CN202696179U - 一种电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电池管理系统，包括主控制器单元，高压DC模块串联双控开关一，双控开关一串联接入快速充电接口，电池故障诊断模块串联人机界面，专家模块串联专家体统，电流鉴别模块串联电流表，电流表串联接入快速充电接口，电压鉴别串联电压表，电压表串联接入快速充电接口，通讯总线串联电池参数模块；I/O模块一与I/O模块二和双控开关二串联、I/O模块三与I/O模块四串联后并联接入快速充电接口的两极；所述电池一、电池二、电池n串联后接入快速充电接口的两级。本实用新型所述的一种电池管理系统的有益效果是：本系统结构简单，线路连接方便，系统整体较稳定，检修维护方便，应用广泛。

Description

一种电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及一种油电混合动力机车用电池管理系统。 

背景技术

现有的电池管理系统在动力电池提供动力的电动和混合动力牵引系统中，通常以多只动力电池组串联组成的电池组形式出现。在油电混合动力内燃机车系统中，为了获得匹配的直流电压，动力电池组的串联只数达到数百只，此时动力电池组的充放电模型是一个复杂、多变、分布参数的不确定系统，而且系统不稳定，也不便于检修。现有的电池管理系统已经无法满足油电混合动力内燃机车的需要了，为了在保证电池安全和使用寿命的前提下，充分利用动力电池的能力，基于大量的实验数据和样车运行数据，在现有的基础上发明了一种用于油电混合动力内燃机车用电池管理系统。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电池管理系统，以克服上述所述的缺陷。 

本实用新型所述的一种电池管理系统是通过以下技术方案来实现： 

一种电池管理系统，包括主控制器单元，所述主控制器单元上并联有高压DC模块、通讯总线、电压鉴别模块、电池故障诊断模块、专家模块、历史记录模块和电流鉴别模块，所述的高压DC模块串联双控开关一，双控开关一串联接入快速充电接口，电池故障诊断模块串联人机界面，专家模块串联专家体统，电流鉴别模块串联电流表，电流表串联接入快速充电接口，电压鉴别串联电压表，电压表串联接入快速充电接口，通讯总线串联电池参数模块；I/O模块一与I/O模块二和双控开关二串联、I/O模块三与I/O模块四串联后并联接入快速充电接口的两极；所述电池一、电池二、电池n串联后接入快速充电接口的两级。

所述电池上设有正负两级；电池参数模块并联有电池监控参数模块一、均衡充电控制模块一、电池参数监控n和均衡充电控制模块n，电池监控参数模块一和均衡充电控制模块一为一组、串联后接入电池一的一级，电池监控参数模块n和均衡充电控制模块n为一组、串联后接入电池n的另一级，重复n组，n≥1。 

本实用新型所述的一种电池管理系统的有益效果是：本电池管理系统结构简单，线路连接方便，系统整体较稳定，检修维护方便，应用广泛。 

附图说明

下面根据附图对本实用新型作进一步详细说明。 

图1是本实用新型一种电池管理系统电路原理框图。 

图中标注对应的名称为： 

1、I/O模块三；2、高压DC模块；3、通讯总线；4、电池监控参数模块一；5、均衡充电控制模块一；6、电池一；7、快速充电接口；8、电池二；9、电池n；10、电池参数监控n；11、均衡充电控制模块n；12、电池参数模块；13、电压表；14、电压鉴别模块；15、电流表；16、电流鉴别模块；17、历史记录模块；18、专家体统；19、人机界面；20、专家模块；21、电池故障诊断模块；22、主控制器单元；23、I/O模块四；24、I/O模块二；25、I/O模块一；26、双控开关一；27、双控开关二。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例所述的一种电池管理系统，包括主控制器单元22，所述主控制器单元22上并联有高压DC模块2、通讯总线3、电压鉴别模块14、电池故障诊断模块21、专家模块20、历史记录模块17和电流鉴别模块16，所述的高压DC模块2串联双控开关一26，双控开关一26串联接入快速充电接口7，电池故障诊断模块21串联人机界面19，专家模块20串联专家体统18，电流鉴别模块16串联电流表15，电流表15串联接入快速充电接口7，电压鉴别14串联电压表13，电压表13串联接入快速充电接口7，通讯总线3串联电池参数模块12；I/O模块一25与I/O模块二24和双控开关二27串联、I/O模块三1与I/O模块四23串联后并联接入快速充电接口7的两极；所述电池一6、电池二8、电池n9串联后接入快速充电接口7的两级。所述电池上设有正负两级；电池参数模块12并联有电池监控参数模块一4、均衡充电控制模块一5、电池参数监控n10和均衡充电控制模块n11，电池监控参数模块一4和均衡充电控制模块一5为一组、串联后接入电池一6的一级，电池监控参数模块n10和均衡充电控制模块n11为一组、串联后接入电池n9的另一级，重复n组，n≥1。 

本电池管理系统包括电池参数模块12、电池监控参数模块一4、均衡充电控制模块一5和电池组；电池检测模块包括电池参数监控模块和均衡充电控制模块模块。 

主控制模块22的功能就是用能延长电池寿命的充电方法对电池进行充电，采用正负脉冲充电技术，能增加VRLA电池的充放电次数，延长电池的使用寿命。 

电池管理系统采取总线的分散数据采集和集中数据处理的结构，通过分散在各电池单元的电池管理模块，就近完成对电池当前各种状态，包括当前电池的电压、电流、温度等参数的监测；再通过双向数据线与中央控制器通讯，由中央控制器进行电池组SOC的计算、电池故障诊断、充电控制、电池温度控制等数据处理和电池组控制，该控制模式灵活、参数精确度高、布线少。 

电池充、放电保护系统和温度管理系统是电池智能管理系统所必须的组成部分。在单体电池发生故障的时候，保护系统应该迅速将该电池从电池组中切除。单体电池的过充电、过放电、长期欠充电、过温短路对电池的寿命有很大的影响，故应有一套均衡管理系统来保证在充放电过程中所有单体电池不过充电、不过放电、不欠充电和不过温。电池组参数测量模块及参数采集监视模块包括对单体电池电压、内阻、温度等信息的采集以及根据这些参数来判断电池的状态。通信系统则包括管理系统内部模块之间的相互通信以及管理系统和上位机的通讯。 

充电保护模块采用高频开关电源技术多段脉冲充电，主控制模块22实时调整电电压和电流进行充电。一般充电策略如下： 

保护性充电：当主控制模块22检测到电池组中有一个或多个单体电池的电压低于电池最低保护电压，充电机以一般低充电电流和电压进行保护性充电，此时电池组中所有单体电池电压渐渐上升，当所有电池电压到达或高于电池最低保护电压，充电进入恒流充电。

恒流充电：以一般高充电电流进行恒流充电，此时电池组中所有单体电池电压较快上升，当其中任一单体电池最高电压到达某一预设电压，充电进入均衡充电。 

均衡充电：严格监控每一单体电池电压，实时调节总充电电流和电压，减缓电压已到达预设电压范围的单体电池的充电速度，加快未到达预设电压范围的单体电池的充电速度，使所有单体电池电压先后到达某一预设电压范围，最后所有电池均到达这一预设电压范围，均衡充电完成，充电进入涓流充电。 

均衡电池电压，通过电压均衡充电控制模块系统来达到对电池的长期保养，延长电池组的使用寿命。对铅酸电池具有防止电池硫化，并对硫化有一定的修复功能。每个模块分散并联安装在每节电池上，实现长期在线动态均衡，利用开关电源技术，以能量转移方式将高电压电池的电量转移到低电压电池，电量转移是双向并行进行，即任何一节高电压电池的电量，都可以同时并行转移到任何一节低电压电池，从而达到电池电压均衡。模块工作，一边检测其所连接的电池电压，一边通过均衡线检测其他电池电压，得出电池组平均电压，将电池电压和电池组平均电压比较，如果电池电压高于平均电压，模块内DC/DC电路将电池电量通过均衡线并行传递到其它电压低的电池中，如果电池电压低于平均电压，则由其它电压高的电池通过均衡线向电池充电，实现电压均衡，通过对电池组中的每只电池的电压做精细管理，及时防止并纠正电池过充、欠充、过放现象，对电池时刻进行活化保养维护，从而达到延长电池组使用寿命的目的。 

主控制器单元22采用DSP机实现，通过485总线与电池管理模块、充电机等通讯，同时通过CAN通讯与整车控制网络相连，实现整车管理系统的优化。实时监测单体电池电压、电池组电流、电池温度、电池组总电压，实时估算电池组的SOC，并建立电池信息专家系统，对电池进行故障诊断和报警。 

可以实现以下几个功能： 

(1) 电池组充电控制，根据用户操作和电池组状态，通过电力电子变流装置控制电池组的充电电压和电流，又分为保护性充电、恒流充电、均衡充电等充电模式。

(2)监测电池参数，即实时采集电池组中的每块电池的电压和温度、充放电电流以及电池组电压等参数。 

(3)SOC估算，根据采集到的电池电压、温度、充放电电流，结合电池循环使用情况、电池老化情况、自放电等诸多因素，估算电池组的剩余电量(SOC)，并根据车辆当前行驶工况，预测车辆续驶里程。 

(4)单体电池均衡管理：在充放电过程中，均衡电池组中各单体电池的电压、电量，提高电池组的均衡性，可以明显提高电池组的能量利用率，延长电池组寿命。 

(5) 电池故障诊断，根据测得的电池电压、温度、电流等参数对电池组中品质下降的电池做出提前预测和报警，以保证电池正常工作，延长电池的使用寿命。 

(6) 电池的保护：包括过压保护、欠压保护、过流保护、短路保护、温度保护、下限自锁电路等。 

(7)热管理：通过风扇等冷却系统和热电阻加热装置使电池组的环境温度处于正常范围内。 

(8)专家系统功能：建立每块电池的使用历史档案，根据这些历史档案给出每个电池的健康状态及维护信息，为进一步优化和开发电池管理系统、新型电池、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。 

(9)通讯功能：电池管理系统通过通讯接口与整车控制系统，如电机驱动控制系统、车载服务系统、人机界面等集成在一起；同时提供与地面充电站的通讯接口。 

SOC估算方法：提出了一种基于AH定律、Peukert方程、温度修正、SOH以及开路电压的SOC估算方法。在电池充满电后，SOH即代表了电池的初始容量，若机车停止行驶达数小时之后，则可以用电池的开路电压准确地反映电池的初始容量，此外，开路电压可以对AH法随时间积累的误差得到修正。同样，机车在启动和行驶过程中，放电电流会有较大的变化，利用Peukert方程能够对放电电流进行修正，温度修正能补偿环境温度的影响。 

其中，

代表在标准温度下，以标准电流放电放出的电量与以不同放电倍率放电放出的电量之比，采用多套Peukert方程参数，对不同放电倍率下的

值不断进行修正。

代表温度修正系数，可通过厂家数据或实验得到。 

还可以采用完全放电法，也称为定义法来定期测量SOH，即将完全满充的电池在标准条件下以标准电流进行放电，电池可释放电量与标称容量相比即可得到SOH。 

综合考虑电池组的寿命、均衡性，电池组的荷电状态为： 

其中电池组的均衡性

，定义为：

为了保证电池剩余电量的准确估算以及即时地预测电池组的故障，必须对电池组中的每一节电池的端电压、极柱温度作即时、准确的测量，系统采用分布式测控系统来完成这部分功能。在每节电池上安装有电池检测模块。每个模块以单片机为核心构成分布式测控系统的一个工作节点，以主监控板上的单片机芯片作为分布式测控系统的核心。检测模块通过传感器测量电池极柱温度、电池工作电压，然后将数据通过通讯总线上传。

电池管理系统将所测得的电池电压、温度、电流等参数送入专家诊断程序中处理，有专家诊断程序对电池组中品质下降的电池做出提前预测，通过显示模块报警。 

主控CPU，将由分布式节点测量得到的电池电压、温度数据，以及测得到电流数据送入专家系统处理程序，然后采用多参数输入(电池电流、累积安时数、平均温度、累积使用时间)综合智能补偿算法得出系统当前的SOC。 

主控制模块22根据检测到的电池和电动车参数，控制电池组的充放电过程。保证电池的安全快速充电，防止电池的过充电和过放电。 

在每个电池检测模块上都有均衡充电电路，根据模块控制器所接到的主控制CPU的指令利用模块中的均衡电路，将端电压高或电量高的电池的部分能量转移给其他电池。从而达到串联电池组的自动均衡。 

主控制单元22通过CAN与电动汽车整车控制网络融合，包括电机驱动控制系统、车载服务系统、烟雾检测系统等来实现整车的综合管理；同时，提供与地面充电站的CAN通讯接口，实现电动汽车的地面充电。 

安全开关作为主控制单元22的一个重要控制输出，当电池出现严重问题时，通过断开此开关，切断电池组与负载，保证电池与整车的安全。由于电池的使用过程是一个连续长期的过程，它是由多次充放电组成的，使用EEPROM可擦除可编程存储器，可以将每次的充放电数据记录在其中，可以在电池整个生命周期内对电池状态进行分析。 

本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种电池管理系统，包括主控制器单元（22），其特征在于：所述主控制器单元（22）上并联有高压DC模块（2）、通讯总线（3）、电压鉴别模块（14）、电池故障诊断模块（21）、专家模块（20）、历史记录模块（17）和电流鉴别模块（16），高压DC模块（2）串联双控开关一（26），双控开关一（26）串联接入快速充电接口（7），电池故障诊断模块（21）串联人机界面（19），专家模块（20）串联专家体统（18），电流鉴别模块（16）串联电流表（15），电流表（15）串联接入快速充电接口（7），电压鉴别（14）串联电压表（13），电压表（13）串联接入快速充电接口（7），通讯总线（3）串联电池参数模块（12）；I/O模块一（25）与I/O模块二（24）和双控开关二（27）串联、I/O模块三（1）与I/O模块四（23）串联后并联接入快速充电接口（7）的两极；所述电池一（6）、电池二（8）、电池n（9）串联后接入快速充电接口（7）的两级。

2.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于：所述电池上设有正负两级；电池参数模块（12）并联有电池监控参数模块一（4）、均衡充电控制模块一（5）、电池参数监控n（10）和均衡充电控制模块n（11），电池监控参数模块一（4）和均衡充电控制模块一（5）为一组、串联后接入电池一（6）的一级，电池监控参数模块n（10）和均衡充电控制模块n（11）为一组、串联后接入电池n（9）的另一级。

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