一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法
2023-05-08 06:33:36 1
一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法，該鋰電池保護記錄儀包括：通訊接口電路，通訊接口電路跟上位機軟體相連接，將鋰電池保護記錄儀上發生的所有事件生成文檔。一個微處理器作為主機，另一個微處理器作為從機；主機與從機是在中斷中進行SPI通信交換電壓，均衡等運行時數據。從機會將所採集的電壓、溫度數據傳給主機，主機也會將綜合處理後的電池狀態，均衡信息傳遞給從機。主機與外圍設備通信也是在中斷函數中進行。通過該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀可以使得容量計算更準確，均衡控制更靈活，電芯兼容性更好等優勢，使鋰電池組的容量能夠得到充分利用，長期使用時能夠有效提高電池組的使用壽命，減少故障產生。
【專利說明】一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及鋰電池領域，尤其涉及一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法。
【背景技術】
[0002]鉛酸電池的使用已經有幾十年的歷史，大量使用鉛酸電池的不足之處也越來愈突出，如:汙染嚴重、使用壽命短、循環次數少、體積重量大等問題。而鋰電池可以彌補這些不足，近幾年隨著鋰電池的技術工藝不斷完善以及國家對新能源的開發鼓勵，鋰離子電池逐漸開始為人們熟知並開始批量應用到各種行業，如:電動自行車電池、電動汽車、數碼產品。但是鋰電池也有先天的不足就是鋰元素是一種非常活躍的元素，很不穩定。鋰電池如果短路、過放、過充都會影響電池的安全和使用壽命，所以鋰電池保護管理系統的作用就顯得尤為重要。
[0003]目前鋰電池保護板的技術方案，都是基於一顆電池管理晶片配合外圍的元器件來設計的，如:T1、精工、理光等廠家的標準晶片，這些晶片本身都固化了基本的保護功能，用戶不能配置過壓保護恢復的電壓值，欠壓保護恢復的電壓值，充放電高溫保護及恢復的溫度點，充放電過流過載及短路的電流值，休眠延時等這些跟鋰電池相關的參數。所有用戶無法修改晶片的功能，十分不方便。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀及其控制方法，本發明能夠有效提高電池組的使用壽命，減少故障產生，使用數字式核心，詳見下文描述:
[0005]一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，包括:兩個微處理器，一個微處理器作為主機，另一個微處理器作為從機；
[0006]所述主機電連接電流檢測電路、第一電池均衡電路、第一溫度採樣電路和MOS驅動電路，所述第一電池均衡電路將每節電池的電壓傳輸給所述主機；所述電流檢測電路將每節電池的電流傳輸給所述主機；所述第一溫度採樣電路將每節電池的溫度傳輸給所述主機；
[0007]所述從機電連接第二電池均衡電路和第二溫度採樣電路，第二電池均衡電路將每節電池的電壓傳輸給所述從機；所述第二溫度採樣電路將每節電池的溫度傳輸給所述從機；
[0008]所述鋰電池保護記錄儀還包括:通訊接口電路，所述通訊接口電路跟上位機軟體相連接，將所述鋰電池保護記錄儀上發生的所有事件生成文檔。
[0009]所述鋰電池保護記錄儀還包括:M0S驅動電路，
[0010]所述MOS驅動電路包括:充電MOS電路和放電MOS電路，其中，
[0011]所述充電MOS電路控制充電的開與關，
[0012]所述放電MOS電路控制放電的開與關。
[0013]所述鋰電池保護記錄儀還包括:休眠喚醒電路，所述休眠喚醒電路電連接所述主機。
[0014]所述鋰電池保護記錄儀還包括:時鐘模塊，所述時鐘模塊電連接所述主機。
[0015]所述鋰電池保護記錄儀還包括:外部數據存儲模塊，所述外部數據存儲模塊電連接所述主機。
[0016]所述通訊接口電路採用採用I2C總線、串口、LIN總線和SPI接口的四種通信方式。
[0017]所述主機與所述從機之間採用SPI接口進行數據整合；
[0018]多個所述鋰電池保護記錄儀之間採用SPI接口進行多個級聯通信；
[0019]所述主機通過I2C總線、串口或LIN總線為外圍設備提供電池的電量、電流狀態信息；
[0020]所述主機通過I2C總線、串口或LIN總線與上位機進行通信。
[0021]一種用於帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的控制方法，所述方法包括:
[0022]1、電壓和溫度的保護處理:
[0023]採集主機所負責的電池串的電壓和溫度，並接受由從機發來的電池串電壓和溫度；
[0024]充電時溫度超過50°C，充電MOS電路關斷充電開關，放電時溫度超過70°C，放電MOS電路關斷放電開關；若欠壓，則通過放電MOS電路關斷放電開關；若超壓，則通過充電MOS電路關斷充電開關；
[0025]2、電流的保護處理；
[0026]主機根據電壓以及電池狀態，進行均衡處理並向從機發送均衡命令，採集電流，進入電流保護處理；
[0027]若過載，過流，根據充放電狀態關閉充放電開關；
[0028]3、電量的保護處理；
[0029]根據電流及時間計算得到當前電量，最後將需要存儲的狀態信息儲存在外部數據存儲模塊，主機進入狀態判斷，如果有負載或是正在充電則進入下一次循環，如若沒有負載或者充電，主機則給從機發送休眠指令並進入休眠低功耗模式。
[0030]本發明提供的技術方案的有益效果是:通過該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀可以使得容量計算更準確，均衡控制更靈活，電芯兼容性更好等優勢，使用數字式控制核心，內置多種有效的鋰電池管理算法使鋰電池組的容量能夠得到充分利用，長期使用時能夠有效提聞電池組的使用壽命，減少故障廣生。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的安裝示意圖；
[0032]圖2為該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的結構示意圖；
[0033]圖3為該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的電路連接示意圖；
[0034]圖4為該帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的控制方法的流程圖。
[0035]附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
[0036]Ul:微處理器；U2:電壓均衡電路
[0037]U3:溫度採樣電路；U4:電流檢測電路；
[0038]U5:通訊接□電路；U6:M0S驅動電路；
[0039]U7:休眠喚醒電路；U8:時鐘模塊；
[0040]U9:外部數據存儲模塊；Ull:主機；
[0041]U12:從機；U21:第一串至第五串電池均衡電路；
[0042]U22:第六串至第十串電池均衡電路；U31:第一溫度採樣電路；
[0043]U32:第二溫度採樣電路；U61:充電MOS電路；
[0044]U62:放電 MOS 電路。
【具體實施方式】
[0045]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0046]一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，參見圖1、圖2和圖3，該鋰電池保護記錄儀包括:兩個微處理器Ul、兩個電壓均衡電路U2 (第一串至第五串電池均衡電路U21 (第一電壓均衡電路)，第六串至第十串電池均衡電路U22(第二電壓均衡電路)，其中，電壓均衡電路中的電池組的串數根據實際應用中的需要進行確定，本發明實施例是以五串為例進行說明)、2個溫度採樣電路U3 (第一溫度採樣電路U31，第二溫度採樣電路U32)、電流檢測電路U4、通訊接口電路U5和MOS驅動電路U6。通訊接口電路U5跟上位機軟體相連接，把鋰電池保護記錄儀上發生的所有事件生成文檔。一個微處理器Ul作為主機U11，另一個微處理器Ul作為從機U12。
[0047]其中，主機Ull電連接電流檢測電路U4、第一串至第五串電池均衡電路U21、第一溫度採樣電路U31和MOS驅動電路U6，第一串至第五串電池均衡電路U21將第一串至第五串電池組中每節電池的電壓傳輸給主機Ull ；電流檢測電路U4將第一串至第五串電池組中每節電池的電流傳輸給主機Ull ;第一溫度採樣電路U31將第一串至第五串電池組中每節電池的溫度傳輸給主機U11。主機Ull根據測量到的電壓、電流、溫度以及電池的特性進行綜合分析得到第一串至第五串電池組中每節電池的狀態並控制各電路進行相應的動作。
[0048]其中，從機U12電連接第六串至第十串電池均衡電路U22和第二溫度採樣電路U32，第六串至第十串電池均衡電路U22將第六串至第十串電池組中每節電池的電壓傳輸給從機U12 ;第二溫度採樣電路U32將第六串至第十串電池組中每節電池的溫度傳輸給從機 U12。
[0049]MOS驅動電路U6包括:充電MOS電路U61和放電MOS電路U62，充電MOS電路U61控制充電的開與關，放電MOS電路U62控制放電的開與關。
[0050]其中，微處理器Ul的型號為SH79F329。
[0051]參見圖3，該鋰電池保護記錄儀還包括:休眠喚醒電路U7，休眠喚醒電路U7電連接主機U11，當無負載且不充電時，該休眠喚醒電路U7將整個鋰電池保護記錄儀進入休眠工作狀態，以保障40uA以下的低功耗。當加上負載或充電時，休眠喚醒電路U7將喚醒整個鋰電池保護記錄儀進入正常工作狀態。
[0052]參見圖3，該鋰電池保護記錄儀還包括:時鐘模塊U8，時鐘模塊U8電連接主機U11，該時鐘模塊U8給鋰電池保護記錄儀提供當前準確時間。
[0053]參見圖3，該鋰電池保護記錄儀還包括:外部數據存儲模塊U9，外部數據存儲模塊U9電連接主機Ull，該外部數據存儲模塊U9會將發生的短路、過流、過載等運行狀態及相應的時間記錄進行存儲，以便外部設備或電腦進行讀取分析。
[0054]其中，通訊接口電路U5採用I2C總線、串口、LIN總線和SPI接口的四種通信方式。
[0055]I)主機Ull與從機U12之間採用SPI接口進行數據整合。
[0056]2)當電池組串連數量多時，鋰電池保護記錄儀和鋰電池保護記錄儀之間採用SPI接口進行多個級聯通信。
[0057]3)主機Ull與與外圍設備的通信:主機Ull通過I2C總線、串口或LIN總線為外圍設備提供電池的電量、電流等狀態信息。
[0058]4)主機Ull與上位機的通信:主機Ull通過I2C總線、串口或LIN總線與上位機進行通信，上位機能夠讀取電池的當前狀態信息，歷史狀態信息，能夠對保護板進行初始化參數設置。
[0059]該鋰電池保護記錄儀對每節電池都進行保護，每節電池電壓都不能超過充電限制電壓，當某節電池電壓達到充電限制電壓後，充電將停止，電池組不能充滿電。電壓均衡電路U2可以將電壓較高的電池進行均衡，使電池組的每串電壓處於一個近乎相等的狀態，防止了不能充滿電狀態的發生，提高了電池容量。
[0060]一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的控制方法，參見圖4，該鋰電池保護記錄儀根據需要會設置多片微處理器U1，需要區分主從關係。程序上電或者復位後，程序會根據復位狀態寄器，分辨是上電復位，還是運行時復位。上電復位需要初始化硬體和數據，運行時復位只需要校驗數據，檢查復位狀態，並將復位狀態記錄到外部存儲器作為運行日誌。復位處理完成後程序根據微處理器Ui的硬體地址進入主機程序或者從機程序。
[0061]主機Ull與從機U12是在中斷中進行SPI通信交換電壓，均衡等運行時數據。從機U12會將所採集的電壓、溫度數據傳給主機U11，主機Ull也會將綜合處理後的電池狀態，均衡信息傳遞給從機U12。主機Ull與外圍設備通信也是在中斷函數中進行。
[0062]一、電壓和溫度的保護處理
[0063]程序進入主機Ull程序後，首先採集主機Ull所負責的電池串的電壓和溫度並接受由從機U12發來的電池串電壓和溫度。經過綜合後，進入電壓和溫度狀態保護處理，若超溫，主機Ull則通過MOS驅動電路U6關斷充電和放電開關防止電池發生意外。若欠壓(檢測預充電壓〈2.5V，均衡自動開啟)，則通過放電MOS電路U62關斷放電開關防止過放；若超壓，則通過充電MOS電路U61關斷充電開關防止過壓。
[0064]S卩，充電時溫度超過50°C，充電MOS電路關斷充電開關，放電時溫度超過70°C，放電MOS電路關斷放電開關。
[0065]從機Ul2進入從機程序後，首先採集從機Ul2所負責電池串的電壓和溫度，採集完成後傳輸給主機U11。然後根據主機Ull發來的均衡信息(通過採集電壓差，分三個等級,O?20mV時不作處理,2OmV?10mV均衡等級I級，10mV?200mV均衡等級2級,大於200mV均衡等級3級)對電池進行均衡。檢測按鍵，如果有按鍵按下，則將主機Ull發送來的電量在指示燈上輸出。然後根據主機Ull發來的休眠指令確認是否需要進入休眠，如果不休眠餵過看門狗後進入下一個循環。二、電流的保護處理
[0066]電壓和溫度保護處理完成後，主機Ull根據電壓以及電池狀態，進行均衡處理並向從機U12發送均衡命令。然後採集電流，採集完成後，進入電流保護處理，如發現過載(當充電電流超過2A或放電電流超過5A時停止均衡)，過流等現象根據充放電狀態關閉充放電開關，短路保護是由硬體實現的，保證了響應的速度。
[0067]三、電量的保護處理
[0068]電流保護處理完成後進入電量統計處理，電量是採用的電流積分法，根據電流及時間計算得到當前電量。最後將本次循環需要存儲的狀態信息儲存在外部數據存儲模塊U9，存儲時會把當前時鐘一併存儲。最後主機Ull進入狀態判斷，如果有負載或是正在充電則進入下一次循環，如若不是主機Ull則給從機U12發送休眠指令並進入休眠。當重新有負載或者進行充電程序將會被喚醒繼續執行。程序的最後是餵狗，每個循環都需要餵狗一次,程序跑飛時能夠自動復位。
[0069]上述流程圖展示了軟體整體架構，詳細列出了軟體執行的具體流程，合理的軟體流程與嚴格的測試保證了程序的穩定性。軟體在程序中根據地址區分主機Ull與從機U12，使主機程序與從機程序共用一套程序，生產中不用區分主機Ull與從機U12，方便生產。程序實現了看門狗，在恰當的位置進行餵狗，保證了程序在強幹擾環境中可靠運行。在數據傳輸過程中使用了數據和校驗方式進行數據的檢驗，保證了數據傳輸的準確性。
[0070]本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0071]本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0072]以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，包括:兩個微處理器，其特徵在於，一個微處理器作為主機，另一個微處理器作為從機；所述主機電連接電流檢測電路、第一電池均衡電路、第一溫度採樣電路和MOS驅動電路，所述第一電池均衡電路將每節電池的電壓傳輸給所述主機；所述電流檢測電路將每節電池的電流傳輸給所述主機；所述第一溫度採樣電路將每節電池的溫度傳輸給所述主機；所述從機電連接第二電池均衡電路和第二溫度採樣電路，第二電池均衡電路將每節電池的電壓傳輸給所述從機；所述第二溫度採樣電路將每節電池的溫度傳輸給所述從機； 所述鋰電池保護記錄儀還包括:通訊接口電路，所述通訊接口電路跟上位機軟體相連接，將所述鋰電池保護記錄儀上發生的所有事件生成文檔。
2.根據權利要求1所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於，所述鋰電池保護記錄儀還包括:M0S驅動電路， 所述MOS驅動電路包括:充電MOS電路和放電MOS電路，其中， 所述充電MOS電路控制充電的開與關， 所述放電MOS電路控制放電的開與關。
3.根據權利要求1所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於，所述鋰電池保護記錄儀還包括:休眠喚醒電路，所述休眠喚醒電路電連接所述主機。
4.根據權利要求1所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於，所述鋰電池保護記錄儀還包括:時鐘模塊，所述時鐘模塊電連接所述主機。
5.根據權利要求1所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於，所述鋰電池保護記錄儀還包括:外部數據存儲模塊，所述外部數據存儲模塊電連接所述主機。
6.根據權利要求1所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於，所述通訊接口電路採用採用I2C總線、串口、LIN總線和SPI接口的四種通信方式。
7.根據權利要求6所述的一種帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀，其特徵在於， 所述主機與所述從機之間採用SPI接口進行數據整合； 多個所述鋰電池保護記錄儀之間採用SPI接口進行多個級聯通信； 所述主機通過I2C總線、串口或LIN總線為外圍設備提供電池的電量、電流狀態信息； 所述主機通過I2C總線、串口或LIN總線與上位機進行通信。
8.一種用於權利要求1-7中任一權利要求所述的帶通訊接口的鋰電池保護記錄儀的控制方法，其特徵在於，所述方法包括: .1、電壓和溫度的保護處理: 採集主機所負責的電池串的電壓和溫度，並接受由從機發來的電池串電壓和溫度； 充電時溫度超過50°C，充電MOS電路關斷充電開關，放電時溫度超過70°C，放電MOS電路關斷放電開關； 若欠壓，則通過放電MOS電路關斷放電開關；若超壓，則通過充電MOS電路關斷充電開關; .2、電流的保護處理； 主機根據電壓以及電池狀態，進行均衡處理並向從機發送均衡命令，採集電流，進入電流保護處理； 若過載，過流，根據充放電狀態關閉充放電開關； .3、電量的保護處理； 根據電流及時間計算得到當前電量，最後將需要存儲的狀態信息儲存在外部數據存儲模塊，主機進入狀態判斷，如果有負載或是正在充電則進入下一次循環，如若沒有負載或者充電,主機則給從機發送休眠指令並進入休眠低功耗模式。
【文檔編號】H02J7/00GK104134824SQ201410357540
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】李軍 申請人:天津動芯科技有限公司