CN202616843U - 集成动力电池自主控制系统 - Google Patents

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朱泽州
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Abstract

本实用新型涉及一种集成动力电池自主控制系统,包括微控制器MCU,其信号输出端通过切换效应器与锂电池电芯阵列相连,锂电池电芯阵列通过电压检测电路与微控制器MCU的信号输入端相连,切换效应器通过主变压器阵列分别接充电电路、输出电路,微控制器MCU的通信端口接监视器。本实用新型中的充电电路接入电源时即开始充电,电压检测电路实时检测锂电池电芯阵列中各个电池单体的电压,若某个电池单体电压发生异常时,系统将会断开这个电池单体和电池组的连接,以延长电池组的使用寿命。此外,设置监视器对电池组的状态进行实时状态反馈,便于维护和管理。

Description

集成动力电池自主控制系统
技术领域
本实用新型涉及电池领域,尤其是一种集成动力电池自主控制系统。 
背景技术
目前,现有的电池控制系统存在以下几种缺陷: 
第一,仅仅能控制数量有限的电池组,无法控制几百节电池组成的电力公交车、电力飞机等的电池组;
第二,只能实现实时监测,停留在控制电池的层面,无法将数据存储或传送到其他设备上,没有有线仪表、无线数传等功能,不便于维护和管理;
第三,只能保存历史充放电记录,却无法实时反馈电池状态,这就有可能造成汽车行驶途中电力被突然切断,存在安全隐患;
第四,由于锂电池串行放电过程中会因锂电池的不一致性,而易损坏电池组中部分电芯,导致锂电池组很快就会损坏。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种集成在电池组内部、兼容性强、便于维护和管理、能够延长电池使用寿命的集成动力电池自主控制系统。 
为实现上述目的,本实用新型采用了以下技术方案:一种集成动力电池自主控制系统,包括微控制器MCU,其信号输出端通过切换效应器与锂电池电芯阵列相连,锂电池电芯阵列通过电压检测电路与微控制器MCU的信号输入端相连,切换效应器通过主变压器阵列分别接充电电路、输出电路,微控制器MCU的通信端口接监视器。 
由上述技术方案可知,本实用新型中的充电电路接入电源时即开始充电,电压检测电路实时检测锂电池电芯阵列中各个电池单体的电压,若某个电池单体电压发生异常时,系统将会断开这个电池单体和电池组的连接,以延长电池组的使用寿命。此外,设置监视器对电池组的状态进行实时状态反馈,便于维护和管理。总之,本实用新型具有平衡充电、串联均衡放电、故障实时检测、实时状态反馈的功能,延长了电池的使用寿命。 
附图说明
图1是本实用新型的电路框图。 
图2是切换效应器、锂电池电芯阵列、电压检测电路以及微控制器MCU的连接电路原理图。 
具体实施方式
一种集成动力电池自主控制系统,包括微控制器MCU 1,其信号输出端通过切换效应器3与锂电池电芯阵列2相连,锂电池电芯阵列2通过电压检测电路5与微控制器MCU 1的信号输入端相连,切换效应器3通过主变压器阵列分别接充电电路、输出电路,所述的充电电路接低压高电流电源,微控制器MCU 1的通信端口接监视器4,所述的监视器4采用LCD显示器和/或报警器,如图1所示。若充电电路接入低压电源,则主变压器阵列仍输出低压,反之,若充电电路接入高压电源,则主变压器阵列变压,输出低压。 
如图1所示,所述微控制器MCU 1的信号输出端与切换效应器3的输入端相连,切换效应器3的输入输出端与锂电池电芯阵列2相连;所述电压检测电路5由固态检测继电器阵列和电压传感器组成,锂电池电芯阵列2与固态检测继电器阵列的输入端相连,固态检测继电器阵列的输出端与电压传感器的输入端相连,电压传感器的输出端与微控制器MCU 1的信号输入端相连;所述切换效应器3的输入输出端与主变压器阵列的输入输出端相连,主变压器阵列的输出端与输出电路相连,主变压器阵列的输入端与充电电路相连。固态检测继电器阵列的作用是轮询准确的测量锂电池电芯阵列2中各个电池单体的电压,并非传统电池的SOC电量估算。 
如图1所示,所述微控制器MCU 1的信号输入端与封装在锂电池电芯阵列2内的温度传感器、电流传感器和湿度传感器相连,微控制器MCU 1的I2C接口与从锂电池电芯阵列相连。温度传感器检测到的温度若高于40°C,或者低于5°C时,通过监视器4提示用户不适合充电;或者,在电池单体温度过高时,直接切断该电池单体。电流传感器检测总线上的电流,即输出端口的电流,若超过用户设定值,则通过报警器报警。湿度传感器检测到的湿度直接在LCD显示器上显示。 
如图1所示,所述的切换效应器3采用继电器组,继电器组内的各个继电器与锂电池电芯阵列2中的各个电池单体对应连接,切换效应器3用于控制锂电池电芯阵列2中电池单体的连接方式。温度传感器、电流传感器和湿度传感器所采集到的信息可以实时发送出去,并且环境温度和湿度高于或低于用户设定阈值的时候会给用户明显的提示,显示在LCD显示器上,或通过报警器报警。 
本系统是封装在电池组内部的智能化管理系统,本身是和电池组高度集成化的,通过对电池组内部各个电芯的信息采集并加以分析,通过切换效应器3来完成控制工作,达到自主控制的目的。 
在放电过程中,电压检测电路5将对每块电池单体进行检测,若某块电池单体发生异常或者电压较高时,微控制器MCU 1将会通过切换效应器3断开这块电池单体和电池组的连接,直至电池组总电压下降到低压限制阈值的x%(x为用户自定义),此后若电压下降到限制阈值会提示用户是否继续使用,继续使用可能会造成不可预料的后果。 
当用户接入充电电源时,即充电电路接入低压高电流电源时,会切换到充电状态。在充电过程中,系统将所有电池单体切换至并联工作状态,在充电期间,系统会在逐一断开饱和的电池,直至所有电池单体充电完成,才恢复串联输出状态。 
系统在工作过程中,通过信息端口将系统状态发送出去,可以接入无线数传协议,将信息传递给监视器4或者移动设备,并且移动设备以通过相应软件来完成系统的参数设定。 
微控制器MCU 1由ATMEGA2560-16U(核心处理器为AVR)主控芯片以及最小系统所需的外围电路,本MCU的程序已经提前烧录完成,设备参数以及运行策略存储在主控芯片的寄存器里,可以由用户更改,它的额定电压为5V,内置稳压器,可直接由电池组供电,功率极小,单块MCU至少可以管理69块电池单体,可通过74HC595芯片进行扩展,亦可通过I2C接口和从系统对接,使得可控电池单体数目没有上限。并且,它可以接入16组模拟传感器,以及256个数字传感器,可以根据具体应用方案进行更改。 
M2#为图2所示的微控制器MCU 1的最小系统板,负责对系统的中央控制,M4#为微控制器MCU 1的电压传感接口,M3#为微控制器MCU 1的I2C接口。S1为固态继电器控制排线,S2为静态双触电继电器控制排线,S1、S2分别接入微控制器MCU 1的I/O接口。和S2接口连接的全部双触点继电器属于切换效应器3;和S1接口连接的SSR属于检测设备,每节电池单体和两个SSR相连,所有SSR和与其对应电池单体以及控制接口的连线总称为电压检测电路5,Solid state relays 缩写简称SSR,即为固态继电器;S2相当于图1中, 微控制器MCU 1与切换效应器3之间的连线,仅起到连接的作用。 
当系统处于充电过程中,微控制器MCU 1给S2全部输出高电平,使得每一节电池单体和总路断开,这时,充电的低压大电流接入到每一节电池单体的两端进行充电,与此同时微控制器MCU 1通过给S1相应端口输出低电压控制固态继电器的导通,每两个依次扫描,例如:1号、2号导通,其他断开,测量完毕后,全部断开,3号、4号导通,测量完毕后,全部断开,继续新一轮扫描,以此类推。从而实现精确的测量每一节电池单体的电压。当某一节电池充电完成后,给相应的S2接线输入单独的低电平,使得此电池跳开,并接入串行总线,当全部单体充电完成后,即完成充电操作,监视器显示充电完成的提示。这时,电池组内的每一节电池单体都已经充至饱和,避免出现传统电池组内某些电池被过充或者充不满的情况。 
当系统处于放电过程中,微控制器MCU 1给S2全部输出低电平,使得每一节电池单体串行接入总路,与此同时微控制器MCU 1通过给S1相应端口输出低电压控制固态继电器的导通,每两个依次扫描,例如:1号、2号导通,其他断开,测量完毕后,全部断开,3号、4号导通,测量完毕后,全部断开,继续新一轮扫描,以此类推。当某一节电池出现故障或电压低于阈值的时候,微控制器MCU 1控制S2的相应端口输出高电平,通过图2可以看到,当某一节电池被跳开的时候,是不会影响总路的正常串行输出的,只是电压有所下降,对于小型电池组对电压要求苛刻的可以通过升压或者切换备用电池的方式来解决,对于大型电池组对电压降要求不高的,可以忽略其带来的影响。从而使得低压电池不再过放,达到延长电池寿命的目的。 
综上所述,本实用新型中的充电电路接入电源时即开始充电,电压检测电路5实时检测锂电池电芯阵列2中各个电池单体的电压,若某个电池单体发生异常或者电压异常时,系统将会断开这个电池单体和电池组的连接,以延长电池组的使用寿命。此外,设置监视器4对电池组的状态进行实时状态反馈,便于维护和管理。总之,本实用新型具有联合平衡充电、串联均衡放电、故障实时检测、实时状态反馈的功能,延长了电池的使用寿命。 

Claims (6)

1.一种集成动力电池自主控制系统,其特征在于:包括微控制器MCU(1),其信号输出端通过切换效应器(3)与锂电池电芯阵列(2)相连,锂电池电芯阵列(2)通过电压检测电路(5)与微控制器MCU(1)的信号输入端相连,切换效应器(3)通过主变压器阵列分别接充电电路、输出电路,微控制器MCU(1)的通信端口接监视器(4)。
2.根据权利要求1所述的集成动力电池自主控制系统,其特征在于:所述微控制器MCU(1)的信号输出端与切换效应器(3)的输入端相连,切换效应器(3)的输入输出端与锂电池电芯阵列(2)相连;所述电压检测电路(5)由固态检测继电器阵列和电压传感器组成,锂电池电芯阵列(2)与固态检测继电器阵列的输入端相连,固态检测继电器阵列的输出端与电压传感器的输入端相连,电压传感器的输出端与微控制器MCU(1)的信号输入端相连;所述切换效应器(3)的输入输出端与主变压器阵列的输入输出端相连,主变压器阵列的输出端与输出电路相连,主变压器阵列的输入端与充电电路相连。
3.根据权利要求1所述的集成动力电池自主控制系统,其特征在于:所述的充电电路接低压高电流电源。
4.根据权利要求1所述的集成动力电池自主控制系统,其特征在于:所述的监视器(4)采用LCD显示器和/或报警器。
5.根据权利要求1所述的集成动力电池自主控制系统,其特征在于:所述微控制器MCU(1)的信号输入端与封装在锂电池电芯阵列(2)内的温度传感器、电流传感器和湿度传感器相连,微控制器MCU(1)的I2C接口与从锂电池电芯阵列相连。
6.根据权利要求2所述的集成动力电池自主控制系统,其特征在于:所述的切换效应器(3)采用继电器组,继电器组内的各个继电器与锂电池电芯阵列(2)中的各个电池单体对应连接。
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