CN212098519U - 一种锂离子电池电源管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种锂离子电池电源管理系统，所述电源管理系统包括电源模块、微处理器模块、检测模块、电池管理模块、电池组充放电控制模块以及断路保护模块，所述电源管理系统针对锂离子电池组进行电池电源控制；电源管理系统可以同时检测出每一节锂离子电池的过压、欠压情况，电源管理系统每个电池输入端内部连接有MOS开关用于对过充电池放电。本实用新型提出了一种应用于新能源汽车领域锂离子电池电源管理系统，整个系统具有连续测量分量、简单经济、精度高和可靠性高的特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种锂离子电池电源管理系统，涉及新能源汽车技术领域。
背景技术
中国作为全球新能源汽车销量第一的国家，但电动汽车动力源泉和核心部件的电池一直制约我国电动汽车发展的。与电池紧密结合的新能源汽车电池管理系统（BMS）更是厂商技术是否先进的重要体现。本技术周刊将从技术、应用、方案市场角度全面解读新能源汽车的核心技术——电源管理系统（BMS）。
电动汽车动力电池是由几千个小电芯组成的，电池包的组成主要包括电芯、模块、电气系统、热管理系统、箱体和BMS。电池管理系统是对电池进行管理的系统，通常具有量测电池电压的功能，防止或避免电池过放电、过充电、过温等异常状况出现。
实用新型内容
为了克服上述问题，本实用新型提出了一种应用于新能源汽车领域锂离子电池电源管理系统，整个系统具有连续测量分量、简单经济、精度高和可靠性高的特点。
本实用新型的技术方案是提供一种锂离子电池电源管理系统，所述电源管理系统包括电源模块、微处理器模块、检测模块、电池管理模块、电池组充放电控制模块以及断路保护模块，所述电源管理系统针对锂离子电池组进行电池电源控制；其中，
所述检测模块包括电池电流检测单元，所述检测模块与所述微处理器模块相连，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池管理模块包括电池电压检测单元，所述电压检测单元检测单个电池单体及电池组的电压，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池组充放电控制模块包括由开关管组成的开关电路，所述微处理器模块通过所述电池组充放电控制模块对电池组的充放电进行控制；
所述电源模块与电池组相连，转化电压为微处理器模块以及检测模块模块中芯片的额定电压为其供电。
进一步的，所述微处理器模块为单片机。
进一步的，所述电源模块采用稳压器，所述稳压器的输入端接到电池组正极BAT+,输出端为3.3V正电压，接入单片机的电源输入端。
更进一步的，所述电池管理模块包括电池管理芯片和均衡电路，所述电池管理芯片对电池组电压进行管理；
所述均衡电路包括第一MOS管、RC滤波器、第一二极管及三个电阻，其中，所述第一MOS管的源极连接母线正极及第一电阻的一端，漏极与第四电阻一端相连，门极连接第三电阻，所述第四电阻的另一端连接第二电阻及母线负极；所述第三电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的S引脚上，所述第一电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的C引脚上以及连接到第一电容上，所述第一电容另一端接地；所述第一二极管跨接在量相邻电池单体对应的C引脚之间；
对于电池组中的每个电池单体，均设有一个均衡电路与之匹配。
作为一种优选，所述电池组充放电控制模块包括四个MOS管，其中，第二MOS管的漏极与第三MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极与第三MOS管的源极相连，第二MOS管的门极与第三MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG1；
第四MOS管的漏极与第五MOS管的漏极相连，第四MOS管的源极与第五MOS管的源极相连，第四MOS管的门极与第五MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG2，四个MOS管的源极相连；
MOSG1、MOSG2通过2个光电耦合器中的输出驱动，所述光电耦合器的输入端连接到所述单片机上。
作为一种优选，所述电池管理芯片还用于采集电池组的温度信号，温度测量电压与温度ETMPx转换公式：温度测量电压=（ETMPx–512）•1.5mV。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
本发明所述的电源管理系统中电池管理芯片LTC6803串联同时工作，每一个LTC6803芯片可以测量12节电池，将N个LTC6803芯片从串联连接起来就可以测量N*12节电池，可测量的锂电池数量大，全部串联电池的电压测量时间在 13ms 以内，效率高
电源管理系统可以同时检测出每一节锂离子电池的过压、欠压情况，电源管理系统每个电池输入端内部连接有MOS开关用于对过充电池放电。
监测每一节锂电池的表面温度，将采集到的温度上传到上级控制系统，实时监测每节电池的工作状态 。
附图说明
图1 为电池管理系统框图；
图2为电源模块原理图；
图3为电池电压检测单元和温度检测电路图；
图4为电压均衡电路结构图；
图5为稳压源电路结构图；
图6、图7为电池组充放电控制电路结构图；
图8为电流检测模块示意图；
图9为短路保护电路结构图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型中实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实用新型提供一种锂离子电池电源管理系统，所述电源管理系统包括电源模块、微处理器模块、检测模块、电池管理模块、电池组充放电控制模块以及断路保护模块，所述电源管理系统针对锂离子电池组进行电池电源控制；其中，
所述检测模块包括电池电流检测单元，所述检测模块与所述微处理器模块相连，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池管理模块包括电池电压检测单元，所述电压检测单元检测单个电池单体及电池组的电压，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池组充放电控制模块包括由开关管组成的开关电路，所述微处理器模块通过所述电池组充放电控制模块对电池组的充放电进行控制；
所述电源模块与电池组相连，转化电压为微处理器模块以及检测模块模块中芯片的额定电压为其供电。
微处理器模块为单片机，本实施例中采用飞思卡尔MKL15Z128VLH4单片机用作整个系统的核心，MKL15Z128VLH4是一款具有丰富接口的32位单片机，该单片机的主要功能模块有：（1）24通道的16位分辨率的ADC转换模块，（2）两个模拟比较器ACMPX，（3）CAN协议模块，（3）SCI协议模块，（4）SPI模块，（5）IIC模块，（6）PWM模块，（7）RTC模块。
本发明所述的电源管理系统中电池管理芯片串联同时工作 ，可测量多节锂电池，全部串联电池的电压测量时间在 13ms 以内。
实施例2
本实施例中，详细说明每个模块中的电路组成结构及功能。
电源模块采用稳压器，所述稳压器的输入端接到电池组正极BAT+,输出端为3.3V正电压，接入单片机的电源输入端。
本系统中用到单片机芯片，所以要设计一个电源模块对芯片进行供电，电源模块选用LM7803，将LM7803的输入端接到电池组正极BAT+,输出端为3.3V正电压，接入单片机的电源输入端。电路图如图2所示。单片机和MAX4081还需要一个参考电压，这里我们选用LM285-2.5作为参考电压，原理图见图2。
更进一步的，所述电池管理模块包括电池管理芯片和均衡电路，所述电池管理芯片对电池组电压进行管理。本实施例中采用LTC803-3芯片来对电池组电压进行管理，LTC6803-3是一款电池监测芯片, 内部包括 12位分辨率的模数转换器, 高精度电压参考源, 高电压输入多路转换器和串行接口。每片 LTC6803-3可测量12节串联电池电压, 最大允许测量电压 60伏，可同时监测全部电池电压或单独监测串联电池中的任一节电池。电池组管理模块原理图如图3所示。
电池管理芯片还用于采集电池组的温度信号，温度测量电压与温度ETMPx转换公式：温度测量电压=（ETMPx–512）•1.5mV。
所述均衡电路如图4所示，包括第一MOS管、RC滤波器、第一二极管及三个电阻，其中，所述第一MOS管的源极连接母线正极及第一电阻的一端，漏极与第四电阻一端相连，门极连接第三电阻，所述第四电阻的另一端连接第二电阻及母线负极；所述第三电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的S引脚上，所述第一电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的C引脚上以及连接到第一电容上，所述第一电容另一端接地；所述第一二极管跨接在量相邻电池单体对应的C引脚之间。
图中只显示第八节电池的均衡电路，为了抑制电压信号中的高频噪声，电路中加入了RC低通滤波环节。CELL8连接到LTC6803-3的C8脚用来监视电池电压的输入，SELL8连接到LTC6803-3的S8脚，用来驱动外部PMOS管放电已达到电池电压均衡的目的，对于电池组中的每个电池单体，均设有一个均衡电路与之匹配。
本实施例提供的电池组充放电控制模块的充放电原理图如图6、图7所示，包括四个MOS管，其中，第二MOS管的漏极与第三MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极与第三MOS管的源极相连，第二MOS管的门极与第三MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG1；
第四MOS管的漏极与第五MOS管的漏极相连，第四MOS管的源极与第五MOS管的源极相连，第四MOS管的门极与第五MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG2，四个MOS管的源极相连；
MOSG1、MOSG2通过2个光电耦合器中的输出驱动，所述光电耦合器的输入端连接到所述单片机上。
该电路是用来对电池组的充电与放电状态进行控制，当电池组充电时，四个MOS管V9、V10、V11、V12全部闭合，当充电结束时V9和V10断开。当电池组放电时，V9、V10、V11、V124闭合，当放电结束时V11和V12断开。控制4个MOS管的状态是2个光点耦合器PC357，如图4所示。当需要V9与V10闭合时，单片机给光耦的N2管脚2一个高电平，则4管脚就会输出一个10V的电压给MOS管的G管脚。图5中的稳压源的作用是给光耦4脚一个稳定20V的电压。
电流检测模块是检测电池组充放电电流的模块，MAX4081是一款可以检测双向电流大小的电流检测芯片，原理图如图8所示。管脚2接到电池组的正端，RS+与RS-端接入一个检测电阻，REF1A端接入一个2.5V的电压，5管脚为输出端。这里要将5V电压进行分压，电阻R2，R3为两个分压电阻，所以Vout输出的最大电压为2V。当电池组充电时，输出端电压Vout的范围为1~2V,当电池组放电时Vout电压范围为0V~1V。
实施例3
在上述实施例的基础上，本设计中有一个过压和过流保护模块来快速关断主回路，避免电池组因过压或过流损坏。LT4363过压保护的工作原理是：当FB引脚（16）电压大于1.275V时，GATE引脚(4)将使NMOS管（V13）断开，达到保护的功能。短路保护的工作原理：当R54两端的电压差大于0.5V时过流保护启动，GATE引脚(4)将使NMO（V13）断开，达到短路保护功能。根据过流电流的大小设置电阻R54的阻值。
电源管理系统可以同时检测出每一节锂离子电池的过压、欠压情况，电源管理系统每个电池输入端内部连接有MOS开关用于对过充电池放电。
监测每一节锂电池的表面温度，将采集到的温度上传到上级控制系统，实时监测每节电池的工作状态 。
本实用新型创造所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制实用新型创造。以上对本实用新型所提供的技术方案进行了详细介绍；本实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法。本实用新型所述的应用方式可根据实际情况进行调整，并不是用来限制本实用新型。
Claims (6)
1.一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述电源管理系统包括电源模块、微处理器模块、检测模块、电池管理模块、电池组充放电控制模块以及断路保护模块，所述电源管理系统针对锂离子电池组进行电池电源控制；其中，
所述检测模块包括电池电流检测单元，所述检测模块与所述微处理器模块相连，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池管理模块包括电池电压检测单元，所述电压检测单元检测单个电池单体及电池组的电压，发送电池组电流数据至所述微处理器模块上；
所述电池组充放电控制模块包括由开关管组成的开关电路，所述微处理器模块通过所述电池组充放电控制模块对电池组的充放电进行控制；
所述电源模块与电池组相连，转化电压为微处理器模块以及检测模块模块中芯片的额定电压为其供电。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述微处理器模块为单片机。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述电源模块采用稳压器，所述稳压器的输入端接到电池组正极BAT+,输出端为3.3V正电压，接入单片机的电源输入端。
4.根据权利要求2所述的一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述电池管理模块包括电池管理芯片和均衡电路，所述电池管理芯片对电池组电压进行管理；
所述均衡电路包括第一MOS管、RC滤波器、第一二极管及三个电阻，其中，所述第一MOS管的源极连接母线正极及第一电阻的一端，漏极与第四电阻一端相连，门极连接第三电阻，所述第四电阻的另一端连接第二电阻及母线负极；所述第三电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的S引脚上，所述第一电阻的另一端连接到电池管理芯片针对某电池单体对应的C引脚上以及连接到第一电容上，所述第一电容另一端接地；所述第一二极管跨接在量相邻电池单体对应的C引脚之间；
对于电池组中的每个电池单体，均设有一个均衡电路与之匹配。
5.根据权利要求2所述的一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述电池组充放电控制模块包括四个MOS管，其中，第二MOS管的漏极与第三MOS管的漏极相连，第二MOS管的源极与第三MOS管的源极相连，第二MOS管的门极与第三MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG1；
第四MOS管的漏极与第五MOS管的漏极相连，第四MOS管的源极与第五MOS管的源极相连，第四MOS管的门极与第五MOS管的门极相连，通过外部输出入MOSG2，四个MOS管的源极相连；
MOSG1、MOSG2通过2个光电耦合器中的输出驱动，所述光电耦合器的输入端连接到所述单片机上。
6.根据权利要求2所述的一种锂离子电池电源管理系统，其特征在于，所述电池管理芯片还用于采集电池组的温度信号，温度测量电压与温度ETMPx转换公式：温度测量电压=（ETMPx–512）•1.5mV。
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