一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置的製作方法

2023-09-19 23:43:05 2

專利名稱：一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及動力電池組的電池管理裝置，尤其涉及一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置。
背景技術：
隨著各國政府和車企對電動汽車項目的重視和投資，一些大的汽車生產商和電池供應商針對各種動力電池做了大量研究和試驗，並成功開發出相關的電池管理裝置。一、在國外，電動汽車動力電池及其管理技術的研究比較早。比較有代表性的有1、美國通用汽車公司研發的電動汽車EV上的電池管理裝置，該裝置由電池模塊、電池組熱管理模塊、電池組高壓斷電保護裝置(High Voltage Disconnect)及軟體 BPM(Battery Pack Module)組成，其中BPM實現電池組電壓電流採集、電量或裡程計算、過放電報警等功能。2、美國ACPropu 1 s i on公司開發的BatOp t的電池管理裝置由多個單節電池監控模塊和一個中央控制單元組成，構建成一個分布式結構的裝置，通過twowire總線實現電池信息的傳送，中央控制單元可根據單節電池信息提供手動和自動充電策略。美國 Aerovironment公司開發的SmartGuard裝置是在電池上裝有一個分布式的管理裝置(專用IC)，能夠檢測單節電池電壓和溫度，進行電池信息歷史記錄和歸檔，提供最差單體電池的剩餘電量信息等。二、在國內，電動汽車電池管理裝置方面的研究仍然處於起步階段。主要是一些高校聯合大的汽車生產商和電池供應商共同開展研究，並取得了一定成果1、清華大學為EV-6580型電動客車配套的電池管理裝置，可在汽車行駛過程中對電池組充放電電壓、電流等參數進行實時監控，防止過充、過放，提高了電池使用壽命和效率，同時還開發了與該裝置相配的充電裝置。2、北京航空航天大學研製的鎳氫電池管理裝置主要功能有電池組電壓、電流及溫度的採集和存儲，SOC估算，運行狀態判斷和電池充放電保護功能等。3、北京星恆電池有限公司和同濟大學合作開發的鋰離子電池管理裝置主要功能有電池電流、電壓及溫度的採集、SOC估算、事故處理與記錄、充電均衡等；深圳雷天公司研發的鋰離子動力電池管理裝置由管理主機(CPU)、電壓電流與溫度採集模塊和通信接口模塊組成。可檢測並顯示電池組的總電壓、總電流、電池箱的溫度，對電池過壓、欠壓、過溫、 低溫、過流、短路等極限情況進行報警和控制輸出，提供RS232和CAN總線接口等。電池管理裝置對電動汽車整車的安全運行、整車控制策略選擇、充電模式的選擇以及運營成本都有很大的影響。無論在車輛運行過程中還是在充電過程中，電池管理裝置都要完成電池狀態的實時監控和故障診斷，並通過總線的方式告知整車控制器或充電機， 以便採用合理的控制策略，達到有效且高效使用電池的目的。現有電池管理裝置有多種拓撲連接方案，其中採用繼電器組的方案如圖1。該裝置由電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和放電電阻400組成；電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次閉環連接，均衡放電模塊300和放電電阻400連接。其工作原理是由CPU控制單元200選擇對應通道的繼電器閉合，採樣其單體電池電壓值，並選擇電壓較高的單體電池對放電電阻400 放電，起放電均衡作用。由於動力電池組101是由多個單體電池串聯組成，由於製造工藝等因素使電池特性不可能完全一致，其單體電池容量按正態分布，同時有高於和低於平均容量的單體電池。如對其全部採用放電均衡，均衡時間較長。由於採用對電阻放電，電池能量利用效率不高，發熱量大。另外，整組電池的SOC(電池荷電狀態)值取決於SOC值最小的那塊單體電池，而SOC值最小的那塊單體電池往往是最先充滿和最先放完的那塊電池，因此單純採用放電均衡模式很難提高整組電池的SOC值。
發明內容本實用新型的目的就在於克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置。本實用新型的目的是這樣實現的一、具有均衡充放電功能的電池管理裝置(簡稱電池管理裝置)電池管理裝置包括電池和繼電器組、CPU控制單元、均衡放電模塊；設置有超級電容和均衡充電模塊；CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級電容和均衡放電模塊連接，儲存電池和繼電器組的放電能量。本電池管理裝置通過建立監控功能模塊與充放電均衡模塊，對電動汽車實現不同狀況下的功能合理分離和有機配合的管理。均衡放電模塊的後端負載是超級電容，利用超級電容存儲均衡電池的放電電量給電池管理裝置和繼電器供電。均衡充電模塊採用了輔助電源(DC-DC)給電池補充充電。由於採用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級電容放電給電池管理裝置(BMS)供電，利用繼電器網絡實現電池管理裝置電源與被檢測單體電池之間的相互電氣隔離，自舉充電和電壓測量，降低了功耗、體積和重量，耐機械衝擊性較強，實現了電池的無損能量均衡，又沒有使用較複雜的能量轉換裝置，結構簡單、實現容易、 並且維護和擴展方便。二、帶電池均衡功能的電池管理裝置的控制方法(簡稱控制方法)本控制方法包括下列步驟①上電自檢測電池管理裝置和相關標定及配置參數；②待超級電容充到一定電壓後，開始對單體電池進行繼電器巡檢，每次只閉合一個繼電器，記錄每塊電池的電壓並實時計算單體電池SOC值；③當接入充電機且電池組SOC值不足時，啟動充電機按電池對應的充電曲線對電池組充電，在充電過程中，如出現單體電池電壓上升太快，則對其進行均衡放電，如出現單體電池電壓低於其它電池時，在輔助電源接通的狀況下啟動均衡充電模塊對其進行補充充電，保證電池組儘可能充入多的電量，使SOC值最大；④非充電狀態下，在檢測有外接輔助電源時，啟動均衡充電模塊，對SOC值低的單體電池進行補充充電，使整組電池的SOC值上升；⑤非充電狀態下，對SOC值較高的單體電池進行均衡放電，給超級電容補充電量， 保證電池管理裝置的正常運行；⑥在每繼電器掃描周期結束後，檢查高壓裝置對地絕緣狀況，並檢測和控制電池溫度，進行電池熱管理；⑦記錄充放電相關過程參數，對電池的健康程度評估，給出建議或告警；⑧與上下位機通訊，傳遞電池數據和設定參數。本實用新型具有下列優點和積極效果1、在單個集成單元內整合了電池監控、電池均衡、絕緣檢測和SOC容量檢測等全套電池管理裝置，方便用戶接線和調試，降低裝置的複雜程度；2、均衡充電採用主電池的輔助電源給單體電池充電，而均衡放電利用了超級電容的儲能特性給電池管理裝置供電，整個控制裝置沒有額外能量損耗，達到節能環保的目的；3、在關閉輔助電源泊車狀況下，電池管理裝置完全依靠動力電池供電，不損耗任何備用電池的電力，當出現動力電池組能量也不足的狀況時，電池管理裝置進入休眠狀態， 停止耗電以保護動力電池組，這樣保證了電池管理裝置一直處於工作狀態，電池均衡效果好；4、本實用新型同時採用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級電容放電給電池管理裝置(BMS)供電，利用繼電器網絡實現電池管理裝置電源與單體電池之間的相互隔離，自舉充電和電壓測量，降低了功耗，體積和重量也有較大優勢，耐機械衝擊性較強。實現了電池的無損能量均衡，又沒有使用較複雜的能量轉換裝置，結構簡單、實現容易、並且維護和擴展方便。5、本實用新型的電池管理裝置可廣泛應用於各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機擴展，可以方便檢測和監控多節電池狀況。

圖1是現有電池管理裝置的結構方框圖；圖2是本實用新型電池管理裝置的結構方框圖；圖3是電池管理裝置軟體方框圖。圖中100-電池和繼電器組，101-動力電池組，102-繼電器組；200-CPU 控制單元；300-均衡放電模塊；400-放電電阻；500-超級電容；600-均衡充電模塊。英譯漢[0049]1、BMS (Battery Management System)電池管理裝置；用來對電池組進行安全監控及有效管理，提高電池的使用效率，增加續駛裡程，延長其使用壽命，降低運行成本，進一步提高電池組的可靠性和整車安全性。2, SOC(State of charge)電池荷電狀態；是電池的剩餘電量。通常把一定溫度下蓄電池充電到不能再吸收電量時的狀態定義為荷電狀態SOC = 100% ；而將蓄電池再不能放出電量時的狀態定義為荷電狀態SOC = 0%。電池在不同SOC下工作時的電壓/電流特性會有很大不同。因此國內外較為普遍採用電池的荷電狀態SOC作為電池容量狀態描述參數，反映電池的剩餘容量，其數值定義為電池的剩餘容量佔電池容量的比值。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例詳細說明一、電池管理裝置1、總體結構如圖2所示，電池管理裝置包括電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300 ；設置有超級電容500和均衡充電模塊600 ；CPU控制單元200和電池和繼電器組100連接，檢測電池和繼電器組100的工作狀況；CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡放電；CPU控制單元200、均衡充電模塊600和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡充電；超級電容500和均衡放電模塊300連接，儲存電池和繼電器組100的放電能量。2、工作原理電池管理裝置巧妙地應用了繼電器組102來隔離CPU控制單元200和其它外圍部分，如高壓絕緣監測和電池的共模高電壓等，還利用繼電器組102的大電流導通能力實現了均衡充放電功能。電池管理裝置上電後自檢測和相關標定及配置參數；待超級電容500 充到一定電壓後，開始對單體電池進行繼電器巡檢，每次只閉合一個繼電器，記錄每塊單體電池的電壓並實時計算單體電池SOC值；當接入充電機且電池組SOC值不足時，啟動充電機按電池對應的充電曲線對動力電池組101充電，在充電過程中，如出現單體電池電壓上升太快，則對其進行均衡放電；如出現單體電池電壓低於其它電池時，在輔助電源接通的狀況下啟動均衡充電模塊600對其進行補充充電，保證動力電池組101儘可能充入多的電量，使 SOC值最大；在非充電狀態下，在檢測有外接輔助電源時，啟動均衡充電模塊600，對SOC值低的單體電池進行補充充電；對SOC值較高的單體電池進行均衡放電，給超級電容500補充電量，保證電池管理裝置的正常運行；在每繼電器掃描周期結束後，檢查高壓系統對地絕緣狀況，並檢測和控制電池溫度，進行電池熱管理操作；記錄充放電相關過程參數，對電池的健康程度評估，給出建議或告警。3、電池管理裝置的各功能塊①電池和繼電器組100[0064]電池和繼電器組100包括相互連接的動力電池組101和繼電器組102 ；動力電池組101由N個單體電池串聯組成，電池類型可以是鉛酸電池、鐵鋰電池、 鋰電池或鎳氫電池等。在每一個單體電池的正負極上並聯一個有雙組觸點的繼電器，該繼電器觸點的額定電流值設置為電池均衡充放電過程的最大電流。在一套檢測裝置中，每次只能有一隻繼電器閉合，形成電壓檢測和充放電迴路，實現串聯電池組中單體電池之間的相互隔離。②CPU控制單元200電池管理裝置涉及到大量數據的採集和處理，不但數據數量大、電池節數多，而且電池剩餘容量卡爾曼濾波算法對運算處理能力和實時性要求較高。本實用新型的CPU控制單元200採用美國TI公司最新推出的32位定點數位訊號處理器TMS320F28035作為控制晶片。該款DSP擁有32位內核，具有單周期32X32位硬體乘法器以及單周期指令執行能力，能實現複雜的控制算法。同時還包括功能強大的ADC模數轉換器、專用的高解析度PWM、 高精度片上振蕩器、模擬比較器、上電復位與掉電保護等在內的各種集成模塊。浮點控制律加速器(CLA)能獨立於內核運行複雜的卡爾曼濾波算法來計算電池容量，高精度的12位AD 檢測單元能精確的測量單體電池電壓，電流和溫度等模擬信號，使得控制裝置具有控制精度高、硬體簡單、可靠性高等優點。③均衡放電模塊300均衡放電模塊300是一個小功率可控的非隔離直流電源模塊，輸入等於單體電池電壓，輸出為超級電容500的工作電壓，在實際應用中將其充到5. 4V左右，以保證電池管理裝置的正常供電，在檢測單體電池電壓時，將均衡放電模塊300和均衡充電模塊600關閉以提高電壓測量精度。④超級電容500超級電容500為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學元件，通過極化電解質來儲能。在其儲能的過程中並不發生化學反應，其儲能過程是可逆的，可以反覆充放電數十萬次。超級電容500能在很小的體積下達到法拉級的電容量，無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對其壽命構成負面影響；在本實用新型中使用超級電容來存儲電池均衡放電過程中的放電量，提供給電池管理裝置自身使用，避免了能量浪費，綠色環保。⑤均衡充電模塊600均衡充電模塊600是一個可控的隔離直流電源模塊，輸入電源一般為電動汽車的輔助電源，也可以直接使用動力電池組總電壓，輸出電壓等於單體電池電壓，輸出電流限制為繼電器觸點能承受的額定電流，當CPU控制單元檢測到輔助電源工作時(如點火鑰匙接通)，根據控制算法對相應的電池進行均衡充電，該充電模塊的輔助繞組同時還提供霍爾電流檢測使用的正負隔離電源。4、電池管理裝置軟體設計為了增強電池管理裝置的可靠性、可讀性等，電池管理裝置採用結構化及模塊化思想進行軟體設計。結構化程序設計是一種定義良好的軟體開發技術。採用自頂向下設計和實現的方法，並嚴格地使用結構化的控制結構，確保程序只有一個「出口 」。模塊化設計， 模塊是程序層次中的基本組成部分，是程序中可以單獨編譯的一組程序語句，用模塊名調用。將程序分為若干模塊，能降低程序的複雜性，減少開發時間，運用模塊化技術，可以將錯誤局限在各個模塊內部，防止錯誤的蔓延，便於調試和維護。採用結構化及模塊化不僅滿足了裝置實時控制的需要，而且具有可讀性和可移植性，方便軟體調試與裝置標定，還可以利用已經被證明是可靠的模塊來構造新的裝置，減少新裝置開發的工作量，提高軟體的可靠性。根據電池管理裝置的功能要求以及使用要求，裝置軟體模塊化框圖如圖6所示。 軟體實時處理模塊流程是第1、主控循環程序監控和調度各子程序A ；第2、上電自檢後初始化和標定裝置變量B ；第3、各單體電池電壓電流檢測C;第4、單體電池均衡充放電控制D ；第5、高壓電路絕緣監測報警E ；第6、單體電池和電池組電量SOC計算F ；第7、電池溫度監控熱管理處理G ；第8、充電機通訊，充電啟停和充電曲線控制H;第9、電池管理裝置必要的開關量輸入輸出信號處理I ；第10、電池相關數據記錄與分析處理J ；第11、在有多節電池組的電池管理裝置中，裝置是由多個監控模塊組成，主控模塊查詢其它下位機模塊的電池數據併集中處理K ；第12、與人機互動界面通訊傳送相關信息和參數，提供電池相關數據給整車控制器進行車輛綜合控制決策L ；返回第三步循環執行各相關步驟，實現電池組管理功能。
權利要求1.一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置，包括電池和繼電器組(100)、 CPU控制單元(200)、均衡放電模塊(300)；其特徵在於設置有超級電容(500)和均衡充電模塊(600)；CPU控制單元(200)和電池和繼電器組(100)連接，檢測電池和繼電器組(100)的工作狀況；CPU控制單元(200 )、均衡放電模塊(300 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡放電；CPU控制單元(200 )、均衡充電模塊(600 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡充電；超級電容(500)和均衡放電模塊(30)連接，儲存電池和繼電器組(100)的放電能量。
2.按權利要求1所述的電池管理裝置，其特徵在於所述的電池和繼電器組(100)包括相互連接的動力電池組(101)和繼電器組(102)；動力電池組(101)由多個單體電池串聯組成；在每一個單體電池的正負極上並聯一個有雙組觸點的繼電器。
3.按權利要求1所述的電池管理裝置，其特徵在於所述的超級電容(500 )為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學元件。
4.按權利要求1所述的電池管理裝置，其特徵在於 所述的均衡充電模塊(600)是一種可控的隔離直流電源模塊。
5.按權利要求1所述的電池管理裝置，其特徵在於所述的CPU控制單元(200)採用美國TI公司的32位定點數位訊號處理器 TMS320F28035作為控制晶片。
專利摘要本實用新型公開了一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置，涉及動力電池組的電池管理裝置。電池管理裝置的結構是CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級電容和均衡放電模塊連接，儲存電池和繼電器組的放電能量，用於電池管理裝置的自身供電。本實用新型可廣泛應用於各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機擴展，可以方便檢測和監控多節電池狀況。
文檔編號H02J7/00GK202111502SQ201120227099
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月30日 優先權日2011年6月30日
發明者張昌青, 王和平, 阮浩 申請人:武漢市菱電汽車電子有限責任公司