CN203800651U - 电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其包括供电电池组、电池电压温度监测单元、电流监测单元、动态均衡单元、主机单元、上位机、串口液晶模块和接触保护器；动态均衡单元包括双向功率开关和功率器件驱动模块；主机单元通过多路分配器连接功率器件驱动模块并分别连接上位机和串口液晶模块。本实用新型结构设计简单、合理，能实现能量均衡、电压监控与电池管理及保护等功能，均衡效率高。

Description

电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统

技术领域

本实用新型涉及电动汽车技术领域，尤其涉及电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统。

背景技术

电动汽车的研发成功是解决能源危机和环境污染的最佳方案之一，然而，传统动力电池存在电池组寿命短、充放电速度慢、甚至在剧烈碰撞下可能引起爆炸等问题。因此新型锂离子电池——磷酸铁锂电池应运而生，但是，磷酸铁锂电池串联使用中的不均衡现象大大的限制了其发展，解决电池组中各电池单体的不均衡问题，对电池组能量实现均衡控制，避免电池组进行恶性循环，以此提升电池组整体使用寿命，是电动汽车推广应用的首要任务。

发明内容

本实用新型是为了解决现有电动汽车的磷酸铁锂电池串联使用中易出现不均衡现象，电池组能量难以实现均衡控制，影响电池组整体使用寿命等问题而提出一种结构设计简单、合理，能有效实现电池充电过程的能量均衡、电压监控与电池管理以及保护等功能，均衡效率高的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

上述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，包括供电电池组；所述供电电池组为由若干单体电池箱通过电缆线串接而成的磷酸铁锂电池组；所述供电电池组连接有充放电口；所述控制系统还包括电池电压温度监测单元、电流监测单元、动态均衡单元、主机单元、上位机和串口液晶模块；所述动态均衡单元包括并联于所述供电电池组两端的双向功率开关及与所述双向功率开关连接的功率器件驱动模块；所述供电电池组和充放电口之间还连接有接触保护器；所述接触保护器还与所述主机单元连接；所述主机单元通过多路分配器连接所述功率器件驱动模块，同时还分别通过RS232接口连接所述上位机和串口液晶模块。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述电池电压温度监测单元连接于所述供电电池组和主机单元之间，其包括电压监测模块、电压采集模块和温度传感器；所述电压监测模块的信号输入端分别通过所述温度传感器和电压采集模块与所述供电电池组电连接；所述电压监测模块的通信输出端通过CAN总线连接所述主机单元。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述电压采集模块由电压采集电路组成，其包括电压采集芯片U5以及与所述电压采集芯片U5连接的数字隔离芯片U4；所述电压采集芯片U5通过电压采集端口连接所述供电电池组，同时连接有多个工作模式选择端；所述电压采集芯片U5的电压采集端口通过电容接地，且与所述供电电池组的单个电池之间串接有电阻。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述电流监测单元连接于所述供电电池组和主机单元之间，其包括电流监测模块和电流采集模块；所述电流监测模块的信号输入端通过所述电流采集模块连接所述供电电池组，信号输出端通过高速同步串行口与所述主机单元连接。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述电流采集模块由电流采集电路组成，所述电流采集电路包括电流传感器SEN1、电压跟随器U2以及电流采集芯片U1；所述电压跟随器U2与所述电流采集芯片U1连接，同时还与所述电流传感器SEN1的输出端连接；所述电流传感器SEN1采用闭环霍尔式电流传感器，其输出端与地之间串联有电阻R22。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述动态均衡单元由动态均衡电路组成，所述动态均衡电路由储能电感L、功率MOS管Q和续流二极管D连接组成；所述功率MOS管Q为N沟道功率MOS管Q，其漏极D和源极S分别通过所述储能电感L连接至所述供电电池组的单个电池的正负两极；所述续流二极管D的阳极端连接至功率MOS管Q的源极S，阴极端连接至功率MOS管Q的漏极D。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述CAN总线上设有多个CAN接口；所述电压监测模块的信号输出端与所述CAN接口双向通信连接；所述主机单元也与所述CAN接口双向通信连接。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述温度传感器采用可串联工作且具有单总线工作模式的温度传感器。

所述电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其中：所述上位机接受由所述主机单元通过RS232接口传来的信息并进行显示。

有益效果：

本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统结构设计简单、合理，其能较好地实现磷酸铁锂电池充电过程的能量均衡、电压监控与电池管理以及保护等功能， 同时，电压采集、电流采集以及温度采集的精度较高，能为磷酸铁锂电池组能量均衡提供可靠的依据；结构相比其他均衡结构具有结构简单、模块化强，均衡效率高，能量损耗小的特点；能够可靠的完成磷酸铁锂电池的充电过程的能量均衡，保护完善，功能齐全，具有良好的人机交互界面，适于推广与应用。

附图说明

图1为本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统的结构图；

图2为本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统的控制电路图；

图3为本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统的电压采集模块的电压采集电路图；

图4为本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统的电流采集模块的电流采集电路图；

图5本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统的动态均衡单元的均衡电路图。

具体实施方式

如图1至5所示，本实用新型电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，包括供电电池组1、电池电压温度监测单元2、该电流监测单元3、动态均衡单元4、主机单元5、上位机6、接触保护器7、充放电口8和多路分配器9。

供电电池组1为磷酸铁锂电池组，其是由若干单体电池箱通过电缆线串接而成，其分别与电池电压温度监测单元2和动态均衡单元4电连接，其与充放电口8电连接，接触保护器7连接于供电电池组1与充放电口8之间。本实施例中供电电池组1具有16节；其中，单体电池规格为LAF10-1565148型磷酸铁锂电池，10Ah,电池电压3.2V，终止放电电压2V，终止充电电压3.65V。

电池电压温度监测单元2连接于供电电池组1与主机单元5之间；该电池监测电压温度单元2包括电压监测模块21、电压采集模块22和温度传感器23。

该电压监测模块21的信号输入端分别通过温度传感器23及电压采集模块22与供电电池组1电连接；该电压监测模块21的信号输出端与CAN总线上的CAN接口双向通信连接。其中，该电压监测模块21是通过温度传感器23及电压采集模块22实时监测采集供电电池组1的温度信号和电压信号，并将供电电池组1的温度信号和电压信号再通过CAN总线输送至主机单元5。本实施例中该电压监测模块21采用的是XC878单片机。

如图3所示，该电压采集模块22由电压采集电路组成，其包括电压采集芯片U5和数据隔离芯片U4；电压采集芯片U5通过电压采集端口连接供电电池组1，其中，电压采集芯片U5的电压采集端口与供电电池组1中的单个电池之间串接有电阻并通过电容接地。本实施例中该供电电池组1由八节单电池串接而成，该电压采集芯片U5通过电压采集端口C1~C8分别对应连接供电电池组1的单个电池CEEL1~CEEL8；其中，该电压采集端口C1与电池CEEL1之间串接有电阻R20并通过电容C25接地，该电压采集端口C2与电池CEEL2之间串接有电阻R18并通过电容C24接地，该电压采集端口C3与电池CEEL3之间串接有电阻R15并通过电容C23接地，该电压采集端口C4与电池CEEL4之间串接有电阻R10并通过电容C19接地，该电压采集端口C5与电池CEEL5之间串接有电阻R6并通过电容C17接地，该电压采集端口C6与电池CEEL6之间串接有电阻R5并通过电容C16接地，该电压采集端口C7与电池CEEL7之间串接有电阻R4并通过电容C15接地，该电压采集端口C8与电池CEEL8之间串接有电阻R3并通过电容C14接地；同时，该电压采集芯片U5还包括电压采集端口C9~C12和正极电压端口V+，该电压采集端口C9通过电阻R16连接至电池CEEL8，该电压采集端口C10通过电阻R14也连接至电池CEEL8，该电压采集端口C11通过电阻R11也连接至电池CEEL8，该电压采集端口C12通过电阻R7也连接至电池CEEL8；该电压采集芯片U5的正极电压端口V+连接至电池CEEL8。

电压采集芯片U5通过端口CSBI连接数据隔离芯片U4的端口VOA，通过端口SDO连接数据隔离芯片U4的端口VID，通过端口SDI连接数据隔离芯片U4的端口VOB，通过端口SCKI连接数据隔离芯片U4的VOC端口；其中，该电压采集芯片U5的端口VREG通过电容C20接地，该电压采集芯片U5的端口VREF通过电容C21也接地，该电压采集芯片U5的端口NC接地。

电压采集芯片U5还连接有多个工作模式选择端，本实施例中电压采集芯片U5分别连接有工作模式选择端P3、工作模式选择端P5、工作模式选择端P6和工作模式选择端P7；其中，该电压采集电路的连接端口P2连接到供电电池组1的各个单体电池电极上。该工作模式选择端P3、P5、P6和P7的1号端子彼此相连且连接至电压采集芯片U5的负极电压端口V﹣；该工作模式选择端P3的2号端子连接至电压采集芯片U5的端口VMDDE，3号端子连接有电阻R9；该电阻R9连接至该电压采集芯片U5的端口VREF且还通过电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口SOD。该工作模式选择端P5的2号端子连接至电压采集芯片U5的端口WDTB，3号端子通过电阻R17连接至该电压采集芯片U5的端口VREF且还通过电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口SOD。该工作模式选择端P6的2号端子连接至电压采集芯片U5的端口MMB，3号端子通过电阻R19连接至该电压采集芯片U5的端口VREF且还通过电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口SOD。该工作模式选择端P7的2号端子连接至电压采集芯片U5的端口TOS，3号端子通过电阻R21连接至该电压采集芯片U5的端口VREF且还通过电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口SOD。数据隔离芯片U4的端口VDD1接+5V电源，端口VDD2接电压采集芯片U5的VREG端口，端口GND1接一个地，端口GND2接另一个地，同时，端口GND2还与电压采集芯片U5的负极电压端口V﹣连接在一起。

该温度传感器23采用可串联工作的具有单总线工作模式的DS18B20温度传感器。本实施例中该电压监测模块21串联有8个DS18B20温度传感器，该8个DS18B20温度传感器分别采集8节电池，同时分别采用独立供电方式。本实施例中该电压监测模块22是由XC878单片机组成；该电压采集模块22由LTC6802-1芯片组成，该LTC6802-1芯片内置有一个12位模数转换器ADC、一个精准电压基准及一个高电压输入复用器和一个串行接口。每个LTC6802-1芯片能够测量12节串接电池的电压，所有12个输入通道上的电压测量都能在13ms的时间内完成，本实施例中单个电压采集模块22采集8节电池。

该电流监测单元3连接于供电电池组1和主机单元5之间，其包括电流监测模块31和电流采集模块32；其中，该电流监测模块31信号输入端通过电流采集模块32连接供电电池组1，信号输出端通过高速同步串行口（SPI）与主机单元5连接。

如图4所示，该电流采集模块32由电流采集电路组成，该电流采集电路包括电流采集芯片U1、电压跟随器U2以及电流传感器SEN1；其中，该电流采集芯片U1具有引脚CS、引脚DIN、引脚DGND、引脚AGND、引脚REFIN/OUT、引脚Vss、引脚Vin  0、引脚Vin  1、引脚Vin  2、引脚Vin  3、引脚VDD、引脚VCC、引脚Vdriv、引脚Dout、引脚DGND和引脚SCLK；其中，该电流采集芯片U1是通过引脚Vin  0连接电压跟随器U2，通过引脚Vin  1接地AGND，通过引脚Vin  2以及引脚Vin  3接另一地AGND，该引脚Vin  2和引脚Vin  3是连在一起的；该引脚VDD和引脚Vdriv相连并一起接+5V电源VCC。该电压跟随器U2具有引脚1OUT、引脚1IN-、引脚1IN+、引脚Vcc-、引脚Vcc+、引脚2OUT、引脚2IN-和引脚2IN+；其中，该引脚1OUT和引脚1IN-彼此相连并一起连接至该电流采集芯片U1的引脚Vin  0；该电压跟随器U2还通过引脚1IN+连接电流传感器SEN1，通过引脚Vcc+连接+12V电源VCC。电流传感器SEN1的正极连接于+12V电源，负极连接-12V电源，同时，该电流传感器SEN1通过端子M连接该电压跟随器U2的引脚1IN+，其中，在该电流传感器SEN1的电流测量输出端口M与电压跟随器U2的引脚1IN+的连接点与地AGND之间还串联有电阻R22；该电流传感器SEN1还具有端子NC。该电压跟随器U2的电源滤波电路由电容C1、电容C2、电容C5和电容C6连接组成，其中，该电容C1和电容C2并联后连接于+12V电源VCC与地AGND之间；电容C5和电容C6并联后连接于-12V电源VCC与地AGND之间。本实施例中该电流传感器SEN1采用的是闭环霍尔式电流传感器，将电流传感器SEN1的输出端与AGND之间接入电阻R22可将电流小信号变为电压信号；为了实现阻抗匹配，电流传感器与电流采集芯片U1之间加入电压跟随器U2，由于电池充放电电流流向不一样，因此电压值有正负之分，需要选用可采集正负电压的模数转换器ADC；该电流采集模块32选用12Bit精度的AD7324芯片，输入电压经过必要的滤波后送入AD7324芯片采集，AD7324芯片再与主机单元5连接通信，为了保证小电流时采集的精确度，可采用平滑滤波和中值滤波算法来对采集到的电压值调理校正。将与供电电池组1正极连接的主线缆穿过电流传感器SEN1的测量孔，当有电流通过时，在电流传感器SEN1的测量输出端口M就有与线缆中电流成比例的电信号输出，该电信号通过电压跟随器U2阻抗匹配后进入电流采集芯片U1，电流采集芯片U1将模拟的电信号转换成数字信号后经由高速同步串行口（SPI）送给主机单元5。

动态均衡单元4连接于供电电池组1与多路分配器9之间，该动态均衡单元4由动态均衡电路组成，其包括双向功率开关41及与双向功率开关41连接的功率器件驱动模块42；其中，双向功率开关41即为功率MOS管Q，其并联于供电电池组1的两端，功率器件驱动模块42通过导体与多路分配器9连接。

如图5所示，该动态均衡电路由储能电感L、功率MOS管Q和续流二极管D连接组成；功率MOS管Q为N沟道功率MOS管Q，其漏极D通过储能电感L连接至供电电池组1的单个电池的正极，源极S通过另一储能电感L连接至供电电池组1的单个电池的负极；续流二极管D的阳极端连接至功率MOS管Q的源极S，阴极端连接至功率MOS管Q的漏极D，当功率MOS管Q导通时与储能电感L串联；其中，储能电感L在控制系统均衡前没有电流，即电感上没能量，控制系统开始均衡后，最大电流出现在最顶端和最底端的电池均衡回路上，考虑到电感的体积和抗饱和特性，储能电感L采用铁氧体，即高频功率贴片电感。

主机单元5与CAN总线上的CAN接口双向通信连接，同时与接触保护器7连接，其中，主机单元5还分别通过RS232接口连接上位机6和串口液晶模块。本实施例中该主机单元5由XE164单片机组成，主要完成与电池电压温度监测单元2的CAN通信，读取电压和温度数据，并对需要均衡的电池进行均衡。

上位机6与主机单元5连接，可以将接受到的数据保存并分析。同时，串口液晶模块也与主机单元5连接，即可接受并显示由主机单元5通过RS232接口传来的信息，同时具有用户设置功能。

其中，如图2所示，该XE164单片机具有串口、CAN端口、I/O接口、PWM控制电路及电源管理模块；其中，该XE164单片机通过CAN端口连接XC878单片机，通过串口连接串口液晶模块；该XC878单片机通过温度传感器23和电压采集模块22连接供电电池组1；该XE164单片机通过I/O接口连接芯片AD7324并通过芯片AD7324连接至供电电池组1；该XE164单片机通过均衡电路连接至供电电池组1；该XE164单片机的PWM控制电路连接均衡电路；该XE164单片机通过电源管理模块连接辅助电源组。

本实用新型结构设计合理，具有较高的电压采集、电流采集以及温度采集精度，能为磷酸铁锂电池组能量均衡提供可靠的依据；结构相比其他均衡结构具有结构简单、模块化强，均衡效率高，能量损耗小的特点；能够可靠的完成磷酸铁锂电池的充电过程的能量均衡，保护完善，功能齐全，具有良好的人机交互界面，适于推广与应用。

Claims (9)

1.一种电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，包括供电电池组；所述供电电池组为由若干单体电池箱通过电缆线串接而成的磷酸铁锂电池组；所述供电电池组连接有充放电口；其特征在于：所述控制系统还包括电池电压温度监测单元、电流监测单元、动态均衡单元、主机单元、上位机和串口液晶模块； 

所述动态均衡单元包括并联于所述供电电池组两端的双向功率开关及与所述双向功率开关连接的功率器件驱动模块； 

所述供电电池组和充放电口之间还连接有接触保护器；所述接触保护器还与所述主机单元连接； 

所述主机单元通过多路分配器连接所述功率器件驱动模块，同时还分别通过RS232接口连接所述上位机和串口液晶模块。 

2.如权利要求1所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电池电压温度监测单元连接于所述供电电池组和主机单元之间，其包括电压监测模块、电压采集模块和温度传感器；所述电压监测模块的信号输入端分别通过所述温度传感器和电压采集模块与所述供电电池组电连接；所述电压监测模块的通信输出端通过CAN总线连接所述主机单元。 

3.如权利要求2所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电压采集模块由电压采集电路组成，其包括电压采集芯片U5以及与所述电压采集芯片U5连接的数字隔离芯片U4； 

所述电压采集芯片U5通过电压采集端口连接所述供电电池组，同时连接有多个工作模式选择端； 

所述电压采集芯片U5的电压采集端口通过电容接地，且与所述供电电池组的单个电池之间串接有电阻。 

4.如权利要求1所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电流监测单元连接于所述供电电池组和主机单元之间，其包括电流监测模块和电流采集模块；所述电流监测模块的信号输入端通过所述电流采集模块连接所述供电电池组，信号输出端通过高速同步串行口与所述主机单元连接。 

5.如权利要求4所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电流采集模块由电流采集电路组成，所述电流采集电路包括电流传感器SEN1、电压跟随器U2以及电流采集芯片U1； 

所述电压跟随器U2与所述电流采集芯片U1连接，同时还与所述电流传感器SEN1的输出端连接；所述电流传感器SEN1采用闭环霍尔式电流传感器，其输出端与地之间串联有电阻R22。 

6.如权利要求1至5任一所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述动态均衡单元由动态均衡电路组成，所述动态均衡电路由储能电感L、功率MOS管Q和续流二极管D连接组成； 

所述功率MOS管Q为N沟道功率MOS管Q，其漏极D和源极S分别通过所述储能电感L连接至所述供电电池组的单个电池的正负两极； 

所述续流二极管D的阳极端连接至功率MOS管Q的源极S，阴极端连接至功率MOS管Q的漏极D。 

7.如权利要求2所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述CAN总线上设有多个CAN接口； 

所述电压监测模块的信号输出端与所述CAN接口双向通信连接； 

所述主机单元也与所述CAN接口双向通信连接。 

8.如权利要求2所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述温度传感器采用可串联工作且具有单总线工作模式的温度传感器。 

9.如权利要求1至5任一所述的电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述上位机接受由所述主机单元通过RS232接口传来的信息并进行显示。