测的因素很多，并且在使用中，蓄电池是封闭的，所以对于电量准确估测的难度较大，是个国际性的问题。所以，在目前情况下，大力发展电池的应用技术，尤其是发展电池管理系统。

针对以上电动电池组所出现的问题，亟需研发了一套新能源电动电池智能管理系统以确保动力电源系统能够正常应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，直观形象的新能源电动电池智能管理系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新能源电动电池智能管理系统，包括电池组，其创新点在于：还包括电池管理系统、光耦隔离继电器、微处理器、通信模块、触摸显示屏、均衡模块和存储器；所述电池管理系统对电池组进行监测，所述电池管理系统通过光耦隔离继电器与微处理器电性连接，所述微处理器通过通信模块与触摸显示屏信息连接，所述微处理器分别与均衡模块和存储器电性连接；所述电池管理系统包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块。

进一步的，所述电压检测模块包括多个电池管理芯片和多个电池组，且一个电池管理芯片测量多个电池组，对每个电池组内的每节电池的电压进行监测，且多个电池管理芯片进行串联，以监测长串串接电池组中每节电池的电压，并在触摸屏上显示信息。

进一步的，所述电流检测模块包括霍尔传感器和信号处理器，所述霍尔传感器采集电池组电流信号，并通过信号处理器就行转换后发送至微处理器，并在触摸屏上显示信息。

进一步的，所述温度检测模块包括多个温度传感器，所述温度传感器读取电池组或单个电池的温度，然后通过通信模块上传至微处理器，并在触摸屏上显示信息。

进一步的，所述均衡模块通过微处理器使电池组把电压高的电池单体进行放电储存，也就是电池电压高的向电池电压较低的单体充电，使电池一致性达到要求。

进一步的，所述通信模块包括采集板和光耦隔离继电器，采用RS485通信，实现采集板与触摸显示屏或整车控制系统之间的数据通信。

采用上述结构后，本发明有益效果为：

本发明具有保护电池性能，防止电池组中个别电池早期损坏的功能，利于电动车的运行，还具有报警的功能；本发明在电动汽车充电、运行与电池有关参数协调工作是依靠对电池箱内电池模块的监控来实现的，可以计算并发出相关指令，执行指令，向用户提出警告。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2为本发明中电池管理系统的硬件电路结构框图；

图3为本发明中电压检测模块框图；

图4为本发明中电流检测模块框图；

图5为本发明中通信模块的原理框图；

图6为本发明的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参看图1-6，一种新能源电动电池智能管理系统，包括电池组，还包括电池管理系统、光耦隔离继电器、微处理器、通信模块、触摸显示屏、均衡模块和存储器；池管理系统对电池组进行监测，电池管理系统通过光耦隔离继电器与微处理器电性连接，微处理器通过通信模块与触摸显示屏信息连接，微处理器分别与均衡模块和存储器电性连接；电池管理系统包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块。具体的，微处理器的型号为STM32F103ZGT6，根据STM32系列产品的命名规则可以了解到，此微处理器是ST公司生产的中容量产品，该产品是基于ARM的32位微控制器，属于通用增强类型，该产品有64个管脚，具有128K字节的闪存存储器，LQPF封装，本申请选用的是ARM公司于2016年3月发布的集成幵发环境RealView MDK，Keil uVision4实现了编译器、调试工具与ARM器件的完美匹配；触摸显示屏、显示板、上位机及键盘组成显示单元；均衡模块包括多个检测部件：温度传感器、电流传感器、漏电检测、电压传感器；电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块组合成数据采集模块。

本实施例中，电压检测模块包括多个电池管理芯片和多个电池组，且一个电池管理芯片测量多个电池组，对每个电池组内的每节电池的电压进行监测，且多个电池管理芯片进行串联，以监测长串串接电池组中每节电池的电压，并在触摸屏上显示信息。电池管理芯片采用凌力尔特公司的电池管理芯片LTC6803-3，LTC6803-3是第二代完整的电池监视IC，内置一个12位ADC、一个精准型电压基准、一个高电压输入多路复用器和一个串行接口，每个LTC6803-3测量多达12个串接电池或超级电容器的电压，能够在13ms内完成整个系统所有电池的测量，通过运用一个独特的电平移位串行接口，可以把多个LTC6803-3器件串联起来(无需使用光稱合器或光隔离器)，以监视长串串接电池中每节电池的电压。每个电池输入具有一个相关联的MOSFET电源开关，用于对过度充电的电池进行放电。LTC6803-3则把电池组的底端与V—分幵，故而改善了第一节电池的测量准确度。LTC6803-3提供了一种用于将电源电流减小至12uA的待机模式。此外，LTC6803还可从一个隔离型电源来供电，因而提供了一种将电池组吸收电流减小至零的方法。电压检测使用2个LTC6803-3芯片，可以通过配置它的配置寄存器组，来选择测量电池组电压的时间，测量电池的数量(12节模式或低于10节的模式)，电平轮询模式，电池的电压是否屏蔽以及完成电池的过压欠压值的设置等；电压检测是通过电池管理芯片LTC6803-3实现对电池组总电压、各单体电池电压的采集，将采集来的数据传送至单元板进行保存、计算以及分析判断。

本实施例中，电流检测模块包括霍尔传感器和信号处理器，霍尔传感器采集电池组电流信号，并通过信号处理器就行转换后发送至微处理器，并在触摸屏上显示信息。从剩余电量的估计角度来考虑电流信号的采集误差，是电流的相对误差。或者说，利用Ah计量法来估计SOC状态值的精度直接取决于电流检测的精度。若电流采集存在系统误差，固定的偏大或偏小，那么，所估计的SOC状态值也相应的偏大或偏小。目前，对电流信号的采集有两种：用串联电阻法的电流信号采集和用霍尔传感器的电流信号采集。串联电阻法是利用最基本的欧姆定律将电流信号转换为电压信号，但会存在热损耗和隔离问题。因此，我们采用霍尔电流传感器来采集电流信号，它是利用霍尔效应来检测电流的一种电子元件；电流检测是通过霍尔电流传感器TBC06DS3.3，单元板将釆集到的电流值直接读入，然后将其保存或供系统使用。

本实施例中，温度检测模块包括多个温度传感器，温度传感器读取电池组或单个电池的温度，然后通过通信模块上传至微处理器，并在触摸屏上显示信息。电池都有一个正常工作的温度范围，其在充放电过程中始终伴有温度的变化。通过实验发现，电池的温度与电池的容量和充放电电流之间有一定的联系，是计算SOC的一个不可忽略的因素。温度也是影响电池使用寿命的重要因素之一。一般情况下，在高温条件下锂电池的放电容量要大于低温时的放电容量。但是温度过高，也会影响电池的性能。此外，在判断电池安全和热处理方面也需要温度参数。因此实时监测电池单体的温度是很必要的。温度釆样，我们选用的是WTS温度在线监控系统，本系统采用了最新的温度传感技术，其传感器通过数字芯片可在显示屏读取准确数据，可有效解决新能源电动汽车电池温度要求，维护方便的问题。本温度检测模块有多个温度传感器接收器组成，每个读取器有四个温度传感器的信息。可以根据对汽车电池的温度监控需求，把温度传感器安装到需要的位置。并通过接收器把各个位置的温度信号通过485或232总线上传给电源管理系统，并通过显示屏显示。

本实施例中，均衡模块通过微处理器使电池组把电压高的电池单体进行放电储存，也就是电池电压高的向电池电压较低的单体充电，使电池一致性达到要求。均衡模块只在电池组充电时作用，为保持电池组各单体电池的一致性。本系统采用主动平衡方式，使用芯片组通过高级算法，把高电压电池组的能量通过储存再返充给低电压电池组，也就是说电池电压高的向电池电压较低的单体充电，使电池一致性达到要求，无能量损耗，无高温产生，安全可靠；主动平衡就是当电池的电荷状态超过其邻近的电池时利用储能元件将多余的电荷转移到其他电池，电荷在电池间往返运动最终实现平衡同时电荷被利用而不会作为热量被浪费掉。

本实施例中，通信模块包括采集板和光耦隔离继电器，采用RS485通信，实现采集板与触摸显示屏或整车控制系统之间的数据通信。通信模块主要使用485通信，实现单元板与主控板或整车控制系统之间的数据通信；本系统电池管理系统的采集板和主控制器采用SPI总线通信，采用芯片为ADM2587RS485总线为隔离式SPI收发器，可以采用3.3V或5V供电，该芯片具有高电平有效使能特性和低电平有效接收器使能特性，禁用时可使接收器输出进入高阻抗状态；该芯片具有的限流和热关断特性可防止发生输出短路以及总线竞争导致功耗过大的情况。

进一步的，结合上升各元器件，可以实现以下功能：

1、监测电池状态：管理系统对电池状态的监测一般包括对电压、电流、温度这三个物理量的监测。对电压的监测包括单体电池电压及整组电池电压，电流监测包括充放电电流，温度监测包括对电池工作环境温度以及管理系统自身工作环境温度的监测。可以说，对电池状态的监测是一个管理系统最为基本的功能，是其他各项功能的前提和基础。

2、分析电池状态：管理系统对电池状态的分析主要是对电池剩余电量的评估，即足通常所说的对电池荷电状态的评估。剩余电量对于驾驶员来说至关重要，就像是普通汽车剩余油量一样。剩余电量通常用百分比来表示，也常换算成等效里程和等效时间来表示，以便驾驶员更为直观地了解电池状态。

3、保护电池安全：电池安全保护通常包括电压保护、电流保护、温度保护等。行车中安全第一，故电池安全保护是电动汽车管理系统最为重要的一个功能。电池在充放电状态及闲置状态时，由于自身或者环境的原因，可能出现电池电压、电流及温度超出正常允许范围，这时就需要管理系统可靠地对电池实施保护，并且向驾驶员告警。

4、控制管理电池能量：电池能量控制管理主要是电池的充放电控制管理和均衡控制管理。管理系统对电池充放电的控制管理主要是控制电池何时需要充放电以及何时能够充放电。对电池均衡控制管理是指通过一定的控制手段使得单体电池间的能量趋于均衡。由于电池在使用过程中受到环境因素的影响，或者是在电池最初的生产过程中受工艺不稳定的影响，造成电池组内各个单体电池特性在一定程度上不够一致，而这种不一致性有损于电池的寿命，这就要求管理系统能够具有有效的控制手段，去改善电池这种不一致性造成的不良影响。

5、管理电池信息：管理系统能够将电池电压、电流、温度、电池荷电状态(State ofCharge，SOC)等信息进行实时显示，当电池出现安全问题时，能够发出告警信息警示驾驶员。除了以上信息需要告知驾驶员外，有些信息需要通过通信网络传送给整车控制器、电机控制器等管理系统以外的系统，还有一些信息需要保存起来作为历史记录，这样有助于系统内外信息交互，以及电池状态的分析以及故障的排除。

同时结合上述功能，新能源电动电池智能管理系统主要包括以下几个功能模块：

(1)数据采集：电池管理系统中所有算法、电动车能量控制策略都是以采集到的数据为输入，影响电池管理系统性能的主要指标是采样精度、速率及前置滤波特性。

(2)电池状态估计：电池状态估算主要是SOC，是电动电池进行功率匹配和控制的依据。行车过程中系统能随时计算出SOC值，供系统进行功率配置、确定控制策略，使驾驶员随时知道车辆的续驶里程，保证及时的作出决定充电防止半路抛锚。

(3)安全管理：主要功能是监测电池温度、电压、电流是不是超过允许范围，防止电池过充。

(4)热管理：电池的热管理对于在大功率放电及在高温条件下使用的电池具有非常关键的作用；热管理目的是使电池温度平衡且保持在一定范围之内，使高温电池及时降温。

(5)能量管理：在能量管理中，电压、电流、温度、SOC等作为输入，控制充电的过程。

(6)通信功能：电池管理系统同车载设备之间的通信是BMS重要功能之一，可以根据实际应用需要，采取不同的通信接口实现数据交换，如：模拟信号、PWM信号、CAN总线、I²C串行接口等；CAN总线是一种通信速率高、可靠率高的现场。

(7)人机接口：设置控制按键或触摸屏等来给BMS输入指令。

(8)保证充电功能：电池管理系统要实时监测电池的工作状态，对每个电池工作状态进行监测、分析，将监测到的数据通知充电机，告诉充电机各电池组工作状态及每只电池的状态，“先进”电池和“落后”电池的性能差异等；系统计算此时充电机应采取何种充电方式给电池，保证整车能量的供应。

(9)故障诊断功能：能与车辆检测仪器进行通信，诊断系统的故障，方便车辆维修。

进一步的，本系统的主要功能依赖于系统软件的实现。系统能否正常可靠的工作，除了与硬件的合理设计外，与功能完善的软件设计也是分不开的。在软件设计时，首先要根据控制系统要求分析软件要实现的任务，然后进行软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。按整体功能分成多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块组合调试，实现软件的全部功能。

根据电动电池组管理系统要求，软件设计实现以下功能：

(l)数据采集的功能，包括电池组单体电压巡回检测，以及工作电流、电池组温度、环境温度检测；

(2)由电池的基本信息可确定电池的剩余电量(SOC)；

(3)能够实现在电池充放电两种状态下的实时监控，判断故障原因；

(4)实现CAN通讯，将电池的采集、计算、故障信息传输到电动汽车液晶显示单元进行显示；

本系统所有的程序模块都使用C语言来编写的，具有语言简单、使用方便灵活、可移植性好、结构化程序设计的特点。根据开发需求，本系统实现了对电池组的管理，根据电动汽车行车要求、安全要求以及电池管理系统对电源管理的任务，结合硬件的搭建和软件的编写，将管理系统软件部分划分为四大模块，即数据采集模块、均衡模块、SOC算法模块和通讯模块。各模块实现的功能如下：

1)数据采集模块：实现对电池组信息的实时采集，电池组信息主要包括单体电池的电压、温度，电池组的总电压和充放电电流。

2)均衡模块：实现电池组各单体电池之间的均衡，当电池组中某单体电池电压出现异常时，停止充电，并对其釆取相应操作，保证电池组中单体电池的一致性。

3)S0C算法模块：实现电池组的SOC估算，通过相应的算法子程序实现对电动汽车电池组电量的估计，保证完成实时对电量的监控。

4)通讯模块：实现电源管理系统通信功能，提供数据传送的接口，包括同主控板以及整车控制器的通信，本系统采用CAN总线通信。

系统的主程序是顺序执行、无限循环程序，不断的查询各种软件的标志，以便处理日常事务。主程序承担整个程序执行的控制或协调任务。电池管理系统作为一个实时监控系统，需要对电池的电压、电流及温度等信息实时查询，实时响应各类通信命令，并作出响应控制操作，所以这就要求主程序能够较好的协调和控制好这些动作。为使固件程序更好的具有可移植性和可维护性，采用模块化思路设计固件程序，将主体程序分为主程序和中断程序两部分。主程序需调用初始化子程序、温度采集子程序，电流和电源检测子程序、CAN通信子程序、SOC估算子程序和中断程序。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种新能源电动电池智能管理系统，包括电池组，其特征在于：还包括电池管理系统、光耦隔离继电器、微处理器、通信模块、触摸显示屏、均衡模块和存储器；所述电池管理系统对电池组进行监测，所述电池管理系统通过光耦隔离继电器与微处理器电性连接，所述微处理器通过通信模块与触摸显示屏信息连接，所述微处理器分别与均衡模块和存储器电性连接；所述电池管理系统包括电压检测模块、电流检测模块和温度检测模块。

2.根据权利要求1所述的一种新能源电动电池智能管理系统，其特征在于：所述电压检测模块包括多个电池管理芯片和多个电池组，且一个电池管理芯片测量多个电池组，对每个电池组内的每节电池的电压进行监测，且多个电池管理芯片进行串联，以监测长串串接电池组中每节电池的电压，并在触摸屏上显示信息。

3.根据权利要求1所述的一种新能源电动电池智能管理系统，其特征在于：所述电流检测模块包括霍尔传感器和信号处理器，所述霍尔传感器采集电池组电流信号，并通过信号处理器就行转换后发送至微处理器，并在触摸屏上显示信息。

4.根据权利要求1所述的一种新能源电动电池智能管理系统，其特征在于：所述温度检测模块包括多个温度传感器，所述温度传感器读取电池组或单个电池的温度，然后通过通信模块上传至微处理器，并在触摸屏上显示信息。

5.根据权利要求1所述的一种新能源电动电池智能管理系统，其特征在于：所述均衡模块通过微处理器使电池组把电压高的电池单体进行放电储存，也就是电池电压高的向电池电压较低的单体充电，使电池一致性达到要求。

6.根据权利要求1所述的一种新能源电动电池智能管理系统，其特征在于：所述通信模块包括采集板和光耦隔离继电器，采用RS485通信，实现采集板与触摸显示屏或整车控制系统之间的数据通信。

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