CN116418054A - 一种新型多通道智能锂离子电池管理模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及智能锂离子电池状态信息检测和管理模块，属于新能源测控领域。本发明以锂离子电池组状态信息检测及管理为目标，能在多种工况下对电池的电压、电流、温度进行在线检测、剩余电量SOC（State of charge）估算、均衡管理，实现对电池组实时监管，保障其在各种复杂工况下使用的高效性和安全性。本发明对锂离子电池管理模块进行微型化、分布式设计：主要包括检测板和主控板两个部分。检测板具有十二个电压检测通道、一个电流检测通道、五个温度检测通道、十二个被动均衡通道，用于对电池组进行状态信息检测；检测板之间可以通过菊链式进行级联，拓展系统的检测通道，增加通用性。主控板用于对电池组的状态信息进行处理和显示，具备过压、过流、过温报警功能；该管理模块单体电压精度2.00mV、电流精度0.1mA、温度精度±1.00℃、SOC在线估算精度97.00%。
Description
技术领域
本发明属于新能源测控领域，特别涉及一种信号采集电路及锂离子电池检测和管理系统。
背景技术
在锂离子电池组的整个生命周期中，电池管理系统（Battery ManagementSystem，BMS）对状态参数的监控和调节将影响电池组输出的效果和安全性。因此，实时监测状态参数的变化，并基于此保障锂离子电池组的工作性能是非常必要的。
由于BMS中的成组状态参数检测及荷电状态（State of charge，SOC）的估算技术尚不成熟，使用过程中存在的安全隐患严重制约了锂离子电池组的发展。对于锂离子电池组而言，SOC表征了锂离子电池组的剩余容量，是BMS的核心算法之一，准确的SOC不仅能对电池组进行可靠的能量管理和安全控制，提高能量利用率，还避免锂离子电池组因过充、过放而受到损坏，延长其使用寿命。SOC精确度依赖于锂离子电池组状态参数的准确性。因此，准确采集电池组状态参数，对提高SOC估算的精度以及保障锂离子电池组的工作性能及其能量和安全管理至关重要。此外，锂离子电池组的充放电过程包含复杂的电能、化学能和热能转换等环节，过充电和过放电现象易引发安全事故，造成使用人员受伤和经济财产损失。因此，精确的SOC估算在防止过充电和过放电中起着重要作用。在锂离子电池组的应用中，其安全性依然是最值得关注的问题，SOC的精确估算是其安全使用的基础和前提。锂离子电池组采用电池单体级联结构，由于无法避免材料和工艺的差异，导致电池单体间的不一致现象客观存在；并且该现象会随着循环次数的增加越来越显著，这就使得单体间的不一致性的表达与修正成为成组SOC估算的重要组成部分，同时也给成组SOC精确估算带来了巨大的挑战。
综上所述，发明一种新型多通道智能锂离子电池管理模块，用于锂离子电池组状态信息实时监测及有效管理。
发明内容
为了解决上述问题，本发明设计一种新型多通道智能锂离子电池管理模块，其目的是对锂离子电池组进行实时监测和管理，并且能够准确估测SOC。该管理模块能保证SOC维持在合理的范围内，以防止由于过充电或过放电对锂离子电池造成一定损伤，从而随时预测电池组的剩余能量或者荷电状态。
为了实现上述的目的，本发明的技术方法如下所述：
对锂离子电池进行进行微型化、分布式设计，把整个管理模块分为前端检测版和主控板两部分。检测板通过实时监测电池组中每块电池的端电压和温度、充放电的电流及电池组总电压来对电池组进行状态信息检测，主要由十二个电压检测通道、一个电流检测通道、五个温度检测通道、十二个被动均衡通道组成。检测板之间可以通过菊链式进行级联，拓展系统的检测通道。主控板主要用于对电池组的状态信息进行处理和显示，同时具备过压、过流、过温报警功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下所述：
本发明主要用于管理锂离子电池组，能实现对电池组实时监管，保障电池组各种复杂工况下使用安全性；此外，能防止锂离子电池发生过充或过放电现象，保证了锂离子电池的高效使用；同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。本管理模块还具有均衡功能，采用被动均衡使得电池组中各个电池都达到均衡一致的状态，从而保障锂离子电池组在各种复杂工况下运行的安全性。
附图说明
图1为一个实施例的信号采集电路的结构框图；
图2为另一个实施例的信号采集电路的结构框图；
图3为一个实施例的电压检测单元的电路图；
图4为一个实施例的温度采集电路的结构框图；
图5为一个实施例的电流检测单元的结构框图；
图6为一个实施例主控板的PCB；
图7为一个实施例检测板的PCB。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更清楚了然，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步说明。应当理解，此处描述的具体实施仅仅解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电压信号采集电路；该电压信号采集电路包括检测板、主控板以及用于连接电池组中各单体电池的十二个连接端（IN1至IN12）。其中，检测板单元具有传输控制端、信号输出端及十二个电压采集端。检测板的传输控制端连接主控制板的传输受控端，检测板单元的信号输出端连接主控制板的信号输入端。对于任意节数的电池组而言，当电池组所包括的单体小于或等于十二节时，图1电压信号采集电路可用于监测该电池组的电压参数；当电池组所包括的单体大于十二节时，可采用图2的连接方式，对检测板进行级联。每个检测板都具有一个iosSPI接口，用于实现高速、抗RF干扰的局域通信；将多个检测板采用菊链式连接，且所有器件均采用一根主处理器接线，便可以对大于十二节的单体电池的电池组进行电压参数的在线监测。
在本实施例中，前端检测板单元可用于采集电池组中各单体电池的电压，并将采集到的各单体电压传输至主控单元。在实际应用中，信号采集电路中的十二个电池连接端一方面连接电池组中的各单体电池，另一方面与前端检测板单元中的十二个单体电压采集端一一对应连接；具体地，前端检测板单元采集到各单体电池的电压后，可通过传输控制端向主控单元的传输受控端发送传输触发信号，以触发前端监测单元和主控单元之间进行相应的电信号的传输，如电池电压信号的传输，即通过前端检测板单元的电信号输出端和主控单元的电信号输入端，将采集到的各单体电池的电压从前端检测板单元传输至主控单元。
其中，在图1中前端检测板单元和主控单元之间可以通过SPI进行信号传输，即前端检测板单元的信号输出端和主控单元的信号输入端都包括时钟引脚和数据引脚。
在一个实施例中，在图2中的通过菊链式连接的多个检测板单元通过一个LTC6820的芯片和主控单元进行iosSPI通信。
图1和图2所述的信号采集电路，包括前端检测板单元、主控板单元以及用于连接电池组中的各单体电池的连接端，前端检测板单元的信号输出端连接主控单元的信号输入端。由于可以多个检测板级联，本发明能够适用于不同电池单体数的电池组，从而提高了通用性。
为了进一步对本申请的电压采集方案和被动均衡方案进行更详细的说明，结合图3进行说明。在本实施例中电池组单体电压采集使用LTC6804芯片进行采集，该芯片通过十二个电压采集通道进行电压采集，并且通过十二个均衡通道对电池进行均衡处理；当经过电压采集通道采集回来的电压值中出现某节电池电压高于其他电池时，便从均衡通道输出一个开关信号到MOS管，打开MOS管使高电压电池的能量在功率电阻上以热能消耗掉；当检测到高电压电池和其他电池电压相同时便关闭MOS管，停止消耗能量。
在一个实施例中，如图4所示，信号采集电路还包括用于检测电池组温度的检测单元，该检测单元用于监测电池组在使用过程、充放电过程中的温度变化，防止温度过高或过低影响电池组的工作性能。温度检测电路采用热敏电阻监测温度，随着温度的变化热敏电阻的阻值也会发生变化，进而温度检测电路中热敏电阻两端的电压也会发生变化，将变化的电压通过检测板的信号输出端传递给主控板的信号输入端，主控板单元的处理器将从检测板接收到的电压值通过AD转化模块将电压转化为实际温度，从而得到电池组温度。检测板单元具有五个温度采集口对电池组进行温度采集，可以根据实际情况对温度采集口进行增减。
在一个实施例中，信号采集电路还包括电流检测单元；用于监测电池组在使用过程、充放电过程中电流的变化，防止电流过大影响电池组的工作性能，并且为SOC估算提供电流参数。如图5所示，电流采集模块使用的是芯片INA219，通过在主回路中串联一个采样电阻Rs，使用AD转换模块采集Rs两端的电压，根据欧姆定律I=U/Rs，得出电流中的电流参数；电流参数通过IIC的通信模式传递给主控板单元，即前端检测板单元的信号输出端和主控单元的信号输入端都包括时钟引脚和数据引脚。每个检测板单元都具有一个电流检测口。
参阅图6、图7，分别为本发明实施例的主控板和检测板的PCB示意图。
应当理解，本申请的各个部分皆可用软件、硬件、固件或者它们的搭配组合来实现。在上述的实施方式中，多个方法或者步骤可以用存储在存储器中，由合理的指令执行的软件或者固件来实现。例如，如果采用硬件实现其功能，可参考另一实施方法，采用以下所述的本领域广泛应用的技术来实现，具体为，采用其中任一项或者它们的合理组合：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的计算类芯片，处理离散的电学“1”和“0”信号的数字信号的集成电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，模数接口中的可编程增益放大器（PGA），在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的现场可编程门阵列（FPGA）等等。
本技术领域的普通技术人员可以明白可通过程序来命令相关的硬件从而实现上述实施例方法所提及的部分或者全部步骤，且所采用的程序可以储存在一种计算机可读存储介质中，当程序开始运行时，包括了方法实施例中的任一步骤或者其组合。
此外，上述所提的各个实施例中的各功能单元可以进行以下处理：各功能单元单独存在，两个或两个以上的单元集成在一个模块中，全部集成在同一个处理模块中；且上述的集成模块可以采用硬件和软件功能模块的形式实现。如果所述的集成模块是以软件功能模块的形式实现作为单一的产品进行使用或出售时，可以存储在一个计算机的可读存储介质中。
上述所提的存储介质包括只读存储器、光盘、SM卡、基于闪存的U盘等等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“实施方式”、“示例”、“参阅”等的描述意指结合该实施例或者示例描述的具体特性、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或者示例。此外，所描述的具体特性、结构、材料或特点皆可在任何的一个或者多个实施例或示例以合适的方式进行结合。
尽管上述已指示和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行改变、修改、替换和变形。
Claims (5)
1.一种微型分布式智能电池管理系统，包括前端检测板单元和主控板单元；其特征在于，所述主控板单元的信号输入端与前端检测板单元的信号输出端连接，主控板单元包括一种基于精简粒子无迹变换的剩余电量（State of charge，SOC）在线精确估算方法、显示模块、过流、过压、过温报警功能，检测板单元包括十二个电压检测通道、一个电流检测通道、五个温度检测通道和十二个被动均衡通道。
2.根据权利要求1所述的电压采集电路，其特征在于所述的单一检测板具有十二通道电压检测，电压跟踪精度2.00mV，并将电压参数传递给主控板进行锂离子电池的SOC值估算；检测板之间可以形成级联模式，当处于级联模式时可以检测多组锂离子电池组，增加系统的通用性。
3.根据权利要求1所述的温度采集电路，其特征在于所述的单一检测板具有五个温度检测通道，温度跟踪精度±1℃；用于检测锂离子电池组在使用过程、充放电过程中的温度变化，防止过温对锂离子电池组的工作性能造成影响。
4.根据权利要求1所述的电流采集电路，其特征在于所述的单一检测板具有一个电流检测通道，该电流检测电路串联在主回路中，电流跟踪精度0.1mA；用于检测在使用过程、充放电过程中电流的变化，防止过流对锂离子电池组工作性能造成影响，并将电流参数传递给主控板进行锂离子电池的SOC值估算。
5.根据权利要求1所述的一种基于精简粒子无迹变换的SOC估算方法，其特征在于所述的方法在充分考虑锂离子电池成组工作的基础上，通过精简三粒子和双重Sigma化处理过程，改进以无迹卡尔曼滤波为基础的迭代计算过程，将精简粒子无迹变换思想具体应用于预测和修正环节，实现对锂离子电池组的SOC值在线估算模型的建立和数学迭代运算，SOC在线估算精度97.00%。
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Cited By (2)
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