一種動力電池管理裝置的製作方法
2023-06-08 14:42:01
專利名稱：一種動力電池管理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電動車輛動力裝置管理系統，特別涉及一種管理動力電池的裝置。
背景技術：
目前，公知的動力電池管理系統具有過流、過壓、欠壓保護、電量均衡、SOC估算、 CAN通訊等主要功能。電動汽車中通過串聯多組電芯達到提高系統電壓的目的，當電動汽 車串聯電池組在汽車行駛過程中，由於電芯的內部差別，在串聯放電過程中會造成單體電 壓不同，均衡功能會暫時平衡單體電壓差別，有時反覆充放電「問題電芯」也會很難被完全 均衡，這樣就會造成電池組的可靠性和性能下降。但是傳統管理系統不能準確標定是哪一 塊「問題電芯」影響了整體電池組的性能，就無法剔除單塊「問題電芯」而只能替換整個電 池組，這樣將使電動汽車的使用成本大大增加。此外在電池組和管理系統正常使用過程中， 為了保護電芯不被過放，系統會在電芯電壓太低時斷開放電，從而保護電芯，但是斷開「問 題電芯」後，其所在電池組系統電壓會突然下降，電池組整體電壓會出現波動，電流會突然 增大，對其他電池組會造成損害，這樣電池組在使用過程中的安全性和可靠性都沒有保障。華南農業大學學報2009年04期「基於ARM和CAN的電動汽車電池管理系統」 一 文中，對電池電壓、電流、溫度等數據採集計算SOC並實現CAN通訊，但並未考慮串聯電池組 在使用過程中的不均衡問題，以及電池匹配問題，系統後期使用會初步暴露存在的問題。目前其他相關文獻，很少提到電芯性能匹配、一致性檢測，對電池組的補償的方法 也缺乏實際、可行的方案。
發明內容本實用新型的目的是針對現有動力電池管理系統技術的不足，提出一種動力電池 管理裝置，該裝置不僅能測出單體電芯的性能狀態，而且能及時地對存在問題的單體電芯 進行補償，保證電池組的正常工作。本實用新型是通過以下技術方案實現的。本實用新型採用分層管理的方法，將動力電池的管理分為上層管理層、下層保護 層，下層保護層採集單體電芯電壓，若大於設定值v3，開啟均衡電路，若還大於設定值v4， 則開啟過充保護電路，並記錄數據，分析電芯替換方案；若小於設定值v2，開啟補償電路， 若還小於設定值vl，則開啟過充保護電路，並記錄數據，分析電芯替換方案。所述的設定值為v4 > v3 > v2 > vl。本實用新型所述的裝置由上層管理電路(參見圖2)、下層保護電路(參見圖1)組 成，達到執行與管理分離，提高系統穩定性和可靠性。在下層保護電路的多串電芯的保護板上，分別把單體電芯的過充過放信號採集到 FPGA中，當單體的過充、過放保護信號到達時，將當前保護電芯的位置以及觸發時間保存在 FPGA的內部RAM中，上層管理電路定時從FPGA中取出數據，比較多次充放電過程中單體電池的充放電保護信號的觸發時間，根據系統設定參數選出在一定次數充放電過程中最易過 充、最易過放的電芯，分析數據提出電池組中影響整組性能的電芯，並提出最佳替換時間， 既能保證充分利用電芯，也能及時剔除問題電芯，達到自動優化電池組整體性能及保障電 池組安全性的目的。在上層管理電路正常工作狀態下，如出現單體電池過放，為不使系統電 壓出現較大波動，上層管理電路在檢測到單體電芯過放信號後，對下層保護板執行相應補 償措施，及時將備用電芯替換過放電芯，從而保證系統電壓的穩定，同時提示及時對電池組 進行充電。本實用新型所述的上層管理電路(參見圖2)由單片機MCU、收發器、CAN總線控制 器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路組成。CAN 總線控制器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路 分別與MCU晶片連接，收發器與CAN總線控制器連接，IIC通訊總線與各電池組連接。單片機MCU通過IIC通訊總線從FPGA中取出數據，分析單體電芯狀態並給出最佳 替換方案，以保證電池組電芯的一致性；上層管理電路採集電池組的整體電壓、電流、箱體 溫度等參數，計算電池系統SOC值；上層管理電路的CAN總線以滿足系統的通訊要求，與下 層保護電路(下層保護板)通過IIC總線通訊。正常工作狀態下，單片機MCU採集下層電池組的電壓、電流以及電池溫度，在電流 小於設定值時，採用開路電壓法對電量進行修正；在大電流工作狀態，採用安時法精確計算 電量消耗；同時在電壓出現較大波動時，通過IIC通訊總線給下層保護電路發送補償執行 信號，保證電池組電壓穩定。通過分析下層保護電路中FPGA的數據分析每塊下層保護系統 中單體電芯的性能狀態。本實用新型所述的下層保護電路(參見圖1)由FPGA保護電路與各電池組組成， 各電池組直接與FPGA保護電路連接。所述的電池組包括電芯、IC晶片、均衡電路、MOFSET保護電路，電芯依次與IC芯 片、均衡電路、MOFSET保護電路連接。單路保護晶片IC採集單體電芯電壓，當電芯電壓過低或過高，IC引腳會產生過放 或過充高電平，同時通過光耦控制MOFSET及時切斷放電或充電，保護電芯不過充、過放或 過流，此時FPGA會同時記錄產生當前保護信號的電芯位置以及時間，並存入內部RAM，以便 上層管理電路進行電芯一致性、匹配性及性能優化分析。電芯切斷後，保護板會自動接通備 用電芯，補充電池組電壓保證系統電壓穩定。所述的FPGA保護電路(參見圖3)由FPGA邏輯運算中心、IIC控制單元、多路過 充信號輸入緩衝器、多路過放信號輸入緩衝器、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、數據緩 存RAM、FPGA時鐘信號等組成。IIC控制單元、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、數據緩 存MM分別與FPGA邏輯運算中心連接，多路過充信號輸入緩衝器、多路過放信號輸入緩衝 器與數字量檢測控制單元連接。FPGA保護電路通過IIC控制單元與上層管理電路的IIC通 訊總線連接。FPGA邏輯運算中心通過IIC總線與上層管理電路通訊，通過輸入緩衝器採集數據 信號，分析單體電芯狀態並存入內部RAM，通過D/A控制單元控制補償電路，執行電池組電 壓補償。FPGA在正常工作狀態下，採用定時器工作機制，定時對多路過充信號輸入緩衝器和多路過放信號輸入緩衝器的數據進行掃描，當數字量檢測控制單元檢測到緩衝器數據發 生變化，傳遞信息到FPGA邏輯運算中心，如果數據緩存RAM還有空間就直接存放發生變化 的通道號碼和變化發生時間，若數據緩存RAM數據已存滿，則根據算法對數據進行替換，保 證RAM中數據的準確性、實時性。FPGA邏輯運算中心通過中斷方式接受IIC通訊控制單元 從上層管理層MCU發送的來的補償控制信號和數據採集信號，根據補償指令控制D/A控制 單元，啟動外部執行補償電路。FPGA採用定時器和中斷工作方式，能保持低功耗狀態。本實用新型可以保護動力電池不過充、過放、過流，可以精確估算SOC值並實現 CAN總線通訊，尤其是能自動識別動力電池組中單體電芯的狀態，並能標定替換電芯和最優 替換時間，在單體電芯出現過放時可以及時對電池組進行電壓補償，保證整車系統電壓穩 定，提高動力電池組的整體性能穩定、可靠，延長電池的使用壽命和增加汽車續航裡程。採 用分層結構，系統穩定，結構簡單。
圖1為本實用新型的下層保護電路的原理圖。圖2為本實用新型的上層管理電路的原理圖。圖3為本實用新型的下層保護電路中FPGA的內部原理圖。圖4為本實用新型工作流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。本實施例所用的電池(電芯)為磷酸鐵鋰電池；設定v4 = 3. 6，v3 = 3. 5，v2 = 2. 6, vl = 2. 5。上層管理電路MCU晶片為SST89E516RD2，CAN總線控制器晶片為SJA1000T, FPGA保護電路晶片為EPF10F10LC84。採用15路過充信號輸入緩衝器、15路過放信號輸入 緩衝器。系統由上層管理電路、下層保護電路組成。其中上層管理電路(如圖2所示)由單片機MCU、收發器、CAN總線控制器、IIC 通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路組成。CAN總線控 制器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路分別與 MCU晶片連接，收發器與CAN總線控制器連接，IIC通訊總線與各電池組連接。單片機MCU通過IIC通訊總線從FPGA中取出數據，分析單體電芯狀態並給出最佳 替換方案，以保證電池組電芯的一致性；上層管理電路採集電池組的整體電壓、電流、箱體 溫度等參數，計算電池系統SOC值；上層管理電路的CAN總線以滿足系統的通訊要求，與下 層保護電路(下層保護板)通過IIC總線通訊。單片機MCU採集下層電池組的電壓、電流以及電池溫度，在電流小於設定值時，採 用開路電壓法對電量進行修正；在大電流工作狀態，採用安時法精確計算電量消耗；同時 在電壓出現較大波動時，通過IIC通訊總線給下層保護電路發送補償執行信號，保證電池 組電壓穩定。通過分析下層保護電路中FPGA的數據分析每塊下層保護系統中單體電芯的 性能狀態。下層保護電路(如圖1所示)由FPGA保護電路與各電池組組成，各電池組直接與FPGA保護電路連接。電池組包括電芯、IC晶片、均衡電路、MOFSET保護電路，電芯依次與IC 晶片、均衡電路、MOFSET保護電路連接。單路保護晶片IC採集單體電芯電壓，當電芯電壓過低或過高，IC引腳1會產生過 放高電平，同時通過光耦控制MOFSET及時切斷放電或充電，保護電芯不過充、過放或過流， 此時FPGA會同時記錄產生當前保護信號的電芯位置以及時間，並存入內部RAM，以便上層 管理電路進行電芯一致性、匹配性及性能優化分析。電芯切斷後，保護板會自動接通備用電 芯，補充電池組電壓保證系統電壓穩定。下層保護電路中的FPGA保護電路(圖3)由FPGA邏輯運算中心、IIC控制單元、15 路過充信號輸入緩衝器、15路過放信號輸入緩衝器、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、 數據緩存RAM、FPGA時鐘信號等組成。IIC控制單元、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、 數據緩存MM分別與FPGA邏輯運算中心連接，15路過充信號輸入緩衝器、15路過放信號輸 入緩衝器與數字量檢測控制單元連接。FPGA保護電路通過IIC控制單元與上層管理電路的 IIC通訊總線連接。FPGA邏輯運算中心通過IIC總線與上層管理電路通訊，通過輸入緩衝器採集數據 信號，分析單體電芯狀態並存入內部RAM，通過D/A控制單元控制補償電路，執行電池組電 壓補償。FPGA採用定時器工作機制，定時1秒對15路過充信號輸入緩衝器和15路過放信 號輸入緩衝器的數據進行掃描，當數字量檢測控制單元檢測到緩衝器數據發生變化，傳遞 信息到FPGA邏輯運算中心，如果數據緩存RAM還有空間就直接存放發生變化的通道號碼和 變化發生時間，若數據緩存RAM數據已存滿，則根據算法對數據進行替換，保證RAM中數據 的準確性、實時性。FPGA邏輯運算中心通過中斷方式接受IIC通訊控制單元從上層管理層 MCU發送的來的補償控制信號和數據採集信號，根據補償指令控制D/A控制單元，啟動外部 執行補償電路。FPGA採用定時器和中斷工作方式，能保持低功耗狀態。
權利要求一種動力電池管理裝置，其特徵是由上層管理電路、下層保護電路組成上層管理電路由單片機MCU、收發器、CAN總線控制器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路組成，CAN總線控制器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路分別與MCU晶片連接，收發器與CAN總線控制器連接，IIC通訊總線與各電池組連接；下層保護電路由FPGA保護電路與各電池組組成，各電池組直接與FPGA保護電路連接；其中FPGA保護電路由FPGA邏輯運算中心、IIC控制單元、多路過充信號輸入緩衝器、多路過放信號輸入緩衝器、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、數據緩存RAM、FPGA時鐘信號等組成，IIC控制單元、數字量檢測控制單元、D/A控制單元、數據緩存RAM分別與FPGA邏輯運算中心連接，多路過充信號輸入緩衝器、多路過放信號輸入緩衝器與數字量檢測控制單元連接；FPGA保護電路通過IIC控制單元與上層管理電路的IIC通訊總線連接。
專利摘要一種動力電池管理裝置，其特徵是由上層管理電路、下層保護電路組成上層管理電路CAN總線控制器、IIC通訊總線、溫度採集電路、開關量採集電路、電壓採集電路、電流採集電路分別與MCU晶片連接，收發器與CAN總線控制器連接，IIC通訊總線與各電池組連接；下層保護電路各電池組直接與FPGA保護電路連接，本實用新型可以保護動力電池不過充、過放、過流，精確估算SOC值並實現CAN總線通訊，能自動識別動力電池組中單體電芯的狀態，標定替換電芯和最優替換時間，在單體被保護時對電池組進行電壓補償，保證整車系統電壓穩定，提高動力電池組的整體性能穩定、可靠，延長電池使用壽命，系統穩定，結構簡單。
文檔編號H01M10/42GK201667370SQ200920350149
公開日2010年12月8日 申請日期2009年12月28日 優先權日2009年12月28日
發明者萬曉鳳, 吳建平, 曹銘, 郭航, 黃菊花 申請人:南昌大學