CN201667370U - 一种动力电池管理装置 - Google Patents
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Abstract
一种动力电池管理装置，其特征是由上层管理电路、下层保护电路组成：上层管理电路CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路分别与MCU芯片连接，收发器与CAN总线控制器连接，IIC通讯总线与各电池组连接；下层保护电路各电池组直接与FPGA保护电路连接，本实用新型可以保护动力电池不过充、过放、过流，精确估算SOC值并实现CAN总线通讯，能自动识别动力电池组中单体电芯的状态，标定替换电芯和最优替换时间，在单体被保护时对电池组进行电压补偿，保证整车系统电压稳定，提高动力电池组的整体性能稳定、可靠，延长电池使用寿命，系统稳定，结构简单。
Description
技术领域
本实用新型属于电动车辆动力装置管理系统，特别涉及一种管理动力电池的装置。
背景技术
目前，公知的动力电池管理系统具有过流、过压、欠压保护、电量均衡、SOC估算、CAN通讯等主要功能。电动汽车中通过串联多组电芯达到提高系统电压的目的，当电动汽车串联电池组在汽车行驶过程中，由于电芯的内部差别，在串联放电过程中会造成单体电压不同，均衡功能会暂时平衡单体电压差别，有时反复充放电“问题电芯”也会很难被完全均衡，这样就会造成电池组的可靠性和性能下降。但是传统管理系统不能准确标定是哪一块“问题电芯”影响了整体电池组的性能，就无法剔除单块“问题电芯”而只能替换整个电池组，这样将使电动汽车的使用成本大大增加。此外在电池组和管理系统正常使用过程中，为了保护电芯不被过放，系统会在电芯电压太低时断开放电，从而保护电芯，但是断开“问题电芯”后，其所在电池组系统电压会突然下降，电池组整体电压会出现波动，电流会突然增大，对其他电池组会造成损害，这样电池组在使用过程中的安全性和可靠性都没有保障。
华南农业大学学报2009年04期“基于ARM和CAN的电动汽车电池管理系统”一文中，对电池电压、电流、温度等数据采集计算SOC并实现CAN通讯，但并未考虑串联电池组在使用过程中的不均衡问题，以及电池匹配问题，系统后期使用会初步暴露存在的问题。
目前其他相关文献，很少提到电芯性能匹配、一致性检测，对电池组的补偿的方法也缺乏实际、可行的方案。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有动力电池管理系统技术的不足，提出一种动力电池管理装置，该装置不仅能测出单体电芯的性能状态，而且能及时地对存在问题的单体电芯进行补偿，保证电池组的正常工作。
本实用新型是通过以下技术方案实现的。
本实用新型采用分层管理的方法，将动力电池的管理分为上层管理层、下层保护层，下层保护层采集单体电芯电压，若大于设定值v3，开启均衡电路，若还大于设定值v4，则开启过充保护电路，并记录数据，分析电芯替换方案；若小于设定值v2，开启补偿电路，若还小于设定值v1，则开启过充保护电路，并记录数据，分析电芯替换方案。
所述的设定值为v4＞v3＞v2＞v1。
本实用新型所述的装置由上层管理电路(参见图2)、下层保护电路(参见图1)组成，达到执行与管理分离，提高系统稳定性和可靠性。
在下层保护电路的多串电芯的保护板上，分别把单体电芯的过充过放信号采集到FPGA中，当单体的过充、过放保护信号到达时，将当前保护电芯的位置以及触发时间保存在FPGA的内部RAM中，上层管理电路定时从FPGA中取出数据，比较多次充放电过程中单体电池的充放电保护信号的触发时间，根据系统设定参数选出在一定次数充放电过程中最易过充、最易过放的电芯，分析数据提出电池组中影响整组性能的电芯，并提出最佳替换时间，既能保证充分利用电芯，也能及时剔除问题电芯，达到自动优化电池组整体性能及保障电池组安全性的目的。在上层管理电路正常工作状态下，如出现单体电池过放，为不使系统电压出现较大波动，上层管理电路在检测到单体电芯过放信号后，对下层保护板执行相应补偿措施，及时将备用电芯替换过放电芯，从而保证系统电压的稳定，同时提示及时对电池组进行充电。
本实用新型所述的上层管理电路(参见图2)由单片机MCU、收发器、CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路组成。CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路分别与MCU芯片连接，收发器与CAN总线控制器连接，IIC通讯总线与各电池组连接。
单片机MCU通过IIC通讯总线从FPGA中取出数据，分析单体电芯状态并给出最佳替换方案，以保证电池组电芯的一致性；上层管理电路采集电池组的整体电压、电流、箱体温度等参数，计算电池系统SOC值；上层管理电路的CAN总线以满足系统的通讯要求，与下层保护电路(下层保护板)通过IIC总线通讯。
正常工作状态下，单片机MCU采集下层电池组的电压、电流以及电池温度，在电流小于设定值时，采用开路电压法对电量进行修正；在大电流工作状态，采用安时法精确计算电量消耗；同时在电压出现较大波动时，通过IIC通讯总线给下层保护电路发送补偿执行信号，保证电池组电压稳定。通过分析下层保护电路中FPGA的数据分析每块下层保护系统中单体电芯的性能状态。
本实用新型所述的下层保护电路(参见图1)由FPGA保护电路与各电池组组成，各电池组直接与FPGA保护电路连接。
所述的电池组包括电芯、IC芯片、均衡电路、MOFSET保护电路，电芯依次与IC芯片、均衡电路、MOFSET保护电路连接。
单路保护芯片IC采集单体电芯电压，当电芯电压过低或过高，IC引脚会产生过放或过充高电平，同时通过光耦控制MOFSET及时切断放电或充电，保护电芯不过充、过放或过流，此时FPGA会同时记录产生当前保护信号的电芯位置以及时间，并存入内部RAM，以便上层管理电路进行电芯一致性、匹配性及性能优化分析。电芯切断后，保护板会自动接通备用电芯，补充电池组电压保证系统电压稳定。
所述的FPGA保护电路(参见图3)由FPGA逻辑运算中心、IIC控制单元、多路过充信号输入缓冲器、多路过放信号输入缓冲器、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM、FPGA时钟信号等组成。IIC控制单元、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM分别与FPGA逻辑运算中心连接，多路过充信号输入缓冲器、多路过放信号输入缓冲器与数字量检测控制单元连接。FPGA保护电路通过IIC控制单元与上层管理电路的IIC通讯总线连接。
FPGA逻辑运算中心通过IIC总线与上层管理电路通讯，通过输入缓冲器采集数据信号，分析单体电芯状态并存入内部RAM，通过D/A控制单元控制补偿电路，执行电池组电压补偿。
FPGA在正常工作状态下，采用定时器工作机制，定时对多路过充信号输入缓冲器和多路过放信号输入缓冲器的数据进行扫描，当数字量检测控制单元检测到缓冲器数据发生变化，传递信息到FPGA逻辑运算中心，如果数据缓存RAM还有空间就直接存放发生变化的通道号码和变化发生时间，若数据缓存RAM数据已存满，则根据算法对数据进行替换，保证RAM中数据的准确性、实时性。FPGA逻辑运算中心通过中断方式接受IIC通讯控制单元从上层管理层MCU发送的来的补偿控制信号和数据采集信号，根据补偿指令控制D/A控制单元，启动外部执行补偿电路。FPGA采用定时器和中断工作方式，能保持低功耗状态。
本实用新型可以保护动力电池不过充、过放、过流，可以精确估算SOC值并实现CAN总线通讯，尤其是能自动识别动力电池组中单体电芯的状态，并能标定替换电芯和最优替换时间，在单体电芯出现过放时可以及时对电池组进行电压补偿，保证整车系统电压稳定，提高动力电池组的整体性能稳定、可靠，延长电池的使用寿命和增加汽车续航里程。采用分层结构，系统稳定，结构简单。
附图说明
图1为本实用新型的下层保护电路的原理图。
图2为本实用新型的上层管理电路的原理图。
图3为本实用新型的下层保护电路中FPGA的内部原理图。
图4为本实用新型工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
本实施例所用的电池(电芯)为磷酸铁锂电池；设定v4＝3.6，v3＝3.5，v2＝2.6，v1＝2.5。上层管理电路MCU芯片为SST89E516RD2，CAN总线控制器芯片为SJA1000T，FPGA保护电路芯片为EPF10F10LC84。采用15路过充信号输入缓冲器、15路过放信号输入缓冲器。
系统由上层管理电路、下层保护电路组成。
其中上层管理电路(如图2所示)由单片机MCU、收发器、CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路组成。CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路分别与MCU芯片连接，收发器与CAN总线控制器连接，IIC通讯总线与各电池组连接。
单片机MCU通过IIC通讯总线从FPGA中取出数据，分析单体电芯状态并给出最佳替换方案，以保证电池组电芯的一致性；上层管理电路采集电池组的整体电压、电流、箱体温度等参数，计算电池系统SOC值；上层管理电路的CAN总线以满足系统的通讯要求，与下层保护电路(下层保护板)通过IIC总线通讯。
单片机MCU采集下层电池组的电压、电流以及电池温度，在电流小于设定值时，采用开路电压法对电量进行修正；在大电流工作状态，采用安时法精确计算电量消耗；同时在电压出现较大波动时，通过IIC通讯总线给下层保护电路发送补偿执行信号，保证电池组电压稳定。通过分析下层保护电路中FPGA的数据分析每块下层保护系统中单体电芯的性能状态。
下层保护电路(如图1所示)由FPGA保护电路与各电池组组成，各电池组直接与FPGA保护电路连接。电池组包括电芯、IC芯片、均衡电路、MOFSET保护电路，电芯依次与IC芯片、均衡电路、MOFSET保护电路连接。
单路保护芯片IC采集单体电芯电压，当电芯电压过低或过高，IC引脚1会产生过放高电平，同时通过光耦控制MOFSET及时切断放电或充电，保护电芯不过充、过放或过流，此时FPGA会同时记录产生当前保护信号的电芯位置以及时间，并存入内部RAM，以便上层管理电路进行电芯一致性、匹配性及性能优化分析。电芯切断后，保护板会自动接通备用电芯，补充电池组电压保证系统电压稳定。
下层保护电路中的FPGA保护电路(图3)由FPGA逻辑运算中心、IIC控制单元、15路过充信号输入缓冲器、15路过放信号输入缓冲器、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM、FPGA时钟信号等组成。IIC控制单元、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM分别与FPGA逻辑运算中心连接，15路过充信号输入缓冲器、15路过放信号输入缓冲器与数字量检测控制单元连接。FPGA保护电路通过IIC控制单元与上层管理电路的IIC通讯总线连接。
FPGA逻辑运算中心通过IIC总线与上层管理电路通讯，通过输入缓冲器采集数据信号，分析单体电芯状态并存入内部RAM，通过D/A控制单元控制补偿电路，执行电池组电压补偿。
FPGA采用定时器工作机制，定时1秒对15路过充信号输入缓冲器和15路过放信号输入缓冲器的数据进行扫描，当数字量检测控制单元检测到缓冲器数据发生变化，传递信息到FPGA逻辑运算中心，如果数据缓存RAM还有空间就直接存放发生变化的通道号码和变化发生时间，若数据缓存RAM数据已存满，则根据算法对数据进行替换，保证RAM中数据的准确性、实时性。FPGA逻辑运算中心通过中断方式接受IIC通讯控制单元从上层管理层MCU发送的来的补偿控制信号和数据采集信号，根据补偿指令控制D/A控制单元，启动外部执行补偿电路。FPGA采用定时器和中断工作方式，能保持低功耗状态。
Claims (1)
1.一种动力电池管理装置，其特征是由上层管理电路、下层保护电路组成：
上层管理电路由单片机MCU、收发器、CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路组成，CAN总线控制器、IIC通讯总线、温度采集电路、开关量采集电路、电压采集电路、电流采集电路分别与MCU芯片连接，收发器与CAN总线控制器连接，IIC通讯总线与各电池组连接；
下层保护电路由FPGA保护电路与各电池组组成，各电池组直接与FPGA保护电路连接；其中FPGA保护电路由FPGA逻辑运算中心、IIC控制单元、多路过充信号输入缓冲器、多路过放信号输入缓冲器、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM、FPGA时钟信号等组成，IIC控制单元、数字量检测控制单元、D/A控制单元、数据缓存RAM分别与FPGA逻辑运算中心连接，多路过充信号输入缓冲器、多路过放信号输入缓冲器与数字量检测控制单元连接；FPGA保护电路通过IIC控制单元与上层管理电路的IIC通讯总线连接。
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