一種帶主動均衡系統的電池管理系統的製作方法
2023-05-05 10:37:06
一種帶主動均衡系統的電池管理系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶主動均衡系統的電池管理系統，包括單片機控制電路，以及分別與所述單片機控制電路連接的主動均衡系統和數據採集系統，所述主動均衡系統包括繼電器選通開關、補充充電單元、補充放電單元和數字模擬開關，所述數據採集系統包括單體電池電壓採集單元，所述單體電池電壓採集單元包括集成運放電路和數字模擬開關。本發明電池管理系統中的均衡系統具有補充充電單元和補充放電單元，從而能夠實現對電池組中每節單體電池的電壓進行均衡管理，進而能夠避免電池組中的單體電池出現過充電或過放電的現象，本發明電池管理系統在通信、電力、交通和新能源方面均具有廣泛的應用，對於維護電池組的正常運行具有十分重要意義。
【專利說明】一種帶主動均衡系統的電池管理系統
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電池管理系統，尤其是涉及一種帶主動均衡系統的電池管理系 統。
【背景技術】
[0002] 作為重要儲能工具的電池，由於單節電池電壓很低，通常需要串聯組成電池組才 能滿足電壓要求。在電池組的使用中最怕的就是單體電池過充電和過放電，一旦出現這種 狀況，電池就要損壞，容量降低，壽命減少，嚴重情況下還會發生爆裂和起火燃燒。
[0003] 因此，電池在使用中，哪怕是一節電池，都要進行電池管理，都要配置電池管理系 統。這是保障電池使用安全、使用性能和使用壽命必不可少的措施。電池在串聯成電池組使 用時，更容易發生單體電池過充電或過放電現象，其根源在於電池的一致性誤差所引起的。 電池組中的單體電池，由於電池的製造和使用條件不同，其使用特性是存在差異的，即單體 電池與單體電池在不同的溫度、不同的充、放電倍率、不同的荷電狀態、不同的使用歷程等 的條件下，其電壓、容量、內阻和自放電率存在差異，而這些差異如果在充、放電過程中沒有 得到應有的控制，將進一步加大，導致部分電池發生過充、放電現象，這些電池的容量和壽 命會急劇下降，最終導致事故的發生。
[0004] 傳統電池管理系統一般具有電池電壓檢測單元、電流檢測單元和溫度檢測單元， 還包含高低壓、高低溫和過流的告警功能，該電池管理系統基本上只是對電池組的運行狀 態進行監測，隨著新能源和電動汽車的快速發展，近幾年來，包含電池均衡功能的電池管理 系統具有越來越大的市場需求，但大多數帶均衡系統的電池管理系統只針對整個電池組進 行均衡管理，並不涉及對電池組中每節單體電池的管理控制，因此一種能對電池組中每節 單體電池進行均衡管理的電池管理系統的開發很有必要。
【發明內容】
[0005] 發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種能對電池組中每節單體電池進 行均衡管理的電池管理系統，該電池管理系統中的均衡系統具有補充充電單元和補充放電 單元，能夠避免電池組中單體電池出現過充電或過放電的現象發生。
[0006]
【發明內容】
：為實現上述發明目的，本發明所採用的技術手段為：
[0007]-種帶主動均衡系統的電池管理系統，包括單片機控制電路，以及分別與所述單 片機控制電路連接的主動均衡系統和數據採集系統，所述主動均衡系統包括繼電器選通開 關、補充充電單元、補充放電單元和數字模擬開關，所述數據採集系統包括單體電池電壓採 集單元，所述單體電池電壓採集單元包括集成運放電路和數字模擬開關。
[0008]作為優選，還包括與所述單片機控制電路連接的溫度採集單元、電源單元、顯示單 元、告警單元和通訊單元。
[0009] 其中，所述單片機控制電路的單片機型號為STM32F101RB，單片機包括PB埠的 PB0、PB1、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9 引腳，PC埠的PC0、PC7、PC8、PC9、PC10、PC11 引腳，單 片機的PB2引腳串聯100K電阻接地，單片機的引腳3和引腳4分別連接電容C2與電容C3 後接地，在引腳3和引腳4之間並聯有晶振CRY1，單片機的引腳5和引腳6分別連接電容 C4與電容C5後接地，在引腳5和引腳6之間並聯有晶振CRY2,單片機的引腳7分別連接電 阻R11的一端和電容C1的一端，電阻R11的另一端接5V電壓端，電容C1的另一端接地，單 片機的引腳1分別連接電池的正極和電容C12的一端，電池的負極和電容C12的另一端接 地，單片機的引腳31、引腳47、引腳63、引腳18和引腳12接地。
[0010] 其中，所述主動均衡系統包括多個繼電器選通開關，電池組中每個單體電池對應 一個繼電器選通開關，多個繼電器選通開關相互並聯，每個所述繼電器選通開關一端連接 5V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過控制電路與數字模擬開關的引腳1連 接，所述控制電路包括電阻Rn，電阻心一端分別連接二極體的陰極和繼電器選通開關的控 制信號端，電阻Rn的另一端連接三極體的集電極，三極體的發射極分別連接接地端和二極 管的陽極，三極體的基極串聯電阻Rn+1後與數字模擬開關的引腳Yn連接；(Rn中的n指的是 電池組中的第幾節單體電池），（Yn 為YpY2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y1Q、Yn、Y12、Y13、Y14 和Y15 中的任意一個）
[0011] 所述主動均衡系統的數字模擬開關型號為74WC154,數字模擬開關的通道編碼引 腳A、B、C、D引腳分別連接單片機PB埠的PB5、PB6、PB7、PB8引腳，數字模擬開關的片選 控制引腳G1連接單片機PB埠的PB9引腳；
[0012] 所述主動均衡系統還包括補充充電單元，所述補充充電單元的輸出埠連接繼電 器選通開關，所述補充充電單元包括相互連接的充電電源Us和充電繼電器開關S1，充電繼 電器開關S1 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路與連 接單片機PB埠的PB0引腳連接，選通電路包括電阻R124，電阻R124-端分別連接二極體D1 的陰極和充電繼電器開關S1的控制信號端，電阻R124的另一端連接三極體Q1的集電極，三 極管Q1的發射極分別連接接地端和二極體D1的陽極，三極體Q1的基極串聯電阻R125後通 過控制引腳DR1與連接單片機PB埠的PB0引腳連接；
[0013] 所述主動均衡系統還包括補充放電單元，所述補充放電單元的輸入端連接繼電器 選通開關，所述補充放電單元包括相互連接的放電電阻和放電繼電器開關S2,放電繼電器 開關S2 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路連接單片 機PB埠的PB1引腳，選通電路包括電阻R126，電阻R126-端分別連接二極體D2的陰極和 放電繼電器開關S2的控制信號端，電阻R126的另一端連接三極體Q2的集電極，三極體Q2的 發射極分別連接接地端和二極體D2的陽極，三極體Q2的基極串聯電阻R127後通過控制引 腳DR2與連接單片機PB埠的PB1引腳連接。
[0014] 其中，所述數據採集系統中單體電池電壓採集單元的數字模擬開關型號為 74HC4067,模擬開關的通道編碼引腳S0、S1、S2、S3分別連接單片機PC埠的PC7、PC8、PC9、 PC10引腳，模擬開關片選引腳CS0連接單片機PC埠的PCI1引腳，模擬開關的輸出Z埠 連接單片機PC埠的PC0引腳；所述數據採集系統還包括集成運放電路，集成運放電路一 端連接待測單體電池的正、負極，集成運放電路的另一端連接數字模擬開關的引腳1(￥"為 A、Y2、Y3、Y4、Y5、Y6、Y7、Y8、Y9、Y1Q、Yn、Y12、Y13、Y14 和Y15 中的任意一個）。
[0015] 其中，所述集成運放電路的電阻R1-端連接待測單體電池的正極，電阻R1另一端 分別連接電阻R2的一端和集成運放器U1A的信號輸入同相端，電阻R2另一端接地；電阻R3 一端連接待測單體電池的負極，電阻R3另一端分別連接電阻R4的一端和集成運放器U1B的信號輸入同相端，電阻R4另一端接地；電阻R5-端接地，電阻R5另一端分別連接電阻R6 的一端和集成運放器U1B的信號輸入反相端，電阻R6另一端分別連接集成運放器U1B的信 號輸出端和電阻R7,集成運放器U1B的信號輸出端串聯電阻R7分別連接電阻R8的一端和 集成運放器U1A的信號輸入反相端，電阻R8的另一端分別連接集成運放器U1A的信號輸出 端和電阻R9的一端，電阻R9的另一端分別連接二極體Dn的陽極、二極體Dn+1的陰極和數字 模擬開關的引腳Yn，二極體Dn的陰極接5V電壓端，二極體Dn+1的陽極接地，集成運放器U1A 的工作電壓端分別接正15V和負15V的工作電壓。（Dn中的n指的是電池組中的第幾節單 體電池）
[0016] 其中，所述數據採集系統還包括電池組端電壓採集單元和電池組的充放電電流採 集單元，所述電池組充放電電流採集單元採用自識別電流方向的差分運放電路。
[0017] 有益效果：相比於現有技術，本發明電池管理系統中的均衡系統具有補充充電單 元和補充放電單元，從而能夠實現對電池組中每節單體電池的電壓進行均衡管理，進而能 夠避免電池組中的單體電池出現過充電或過放電的現象，在系統大電流充電穩定後，利用 小電流對部分電壓低的電池補充充電，對部分電壓高的的電池補充放電，從而達到對電池 組中每節單體電池電壓均能均衡管理的目的，進而能夠使電池組正常高效的運行，本發明 電池管理系統在通信、電力、交通和新能源方面均具有廣泛的應用，對於維護電池組的正常 運行具有十分重要意義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明電池管理系統的系統框圖；
[0019] 圖2為本發明電池管理系統中單片機控制電路的電路圖；
[0020] 圖3為本發明電池管理系統中主動均衡系統的電路圖；
[0021] 圖4為本發明電池管理系統中單體電池電壓採集單元的電路圖；
[0022] 圖5為差分運放線性直接採樣電路原理圖；
[0023] 圖6為本發明電池管理系統的主動均衡系統的實施原理圖；
[0024] 圖7為數據採集系統中電池組充放電電流採集單元的電路圖；
[0025] 圖8為數據採集系統中電池組端電壓採集單元的電路圖。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術內容作進一步詳細說明。
[0027] 如圖1?6所示，本發明的帶主動均衡系統的電池管理系統，包括單片機控制電 路，以及分別與單片機控制電路連接的主動均衡系統和數據採集系統，主動均衡系統包括 繼電器選通開關、補充充電單元、補充放電單元和數字模擬開關，數據採集系統包括單體電 池電壓採集單元，所述單體電池電壓採集單元包括集成運放電路和數字模擬開關。
[0028] 本發明的電池管理系統還包括與單片機控制電路連接的溫度採集單元、電源單 元、顯示單元、告警單元和通訊單元，溫度採集單元包括多級溫度檢測單元和風機控制單 元，電源單元包括通訊隔離電源單元、控制電源單元、工作電源單元和補充充電電源單元， 顯示單元包括數據顯示單元、狀態指示單元和參數設置單元，告警單元包括聲音報警單元、 指示燈報警單元和報警傳送單元，通訊單元包括隔離通訊單元、人機界面單元和DCS後臺 監控單元。
[0029] 單片機控制電路採用基於ARM核心的32位微控制器，單片機控制電路的單片機型 號為STM3 2F101RB，單片機包括PB埠的PB0、PB1、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9 引腳，PC埠的 PC0、PC7、PC8、PC9、PC10、PC11引腳，單片機的PB2引腳串聯100K電阻接地，單片機的引腳 3和引腳4分別連接電容C2與電容C3後接地，在引腳3和引腳4之間並聯有晶振CRY1，單 片機的引腳5和引腳6分別連接電容C4與電容C5後接地，在引腳5和引腳6之間並聯有 晶振CRY2,單片機的引腳7分別連接電阻R11的一端和電容C1的一端，電阻R11的另一端 接5V電壓端，電容C1的另一端接地，單片機的引腳1分別連接電池的正極和電容C12的一 端，電池的負極和電容C12的另一端接地，單片機的引腳31、引腳47、引腳63、引腳18和引 腳12接地。
[0030] 主動均衡系統包括多個繼電器選通開關，電池組中每個單體電池對應一個繼電器 選通開關，多個繼電器選通開關相互並聯，每個所述繼電器選通開關一端連接5V電源端， 另一端連接控制信號端，控制信號端通過控制電路與數字模擬開關的引腳Yn連接，所述控 制電路包括電阻心，電阻Rn-端分別連接二極體的陰極和繼電器選通開關的控制信號端， 電阻Rn的另一端連接三極體的集電極，三極體的發射極分別連接接地端和二極體的陽極， 三極體的基極串聯電阻Rn+1後與數字模擬開關的引腳Yn連接；
[0031] 主動均衡系統的數字模擬開關型號為74WC154,數字模擬開關的通道編碼引腳A、 B、C、D引腳分別連接單片機PB埠的PB5、PB6、PB7、PB8引腳，數字模擬開關的片選控制 引腳G1連接單片機PB埠的PB9引腳；
[0032] 主動均衡系統還包括補充充電單元，所述補充充電單元的輸出埠連接繼電器選 通開關，所述補充充電單元包括相互連接的充電電源Us和充電繼電器開關S1，充電繼電器 開關S1 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路與連接單 片機PB埠的PB0引腳連接，選通電路包括電阻R124，電阻R124 -端分別連接二極體D1的 陰極和充電繼電器開關S1的控制信號端，電阻R124的另一端連接三極體Q1的集電極，三極 管Q1的發射極分別連接接地端和二極體D1的陽極，三極體Q1的基極串聯電阻R125後通過 控制引腳DR1與連接單片機PB埠的PB0引腳連接；
[0033] 主動均衡系統還包括補充放電單元，所述補充放電單元的輸入端連接繼電器選通 開關，所述補充放電單元包括相互連接的放電電阻R2(l(l和放電繼電器開關S2,放電繼電器 開關S2 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路連接單片 機PB埠的PB1引腳，選通電路包括電阻R126，電阻R126-端分別連接二極體D2的陰極和 放電繼電器開關S2的控制信號端，電阻R126的另一端連接三極體Q2的集電極，三極體Q2的 發射極分別連接接地端和二極體D2的陽極，三極體Q2的基極串聯電阻R127後通過控制引 腳DR2與連接單片機PB埠的PB1引腳連接。
[0034] 數據採集系統中單體電池電壓採集單元的數字模擬開關型號為74HC4067,模擬開 關的通道編碼引腳SO、SI、S2、S3分別連接單片機PC埠的PC7、PC8、PC9、PC10引腳，模 擬開關片選引腳CS0連接單片機PC埠的PC11引腳，模擬開關的輸出Z埠連接單片機 PC埠的PC0引腳；所述數據採集系統還包括集成運放電路，集成運放電路一端連接待測 單體電池的正、負極，集成運放電路的另一端連接數字模擬開關的引腳Yn。
[0035] 單體電池電壓採集單元包括多個並列設置的集成運放電路，每個單體電池對應一 個集成運放電路，集成運放電路的電阻R1 -端連接待測單體電池的正極，電阻R1另一端分 別連接電阻R2的一端和集成運放器U1A的信號輸入同相端，電阻R2另一端接地；電阻R3 一端連接待測單體電池的負極，電阻R3另一端分別連接電阻R4的一端和集成運放器U1B 的信號輸入同相端，電阻R4另一端接地；電阻R5-端接地，電阻R5另一端分別連接電阻R6 的一端和集成運放器U1B的信號輸入反相端，電阻R6另一端分別連接集成運放器U1B的信 號輸出端和電阻R7,集成運放器U1B的信號輸出端串聯電阻R7分別連接電阻R8的一端和 集成運放器U1A的信號輸入反相端，電阻R8的另一端分別連接集成運放器U1A的信號輸出 端和電阻R9的一端，電阻R9的另一端分別連接二極體Dn的陽極、二極體Dn+1的陰極和數字 模擬開關的引腳Yn，二極體Dn的陰極接5V電壓端，二極體Dn+1的陽極接地，集成運放器U1A 的工作電壓端分別接正15V和負15V的工作電壓，集成運放器U1A的信號輸出端串聯電阻 R9輸出的電壓信號為U1。
[0036] 單體電池電壓採集單元採用差分運放線性直接採樣電路，電池組充放電電 流採集單元採用自識別電流方向的差分運放電路。差分運放線性直接採樣電路如 圖5所示，直接採樣法是為每個單體電池配置一個採集電路，電池電壓先經過電阻分 壓，然後經差分運放電路將轉換後的電壓通過數字模擬開關傳輸給單片機控制電路進 行AD轉換，根據運算放大器的特性，可以分析計算出經過採樣電路後的輸出電壓為：
【權利要求】
1. 一種帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：包括單片機控制電路，w及分 別與所述單片機控制電路連接的主動均衡系統和數據採集系統，所述主動均衡系統包括繼 電器選通開關、補充充電單元、補充放電單元和數字模擬開關，所述數據採集系統包括單體 電池電壓採集單元，所述單體電池電壓採集單元包括集成運放電路和數字模擬開關。
2. 根據權利要求1所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：還包括與所 述單片機控制電路連接的溫度採集單元、顯示單元、告警單元和通訊單元。
3. 根據權利要求1所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：所述單片機 控制電路的單片機型號為STM32F101RB，單片機包括PB埠的PB0、PB1、PB5、PB6、PB7、PB8、 PB9引腳，PC埠的口〇)、口〔7、口〔8、口〔9、口(：10、口(：11引腳，單片機的口82引腳串聯電阻接地， 單片機的引腳3和引腳4分別連接電容C2與電容C3後接地，在引腳3和引腳4之間並聯 有晶振CRY1，單片機的引腳5和引腳6分別連接電容C4與電容巧後接地，在引腳5和引 腳6之間並聯有晶振CRY2,單片機的引腳7分別連接電阻R11的一端和電容C1的一端，電 阻R11的另一端接5V電壓端，電容C1的另一端接地，單片機的引腳1分別連接電池的正極 和電容C12的一端，電池的負極和電容C12的另一端接地，單片機的引腳31、引腳47、引腳 63、引腳18和引腳12接地。
4. 根據權利要求3所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：所述主動均 衡系統包括多個繼電器選通開關，電池組中每個單體電池對應一個繼電器選通開關，多個 繼電器選通開關相互並聯，每個所述繼電器選通開關一端連接5V電源端，另一端連接控制 信號端，控制信號端通過控制電路與數字模擬開關的引腳Y。連接，所述控制電路包括電阻 R。，電阻R。一端分別連接二極體的陰極和繼電器選通開關的控制信號端，電阻R。的另一端 連接H極管的集電極，H極管的發射極分別連接接地端和二極體的陽極，H極管的基極串 聯電阻Rw後與數字模擬開關的引腳Y。連接； 所述主動均衡系統的數字模擬開關型號為74WC154,數字模擬開關的通道編碼引腳A、 B、C、D引腳分別連接單片機PB埠的PB5、PB6、PB7、PB8引腳，數字模擬開關的片選控制 引腳G1連接單片機PB埠的PB9引腳； 所述主動均衡系統還包括補充充電單元，所述補充充電單元的輸出埠連接繼電器選 通開關，所述補充充電單元包括相互連接的充電電源化和充電繼電器開關S1，充電繼電器 開關S1 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路與連接單 片機PB埠的PBO引腳連接，選通電路包括電阻Ri24,電阻Rm 一端分別連接二極體D1的 陰極和充電繼電器開關S1的控制信號端，電阻Ri24的另一端連接H極管Q1的集電極，H極 管Q1的發射極分別連接接地端和二極體D1的陽極，H極管Q1的基極串聯電阻Ri25後通過 控制引腳DR1與連接單片機PB埠的PBO引腳連接； 所述主動均衡系統還包括補充放電單元，所述補充放電單元的輸入端連接繼電器選通 開關，所述補充放電單元包括相互連接的放電電阻Rw。和放電繼電器開關S2,放電繼電器 開關S2 -端連接15V電源端，另一端連接控制信號端，控制信號端通過選通電路連接單片 機PB埠的PB1引腳，選通電路包括電阻Riw，電阻Rise 一端分別連接二極體D2的陰極和 放電繼電器開關S2的控制信號端，電阻Ri2e的另一端連接H極管Q2的集電極，H極管Q2的 發射極分別連接接地端和二極體D2的陽極，H極管Q2的基極串聯電阻Ri2,後通過控制引 腳DR2與連接單片機PB埠的PB1引腳連接。
5. 根據權利要求1所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：所述數據採 集系統中單體電池電壓採集單元的數字模擬開關型號為74肥4067,模擬開關的通道編碼引 腳SO、S1、S2、S3分別連接單片機PC埠的PC7、PC8、PC9、PC10引腳，模擬開關片選引腳 CS0連接單片機PC埠的PC11引腳，模擬開關的輸出Z埠連接單片機PC埠的PC0引 腳；所述數據採集系統還包括集成運放電路，集成運放電路一端連接待測單體電池的正、負 極，集成運放電路的另一端連接數字模擬開關的引腳Y。。
6. 根據權利要求5所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：所述集成運 放電路的電阻R1 -端連接待測單體電池的正極，電阻R1另一端分別連接電阻R2的一端和 集成運放器U1A的信號輸入同相端，電阻R2另一端接地；電阻R3-端連接待測單體電池的 負極，電阻R3另一端分別連接電阻R4的一端和集成運放器U1B的信號輸入同相端，電阻R4 另一端接地；電阻R5 -端接地，電阻R5另一端分別連接電阻R6的一端和集成運放器U1B 的信號輸入反相端，電阻R6另一端分別連接集成運放器U1B的信號輸出端和電阻R7,集成 運放器U1B的信號輸出端串聯電阻R7分別連接電阻R8的一端和集成運放器U1A的信號輸 入反相端，電阻R8的另一端分別連接集成運放器U1A的信號輸出端和電阻R9的一端，電阻 R9的另一端分別連接二極體D。的陽極、二極體Dw的陰極和數字模擬開關的引腳Y。，二極 管D。的陰極接5V電壓端，二極體Dw的陽極接地，集成運放器U1A的工作電壓端分別接正 15V和負15V的工作電壓。
7. 根據權利要求1所述的帶主動均衡系統的電池管理系統，其特徵在於：所述數據採 集系統還包括電池組端電壓採集單元和電池組的充放電電流採集單元。
【文檔編號】H02J7/00GK104348234SQ201410675892
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年11月21日 優先權日:2014年11月21日
【發明者】陳文波 申請人:南京國臣信息自動化技術有限公司