CN213717648U - 一种电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池管理系统包括：上位机；以菊花链结构依次连接的若干监控模块，若干监控模块与电池一一对应连接，菊花链头部和尾部的监控模块分别与上位机通讯连接；所述监控模块包括控制器及与控制器连接的用于采集电池数据的传感器、对采集的数据进行调制的调制电路、对接收的数据进行解调的解调测量电路、用于充放电的开关电容电路及对充放电进行控制的下开关。本实用新型具备以下有益效果：监控模块采用菊花链结构易于扩展；控制器通过对调制电路、下开关的导通或断开控制实现电池电能的均衡控制及电池数据的传输。

Description

一种电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池管理系统。

背景技术

手机、新能源汽车、扫地机器人等移动电子系统中，电池组是主要的能源，而UPS、EPS、直流屏等等系统及近年来比较流行的储能技术都是以铅酸蓄电池或锂电池组作为存储储能元件，因此电池管理技术越来越受到重视，而具有主动均衡功能的电池管理系统是其中技术最复杂的、功能最强大的，但因其较高的技术成本而限制了应用。

现有的主动均衡技术主要存在如下问题：

1、结构复杂，通讯线、均衡线、电流电压温度测量线等等，系统引线较多，不便于安装和调试。

2、技术复杂，使用了比较复杂的功率变换技术，成本较高。

3、分层结构、系统扩展不够灵活。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提出一种电池管理系统。

一种电池管理系统，包括：

上位机；

以菊花链结构依次连接的若干监控模块，所述若干监控模块与电池一一对应连接，其中，菊花链头部和尾部的监控模块分别与上位机通讯连接；

所述监控模块包括控制器及与控制器连接的用于采集电池数据的传感器、对采集的数据进行调制的调制电路、对接收的数据进行解调的解调测量电路、用于充放电的开关电容电路及对充放电进行控制的下开关，所述控制器通过对调制电路、下开关的导通或断开控制实现电池电能的均衡控制及电池数据的传输。

优选的，所述传感器包括与控制器连接的用于测量电池输出电流的电流传感器及用于测量电池温度的温度传感器。

优选的，所述调制电路包括调制开关K1及电阻R1，所述调制开关K1的第一端连接电阻R1的一端，调制开关K1的第二端连接电池的负极，调制开关K1的控制端连接控制器，所述电阻R1的另一端连接电池的正极。

优选的，所述解调测量电路包括解调开关K2及电阻R2、R3、R4，所述解调开关K2的第一端连接电阻R4的一端，解调开关K2的第二端连接电池的负极，解调开关K2的控制端连接控制器，所述电阻R4的另一端及电阻R2和R3的一端均连接控制器，所述电阻R2的另一端连接电池的正极，所述电阻R2的另一端连接公共地。

优选的，所述开关电容电路包括储能电容C1、电感L1、电容开关K3及电阻R5，所述储能电容C1、电感L1、电容开关K3依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K3的控制端连接控制器，所述电阻R5与电容开关K3并联。

优选的，所述开关电容电路包括储能电容C2、电感L2、电容开关K4及电阻R6，所述电阻R6、电感L2、电容C2、电容开关K4依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K4的控制端连接控制器。

优选的，还包括与电池及控制器连接的稳压电路，所述稳压电路包括二极管D1、电容C3、稳压器DC1，所述二极管D1的正极连接电池的正极，二极管D1的负极连接电容C1的一端及稳压器DC1的第一端，所述电容C1的另一端及稳压器DC1的第二端连接电池的负极，所述稳压器DC1的控制端连接控制器。

本实用新型具备以下有益效果：

1.监控模块采用菊花链结构易于扩展，此外每个监控模块仅有三根引线，结构简单，节约成本；

2.控制器通过对调制电路、下开关的导通或断开控制实现电池电能的均衡控制及电池数据的传输；

3.通过构建子网的方式实现电池电能的均衡控制及电池数据的传输，结构简单，易于实现，不需要专用的高成本的芯片和元件，因此成本低易于集成，没有用到大电感元件，仅使用一些容量稍大的电容，便于集成电路实现，可进一步减小体积和降低成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型实施例一种电池管理系统的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一种电池管理系统的电路原理图；

图3是本实用新型实施例一种电池管理系统中调制电路的电路原理图；

图4是本实用新型实施例一种电池管理系统中解调测量电路的电路原理图；

图5是本实用新型一实施例一种电池管理系统中开关电容电路的电路原理图；

图6是本实用新型另一实施例一种电池管理系统中开关电容电路的电路原理图；

图7是本实用新型实施例一种电池管理系统中两个监控模块结成子网时的简化电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

本实施例提出一种电池管理系统，如图1所示，包括：上位机，以菊花链结构依次连接的若干监控模块，所述若干监控模块与电池一一对应连接，其中，菊花链头部和尾部的监控模块分别与上位机通讯连接，若干个电池依次串联连接。

实际应用中，只需要有一个或多个监控模块与上位机连接，以实现信息的交互。

监控模块有CLI端口、CLO端口、GND端口、通讯端口(RX接口、TX端口)。监控模块的GND端口连接对应电池的负极。菊花链头部的监控模块的CLI端口连接电池的正极。上级模块的CLO端口连接下级模块的CLI端口。其中，上级模块指相连接的两个监控模块中靠近头部监控模块的监控模块；所述下级模块指相连接的两个监控模块中远离头部监控模块的监控模块。

在本实施例中，一种电池管理系统中监控模块采用菊花链结构易于扩展，此外每个监控模块仅有三根引线，结构简单，节约成本。

如图2所示，监控模块包括控制器及与控制器连接的用于采集电池数据的传感器、对采集的数据进行调制的调制电路、对接收的数据进行解调的解调测量电路、用于充放电的开关电容电路及对充放电进行控制的下开关，所述控制器通过对调制电路、下开关的导通或断开控制实现电池电能的均衡控制及电池数据的传输。

监控模块所能实现的功能是：可与上位机连接，接收、执行或并转发上位机的指令；连接并与上级监控模块或下级监控模块交互数据；测量所连接电池的电压、电路、温度等数据；与上级监控模块或下级监控模块协作，实现电池间的主动均衡控制。连接下级监控模块，控制下级从模块的供电。

传感器包括与控制器连接的用于测量电池输出电流的电流传感器及用于测量电池温度的温度传感器。电流传感器用于对电池充放电电流或均衡电流的测量，电流传感器的输出连接至控制器。温度传感器用于对电池极柱温度或电池体温度或者监控模块温度的测量，温度传感器的输出连接至控制器。

温度传感器使用导热材料固定定于电池极柱上或电池壳体，实现对电池温度的测量，传感器的输出通过控制器的AD采样电路转换成数字信号。

电流传感器使用霍尔元件或锰铜丝电阻等，通过控制器内的调理电路及AD采样电路转换成数字信号。

监控模块解调测量电路连接GND端口及CLI端口，在上级模块的下开关导通时，监控模块的CLI端口与本级电池的正极连接，因此，只需通过简单的分压电路及AD采样电路，即可实现对电池电压的测量。

调制电路连接控制器，用于通讯数据的发送和变换，控制器通过调制电路，经过CLI-CLO端口链接，将数据发送给相连的监控模块的解调测量电路，并在相连的监控模块的解调测量端口的输出中，反映出发送的数据信息；与开关电容电路配合可以实现电池单元间的均衡控制。

如图3所示，调制电路包括调制开关K1及电阻R1，所述调制开关K1的第一端连接电阻R1的一端，调制开关K1的第二端连接电池的负极，调制开关K1的控制端连接控制器，所述电阻R1的另一端连接电池的正极。

调制电路可用简单的方式实现，即仅需要一个调制开关K1(可用三极管、MOS管等电子开关器件实现)串联一个调制限流电阻R1来实现，调制限流电阻R1的作用是限制调制开关导通时，流过调制开关K1上的电流的大小。电阻R1阻值可以根据实际需要选择，如果调制开关K1本身的导通阻抗较大、可以省略该调制限流电阻电阻R1或者将调制限流电阻阻设为0欧姆。调制电路连接控制器，其调制开关的状态由监控模块内的控制器控制。

解调测量电路用于监控模块所连接的电池电压的测量，及对相邻监控模块发送的通讯数据的解调，其输出连接至控制器。

如图4所示，解调测量电路包括解调开关K2及电阻R2、R3、R4，所述解调开关K2的第一端连接电阻R4的一端，解调开关K2的第二端连接电池的负极，解调开关K2的控制端连接控制器，所述电阻R4的另一端及电阻R2和R3的一端均连接控制器，所述电阻R2的另一端连接电池的正极，所述电阻R2的另一端连接公共地。

电阻R2、R3、R4一端连接在一起，作为解调测量的输出，并连接至控制器的数据接收或电压采样引脚，三个电阻的另外一端分别连接监控模块的CLI端口、CLO端口，GND端口。

通讯数据包括但不限于电池电压、电池电流、电池温度等数据及均衡控制、启动、停止、关闭等指令。电池电压指监控模块所连接的电池单元的端电压。

在一实施例中，如图5所示，开关电容电路包括储能电容C1、电感L1、电容开关K3及电阻R5，所述储能电容C1、电感L1、电容开关K3依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K3的控制端连接控制器，所述电阻R5与电容开关K3并联。

在一实施例中，如图5所示，开关电容电路包括储能电容C2、电感L2、电容开关K4及电阻R6，所述电阻R6、电感L2、电容C2、电容开关K4依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K4的控制端连接控制器

开关电容电路的主要元件是储能电容，均衡控制时用于对能量的存储和转换，在调制电路中的开关作用下，能够充、放电，从而在电池间转移能量。储能电容中可设有限流电阻和限流电感，其作用是为了限制电流大小。开关电容还可有电容开关，控制器可以控制电容开关，使开关电容电路可以工作在大电流模式或者限流模式。电容开关，其通断可使开关电容电路工作于非限流模式或限流模式。若不设电容开关，则开关电容一直工作于非限流模式；即开关电容自身阻抗较大时，可以省略开关、电感和电阻，直接使用单个电容实现开关电容的功能。为了避免所述开关电容中的储能电容影响数据传输，在传输数据时可控制电容开关让所述开关电容工作于限流模式。

其中，储能电容是大容量电容，用于存储电荷和电能。电容开关，是具有可控通断功能的开关器件。大电流模式指：没有电容开关或者电容开关的状态处于使储能电容充放电电流不受限的状态。限流模式指：电容开关状态处于使储能电容充放电电流受限的状态。下开关连接控制器，可用于数据通讯；可控制相连的下级模块的电源；在控制器控制下，与开关电容配合可实现主动均衡控制。

需要说明的是，图5、图6是两种实现开关电容的实例，其实现不仅限于这两种方式。

控制器，连接温度传感器、电流传感器、调制测量电路实现对电池温度、电流、电压的测量；控制下开关，对下级模块的电源进行控制；连接调制电路、下开关等部分发送数据至相连的监控模块；控制开关电容，与调制电路、下开关电路配合实现电池间的主动均衡控制；连接调制测量电路，接收相连监控模块传输的数据；通过通讯端口与上位机进行数据交互。

具体的，CLO端口用于与下级模块连接，具有传输数据、能量均衡的功能；CLI端口用于与上级模块连接，具有为监控模块供电、传输数据、能量均衡等功能；GND端口为监控模块提供电源负极及传感器测量电路的参考地；通讯端口用于与上位机的通讯，可由数据收发信号线RXD、TXD组成，也可采用其他的通讯方式。如果不需要连接上位机，则通讯接口可以省略。

在一实施例中，如图2所示，本系统还包括与电池及控制器连接的稳压电路，所述稳压电路包括二极管D1、电容C3、稳压器DC1，所述二极管D1的正极连接电池的正极，二极管D1的负极连接电容C1的一端及稳压器DC1的第一端，所述电容C1的另一端及稳压器DC1的第二端连接电池的负极，所述稳压器DC1的控制端连接控制器。

稳压电路连接控制器，含有整流电路，能够在输入电压有短负脉冲时，保证为控制器提供持续稳定的电源输出。

图7所示为两个监控模块结成子网时的简化电路结构。BT1、BT2为相邻的电池；电阻R11、R12、R13组成主控模块的解调测量电路、K12为主控模块的调制电路(电阻为零时)；电阻R21、R22、R23组成从控模块的解调测量电路、K22为从控模块的调制电路(电阻为零时)；K11为主控模块的下开关；K21为从控模块的下开关。

同一时刻K12、K11、K22最多只能有一个导通，因此，三者的静态状态组合仅有4种：S0状态——K12、K11、K22全部断开；S1状态——K12导通、K11、K22断开；S2状态——K11导通、K12、K22断开；S3状态——K22导通、K11、K12断开。三种过渡状态：S10状态——由S1转变成S0；S20状态——由S2转变成S0；S30状态——由S3转变成S0。

需要将下级电池的能量传递给上级电池时，采用如下步骤：

第一步：均衡前，主控模块置S2状态，即断开K12，K22、导通K11，维持一段时间如N倍的时间T，使得储能电容的电压与相连的电池电压相同；

第二步：主控模块置状态S0，即令K11断开，维持一段时间(大于T)；

第三步：从控模块检测到子网状态变化为S0后，置状态S3，即令K22导通，维持一段时间(如T)，此时主控模块的开关电容被充电，电压升高至2倍的VB；

第四步：从控模块置状态S0，即令K22断开；

第五步：主控模块置检测到，子网状态变化为S0，则置状态S2，即令K11导通，上级模块开关电容放电，直至电容电压等于电池电压VB；

至此，完成了一次能量搬运，此过程中主控模块的开关电容充电的能量来自从控模块的开关电容及上级电池和下级电池，而释放的电能被上级电池吸收，因此实现了从下级电池向上级电池的能量转移。

需要将上级电池的能量传递给下级电池时，采用如下步骤：

第一步：主模块置状态S1，即令K12导通，K11断开，维持一段时间(如T)，此时从控模块的开关电容被充电，电压升高至接近2倍的VB。

第二步：主控模块置状态S2，即令K11导通，K12断开，从控模块开关电容放电，直至电容电压接近或等于电池电压VB

至此，完成了一次能量搬运，此过程中从控模块的开关电容充电的能量来自从控模块的开关电容及上级电池和下级电池，而释放的电能被下级电池吸收，因此实现了上级电池向下级电池的能量转移。

由于本实用新型中的监控模块，除了通讯端口外，只有三根引线，其中一个GND端口连接电池负极，其他两个端口CLI、CLO用于监控模块间的连接，因此，监控模块适合安装固定在电池负极极柱上，便于模块内的温度传感器对电池极柱温度的测量和与电流传感器对电池电流的测量。

在一实施例中，监控模块上可安装指示灯，用于显示模块的运行状态：处于同一子网的两个模块可同频闪烁，表示工作正常。电源部分有故障的模块，指示灯会灭灯；控制器有故障，则指示灯会常亮或者灭灯；如果电池出现过充、过放、过热等故障，指示灯可以高频闪烁。

本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种电池管理系统，其特征在于，包括：

上位机；

以菊花链结构依次连接的若干监控模块，所述若干监控模块与电池一一对应连接，其中，菊花链头部和尾部的监控模块分别与上位机通讯连接；

所述监控模块包括控制器及与控制器连接的用于采集电池数据的传感器、对采集的数据进行调制的调制电路、对接收的数据进行解调的解调测量电路、用于充放电的开关电容电路及对充放电进行控制的下开关。

2.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，所述传感器包括与控制器连接的用于测量电池输出电流的电流传感器及用于测量电池温度的温度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，所述调制电路包括调制开关K1及电阻R1，所述调制开关K1的第一端连接电阻R1的一端，调制开关K1的第二端连接电池的负极，调制开关K1的控制端连接控制器，所述电阻R1的另一端连接电池的正极。

4.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，所述解调测量电路包括解调开关K2及电阻R2、R3、R4，所述解调开关K2的第一端连接电阻R4的一端，解调开关K2的第二端连接电池的负极，解调开关K2的控制端连接控制器，所述电阻R4的另一端及电阻R2和R3的一端均连接控制器，所述电阻R2的另一端连接电池的正极，所述电阻R2的另一端连接公共地。

5.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，所述开关电容电路包括储能电容C1、电感L1、电容开关K3及电阻R5，所述储能电容C1、电感L1、电容开关K3依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K3的控制端连接控制器，所述电阻R5与电容开关K3并联。

6.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，所述开关电容电路包括储能电容C2、电感L2、电容开关K4及电阻R6，所述电阻R6、电感L2、电容C2、电容开关K4依次串联连接在电池的正极和负极之间，所述电容开关K4的控制端连接控制器。

7.根据权利要求1所述的一种电池管理系统，其特征在于，还包括与电池及控制器连接的稳压电路，所述稳压电路包括二极管D1、电容C3、稳压器DC1，所述二极管D1的正极连接电池的正极，二极管D1的负极连接电容C1的一端及稳压器DC1的第一端，所述电容C1的另一端及稳压器DC1的第二端连接电池的负极，所述稳压器DC1的控制端连接控制器。

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