CN202111502U - 一种具有均衡充放电功能的电池管理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有均衡充放电功能的电池管理装置，涉及动力电池组的电池管理装置。电池管理装置的结构是：CPU控制单元和电池和继电器组连接，检测电池和继电器组的工作状况；CPU控制单元、均衡放电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡放电；CPU控制单元、均衡充电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡充电；超级电容和均衡放电模块连接，储存电池和继电器组的放电能量，用于电池管理装置的自身供电。本实用新型可广泛应用于各种电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持下位机扩展，可以方便检测和监控多节电池状况。

Description

一种具有均衡充放电功能的电池管理装置

技术领域

本实用新型涉及动力电池组的电池管理装置，尤其涉及一种具有均衡充放电功能的电池管理装置。

背景技术

随着各国政府和车企对电动汽车项目的重视和投资，一些大的汽车生产商和电池供应商针对各种动力电池做了大量研究和试验，并成功开发出相关的电池管理装置。

一、在国外，电动汽车动力电池及其管理技术的研究比较早。比较有代表性的有：

1、美国通用汽车公司研发的电动汽车EV上的电池管理装置，该装置由电池模块、电池组热管理模块、电池组高压断电保护装置(High Voltage Disconnect)及软件BPM(Battery Pack Module)组成，其中BPM实现电池组电压电流采集、电量或里程计算、过放电报警等功能。

2、美国ACPropulsion公司开发的BatOpt的电池管理装置由多个单节电池监控模块和一个中央控制单元组成，构建成一个分布式结构的装置，通过twowire总线实现电池信息的传送，中央控制单元可根据单节电池信息提供手动和自动充电策略。美国Aerovironment公司开发的SmartGuard装置是在电池上装有一个分布式的管理装置(专用IC)，能够检测单节电池电压和温度，进行电池信息历史记录和归档，提供最差单体电池的剩余电量信息等。

二、在国内，电动汽车电池管理装置方面的研究仍然处于起步阶段。主要是一些高校联合大的汽车生产商和电池供应商共同开展研究，并取得了一定成果：

1、清华大学为EV-6580型电动客车配套的电池管理装置，可在汽车行驶过程中对电池组充放电电压、电流等参数进行实时监控，防止过充、过放，提高了电池使用寿命和效率，同时还开发了与该装置相配的充电装置。

2、北京航空航天大学研制的镍氢电池管理装置主要功能有：电池组电压、电流及温度的采集和存储，SOC估算，运行状态判断和电池充放电保护功能等。

3、北京星恒电池有限公司和同济大学合作开发的锂离子电池管理装置主要功能有：电池电流、电压及温度的采集、SOC估算、事故处理与记录、充电均衡等；深圳雷天公司研发的锂离子动力电池管理装置由管理主机(CPU)、电压电流与温度采集模块和通信接口模块组成。可检测并显示电池组的总电压、总电流、电池箱的温度，对电池过压、欠压、过温、低温、过流、短路等极限情况进行报警和控制输出，提供RS232和CAN总线接口等。

电池管理装置对电动汽车整车的安全运行、整车控制策略选择、充电模式的选择以及运营成本都有很大的影响。无论在车辆运行过程中还是在充电过程中，电池管理装置都要完成电池状态的实时监控和故障诊断，并通过总线的方式告知整车控制器或充电机，以便采用合理的控制策略，达到有效且高效使用电池的目的。

现有电池管理装置有多种拓扑连接方案，其中采用继电器组的方案如图1。该装置由电池和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300和放电电阻400组成；电池和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300和电池和继电器组100依次闭环连接，均衡放电模块300和放电电阻400连接。其工作原理是：由CPU控制单元200选择对应通道的继电器闭合，采样其单体电池电压值，并选择电压较高的单体电池对放电电阻400放电，起放电均衡作用。由于动力电池组101是由多个单体电池串联组成，由于制造工艺等因素使电池特性不可能完全一致，其单体电池容量按正态分布，同时有高于和低于平均容量的单体电池。如对其全部采用放电均衡，均衡时间较长。由于采用对电阻放电，电池能量利用效率不高，发热量大。另外，整组电池的SOC(电池荷电状态)值取决于SOC值最小的那块单体电池，而SOC值最小的那块单体电池往往是最先充满和最先放完的那块电池，因此单纯采用放电均衡模式很难提高整组电池的SOC值。

发明内容

本实用新型的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种具有均衡充放电功能的电池管理装置。

本实用新型的目的是这样实现的：

一、具有均衡充放电功能的电池管理装置(简称电池管理装置)

电池管理装置包括电池和继电器组、CPU控制单元、均衡放电模块；

设置有超级电容和均衡充电模块；

CPU控制单元和电池和继电器组连接，检测电池和继电器组的工作状况；

CPU控制单元、均衡放电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡放电；

CPU控制单元、均衡充电模块和电池和继电器组依次连接，控制电池和继电器组的均衡充电；

超级电容和均衡放电模块连接，储存电池和继电器组的放电能量。

本电池管理装置通过建立监控功能模块与充放电均衡模块，对电动汽车实现不同状况下的功能合理分离和有机配合的管理。均衡放电模块的后端负载是超级电容，利用超级电容存储均衡电池的放电电量给电池管理装置和继电器供电。均衡充电模块采用了辅助电源(DC-DC)给电池补充充电。由于采用了充电和放电两种电池均衡方式，利用超级电容放电给电池管理装置(BMS)供电，利用继电器网络实现电池管理装置电源与被检测单体电池之间的相互电气隔离，自举充电和电压测量，降低了功耗、体积和重量，耐机械冲击性较强，实现了电池的无损能量均衡，又没有使用较复杂的能量转换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

二、带电池均衡功能的电池管理装置的控制方法(简称控制方法)

本控制方法包括下列步骤：

①上电自检测电池管理装置和相关标定及配置参数；

②待超级电容充到一定电压后，开始对单体电池进行继电器巡检，每次只闭合一个继电器，记录每块电池的电压并实时计算单体电池SOC值；

③当接入充电机且电池组SOC值不足时，启动充电机按电池对应的充电曲线对电池组充电，在充电过程中，如出现单体电池电压上升太快，则对其进行均衡放电，如出现单体电池电压低于其它电池时，在辅助电源接通的状况下启动均衡充电模块对其进行补充充电，保证电池组尽可能充入多的电量，使SOC值最大；

④非充电状态下，在检测有外接辅助电源时，启动均衡充电模块，对SOC值低的单体电池进行补充充电，使整组电池的SOC值上升；

⑤非充电状态下，对SOC值较高的单体电池进行均衡放电，给超级电容补充电量，保证电池管理装置的正常运行；

⑥在每继电器扫描周期结束后，检查高压装置对地绝缘状况，并检测和控制电池温度，进行电池热管理；

⑦记录充放电相关过程参数，对电池的健康程度评估，给出建议或告警；

⑧与上下位机通讯，传递电池数据和设定参数。

本实用新型具有下列优点和积极效果：

1、在单个集成单元内整合了电池监控、电池均衡、绝缘检测和SOC容量检测等全套电池管理装置，方便用户接线和调试，降低装置的复杂程度；

2、均衡充电采用主电池的辅助电源给单体电池充电，而均衡放电利用了超级电容的储能特性给电池管理装置供电，整个控制装置没有额外能量损耗，达到节能环保的目的；

3、在关闭辅助电源泊车状况下，电池管理装置完全依靠动力电池供电，不损耗任何备用电池的电力，当出现动力电池组能量也不足的状况时，电池管理装置进入休眠状态，停止耗电以保护动力电池组，这样保证了电池管理装置一直处于工作状态，电池均衡效果好；

4、本实用新型同时采用了充电和放电两种电池均衡方式，利用超级电容放电给电池管理装置(BMS)供电，利用继电器网络实现电池管理装置电源与单体电池之间的相互隔离，自举充电和电压测量，降低了功耗，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。实现了电池的无损能量均衡，又没有使用较复杂的能量转换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

5、本实用新型的电池管理装置可广泛应用于各种电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持下位机扩展，可以方便检测和监控多节电池状况。

附图说明

图1是现有电池管理装置的结构方框图；

图2是本实用新型电池管理装置的结构方框图；

图3是电池管理装置软件方框图。

图中：

100-电池和继电器组，101-动力电池组，102-继电器组；

200-CPU控制单元；

300-均衡放电模块；

400-放电电阻；

500-超级电容；

600-均衡充电模块。

英译汉

1、BMS(Battery Management System)：电池管理装置；用来对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本，进一步提高电池组的可靠性和整车安全性。

2、SOC(State of charge)：电池荷电状态；是电池的剩余电量。通常把一定温度下蓄电池充电到不能再吸收电量时的状态定义为荷电状态SOC＝100％；而将蓄电池再不能放出电量时的状态定义为荷电状态SOC＝0％。电池在不同SOC下工作时的电压/电流特性会有很大不同。因此国内外较为普遍采用电池的荷电状态SOC作为电池容量状态描述参数，反映电池的剩余容量，其数值定义为电池的剩余容量占电池容量的比值。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明：

一、电池管理装置

1、总体结构

如图2所示，电池管理装置包括电池和继电器组100、CPU控制单元200、均衡放电模块300；

设置有超级电容500和均衡充电模块600；

CPU控制单元200和电池和继电器组100连接，检测电池和继电器组100的工作状况；

CPU控制单元200、均衡放电模块300和电池和继电器组100依次连接，控制电池和继电器组100的均衡放电；

CPU控制单元200、均衡充电模块600和电池和继电器组100依次连接，控制电池和继电器组100的均衡充电；

超级电容500和均衡放电模块300连接，储存电池和继电器组100的放电能量。

2、工作原理

电池管理装置巧妙地应用了继电器组102来隔离CPU控制单元200和其它外围部分，如高压绝缘监测和电池的共模高电压等，还利用继电器组102的大电流导通能力实现了均衡充放电功能。电池管理装置上电后自检测和相关标定及配置参数；待超级电容500充到一定电压后，开始对单体电池进行继电器巡检，每次只闭合一个继电器，记录每块单体电池的电压并实时计算单体电池SOC值；当接入充电机且电池组SOC值不足时，启动充电机按电池对应的充电曲线对动力电池组101充电，在充电过程中，如出现单体电池电压上升太快，则对其进行均衡放电；如出现单体电池电压低于其它电池时，在辅助电源接通的状况下启动均衡充电模块600对其进行补充充电，保证动力电池组101尽可能充入多的电量，使SOC值最大；在非充电状态下，在检测有外接辅助电源时，启动均衡充电模块600，对SOC值低的单体电池进行补充充电；对SOC值较高的单体电池进行均衡放电，给超级电容500补充电量，保证电池管理装置的正常运行；在每继电器扫描周期结束后，检查高压系统对地绝缘状况，并检测和控制电池温度，进行电池热管理操作；记录充放电相关过程参数，对电池的健康程度评估，给出建议或告警。

3、电池管理装置的各功能块

①电池和继电器组100

电池和继电器组100包括相互连接的动力电池组101和继电器组102；

动力电池组101由N个单体电池串联组成，电池类型可以是铅酸电池、铁锂电池、锂电池或镍氢电池等。

在每一个单体电池的正负极上并联一个有双组触点的继电器，该继电器触点的额定电流值设置为电池均衡充放电过程的最大电流。在一套检测装置中，每次只能有一只继电器闭合，形成电压检测和充放电回路，实现串联电池组中单体电池之间的相互隔离。

②CPU控制单元200

电池管理装置涉及到大量数据的采集和处理，不但数据数量大、电池节数多，而且电池剩余容量卡尔曼滤波算法对运算处理能力和实时性要求较高。本实用新型的CPU控制单元200采用美国TI公司最新推出的32位定点数字信号处理器TMS320F28035作为控制芯片。该款DSP拥有32位内核，具有单周期32×32位硬件乘法器以及单周期指令执行能力，能实现复杂的控制算法。同时还包括功能强大的ADC模数转换器、专用的高分辨率PWM、高精度片上振荡器、模拟比较器、上电复位与掉电保护等在内的各种集成模块。浮点控制律加速器(CLA)能独立于内核运行复杂的卡尔曼滤波算法来计算电池容量，高精度的12位AD检测单元能精确的测量单体电池电压，电流和温度等模拟信号，使得控制装置具有控制精度高、硬件简单、可靠性高等优点。

③均衡放电模块300

均衡放电模块300是一个小功率可控的非隔离直流电源模块，输入等于单体电池电压，输出为超级电容500的工作电压，在实际应用中将其充到5.4V左右，以保证电池管理装置的正常供电，在检测单体电池电压时，将均衡放电模块300和均衡充电模块600关闭以提高电压测量精度。

④超级电容500

超级电容500为双电层电容器、黄金电容或法拉电容，是一种电化学元件，通过极化电解质来储能。在其储能的过程中并不发生化学反应，其储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。超级电容500能在很小的体积下达到法拉级的电容量，无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；在本实用新型中使用超级电容来存储电池均衡放电过程中的放电量，提供给电池管理装置自身使用，避免了能量浪费，绿色环保。

⑤均衡充电模块600

均衡充电模块600是一个可控的隔离直流电源模块，输入电源一般为电动汽车的辅助电源，也可以直接使用动力电池组总电压，输出电压等于单体电池电压，输出电流限制为继电器触点能承受的额定电流，当CPU控制单元检测到辅助电源工作时(如点火钥匙接通)，根据控制算法对相应的电池进行均衡充电，该充电模块的辅助绕组同时还提供霍尔电流检测使用的正负隔离电源。

4、电池管理装置软件设计

为了增强电池管理装置的可靠性、可读性等，电池管理装置采用结构化及模块化思想进行软件设计。结构化程序设计是一种定义良好的软件开发技术。采用自顶向下设计和实现的方法，并严格地使用结构化的控制结构，确保程序只有一个“出口”。模块化设计，模块是程序层次中的基本组成部分，是程序中可以单独编译的一组程序语句，用模块名调用。将程序分为若干模块，能降低程序的复杂性，减少开发时间，运用模块化技术，可以将错误局限在各个模块内部，防止错误的蔓延，便于调试和维护。采用结构化及模块化不仅满足了装置实时控制的需要，而且具有可读性和可移植性，方便软件调试与装置标定，还可以利用已经被证明是可靠的模块来构造新的装置，减少新装置开发的工作量，提高软件的可靠性。

根据电池管理装置的功能要求以及使用要求，装置软件模块化框图如图6所示。软件实时处理模块流程是：

第1、主控循环程序监控和调度各子程序A；

第2、上电自检后初始化和标定装置变量B；

第3、各单体电池电压电流检测C；

第4、单体电池均衡充放电控制D；

第5、高压电路绝缘监测报警E；

第6、单体电池和电池组电量SOC计算F；

第7、电池温度监控热管理处理G；

第8、充电机通讯，充电启停和充电曲线控制H；

第9、电池管理装置必要的开关量输入输出信号处理I；

第10、电池相关数据记录与分析处理J；

第11、在有多节电池组的电池管理装置中，装置是由多个监控模块组成，主控模块查询其它下位机模块的电池数据并集中处理K；

第12、与人机交互界面通讯传送相关信息和参数，提供电池相关数据给整车控制器进行车辆综合控制决策L；

返回第三步循环执行各相关步骤，实现电池组管理功能。

Claims (5)

1.一种具有均衡充放电功能的电池管理装置，包括电池和继电器组（100）、

CPU控制单元（200）、均衡放电模块（300）；

其特征在于：

设置有超级电容（500）和均衡充电模块（600）；

CPU控制单元（200）和电池和继电器组（100）连接，检测电池和继电器组（100）的工作状况；

CPU控制单元（200）、均衡放电模块（300）和电池和继电器组（100）依次连接，控制电池和继电器组（100）的均衡放电；

CPU控制单元（200）、均衡充电模块（600）和电池和继电器组（100）依次连接，控制电池和继电器组（100）的均衡充电；

超级电容（500）和均衡放电模块（30）连接，储存电池和继电器组（100）的放电能量。

2.按权利要求1所述的电池管理装置，其特征在于：

所述的电池和继电器组（100）包括相互连接的动力电池组（101）和继电器组（102）；

动力电池组（101）由多个单体电池串联组成；

在每一个单体电池的正负极上并联一个有双组触点的继电器。

3.按权利要求1所述的电池管理装置，其特征在于：

所述的超级电容（500）为双电层电容器、黄金电容或法拉电容，是一种电

化学元件。

4.按权利要求1所述的电池管理装置，其特征在于：

所述的均衡充电模块（600）是一种可控的隔离直流电源模块。

5.按权利要求1所述的电池管理装置，其特征在于：

所述的CPU控制单元（200）采用美国TI公司的32位定点数字信号处理器TMS320F28035作为控制芯片。

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