本實用新型涉及電池監(jiān)測與電池保護領(lǐng)域，尤其涉及一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)，屬于新能源汽車控制技術(shù)范疇。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)燃油汽車在能源消耗與環(huán)境污染方面的問題日趨嚴重。電動汽車在環(huán)境保護和能源節(jié)約方面有傳統(tǒng)燃油汽車無法比擬的先天優(yōu)勢，有很好發(fā)展前景。但是，電動汽車在續(xù)航能力和電池使用壽命方面有不足，因此，良好的電池管理系統(tǒng)對電動汽車的發(fā)展具有非常重要的作用。

電動汽車的電池在使用過程中，由于電池的個體差異，可能會出現(xiàn)過充、過放以及電池電量不平衡的情況，個別電池過充與電池長期使用出現(xiàn)的不均衡是不同的。其中，過充是比較嚴重的故障，需要電池管理系統(tǒng)快速處理，而不均衡是慢性的，可以緩慢處理?？傊?，過充是急病要快速醫(yī)治，而不均衡是慢性病，需要慢慢調(diào)理。電池出現(xiàn)不均衡時，這種差異會在使用過程中不斷加劇，從而嚴重縮短整個電池組的使用壽命。因此，有必要對電池進行均衡處理，優(yōu)化電池能量分配，從而延長整個電池組的使用壽命。但過充與不均衡是不同的病，需要分開處理。

由于電動汽車的電池是全部串接在一起的，因此若有一節(jié)電池發(fā)生故障，則整個電池組可能工作異常。若電動汽車的電池在汽車行駛過程中發(fā)生故障，這將給車主帶來極大的不便，甚至有可能造成無法挽回的損失。因此，有必要對電池的健康狀況進行識別，并把嚴重故障電池切換出來，發(fā)出報警信號，提醒車主更換電池。

不同溫度、不同電池荷電狀態(tài)(SoC)下，直流內(nèi)阻譜是描述電池劣化程度的主要指標：

I是電池電流，E_B是電池的平衡電勢，U_L是電池帶負載工作時電池正負極間的電壓。但精確測量每個電池的工作電流對測量電路要求很高，因此要克服這個問題。

鴻海精密工業(yè)股份有限公司的專利CN101339230A給出了一種電池內(nèi)阻測量方法。但是從某種意義上來說，該方法是不適當?shù)模驗樗鼘㈦姵氐碾妷寒斪骱愣ㄖ祦硖幚?。實際上電池的電壓并不是恒定的，特別是在放電過程和靜置過程開始的一段時間內(nèi)，電池由于自身阻抗等原因，其電壓會出現(xiàn)變化——電池放電，電池電壓下降；電池靜置，電池電壓上升，詳情如圖9所示。因此可以利用電池這一變化特點，基于電壓跌落特性，通過不同電阻回路對電池放電，測量放電負載電阻兩端電壓，估算出電池內(nèi)阻。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決的技術(shù)問題在于，提供一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)，主要解決四大問題：①有損耗電池均衡；②非耗散電池均衡；③電池直流內(nèi)阻譜測量；④無需測量電池電流也能計算電池內(nèi)阻。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供如下技術(shù)方案：一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)，包括依次連接的處理器、若干串聯(lián)級聯(lián)的電池單元，所述電池單元包括電池監(jiān)測模塊與電池組模塊，所述電池組模塊包括第一電池組和第二電池組，所述電池監(jiān)測模塊包括監(jiān)測芯片、譯碼器以及光電耦合器單元。

進一步地，所述光電耦合器單元包括4個光電耦合器、4個MOS管和若干電阻，其中

所述監(jiān)測芯片GPIO管腳、AUX管腳分別連接譯碼器的輸入端口A、B,輸入端口A通過電阻R3連接電源正電壓；

電阻R1一端連接譯碼器的輸入端口B、另一端連接電源負極，MOS管Q2的漏極連接譯碼器的輸入端口B、柵極連接MOS管Q1漏極、源極通過五個串聯(lián)的電阻連接光電耦合器OC0的第一輸出端，MOS管Q1的源極連接電源正電壓、柵極連接譯碼器的輸入端口B，光電耦合器OC0的輸入正極連接譯碼器的輸出端口Y0、輸入負極連接電源負極、第二輸出端連接光電耦合器OC2的第一輸出端；

MOS管Q3的柵極連接譯碼器的輸入端口A、漏極連接電源負極、源極通過五個串聯(lián)的電阻連接光電耦合器OC3的第一輸出端，光電耦合器OC3的輸入正極連接譯碼器的輸出端口Y3、輸入負極連接電源負極、第二輸出端連接光電耦合器OC2的第一輸出端；

MOS管Q4的柵極連接譯碼器的輸入端口B、漏極連接電源負極、源極通過五個串聯(lián)的電阻連接光電耦合器OC1的第一輸出端，光電耦合器OC1的輸入正極連接譯碼器的輸出端口Y1、輸入負極連接電源負極、第二輸出端連接光電耦合器OC2的第一輸出端，電阻R4一端連接譯碼器的輸入端口B、另一端連接電源負極；

光電耦合器OC2的輸入正極連接電源正極、輸入負極連接譯碼器的輸出端口 Y2、第二輸出端連接監(jiān)測芯片的VC6管腳。

進一步地，所述第一電池組包括第一電池、8個MOS管和2個電阻，所述第二電池組包括第二電池、8個MOS管和2個電阻，其中

第一電池組、第二電池組之間通過超級電容C1、C2連接；

第一電池的正極、負極分別與監(jiān)測芯片的VC6管腳、VC5管腳連接，第二電池正極、負極分別與監(jiān)測芯片的VC5管腳、VC4管腳連接；

第一電池組的MOS管Q5和Q6，其源極均與監(jiān)測芯片的CB6管腳連接；MOS管Q5 的柵極連接光電耦合器OC1的第一輸出端；MOS管Q6的柵極連接光電耦合器OC0的第一輸出端；

第二電池組的MOS管Q13和Q14，其源極均與監(jiān)測芯片的CB5管腳連接；MOS管 Q13的柵極連接一電阻，所述電阻另一端連接光電耦合器OC1的第一輸出端；MOS 管Q14的柵極連接一電阻，所述電阻另一端連接光電耦合器OC0的第一輸出端。

進一步地，所述處理器為單片機TMS320F28M35E20B。

進一步地，所述監(jiān)測芯片為芯片BQ76PL536。

采用上述技術(shù)方案后，本實用新型至少具有如下有益效果：

(1)、本實用新型采用雙核的微控制器，為通信和數(shù)據(jù)處理的并行運行提供保障；

(2)、本實用新型采用專用的電池管理監(jiān)測芯片，利用芯片自身電壓自舉功能，無須設(shè)計驅(qū)動電路，簡化系統(tǒng)設(shè)計；監(jiān)測芯片的可級聯(lián)特性使得電動汽車可以安裝足夠數(shù)量的電池，使得電池管理系統(tǒng)不僅可以在高電壓的環(huán)境下安全有效地運行，而且能精確測量電池電壓；

(3)、本實用新型設(shè)計的4種電池管理工作模式，根據(jù)各種需求，自由切換電池管理系統(tǒng)的工作模式，無需拆卸零件，且不影響電動汽車的運行；基于簡單的電池管理前端芯片同時實現(xiàn)了過充保護、無損耗均衡和直流內(nèi)阻譜測量；

(4)、本實用新型通過有損耗的電池快速放電電路，實現(xiàn)電池過充等高電壓緊急保護；

(5)、本實用新型設(shè)計了非耗散電池均衡電路，解決電池電壓在使用過程中的不均衡情況，以優(yōu)化整個電池組的電量分配；

(6)、本實用新型設(shè)計了一種電池直流內(nèi)阻譜在線測量方式，通過兩個不同放電回路測試電池伏安特性，從而估計出電池直流內(nèi)阻譜，根據(jù)電池直流內(nèi)阻譜判斷電池健康狀況并實現(xiàn)故障診斷；

(7)、本實用新型設(shè)計了正常工作模式，電動汽車正常運行時使用這種模式；當電池管理系統(tǒng)處于這種模式時，則是普通的電池監(jiān)視功能，通過測量電池電壓、溫度、總的工作電流，實現(xiàn)對電池SOC估計與電池均衡性的判斷；保留了電池的電壓、溫度等重要信息的監(jiān)測功能，將電池均衡、阻抗測量等功能暫時關(guān)閉，有利于節(jié)約電能。

附圖說明

圖1為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)框圖；

圖2為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的可自由切換的多模式電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)框圖；

圖3為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的電池單元電路結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的模式切換原理圖；

圖5為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的工作模式與控制信號對應圖；

圖6為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的模式1的有損均衡的原理圖；

圖7為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的模式2的無損均衡的原理圖；

圖8為本實用新型一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的模式3的阻抗測量的原理圖；

圖9為專利CN101339230A的一種電池內(nèi)阻測量方法的電壓變化圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互結(jié)合，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

在圖1中，主要描述多模式可自由切換的電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，包括三部分：多核單片機、電池監(jiān)測模塊芯片以及電池。

所述單片機為美國TI公司的多核單片機TMS320F28M35E20B，它包括C28X 子系統(tǒng)、ARM Cortex-M3子系統(tǒng)和共享部分。其中，C28x子系統(tǒng)用來實現(xiàn)實時控制，ARM Cortex-M3子系統(tǒng)擁有完善的開發(fā)工具和軟件生態(tài)系統(tǒng)，共享部分為一個高速模擬子系統(tǒng)和補充RAM內(nèi)存。多核單片機為實現(xiàn)實時多任務控制提供了保障。

所述電池監(jiān)測模塊為美國TI公司電池管理專用芯片BQ76PL536，每塊芯片能夠同時監(jiān)測管理6節(jié)鋰電池，并且可以通過級聯(lián)最多同時監(jiān)測管理192節(jié)鋰電池，使得電動汽車能夠安裝足夠的電池，為電動汽車的電力需求提供保障。

在圖2中，所述譯碼器通過將BQ76PL536的兩根具有獨立輸出功能的信號線(AUX和GPIO)作為輸入信號，可以組合得到4種輸出信號。其中AUX利用下拉電阻可以輸出高低電平信號，具體原理為：當AUX輸出1mA電流時，在下拉電阻的作用下，AUX管腳信號為高電平，當AUX輸出信號斷開時，AUX管腳通過下拉電阻直接接地，管腳為低電平；GPIO為通用輸入輸出，利用上拉電阻，通過控制其工作模式也可以輸出高低電平信號，具體原理為：當GPIO作為輸入時，在上拉電阻的作用下，GPIO管腳信號為高電平，當GPIO作為輸出時，GPIO 管腳輸出低電平信號。通過控制程序使它們可以分別輸出高低電平信號，譯碼器組合出4種輸出信號，然后分別用這四種組合信號來分別控制相關(guān)光電耦合器的導通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)的四種工作模式的切換。

在圖3，本發(fā)明提供一種多模式自由切換的電池管理系統(tǒng)的電池單元內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)圖，包括有電池、監(jiān)測芯片譯碼器、光電耦合器、一系列MOS管和若干電阻等，下面詳細說明電路圖的工作原理。其中，為使得圖較簡潔，圖中有些地方導線懸空，并且在上面有相同標號的，表示這兩個地方是連接在一起的, 比如：光電耦合器OC0中的OCB6與MOS管Q6的0CB6，表示兩個點是連接在一起的；光電耦合器OC1中的1CB6與MOS管Q5的1CB6，表示兩個點是連接在一起的；光電耦合器OC2中的Y2與譯碼器的Y2，表示兩個點是連接在一起的；等等。

在圖4和圖5中，描述了多模式可自由切換的電池管理系統(tǒng)的模式切換原理。主要由BQ76PL536、譯碼器、光電耦合器和開關(guān)電路組成。BQ76PL536的兩根具有獨立輸出功能的信號線作為譯碼器的輸入信號，譯碼器的輸出分別連接四個光電耦合器。一方面通過控制AUX和GPIO管腳的輸出信號使相關(guān)模式開關(guān)電路導通，另一方面通過譯碼器輸出使相關(guān)模式的光電耦合器導通，這樣便能使電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)多模式可自由切換的功能。具體實現(xiàn)方式為：

①當GPIO為低電平、AUX為低電平時，組合輸出為“00”。此時，譯碼器 Y0輸出高電平信號，Y1、Y2、Y3為低電平信號，光電耦合器OC0、OC2導通， OC1、OC3關(guān)斷。AUX為低電平，Q1為P溝道增強型MOS管，Q1的源極電壓高于柵極電壓，Q1導通；Q2為N溝道增強型MOS管，由于Q1導通，在下拉電阻R2 的作用下，柵極為高電平，源極為低電平，Q2導通。此時OC0與Q2之間的5個電阻有電流通過，可以得到6個分壓信號0CB6、0CB5…0CB1，這6個分壓信號分別用來控制相應模式的MOS管的導通與關(guān)斷，詳情見圖6。

②當GPIO為低電平、AUX為高電平時，組合輸出為“01”。此時，譯碼器 Y1輸出高電平信號，Y0、Y2、Y3輸出低電平信號，光電耦合器OC1、OC2導通， OC0、OC3關(guān)斷。AUX為高電平，Q4為N溝道增強型MOS管，柵極電壓高于源極電壓，Q4導通。此時OC1與Q4之間的5個電阻有電流通過，可以得到6個分壓信號1CB6、1CB5…1CB1，這6個分壓信號分別用來控制相應模式的MOS管的導通與關(guān)斷，詳情見圖5。

③當GPIO為高電平，AUX為低電平時，組合輸出為“10”。此時，譯碼器 Y2輸出高電平信號，Y0、Y1、Y3輸出低電平信號，光電耦合器OC0、OC1、OC2、 OC3全部關(guān)斷，電池管理系統(tǒng)為正常工作模式，此時電池管理系統(tǒng)只保留電池的電壓、溫度等重要信息的監(jiān)測功能。

④當GPIO為高電平，AUX為高電平時，組合輸出為“11”。此時譯碼器Y3 輸出高電平信號，Y0、Y1、Y2輸出低電平信號，光電耦合器OC3、OC2導通，OC0、 OC1關(guān)斷。GPIO為高電平，Q3為N溝道增強型MOS管，柵極電壓高于源極電壓， Q3導通。此時OC3與Q3之間的5個電阻有電流通過，可以得到6個分壓信號 Z6、Z5…Z1，這6個分壓信號分別用來控制相應模式的MOS管的導通與關(guān)斷，詳情見圖7。

在圖6中，描述模式1——有損耗電池均衡的具體工作原理。當電池管理系統(tǒng)工作于該模式時，高電平信號1CB6使得模式開關(guān)Q5導通，1CB5使得模式開關(guān)Q13導通，依次類推，6個模式開關(guān)全部導通。然后可以通過控制CB6或CB5 管腳輸出高電平信號，使得Q7或Q15導通，電池cell6通過電阻R5放電，電池cell5通過R7放電。由于CBx管腳的輸出是可單獨控制的，因此可以根據(jù)需求對任意電池放電。

在圖7中，描述模式2——無損耗電池均衡的具體工作原理。當電池管理系統(tǒng)工作于該模式時，高電平信號0CB6使得模式開關(guān)Q6導通，0CB5使得模式開關(guān)Q14導通，依次類推，6個模式開關(guān)全部導通。然后通過CBx分別輸出高低電平信號，控制MOS管Q9-Q12、Q17-Q20的導通與關(guān)斷，實現(xiàn)超級電容的充電與放電，從而達到電壓均衡的目的，其中Q9、Q12、Q18、Q19為N溝道增強型MOS 管，Q10、Q11、Q17、Q20為P溝道增強型MOS管。此方法的優(yōu)勢在于可以將任意兩個相鄰的電池作為一個均衡組合，使它們對不同的電容充電，然后將電容上的電荷轉(zhuǎn)移至電池，利用電壓不同，電荷轉(zhuǎn)移的速率不同來實現(xiàn)電荷均衡。與利用單個電容作為電荷轉(zhuǎn)移的載體相比，此方法具有更加靈活，能同時均衡多節(jié)電池等優(yōu)勢。舉例：當電池cell6兩端電壓大于cell5兩端電壓時，使CB6 輸出高電平信號，CB5輸出低電平信號，此時Q9、Q12、Q17、Q20導通，Q10、 Q11、Q18、Q19關(guān)斷，cell6對超級電容C1充電，cell5對超級電容C2充電；經(jīng)過一段時間后，使CB6輸出低電平信號，CB5輸出高電平信號，此時Q10、Q11、 Q18、Q19導通，Q9、Q12、Q17、Q20關(guān)斷，超級電容C1給cell5充電，超級電容C2給cell6充電，兩次電荷轉(zhuǎn)移分別實現(xiàn)了cell6的電荷向cell5轉(zhuǎn)移，cell5 的電荷向cell6轉(zhuǎn)移的過程。由于cell6兩端的電壓高于cell5兩端的電壓，因此cell6的電荷向cell5轉(zhuǎn)移要比cell5的電荷向cell6轉(zhuǎn)移要快，從而可以實現(xiàn)電荷由電壓高的電池向電壓低的電池轉(zhuǎn)移。

在圖8中，描述模式3——電池阻抗測量。當電池管理系統(tǒng)工作于該模式時，高電平信號Z6使得Q8導通，Z5使得Q16導通，依次類推，6個模式開關(guān)全部導通。電池cell6通過電阻R6放電、電池cell5通過電阻R8放電，即6節(jié)電池分別通過相應的電阻放電。此時可以得到一組電池兩端的電壓數(shù)據(jù)。一段時間后，再將電池管理系統(tǒng)切換至模式1——有損耗電池均衡，此時電池通過另外電阻回路放電，可以得到另外一組電池兩端的電壓數(shù)據(jù)，分別通過內(nèi)阻公式估算出電池內(nèi)阻，最后取兩次計算的平均值作為電池內(nèi)阻的估計值：

其中：

ΔV₀′為模式3測得的突變電壓差，V₂′為突變后的瞬時電壓，R₁為模式3的放電電阻；

ΔV₀″為模式1測得的突變電壓差，V₂″為突變后的瞬時電壓，R₂為模式1的放電電阻；

取兩次計算得到的電阻值的平均值作為電池內(nèi)阻的估計值，因此電池內(nèi)阻計算公式為：

R_ohmic＝(R′_ohmic+R″_ohmic)/2

本方法測量電池直流內(nèi)阻譜的特點是：無需測量電流，通過不同放電回路分別使電池放電，測得電池兩端電壓值，利用放電電阻的阻值和測得的電壓值便能計算出電池直流內(nèi)阻。

盡管已經(jīng)示出和描述了本實用新型的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解的是，在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同范圍限定。