CN201947015U - 锂离子动力电池控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂离子动力电池控制装置，包括安装有电子器件的基板;电子器件包括：一个主控模块，一个连接有电流传感器的电流采集模块，以及若干个由电压温度采集模块和均衡控制模块组成的控制单元,每个控制单元用于分别控制构成电池组的若干电池包中的一个电池包;电流采集模块及每个控制单元的电压温度采集模块通过串行通讯总线与主控模块连接。本实用新型采用的是能量转移式串联均衡方案，减少了能量的浪费，大大提高了电池装置的能量利用率。本实用新型具有实时数据采集与处理和高度集成智能化及分布式安装的优点,还具有数据采集速度快、精度高、抗干扰能力强、便于更换维护等优点。

Description

锂离子动力电池控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子动力电池控制装置，属于电子控制技术领域，特别适用于电动汽车锂离子动力电池的控制。

背景技术

由于环保、节能等因素，油电混合动力汽车和纯目前呈现强劲的发展势头。锂离子动力电池因为高比能、高电压平台、无污染等优势成为动力电池、特别是电动汽车动力电池的首选。但作为锂离子动力电池，特别是汽车动力电池，锂离子动力电池必须成组使用，而成组使用达到一定循环次数后，组内各单体电池性能又会出现非一致性现象，极易引起组内单体电池的过充、过放，从而引发安全性能问题，这也是当前制约锂离子动力电池应用发展的主要因素。

市面上现有的锂离子动力电池控制装置，一般采用两种方式的均衡措施：一是，电阻耗能均衡，其主要原理就是将较高单体电压的多余能量通过均衡电阻消耗掉。这种方式简单，易于实现，但是白白消耗掉了电池能量，大大降低了电池能量利用率，而且仅仅只能做到小电流的均衡。二是：辅助充电均衡,其主要原理就是在充电过程中，除了由主充电机对电池组进行充电外，对每个单体电池还配备小容量的辅助充电模块对最低的单体电池进行补充充电。这种方式均衡效果较好，还可以进行大电流均衡，但是成本较高，而且只能做到充电均衡。事实证明，在放电过程中电池的非一致性也极易导致安全事故的发生。

发明内容

本实用新型的目的是:提供一种锂离子动力电池控制装置，实时监测各单体电池的运行状态，有效避免电池过充、过放等滥用情况的发生，从而保证锂离子动力电池的安全运行，同时，通过均衡控制，抑制和延缓组内单体电池不一致性，达到延长电池组，即锂离子动力电池使用寿命的目的。

本实用新型的一种锂离子动力电池控制装置技术方案是：它包括安装有电子器件的基板;电子器件包括：一个主控模块，一个连接有电流传感器的电流采集模块，以及若干个由电压温度采集模块和均衡控制模块组成的控制单元,每个控制单元用于分别控制构成电池组的若干电池包中的一个电池包;所述电压温度采集模块及均衡控制模块有分别与受控制的电池包的单体电池连接的接口；电流采集模块及每个控制单元的电压温度采集模块通过串行通讯总线与主控模块连接。

进一步的技术方案是:

所述的锂离子动力电池控制装置，其主控模块包括：主控模块控制器和非易失存储器,还有串行通讯总线接口以及外部接口；其中：主控模块控制器用于处理电流采集模块以及电压温度采集模块上传的数据、电池组的保护控制、均衡控制以及电池组剩余容量；非易失存储器用于掉电保存系统参数、报警阈值、均衡阈值、剩余容量估算值；串行通讯总线接口用于发送控制指令和接收采集模块上传的数据；外部接口用于控制主充电机或动力设备控制器的充电电流和起停。

所述的锂离子动力电池控制装置，其电流采集模块包括：电流采集模块控制器和电流传感器，还有电流测量电路以及串行通讯总线接口；其中：电流采集模块控制器用于采集电流值；电流传感器为电流霍尔传感器，用于测量主回路的充放电电流；电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供电流采集模块控制器采集；串行通讯总线接口用于接收主控模块的控制指令和上传数据。

所述的锂离子动力电池控制装置，其电压温度采集模块包括：电压温度采集模块控制器和电压测量电路，还有温度传感器，以及均衡控制接口和串行通讯总线接口；其中：电压温度采集模块控制器用于采集电压值和温度值；电压测量电路用于将单体电池端电压转换为可供电压温度采集模块控制器采集的电压信号；温度传感器用于采集电池包内温度；均衡控制接口用于连接均衡控制模块，输出均衡控制信号；串行通讯总线接口用于接收主控模块的控制指令和上传数据。

所述的锂离子动力电池控制装置，其电压测量电路由光电继电器和仪表放大器构成；其中：光电继电器用来选通电池测量通道，仪表放大器将电池端电压转换成可供电压温度采集模块控制器采集的0～2.5V电压信号。

所述的锂离子动力电池控制装置，其均衡控制模块包括：辅助电源和继电器阵列，以及驱动控制电路；其中：辅助电源用于对最低的单体电池进行补充充电；继电器阵列用于构成辅助充电通道；驱动控制电路用于根据电压温度采集模块输出的均衡控制信号来驱动继电器以及控制辅助电源的起停。

所述的锂离子动力电池控制装置，其辅助电源输入端与电池组连接，输入电压为电池组端电压;输出端连接到最低的单体电池两端，电压为单体电池电压；输出电流为主充电电流的10％～20％，且小于等于继电器可通过的最高电流。

所述的锂离子动力电池控制装置，其继电器阵列由若干个继电器组成，用于通过闭合和分断一个或多个继电器，形成一个辅助充电通道，即，将辅助电源的正负端连接到最低的单体电池的正负端。

本实用新型的原理是：实时监测电池组总电压，充放电电流，单体电池端电压，电池包温度等状态量，当出现过压、过流、过温、欠压等故障时，及时提示用户，并且根据设置，自动采取减小充电电流、切断主回路等措施，保证电池组的安全性。通过能量转移式串联均衡，由均衡模块从整组电池组上取电，在充放电过程中都可以对单体电池进行辅助充电。超前的单体电池的多余能量总是可以不断地流向最低的单体电池。均衡模块与主充电机配合，由主控模块统一控制，只需每个电池包配备一个均衡模块，不但解决了电池一致性问题，而且控制了控制装置的成本，延长了电池组的使用寿命。

本实用新型的突出的特点和显著的技术效果是：

1、具有实时数据采集和处理、智能化、分布式安装、便于更换维护等优点。

2、能对电池组总电压、充放电电流、单体电池端电压、电池包温度等状态量进行实时采集，数据采集速度快、精度高、抗干扰能力强。

3、根据电池的充电特性与维护要求，能控制充电机的充电过程，实现智能充电。

4、采用能量转移均衡方式对电池组进行充放电均衡，提高锂离子动力电池装置的能量利用率，延长锂离子动力电池的连续运行能力和使用寿命。

5、在整个充放电过程中进行均衡，均衡时间长，均衡电流大、均衡效果好。

附图说明

图1为本实用新型的锂离子动力电池控制装置框图;

图2为用锂离子动力电池控制装置对锂离子动力电池充放电的控制方法序流程图;

图3为本实用新型具体实施例的均衡控制模块原理图;

图4为本实用新型具体实施例的主控模块程序流程图;

图5为本实用新型具体实施例的电压温度采集模块程序流程图。

图l中附图标记名称为：1—主控模块，2—串行通讯总线，3—电流采集模块，4—控制单元，5—电池包，6—电池组，7—主充电机或动力设备控制器，8—显示系统。

具体实施方式

结合附图和实施例对本实用新型锂离子动力电池控制装置作进一步说明如下:

如图l所示，本实用新型的一种锂离子动力电池控制装置技术方案是：它包括安装有电子器件的基板;电子器件包括：一个主控模块1，一个连接有电流传感器的电流采集模块3，以及若干个由电压温度采集模块和均衡控制模块组成的控制单元4,每个控制单元4用于分别控制构成电池组6的若干电池包5中的一个电池包;所述电压温度采集模块及均衡控制模块有分别与受控制的电池包5的单体电池连接的接口；电流采集模块3及每个控制单元4的电压温度采集模块通过串行通讯总线2与主控模块1连接，串行通讯总线2可以是CAN或485总线，各个网络节点采用磁隔离。主控模块1包括：主控模块控制器和非易失存储器,还有串行通讯总线接口以及外部接口；其中：主控模块控制器用于处理电流采集模块3以及电压温度采集模块上传的数据、电池组6的保护控制、均衡控制以及电池组6剩余容量和动力设备剩余工作能力的估算，如电动汽车还可行驶里程的估算；非易失存储器用于掉电保存系统参数、报警阈值、均衡阈值、剩余容量估算值；串行通讯总线接口用于发送控制指令和接收采集模块上传的数据；外部接口用于控制主充电机或动力设备控制器、如电动汽车的充电电流和起停。电流采集模块3包括：电流采集模块控制器和电流传感器，还有电流测量电路以及串行通讯总线接口；其中：电流采集模块控制器用于采集电流值；电流传感器为电流霍尔传感器，用于测量主回路的充放电电流；电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供电流采集模块控制器采集；串行通讯总线接口用于接收主控模块1的控制指令和上传数据。电压温度采集模块包括：电压温度采集模块控制器和电压测量电路，还有温度传感器，（选用数字式温度传感器），以及均衡控制接口和串行通讯总线接口；其中：电压温度采集模块控制器用于采集电压值和温度值；电压测量电路用于将单体电池端电压转换为可供电压温度采集模块控制器采集的电压信号；温度传感器用于采集电池包5内温度；均衡控制接口用于连接均衡控制模块，输出均衡控制信号；串行通讯总线接口用于接收主控模块1的控制指令和上传数据。电压测量电路由光电继电器和仪表放大器构成；其中：光电继电器用来选通电池测量通道，耐高共模电压的仪表放大器将电池端电压转换成可供电压温度采集模块控制器采集的0～2.5V电压信号。均衡控制模块包括：辅助电源和继电器阵列，以及驱动控制电路；其中：辅助电源用于对最低的单体电池进行补充充电，所述最低的单体电池指电压最低的单体电池；继电器阵列用于构成辅助充电通道；驱动控制电路用于根据电压温度采集模块输出的均衡控制信号来驱动继电器以及控制辅助电源的起停。辅助电源输入端与电池组6连接，输入电压为电池组6端电压;输出端连接到最低的单体电池两端，电压为单体电池电压；输出电流为主充电机7充电电流的10％～20％，且小于等于继电器可通过的最高电流。继电器阵列由若干个继电器组成，用于通过闭合和分断一个或多个继电器，形成一个辅助充电通道，即，将辅助电源的正负端连接到最低的单体电池的正负端。主控模块还与一个显示系统8连接，该显示系统8可选LCD触摸屏。为理解结构，对结构原理进一步说明如下：

如图3所示，为均衡控制模块原理图，是一个由四节单体电池串联组成的电池包，若干个电池包构成电池组，成为锂离子动力电池。能量转移式串联均衡的运行原理是：均衡控制模块由辅助电源、继电器阵列和驱动控制电路组成。辅助电源输入为电池组端电压，输出到单体电池两端。继电器阵列由若干个继电器组成。通过闭合和分断一个或多个继电器，可以形成一个辅助充电通道，即将辅助电源的正负端连接到最低的单体电池的正负端。均衡控制模块与主充电机配合，是由主控模块统一控制，每个电池包配备一个均衡控制模块。均衡控制模块根据均衡请求指令组合继电器阵列通断，起动辅助电源对最最低的单体电池进行补偿充电。在充放电过程中都可以对单体电池进行辅助充电。辅助电源从整组电池组上取电，超前的单体电池的多余能量总是可以不断的流向最低的单体电池。

结合附图和实施例对用锂离子动力电池控制装置对锂离子动力电池充放电的控制方法作说明如下：如图2所示，步骤为：

a、确定最低的单体电池:在电池组充放电过程中首先由主控模块通过计算找到最低的单体电池，然后判断最低的单体电池电压与电池组单体电池平均电压之差;

b、发送均衡起动指令：当上述平均电压差值大于均衡阈值时，由主控模块向电压温度采集模块立即发送均衡起动指令给电压温度采集模块,与此同时，电压温度采集模块控制器的定时器开始计时;每次均衡的时间长度设置为1～2分钟；

c、起动辅助电源：电压温度采集模块收到均衡起动指令后，输出均衡控制信号，由均衡控制模块重新组合继电器阵列通断状态，并起动辅助电源对最低的单体电池进行补偿充电;

d、发送均衡停止指令：当均衡时间到，由主控模块发送均衡停止指令给电压温度采集模块;

e、指令停止补偿充电：电压温度采集模块收到均衡停止指令后撤销辅助电源使能信号，由均衡控制模块指令停止补偿充电;

f、结束;

上述过程中，电流采集模块实时采集电池组主回路的充放电电流，通过串行通讯总线上传到主控模块;主控模块具有与主充电机的外部接口，根据电池的充电特性与维护要求，控制主充电机的充电过程。

再进一步说明如下：

如图3所示：由四节单体电池BAT1, BAT2, BAT3, BAT4组成的电池包中，假设第3节单体电池BAT3端电压与单体电池平均电压之差大于均衡阈值,能量转移式串联均衡的步骤为：

1、主控模块发送均衡请求；

2、电压温度采集模块收到均衡请求后，IO口o1输出低电平，继电器

KA1动作，其他IO口o2、o3输出高电平。继电器阵列组合完毕。辅助电源输出正与单体电池BAT3正端v2连接，辅助电源输出负与单体电池BAT3负端v3连接。

3、电压温度采集模块IO口EN输出高电平，即使能辅助电源输出。辅助电源开始对最低的单体电池BAT3进行补充充电。由于辅助电源从整组电池组上取电，因此整组电池组的能量流向最低的单体电池，经过多次均衡后，超前的单体电池的多余能量最终流向了最低的单体电池。

如图4所示，主控模块运行步骤为：

301、初始化参数：初始化系统参数,包括单体电池容量、电池个数，电池包个数，报警阈值、均衡阈值;

302、判断通讯状态：判断内部串行通讯总线通讯是否正常,如果为是，则处理转到步骤303；如果为否，则跳转到步骤309;

303、数据整理：对各个数据采集模块上传的数据进行数据整理,包括单体电池电压、充放电电流、电池包温度等;

304、判断电池组状态:是否有过流、过欠压、过温等故障;如果为是，则处理转到步骤305；如果为否，则跳转到步骤309;

305、找最低的单体电池：比较单体电池的电压值，找到最低的单体电池;

306、判断是否需要均衡：判断最低的单体电池电压与单体电池电压平均值之差是否大于均衡阈值;如果为是，则处理转到步骤307；如果为否，则跳转到步骤308;

307、发送均衡请求指令：将均衡请求指令发送给电压温度采集模块;

308、估计电池组剩余容量;

309、故障报警处理：根据电池组当前状态进行故障处理;

310、发送数据请求指令：发送给电压温度采集模块;

311、结束。

如图5所示，电压温度采集模块运行步骤为：

401、初始化参数：参数包括串行通讯节点ID号、采集频率等;

402、采集电池包内单体电池电压：采集电池包内所有的单体电池的端电压;

403、采集电池包内温度;

404、判断是否有数据请求;

如果为是，则处理转到步骤405；如果为否，则跳转到步骤409;

405、发送数据包：上传数据包给主控模块;

406、判断是否有均衡请求：如果为是，则处理转到步骤407；如果为

否，则跳转到步骤409;

407、组合继电器阵列：根据最最低的单体电池号查表，组合均衡控制模块的继电器阵列;

408、使能辅助电源输出;

409、结束。

本实用新型的权利要求保护范围不限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种锂离子动力电池控制装置，其特征在于，它包括安装有电子器件的基板;电子器件包括：一个主控模块，一个连接有电流传感器的电流采集模块，以及若干个由电压温度采集模块和均衡控制模块组成的控制单元,每个控制单元用于分别控制构成电池组的若干电池包中的一个电池包;所述电压温度采集模块及均衡控制模块有分别与受控制的电池包的单体电池连接的接口；电流采集模块及每个控制单元的电压温度采集模块通过串行通讯总线与主控模块连接。

2.如权利要求1所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，主控模块包括：主控模块控制器和非易失存储器,还有串行通讯总线接口以及外部接口；其中：主控模块控制器用于处理电流采集模块以及电压温度采集模块上传的数据、电池组的保护控制、均衡控制以及电池组剩余容量；非易失存储器用于掉电保存系统参数、报警阈值、均衡阈值、剩余容量估算值；串行通讯总线接口用于发送控制指令和接收采集模块上传的数据；外部接口用于控制主充电机或动力设备控制器的充电电流和起停。

3.如权利要求1所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，电流采集模块包括：电流采集模块控制器和电流传感器，还有电流测量电路以及串行通讯总线接口；其中：电流采集模块控制器用于采集电流值；电流传感器为电流霍尔传感器，用于测量主回路的充放电电流；电流测量电路用于将电流霍尔传感器输出的电流信号转换为电压信号，供电流采集模块控制器采集；串行通讯总线接口用于接收主控模块的控制指令和上传数据。

4.如权利要求1所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，电压温度采集模块包括：电压温度采集模块控制器和电压测量电路，还有温度传感器，以及均衡控制接口和串行通讯总线接口；其中：电压温度采集模块控制器用于采集电压值和温度值；电压测量电路用于将单体电池端电压转换为可供电压温度采集模块控制器采集的电压信号；温度传感器用于采集电池包内温度；均衡控制接口用于连接均衡控制模块，输出均衡控制信号；串行通讯总线接口用于接收主控模块的控制指令和上传数据。

5.如权利要求4所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，电压测量电路由光电继电器和仪表放大器构成；其中：光电继电器用来选通电池测量通道，仪表放大器将电池端电压转换成可供电压温度采集模块控制器采集的0～2.5V电压信号。

6.如权利要求1所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，均衡控制模块包括：辅助电源和继电器阵列，以及驱动控制电路；其中：辅助电源用于对最低的单体电池进行补充充电；继电器阵列用于构成辅助充电通道；驱动控制电路用于根据电压温度采集模块输出的均衡控制信号来驱动继电器以及控制辅助电源的起停。

7.如权利要求6所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，辅助电源输入端与电池组连接，输入电压为电池组端电压;输出端连接到最低的单体电池两端， 电压为单体电池电压； 输出电流为主充电电流的 10％～20％，且小于等于继电器可通过的最高电流。

8.如权利要求6所述的锂离子动力电池控制装置，其特征在于，继电器阵列由若干个继电器组成，用于通过闭合和分断一个或多个继电器，形成一个辅助充电通道，即，将辅助电源的正负端连接到最低的单体电池的正负端。

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