CN114172233A - 锂电池管理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及电池管理系统领域，尤其涉及一种锂电池管理系统及方法。包括主控单元、从控单元、电流传感器、显示终端；所述主控单元和从控单元采用主从分布式冗余总线结构连接，主控单元与显示终端、电流传感器连接；主控单元用于与从控单元进行CAN通讯并进行数据处理后在显示终端显示；从控单元基于平台化设计，负责电压和温度采集并进行内部通讯和外部通讯；电流传感器监测运行电流的大小和方向；显示终端用于显示出电流、电压、温度、故障信息并用于修改系统参数。本发明提供一种具有通讯稳定可靠、可适用于不同电池组合、用户可操作性强、下电后无功耗以及均衡效果较好的锂电池管理系统。

Description

锂电池管理系统及方法
技术领域
本发明属于电池管理系统领域，具体涉及一种锂电池管理系统及方法。
背景技术
锂电池具有能量密度高、循环寿命长、能量效率高、低维护和充电速度快等优点，在电动叉车、工程机车等领域已经得到广泛推广和应用。2021年1月中叉网预测报道，到2028年全球75％的平衡重叉车将采用锂电动力。电池管理系统是锂电池系统不可或缺的一部分，能够准确测量电池组的使用情况，保护电池不至于过度充放电，平衡电池组中每一块单体电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为驾驶员可理解的续航里程信息，对保障车辆高效、可靠及安全运行起到至关重要作用。
目前，市场上的锂电池管理系统主要存在以下问题：
(1)系统在运行过程中，由于种种原因，容易造成主芯片元器件损坏或主机与从机通讯故障；
(2)当前叉车、机车用锂电池管理系统硬件的一体机或主从式拓扑结构在实际使用中对不同种组合的电池系统兼容性差；
(3)系统下电后，锂电池管理系统的高压检测功能一直在线，消耗电池电量，会导致单体电池出现过放电，从而损害到电池系统的整体性能。
(4)当前锂电池管理系统的均衡有两种方式，一种是主动均衡，另一种是被动均衡。前者均衡效率高，但技术复杂、成本高、可靠性低，性价比不高，不实用；后者均衡效率低，但控制技术简单、成本低、可靠性高，产品中大量应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种锂电池管理系统及方法，可以解决上述问题。
为实现上述目的，提供如下技术方案：
一种锂电池管理系统，包括主控单元、从控单元、电流传感器、显示终端；所述主控单元和从控单元采用主从分布式冗余总线结构连接，主控单元与显示终端和电流传感器连接；
主控单元用于与从控单元进行CAN通讯并进行数据处理后在显示终端显示；
从控单元基于平台化设计，负责电压和温度采集并进行内部通讯和外部通讯；
电流传感器监测运行电流的大小和方向；
显示终端用于显示出电流、电压、温度、故障信息并用于修改系统参数。
优选的，主控单元包括互成热备的主CPU和副CPU，副CPU负责在主CPU故障或CAN总线出现问题时被唤醒后，接过主CPU的工作，并与各从控单元进行RS485通讯交互信息。
优选的，从控单元包括单片机、均衡控制电路和AD模拟前端芯片，所述单片机外部通讯设置为CAN总线和RS485总线两种通讯模式；从控单元采用AD模拟前端芯片采集单体电压温度信息；并将采集到的信息通过CAN总线或冗余备用RS485总线报送给主控单元。
优选的，对高压检测电路进行控制，当系统下电后，自动断开高压检测回路，消除因高压检测而产生的功耗。
优选的，对于锂电池管理系统被动均衡方式均衡效果差的情况，设计采用三段均衡电流的控制技术，根据电池一致性差异程度的不同，单片机通过核心算法控制相关电池以不同的均衡电流放电，快速达到均衡的目的，提高均衡效果。
提供一种锂电池管理方法，包括以下步骤
(1)检测初始化成功，若未成功重复检测，若成功执行下一步；
(2)检测主控单元主CPU工作和主从CAN通讯是否正常，若至少有一个不正常则唤醒副CPU，并采用RS485通讯交互信息进行下一步；若正常则直接进行下一步；
(3)检测绝缘是否正常，若正常则闭合母线接触器，进行数据采集；若不正常则进行中断响应；
(4)检测电压是否过欠，若不过欠则进行下一步；若过欠则进行中断响应；
(5)检测温度是否超温，若不超则进行下一步；若超则进行中断响应；
(6)判断是否需要热管理控制；若不需要进行下一步，若需要则进行自动控温后进行下一步；
(7)判断电池是否需要均衡，若不需要进行下一步，若需要则进行自动均衡后进行下一步；
(8)进行SOC计算；
(9)数据显示及报警；
(10)数据存储；
(11)返回步骤(2)循环操作。
优选的：所述中断响应包括以下步骤：
(a)母线接触器断开；
(b)报警显示故障信息；
(c)存储故障数据；
(d)报警待机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明消除因通讯故障带来的安全隐患；通用性强，适用于所有电池组合；操作及维护简单方便，掌握该技术的技术人员群体较大，易于推广和应用；下电后锂电池管理系统无功耗，避免长期存放时因锂电池管理系统耗电导致电池过放电而受损害；采用三段电流被动均衡控制算法、均衡效果好，可靠性高。
附图说明
图1是锂电池管理系统硬件拓扑结构设计图；
图2是自动断电原理图；
图3是三段电流均衡控制原理图；
图4是显示屏主画面图；
图5是系统电气原理图；
图6是主控单元部分电路原理图；
图7是主控单元PCB板toplay元件布置图；
图8是从控单元AD模拟原理图；
图9是从控单元单片机电路原理图；
图10是从控单元PCB板图；
图11是软件流程图；
图12是系统高压上下电控制部分软件代码；
图13是SOC估算子程序部分部分软件代码；
图14是电流传感器连接器端子定义；
具体实施方式
实施例1：
参照说明附图，所述的一种锂电池管理系统，包括主控单元、从控单元、电流传感器、显示终端；所述主控单元和从控单元采用主从分布式冗余总线结构连接，主控单元与显示终端和电流传感器连接；
主控单元用于与从控单元进行CAN通讯并进行数据处理后在显示终端显示；
从控单元基于平台化设计，负责电压和温度采集并进行内部通讯和外部通讯；
电流传感器监测运行电流的大小和方向；
显示终端用于显示出电流、电压、温度、故障信息并用于修改系统参数。
优选的，主控单元包括互成热备的主CPU和副CPU，副CPU负责在主CPU故障或CAN总线出现问题时被唤醒后，接过主CPU的工作，并与各从控单元进行RS485通讯交互信息。
优选的，从控单元包括单片机、均衡控制电路和AD模拟前端芯片，所述单片机外部通讯设置为CAN总线和RS485总线两种通讯模式；从控单元采用AD模拟前端芯片采集单体电压温度信息；并将采集到的信息通过CAN总线或冗余备用RS485总线报送给主控单元。
优选的，对高压检测电路进行控制，当系统下电后，自动断开高压检测回路，消除因高压检测而产生的功耗。高压检测是电池管理系统检测电池组总压以及判断继电器粘连故障，计算绝缘阻值等的一项重要功能，目前市场在用的电池管理系统产品无论电池系统上电还是下电模式，高压检测电路一直在线耗电，参见图2原理图中的J4-1接电池组总正，G2接电池组总负，可以看出如果未加U28\U22\U23高压MOS开关，则J4-1\J4-2\J4-4通过其支路串联分压电阻一直耗电，在电池的整个生命周期内是一个较大的浪费。为此本专利增加了相关的设计电路，由单片机根据需要控制各路通断，节约电能。
优选的，对于锂电池管理系统被动均衡方式均衡效果差的情况，设计采用三段均衡电流的控制技术，根据电池一致性差异程度的不同，单片机通过核心算法控制相关电池以不同的均衡电流放电，快速达到均衡的目的，提高均衡效果。
提供一种锂电池管理方法，包括以下步骤
(1)检测初始化成功，若未成功重复检测，若成功执行下一步；
(2)检测主控单元主CPU工作和主从CAN通讯是否正常，若至少有一个不正常则唤醒副CPU，并采用RS485通讯交互信息进行下一步；若正常则直接进行下一步；
(3)检测绝缘是否正常，若正常则闭合母线接触器，进行数据采集；若不正常则进行中断响应；
(4)检测电压是否过欠，若不过欠则进行下一步；若过欠则进行中断响应；
(5)检测温度是否超温，若不超则进行下一步；若超则进行中断响应；
(6)判断是否需要热管理控制；若不需要进行下一步，若需要则进行自动控温后进行下一步；
(7)判断电池是否需要均衡，若不需要进行下一步，若需要则进行自动均衡后进行下一步；
(8)进行SOC计算；
(9)数据显示及报警；
(10)数据存储；
(11)返回步骤(2)循环操作。
优选的：所述中断响应包括以下步骤：
(a)母线接触器断开；
(b)报警显示故障信息；
(c)存储故障数据；
(d)报警待机。
实施例2：
本实施例针对76.8V/240Ah的叉车锂电池：
该系统主要由1个主控单元和2个从控单元、高低压线束、电流传感器、显示屏、DCDC控制电源、高压控制组件、开关、指示灯、报警器等部件组成，参见图5系统电气原理图
主控单元(BCU)设计有主、副两个中央处理器(CPU)，主、副CPU互为热备，主CPU负责与从控单元进行CAN通讯信息传输，数据处理、安全保护等工作。副CPU负责在主CPU故障或CAN总线出现问题时被唤醒后，接过主CPU的工作，并与各从控单元进行RS485通讯交互信息，确保锂电池管理系统的通讯可靠运行。参见图6主控单元电路原理图；
图7主控单元PCB板toplay元件布置图。
从控单元(BMU)采用一个MC9S08DZ60F2MLFR单片机+2个AD7280A模拟前端采集芯片的构型设计，可采集最多12个单体电池电压信号和6个温度信号，板上集成有均衡控制电路，从而实现数据采集，通讯、均衡管理的功能。参见原理图8、图9和PCB板图10。
主控单元软件C语言编程，软件流程图如图11，系统高压上下电控制部分软件代码见图12，SOC估算子程序部分软件代码见图13。
电流传感器规格型号为JKC39I-500A，本电流传感器电源电压+5VDC，额定输出电压2.5VDC±2.0V,测量范围±500A，总体精度±1％。连接器型号为AMP1565749-1,接口定义见图14。
显示器终端规格型号为TPC7062TX,输入电源+24VDC；环境温度0～+45℃，该显示屏输入输出接口共有4个，其中2个USB口分别用与上位机和U盘连接；另外一个COM口与锂电池管理系统连接采用RS485总线方式通讯，一个电源接口，是显示屏的供电接口。本系统显示屏显示组态见图4。
对高压检测线路进行控制，参见图2。当系统下电后，单片机U1-31\U1-144端口电压内部断开与地的连接，高压开关U28\U22\U23\U13输出端自动断开高压检测回路，尽管J4-1、J4-2、J4-4端子分别与G2之间仍接有电池有电压，但是消除了因高压检测电路产生的功耗。
电池均衡控制，通过单片机将电池的数据分析处理后，按照均衡算法的程序自动对需要均衡的单体电池，采取相应的均衡电流进行均衡，以提高均衡的效率。参见原理图3
本磷酸铁锂电池系统的均衡控制策略是：在充电阶段，当最高电压单体电池(比如是B6电池)达到3.4V以上，且与最低电压单体电池(比如是B1电池)之间压差达到20mV时，则控制MOS管Q6导通，以50mA电流对满足均衡条件的B6电池进行一段均衡控制放电，直至压差＜18mV，然后在控制相关的MOS管Q6断开，该单体电池完成均衡；如果最大压差达到35mV，则控制相关MOS管Q7导通，以100mA电流对满足均衡条件的B6电池进行二段均衡控制放电，直至压差＜18mV，然后在控制相关MOS管Q6断开，该单体电池完成均衡；如果最大压差达到50mV，则控制相关的2个MOS管Q6和Q7同时导通，以150mA左右电流对满足均衡条件的B6电池进行三段均衡控制放电，直至压差＜18mV，然后在控制相关的2个MOS管Q6和Q7同时断开，该单体电池完成均衡。
该方法比采用一段电流均衡的方法，可以小电流预防电池一致性变差；可以大电流快速均衡一致性较差的电池系统，效果更好，效率更高。
上述方案中未详细说明部分均为现有技术，特此说明。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种锂电池管理系统，其特征在于，包括主控单元、从控单元、电流传感器、显示终端；所述主控单元和从控单元采用主从分布式冗余总线结构连接，主控单元与显示终端和电流传感器连接；
主控单元用于与从控单元进行CAN通讯，并进行数据处理后在显示终端显示；
从控单元基于平台化设计，负责电压和温度采集并进行内部通讯和外部通讯；
电流传感器监测运行电流的大小和方向；
显示终端用于显示出电流、电压、温度、故障信息并用于修改系统参数。
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，主控单元包括互成热备的主CPU和副CPU，副CPU负责在主CPU故障或CAN总线出现问题时被唤醒后，接过主CPU的工作，并与各从控单元进行RS485通讯交互信息。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统，其特征在于：从控单元包括单片机、均衡控制电路和AD模拟前端芯片，所述单片机外部通讯设置为CAN总线和RS485总线两种通讯模式；从控单元采用AD模拟前端芯片采集单体电压温度信息；并将采集到的信息通过CAN总线或冗余备用RS485总线报送给主控单元。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统，其特征在于：对高压检测电路进行控制，当系统下电后，自动断开高压检测回路，消除因高压检测而产生的功耗。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统，其特征在于：根据电池一致性差异程度的不同主控单元采用三段均衡电流的控制方法，具体如下：
在充电阶段，当最高电压单体电池达到设定的电压值V1以上时，且与最低电压单体电池之间压差达到V2时，则控制MOS管导通，以I1电流对满足均衡条件的电池进行一段均衡控制放电，直至压差＜V3，然后在控制相关的MOS管断开，该单体电池完成均衡；如果最大压差达到V4，则控制相关MOS管导通，以I2电流对满足均衡条件的电池进行二段均衡控制放电，直至压差＜V3，然后在控制相关MOS管断开，该单体电池完成均衡；如果最大压差达到V5，则控制相关的2个MOS管同时导通，以I3左右电流对满足均衡条件的电池进行三段均衡控制放电，直至压差＜V3，然后在控制相关的2个MOS管同时断开，该单体电池完成均衡。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种锂电池管理方法，其特征在于：包括以下步骤
(1)检测初始化成功，若未成功重复检测，若成功执行下一步；
(2)检测主控单元主CPU工作和主从CAN通讯是否正常，若至少有一个不正常则唤醒副CPU，并采用RS485通讯交互信息进行下一步；若正常则直接进行下一步；
(3)检测绝缘是否正常，若正常则闭合母线接触器，进行数据采集；若不正常则进行中断响应；
(4)检测电压是否过欠，若不过欠则进行下一步；若过欠则进行中断响应；
(5)检测温度是否超温，若不超则进行下一步；若超则进行中断响应；
(6)判断是否需要热管理控制；若不需要进行下一步，若需要则进行自动控温后进行下一步；
(7)判断电池是否需要均衡，若不需要进行下一步，若需要则进行自动均衡后进行下一步；
(8)进行SOC计算；
(9)数据显示及报警；
(10)数据存储；
(11)返回步骤(2)循环操作。
7.根据权利要求6所述的一种锂电池管理方法，其特征在于：所述中断响应包括以下步骤：
(a)母线接触器断开；
(b)报警显示故障信息；
(c)存储故障数据；
(d)报警待机。
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