CN202455098U - 锂离子电池均衡装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂离子电池均衡装置，主要由主控单元（1）和电压采集模块（2）组成，其特征在于：所述的主控单元（1）连接电流传感器（5）采集电流；电压采集模块（2）通过电池采样线（4）连接动力电池，采集每只电池的电压和相应的温度信息；主控单元（1）和电压采集模块（2）之间由内部通信总线（3）连接，通过内部通信总线（3），主控单元（1）给电压采集模块（2）下达指令，并获取电池的电压、温度数据。本实用新型除具有均衡功能外，可以采集单体电池的电压、采集电池组的温度，改善动力电池在使用的过程中因容量不平衡而造成电池使用寿命衰减等问题。

Description

锂离子电池均衡装置

技术领域

本实用新型涉及供电池管理系统，尤其是针对电动汽车锂离子动力电池在长期使用中各个电池会产生容量不均衡的现象而设计的一种新型的电动汽车电池管理系统。 

背景技术

随着世界石油资源的日益紧张和机动车辆对环境污染的不断恶化,节能环保的电动汽车已经成为举世关注的具有战略意义的产业。锂离子电池组作为电动汽车动力的主要来源,其工作的稳定性和使用寿命直接影响整车的性能。锂离子电池组由于电池自放电率的不同，长时间的积累，造成电池的容量的差异；电池使用过程中，由于使用环境如温度、电池接触内阻的差异，也会导致电池容量的不平衡。这些容量的不平衡会直接对电池的使用产生影响：在充电时，因为整车电池的容量不一致，会有先被充满，为防止电池过充（锂离子电池过充有可能发生起火爆炸的危险）充电过程停止，这样整车的电池并没有充满，影响电动汽车的续航里程；放电时，那些长期充电不足的蓄电池，会使蓄电池容量下降，内阻增加，造成蓄电池的早期损坏，影响电池的使用寿命。如何抑制这种不平衡的产生，必须使用电池的均衡方法。目前对电池组进行均衡管理的技术，都是在动态的情况下，即电动汽车处于运行或者充电的状态下进行的，但是在这种动态情况下进行均衡会存在以下缺点： 

1、主动均衡采用大量MOS管和变压器，器件成本比较高，故障点较多；

2、被动均衡采用大量MOS管和大功率电阻，成本低于主动均衡，但是完全适用放电电阻，所散发的热量也会严重影响电池的性能；

3、目前的主动均衡和被动均衡，都是在动态的情况下，即电动车处于运行或者充电的状态下进行的，在该状态下整车的电磁干扰非常强，很容易把开关管击穿，然后造成电池大电流自放电甚至短路的严重后果；

4、目前的主动均衡和被动均衡，都是基于两端的电压来进行的，电动车处于运行或者充电的状态管理系统所采集的电池端电压不能真正反映电池的电动势（该端电压包含电池电动势、欧姆内阻产生电压、极化内阻产生电压总和），所以在此状态下进行均衡，并不能达到均衡的效果。

发明内容

本实用新型的目的在于避免上述不足，提供一种针对动力电池的、当电动车处于静止状态（车辆熄火）时对电池进行充电放电，可改善动力电池在使用过程中因容量不平衡而造成电池使用寿命衰减的的锂离子电池均衡装置 

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种锂离子电池均衡装置，主要由主控单元（1）和电压采集模块（2）组成，其中：所述的主控单元（1）连接电流传感器（5）采集电流；电压采集模块2通过电池采样线（4）连接动力电池，采集每只电池的电压和相应的温度信息；主控单元（1）和电压采集模块（2）之间由内部通信总线（3）连接，通过内部通信总线（3），主控单元（1）给电压采集模块（2）下达指令，并获取电池的电压、温度数据；

所述的电压采集模块（2）包括第一单路光隔继电器AQW210（2-1）、第二单路光隔继电器AQW210（2-2）、DC/DC开关电源模块（2-3）、超级电容（2-4）、大功率放电电阻（2-5）、通信隔离接口电路（2-6）、单片机（2-7）、ADC采样电路（2-8）以及多个双路光隔继电器组成（2-9～2-n），第一单路光隔继电器AQW210（2-1）、第二单路光隔继电器AQW210（2-2）分别连接超级电容（2-4）、大功率放电电阻（2-5）进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块（2-3）给整个模块提供电源；输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机（2-7）相连；单片机（2-7）是电压采集模块（2）的核心，与其它部分相连；ADC采样电路（2-8）负责采集电池电压和温度，通过SPI总线与单片机（2-7）相连；双路光隔继电器组成（2-9～2-n）的输入连接电池，输出连接ADC采样电路（2-8），并由单片机（2-7）控制打开和闭合；

所述的通信隔离接口电路（2-6）所用的CAN通信接口芯片为SN65HV1050Q，单片机（2-7）型号为R5F21236。

由于采用上述技术方案，本实用新型具有如下优点和效果： 

1、本实用新型采用超级电容和大功率放电电阻相结合的方式，主要依靠超级电容进行能量搬移，实现均衡，所散发的热量比较小；

2、本实用新型采用一个MOS管、一个超级电容和一个大功率放电电阻，成本比较低，同时故障点比较少；

3、本实用新型的操作是在静态方式下，整车所产生的电磁干扰非常小，均衡电路不会因电磁干扰而受到影响；

4、本实用新型在静态方式下均衡，整车的动力电池不存在充放电电流，电池的欧姆内阻和极化内阻不会产生电压，所采集的电池端电压就是电池电动势，可以直接反映电池的容量，因此可以达到更加理想的均衡效果。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图； 

图2 为本实用新型电压采集模块的内部原理框图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面结合附图对本实用新型进行详细阐述。 

如图1所示，一种锂离子电池均衡装置，利用单片机、数字电路、光隔继电器、超级电容等技术，主要由主控单元1、电压采集模块2、内部通信总线3、电池电压采样线4、电流传感器5组成，电压采集模块2实现对电池电压和温度的采集，将采集结果上传给主控单元1；主控单元1汇总电压采集模块2上传的数据，同时实现对动力电池充放电电流的采集，控制电池的充放电、均衡以及输出电池的实时状态。 

其中，主控单元1连接电流传感器5采集电流，主控单元1和电压采集模块2通过内部通信总线3（CAN总线）连接，通过内部通信总线3主控单元,1给电压采集模块2下传指令，并获取电池的电压、温度数据，或者电压采集模块2上传采集的电压数据到主控单元1；电压采集模块2通过电池电压采样线4连接动力电池组，进行每只电池电压和相应温度信息的采样， 电池的动力线从电流传感器5中穿过，实现对电流的采集；主控单元1汇总电压采集模块上传的数据以及电流等参数产生均衡策略，电压采集模块2根据该均衡策略，控制内部电路实现对电池的动态均衡。 

参照图2，电压采集模块2包括第一单路光隔继电器2-1、第二单路光隔继电器2-2、DC/DC开关电源模块2-3、超级电容2-4、大功率放电电阻2-5、通信隔离接口电路2-6、单片机2-7、ADC采样电路2-8以及多个双路光隔继电器组成2-9～2-n，电压采集模块2采用通用的热敏电阻采集温度。 

第一单路光隔继电器AQW210 2-1、第二单路光隔继电器AQW2102-2分别连接超级电容2-4、大功率放电电阻2-5进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块2-3给整个模块提供电源；通信隔离接口电路2-6所用的CAN通信接口芯片为SN65HV1050Q，输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机2-7相连。 

单片机2-7是电压采集模块的核心，其型号为R5F21236，与其它部分相连。当电动汽车处于动态时DC/DC开关电源模块2-3给电压采集模块提供3.3V电源，同时给超级电容2-4充电；电动汽车处于静态时，车辆熄火，DC/DC开关电源模块2-3不能给电压采集模块提供电源，这时超级电容2-4负责给模块提供电源，同时双路光隔继电器在循环切换，由动力电池给超级电容补充电能。当均衡过程结束后，双路光隔继电器关闭，超级电容2-4中的电量消耗完毕后电压采集模块停止工作。 

对某只电池电压采样时，相应双路光隔继电器打开，ADC采样电路2-8采样该电池电压和温度，通过SPI总线与单片机2-7相连，并将采样结果输出给单片机2-7。双路光隔继电器组成2-9～2-n的输入连接电池，输出连接ADC采样电路2-8，并由单片机2-7控制打开和闭合。 

当电动汽车处于静态时，如果该电池电压高于均衡电压，单路光隔继电器2-2打开，该电池对超级电容2-4进行充电，如果电池电压低于均衡电压，单路光隔继电器2-2打开，超级电容2-4对该电池充电。如果某个电压采集模块所对应的所有电池电压均高于均衡电压，则打开单路光隔继电器2-1，通过大功率放电电阻2-5对电池进行放电。电压采集模块对于温度的采集采用通用的热敏电阻实现。 

具体均衡动作由电压采集模块2根据主控单元1的均衡策略执行。动力电池组中的每一只电池对应一个光隔继电器，利用该光隔继电器切换到所要采样和均衡的电池，其过程如下： 

在车运行的动态过程中，电压采集模块2利用光隔继电器、A/D、单片机实现对电池电压的采样，并将采样的结果上传给管理系统的主控单元1，主控单元1产生均衡策略，并将该策略下传给每个电压采集模块；

在车辆处于静态时，电压采集模块2先对电池电压进行采样，根据均衡策略，进行均衡：如果某只电池的静态电压高于主控单元给出的均衡电压，则打开超级电容充电通路，该电池对超级电容充电；如果某只电池的静态电压低于主控单元给出的均衡电压，则打开超级电容放电通路，将超级电容中多余的能量补充给该电池；如果该电压采集模块所监测的电池电压都高于主控单元给出的均衡电压，则打开放电电阻通路，对电池进行放电。

上述实例的电路均采用本领域的公知电路。 

本实用新型未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。 

Claims (4)

1.一种锂离子电池均衡装置，主要由主控单元（1）和电压采集模块（2）组成，其特征在于：所述的主控单元（1）连接电流传感器（5）采集电流；电压采集模块（2）通过电池采样线（4）连接动力电池，采集每只电池的电压和相应的温度信息；主控单元（1）和电压采集模块（2）之间由内部通信总线（3）连接，通过内部通信总线（3），主控单元（1）给电压采集模块（2）下达指令，并获取电池的电压、温度数据。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池均衡装置，其特征在于：所述的电压采集模块（2）包括第一单路光隔继电器AQW210（2-1）、第二单路光隔继电器AQW210（2-2）、DC/DC开关电源模块（2-3）、超级电容（2-4）、大功率放电电阻（2-5）、通信隔离接口电路（2-6）、单片机（2-7）、ADC采样电路（2-8）以及多个双路光隔继电器组成（2-9～2-n），第一单路光隔继电器AQW210（2-1）、第二单路光隔继电器AQW210（2-2）分别连接超级电容（2-4）、大功率放电电阻（2-5）进行充放电均衡；DC/DC开关电源模块（2-3）给整个模块提供电源；通信隔离接口电路输出侧连接通信CAN总线，输入侧与单片机（2-7）相连；单片机（2-7）是电压采集模块（2）的核心，与其它部分相连；ADC采样电路（2-8）负责采集电池电压和温度，通过SPI总线与单片机（2-7）相连；双路光隔继电器组成（2-9～2-n）的输入连接电池，输出连接ADC采样电路（2-8），并由单片机（2-7）控制打开和闭合。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池均衡装置，其特征在于：所述的电压采集模块（2）采用热敏电阻采集温度。

4.根据权利要求2所述的锂离子电池均衡装置，其特征在于：所述的单片机（2-7）型号为R5F21236。

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