CN113659685A - 一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统 - Google Patents

一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其包括：微处理器、电源管理芯片以及若干个锂电池，所述微处理器通过I2C接口与所述电源管理芯片通信连接；所述微处理器通过蓝牙与云端通信连接；所述电源管理芯片与分别与各锂电池连接，用于检测锂电池的电压、电流，并通过外接的热敏电阻检测相应锂电池的温度；所述微处理器被配置为：通过所述电源管理芯片检测各锂电池的电压、电流、温度以及异常状况；异常状况包括：过充、过放、充放电过流；所述微处理器通过TTL或CAN总线与上位机通信连接。该系统可获取大量的参数，并可通过上位机或云端远程控制，可准确监控锂电池的充放电参数以及异常状态。

Description

一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统
技术领域
本发明涉及新能源领域，尤其涉及一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统。
背景技术
电动汽车因其节能环保已成为目前汽车市场发展的主流趋势。电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动。作为动力储存系统，动力电池因其能高效地储存和输送能量，在动力储存系统领域发挥着重要地作用。电动汽车的发展要求有逐渐增加的续驶里程，为了给电动汽车提供足够的动力，现有的动力电池组由上百颗单体电池串并联组成。
然而当前电动汽车发展所面临的最大问题就是电池管理。近些年，自电动汽车发展以来，电池充放电所引发的问题层出不穷，轻则造成电池老化速度加快，重则引发各种安全隐患。因此急切需要一种可以实时监测管理电池充放电的系统，可以动态追踪电池状态，保护电池寿命，减少安全隐患。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，以解决现有技术中的问题。
本发明的上述技术目的通过以下技术方案得以实现：
为实现上述目的本发明提供了一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其包括：
微处理器、电源管理芯片以及若干个锂电池，所述微处理器通过I2C接口与所述电源管理芯片通信连接；所述微处理器通过蓝牙与云端通信连接；所述电源管理芯片与分别与各锂电池连接，用于检测锂电池的电压、电流，并通过外接的热敏电阻检测相应锂电池的温度；所述微处理器被配置为：
通过所述电源管理芯片检测各锂电池的电压、电流、温度以及异常状况；异常状况包括：过充、过放、充放电过流；
所述微处理器通过TTL或CAN总线与上位机通信连接。
本发明的进一步改进在于：电源管理芯片连接的热敏电阻为10K NTC热敏电阻。温度的采集是通过10K NTC热敏电阻的值计算得出，10KNTC热敏电阻的B值为3950，将电源管理芯片的TEMP_SEL使能后就可以获取温度值了，读取温度的寄存器地址为TS1 TS2 TS3。
本发明的进一步改进在于：电源管理芯片检测到电池电流大于过流阈值时，关闭MOS管；并根据电流值向微处理器上报充放电过流状态。具体的，充放电电流检测，过流、短路保护，充放电过流警示及保护功能和上位机显示功能。过流、短路保护本质上是一样的，都是根据采集到的电流与过流，短路电流的阈值进行比较，只是短路电流阈值肯定要大于过流电流阈值，所以通常是过流电流阈值先起作用。当采集电流大于OC_VALUE(过流阈值)就关闭充放电MOS管，小于它的时候就重新打开充放电MOS管，短路电流比过流大5A会触发短路保护，所以是过流保护先起作用。
本发明的进一步改进在于：充放电过程中，电源管理芯片通过控制各锂电池对应的MOS管的导通关断使得各锂电池的SOC均衡。具体的，均衡是用来消除锂电池电芯的SOC差异，理想状态下，它时刻保持每一个电芯的SOC相同，让所有电芯同步到达充放电的上下电压限值，让电池组可利用的容量变大。
本发明的进一步改进在于：当电源管理芯片检测到某个锂电池的电压过大时，切断该锂电池对应的MOS管，以实现过压保护。具体的：所述的过压保护就是当电池电压大于所设定的阈值之后需要切断充电MOS管所做出的的保护，一般来讲，18650三元锂电池的过压保护阈值4200mV，我们单片机通过将采集到的单节电池电压信息与阈值比较，如果单节电池电压大于4200的话就关闭充电MOS管。MOS管重新开启条件是当电压低于4000mV时，充电MOS重新打开，恢复正常状态。
微处理器获取电压的方式为：读取电源管理芯片相应的寄存器位就可以获得相应的单节电池电压，具体获取电压的方法步骤如下：
将ADC_EN,TEMP_SEL引脚置1，使能ADC和温度采集；
读取电池的电压寄存器0X0C 0X0D,将读取到的寄存器值通过相应的公式待入即可得到电池电压，其它串的电池电压读取方式都是一样，只是寄存器地址不同，可以此类推。
本发明的进一步改进在于：当某个锂电池的电压高于其他锂电池时，对其进行被动均衡；均衡过程中将其与负载电阻接通，直到其电压与其他锂电池一致。被动均衡法的缺点是消耗了单体电池的能量，出现热量，均衡时间长。
本发明中，采用的电池管理芯片为BQ76930芯片，电路的采集和外部均衡MOS。该芯片有如下特性：
模拟前端(AFE)监控特性
纯数字接口；
内部模数转换器(ADC)测量电池电压，芯片温度和外部热敏电阻；
单独的，内部ADC测量电池组电流(库伦电荷计数器)；
直接支持多达三个热敏电阻(103AT)；
硬件保护特性；
放电过流、放电短路、过压、欠压检测等；
次级保护器故障检测。
本发明的进一步改进在于：当某个锂电池的电压小于设定阈值之后，电源管理芯片切断其对应的MOS开关，以避免其过放，从而实现欠压保护。欠压保护就是当电池电压小于所设定的阈值之后需要切断放电MOS管所做出的保护，一般来讲，18650三元锂电池的欠压保护阈值为2800mV，我们单片机通过将采集到的单节电池电压信息与阈值比较，如果单节电池电压小于2800mV的话就关闭放电MOS管。MOS管重新开启条件是当电压高于2800mV时，放电MOS重新打开，恢复正常状态。
本发明的有益技术效果为：该系统可获取大量的参数，并可通过上位机或云端远程控制，可准确监控锂电池的充放电参数以及异常状态。
附图说明
图1是模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统的原理图；
图2是模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统的上位机界面图；
图3是模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统的供电模块的原理图。
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。
本发明的目的在于提供一种安全可靠、能够实时准确地监测并管理车辆充放电状态的模拟电动汽车电池充放电管理的小型BMS。本设计形成的电池管理系统包括的实时监测包含了大量的动态信息，并且对信息的实时性和准确性有着较高的要求，而现有的手持式，便携式监测装置、人工抄表技术都存在这不同程度的缺陷，难以同时满足电池管理系统的各种要求。因此特地引入无线传感网络蓝牙技术搭建电池管理系统集监测和管理于一体。
如图1所示，本发明的电池管理系统的硬件部分包括：
电池管理系统的核心是微处理器，本设计电池管理系统选用的微处理器是STM32F103；STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器，该BMS微处理器最小系统采用STM32F103C8T6为主MCU使用I2C通信与BQ76930通信，实现读写BQ76930相应寄存器达到读取电池电压，电流，温度等相应数据，然后单片机根据读取到的数据做出相应的判断并做出相应的保护。
模拟采样电路：
本次装置使用的BQ76930多MOS电池管理芯片控制电池充放电，bq769x0系列的稳健耐用型模拟前端(AFE)器件通常用作针对下一代高功率系统(例如，轻型电动车辆，电动工具和不间断电源)的完整电池组监控和保护解决方案的一部分.bq769x0在设计时充分考虑了低功耗要求，不仅可通过使能/禁用集成电路(IC)中的子模块来控制整个芯片的电流消耗，而且还可以利用SHIP模式将电池组轻松切换至超低功耗状态。
电压、电流、温度采集：
电压、电流、温度采集是BQ76930所具有的基本功能，也是整个管理系统中非常重要的功能，而本系统采集这些数据都是STM32用I2C通信从BQ76930寄存器读出相应的值再做一定的转化即可读出相应的值，只有把数据采集正确才可以对整个PACK系统有一个良好的管理。
电源供电模块：
如图3所示，本设计选用MP9486A对电源进行供电,MP9486A是一款高压降压型开关稳压器，可输出高达1A的持续电流至负载。它集成了一个高压高端MOSFET，提供3.5A的典型峰值电流限。其4.5V至100V的宽输入电压范围可适用于各种降压应用，是汽车、工业和照明应用的理想之选。采用滞环电压控制模式，可快速响应负载跳变。MPS独有的反馈控制方案可以最大限度地减少外部器件的使用数量。过温保护和短路保护(SCP)确保了其工作的稳定性和可靠性。170μA的静态电流允许其用于电池供电应用中。此处选用MP9486A将电源5V电压转换成3.3v给单片机STM32供电。
如图2所示，本发明中还涉及上位机的软件。上位机界面如图2所示，上面主要有电池电压，总电压，电流，温度等信息显示，另外有指令的一些控制。上位机采用C#语言编写，界面如图2所示。使用时将USB转TTL交叉连接至板子，板子上电后默认充放电MOS都是打开状态。如图2所示，所述设计方法包括以下步骤：
S1:点击“开始采集”按钮即可显示电池主要信息；
S2:点击“停止采集”按钮即可停止板子数据发送给上位机；
S3:点击“关闭放电MOS”即可将放电MOS关闭，此时将不能实现放电操作，点击“打开放电MOS”即可将放电MOS重新打开；
S4:点击“关闭充电MOS”即可将充电MOS关闭，此时将不能实现充电操作，点“打开充电MOS”即可将充电MOS重新打开。
本发明的电池管理系统使用BQ76930多MOS芯片控制电池充放电，bq769x0系列的稳健耐用型模拟前端(AFE)器件通常用作针对下一代高功率系统(例如，轻型电动车辆，电动工具和不间断电源)的完整电池组监控和保护解决方案的一部分.bq769x0在设计时充分考虑了低功耗要求，不仅可通过使能/禁用集成电路(IC)中的子模块来控制整个芯片的电流消耗，而且还可以利用SHIP模式将电池组轻松切换至超低功耗状态。
电池管理系统具体使用步骤如下：
S1:开发板，使用时请对照原理图了解各接口定义及功能。
S2:USB转TTL线，连接屏或者上位机的线，使用时注意TTL线的接线方式为：RX接TX，TX接RX，GND接GND,连接电脑需要CH340驱动，资料包里有相应的驱动。
S3:USB下载，使用TTL接口既可以连接上位机，也可以接屏，同时还具备程序下载的功能。免去使用jlink下载等比较麻烦的方式。
程序下载方法，下载程序需要用到资料包里的FlyMcu软件，开发板上的USB下载按键“左边拨码”需要拨到下侧“1”的位置，然后开始下载程序(如果不能正常下载可以按下板子复位键或者给板子重新上电再次尝试)，下载完毕后将开发板上的USB下载按键“左边拨码”需要拨到起初的位置即可。
S4:充电口，使用时将充电器插上即可给电池充电。
S5:负载连接线，使用时将3号线接负载(负载就是白色的大电阻)一端，将7号线(电源总正)接另一端即可测出当前流过负载的电流大小。
S6:蓝牙模块，接线时注意3.3V接板子的3.3V，GND接板子的GND，TX接板子的RX，RX接板子的TX。
S7:电池盒子及6节18650锂电池，18650请按照电池盒子上标记的按照串联连接(若一个方向既有+和—，请按照标记的串联连接)，往板子上插的时候需要注意方向(方向错了，插不进去)。
S8:负载电阻，负载电阻用来测量流过负载的电流大小，使用时将3号线接负载(负载就是白色的大电阻)一端，将7号线(电源总正)接另一端即可测出当前流过负载的电流大小。
S9:电池总正线，也就是6节电池的总正，使用时将3号线接负载一端，将8号线(电源总正)接另一端即可测出当前流过负载的电流大小。
S10:蓝牙小程序APP，打开微信扫一扫做好的小程序二维码，蓝牙配对成功，即可使用。
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 (7)

1.一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于包括：
微处理器、电源管理芯片以及若干个锂电池，所述微处理器通过I2C接口与所述电源管理芯片通信连接；所述微处理器通过蓝牙与云端通信连接；所述电源管理芯片与分别与各锂电池连接，用于检测锂电池的电压、电流，并通过外接的热敏电阻检测相应锂电池的温度；所述微处理器被配置为：
通过所述电源管理芯片检测各锂电池的电压、电流、温度以及异常状况；异常状况包括：过充、过放、充放电过流；
所述微处理器通过TTL或CAN总线与上位机通信连接。
2.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：电源管理芯片连接的热敏电阻为10K NTC热敏电阻。
3.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：电源管理芯片检测到电池电流大于过流阈值时，关闭MOS管；并根据电流值向微处理器上报充放电过流状态。
4.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：充放电过程中，电源管理芯片通过控制各锂电池对应的MOS管的导通关断使得各锂电池的SOC均衡。
5.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：当电源管理芯片检测到某个锂电池的电压过大时，切断该锂电池对应的MOS管，以实现过压保护。
6.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：当某个锂电池的电压高于其他锂电池时，对其进行被动均衡；均衡过程中将其与负载电阻接通，直到其电压与其他锂电池一致。
7.根据权利要求1所述的一种模拟电动汽车电池充放电管理的小型电池管理系统，其特征在于：当某个锂电池的电压小于设定阈值之后，电源管理芯片切断其对应的MOS开关，以避免其过放。
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