CN202503314U

CN202503314U - 电动汽车用锂电池电源管理系统

Info

Publication number: CN202503314U
Application number: CN2012200209776U
Authority: CN
Inventors: 屈晨; 安东尼奥·蓬泰蒂
Original assignee: NANJING GIANTEC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING GIANTEC INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2022-01-17

Abstract

本实用新型属于电子技术领域，是一种电动汽车用锂电池电源管理系统，包括一个主控单元和N个子控单元，各单元之间均通过CAN总线连接，各单元都通过供电总线连接供电系统；主控制单元包括CPU处理器、电流传感器、断路器、CAN总线通讯单元及光电隔离器，电流传感器和断路器都与CPU处理器连接，CPU处理器依次通过CAN总线通讯单元和光电隔离器连接至CAN总线；子控单元包括电压测量单元、功率旁路电路、大功率继电器或手动跳线装置、CAN总线通讯单元及光电隔离器；电压测量单元、功率旁路电路以及大功率继电器或手动跳线装置都与CPU处理器通信连接，CPU处理器依次通过CAN总线通讯单元和光电隔离器连接至CAN总线。本实用新型结构简单，可靠性强，增大了电动汽车续驶里程，提高了电池的充电效率，延长了电池寿命，降低了电池故障率。

Description

电动汽车用锂电池电源管理系统

技术领域

本实用新型属于电子技术领域，涉及一种电池电源管理系统，具体的说是一种电动汽车用锂电池电源管理系统。

背景技术

以锂电池作为动力来源的电动汽车的车载能源是由若干个（几十个甚至上百个）锂单电池串联而成的大型电池组。由于采用串联连接，对整个电池组充电与放电的过程同时作用于每个单电池。在对电动汽车提供动力时，电池组处于放电状态，每个串联中的锂单电池随着放电过程的进行，电压随之下降，整个电池组的电压也随之下降。当对电池组充电时，每个单电池都被充电，电压随之上升，整个电池组的电压也随之上升。每个锂单电池在正常运行（充电与放电）时都有固定的最高与最低电压阀值。超过这个阀值运行时会迅速缩短锂电池寿命，造成电池过早损坏。由于每个锂单电池自身的容量与特性略有不同，在对电池组充电放电的过程中会有部分单电池首先达到最高或最低电压阀值。如果不对每个单电池的充放电过程单独控制，使每个电池的充放电状态与其他电池保持一致，则首先到达最高或最低电压阀值的单电池会过早损坏，造成整个电池组故障。另一方面，由于电池组由单电池串联连接，当某一个单电池出现故障，整个电池组将无法使用。以电池组作为唯一动力来源的电动汽车随时都可能遇到无法行使的风险。如果能够提前预测出即将失效的单电池并反馈给车辆维修人员，或者系统能够自动将故障电池进行失效处理，将很大程度上提高电池组的实用性和续航能力。

针对以上技术问题，多年来人们总结出多种解决方案。如专利号申请号为200610164524.X的发明专利申请公开了一种电池管理系统。该系统具备一个主控单元和多个从控制单元，每个从控制单元检测若干个电池单位中相应电池单位的充电电压值，同时主控单元的电流检测单元检测所有电池点位的代表电流值，并传给每个从控制单元，每个从控制单元根据其检测的电压值和获得的代表电流值来判断是否进行充电或放电操作。该方案能够在一定程度上解决本节一开始提出的问题，但首先其实现结构较为复杂；其次在控制的过程中过多地依赖主控单元，对整体系统的可靠性造成一定影响；再次其无法对单个电池单独控制；另外该方案没有给出均衡电路作为电池管理系统重要组成部分的具体实现；最后，没有给出电池失效检测与处理的解决方案。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种电动汽车用锂电池电源管理系统，结构简单，可靠性强，增大了电动汽车续驶里程，提高了电池的充电效率，延长了电池寿命，降低了电池故障率。

本实用新型解决以上技术问题的技术方案是：

电动汽车用锂电池电源管理系统，电动汽车用锂电池由N个锂单电池串联而成，N为大于等于2的整数；

电动汽车用锂电池电源管理系统包括一个主控单元和N个子控单元，主控制单元与每个子控制单元，以及每个子控制单元之间均通过第一CAN总线连接进行数据交换，主控制单元还通过第二CAN总线连接至上层系统，主控制单元与每个子控制单元都通过供电总线连接供电系统；

主控制单元包括主控CPU处理器、电流传感器、断路器、主控CAN总线通讯单元及主控通讯光电隔离器；电流传感器串联在第N个锂单电池之后，用以测量电池组运行过程中的电流值；断路器串联在第一个锂单电池之前，用以在紧急或电池组失效状态将电池组断路；电流传感器和断路器都与主控CPU处理器通信连接并受其控制，主控CPU处理器连接并控制主控CAN总线通讯单元，主控CAN总线通讯单元通过主控通讯光电隔离器连接至第一CAN总线；

子控单元包括子控CPU处理器、电压测量单元、功率旁路电路、大功率继电器或手动跳线装置、子控CAN总线通讯单元及子控通讯光电隔离器；电压测量单元的正负极与相应锂单电池的正负极相连，用以测量该锂单电池的实时电压；功率旁路电路与相应锂单电池并联连接，用以在充电过程中以及充电完成以后通过旁路对该锂电池进行电压平衡操作，旁路电路中包括旁路电阻，用于模拟相应锂单电池的内阻，使该锂电池的旁路不会对电池组产生影响；大功率继电器或手动跳线装置与相应锂单电池并联连接，用以当该锂电池将要或已经损坏时自动或手动旁路该锂电池；电压测量单元、功率旁路电路以及大功率继电器或手动跳线装置都与子控CPU处理器通信连接并受其控制，子控CPU处理器连接并控制子控CAN总线通讯单元，子控CAN总线通讯单元通过子控通讯光电隔离器连接至第一CAN总线。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

前述的电动汽车用锂电池电源管理系统，主控制单元还包括电池组温度传感器，电池组温度传感器与CPU处理器通信连接，用以检测电池组的温度。

前述的电动汽车用锂电池电源管理系统，子控单元还包括单电池组温度传感器，单电池温度传感器与子控CPU处理器通信连接，用以检测相应锂单电池以及旁路电阻的温度。

本实用新型的有益效果是：⑴造成电池组故障的根本原因是单电池的故障，而本系统实现了对每个单电池的工作状态实时控制与检测；⑵采用主控单元与子控制单元的分布式控制模式，增加系统的可控性；⑶在充电过程中，以及充电完成后，每个单电池均在平衡处理控制之下；⑷对每一个单电池做出失效预测，并上报给上级系统；⑸可选择自动或手动旁路失效电池，单电池的损坏不影响电池组的正常工作。总之，本实用新型结构简单，可靠性强，增大了电动汽车续驶里程，提高了电池的充电效率，延长了电池寿命，降低了电池故障率。

附图说明

图1是本实用新型的连接示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种电动汽车用锂电池电源管理系统，连接如图1所示，电动汽车用锂电池由X个锂单电池串联而成，X为大于等于2的整数。电动汽车用锂电池电源管理系统包括一个主控单元和X个子控单元，主控制单元与每个子控制单元，以及每个子控制单元之间均通过第一CAN总线（总线CAN a）连接进行数据交换，主控制单元还通过第二CAN总线（总线CAN b）连接至上层系统（如行车电脑），用来将包括电池组充、放电电流，每个子控制单元的工作状态，每个单电池的当前电压以及SOC（剩余容量），警告和报警等数据发送给上层系统。主控制单元与每个子控制单元都通过供电总线连接供电系统，使用单独的供电系统在测量，控制的过程中不损耗电池组电量。

主控制单元包括主控CPU处理器、电流传感器、断路器、主控CAN总线通讯单元及主控通讯光电隔离器；电流传感器串联在第X个锂单电池之后，用以测量电池组运行过程中的电流值；断路器串联在第一个锂单电池之前，用以在紧急或电池组失效状态将电池组断路；电流传感器和断路器都与主控CPU处理器通信连接，主控CPU处理器控制以上各器件；主控CPU处理器也连接并控制主控CAN总线通讯单元，后者通过主控通讯光电隔离器连接至第一CAN总线；主控制单元还包括电池组温度传感器，电池组温度传感器与CPU处理器通信连接，用以检测电池组的温度。

子控单元包括子控CPU处理器、电压测量单元、功率旁路电路、大功率继电器或手动跳线装置、子控CAN总线通讯单元及子控光电隔离器；电压测量单元的正负极与相应锂单电池的正负极相连，用以测量该锂单电池的实时电压；功率旁路电路与相应锂单电池并联连接，用以在充电过程中以及充电完成以后通过旁路对该锂电池进行电压平衡操作，旁路电路中包括旁路电阻，用于模拟相应锂单电池的内阻，使该锂电池的旁路不会对电池组产生影响；大功率继电器或手动跳线装置与相应锂单电池并联连接，通常为打开状态（NO），当电池将要或已经损坏时可自动或手动旁路该电池，从而确保整个电池组内的工作电池都保持良好的工作状态，由于电池组通常由上百个，甚至几百个单电池串联而成，旁路个别电池对电池组的正常运行产生的电压影响将小于1%。电压测量单元、功率旁路电路以及大功率继电器或手动跳线装置都与子控CPU处理器通信连接，子控CPU处理器用来控制以上各器件；子控CPU处理器还连接并控制子控CAN总线通讯单元，后者通过子控通讯光电隔离器连接至第一CAN总线。子控单元还包括单电池组温度传感器，单电池温度传感器与子控CPU处理器通信连接，用以检测相应锂单电池以及旁路电阻的温度，当任何子控制单元检测的温度超过预设范围，主控制单元启动断路器，将电池组与负载或充电设备断开。

本实用新型的工作过程为：

由于电池组中每个单电池的容量，和初始电压不一定相同，在对电池组进行充电过程中，子控制单元将测量的单电池电压数据通过总线CAN a广播，并获取由总线CAN a传来的其他单电池的电压数据，这些数据也被主控单元实时获取。在没有任何电池电压到达充电电压上限之前，测量到其单电池电压为最高值的子控制单元通过功率旁路电路旁路该单电池，使其暂时不进行充电操作。于此同时其他电池均进行正常充电操作。当有其他电池电压超过其电压值时，关闭功率旁路电路，恢复正常充电。当某个单电池电压达到充电电压上限时，主控单元将电池组断路器打开，将电池组从充电系统中断开。同时该单电池的子控制单元启动功率旁路电路，通过消耗该单电池能量降低其电压，经过一段时间使其与其他电池电压保持平衡，充电过程结束。在以上充电过程中，子控制单元与主控制单元实时检测系统各部分温度，当有任何一个部分超过温度范围时，主控单元同样将电池组断路器打开，同时每个子控制单元均不启动其功率旁路电路，并通过总线CAN b向上层系统发出报警，直到所有温度值均在设定范围之内。

在电池放电过程中，当主控单元检测到某个单电池电压值达到放电电压下限时，打开电池组断路器，电池组不再放电。同时主控单元通过总线CAN b通知上层系统电池组电量耗尽，需要充电。

在电池充电过程中，若某个子控制单元检测到其电池充电电压接近或达到放电电压下限时，表明该电池即将失效。此时启动电池失效处理：主控单元通过总线CAN b通知上层系统失效电池的编号和位置。在自动模式下，子控制单元启动大功率继电器，旁路失效电池，从而使电池组中的其他电池正常工作。在手动模式下，维护人员根据系统提供的失效电池的编号和位置打开所对应的连接跳线装置，并更换新的单电池，及其子控制系统。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims

1.电动汽车用锂电池电源管理系统，所述电动汽车用锂电池由N个锂单电池串联而成，所述N为大于等于2的整数；其特征在于：

所述电动汽车用锂电池电源管理系统包括一个主控单元和N个子控单元，所述主控制单元与每个子控制单元，以及每个子控制单元之间均通过第一CAN总线连接进行数据交换，所述主控制单元还通过第二CAN总线连接至上层系统，所述主控制单元与每个子控制单元都通过供电总线连接供电系统；

所述主控制单元包括主控CPU处理器、电流传感器、断路器、主控CAN总线通讯单元及主控通讯光电隔离器；所述电流传感器串联在第N个锂单电池之后，用以测量电池组运行过程中的电流值；所述断路器串联在第一个锂单电池之前，用以在紧急或电池组失效状态将电池组断路；所述电流传感器和断路器都与所述主控CPU处理器通信连接并受其控制，所述主控CPU处理器连接并控制所述主控CAN总线通讯单元，所述主控CAN总线通讯单元通过所述主控通讯光电隔离器连接至所述第一CAN总线；

所述子控单元包括子控CPU处理器、电压测量单元、功率旁路电路、大功率继电器或手动跳线装置、子控CAN总线通讯单元及子控通讯光电隔离器；所述电压测量单元的正负极与相应锂单电池的正负极相连，用以测量该锂单电池的实时电压；所述功率旁路电路与相应锂单电池并联连接，用以在充电过程中以及充电完成以后通过旁路对该锂电池进行电压平衡操作，所述旁路电路中包括旁路电阻，用于模拟相应锂单电池的内阻，使该锂电池的旁路不会对电池组产生影响；所述大功率继电器或手动跳线装置与相应锂单电池并联连接，用以当该锂电池将要或已经损坏时自动或手动旁路该锂电池；所述电压测量单元、功率旁路电路以及大功率继电器或手动跳线装置都与所述子控CPU处理器通信连接并受其控制，所述子控CPU处理器连接并控制所述子控CAN总线通讯单元，所述子控CAN总线通讯单元通过所述子控通讯光电隔离器连接至所述第一CAN总线。

2.如权利要求1所述的电动汽车用锂电池电源管理系统，其特征在于：所述主控制单元还包括电池组温度传感器，所述电池组温度传感器与所述CPU处理器通信连接，用以检测电池组的温度。

3.如权利要求1所述的电动汽车用锂电池电源管理系统，其特征在于：所述子控单元还包括单电池组温度传感器，所述单电池温度传感器与所述子控CPU处理器通信连接，用以检测相应锂单电池以及旁路电阻的温度。