CN207303273U - 一种通信基站的锂电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通信基站的锂电池管理系统，所述系统包括有微处理器单元、数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元，所述数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元分别连接于微处理器单元。本实用新型通过电路结构的设计，保证充放电的智能管理，包括充电自动均衡、过充过放处理；电压、电流以及温度测量精度高；对电池进行过流和过温保护；抗干扰能力强，安全性高。

Description

一种通信基站的锂电池管理系统

技术领域

本实用新型属于电池的技术领域，特别涉及用于通信基站的锂电池管理系统。

背景技术

目前动力电池已广泛用于通讯基站领域，为了符合输出功率及电压要求，往往需要将电池串并联成电池组使用，甚至需要上百节单体电池串联来提供能量。尽管同批次同型号的动力电池在出厂前都经过了严格筛选，使得这些电池在电压及容量方面一致，但在使用过程中不可避免会使电池组中的电池一致性变差。比如在使用时，电池组充电过程中有个别电池会最先到达充电截止电压，而其他电池还未充满就停止充电了，这使得整个电池组能够使用的能量减少。同样在放电过程中，个别电池最先到达放电截止电压，其他电池还未放完电电池组就停止放电了，使得电池组有多余能量未放光，影响了使用效率。如果忽视这种现象而对电池组继续进行充电或放电，将有可能导致电池内部发生不可逆的反应，不仅影响电池使用寿命，甚至有可能会导致安全隐患。而如果为了保护电池的角度出发停止继续充电或放电，则电动能量利用率又会大大降低。这就是电池组的“木桶效应”。

通信基站中电池组“木桶效应”是指电池组在充放电过程中，电池组中的最差电池的容量决定了电池组的容量。在电池的使用过程中，最差电池是最容易出现过充和过放的，这使得这节电池的容量加快衰减，与其他电池之间的不一致性进一步加大，最终导致电池失效，影响了电池组整体的使用寿命。

发明内容

针对上述食品安全和卫生问题，本实用新型的目的在于提供一种通信基站的锂电池管理系统，该系统及方法针对小区、学校、家庭、楼宇等范围较小的局部区域进行能源管理，旨在改变过去能源使用的粗放型管理模式，提供无线化、网络化、智能化的能源综合监测分析平台，帮助用户清晰掌握能源使用情况，对能源进行合理规划、统筹调度，以达到提高能效、降低成本的目的。

本实用新型的另一个目的在于提出一种通信基站的锂电池管理系统，该系统及方法采集数据准确可靠，利用效率高，且结合了GIS技术，直观反映不同地域能耗差异以及能耗资源空间分布情况，有利于提高能耗信息管理效率。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种通信基站的锂电池管理系统，所述系统包括有微处理器单元、数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元，所述数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元分别连接于微处理器单元。

所述微处理器单元MCU为ST公司的32位微处理器STM32F103C8T6。微处理器单元是电池管理系统的核心控制单元，该单元实现与其他单元通信、反馈、数据处理以及控制等工作，主要包括了采集数据、实现SOC估计算法、电池均衡控制，电池保护控制以及与上位机通信等功能。数据采集功能是用微处理器自带的ADC模块进行对电压、电流和温度的模拟量采集。然后在微处理器内部进行算法估计，算出SOC值，再根据该值判断是否要进行均衡和保护控制，当出现电池组内单体电池电量不一致时，开启均衡控制单元，微处理器输出脉宽调制波形用于控制MOSFET的通断，如果出现过充或过放，微处理器将断开电池主回路中的开关管。微处理器单元与上位机之间进行485通信，将采集到的电压电流等数据以及估算出的SOC值在上位机上显示。

数据采集电路主要用于采集电池工作时相关的数据，包括电池电压、充放电电流和电池温度。

进一步，电池管理系统中的数据采集电路需要对采集的电池模拟信号(如电流、电压、温度)进行模/数转换后，才能进入到系统的处理单元。一般情况下需用专用的A/D芯片来实现ADC变换。但对于STM32F103C8T6微处理器，其芯片内部含有10路通道、精度高达12位的ADC模块，也就是说，ADC该模块集成于STM32F103C8T6微处理器内，可以用于采集0V到基准电压之间的模拟电压信号，这不仅大大简化了电路的设计，而且芯片的集成提高了整个数据采集的稳定性。

所述数据采集电路包括有电池电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路；其中，电池电压检测电路为传统的电阻分压方式，设置电阻阻值比例，使输入到单片机的电压不超过参考电压。

进一步，采用单体电池的电压检测电路对输入到微处理器的电压信号进行了处理，电压检测电路中运放采用LM358芯片，前级为差分输入电路，后级为一个RC滤波处理和电压跟随电路。该电路设计能有效消除储能单体电压纹波，并且可以实现阻抗匹配。

电流检测电路通采用霍尔传感器，即用型号为LTS6-NP的霍尔传感器来测量电流。

当动力电池不正常工作或者充放电电流过大时，其内部化学反应往往比较激烈，此时电池温度会因为电池内部的化学反应而升高，如果不加以控制，有可能会导致爆炸而产生安全问题。因此需要温度检测电路对电池的温度数据进行采集，一般常规的用法都是采用温度传感器，本实用新型中采用温度传感器LM35来对电池进行温度数据采集。

LM35只有3个引脚，分别为供电电源脚、地以及信号输出脚，信号输出脚直接与微处理器采集端口相连。

所述均衡电路实现均衡控制单元及均衡保护单元的功能；每节电池都处在一个全桥逆变电路中，其中的开关管由互补的PWM方波驱动，电池间能量通过飞渡电容把电压高的电池的能量转移到电压低的电池中，直到电池能量平衡。

进一步，所述均衡电路中的MOS管通过驱动电路进行驱动，其中，OC1A和OC1B为微处理器单元输出的2路互补的PWM信号，Q1_G和Q2_G分别为全桥逆变电路高半桥MOS管的栅极，Q1_S和Q2_S为高半桥MOS管的源极，Q4_G和Q3_G为低半桥的栅极。当OC1A为高电平，OC1B为低电平时，Q43三极管导通，C17放电，由于电容C17的自举作用，Q1_G的电压高于Q1_S，MOS管Q1导通，由于电容自举作用，Q1_G的电压为VCC的两倍左右，故需要经过稳压管D21使Q4_G的电压与VCC相等，此时Q4也导通。可以推出Q2，Q3工作情况与Q1，Q4相反。

所述系统，还包括有电池保护电路，所述电池保护电路包括有两个驱动芯片TC4420及Q1、Q2，当正常工作时，STM32输出电平经过驱动芯片后输出的CO与DO为低电平，此时Q1，Q2导通，M1，M2导通，电池组可以正常充放电。当微处理器单元检测到单节电池电压或者总电压过压时，此时CO电平为高电平，DO为低电平，Q1，M1截止，Q2，M2导通，电池组此时禁止进行充电。当检测到单节电池电压或者总电压欠压时，CO为低电平，DO为高电平，此时M2截止，M1导通，电池组禁止进行放电。

本实用新型的有益效果是：

1、通过电路结构的设计，保证充放电的智能管理，包括充电自动均衡、过充过放处理；

2、电压、电流以及温度测量精度高；

3、对电池进行过流和过温保护；

4、抗干扰能力强，安全性高。

附图说明

图1为本实用新型所实现的系统总体框架图。

图2为本实用新型所实现的数据采集电路的电路图。

图3为本实用新型所实现的电阻分压方式采集电池端电压的电路图。

图4为本实用新型所实现单体电池电压检测电路的电路图。

图5为本实用新型所实现LTS6-NP的外部电路的电路图。

图6为本实用新型所实现LM35外围硬件电路的电路图。

图7为本实用新型所实现均衡电路的电路图。

图8为本实用新型所实现Q1导通时的均衡等效电路图。

图9为本实用新型所实现Q1关闭时的均衡等效电路图。

图10为本实用新型所实现全桥驱动电路的电路图。

图11为本实用新型所实现电池组保护电路的电路图。

图12为本实用新型所实现RS485通信接口电路的电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1所示，为本实用新型所实现的通信基站的锂电池管理系统，所述系统包括有微处理器单元、数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元，所述数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元分别连接于微处理器单元。

所述微处理器单元MCU为ST公司的32位微处理器STM32F103C8T6。微处理器单元是电池管理系统的核心控制单元，该单元实现与其他单元通信、反馈、数据处理以及控制等工作，主要包括了采集数据、实现SOC估计算法、电池均衡控制，电池保护控制以及与上位机通信等功能。数据采集功能是用微处理器自带的ADC模块进行对电压、电流和温度的模拟量采集。然后在微处理器内部进行算法估计，算出SOC值，再根据该值判断是否要进行均衡和保护控制，当出现电池组内单体电池电量不一致时，开启均衡控制单元，微处理器输出脉宽调制波形用于控制MOSFET的通断，如果出现过充或过放，微处理器将断开电池主回路中的开关管。微处理器单元与上位机之间进行485通信，将采集到的电压电流等数据以及估算出的SOC值在上位机上显示。

图2所示，数据采集电路主要用于采集电池工作时相关的数据，包括电池电压、充放电电流和电池温度。

电池管理系统中的数据采集电路需要对采集的电池模拟信号(如电流、电压、温度)进行模/数转换后，才能进入到系统的处理单元。一般情况下需用专用的A/D芯片来实现ADC变换。但对于STM32F103C8T6微处理器，其芯片内部含有10路通道、精度高达12位的ADC模块，也就是说，ADC该模块集成于STM32F103C8T6微处理器内，可以用于采集0V到基准电压之间的模拟电压信号，这不仅大大简化了电路的设计，而且芯片的集成提高了整个数据采集的稳定性。

电池端电压是最能直观反映电池当前工作状态的重要参数，可以为电池管理系统的保护控制提供依据。本实用新型中，采用4块单体电池串联共12.8V15.5Ah的磷酸铁锂电池组。单体电池电压为2.8V～3.6V，最高电压不能超过4V。输入到微处理器的电压不可以超过基准电压。

该数据采集电路为传统的电阻分压方式，如图3所示，设置电阻阻值比例，使输入到单片机的电压不超过参考电压，但该电路的缺点是采样的端电压越高，精度越低，而且误差随着每节电池串联逐级增加。

为克服电阻分压方式的不足，本设计采用差分输入及电压跟随电路，对输入到微处理器的电压信号进行了处理，单体电池的电压检测电路如图4所示。运放采用LM358芯片，前级为差分输入电路，后级为一个RC滤波处理和电压跟随电路。该电路设计能有效消除储能单体电压纹波，并且可以实现阻抗匹配。采用该差分电路克服了电阻分压方式电路电压误差累积的缺点，为电量估计提供更加可靠的数据。

电流检测电路通过测量电流大小为计量法提供依据，本实用新型采用霍尔传感器方案，即用型号为LTS6-NP的霍尔传感器来测量电流。霍尔传感器的工作原理是用于测量导线中的电荷根据电流方向流动时，导线周围存在着磁场，该磁场与电流方向垂直，流动的电荷由于洛伦兹力而迎着与电流和磁场垂直的方向偏转，正负电荷由于极性不同偏转方向也不同，正负电荷之间现成了电动势，电流越大，该电动势就越大，根据这一关系可以通过测量电动势来测量电流。LTS6-NP的外部电路连接图如图5所示。

当动力电池不正常工作或者充放电电流过大时，其内部化学反应往往比较激烈，此时电池温度会因为电池内部的化学反应而升高，如果不加以控制，有可能会导致爆炸而产生安全问题。因此需要温度检测电路对电池的温度数据进行采集，一般常规的用法都是采用温度传感器，本实用新型中采用温度传感器LM35来对电池进行温度数据采集。

LM35只有3个引脚，分别为供电电源脚、地以及信号输出脚，信号输出脚直接与微处理器采集端口相连，LM35外围硬件电路如图6所示。

均衡电路如图7所示。该均衡电路弥补了采用总线方式系统不可靠等缺点，而且进一步提升了均衡效率，缩短了均衡时间。每节电池都处在一个全桥逆变电路中，其中的开关管由互补的PWM方波驱动，电池间能量通过飞渡电容把电压高的电池的能量转移到电压低的电池中，直到电池能量平衡。虽然原理图上看似能量只在相邻电池间传递，但实际上能量是从电压最高的电池传递到电压最低的电池上，这一过程中通过其他电池间接传递，效果是一样的。

图8是第1、2节电池Q1导通时的均衡等效电路图。Q1与Q4相位相同，Q2与Q3相位相同，Q1与Q3互补。

当电路处于均衡状态时，电池电压VB1＝VB2，均衡器不工作，开关管都关闭。假设电池电压VB1＞VB2，电路开始均衡且该时刻Q1、Q4、Q5、Q8开关管导通，Q2、Q3、Q6、Q7开关管关闭。虚线为两个回路的电流流向，图中可以看到该时刻电容C1存储电池B1流过来的电荷，电容C2把上一时刻从电池B1得到的电荷流向电池B2。

图9是Q1关闭时的均衡等效电路图。同样假设电池电压VB1＞VB2，电路开始均衡且该时刻Q1、Q4、Q5、Q8开关管关闭，Q2、Q3、Q6、Q7开关管导通。该时刻电容C1把上一时刻从电池B1得到的电荷流向电池B2，电容C2存储电池B1的电荷。

因为每个电池有2个电容在交替转移能量，是双向的，所以在一个开关周期里，能量是一直处在动态的转移中，这样均衡时间更短，效率更高。

要实现均衡就必须要控制好MOS管的通断，而MOS管的源级不接地，所以需要设计驱动电路，本实用新型不采用专门的驱动控制芯片，而是采用分立元件组成的电路，该电路成本低，且该电路结构非常稳定。均衡电路的电路图如图10所示，OC1A和OC1B为微处理器输出的2路互补的PWM信号，Q1_G和Q2_G分别为全桥逆变电路高半桥MOS管的栅极，Q1_S和Q2_S为高半桥MOS管的源极，Q4_G和Q3_G为低半桥的栅极。当OC1A为高电平，OC1B为低电平时，Q43三极管导通，C17放电，由于电容C17的自举作用，Q1_G的电压高于Q1_S，MOS管Q1导通，由于电容自举作用，Q1_G的电压为VCC的两倍左右，故需要经过稳压管D21使Q4_G的电压与VCC相等，此时Q4也导通。可以推出Q2，Q3工作情况与Q1，Q4相反。

图11所示，为电池保护电路的电路图，图中：微处理器输出的IO电平为3.3V，4节锂电池串联后总电压11.2V，所以不能直接用IO口驱动Q1与Q2，之间应加一个驱动芯片将输出电压升到和电池总电压相同。当正常工作时，STM32输出电平经过驱动芯片后输出的CO与DO为低电平，此时Q1，Q2导通，M1，M2导通，电池组可以正常充放电。当微处理器检测到单节电池电压或者总电压过压时，此时CO电平为高电平，DO为低电平，Q1，M1截止，Q2，M2导通，电池组此时禁止进行充电。当检测到单节电池电压或者总电压欠压时，CO为低电平，DO为高电平，此时M2截止，M1导通，电池组禁止进行放电。

数据之间的交换通常以及串行方式进行，本实用新型采用RS485接口，克服了RS232接口标准的传输距离短以及波特率低的缺点，该接口标准以差分方式进行通信，发送端将TTL电平信号转换成A、B两路差分信号发送，在接收端再把A、B两路差分信号转换成TTL电平信号。由于RS485为差分方式进行通信，所以抗干扰能力很强，最远通信距离为1200米。RS485的工作方式为半双工，可以多点数据进行通信，一条总线可与挂多个节点，一般来说可以最多支持32个节点，如果使用专用的芯片最多可以支持400个节点。

RS485电平转换芯片为SN75176，该芯片为双向差分总线收发器，其外围硬件电路如图12所示。

数据存储单元的作用是用于存储电池充放电结束时的SOC值以及电池累计使用次数。记录电池充放电结束时的SOC值主要是为下一次电池充放电时进行的初始电量估计做参考，由于依靠开路电压法是采用当前电池初始电压数据来计算SOC初始值，计算得到的SOC初始值与上次充放电结束前的SOC值不一定相等，所以需要上次的SOC值为当前估计到的SOC初始值进行修正。记录电池累计使用次数是要了解电池目前使用状况，为电池健康状态提供判断依据，本实用新型采用AT24LC08芯片来储存数据。

充电电路：恒流间歇充电模式是利用多个恒流源来实现对电池充电的，这些恒流源能够提供大小不同的电流值，当第一阶段的电池电压到达充电截止电压时，断开充电回路，静置一段时间后开启第二阶段充电，此时电流值相应减少，电压到达充电截止电压后断开充电回路，以此类推，当充电电流降到涓流值时，充电结束。该充电模式可以有效消除电池自恢复效应带来的欧姆极化现象，保证了电池不一直处于过充状态。

本专利采用的三段恒流模式充电，其具体方案如下：

(1)第一阶段为5A电流充电，当电池端电压升到充电截止电压后，断开充电回路，静置5分钟。

(2)第二阶段为1.5A电流充电，当电池端电压升到充电截止电压后，断开充电回路，静置5分钟。

(3)第三阶段为0.5A电流充电，当电池端电压升到充电截止电压后，断开充电回路，充电结束。

本实用新型的有益效果是：

1、通过电路结构的设计，保证充放电的智能管理，包括充电自动均衡、过充过放处理；

2、电压、电流以及温度测量精度高；

3、对电池进行过流和过温保护；

4、抗干扰能力强，安全性高。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述系统包括有微处理器单元、数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元，所述数据采集电路、均衡控制单元、均衡保护单元、数据存储单元、通信单元、上位机监测单元分别连接于微处理器单元。

2.如权利要求1所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于数据采集电路主要用于采集电池工作时相关的数据，所述数据采集电路包括有电池电压检测电路、电流检测电路、温度检测电路；且还具有ADC变换电路。

3.如权利要求2所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述微处理器单元为STM32F103C8T6微处理器，所述ADC变换电路集成于STM32F103C8T6微处理器内。

4.如权利要求3所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于电池电压检测电路为传统的电阻分压方式，设置电阻阻值比例。

5.如权利要求4所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述电压检测电路中运放采用LM358芯片，前级为差分输入电路，后级为一个RC滤波处理和电压跟随电路。

6.如权利要求5所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于电流检测电路通采用霍尔传感器，用型号为LTS6-NP的霍尔传感器来测量电流。

7.如权利要求6所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在所述温度检测电路采用温度传感器LM35来对电池进行温度数据采集；LM35只有3个引脚，分别为供电电源脚、地以及信号输出脚，信号输出脚直接与微处理器采集端口相连。

8.如权利要求1所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述均衡电路实现均衡控制单元及均衡保护单元的功能；每节电池都处在一个全桥逆变电路中，其中的开关管由互补的PWM方波驱动，电池间能量通过飞渡电容把电压高的电池的能量转移到电压低的电池中，直到电池能量平衡。

9.如权利要求8所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述均衡电路中的MOS管通过驱动电路进行驱动，其中，OC1A和OC1B为微处理器单元输出的2路互补的PWM信号，Q1_G和Q2_G分别为全桥逆变电路高半桥MOS管的栅极，Q1_S和Q2_S为高半桥MOS管的源极，Q4_G和Q3_G为低半桥的栅极；当OC1A为高电平，OC1B为低电平时，Q43三极管导通，C17放电，由于电容C17的自举作用，Q1_G的电压高于Q1_S，MOS管Q1导通，由于电容自举作用，Q1_G的电压为VCC的两倍左右，故需要经过稳压管D21使Q4_G的电压与VCC相等，此时Q4也导通。

10.如权利要求1所述的通信基站的锂电池管理系统，其特征在于所述系统，还包括有电池保护电路，所述电池保护电路包括有两个驱动芯片TC4420及Q1、Q2，当正常工作时，STM32输出电平经过驱动芯片后输出的CO与DO为低电平，此时Q1，Q2导通，M1，M2导通，电池组可以正常充放电；当微处理器单元检测到单节电池电压或者总电压过压时，此时CO电平为高电平，DO为低电平，Q1，M1截止，Q2，M2导通，电池组此时禁止进行充电；当检测到单节电池电压或者总电压欠压时，CO为低电平，DO为高电平，此时M2截止，M1导通，电池组禁止进行放电。