CN214124859U - 一种用于锂电池的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于锂电池的电池管理系统，包括控制器、标准设定与比较电路、A/D转换器、电池组数据采集与均衡控制模块和电池组；电池组数据采集与均衡控制模块和电池组的数量均为多个，控制器通过CAN总线依次连接一个标准设定与比较电路、一个A/D转换器和多个电池组数据采集与均衡控制模块；每个电池组数据采集与均衡控制模块均包括通过CAN总线分别连接的电压信号采集处理电路、电流信号采集处理电路、电量测量装置、温度信号采集处理电路和电池均衡控制电路。与现有技术相比，本实用新型便于管理人员实时了解掌握电池系统状态，提高储能系统的工作性能、整体效率，提高了系统的安全性、可靠性，降低了成本。

Description

一种用于锂电池的电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池管理系统领域，尤其是涉及一种用于锂电池的电池管理系统。

背景技术

科学技术不断进步，人类的物质生活需求不断提高，能源危机和环境污染越来越成为我们亟待解决的问题。近年来，新能源技术的不断发展，在一定程度上缓解了常规化石燃料的日益枯竭和能量转化过程中造成的环境问题。但是，与此同时，新能源由于在开发、转换和使用过程中受到自然环境和气候条件的限制，具有很大的间歇性、波动性和随机性特点。

此外，新能源的储存也是一个重难点。现今的储能技术中，大致有机械储能、电磁储能、相变储能以及电化学储能。电化学储能包括：原电池、蓄电池和燃料电池等。其中，以蓄电池为代表的电池储能技术，其储能方式在技术成熟性和使用经济性方面较其他储能方式更具优势，是运用前景最为广泛的储能方式。根据电池材料的不同，蓄电池又可分为铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫电池和锂离子电池等类型。其中，锂离子电池凭借循环寿命长、质量比能高、工作电流倍率大、自放电率低等一系列突出优点，以及能够满足能量型储能和功率型储能的多工况使用要求，在电池储能领域被广泛运用。

在锂离子电池储能中，为了便于管理人员实时了解掌握系统状态，需要通过电池管理系统(Battery Management System,BMS)对电池的状态参数(电压、电流、电量、温度等)进行实时地监测管理，用于警示用户和限制系统过度充放电，以减少电池损伤和功能故障。此外，虽然锂离子电池较其他储能电池具有更好的储能优势，但每个锂离子电池单体所能提供的工作电压、电流、容量和输出功率十分有限，难以满足日常生产生活中的储能与供电需求。因此，常常需要把数十甚至上千个锂离子电池单体通过串联和并联的方式连接在一起，形成具有一定规模功率和容量的电池储能系统。随着储能系统的大规模化，其中的各个单体间电量、老化程度、温度、电压、电流等状态的不一致性会对储能系统的工作性能、安全性能以及经济性造成严重影响。而电池管理系统，作为电池储能系统的控制中枢，通过进行实时地电池状态监测、电量均衡以及工作过程控制，能够有效提高储能系统的使用效率，避免造成能源二次损失，同时保证电池工作过程的安全性以及延长电池报废周期。因此，针对新能源储能，进行电池管理系统的研究和开发具有重要的研究意义和市场价值。这将成为未来能源领域发展的必然趋势。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种全面监测每个电池的状态、且满足不同规模电池储能系统的管理控制需求用于锂电池的电池管理系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于锂电池的电池管理系统，包括控制器、标准设定与比较电路、A/D转换器、电池组数据采集与均衡控制模块和电池组；

所述电池组数据采集与均衡控制模块和电池组的数量均为多个，每个所述电池组均连接有一个所述电池组数据采集与均衡控制模块，所述控制器、标准设定与比较电路和A/D转换器的数量均为一个，所述控制器通过CAN总线依次连接所述一个标准设定与比较电路、一个A/D转换器和多个所述电池组数据采集与均衡控制模块；

每个所述电池组数据采集与均衡控制模块均包括通过所述CAN总线分别连接的电压信号采集处理电路、电流信号采集处理电路、电量测量装置、温度信号采集处理电路和电池均衡控制电路。

进一步地，所述电池组设有多个锂电池，每个所述锂电池均分别连接所述电压信号采集处理电路、电流信号采集处理电路、电量测量装置、温度信号采集处理电路和电池均衡控制电路。

进一步地，所述电池管理系统还包括整流器，该整流器的输入端接入电网，输出端分别连接所述电池组中的锂电池，所述整流器的控制端连接所述控制器。

进一步地，所述电池管理系统还包括PC机，该PC机连接所述控制器。

进一步地，所述PC机通过USART总线连接所述控制器。

进一步地，所述控制器为型号为STM32F103的微控制器。

进一步地，所述标准设定与比较电路包括电压比较器和电流比较器。

进一步地，所述电压比较器的型号为LM393。

进一步地，所述电压信号采集处理电路采用Linear的LTC6804-1型电压采集芯片。

进一步地，所述温度信号采集处理电路的型号为AM2302。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型电池管理系统通过电池组数据采集与均衡控制模块对电池组的电压、电流、电量、温度等参数进行实时的监测，经过A/D转换后，反馈至标准设定与比较单元，当超出初始设定的标准时，电池均衡控制电路对电池组进行均衡控制，使之达到均衡状态；

每个电池组均对应有一个电池组数据采集与均衡控制模块，实现“一对多”的电池单体管理模式，并有着电池状态监测、均衡控制和数据通信等功能；

当被监测电池个数超过一个电池组容纳数量时，电池组监测与均衡模块之间通过总线型连接方式进行逐级扩展，从而满足不同规模电池储能系统的管理控制需求；

电池组数据采集与均衡控制模块的模块化的设计也简化了电池管理系统的结构，使得锂电池储能的管理更加方便，有效。

(2)本实用新型电池管理系统便于管理人员实时了解掌握电池系统状态：管理人员通过电池管理系统可以对电池的状态参数(电压、电流、电量、温度)进行实时的监测管理，用于警示用户和限制系统过度充放电，以减少电池损伤和功能故障；

提高储能系统的工作性能、整体效率：电池管理系统，作为电池储能系统的控制中枢，通过进行实时地电池状态监测、电量均衡以及工作过程控制，能够有效提高储能系统的使用效率，避免造成能源二次损失；

提高了系统的安全性、可靠性，降低了成本：该电池管理系统实时监测蓄电池中的每一个电池单体，获得其电压值、电流值、电量和温度等，可以及时发现处于异常状态的电池，通过均衡控制等策略，实现电池组电压、电量等的调节，大大提高了安全性和可靠性，延长电池报废周期，降低了成本。

(3)PC机与控制器间通过USART总线连接，USART通信方式对硬件资源的需求极低、通信可靠性好、协议简洁、灵活性较高，能很好地满足电池管理系统等嵌入式设备的使用需求。

(4)电池组数据采集与均衡控制模块与控制器间的数据传输通过CAN总线完成，CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理；网络内的节点个数(即电池组个数)在理论上不受限制；结构简单，可实现各节点间的自由通信；可靠性高。

附图说明

图1为本实用新型电池管理系统整体结构框架图；

图2为本实用新型电池组数据采集与均衡控制模块的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中电压采集芯片的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中电流信号采集处理电路的结构示意图；

图中，1、PC机，2、控制器，3、标准设定与比较电路，4、A/D转换器，5、电池组数据采集与均衡控制模块，51、电压信号采集处理电路，52、电流信号采集处理电路，53、电量测量装置，54、温度信号采集处理电路，55、电池均衡控制电路，6、电池组，7、整流器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种用于锂电池的电池管理系统，包括控制器2、标准设定与比较电路3、A/D转换器4、电池组数据采集与均衡控制模块5和电池组6；

电池组数据采集与均衡控制模块5和电池组6的数量均为多个，每个电池组6均连接有一个电池组数据采集与均衡控制模块5，控制器2、标准设定与比较电路3和A/D转换器4的数量均为一个，控制器2通过CAN总线依次连接一个标准设定与比较电路3、一个A/D转换器4和多个电池组数据采集与均衡控制模块5；

每个电池组数据采集与均衡控制模块5均包括通过CAN总线分别连接的电压信号采集处理电路51、电流信号采集处理电路52、电量测量装置53、温度信号采集处理电路54和电池均衡控制电路55。

电池组6设有多个锂电池，每个锂电池均分别连接电压信号采集处理电路51、电流信号采集处理电路52、电量测量装置53、温度信号采集处理电路54和电池均衡控制电路55。

电池管理系统还包括整流器7，该整流器7的输入端接入电网，输出端分别连接电池组6中的锂电池，整流器7的控制端连接控制器2。

电池管理系统还包括PC机1，该PC机1连接控制器2。

下面对各部分的功能进行具体描述。

1、PC机1

PC机1连接控制器2，用于人机交互与数据存储。PC机1可以下达指令到控制器2，并接收其返回的各种数据，显示在可视化界面上。

2、控制器2

控制器2用于数据通讯与控制，实现电池控制。它可以在整个电池管理系统运行之前，对标准设定与比较电路3进行初始化设置，设定好标准充电电压、标准充电电流、标准充电温度等；还可以从电池组数据采集与均衡控制模块5获得每个电池组6中任意电池在充放电时的实时数据，电压、电流、温度、电量等；再根据获得到的数据控制电池组数据采集与均衡控制模块5对每个电池组6进行均衡控制；当各个电池组6均达到均衡状态时，控制器2控制整流器7将国家电网接入，完成电池组6的充放电。

控制器2与PC机之间采用USART串口通信方式实现。USART通信方式对硬件资源的需求极低、通信可靠性好、协议简洁、灵活性较高，能很好地满足电池管理系统等嵌入式设备的使用需求。

本实施例从速度性能、外设接口和能耗控制三个方面综合考虑，采用STM32F103系列微控制器作为控制器2。在外设接口方面，STM32F103系列微控制器具有丰富的I/O数据接口以及SPI、USART、CAN等通信接口，便于控制器与信号采集芯片之间的数据传输以及和上位机之间的命令通信。

3、标准设定与比较电路3

所述标准设定与比较电路3不仅和控制器2相连，还和A/D转换器4相连，它从控制器2接收到应被设定的电池充放电相关参数：充放电电压、电流、温度等，还从A/D转换器4接收经过A/D转换后的电池组数据采集与均衡控制模块5监测到的电池组6的各种实时数据，并与设定标准进行比较，再传到控制器2，进行后续控制与操作。

标准设定与比较电路3由电压比较器、电流比较器组成，本实施例选用LM393作为电压比较器，切换速度答快，延迟时间小，加上电阻后同样可以作为电流比较器。

4、A/D转换器4

A/D转换器4通过总线的方式连接多个电池组数据采集与均衡控制模块5，主要将电池组数据采集与均衡控制模块5监测到的电池组6相关实时数据进行A/D转换。

5、电池组数据采集与均衡控制模块5

电池组数据采集与均衡控制模块5兼具数据采集与均衡执行功能；其通过总线方式连接控制器2与A/D转换器4。当被监测电池个数超过一个电池组容纳数量时，电池组数据采集与均衡控制模块5之间通过总线型连接方式进行逐级扩展，从而满足不同规模电池储能系统的管理控制需求。每个电池组数据采集与均衡控制模块5包括电压信号采集处理电路51、电流信号采集处理电路52、电量测量装置53、温度信号采集处理电路54和电池均衡控制电路55，与同一个电池组6里的每一个电池相连。

电压信号采集处理电路51选用Linear的LTC6804-1型电压采集芯片。该芯片具有两个AD转换器(ADC1,ADC2)，可分别对6个电池单体进行电压采集与转换，能够实现同时对12节串联的电池单体进行电压测量。此外，该芯片还具有被动型电池均衡控制功能。通过外部接入均衡控制回路，可以实现电池单体的耗散型均衡。在指令通信与数据传输方面，芯片具有A、B两个串行外设通信接口。其中，串行接口A能够与电池控制单元的MCU进行连接，完成命令发送与数据传输。当需要实现多个电池组模块的监控时，上一块芯片通过串行接口B与下一块监测单元的串行接口A相连，实现监测规模的扩展。

温度信号采集处理电路54选用AM2302温湿度传感器模块。其温度量程范围在-40～80℃，工作精度在0.5℃以内，性能完全能够满足电池组温度监测需求。

如图4所示，电流信号采集处理电路52选用ACS712型电流传感器。其量程范围在0～20A之间。传感器采用5V供电。提供2.5V偏置电压，当电路中被测电流为0时，电压输出端为VCC/2。

6、电池组6

一个电池组6可以只含有一个单体，也可包括多个单体。在大型储能系统中，为了提高系统工作效率和硬件的经济性，电池组6和电池组数据采集与均衡控制模块5之间可以采用“一对多”的监管模式，即一个电池组数据采集与均衡控制模块5同时对电池组6内的多个电池单体进行状态参数监测和电量均衡控制，组内各单体间通过串联连接。考虑到电池状态参数采样的精度与时耗问题，一个电池组包括的单体规模不宜过大。

本实施例电池管理系统的具体工作流程如下：

1)当本电池管理系统安装部署完成后，通过PC机1对控制器2发送指令，进而利用标准设定与比较电路3对处于该电池管理系统下的电池系统进行标准电压、标准电流、标准充放电温度进行设定；

2)控制器2和多个电池组数据采集与均衡控制模块5通过总线的方式连接，电池组数据采集与均衡控制模块5兼具数据采集和均衡执行功能，其中的电压信号采集处理电路、电流信号采集处理电路、温度信号采集处理电路负责对每一个电池组6中的各个电池进行实时监测，采集相关数据，通过总线传至A/D转换器，与预先设定好的标准数据进行对比，随后，控制器2作为主控制器向电池组数据采集与均衡控制模块5发送指令，执行均衡策略，对电池组进行均衡控制，同时电池组数据采集与均衡控制模块5监测到的实时数据通过总线传回控制器2，再显示在PC机的可视化界面之上。

3)控制器2向电池组数据采集与均衡控制模块5下达均衡控制指令后，均衡控制模块中的电池均衡控制电路可以接通，那些由于制造水平和工艺限制下产生差异的电池单体、且随着时间推移，电池电压、电池电量、充电电流差异逐渐加大，均衡控制电路可以让这些电池性能达到均衡，增加电池的使用寿命和系统的稳定性。最后，控制器2可以控制整流器7接通电网，向达到均衡的电池系统进行充电。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，包括控制器(2)、标准设定与比较电路(3)、A/D转换器(4)、电池组数据采集与均衡控制模块(5)和电池组(6)；

所述电池组数据采集与均衡控制模块(5)和电池组(6)的数量均为多个，每个所述电池组(6)均连接有一个所述电池组数据采集与均衡控制模块(5)，所述控制器(2)、标准设定与比较电路(3)和A/D转换器(4)的数量均为一个，所述控制器(2)通过CAN总线依次连接所述一个标准设定与比较电路(3)、一个A/D转换器(4)和多个所述电池组数据采集与均衡控制模块(5)；

每个所述电池组数据采集与均衡控制模块(5)均包括通过所述CAN总线分别连接的电压信号采集处理电路(51)、电流信号采集处理电路(52)、电量测量装置(53)、温度信号采集处理电路(54)和电池均衡控制电路(55)。

2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述电池组(6)设有多个锂电池，每个所述锂电池均分别连接所述电压信号采集处理电路(51)、电流信号采集处理电路(52)、电量测量装置(53)、温度信号采集处理电路(54)和电池均衡控制电路(55)。

3.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括整流器(7)，该整流器(7)的输入端接入电网，输出端分别连接所述电池组(6)中的锂电池，所述整流器(7)的控制端连接所述控制器(2)。

4.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括PC机(1)，该PC机(1)连接所述控制器(2)。

5.根据权利要求4所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述PC机(1)通过USART总线连接所述控制器(2)。

6.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述控制器(2)为型号为STM32F103的微控制器。

7.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述标准设定与比较电路(3)包括电压比较器和电流比较器。

8.根据权利要求7所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述电压比较器的型号为LM393。

9.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述电压信号采集处理电路(51)采用Linear的LTC6804-1型电压采集芯片。

10.根据权利要求1所述的一种用于锂电池的电池管理系统，其特征在于，所述温度信号采集处理电路(54)的型号为AM2302。

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