CN114156553B - 一种新能源锂离子电池组管理系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新能源锂离子电池组管理系统及其实现方法，包括新能源锂离子电池组管理系统，所述新能源锂离子电池组管理系统内设有串联电池组、磁保持继电器、采样均衡功能电路、微控制器主机和微控制器从机，采样均衡功能电路控制不同状态来导通相对应电池并对该电池进行采样、补充能量，从而实现对整个电池组每串电池电压的精确采集与电压均衡，同时也降低了的物料成本与控制成本，同时通过算术逻辑运算电路可以让采样均衡功能电路不论微控制器从机提供什么的输出状态均可以正常工作而且不会出现异常导致电路烧毁；再通过对电流、温度进行采样，并计算串联电池组在充电时、放电时以及静止状态时的电量，以及电池的健康状况检测。
Description
技术领域
本发明属于新能源电池组信息管理技术领域，具体涉及一种新能源锂离子电池组管理系统及其实现方法。
背景技术
随着锂离子电池技术的不断发展，锂离子在性能方面的优越性就越发明显，这是未来动力电池的发展方向，是目前最具发展潜力的动力电池。目前，锂离子电池已经在电动汽车中使用，为了满足电动汽车对负载能力和续航能力的需求，需要锂离子电池具有很大的容量。
现有技术中，电动汽车中广泛采用将大量锂离子电池串联形成电池组，以解决锂离子电池容量不足的问题。大量锂离子电池并联、串联使用的形式虽然能够满足电动汽车对电池容量的需求，但是在电池组长期使用中，会出现电池一致性恶化的现象。如果电池不一致性较大，则会造成电池单体严重过充、过放，进而导致电池被严重损坏。因此，电池管理系统应运而生，其具有在电池之间实现能量均衡的功能，保证电池组中电池的一致性较好。同时，电池管理系统可以保障电池组能够安全、可靠的工作，降低和避免不合理的使用对电池组造成能量的浪费和结构的损害，从而提高电池组的工作效率和延长电池组的循环工作寿命。
现有的锂离子电池管理系统，大部分锂离子电池管理系统采用电阻放电的被动均衡方式对电池进行均衡控制，将过高的电压通过电阻发热消耗导致均衡效率低，同时容易发生热量管理问题。同时使用功率NMOS管或单稳态继电器来对电池组的充放电进行控制，功率NMOS管需要多个并联使用会有热平衡以及成本的问题，单稳态继电器需要一个电压电流来维持其动作状态会增加系统的静态功耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新能源锂离子电池组管理系统及其实现方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种新能源锂离子电池组管理系统：包括串联电池组和电池组管理电路，所述电池组管理电路包括微控制器主机和微控制器从机，微控制器主机通过隔离通信连接微控制器从机；
微控制器主机的输入端通过DC-DC隔离电源与串联电池组的正极连接，所述微控制器主机的输出端通过磁保持继电器与串联电池组的正极连接；
微控制器从机的输入端通过DC-DC隔离电源与串联电池组的正极连接，所述微控制器从机通过采样均衡功能电路与串联电池组实现数据交互。
进一步的，所述微控制器从机与采样均衡功能电路之间设有算数逻辑运算电路，所述算数逻辑运算电路的输入端与微控制器从机的输出端连接，所述算数逻辑运算电路的输出端与所述采样均衡功能电路的输入端连接，保证采样均衡功能电路中的开关正常的工作，特别是保证电池单体不能正负极短接以及电池单体之间不能相互导通而形成环路，否则后果将是灾难性的。为此设置算术逻辑运算电路来避免这个风险，使微控制器从机控制端口无论给什么的状态算术逻辑运算电路均有对应且唯一的开关动作。算术逻辑运算电路有高、低电平两种控制方式。
进一步的，所述串联电池组的负极设有电流采样电路，所述电流采样电路的输出端与微控制器主机的输入端连接。
进一步的，还包括第一隔离电源、第二隔离电源、第三隔离电源和第四隔离电源；
所述第一隔离电源设置在DC-DC隔离电源与微控制器主机之间，第一隔离电源的输入端与DC-DC隔离电源的输出端连接，第一隔离电源的输出端与微控制器主机的输入端连接；
所述第二隔离电源设置在DC-DC隔离电源与微控制器从机之间，第二隔离电源的输入端与DC-DC隔离电源的输出端连接，第二隔离电源的输出端与微控制器从机的输入端连接；
所述第三隔离电源设置在DC-DC隔离电源与采样均衡功能电路之间，第三隔离电源的输入端分别与DC-DC隔离电源和微控制器从机的输出端连接，第三隔离电源的输出端与采样均衡功能电路的输入端连接。
进一步的，还包括隔离通信接口，所述隔离通信接口设置在微控制器主机与DC-DC隔离电源之间，所述隔离通信接口通过隔离电源与DC-DC隔离电源连接，其中，隔离通信接口主要用于电池管理系统与与电池组管理系统外接的控制系统进行数据互换。
进一步的，还包括电池组输入输出电压采样电路，所述电池组输入输出电压采样电路分别与串联电池组的正负极连接，所述电池组输入输出电压采样电路的输出端与所述微控制器主机的输入端连接。
一种新能源锂离子电池组管理系统的实现方法，包括以下步骤：
S1：通过控制采样均衡功能电路内的开关，得到串联电池组的单串电池电压，设置采样均衡功能电路的开关为双向导通开关并且开关的数量与串联电池组内电池数量相关；
S2：微控制器从机接收采样均衡功能电路获取的采样电压，根据伏安定律计算出单串电池的内阻；
S3：将计算得出的单串电池的内阻与单串电池设定的内阻进行比对，得到单串电池损坏或电压掉线的情况；
S4：通过对控制采样均衡功能电路内的开关的关闭，对对应单串电池进行关闭；通过对控制采样均衡功能电路内的开关的开启，对对应单串电池进行充电，让其电压与整组电池电压平衡。
本发明的有益效果是：
本发明在采样均衡功能电路控制不同状态来导通相对应电池并对该电池进行电压采样、内阻采样、补充能量，从而实现对整个电池组每串电池电压、内阻的精确采集与电压均衡。由于控制方式的加入使得电路的结构更加简洁，同时也降低了一半的物料成本与控制成本。不仅提升了性能，也大幅降低了成本。
本发明通过算术逻辑运算电路可以让采样均衡功能电路不论微控制器从机提供什么的输出状态均可以正常工作，并且不会出现异常导致电路烧毁。
本发明通过对电流、内阻、温度进行采样，并配合电压来分别计算串联电池组在充电时、放电时以及静止状态时的电量，并通过动态计算内阻利用相应算法得到随着循环次数的增加电池的健康状况，即电池的衰减情况。
使用磁保护继电器作为功率开关应用，相较于现有的半导体功率器件成本大幅降低；相较于现有单稳态继电器要一直供电给线圈让其导通，磁保护继电器只需要提供一个开/关的脉冲电平即可以完成导通/关闭的动作，可以让系统功耗进一步降低。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明实施例中采样均衡功能电路图；
图3为本发明实施例中采样功能均衡电路第一子模块高电平控制电路图；
图4为本发明实施例中采样功能均衡电路第一子模块低电平控制电路图；
图5为本发明实施例中采样功能均衡电路第二子模块电路图；
图6为本发明实施例中算术逻辑运算高电平控制电路图；
图7为本发明实施例中算术逻辑运算低电平控制电路图；
图8为本发明实施例中算术逻辑运算电路的高电平控制逻辑状态图；
图9为本发明实施例中算术逻辑运算电路的低电平控制逻辑状态图；
图10为本发明实施例中微控制器主机和微控制器从机控制方式图；
图11为本发明实施例中隔离电源和磁保持继电器控制方式图；
图12为本发明实施例中系统状态控制图。
图中：101-串联电池组；102-采样均衡功能电路；103-算数逻辑运算电路；104-磁保持继电器；105-电流采样电路；106-DC-DC隔离电源；107-微控制器从机；108-隔离通信；109-微控制器主机；110-隔离通信接口；111-电池组输入输出电压采样电路；112-第一隔离电源；113-第二隔离电源；114-第三隔离电源；115-隔离电源；201-第一子模块；202-第二子模块。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。
参阅图1-12，本发明提供一种技术方案：
一种新能源锂离子电池组管理系统，包括串联电池组101和电池组管理电路，电池组管理电路包括微控制器主机109和微控制器从机107，微控制器主机109通过隔离通信108连接；
微控制器主机109的输入端通过DC-DC隔离电源106与串联电池组101的正极连接，微控制器主机109的输出端通过磁保持继电器104与串联电池组101的正极连接，磁保持继电器104，一般使用功率NMOS管以及单稳态继电器来对电池组的充放电进行控制。功率NMOST管主要用于高速的开关电路，但是对于电池组充放电等保护控制应用场景并不需要特别高的工作频率。磁保持继电器104只需要提供一个脉冲就可以让其开\关状态发生改变，不需要提供维持电流，真正做到零功耗；
微控制器从机107的输入端通过DC-DC隔离电源106与串联电池组101的正极连接，微控制器从机107通过采样均衡功能电路102与串联电池组101实现数据交互。
进一步的，串联电池组101的负极设有电流采样电路105，电流采样电路105的输出端与微控制器主机109的输入端连接。
进一步的，微控制器从机107与采样均衡功能电路102之间设有算数逻辑运算电路103，算数逻辑运算电路103的输入端与微控制器从机107的输出端连接，算数逻辑运算电路103的输出端与采样均衡功能电路102的输入端连接，保证采样均衡功能电路102中的开关正常的工作，特别是保证电池单体不能正负极短接以及电池单体之间不能相互导通而形成环路，否则后果将是灾难性的。为此设置算术逻辑运算电路103来避免这个风险，使微控制器从机107控制端口无论给什么的状态算术逻辑运算电路103均有对应且唯一的开关动作。算术逻辑运算电路103具体实施例中有高电平、低电平两种控制方式。
进一步的，还包括第一隔离电源112、第二隔离电源113、第三隔离电源114和第四隔离电源115；
第一隔离电源112设置在DC-DC隔离电源106与微控制器主机109之间，第一隔离电源112的输入端与DC-DC隔离电源106的输出端连接，第一隔离电源112的输出端与微控制器主机109的输入端连接；
第二隔离电源113设置在DC-DC隔离电源106与微控制器从机107之间，第二隔离电源113的输入端与DC-DC隔离电源106的输出端连接，第二隔离电源113的输出端与微控制器从机107的输入端连接；
第三隔离电源114设置在DC-DC隔离电源106与采样均衡功能电路102之间，第三隔离电源114的输入端分别与DC-DC隔离电源106和微控制器从机107的输出端连接，第三隔离电源114的输出端与采样均衡功能电路102的输入端连接。
进一步的，还包括隔离通信接口110，隔离通信接口110设置在微控制器主机109与DC-DC隔离电源106之间，隔离通信接口110通过隔离电源115与DC-DC隔离电源106连接。
进一步的，还包括电池组输入输出电压采样电路111，电池组输入输出电压采样电路111分别与串联电池组101的正负极连接，电池组输入输出电压采样电路111的输出端与微控制器主机109的输入端连接。
以8串电池组电池组作为具体实施方式来作为说明，一种新能源锂离子电池组管理系统：采样均衡电路设置双向导通开关S1－S9以及双向导通开关S_A、S_B、S_C、S_D，通过控制开关S1至S9的开通、关闭，在VP与VN之间可以得到101电池组BAT1至BAT8之间的单串电压，但是这VP、VN之间的电压在S1、S2，S3、S4，S5、S6，S7、S8这四组开关分别导通时为正值，在S2、S3，S4、S5，S6、S7，S9、S8这四组开关分别导通时为却为负值，第二子模块202设置的目的就是为了让其在S2、S3，S4、S5，S6、S7，S9、S8这四组开关分别导通时换向，最终让VCC_P、VCC_N之间在S1、S2，S2、S3，S3、S4，S4、S5，S5、S6，S6、S7，S7、S8，S8、S9这8组开关分别导通时对应BAT1－BAT8的单串电压，这个电压经过第二子模块202中的包括R17、R18、R19、C1构成的电压采样电路最终得到V_Cell_ADC电压给微控制器从机107。微控制器从机107在做电压采样时通过控制Q1和已知阻值电阻R16的导通、关闭从而得到不同的电压值，从而根据伏安法反推对应电池的内阻，也可以根据内阻的大小的判定是否掉线或电池损坏，同时为了保证开关S1－S9正常的工作，特别是开关S1、S3、S5、S7、S9之间不能同时导通以及开关S2、S4、S6、S8之间也不能同时导通，否则，后果将是灾难性的。为此引入了算术逻辑运算电路来避免这个风险，在图8的8串电池组控制的实施例中，微控制器从机107控制端口C_A0、C_A1、C_A2无论给什么的状态103算术逻辑运算电路均有对应且唯一的开关动作。此外，为了防止硬件电路损坏而引发故障，所以在采样均衡功能电路102中加入F1－F9这9颗保险丝。
而补充方式为：开关S1－S9以及S_A、S_B、S_C、S_D均为双向导通开关，因为是双向导通开关，所以也可以反向向对应电池注入电压、电流，第三隔离电源114通过C_EN控制信号控制U16的导通、关闭便可以向电池组中电压较低的电池注入电压、电流，从而实现整个电池组的电压平衡。从而最大限度地利用电池组的能量。
设置磁保持继电器104部分，一般使用功率NMOS管以及单稳态继电器来对电池组的充放电进行控制。功率NMOST管主要用于高速的开关电路，但是对于电池组充放电等保护控制应用场景并不需要特别高的工作频率。单稳态继电器主要用于大功率的电池组比如新能源汽车的控制就是使用这种方式，而磁保持继电器104只需要提供一个脉冲就可以让其开\关状态发生改变，不需要提供维持电流，真正做到零功耗。在本发明的具体实施方式中所示，微控制器主机109提供闭合控制脉冲信号C_BAT_ON时磁保持继电器104开关K1闭合电池组正常输入输出。 当出现过压、欠压、过流、短路、过温、低温时微控制器主机109提供断开控制脉冲信号C_BAT_OFF时磁保持继电器104断开开关K1电池组关闭输入输出，其中使用磁保护继电器作为功率开关应用，相较于现有的半导体功率器件成本大幅降低；相较于现有单稳态继电器要一直供电给线圈让其导通，磁保护继电器只需要提供一个开/关的脉冲电平即可以完成导通/关闭的动作，可以让系统功耗进一步降低。
在电池组关闭输入输出时，微控制器主机109通过控制信号C_VBAT控制开关管Q4导通，通过R27与R28的作用让Q6导通，从而将电池组正极电压VBAT通过电阻R29、R30分压得到ADC_VBAT送至微控制器主机109。
微控制器主机109通过控制信号C_VPACK+控制开关管Q7导通，通过R31与R32的作用让Q8导通，从而将电池包正极电压VPACK+通过电阻R2、R23分压得到ADC_VPACK+送至微控制器_主机。
通过对这个两个电压的采样从而判定是否需要开启磁保持继电器104从而让电池组正常输入输出。本实施例中使用信号控制采样可以减小采样电阻上的功率损耗。
电流采样电路105中，通过R1、U17构成的采样电路可以将电流信号转换成电压信号ADC_I送到微控制器主机109从而判定是否过流、短路、向与电池组管理系统外接的控制系统系统报告电流数据以及使用此电路来做电量SOC计算。
本发明在采样均衡功能电路102控制不同状态来导通相对应电池并对该电池进行采样、补充能量，从而实现对整个电池组每串电池电压的精确采集、内阻计算与电压均衡。由于控制方式的加入使得电路的结构更加简洁，同时也降低了一半的物料成本与控制成本。不仅提高了性能，而且大幅降低了成本。同时通过算术逻辑运算电路103可以让采样均衡功能电路102不论微控制器从机107提供什么的输出状态均可以正常工作，并且不会出现异常导致电路烧毁。通过对电流、温度进行采样，并配合电压来分别计算串联电池组101在充电时、放电时以及静止状态时的电量，并通过动态计算内阻利用相应算法得到随着循环次数的增加电池的健康状况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种新能源锂离子电池组管理系统，其特征在于：包括串联电池组(101)和电池组管理电路，所述电池组管理电路包括微控制器主机(109)和微控制器从机(107)，微控制器主机(109)通过隔离通信(108)连接微控制器从机(107)；
微控制器主机(109)的输入端通过DC-DC隔离电源(106)与串联电池组(101)的正极连接，所述微控制器主机(109)的输出端通过磁保持继电器(104)与串联电池组的正极连接；微控制器从机(107)的输入端通过DC-DC隔离电源(106)与串联电池组(101)的正极连接，所述微控制器从机(107)通过采样均衡功能电路(102)与串联电池组(101)实现数据交互，所述采样均衡功能电路(102)具有第一子模块(201)和第二子模块(202)；所述第一子模块(201)设置有多个双向导通开关；所述第二子模块(202)多个双向导通开关，算数逻辑运算电路(103)的输入端与微控制器从机(107)的输出端连接，所述算数逻辑运算电路(103)的输出端与所述采样均衡功能电路(102)的输入端连接，所述串联电池组(101)的负极设有电流采样电路(105)，所述电流采样电路(105)的输出端与微控制器主机(109)的输入端连接，还包括电池组输入输出电压采样电路(111)，所述电池组输入输出电压采样电路(111)分别与串联电池组(101)的正负极连接，所述电池组输入输出电压采样电路(111)的输出端与所述微控制器主机(109)的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种新能源锂离子电池组管理系统，其特征在于：还包括第一隔离电源(112)、第二隔离电源(113)、第三隔离电源(114)和隔离电源(115)；
所述第一隔离电源(112)设置在DC-DC隔离电源(106)与微控制器主机(109)之间，第一隔离电源(112)的输入端与DC-DC隔离电源(106)的输出端连接，第一隔离电源(112)的输出端与微控制器主机(109)的输入端连接；
所述第二隔离电源(113)设置在DC-DC隔离电源(106)与微控制器从机(107)之间，第二隔离电源(113)的输入端与DC-DC隔离电源(106)的输出端连接，第二隔离电源(113)的输出端与微控制器从机(107)的输入端连接；
所述第三隔离电源(114)设置在DC-DC隔离电源(106)与采样均衡功能电路(102)之间，第三隔离电源(114)的输入端分别与DC-DC隔离电源(106)和微控制器从机(107)的输出端连接，第三隔离电源(114)的输出端与采样均衡功能电路(102)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的一种新能源锂离子电池组管理系统，其特征在于：还包括隔离通信接口(110)，所述隔离通信接口(110)设置在微控制器主机(109)与DC-DC隔离电源(106)之间，所述隔离通信接口(110)通过隔离电源(115)与DC-DC隔离电源(106)连接，所述隔离通信接口(110)主要用于电池组管理系统与与电池组管理系统外接的控制系统进行数据交互。
4.根据权利要求1所述的一种新能源锂离子电池组管理系统的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过控制采样均衡功能电路(102)内的开关，得到串联电池组(101)的单串电池电压，设置采样均衡功能电路(102)的开关为双向导通开关并且开关的数量与串联电池组(101)内电池数量相关；
S2：微控制器从机(107)接收采样均衡功能电路(102)获取的采样电压，根据伏安定律计算出对应单串电池的内阻；
S3：将计算得出的单串电池的内阻与单串电池设定的内阻进行比对，得到单串电池损坏或电压掉线的情况；
S4：通过对控制采样均衡功能电路(102)内的开关的关闭，对对应单串电池进行关闭；通过对控制采样均衡功能电路(102)内的开关的开启，对对应单串电池进行充电，让其电压与整组电池电压平衡。
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