一種電動汽車的電池能量管理裝置的製作方法

2024-03-08 21:10:15 1

專利名稱：一種電動汽車的電池能量管理裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動汽車的電池能量管理裝置。
背景技術：
隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關注的焦點。國內已經掀 起研製各種電動汽車的熱潮。鋰動力電池具有較高的比能量密度與比功率，大大降低了車 載電池組的重量，無記憶效應，可重複充電次數多，使用壽命較長等優點成為動力電能的首 選。電池目前仍然是電動汽車商業化發展的瓶頸。為安全高效地使用電池，研製與電池配 套使用的電池能量管理系統意義十分重要。作為一種新型動力技術，鋰動力電池在使用中必須串聯才能達到使用電壓的需 求，但是由於鋰電池具有明顯的非線性、不一致性和時變性，因此在應用時需要進行一定 的管理。另外鋰電池對充放電要求很高，當出現過充電、過放電、放電電流過大或電路短路 時，會使鋰電池溫度上升，嚴重破壞鋰電池性能，導致電池壽命縮短。當鋰電池串聯使用於 動力設備中時，由於各單格鋰電池內部特性的不一致，會導致各單格鋰電池充放電的不一 致。某單格性能惡化時，整個電池組的行為都會受到此電池的限制，降低整體電池組性能。 為使鋰電池組能夠最大程度地發揮其優越性能，延長使用壽命，必須對鋰電池在充放電時 進行實時監控，提供過壓/過流/溫度保護和電池間能量均衡。
實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，提供一種安裝在車上的可對鋰動力電池進行 實時監測，並能夠按照鋰動力電池的充放電要求進行適當控制的電動汽車鋰動力電池能量
管理系統。一種電動汽車的電池能量管理裝置，它包括電動汽車電源系統，所述電動汽車電 源系統通過數據總線與接口電路連接，所述接口電路與微控制器和通信模塊依次連接，所 述微控制器還分別與顯示模塊和報警模塊連接。所述電動汽車電源系統包括多個並聯的電池組，每個電池組包括多個串聯的集成 鋰動力電池系統。所述集成鋰動力電池系統包括單格鋰動力電池和電池控制檢測裝置，其中，所述 電池控制檢測裝置包括控制晶片，所述控制晶片、驅動電路、充放電控制電路和單格鋰動力 電池依次連接；所述控制晶片還通過檢測模塊與單格鋰動力電池連接。所述檢測模塊包括電流檢測、溫度檢測和電壓檢測，它們均分別與控制晶片和單 格鋰動力電池連接。一種電動汽車的電池能量管理方法，該管理方法如下Stepl 初始化電動汽車電源系統及通信模塊、顯示模塊、接口模塊和報警模塊；Step2:判斷電源系統是否有外接電源，如有外接電源說明該系統在充電，進入 st印3繼續執行；反之則說明該系統在放電，進入st印4繼續執行；Step3:檢測每個單格鋰動力電池的電壓電流信號，根據檢測的電壓電流信號，微
3控制器控制每個能量傳輸模塊輸入電壓和電流信號；Step4:檢測每個單格鋰動力電池的電壓電流信號，根據檢測的電壓電流信號，微 控制器控制每個能量傳輸模塊的輸出電壓和電流的信號；St印5 微控制器根據輸入/輸出電壓和電流信號，判斷充/放電是否完畢；Step6:如是充電，微控制器則判斷所有單格鋰動力電池是否充滿，如充滿則關閉 鋰動力電池組及報警提示，反之則返回step3繼續執行；如是放電，微控制器則判斷所有單 格鋰動力電池是否放電完畢，如放電完畢則關閉鋰動力電池組及報警提示，反之進入st印4 繼續執行。所述的每個單格鋰動力電池充放電控制方法如下Stepl 控制晶片檢測鋰動力電池的電壓、電流和溫度信號；Step2 控制晶片與微控制器通信，獲得控制單格鋰動力電池的電壓電流信號；St印3 根據獲得的電壓電流信號，控制晶片判斷鋰動力電池是否處於充電狀態；Step4:如是充電狀態，則判斷是否是涓流預充電狀態，如是涓流預充電狀態則進 行涓流預充電一定時間後返回stepl ；如不是涓流預充電狀態則判斷是否是處於恆流充電 狀態，如是則進行恆流充電一定時間後返回stepl ；如不是恆流充電狀態則判斷是否處於 恆壓充電狀態，如是則進行恆壓充電一定時間後返回stepl ；如不是恆壓充電狀態，則判斷 是否是脈衝補充電狀態，如是則脈衝補充充電一定時間後返回stepl，反之結束本單格電池 充電過程；St印5 如不是充電狀態，則判斷是否是處於強制放電狀態，如不是返回stepl ；如 是則判斷電壓是否超過限定值，如未超過設定限定值則放電一定時間後返回stepl ；如超 過設定限定值，則停止放電，結束本單格放電過程。本實用新型電動汽車動力管理管理系統具有以下優點1.電池監測控制電路可對電池及電池組的電壓、溫度、充電電流、放電電流等參 數進行實時監控，並對充放電電路作出適當的控制，以防止過充、過放，保證電池的使用安 全，有效的提高電池的使用壽命。2.充放電電路採用單格電池獨立充電方式，精確控制單格電池的充放電過程，防 止多次充放電後各單格鋰動力電池內部特性的不一致而導致各節鋰動力電池充放電的不 一致。某單格電池性能惡化時，整個電池組的行為都會受到此電池的限制，降低整體電池組 性能。3.每塊集成鋰動力電池的專用控制晶片都有唯一的地址編碼，微處理器可以對其 進行信息的讀寫，以採集信息和控制驅動電路。4.對每個鋰動力電池可以利用電池充放電控制電路隔離，防止其在充放電時電流 過大，過充電或過放電，當其被隔離後必然引起本組電池的電壓和其他電池組的電壓不一 致。可以由微處理器發出控制命令，根據各組中的檢測的電壓和溫度信號將其他各組中相 應數量的較差的鋰動力電池主動隔離，使得鋰動力電池組保持的端電壓相同，不能產生環 流消耗能量。5.當隔離掉一個或k個電池後端電壓會降低，在放電過程中對電池組的影響較 小，但在充電時需要降低充電電壓，防止充電電流過大對鋰電池造成不可恢復的傷害。可以 對根據檢測的信號控制能量傳輸控制模塊，進行變電壓/變電流控制。[0029]6.電池監測/控制電路具有通信功能，能及時的將電池狀態參數傳輸到主控E⑶， 並在顯示儀錶盤顯示相應的電量、電流、電壓、溫度信息。當完成充電或放電時可以進行報 警以便及時的充電或斷開電源。內部的存儲單元可以存儲每塊鋰動力電池的狀態信息，以 便對電池進行維護。

圖1為本實用新型電動汽車鋰動力電池能量管理系統的原理示意圖；圖2單格鋰動力電池系統示意圖；圖3鋰動力電池常規充電法時序圖；圖4鋰動力電池控制系統充電時序圖；圖5 鋰動力電池的不同放電電流下放電特性曲線圖6電動汽車電源控制系統微控制器的控制程序流程圖；圖7單格鋰動力電池的控制流程圖；其中，1、電池控制檢測裝置，2、單格鋰動力電池，3、能量傳輸控制模塊，4、數據總 線，5、接口電路，6、顯示模塊，7、微控制器，8、通信模塊，9、報警模塊，10、能量傳輸線，11、 MCU晶片，12、電流檢測電路，13、溫度檢測電路，14、電壓檢測電路，15、驅動電路，16、充放電 控制電路。
具體實施方式
以下結合附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明如圖1，本實用新型電動汽車動力電源管理系統包括鋰動力電池控制檢測裝置 1、單格鋰動力電池2，接口電路5、微控制器7、顯示模塊6、報警模塊9和通信模塊8等。其中，鋰動力電池控制檢測裝置1可實時監測單格鋰動力電池2的電壓、充放電電 流及溫度等參數，把信號通過數據總線4和接口電路5輸入到微控制器7，微控制器7控制 能量傳輸控制模塊3調節經過能量傳輸線10傳送的電壓電流。N個集成鋰動力電池系統串聯組成一組電池，所串聯的個數根據系統的電壓選擇， M個電池組並聯組成MXN的電動汽車電源系統，每個集成鋰動力電池系統都通過數據總線 4與接口電路5輸入信息到電動汽車電源控制系統微控制器7。鋰動力電池控制檢測裝置1和單格鋰動力電池2組成集成鋰動力電池系統，該系 統的原理方塊圖如圖2所示主要由專用MCU晶片11、電流檢測電路12、溫度檢測電路13、 電壓檢測電路14、驅動電路15、充放電控制電路16和單格鋰動力電池2組成，它可以通過 數據總線4和接口電路5與電源控制系統微控制器7相聯。其中專用MCU晶片可以採用 Maxim公司的DS2784或DS2786或者Microchip公司的AN1260，專用MCU晶片集成了電壓 檢測，溫度檢測電路，電流檢測只需要加一個分流器就行。電流檢測電路12對電池的充放電電流進行檢測並提供信號到專用MCU晶片11。溫度檢測電路13對電池的溫度進行檢測，在充電過程當溫度過高時自動停止充 電，在放電過程中當溫度過高時限制電流的大小。電壓檢測電路14對電池的電壓進行檢測，根據鋰動力電池的電壓決定充電階段 是預充狀態、恆流充電和恆壓充電階段。
5[0046]充放電控制電路16，受驅動電路15驅動來完成電能的雙向傳輸控制。專用MCU晶片11採集的鋰電池的狀態信息通過總線和接口電路5傳輸到電源控 制系統微控制器7進行處理，控制整個電池組的充放電過程，顯示整個過程中的信息。由於專用MCU晶片11在鋰動力電池的充放電過程中是實時監測的，所以其還具有 以下功能1.對電池的容量預測根據對電池容量的監測，可實時得出單格電池的剩餘容量並送到微控制器進行顯 示，根據記錄數據可以調整電池的組合方式，在電池的充電過程中可以記錄並顯示每單體 電池的充電時間、放電時間，從而優化電池組的方案，防止由於同組使用的各單體電池特性 不一致或組合封裝時初始狀態不一致，所導致電池組整體特性急劇衰退和部分電池的加 速損壞。為此，在電池進行多個串並聯使用時，必須進行有效地配組。使電池組發揮最佳 的效率，同時還可以顯示容量底限需充電的提示；2.對電池的自檢功能通過電壓、電流、溫度等數據參數，能分析電池是否正常工作，並能自動進行系統 自檢，如有故障，發出故障信號到微控制器，並切斷動力電源開關。3.故障預警在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數，判斷電池的有效性，若發現系統中有 電池失效或是將要失效或是與其它電池不一致性增大，則通過總線傳送到微控制器，並顯
示故障。4.外電路故障保護當外部電路出現嚴重故障或失效時，系統能產生安全保護，使電池不致過放、過 充、短路等。按照鋰動力電池組的充電過程的要求，常規充電法是按預充電、恆流充電、恆壓充 電三個階段進行的，如圖3所示。圖中只是定性的描述了常規充電方法中鋰動力電池的充 電電流電壓隨充電過程的變化曲線，實線表示充電過程中的電流變化曲線；虛線表示充電 過程中的端電壓變化曲線。為了既提高鋰動力電池充電速度，又避免充電過程中產生過充和過熱、使極板活 性物質脫落損壞，本實用新型中鋰動力電池採用四階段的充電方式涓流預充電、快速恆 流充電、恆壓充電、脈衝補充電，如圖4所示。圖中陰影部分表示充電的能量變化；實線表示 充電過程中充電電壓的變化過程曲線；虛線表示充電過程中充電電流的變化曲線。在圖中 只是定性的表述不同的充電階段隨充電時間變化鋰動力電池的電壓電流變化趨勢。1.涓流預充電階段若鋰動力電池在充電初期如已處於深度放電狀態，為避免對蓄電池充電電流過 大，造成熱失控，微處理器通過監測蓄電池的電壓，對蓄電池實行穩定小電流涓流充電。 在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則 轉入快速充電階段。2.快速恆流充電階段該階段為大電流恆流充電，充電電流大小因蓄電池容量而異，一般為0. IC (C 為蓄電池組的容量)，當電壓上升至恆壓電壓閾值時，則轉入恆壓階段。[0063]3.恆壓充電該階段為恆壓充電，電壓值是取決於蓄電池節數與蓄電池溫度。這時充電電流逐 漸減小，當電流下降至某一閾值時，自動轉入脈衝補充電。4.脈衝補充電該階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，當充電電壓達到設定最大值 時，此時標誌著充電過程結束。比較兩種充電方法可以看出本實用新型中用的方法更符合鋰動力電池的充電過 程原理實現快速安全的充電，能夠更好的保護鋰電池，發揮鋰動力電池的優越性能，延長使 用壽命。鋰動力電池的放電過程是個複雜的電化學變化過程，放電過程受到電池溫度、放 電率、自放電、充放電循環次數等多種因素的影響，使得對於放電過程中控制十分困難。圖5為鋰動力電池的不同放電電流下放電特性曲線。(1)鋰動力電池具有很好的帶負載能力，最大可安全的提供3C的放電電流。(2)不同的放電電流對電壓和電量的影響不同，能夠輸出的有效電量也相差很大。(3)放電到3V左右，電池電量已經基本輸出完畢。根據放電特性，本設計中將採用合適的放電管理和保護技術實現對放電過程的管理。圖6給出了電動汽車電源控制系統微控制器的控制程序流程圖，電源控制系統微 控制器的控制步驟如下Stepl 進行初始化，完成對電源控制系統微控制器7的初始化，進行通信模塊8， 顯示模塊6、接口模塊5、報警模塊9的初始化，檢測各系統的狀態；St印2 採集各單格鋰動力電池2的電壓、電流、溫度信號，顯示電池的當前狀態， 根據採集的信息，設置充電(或放電)時各組能量傳輸控制模塊3的電壓電流大小方向；Step3 進行充電狀態還是放電狀態；如是充電，微控制器則判斷所有單格鋰動力電池是否充滿，如充滿則關閉鋰動力 電池組及報警提示，反之則返回step2繼續執行；如是放電，微控制器則判斷所有單格鋰動 力電池是否放電完畢，如放電完畢則關閉鋰動力電池組及報警提示，反之進入St印2繼續 執行。鋰動力電池控制檢測裝置的專用控制晶片程序流程圖7，實現了對每一個單格鋰 動力電池2的充放電過程控制。Stepl 上電初始化，與系統的微控制器進行通信設定，接收微控制器發來的控制 信號，對各鋰動力電池控制檢測裝置1進行初始化設定；St印2 檢測鋰動力電池的電壓、電流、溫度等傳到鋰動力電池控制檢測裝置1，根 據電動汽車電源控制系統微控制器7的通過接口電路5對鋰動力電池控制檢測裝置1的狀 態設置，判斷是進行充電、放電；Step3:如是充電狀態，則判斷是否是涓流預充電狀態，如是涓流預充電狀態則進 行涓流預充電一定時間如5秒後返回step2 ；如不是涓流預充電狀態則判斷是否是處於恆 流充電狀態，如是則進行恆流充電一定時間如10秒後返回step2 ；如不是恆流充電狀態則 判斷是否處於恆壓充電狀態，如是則進行恆壓充電一定時間如5秒後返回step2 ；如不是恆
7壓充電狀態，則判斷是否是脈衝補充電狀態，如是則脈衝補充充電一定時間如3秒完成後 返回step2，反之結束本單格電池充電過程；St印4 如不是充電狀態，則判斷是否是處於強制放電狀態，如不是返回St印2 ；如 是則進行判斷電壓是否超過限定值，如不是超過設定限定值則放電一定時間如10秒後返 回step2 ；如超過設定閾值，則停止放電，結束本單格放電過程。充電時根據檢測的電壓、電流、溫度進行控制充電的四個不同過程；放電時根據檢測的電壓、電流、溫度控制放電過程保護電池，防止過放電或短路故 障。上述實例只是體現本實用新型技術方案的優選方案，本技術領域的技術人員對其 中的某些部分所可能做出的一些變動均體現了本實用新型的原理，屬於本實用新型的保護 範圍之內。
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權利要求一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特徵在於它包括電動汽車電源系統，所述電動汽車電源系統通過數據總線與接口電路連接，所述接口電路與微控制器和通信模塊依次連接，所述微控制器還分別與顯示模塊和報警模塊連接。
2.根據權利要求1所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特徵在於所述電動 汽車電源系統包括多個並聯的電池組，每個電池組包括多個串聯的集成鋰動力電池系統。
3.根據權利要求2所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特徵在於所述集成 鋰動力電池系統包括單格鋰動力電池和電池控制檢測裝置，其中，所述電池控制檢測裝置 包括控制晶片，所述控制晶片、驅動電路、充放電控制電路和單格鋰動力電池依次連接；所 述控制晶片還通過檢測模塊與單格鋰動力電池連接。
4.根據權利要求3所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特徵在於所述檢測 模塊包括電流檢測、溫度檢測和電壓檢測，它們均分別與控制晶片和單格鋰動力電池連接。
專利摘要本實用新型公開了一種電動汽車的鋰動力電池能量管理裝置，提供一種安裝在車上的可對鋰動力電池進行實時監測，並能夠按照鋰動力電池的充放電要求進行適當控制的電動汽車鋰動力電池能量管理系統。本實用新型中每個集成鋰動力電池由專用控制晶片控制，充電過程採用涓流預充電、快速恆流充電、恆壓充電和脈衝補充充電四階段法。放電過程採用均衡放電控制，有利於輸出電壓的穩定，使電動汽車運行平順性好。專用控制晶片都有唯一的地址編碼，系統的微處理器可以對專用晶片進行信息的讀寫。根據採集的電池電壓、充放電電流、溫度信息控制系統的能量傳輸控制模塊的電壓變化，達到各組鋰動力電池充放電過程平衡。
文檔編號H01M10/44GK201732849SQ20102019275
公開日2011年2月2日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者包春江, 周榮娥, 惠鴻忠, 楚曉華, 閆士界, 陳衛國 申請人:臨清迅發電器有限責任公司;聊城大學