CN1306675C - 用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置。它由若干个多功能管理模块、一充电控制模块、一系统控制模块、一图形显示器通过通讯控制总线相连而构成。可实现对任意数量单体组成的蓄电池组的电压、电流、温度参数的同步检测，进行蓄电池组的质量评估和电量计算。本发明以基于蓄电池组中极端电池单体控制的外置充电装置对蓄电池组串联充电，与用多功能管理模块内置的高频开关电源功率部件实施单体电池独立控制的均衡充电结合的安全充电模式，有效解决了充电安全和均衡充电及放电过程中的容量补偿问题。

Description

用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置

技术领域

本发明涉及用于纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车动力蓄电池组的管理装置。

背景技术

电动汽车及相关技术的发展，已成为各工业国家具有重大战略意义的科技产业发展选题。我国已将电动汽车列入国家863重大攻关课题。

电动汽车动力蓄电池组管理装置无一例外地被电动汽车研究领域列为关键技术的攻关课题。国家863计划已将电动汽车动力蓄电池组的管理装置列为重大专项关键技术攻关技术。

电动汽车动力蓄电池组的管理装置的主要功能是对特定用途的各种动力蓄电池组的充放电过程进行智能化管理，为各种类型电动汽车蓄电池组提供具有特殊技术要求的、安全、高效运行的技术环境。

在充电过程中的管理工作重点是确保每只单体电池的充电电压、充电电流和温度在蓄电池安全工作范围内，确保蓄电池充足电而又不过充电，且不发生温度失控。在放电过程中，严密监视各单体电池的技术状态，防止发生单体电池过放电，并能对落后电池进行放电能量补偿，将落后单体电池对蓄电池组放电的不利影响降低到最低限度。

电动汽车动力蓄电池组管理装置的技术性能，直接影响到电动汽车蓄电池系统的安全、经济、可靠和高效运行。

但目前尚未见到有关能满足上述要求的电动汽车动力蓄电池组的管理装置的报道。

发明内容

本发明的任务是提供一种满足上述要求的电动汽车动力蓄电池组的管理装置。它可对每个单体蓄电池的充放电的电压、电流、温度等表观参数进行同步检测，通过实时数据处理，对蓄电池系统进行质量评估，直至每个单体蓄电池的技术状态和质量水平。根据充电和放电过程蓄电池系统的质量评估，实施有效的管理，并通过高速CAN(ControllerArea Network控制器局域网)接口，向电动汽车多能源管理系统提供实时信息；同时能对充电过程和放电过程中的落后单体电池进行均衡化补偿。

本发明通过以下技术方案实现：

一种用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，它包括：

若干个多功能管理模块，用于：对单体蓄电池进行电压、温度和充电电流的检测，对单体蓄电池进行独立控制的均衡充电，在放电过程中对电池组中落后电池单体进行电量补偿，其输出接各自的单体蓄电池；

一个充电控制模块，用于在系统控制模块的控制下，利用一个输入口从外部输入的交流电源或利用另一个输入口从外置充电装置输入的直流电源，对蓄电池组实施基于极端单体电池控制的串联充电；在极端电池单体充电结束后，切断串联充电电源，并将充电电压转换为为各多功能管理模块提供电源的单体控制的均衡充电，其一输入口可接三相交流电源，另一输入口可接地面充电设备，其一输出口接所述各多功能管理模块的电源端，另一输出口可接由各单体蓄电池串联组成的电池组；

一个系统控制模块，用于实时处理所述各多功能管理模块提供的数据、控制本管理装置的工作、与外部系统通讯，其通过控制总线与所述充电控制模块的控制口相连；

一个通讯控制总线，其将系统控制模块与充电控制模块、各多功能管理模块连接起来，组成一个以各功能模块为站点的蓄电池管理网络，该网络还通过多功能管理模块内的CAN总线接口与外部设备进行数据交换。

所述系统控制模块的输出连接图形显示器，该图像显示器上安装按键，用于提供系统的人机交互接口。

所述系统控制模块由微控制器、高速CAN通讯模块、RS-485通讯模块、输入输出接口、模数转换器模块、控制总线接口组成，其中：

RS-485通讯模块将所述各多功能管理模块连接成一个具有若干站点的局域网，各功能模块通过该网络交换数据；

所述蓄电池单体的电压、充电电流信号经多功能管理模块内的模数转换电路转换为数字信号，经通讯控制总线传递给系统控制模块的微控制器；蓄电池组的端电压和串联充、放电电流经系统控制模块内的数模转换电路变换成数字信号传递给微控制器；

经微控制器处理后的数据通过高速CAN通讯模块及高速CAN总线与外部系统进行数据交换。

所述充电控制模块由功率矫正装置、二极管、微控制器、继电器组成，其中：

三相交流电接入功率矫正装置的输入端，经功率因数矫正再经二极管隔离后作为电池组串联充电电源，或为各多功能管理模块提供独立控制的均衡充电电源；

外部充电装置(包括充电机、燃料电池DC/DC变换器或混合动力发电机)输入的充电电源作为电池组串联充电电源，或为各多功能管理模块提供独立控制的均衡充电电源；

微控制器通过通讯控制总线与各功能模块交换数据，结合通讯控制总线对各功能模块实施控制，并通过高速CAN通讯模块，与外部设备交换数据，接受外部设备通过CAN总线传递来的控制命令。

所述多功能管理模块由控制总线接口、微控制器、模数转换装置、电流电压调整装置控制部件、开关电源部件组成，其中：

开关电源部件的输入端接动力电源，其输出接单体蓄电池；

充电电流和电压信号经模数转换装置传递给微控制器；

微控制器通过控制总线与外部系统交换数据，微控制器的处理结果通过电流电压调整装置控制开关电源部件，对各单体蓄电池的充电电压和充电电流进行控制，以达到最优均衡充电过程，还利用开关电源部件在放电过程中对电池组中的落后电池进行补偿。

所述通讯控制总线是在RS-485总线基础上增加两根控制线及电源地、电源正而形成的。

由于本发明将对每一个单体电池分别充电的装置集成到管理系统中，因此可对单体电池进行精确充电控制，有效解决了均衡充电问题，防止落后电池的发生和蓄电池的早期失效。

由于本发明内置的系统控制电路，与RS-485总线结合，可实现对任意数量单体电池组成的管理网络系统内的各电池单体的电压、电流、温度参数的同步检测，以确保蓄电池系统质量评估的可信度。

由于本发明内置了充电控制模块，故可利用交流电源输入本装置对蓄电池组补充充电，或在需要大的补充充电电流时，可利用外置的大功率地面充电装置对蓄电池组充电。

附图说明

图1是管理系统结构框图；

图2是蓄电池组系统控制模块电原理图；

图3是充电控制模块结构框图；

图4是多功能管理模块结构框图。

具体实施方式

参照图1，本发明为一种用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，它包括：

一系统控制模块A(简称ECU)、一充电控制模块B、一图形显示器C(LCM)和若干个多功能管理模块D。整个系统通过电动汽车专用控制总线DFevBUS连接而成具有海量接口的网络系统。所谓DFevBUS总线是在RS-485总线的基础上增加两根控制线及电源地、电源正而形成的。充电控制模块B的一个输入口接三相交流电源，一输出口接各多功能管理模块D的电源端，其另一输入口接地面充电设备，另一输出口接由各单体蓄电池串联成的电池组，其控制口经总线与ECU连接。

本发明以系统控制模块ECU(A)为核心，通过专用DFevBUS控制总线，对安装在每个单体蓄电池上的多功能管理模块D提供的数据进行实时处理，系统通过ECU(A)控制多功能管理模块D内置的高功率密度开关电源部件，在充电过程中进行高强度、高精度均衡化充电。在放电过程中也可应用多功能管理模块D内置的高功率密度开关电源部件对落后电池进行均衡化补偿。充电过程中，充电控制模块B在系统控制模块ECU的控制下，于充电初期，由地面大功率充电装置或三相交流电源提供大功率充电电源，对蓄电池组进行串联供电，当其中一只蓄电池充电程度达到额定值时，立即停止串联充电过程，将充电电压降低到规定电压范围内，并接通多功能管理模块的动力电源，改为由各多功能管理模块内置MPU独立控制的高性能均衡化充电。放电过程中可进行高强度落后电池均衡化补偿。同时通过系统控制ECU内置高速CAN通讯模块，完成与外部多能源管理系统的信息交换，并接受多能源管理系统的控制命令。

参照图2，系统控制模块ECU主要由系统级微控制器1(型号8051F020)、高速CAN通讯模块2、RS-485通讯模块3、输入输出接口4、三通道16Bit模数转换器模块5、高速CAN接口模块6、DFevBUS控制总线接口7组成。经通讯模块3采集到各多功能管理模块的数据经模数转换器模块5转换后传递给微控制器1，多功能管理模块检测的各电池单体的电压、电流、温度信号经输入输出接口4传递给微控制器1，经微控制器1处理后的数据通过高速CAN通讯模块2经高速CAN接口模块6与多能源管理系统进行数据交换。

系统控制模块ECU是本发明的蓄电池管理系统的核心控制部件。其主要功能有：

1、通过DFevBUS控制总线接口7和DFevBUS控制总线将充电控制模块和各电池单体的多功能管理模块连接组成适用于各类电动汽车动力蓄电池组管理网络，汇总并实时处理各功能部件提供的数据，根据控制策略，协调各功能部件的工作。

2、通过高速CAN接口6，向多能源管理系统提供实时数据，并接受多能源管理系统的控制命令。并根据多能源管理系统的控制命令，协调蓄电池管理系统的工作。

3、通过图形显示器提供人机交互界面。

高速CAN通讯模块2的功能是与汽车多能源管理系统进行数据交换，将检测到的每只单体电池的技术状态上传到多能源管理系统，并接受多能源管理系统的指令，以实现对多功能管理模块的控制。

RS-485通讯模块3为本发明系统内部的通讯方式，经RS-485总线采集到的数据传递给充电控制模块B，以控制各多功能管理模块D的充电过程。

参照图3，充电控制模块主要由有源或无源功率矫正装置8(简称PFC)、二极管9、嵌入式微控制器11(简称MPU)、继电器10、三相交流输入接口、地面充电输入接口、串联充电输出接口、多功能管理模块充电电源输入接口、DFevBUS控制总线接口组成。是地面充电设施或动力电源与多功能管理模块内的充电部件的接口和充电管理系统的执行单元。PFC的输入端接三相交流电，矫正后经二极管9隔离作为电池组串联充电电源，地面充电设备的输出经继电器10作为多功能管理模块充电电源的输入，MPU的作用是通过DFevBUS总线采集各多功能管理模块的信息，当任一单体电池电压达到额定值时，控制继电器10吸合，转为多功能管理模块对各单体电池的独立充电。

充电控制模块的三相电源接口可从三相交流电源输入充电电源，经PFC为串联充电提供充电电源。二极管9是串联充电电源隔离装置。当蓄电池组中任一只单体蓄电池充电程度达到额定时，停止蓄电池组的串联充电，并将地面充电设备的输出电压变换到多功能管理模块输入电压的额定电压范围内，此时继电器10闭合，为多功能管理模块提供均衡充电电源。

参照图4，多功能管理模块主要由DFevBUS专用控制接口16、嵌入式微控制器12(简称MPU)、模数转换装置13、电流电压调整装置控制部件14、高功率密度开关电源部件15组成。开关电源部件15的输入端接动力电源，其输出接单体电池，充电电流和电压信号经模数转换装置13转换后传递给微控制器12，微控制器12通过DFevBUS总线与系统控制模块交换数据，根据处理结果通过电流电压调整装置控制部件14调整各单体电池的充电电压和充电电流。

多功能管理模块是实现单体蓄电池综合管理的核心部件，其主要功能有：

1、通过内置的模数转换装置13，实时监测单体蓄电池的端电压、充/放电电流和温度，并通过DFevBUS专用控制接口16中的通讯接口实时提供给系统控制模块ECU。

2、根据系统控制模块ECU的命令，应用多功能管理模块的内置高功率密度开关电源部件15，对单体蓄电池进行高质量均衡化充电，和落后电池放电均衡化补偿。

3、嵌入式微控制器MPU12通过控制接口14对高功率密度开关电源部件15实施启动、停止、输出电流、输出电压控制；输出电压温度非线性补偿；功率部件的温度保护等控制。

高功率密度开关电源部件15为内置的独立的单体蓄电池充电部件，不仅具有高精度均衡充电功能，有效防止蓄电池的过充电和欠充电，而且具有在系统控制模块控制下的落后电池放电补偿功能。为蓄电池，特别是为大功率动力锂电池的安全经济运行提供了良好的技术保障条件，可有效防止蓄电池组的早期失效。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于它包括：

若干个多功能管理模块，用于：对单体蓄电池进行电压、温度和充电电流的检测，对单体蓄电池进行独立控制的均衡充电，在放电过程中对电池组中落后电池单体进行电量补偿，其输出接各自的单体蓄电池；

一个充电控制模块，用于在系统控制模块的控制下，利用一个输入口从外部输入的交流电源或利用另一个输入口从外置充电装置输入的直流电源，对蓄电池组实施基于极端单体电池控制的串联充电；在极端电池单体充电结束后，切断串联充电电源，并将充电电压转换为各多功能管理模块提供电源的单体控制的均衡充电，其一输入口可接三相交流电源，另一输入口可接地面充电设备，其一输出口接所述各多功能管理模块的电源端，另一输出口可接由各单体蓄电池串联组成的电池组；

一个系统控制模块，用于实时处理所述各多功能管理模块提供的数据、控制本管理装置的工作、与外部系统通讯，其通过控制总线与所述充电控制模块的控制口相连；

一个通讯控制总线，其将系统控制模块与充电控制模块、各多功能管理模块连接起来，组成一个以各功能模块为站点的蓄电池管理网络，该网络还通过多功能管理模块内的控制器局域网总线接口与外部设备进行数据交换。

2.如权利要求1所述的用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于：

所述系统控制模块的输出连接图形显示器，该图像显示器上安装按键，用于提供系统的人机交互接口。

3.如权利要求1所述的用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于：

所述系统控制模块由微控制器、高速控制器局域网通讯模块、RS-485通讯模块、输入输出接口、模数转换器模块、控制总线接口组成，其中：

RS-485通讯模块将所述各多功能管理模块连接成一个具有若干站点的局域网，各功能模块通过该网络交换数据；

所述蓄电池单体的电压、充电电流信号经多功能管理模块内的模数转换电路转换为数字信号，经通讯控制总线传递给系统控制模块的微控制器；蓄电池组的端电压和串联充、放电电流经系统控制模块内的数模转换电路变换成数字信号传递给微控制器；

经微控制器处理后的数据通过高速控制器局域网通讯模块及高速控制器局域网总线与外部系统进行数据交换。

4.如权利要求1所述的用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于：

所述充电控制模块由功率矫正装置、二极管、微控制器、继电器组成，其中：

三相交流电接入功率矫正装置的输入端，经功率因数矫正再经二极管隔离后作为电池组串联充电电源，或为各多功能管理模块提供独立控制的均衡充电电源；

外部充电装置输入的充电电源作为电池组串联充电电源，或为各多功能管理模块提供独立控制的均衡充电电源；

微控制器通过通讯控制总线与各功能模块交换数据，结合通讯控制总线对各功能模块实施控制，并通过高速控制器局域网通讯模块，与外部设备交换数据，接受外部设备通过控制器局域网总线传递来的控制命令。

5.如权利要求1所述的用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于：

所述多功能管理模块由控制总线接口、微控制器、模数转换装置、电流电压调整装置控制部件、开关电源部件组成，其中：

开关电源部件的输入端接动力电源，其输出接单体蓄电池；

充电电流和电压信号经模数转换装置传递给微控制器；

微控制器通过控制总线与外部系统交换数据，微控制器的处理结果通过电流电压调整装置控制开关电源部件，对各单体蓄电池的充电电压和充电电流进行控制，以达到最优均衡充电过程，还利用开关电源部件在放电过程中对电池组中的落后电池进行补偿。

6.如权利要求1-5之一所述的用于电动汽车动力蓄电池组的管理装置，其特征在于：

所述通讯控制总线是在RS-485总线基础上增加两根控制线及电源地、电源正而形成的。

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