電動汽車電池組能量均衡控制系統的製作方法
2023-05-27 11:07:11
電動汽車電池組能量均衡控制系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種電動汽車電池組能量均衡控制系統，其包括主機單元、從機單元和上位機單元；從機單元包括電池電壓採集模塊、電池溫度採集模塊和CAN總線發送數據模塊；主機單元包括總線電流採集模塊、顯示數據模塊、電池充放電過程均衡控制模塊和CAN總線接收數據模塊；電池充放電過程均衡控制模塊採用基於電感的雙向均衡拓撲結構，即集合了兩個電感和一個開關以及反向二極體，相鄰的兩個電池模塊共用一個電感。本實用新型能較好的完成充電過程的能量均衡，由於系統模塊化強，可適用於電動汽車動力電池的大規模串聯均衡使用；同時具有良好的人機互動界面，能非常好的完成人機互動，操作簡單，功能齊全，適於推廣與應用。
【專利說明】電動汽車電池組能量均衡控制系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於電動汽車【技術領域】，涉及電動汽車電池組能量均衡控制，尤其涉 及電動汽車磷酸鐵鋰電池組能量均衡控制系統。
【背景技術】
[0002] 電動汽車的研發成功是解決能源危機和環境汙染的最佳方案之一，然而，傳統動 力電池存在電池組壽命短、充放電速度慢、甚至在劇烈碰撞下可能引起爆炸等問題。因此新 型鋰離子電池一磷酸鐵鋰電池應運而生，但是，磷酸鐵鋰電池串聯使用中的不均衡現象大 大的限制了其發展，解決電池組中各電池單體的不均衡問題，對電池組能量實現均衡控制， 避免電池組進行惡性循環，以此提升電池組整體使用壽命，是電動汽車推廣應用的首要任 務。尤其，現有關於磷酸鐵鋰電池串聯使用中實現均衡控制的軟體系統結構複雜，控制繁 瑣、效率低，給實現和控制器選擇帶來很多困難。
【發明內容】
[0003] 本實用新型是為了解決現有電動汽車的磷酸鐵鋰電池串聯使用中實現均衡控制 的軟體系統無法高效、精確、有效實現磷酸鐵鋰電池均衡控制等問題而提出一種系統模塊 化強，磷酸鐵鋰電池均衡控制可靠，均衡效率高，可大規模串聯均衡使用的電動汽車電池組 能量均衡控制系統。
[0004] 本實用新型是通過以下技術方案實現的：
[0005] 上述的電動汽車電池組能量均衡控制系統，包括主機單元、與所述主機單元電連 接的從機單元和上位機單元；所述從機單元包括通過信號連接的電池電壓採集模塊、電池 溫度採集模塊和CAN總線發送數據模塊；所述電池電壓採集模塊和電池溫度採集模塊均與 電池組連接；所述主機單元包括通過信號連接的總線電流採集模塊、顯示數據模塊、電池充 放電過程均衡控制模塊和CAN總線接收數據模塊；所述總線電流採集模塊通過電流傳感器 連接所述電池組；所述顯示數據模塊與所述主機單元連接；所述上位機單元與所述主機單 元連接；所述電池充放電過程均衡控制模塊與所述電池組連接；所述CAN總線接收數據模 塊連接所述CAN總線發送數據模塊並通過所述CAN總線發送數據模塊分別連接所述電池電 壓採集模塊和電池溫度採集模塊；所述電池充放電過程均衡控制模塊採用基於電感的雙向 均衡拓撲結構，即集合了兩個電感和一個開關以及反向二極體，相鄰的兩個電池模塊共用 一個電感。
[0006] 所述電動汽車電池組能量均衡控制系統，其中：所述電池電壓採集模塊由電壓採 集電路組成，所述電壓採集電路包括電壓採集晶片U5以及與所述電壓採集晶片U5連接的 數據隔離晶片U4 ;所述電壓採集晶片U5通過電壓採集埠連接所述電池組，同時連接有多 個工作模式選擇端；同時，所述電壓採集晶片U5的電壓採集埠通過電容接地，且與所述 電池組的單個電池之間串接有電阻。
[0007] 所述電動汽車電池組能量均衡控制系統，其中：所述電壓採集晶片U5通過埠 CSBI連接所述數據隔離晶片U4的埠 VOA，通過埠 SDO連接所述數據隔離晶片U4的端 口 VID，通過埠 SDI連接所述數據隔離晶片U4的埠 V0B，通過埠 SCKI連接所述數據 隔離晶片U4的V0C埠；所述電壓採集晶片U5的埠 VREG通過電容C20接地，埠 VREF 通過電容C21也接地，埠 NC接地。
[0008] 所述電動汽車電池組能量均衡控制系統，其中：所述總線電流採集模塊由電流採 集電路組成，所述電流採集電路包括電流採集晶片U1、運算放大器U2、電流傳感器SEN1以 及電壓跟隨器；所述運算放大器U2與所述電流採集晶片U1連接，同時還與所述電流傳感器 SEN1的輸出端連接；所述電流傳感器SEN1採用閉環霍爾式電流傳感器，其輸出端與地之間 串聯有電阻R22 ;所述電壓跟隨器連接於所述電流傳感器與模數轉換器ADC之間。
[0009] 所述電動汽車電池組能量均衡控制系統，其中：所述模數轉換器ADC採用可採集 正負電壓的模數轉換器。
[0010] 有益效果：
[0011] 本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統結構設計簡單、合理，其中，從機單 元可對電池的溫度、電壓進行有效採集，並通過CAN總線把採集到的信息高效、準確的發送 到主機單元；主機單元能對電池組總線電流進行有效採集，同時，接收從機單元發來的信息 並處理，再通過串口把接收到的數據發送到所述上位機單元上顯示，在充放電過程中通過 對數據的判斷實現對電池進行動態均衡控制。其中，電池充放電過程均衡控制模塊採用基 於電感的雙向均衡拓撲結構，這種拓撲結構相對簡單，模塊化強，而且屬於單個電池體與其 餘電池之間的均衡，均衡效率相對較高。整個控制系統不僅系統模塊化強，均衡效率高，能 量損耗小，而且能可靠地的完成磷酸鐵鋰電池充電過程的能量均衡，可適用於電動汽車動 力電池的大規模串聯均衡使用，同時還具有較高的電壓採集精度，電壓採集誤差可以控制 在5mV之內，為電池組能量均衡提供了可靠地依據並為系統保護的實施提供了條件；再則， 通過良好的人機互動界面，能非常好的完成人機互動，操作簡單，功能齊全，保護完善，適於 推廣與應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統的結構圖；
[0013] 圖2為本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統的結構原理圖；
[0014] 圖3為本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統的電池電壓採集模塊的電 壓採集電路圖；
[0015] 圖4為本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統的總線電流採集模塊的電 流米集電路圖。
【具體實施方式】
[0016] 如圖1、2所示，本實用新型電動汽車電池組能量均衡控制系統，主要應用於電動 汽車的磷酸鐵鋰電池組能量均衡控制，包括從機單元1、主機單元2和上位機單元3。
[0017] 從機單元1用於電池溫度、電壓的採集，其包括電池電壓採集模塊11、電池溫度採 集模塊12和CAN總線發送數據模塊13 ;該電池電壓採集模塊11和電池溫度採集模塊12 均與電池組連接。同時，該從機單元1中電壓採集使用了 LTC6802-I電池電壓採集晶片，該 LTC6802-I電池電壓採集晶片是基於SPI總線。
[0018] 其中，如圖3所示，該電池電壓採集模塊11由電壓採集電路組成，其包括電壓採集 晶片U5和數據隔離晶片U4 ;電壓採集晶片U5通過電壓採集埠連接電池組，其中，電壓採 集晶片U5的電壓採集埠與電池組中的單個電池之間串接有電阻並通過電容接地。本實 施例中該電池組由八節單電池串接而成，該電壓採集晶片U5通過電壓採集埠 C1~C8分別 對應連接電池組的單個電池 CEEL1~CEEL8 ;其中，該電壓採集埠 C1與電池 CEEL1之間串 接有電阻R20並通過電容C25接地，該電壓採集埠 C2與電池 CEEL2之間串接有電阻R18 並通過電容C24接地，該電壓採集埠 C3與電池 CEEL3之間串接有電阻R15並通過電容 C23接地，該電壓採集埠 C4與電池 CEEL4之間串接有電阻R10並通過電容C19接地，該電 壓採集埠 C5與電池 CEEL5之間串接有電阻R6並通過電容C17接地，該電壓採集埠 C6 與電池 CEEL6之間串接有電阻R5並通過電容C16接地，該電壓採集埠 C7與電池 CEEL7 之間串接有電阻R4並通過電容C15接地，該電壓採集埠 C8與電池 CEEL8之間串接有電 阻R3並通過電容C14接地；同時，該電壓採集晶片U5還包括電壓採集埠 C9~C12和正極 電壓埠 V+，該電壓採集埠 C9通過電阻R16連接至電池 CEEL8,該電壓採集埠 C10通 過電阻R14也連接至電池 CEEL8,該電壓採集埠 C11通過電阻R11也連接至電池 CEEL8， 該電壓採集埠 C12通過電阻R7也連接至電池 CEEL8 ;該電壓採集晶片U5的正極電壓端 口 V+連接至電池 CEEL8。
[0019] 電壓採集晶片U5通過埠 CSBI連接數據隔離晶片U4的埠 V0A，通過埠 SD0 連接數據隔離晶片U4的埠 VID，通過埠 SDI連接數據隔離晶片U4的埠 V0B，通過端 口 SCKI連接數據隔離晶片U4的V0C埠；其中，該電壓採集晶片U5的埠 VREG通過電容 C20接地，該電壓採集晶片U5的埠 VREF通過電容C21也接地，該電壓採集晶片U5的埠 NC接地。
[0020] 電壓採集晶片U5還連接有多個工作模式選擇端，本實施例中電壓採集晶片U5分 別連接有工作模式選擇端P3、工作模式選擇端P5、工作模式選擇端P6和工作模式選擇端 P7 ;其中，其中，該電壓採集電路的連接埠 P2連接到電池組的各個單體電池電極上。該工 作模式選擇端P3、P5、P6和P7的1號端子彼此相連且連接至電壓採集晶片U5的負極電壓 埠 V -;該工作模式選擇端P3的2號端子連接至電壓採集晶片U5的埠 VMDDE，3號端 子連接有電阻R9 ;該電阻R9連接至該電壓採集晶片U5的埠 VREF且還通過電阻R8連接 至電壓採集晶片U5的埠 S0D。該工作模式選擇端P5的2號端子連接至電壓採集晶片U5 的埠 WDTB，3號端子通過電阻R17連接至該電壓採集晶片U5的埠 VREF且還通過電阻 R8連接至電壓採集晶片U5的埠 S0D。該工作模式選擇端P6的2號端子連接至電壓採集 晶片U5的埠 MMB，3號端子通過電阻R19連接至該電壓採集晶片U5的埠 VREF且還通過 電阻R8連接至電壓採集晶片U5的埠 S0D。該工作模式選擇端P7的2號端子連接至電壓 採集晶片U5的埠 T0S，3號端子通過電阻R21連接至該電壓採集晶片U5的埠 VREF且 還通過電阻R8連接至電壓採集晶片U5的埠 S0D。數據隔離晶片U4的埠 VDD1接+5V 電源，埠 VDD2接電壓採集晶片U5的VREG埠，埠 GND1接一個地，埠 GND2接另一個 地，同時，埠 GND2還與電壓採集晶片U5的負極電壓埠 V -連接在一起。
[0021] 主機單元2電連接從機單元1，同時雙向通信連接上位機單元3 ;該主機單元2包 括電流採集模塊21、觸摸液晶屏顯示模塊22、電池充放電過程均衡控制模塊23和CAN總線 接收數據模塊24。該總線電流採集模塊21通過電流傳感器連接電池組。該CAN總線接收 數據模塊24與CAN總線發送數據模塊13連接，並通過CAN總線發送數據模塊13分別連接 電池電壓採集模塊11和電池溫度採集模塊12 ;該CAN總線接收數據模塊24用於接收從機 單元1通過CAN總線傳輸來的信息並處理。該顯示數據模塊22與主機單元2連接，其用於 把接收到的數據顯示在觸摸液晶屏上，實時監測電池組狀態。該上位機單元3與主機單元 2連接，其用於把接收到的數據發送到上位機單元3上顯示、記錄並分析。電池充放電過程 均衡控制模塊23與電池組連接，其用於在充放電過程中對數據的判斷實現對電池進行動 態均衡控制。
[0022] 如圖4所示，該電流採集模塊32由電流採集電路組成，該電流採集電路包括電流 傳感器SEN1、電壓跟隨器U2以及電流採集晶片U1 ;其中，該電流採集晶片U1具有引腳CS、 引腳DIN、引腳DGND、引腳AGND、引腳REFIN/0UT、引腳Vss、引腳Vin_0、引腳Vin_l、引腳 Vin_2、引腳Vin_3、引腳VDD、引腳VCC、引腳VdriV、引腳Dout、引腳DGND和引腳SCLK ;其 中，該電流採集晶片U1是通過引腳Vin_0連接運算放大器U2,通過引腳Vin_l接地AGND， 通過引腳Vin_2以及引腳Vin_3接另一地AGND，該引腳Vin_2和引腳Vin_3是連在一起 的；該引腳VDD和引腳Vdriv相連並一起接+5V電源VCC。該運算放大器U2具有引腳10UT、 弓丨腳1IN-、引腳1IN+、引腳Vcc-、引腳Vcc+、引腳20UT、引腳2IN-和引腳2IN+ ;其中，該引 腳10UT和引腳1IN-彼此相連並一起連接至該電流採集晶片U1的引腳Vin_0 ;該運算放 大器U2還通過引腳1IN+連接電流傳感器SEN1，通過引腳Vcc+連接+12V電源VCC。電流 傳感器SEN1的正極連接於+12V電源，負極連接-12V電源，同時，該電流傳感器SEN1通過 端子Μ連接該運算放大器U2的引腳1IN+，其中，在該電流傳感器SEN1的電流測量輸出埠 Μ與電壓跟隨器U2的引腳1ΙΝ+的連接點與地AGND之間還串聯有電阻R22 ;該電流傳感器 SEN1還具有端子NC。該電壓跟隨器U2的電源濾波電路由電容C1、電容C2、電容C5和電容 C6連接組成，其中，該電容C1和電容C2並聯後連接於+12V電源VCC與地AGND之間；電容 C5和電容C6並聯後連接於-12V電源VCC與地AGND之間。本實施例中該電流傳感器SEN1 採用的是閉環霍爾式電流傳感器，將電流傳感器SEN1的輸出端與AGND之間接入電阻R22 可將電流小信號變為電壓信號；為了實現阻抗匹配，電流傳感器與模數轉換器U1之間加入 電壓跟隨器，由於電池充放電電流流向不一樣，因此電壓值有正負之分，需要選用可採集正 負電壓的模數轉換器ADC ;該電流採集模塊32選用12Bit精度的AD7324晶片，輸入電壓經 過必要的濾波後送入AD7324晶片採集，AD7324晶片再與主機單元5連接通信，為了保證小 電流時採集的精確度，可採用平滑濾波和中值濾波算法來對採集到的電壓值調理校正。
[0023] 以下結合電池開啟均衡充電與未開啟均衡充電測試對本實用新型做進一步描 述：
[0024] 本實用新型的控制系統由於受制於電池的原因，輸出電流為(ΓΙΟ A，充電電流 900mA。充電時每隔3min採集一次電壓，結合數據可以發現，開啟均衡後，採集到第4次時， 8節電池的電壓已經比較接近了（電壓差小於6 mV)，表徵電池的S0C比較一致，可以預見隨 著均衡過程的進行，最終電壓差將越來越小，最終停止均衡使電池的S0C趨於一致。而未 開啟均衡時，可以看到，採集到第4次時8節電池電壓還有比較大的差異，最大電壓差有47 mV，可以預見，隨著充電過程的繼續，該電壓差將維持。同時使用五位半萬用表和電流鉗等 儀器設備對數據結果進行檢驗比較。
[0025] 表1為開啟均衡與未開啟均衡充電過程對比表
[0026]
【權利要求】
1. 一種電動汽車電池組能量均衡控制系統，其特徵在於：包括主機單元、與所述主機 單元電連接的從機單元和上位機單元； 所述從機單元包括通過信號連接的電池電壓採集模塊、電池溫度採集模塊和CAN總線 發送數據模塊；所述電池電壓採集模塊和電池溫度採集模塊均與電池組連接； 所述主機單元包括通過信號連接的總線電流採集模塊、顯示數據模塊、電池充放電過 程均衡控制模塊和CAN總線接收數據模塊；所述總線電流採集模塊通過電流傳感器連接 所述電池組；所述顯示數據模塊與所述主機單元連接；所述上位機單元與所述主機單元連 接；所述電池充放電過程均衡控制模塊與所述電池組連接；所述CAN總線接收數據模塊連 接所述CAN總線發送數據模塊並通過所述CAN總線發送數據模塊分別連接所述電池電壓採 集模塊和電池溫度採集模塊； 所述電池充放電過程均衡控制模塊採用基於電感的雙向均衡拓撲結構，即集合了兩個 電感和一個開關以及反向二極體，相鄰的兩個電池模塊共用一個電感。
2. 如權利要求1所述的電動汽車電池組能量均衡控制系統，其特徵在於：所述電池電 壓採集模塊由電壓採集電路組成，所述電壓採集電路包括電壓採集晶片U5以及與所述電 壓採集晶片U5連接的數據隔離晶片U4 ;所述電壓採集晶片U5通過電壓採集埠連接所述 電池組，同時連接有多個工作模式選擇端；同時，所述電壓採集晶片U5的電壓採集埠通 過電容接地，且與所述電池組的單個電池之間串接有電阻。
3. 如權利要求2所述的電動汽車電池組能量均衡控制系統，其特徵在於：所述電壓採 集晶片U5通過埠 CSBI連接所述數據隔離晶片U4的埠 VOA，通過埠 SDO連接所述數 據隔離晶片U4的埠 VID，通過埠 SDI連接所述數據隔離晶片U4的埠 VOB，通過埠 SCKI連接所述數據隔離晶片U4的VOC埠； 所述電壓採集晶片U5的埠 VREG通過電容C20接地，埠 VREF通過電容C21也接地， 埠 NC接地。
4. 如權利要求1所述的電動汽車電池組能量均衡控制系統，其特徵在於：所述總線 電流採集模塊由電流採集電路組成，所述電流採集電路包括電流採集晶片U1、運算放大器 U2、電流傳感器SEN1以及電壓跟隨器； 所述運算放大器U2與所述電流採集晶片U1連接，同時還與所述電流傳感器SEN1的輸 出端連接； 所述電流傳感器SEN1採用閉環霍爾式電流傳感器，其輸出端與地之間串聯有電阻 R22 ;所述電壓跟隨器連接於所述電流傳感器與模數轉換器ADC之間。
5. 如權利要求4所述的電動汽車電池組能量均衡控制系統，其特徵在於：所述模數轉 換器ADC採用可採集正負電壓的模數轉換器。
【文檔編號】H02J7/00GK204089224SQ201420105781
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】簡煒, 陳宇峰, 江學煥, 張金亮, 張濤, 向鄭濤, 王思山, 周鵬, 史小平 申請人:湖北汽車工業學院