CN202282625U - 电动汽车锂电池组管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车锂电池组管理系统，包括主控制单元和底层控制单元，主控制单元与底层控制单元之间使用CAN总线进行通讯，主控制单元通过电流检测电路与由单体锂电池串联的电池组相连，主控制单元通过串口与上位机通讯，底层控制单元分别通过隔离线性检测电路、温度检测电路和均衡控制电路与单体锂电池相连。该系采用高精度隔离线性检测，并能够隔离均衡，易实现、易扩展。本实用新型能实现对电动汽车各种锂电池精确检测，均衡以及保护功能。

Description

电动汽车锂电池组管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种电池管理系统，尤其是一种电动汽车锂电池组管理系统。

背景技术

随着电动汽车、混合动力汽车的发展，各种锂电池开始大量应用于其能量存储单元。锂电池能量密度大，充放电寿命长，自放电率低，无记忆效应，使得锂电池成为电动汽车最有前景的动力电池。但是锂离子电池物理性质非常活跃，过充过放都会对电池造成伤害甚至会爆炸，因此锂电池对电池管理系统要求比较苛刻。对电池电压的检测以及均衡充放电提出了特殊的要求。

现有的车用锂电池管理系统对电池电压的检测以及均衡控制主要有两种解决思路。

一种解决思路是采用悬浮地的方式，模块化处理，对有限节电池进行分组管理，使用电池的电位作为电池检测单元的参考电位。1、部分公司的电池管理芯片把较多数量的电池检测、均衡以及AD转换集成到一起，顺便解决了均衡以及控制芯片的电位参考点的问题。例如凌力尔特公司的LTC6801、LTC6802、LTC6803芯片实现了对12节电池的管理，凹凸科技的QZ890、QZ8920，能实现对5-8节锂电池的管理。2、部分公司设计的电池管理芯片实现单节电池的管理，电池管理IC实现电池与控制芯片的隔离。电池管理ECU与单节的IC通讯来完成对电池的管理。例如美国达拉斯半导体公司的DS2438芯片，德州仪器的bq系列芯片。

另一种解决思路是不改变电池的参考地的方法。1、使用精密电阻分压，将串联电池组的电压降到普通集成元件和单片机能够承受的电压范围内进行管理。但是这种办法检测精度低，易受温度漂移等条件的影响，而且不便于电池管理系统的扩展，目前没有采用这种电池管理方法的工业级产品。2、使用隔离运算放大器(例如BB公司的AD202)，实现电池的隔离检测。但是这种方法只解决了电池电压检测的问题，电池的均衡仍需通过别的方式隔离控制。而且隔离运放的耐压性能有限，因此尚未见这种性质的工业级产品。

申请人为芜湖天元汽车电子有限公司，申请号为：201010140237.1的专利申请公开了《一种锂电池组电源管理系统》，其使用了凹凸科技的QZ8920电池管理芯片来实现对8节为一组的锂电池进行管理。申请人为奇瑞汽车股份有限公司，申请号为：200910192029.3的专利申请公开了《一种汽车动力锂电池管理系统》，其设计使用其他公司生产的锂电池管理IC，例如LTC6802，来完成对电池的保护功能，他们做的工作内容更倾向于电池管理IC的通讯与控制算法。

申请人为重庆长安汽车股份有限公司，申请号为：201010162444.7的专利申请公开了《一种锂电池管理系统》，其同样使用了电池模块监控单元，来完成对电池管理系统的隔离检测与隔离均衡功能。且该专利始终未提及所用电池模块监控单元所用的IC，据其所述应该是LTC6801、LTC6802、LTC6803中的一款。

在已有的电池管理系统中，电压检测以及均衡控制方面仍存在着以下的问题或缺点：

现有的锂电池的电压检测以及均衡控制基本采用工业级电池管理IC的方法，使用现有的电池管理芯片来实现电池管理功能，创新性不够；且使用时易受到厂家专利的限制(上述三篇专利申请文件皆是此类问题)。

使用普通的检测电路来实现有限节电池的管理，但是这样的管理系统面临着不能扩展的缺点；

使用多个普通光耦来模拟线性光耦，来实现对电池电压的线性检测。但是这种方法存在线性度不够完善的缺点；

使用线性光耦检测电池电压，但是线性光耦的光电导和光电压模式两种使用方法中，高压侧均有普通的运放元件，仍然面临着高压环境下不适用的缺点。

电池均衡也面临着和电池电压检测类似的高压不共地的问题。

实用新型内容

本实用新型目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种电动汽车锂电池管理系统。不使用现有的电池管理IC，单独设计了电池的电压高精度隔离线性检测电路以及隔离均衡控制电路。其中电池电压的检测方案使用了线性光耦。对其光电导模式进行了改进，高压侧使用悬浮地来解决集成运放等元件的耐压问题，达到了较好的效果。使用光耦继电器完成单片机对电池均衡系统的隔离控制，实现了主动均衡并提高了均衡电路的电流均衡能力。新锂电池电池管理系统易实现、极易扩展。一个主控ECU使用CAN与多个底层ECU通讯，扩展管理电池数量时，仅需将扩展的底层管理模块通讯借口接入CAN网络即可。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种电动汽车锂电池管理系统，包括主控制单元和底层控制单元，主控制单元与底层控制单元之间使用CAN总线进行通讯，主控制单元通过电流检测电路与由单体锂电池串联的电池组相连，主控制单元通过串口与上位机通讯，底层控制单元分别通过隔离线性电压检测电路、温度检测电路和均衡控制电路与单体锂电池相连。

所述主控制单元带有CAN接口，主控制单元通过所述的CAN接口与所述的底层控制单元通讯。

所述单体锂电池分组使用，管理系统以组为单位与单独的底层控制单元相匹配，且每个电池组内单体电池不少于4节，最多为16节。

所述主控制单元包括DSP处理器、电流采集电路，所述的电流采集电路与所述的DSP处理器A／D相连，主控制单元负责接收所述底层控制单元采集的所述单体电池的电压、温度信号，并计算电池的SOC。

所述底层控制单元包括单片机、隔离线性电压检测电路、温度检测电路、均衡电路、均衡显示电路、报警电路、通讯电路，所述电压线性隔离检测电路与所述的单片机A／D相连，所述的温度检测电路、均衡电路、均衡显示电路、报警电路、通讯电路均与单片机的I／O相连。

所述隔离线性电压检测电路用于检测单体电池电压。对线性光耦光电导使用方法进行了改进，提升了检测高共模电压的能力。该检测电路包括电池侧集成运算放大器、线性光耦、电压跟随器电路，以4节电池为一个基本检测单元，每个单元的最高节电池的正极电压作为电池检测一侧集成运算放大器和线性光耦高压侧的VCC，以单元最低节电池的负极作为检测模块的公共GND，运算放大器的输出端与线性光耦连接，线性光耦的反馈端与运算放大器连接，线性光耦输出端与电压跟随器电路连接；构成了电池组单体电压的隔离检测电路；所述线性隔离检测电路输入端与所述的单体电池正负极相接，输出端接所述的单片机的A／D。

所述均衡控制电路包括光电继电器、放电三极管及与放电三极管相连的放电电阻和基极电阻；单片机与光继电器连接，每一个光继电器还与两组三极管电路的三极管基极相连，所述每一组三极管电路均由两个并联的三极管组成，且光继电器与两个并联的三极管基极连接的电路上分别设有一个基极电阻；所述两个并联的三极管的集电极并联，且两个并联的三极管的集电极并联的电路上分别设有一个放电电阻，两个并联的三极管的发射极并联还与电池的负极电池连接，电池的正极与并联的三极管的集电极连接，所述三极管为NPN型；所述单片机均衡控制I／O口通过光继电器控制放电三极管的导通和关断。

所述放电三极管并联使用，提升在电池电压较低时的放电能力；两个基极电阻的使用保证了两个三极管能够同时导通。

所述均衡显示电路与所述均衡电路共用所述单片机的均衡控制I／O口；所述均衡电路工作时，与被均衡电池对应的均衡显示电路工作并发光显示。

所述底层控制板的报警电路，在电池状态超出设定范围时进入工作状态。

本实用新型的锂电池电池管理系统由主控制单元和底层控制单元组成，主控制单元与底层控制单元之间使用CAN总线进行通讯。主控制单元使用TI的DSP处理器，实现对电池电流状态的检测，使用3.3VCAN收发器SN65HVD230DR进行CAN通讯，通过软件实现电池组组电压的检测以及电池SOC的估计。底层控制单元使用飞思卡尔16位单片机MC9S12系列芯片，实现电池电压的线性隔离检测，并对单体电池进行充放电控制。每个底层控制单元实现对16节电池的管理。底层控制单元通过5V CAN总线收发器SN65HVD1050D与DSP通讯。DSP通过串口与上位机通讯。整体框图如图1所示。

底层控制单元使用5V电源供电。检测单体电池的电压，使用线性光耦HCNR200以及集成运算放大器LM324N搭建的隔离线性检测电路。每个底层控制单元可以管理16节电池，最少4节电池。针对单体电压为4V左右的锂离子电池，以4节电池为一个基本检测单元，每个单元的最高节电池的正极电压作为电池检测一侧集成运放和线性光耦高压侧的VCC，以单元最低节电池的负极作为检测模块的公共GND。构成了电池组单体电压的隔离检测电路。具体电路图如图2所示。

采用能耗均衡方式进行充放电均衡。锂电池单体电压为4V左右，其中磷酸铁锂电池端电压仅为3V左右，普通的电子开关器件难以正常开通。本管理系统中，单片机9S12产生的均衡控制信号经过光继电器控制两个8050三极管并联放电，提高了均衡电路的放电能力。具体电路图如图3所示。

单片机的均衡控制信号同时接到相应的16个发光管上。当有电池需要均衡，相应的控制信号同时传递到发光管电路中，发光管导通，对处于工作状态的均衡电路进行显示，电池异常时进行报警。如图4所示。

电流检测使用霍尔传感器JT50T06，检测电流可达50A，线性度0.1％。输出的电流信号经过检测电阻转换为DSP可承受的电压信号，经调理电路送入DSP进行AD转换。

温度信号的检测使用DALLAS公司的DS18B20温度传感器，其独特的单总线结构，使得其检测整包电池温度并将其传输给单片机时，仅占用1个I／O口即可。

本实用新型的有益效果是，线性隔离检测电路中线性光耦HCNR200非线性度0.01％，可承受数千伏的峰值电压。实际电压检测误差为0.56％，达到了较高的检测精度。均衡电路的单节电流均衡能力可达1A。

隔离侧使用5V供电系统，底层控制单元之间没有高共模电压，保证了元器件和单片机芯片的安全运行环境。

电池侧为高压侧，以四节电池为一组进行不共地检测，并使其为电压检测电路电池侧运算放大器和线性光耦供电，减小了元器件承受的差模电压，保证了电路的正常运行。

均衡电路使用光继电器，控制两个三极管并联对单节电池放电。分别给每节电池的两个三极管提供基极电阻，保证了两个三极管能够同时导通。双三极管并联均衡电路，保证了在低电压情况下均衡电路有足够的分流能力。

三极管控制简单，在光继电器允许的范围内，可以由单片机进行普通开关控制或者PWM控制，均衡方式灵活。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是本实用新型的电压线性隔离检测电路图；

图3是本实用新型的电池均衡电路图；

图4是本实用新型的电池均衡显示电路及报警电路图。

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。

如图1所示：本实用新型的电池组管理系统包括主控制单元、多个底层控制单元以及所述的与底层控制单元个数相对应的电池。

所述的底层控制单元实现对所述电池的电压线性隔离检测并同步采样、对所述电池的温度状态的检测、对所述电池的均衡控制。

所述的底层控制单元的CAN通信模块，经过CAN收发器电平转换后与所述的主控制单元相连接。

所述的主控制单元实现对所述串联电池组的电流状态检测，并通过CAN总线收集所述底层控制单元采集的所述电池的电压与温度信息。

所述的主控制单元通过分析所采集收集到的所述电池的电压、电流、温度状态，对所述电池的SOC进行估计，并根据所述电池的健康状况发送控制指令、与上位机通讯。

如图2所示：电压线性隔离检测电路以四节电池为一个基本检测单元。

检测单元中电压检测电路的运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D的的引脚4和4个线性光耦HCNR200的引脚3与最高节电池battery0的正极相连，运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D的引脚11和所述4个线性光耦HCNR200的引脚4与最低节电池battery3的负极相连，以分别提供电池检测单元高压侧的电源和地。

运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D的3、5、10、12引脚分别与电池battery0、battery1、battery2、battery3的正极相连，2、6、9、13引脚分别通过电阻R1、R2、R3、R4与电池battery0、battery1、battery2、battery3的负极相连。运算放大器U1A、U1B、U1C和U1D的4个输出端经过R51、R52、R53、R54与线性光耦的引脚2相连，运放的负输入端2、6、9、13引脚分别与对应的线性光耦引脚4相连。

电容C1、C2、C3、C4用于防止震荡、滤除毛刺，如果使用中影响到精度可以空置不用。

线性光耦U21、U22、U23、U24的隔离侧与运算放大器U2使用5V电源和地。

R31、R32、R33、R34为检测电阻，将所述线性光耦引脚8的电流信号变为电压信号。

U2A、U2B、U2C、U2D构成电压跟随器电路，将所述检测电阻上的电压信号经过稳压管DAN0、DAN1、DAN2、DAN3传递给所述的底层控制单元的单片机AD口AN0、AN1、AN2、AN3进行转换。

如图3所示：底层控制单元的电池均衡单元采用能耗均衡。均衡电路所用开关三极管为8050，三极管集电极在低压情况下收集电子能力有限，采用双三极管并联放电。所述三极管Q1、Q17、Q2、Q18、Q3、Q19、Q4、Q20的基极通过放电电阻分别与相应的电池battery01、battery02、battery03、battery04正极相连，发射极与相应电池的的负极相连。

所述的底层控制单元上的单片机产生的控制信号ctrl01、ctrl02、ctrl03、ctrl04控制光继电器TLP296G U101、U102的开通关断。

当单片机检测到电池battery01电压偏高时，产生的控制信号ctrl1为低电平，所述光继电器U101的1、2脚导通，R101为限流电阻。同时引脚5、6导通，高压侧电池battery01的正极电压加载到所述的三极管Q1、Q17的基极电阻R201、R217上。三极管Q1、Q17导通，所述电池battery01通过放电电阻R301、R307放电。放电的强度和时间可以通过ctrl1信号来控制。

单片机检测到电池battery01正常时，产生的控制信号ctrl1为高电平。所述的光继电器U101不导通，高压侧所述电池battery01的正极电压不能加载到三极管的基极，三极管不导通，电池battery01停止均衡。

如图4所示：底层控制单元的均衡显示及报警电路。发光管DS0、DS1、DS2、DS3的正极接5V电源，负极接所述电池battery01、battery02、battery03、battery04的均衡控制信号。当单片机检测到电池battery01电压偏高时，产生的控制信号ctrl1为低电平，所述光继电器U101的1、2脚导通，所述的电池battery01的均衡电路开始工作。同时，ctrl1为低电平时，所述的发光管DS0导通发光。实现了电池均衡时相应的发光管导通显示。

报警模块由蜂鸣器LS1、限流电阻Rbell、电流放大原件三极管Q0构成。当所述的电压、温度检测单元持续检测到电池异常时，所述的单片机的TXD1口产生高电平，所述的三极管Q0导通，并放大所述的信号TXD1的电流，蜂鸣器LS1导通工作，实现了底层报警功能。

尽管已示出并描述了本实用新型的一些示例性实施例，但是本领域技术人员应当理解，可以在不超出权利要求及其等同物所限定的本实用新型原理的范围的情况下，对这些示例性实施例进行修改。

Claims (8)

1.一种电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，包括主控制单元和底层控制单元，主控制单元与底层控制单元之间使用CAN总线进行通讯，主控制单元通过电流检测电路与由单体锂电池串联的电池组相连，主控制单元通过串口与上位机通讯，底层控制单元分别通过隔离线性电压检测电路、温度检测电路和均衡控制电路与单体锂电池相连。

2.如权利要求1所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述主控制单元带有CAN接口，主控制单元通过所述的CAN接口与所述的底层控制单元通讯。

3.如权利要求1所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述单体锂电池分组使用，管理系统以组为单位与单独的底层控制单元相匹配，且每个电池组内单体电池不少于4节，最多为16节。

4.如权利要求1或2所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述主控制单元包括DSP处理器、电流采集电路，所述的电流采集电路与所述的DSP处理器A／D相连，主控制单元负责接收所述底层控制单元采集的所述单体电池的电压、温度信号，并计算电池的SOC。

5.如权利要求1所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述底层控制单元包括单片机、隔离线性电压检测电路、温度检测电路、均衡电路、均衡显示电路、报警电路、通讯电路，所述电压线性隔离检测电路与所述的单片机A／D相连，所述的温度检测电路、均衡电路、均衡显示电路、报警电路、通讯电路均与单片机的I／O相连。

6.如权利要求5所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述隔离线性电压检测电路用于检测单体电池电压，该检测电路包括电池侧集成运算放大器、线性光耦、电压跟随器电路，以4节电池为一个基本检测单元，每个单元的最高节电池的正极电压作为电池检测一侧集成运算放大器和线性光耦高压侧的VCC，以单元最低节电池的负极作为检测模块的公共GND，运算放大器的输出端与线性光耦连接，线性光耦的反馈端与运算放大器连接，线性光耦输出端与电压跟随器电路连接；构成了电池组单体电压的隔离检测电路；所述线性隔离检测电路输入端与所述的单体电池正负极相接，输出端接所述的单片机的A／D。

7.如权利要求5所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述均衡控制电路包括光电继电器、放电三极管及与放电三极管相连的放电电阻和基极电阻；单片机与光继电器连接，每一个光继电器还与两组三极管电路的三极管基极相连，所述每一组三极管电路均由两个并联的三极管组成，且光继电器与两个并联的三极管基极连接的电路上分别设有一个基极电阻；所述两个并联的三极管的集电极并联，且两个并联的三极管的集电极并联的电路上分别设有一个放电电阻，两个并联的三极管的发射极并联还与电池的负极电池连接，电池的正极与并联的三极管的集电极连接，所述三极管为NPN型；所述单片机均衡控制I/O口通过光继电器控制放电三极管的导通和关断。

8.如权利要求5所述的电动汽车锂电池组管理系统，其特征是，所述均衡显示电路与所述均衡电路共用所述单片机的均衡控制I/O口。

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