CN206742907U - 一种全智能化钛酸锂电池组管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于钛酸锂电池控制系统技术领域，具体涉及一种全智能化钛酸锂电池组管理系统。本实用新型由充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块组成，充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块分别与微处理器连接，若干个数据采集模块分别与对应的若干个钛酸锂电池模块连接。本实用新型所述系统结构简单、实现方便，可对钛酸锂电池组在工作过程中的各种工作状态参数进行自动检测收集，并将收集的信息传输至后方控制电脑，工作人员可通过后方电脑及时了解钛酸锂电池组当前工作状态，当钛酸锂电池组出现异常时可及时调整，实现对钛酸锂电池组监控管理。

Description

一种全智能化钛酸锂电池组管理系统

技术领域

本实用新型属于钛酸锂电池控制系统技术领域，具体涉及一种全智能化钛酸锂电池组管理系统。

背景技术

大容量动力锂电池的发展，越来越多的传统蓄电池开始被替代。这种电池具有可循环次数高，单节电压在3.2V左右，稳定性能好，环保，可以大电流充放电，容量高等优点，是目前最具发展潜力的动力型电池，然而这种电池组合使用却具有其特点，由于大量的单节锂电池组合在一块，对电池的一致性要求远远要高于单节或几节使用的情况，这是由于在连续的充放电循环中将使某些单体电池的容量和内阻发生变化，这种变化将会导致电池组的整体性能下降，主要表现为电池组容量的降低，使用寿命缩短。具体表现为充电过程中会有某些电池欠充或者过充，放电过程中某些电池过放等现象，这在电池应用中是不被允许的，另外还应在电池工作过程中时刻监测电池的运行状况，对电池组进行过电压、欠电压、过电流、短路、过温度、低温度、低容量等故障保护。实现电池组的状态监控、容量估算及均衡控制，必然需要良好的电池组管理系统，使电池组能够在安全、稳定的环境下发挥其最优效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种全智能化钛酸锂电池组管理系统。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，由充电管理模块1、数据采集模块2、均衡模块3、数据显示模块4和存储通信模块5组成，充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块分别与微处理器6连接，若干个数据采集模块分别与对应的若干个钛酸锂电池模块7连接，所述的数据采集模块包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路的输入端分别与钛酸锂电池模块连接，电压采样电路8、电流采样电路9和温度采样电路10的输出端分别与微处理器连接。

所述的微处理器是LPC932单片机，电压采样电路由P型MOSFET管和运算放大器组成，运算放大器的正向输入端和反向输入端分别连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的负极电压，第二电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的正极电压，运算放大器的电源端分别连接+5V电压和接地端，运算放大器的输出端与P型MOSFET管的栅极连接；P型MOSFET管的漏极与运算放大器的反向输入端连接，P型MOSFET管的源极连接第三电阻和电压输出端，第三电阻的另一端接地。

所述的电流采样电路为闭环电流传感器LTSR25-NP，电流采样电路的两个电源端分别接0V和5V电压，两个输入端分别连接第n节钛酸锂电池的正极和负极，电流采样电路的输出端经A/D转换电路与微处理器连接。

所述的温度采样电路包括数字温度传感器DS18B20和第四电阻，所述的数字温度传感器 DS18B20的两个电压端分别接+5V电压和接地端，数字温度传感器DS18B20的输出端分别与第四电阻和微处理器连接。

所述的均衡模块包括组间均衡控制模块、组内均衡控制模块、组内能量转移模块和组间能量转移模块，组内能量转移模块通过组内母线与各个钛酸锂电池模块连接，组内母线与各个钛酸锂电池模块之间设置有组内开关；组内均衡控制模块与各个组内开关连接，控制各个组内开关的断开和闭合；组间能量转移模块通过组间母线与各个钛酸锂电池组的组内母线连接，各个组内母线与组间母线之间设置有组间开关，组间均衡控制模块与各个组间开关连接，控制各个组间开关的断开和闭合。

所述的充电管理模块根据微处理器的指令为钛酸锂电池模块充电；钛酸锂电池模块经一低压差线性稳压IC为所述微处理器供电。

所述的钛酸锂电池模块采用串并联方式连接。

所述的A/D转换电路包括模拟开关，连接该模拟开关的积分电路，以及连接该积分电路的比较器，该比较器连接有I/O口，还包括连接至模拟开关的放大电路和基准电压，同时，有一反馈桥路作用于该放大电路，有一限位二极管作用于该积分电路；有一保护二极管作用于该比较器。

还包括热管理模块11，具体包括加热系统和冷却系统，加热系统包括电加热薄膜和电源，电加热薄膜设于相邻钛酸锂电池模块之间，电源给电加热薄膜供电；冷却系统包括冷却水、循环液体流道和水泵，循环液体流道设于相邻钛酸锂电池模块之间；安装于钛酸锂电池模块内的多个温度传感器与中央处理器连接；每个电加热薄膜与电源之间均设有开关，每个开关均与均衡控制模块的组内均衡控制模块单独连接；所述循环液体流道呈片状结构的微通道平行体，在微通道平行体内部设有多个相互独立的管道；每个循环液体流道上均安装有阀门，每个阀门均与均衡控制模块的组内均衡控制模块单独连接；所述每个循环液体流道内的冷却水采用流向相同设置或者采用流向不同设置或者采用两者的混合；所述冷却水存储于自备水箱内，水泵用于抽取水箱内的冷却水，冷却水沿循环液体流道流动。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型所述系统结构简单、实现方便，可对钛酸锂电池组在工作过程中的各种工作状态参数进行自动检测收集，并将收集的信息传输至后方控制电脑，工作人员可通过后方电脑及时了解钛酸锂电池组当前工作状态，当钛酸锂电池组出现异常时可及时调整，实现对钛酸锂电池组的监控管理，尤其当钛酸锂电池组应用在通讯基站、储备电源、应急电源、军工设备等领域为大型设备供电时，能够及时有效保障用电设备的正常供电。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

钛酸锂电池智能管理系统主要由充电管理模块、数据采集模块包括电压、电流、温度数据采集、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如图1所示。

充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块分别与微处理器连接，若干个数据采集模块分别与对应的若干个钛酸锂电池模块连接，所述的数据采集模块包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路的输入端分别与钛酸锂电池模块连接，电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路的输出端分别与微处理器连接。其中数据采集模块负责采集钛酸锂电池的各种状态参数，如电流、电压、温度充电管理模块按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电，并根据采集的数据对充放电过程进行控制，均衡模块作用就是使钛酸锂电池组中的各单体钛酸锂电池均衡一致数据显示单元采用液晶显示屏，可显示各节钛酸锂电池电压，充放电电流，剩余电量，钛酸锂电池温度和充电时间存储通信单元通过存储芯片定时把充放电信息电压，电流，充放电时间等存储起来，可通过串口与电脑通信，在电脑上显示充放电信息。

所述的微处理器是LPC932单片机，电压采样电路由P型MOSFET管和运算放大器组成，运算放大器的正向输入端和反向输入端分别连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的负极电压，第二电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的正极电压，运算放大器的电源端分别连接+5V电压和接地端，运算放大器的输出端与P型MOSFET管的栅极连接；P型MOSFET管的漏极与运算放大器的反向输入端连接，P型MOSFET管的源极连接第三电阻和电压输出端，第三电阻的另一端接地。

微处理器是整个硬件电路的核心，它的选择直接影响整个系统的工作性能。目前，单片机的发展应用趋于多样化，主要可分为8位机和16位机两种，其中8位机占主流。为减小仪器的体积和重量，降低功耗，采用LPC932单片机，它具有编程语言简单、可移植性较好、表达能力较强、表达方式较灵活、便于结构优化设计、便于使用等诸多的优点。总之，只要充分利用单片机的片内资源，就能用较少的外围电路而构成功能完善的系统，特别适合低成本、小型化、低功耗系统的使用。

电压采样电路主要由P型MOSFET管和运算放大器组成，外围电路只需3个电阻即可。电路刚开始工作时，运放的反向输入端电压大于正向输入端电压，则运放输出为低电平，从而使管源极和栅极的电压差大于开启电压，管导通，运放反向输入端电压因电阻的分压下降，使运放的正向输入端的电压高于反向输入端，则运放的输出电压上升，达到平衡后，运放的正向输入端的电压和反向输入的电压相等。该结构具有电源工作电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点。

所述的电流采样电路为闭环电流传感器LTSR25-NP，电流采样电路的两个电源端分别接 0V和5V电压，两个输入端分别连接第n节钛酸锂电池的正极和负极，电流采样电路的输出端经A/D转换电路与微处理器连接。

该传感器具有线性度良好、精度高和反应时间迅速等优点。其额定电流为25A，最高可测的电流80A，满足系统大电流设计的要求。电流传感器可把充放电电流转为0一5V的电压信号，经过A/D转换送至单片机可测得充放电电流。

所述的A/D转换电路包括模拟开关，连接该模拟开关的积分电路，以及连接该积分电路的比较器，该比较器连接有I/O口，还包括连接至模拟开关的放大电路和基准电压，同时，有一反馈桥路作用于该放大电路，有一限位二极管作用于该积分电路；有一保护二极管作用于该比较器。对于精确度较高，且转换速度较快。本发明的A/D转换电路使用反馈桥路修正模拟量放大所带来的误差，通过修正提高采样的准确度和精度；使用钳位二极管对积分电路进行钳位后减少下一次充放电时间，从而提高AD转换效率；使用保护二极管后限制了比较器输入I/O口的电压，从而更好的保护了I/O口，提高了A/D转换电路的使用寿命。

所述的温度采样电路包括数字温度传感器DS18B20和第四电阻，所述的数字温度传感器 DS18B20的两个电压端分别接+5V电压和接地端，数字温度传感器DS18B20的输出端分别与四电阻和微处理器连接。本结构具有测温系统简单、连接方便、高测温精度、占用口线较少等优点，便于扩展和维护。钛酸锂电池温度是判断钛酸锂电池能否正常使用和系统估算钛酸锂电池的的关键性参数，温度不但影响钛酸锂电池的充电效率，而且如果钛酸锂电池的温度超过一定值，有可能造成钛酸锂电池的不可恢复性破坏。钛酸锂电池组之间的温度差异也会造成钛酸锂电池之间的不均衡，从而可能会降低钛酸锂电池寿命的。

本钛酸锂电池管理系统中温度检测采用的是三端单片结构，无需外加A/D转换电路即可输出一位的数字量。采用单总线协议通信，通过一条数据线即可完成对的各种操作，同时该数据线还可兼做电源线，即具有寄生电源模式。因为每个都含有唯一的序列码，所以每条总线上可同时连接许多个。这使得连线较为简单，系统设计灵活，适合于多种形式的测温系统，特别是与单片机合用构成的温度检测与控制系统。

所述的均衡模块包括组间均衡控制模块、组内均衡控制模块、组内能量转移模块和组间能量转移模块，组内能量转移模块通过组内母线与各个钛酸锂电池模块连接，组内母线与各个钛酸锂电池模块之间设置有组内开关；组内均衡控制模块与各个组内开关连接，控制各个组内开关的断开和闭合；组间能量转移模块通过组间母线与各个钛酸锂电池组的组内母线连接，各个组内母线与组间母线之间设置有组间开关，组间均衡控制模块与各个组间开关连接，控制各个组间开关的断开和闭合。均衡管理模块，一般动力钛酸锂电池都是由成百上千个钛酸锂电池组成的，每个钛酸锂电池在生产过程因为材料和生产工艺的影响会存在差异性，在使用的过程中工作环境的不同也会造成差异性。长时间使用后，由于材料的老化和环境的影响，这种差异会越来越大。这会影响整体钛酸锂电池组的工作效率和使用寿命。放电时，当某个钛酸锂电池达到放电最低值时，即使其他钛酸锂电池还可以继续放电，放电也必须停止。反之，充电的时候，当某个钛酸锂电池电压已经达到电压最大值，即使其他钛酸锂电池还没有充满，充电也必须停止。由于放电是以电压最低的那个钛酸锂电池为标准，充电是以电压最高的钛酸锂电池为标准。如果它们之间差异太大就会造成工作效率很低，因此需要进行钛酸锂电池均衡控制，使钛酸锂电池之间的差异尽量小。目前锂离子钛酸锂电池常用的均衡方法是利用电阻进行放电和电容进行能量转移。

所述的充电管理模块根据微处理器的指令为钛酸锂电池模块充电；钛酸锂电池模块经一低压差线性稳压IC为所述微处理器供电。

充电管理模块，为了防止过充，锂钛酸锂电池要分阶段进行充电，一般分为4个阶段：

1)涓流充电，涓流充电主要是针对那些电量完全放完的钛酸锂电池，一般电压低于3V就认为钛酸锂电池已经放完电了，需要进行涓流充电对钛酸锂电池预充电，涓流充电是以0.1A 的恒流进行充电。

2)恒流充电，当钛酸锂电池电压达到恒流充电的限值时，就可以增大电流从涓流充电切换到恒流充电状态，一般恒流充电的电流在0.2～2A之间，这是快速充电阶段。

3)恒压充电，当钛酸锂电池电压继续增大达到恒压充电的限值时就切换到恒压充电，这个时候钛酸锂电池差不多已经充满，为了不损害钛酸锂电池的性能，保存恒压充电，随着钛酸锂电池电压的升高充电电流逐渐减小。

4)充电终止，在恒压充电的后期，电流越来越小，直到电流为零，就可以认为钛酸锂电池已经充满电，充电就此结束。

所述的钛酸锂电池模块采用串并联方式连接。钛酸锂电池工作时，需要对钛酸锂电池运行时的一些状态参数进行监测和传递。一方面各钛酸锂电池组之间需要进行数据通信，从而传递各钛酸锂电池组的电压信息和容量信息，以保证他们之间不会有太大的差异性。另一方面需要把信息上传到到BMS的主控芯片，主控芯片根据收到的信息为其他控制模块提供他们所需的数据，如传输SOC相关数据给控制器，把钛酸锂电池的状态信息传递给远程监控模块，并上传到监控中心。同时BMS也接收其他模块发送过来的信息，然后根据这些信息制定出合理的钛酸锂电池控制策略。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。同时对于本专利中未解释的结构，由于上述结构都是本领域的公知技术，因此在此省略。

Claims (9)

1.一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，由充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块组成，充电管理模块、数据采集模块、均衡模块、数据显示模块和存储通信模块分别与微处理器连接，若干个数据采集模块分别与对应的若干个钛酸锂电池模块连接，其特征在于：所述的数据采集模块包括电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路，电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路的输入端分别与钛酸锂电池模块连接，电压采样电路、电流采样电路和温度采样电路的输出端分别与微处理器连接。

2.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的微处理器是LPC932单片机，电压采样电路由P型MOSFET管和运算放大器组成，运算放大器的正向输入端和反向输入端分别连接第一电阻和第二电阻，第一电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的负极电压，第二电阻的另一端连接第n节钛酸锂电池的正极电压，运算放大器的电源端分别连接+5V电压和接地端，运算放大器的输出端与P型MOSFET管的栅极连接；P型MOSFET管的漏极与运算放大器的反向输入端连接，P型MOSFET管的源极连接第三电阻和电压输出端，第三电阻的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的电流采样电路为闭环电流传感器LTSR25-NP，电流采样电路的两个电源端分别接0V和5V电压，两个输入端分别连接第n节钛酸锂电池的正极和负极，电流采样电路的输出端经A/D转换电路与微处理器连接。

4.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的温度采样电路包括数字温度传感器DS18B20和第四电阻，所述的数字温度传感器DS18B20的两个电压端分别接+5V电压和接地端，数字温度传感器DS18B20的输出端分别与第四电阻和微处理器连接。

5.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的均衡模块包括组间均衡控制模块、组内均衡控制模块、组内能量转移模块和组间能量转移模块，组内能量转移模块通过组内母线与各个钛酸锂电池模块连接，组内母线与各个钛酸锂电池模块之间设置有组内开关；组内均衡控制模块与各个组内开关连接，控制各个组内开关的断开和闭合；组间能量转移模块通过组间母线与各个钛酸锂电池组的组内母线连接，各个组内母线与组间母线之间设置有组间开关，组间均衡控制模块与各个组间开关连接，控制各个组间开关的断开和闭合。

6.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的充电管理模块根据微处理器的指令为钛酸锂电池模块充电；钛酸锂电池模块经一低压差线性稳压IC为所述微处理器供电。

7.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的钛酸锂电池模块采用串并联方式连接。

8.根据权利要求3所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：所述的A/D转换电路包括模拟开关，连接该模拟开关的积分电路，以及连接该积分电路的比较器，该比较器连接有I/O口，还包括连接至模拟开关的放大电路和基准电压，同时，有一反馈桥路作用于该放大电路，有一限位二极管作用于该积分电路，有一保护二极管作用于该比较器。

9.根据权利要求1所述的一种全智能化钛酸锂电池组管理系统，其特征在于：还包括热管理模块，具体包括加热系统和冷却系统，加热系统包括电加热薄膜和电源，电加热薄膜设于相邻钛酸锂电池模块之间，电源给电加热薄膜供电；冷却系统包括冷却水、循环液体流道和水泵，循环液体流道设于相邻钛酸锂电池模块之间；安装于钛酸锂电池模块内的多个温度传感器与中央处理器连接；每个电加热薄膜与电源之间均设有开关，每个开关均与均衡控制模块的组内均衡控制模块单独连接；所述循环液体流道呈片状结构的微通道平行体，在微通道平行体内部设有多个相互独立的管道；每个循环液体流道上均安装有阀门，每个阀门均与均衡控制模块的组内均衡控制模块单独连接；所述每个循环液体流道内的冷却水采用流向相同设置或者采用流向不同设置或者采用两者的混合；所述冷却水存储于自备水箱内，水泵用于抽取水箱内的冷却水，冷却水沿循环液体流道流动。