專利名稱：一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及動(dòng)力電池組的電池管理裝置，尤其涉及一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置。
背景技術(shù)：
隨著各國政府和車企對(duì)電動(dòng)汽車項(xiàng)目的重視和投資，一些大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商針對(duì)各種動(dòng)力電池做了大量研究和試驗(yàn)，并成功開發(fā)出相關(guān)的電池管理裝置。一、在國外，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及其管理技術(shù)的研究比較早。比較有代表性的有1、美國通用汽車公司研發(fā)的電動(dòng)汽車EV上的電池管理裝置，該裝置由電池模塊、電池組熱管理模塊、電池組高壓斷電保護(hù)裝置(High Voltage Disconnect)及軟件 BPM(Battery Pack Module)組成，其中BPM實(shí)現(xiàn)電池組電壓電流采集、電量或里程計(jì)算、過放電報(bào)警等功能。2、美國ACPropu 1 s i on公司開發(fā)的BatOp t的電池管理裝置由多個(gè)單節(jié)電池監(jiān)控模塊和一個(gè)中央控制單元組成，構(gòu)建成一個(gè)分布式結(jié)構(gòu)的裝置，通過twowire總線實(shí)現(xiàn)電池信息的傳送，中央控制單元可根據(jù)單節(jié)電池信息提供手動(dòng)和自動(dòng)充電策略。美國 Aerovironment公司開發(fā)的SmartGuard裝置是在電池上裝有一個(gè)分布式的管理裝置(專用IC)，能夠檢測單節(jié)電池電壓和溫度，進(jìn)行電池信息歷史記錄和歸檔，提供最差單體電池的剩余電量信息等。二、在國內(nèi)，電動(dòng)汽車電池管理裝置方面的研究仍然處于起步階段。主要是一些高校聯(lián)合大的汽車生產(chǎn)商和電池供應(yīng)商共同開展研究，并取得了一定成果1、清華大學(xué)為EV-6580型電動(dòng)客車配套的電池管理裝置，可在汽車行駛過程中對(duì)電池組充放電電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止過充、過放，提高了電池使用壽命和效率，同時(shí)還開發(fā)了與該裝置相配的充電裝置。2、北京航空航天大學(xué)研制的鎳氫電池管理裝置主要功能有電池組電壓、電流及溫度的采集和存儲(chǔ)，SOC估算，運(yùn)行狀態(tài)判斷和電池充放電保護(hù)功能等。3、北京星恒電池有限公司和同濟(jì)大學(xué)合作開發(fā)的鋰離子電池管理裝置主要功能有電池電流、電壓及溫度的采集、SOC估算、事故處理與記錄、充電均衡等；深圳雷天公司研發(fā)的鋰離子動(dòng)力電池管理裝置由管理主機(jī)(CPU)、電壓電流與溫度采集模塊和通信接口模塊組成。可檢測并顯示電池組的總電壓、總電流、電池箱的溫度，對(duì)電池過壓、欠壓、過溫、 低溫、過流、短路等極限情況進(jìn)行報(bào)警和控制輸出，提供RS232和CAN總線接口等。電池管理裝置對(duì)電動(dòng)汽車整車的安全運(yùn)行、整車控制策略選擇、充電模式的選擇以及運(yùn)營成本都有很大的影響。無論在車輛運(yùn)行過程中還是在充電過程中，電池管理裝置都要完成電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷，并通過總線的方式告知整車控制器或充電機(jī)， 以便采用合理的控制策略，達(dá)到有效且高效使用電池的目的?，F(xiàn)有電池管理裝置有多種拓?fù)溥B接方案，其中采用繼電器組的方案如圖1。該裝置由電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和放電電阻400組成；電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次閉環(huán)連接，均衡放電模塊300和放電電阻400連接。其工作原理是由CPU控制單元200選擇對(duì)應(yīng)通道的繼電器閉合，采樣其單體電池電壓值，并選擇電壓較高的單體電池對(duì)放電電阻400 放電，起放電均衡作用。由于動(dòng)力電池組101是由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成，由于制造工藝等因素使電池特性不可能完全一致，其單體電池容量按正態(tài)分布，同時(shí)有高于和低于平均容量的單體電池。如對(duì)其全部采用放電均衡，均衡時(shí)間較長。由于采用對(duì)電阻放電，電池能量利用效率不高，發(fā)熱量大。另外，整組電池的SOC(電池荷電狀態(tài))值取決于SOC值最小的那塊單體電池，而SOC值最小的那塊單體電池往往是最先充滿和最先放完的那塊電池，因此單純采用放電均衡模式很難提高整組電池的SOC值。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置。本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一、具有均衡充放電功能的電池管理裝置(簡稱電池管理裝置)電池管理裝置包括電池和繼電器組、CPU控制單元、均衡放電模塊；設(shè)置有超級(jí)電容和均衡充電模塊；CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級(jí)電容和均衡放電模塊連接，儲(chǔ)存電池和繼電器組的放電能量。本電池管理裝置通過建立監(jiān)控功能模塊與充放電均衡模塊，對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)不同狀況下的功能合理分離和有機(jī)配合的管理。均衡放電模塊的后端負(fù)載是超級(jí)電容，利用超級(jí)電容存儲(chǔ)均衡電池的放電電量給電池管理裝置和繼電器供電。均衡充電模塊采用了輔助電源(DC-DC)給電池補(bǔ)充充電。由于采用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級(jí)電容放電給電池管理裝置(BMS)供電，利用繼電器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電池管理裝置電源與被檢測單體電池之間的相互電氣隔離，自舉充電和電壓測量，降低了功耗、體積和重量，耐機(jī)械沖擊性較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了電池的無損能量均衡，又沒有使用較復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易、 并且維護(hù)和擴(kuò)展方便。二、帶電池均衡功能的電池管理裝置的控制方法(簡稱控制方法)本控制方法包括下列步驟①上電自檢測電池管理裝置和相關(guān)標(biāo)定及配置參數(shù)；②待超級(jí)電容充到一定電壓后，開始對(duì)單體電池進(jìn)行繼電器巡檢，每次只閉合一個(gè)繼電器，記錄每塊電池的電壓并實(shí)時(shí)計(jì)算單體電池SOC值；③當(dāng)接入充電機(jī)且電池組SOC值不足時(shí)，啟動(dòng)充電機(jī)按電池對(duì)應(yīng)的充電曲線對(duì)電池組充電，在充電過程中，如出現(xiàn)單體電池電壓上升太快，則對(duì)其進(jìn)行均衡放電，如出現(xiàn)單體電池電壓低于其它電池時(shí)，在輔助電源接通的狀況下啟動(dòng)均衡充電模塊對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充充電，保證電池組盡可能充入多的電量，使SOC值最大；④非充電狀態(tài)下，在檢測有外接輔助電源時(shí)，啟動(dòng)均衡充電模塊，對(duì)SOC值低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充充電，使整組電池的SOC值上升；⑤非充電狀態(tài)下，對(duì)SOC值較高的單體電池進(jìn)行均衡放電，給超級(jí)電容補(bǔ)充電量， 保證電池管理裝置的正常運(yùn)行；⑥在每繼電器掃描周期結(jié)束后，檢查高壓裝置對(duì)地絕緣狀況，并檢測和控制電池溫度，進(jìn)行電池?zé)峁芾?；⑦記錄充放電相關(guān)過程參數(shù)，對(duì)電池的健康程度評(píng)估，給出建議或告警；⑧與上下位機(jī)通訊，傳遞電池?cái)?shù)據(jù)和設(shè)定參數(shù)。本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、在單個(gè)集成單元內(nèi)整合了電池監(jiān)控、電池均衡、絕緣檢測和SOC容量檢測等全套電池管理裝置，方便用戶接線和調(diào)試，降低裝置的復(fù)雜程度；2、均衡充電采用主電池的輔助電源給單體電池充電，而均衡放電利用了超級(jí)電容的儲(chǔ)能特性給電池管理裝置供電，整個(gè)控制裝置沒有額外能量損耗，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的；3、在關(guān)閉輔助電源泊車狀況下，電池管理裝置完全依靠動(dòng)力電池供電，不損耗任何備用電池的電力，當(dāng)出現(xiàn)動(dòng)力電池組能量也不足的狀況時(shí)，電池管理裝置進(jìn)入休眠狀態(tài)， 停止耗電以保護(hù)動(dòng)力電池組，這樣保證了電池管理裝置一直處于工作狀態(tài)，電池均衡效果好；4、本實(shí)用新型同時(shí)采用了充電和放電兩種電池均衡方式，利用超級(jí)電容放電給電池管理裝置(BMS)供電，利用繼電器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電池管理裝置電源與單體電池之間的相互隔離，自舉充電和電壓測量，降低了功耗，體積和重量也有較大優(yōu)勢，耐機(jī)械沖擊性較強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了電池的無損能量均衡，又沒有使用較復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換裝置，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)容易、并且維護(hù)和擴(kuò)展方便。5、本實(shí)用新型的電池管理裝置可廣泛應(yīng)用于各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機(jī)擴(kuò)展，可以方便檢測和監(jiān)控多節(jié)電池狀況。

圖1是現(xiàn)有電池管理裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是本實(shí)用新型電池管理裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是電池管理裝置軟件方框圖。圖中100-電池和繼電器組，101-動(dòng)力電池組，102-繼電器組；200-CPU 控制單元；300-均衡放電模塊；400-放電電阻；500-超級(jí)電容；600-均衡充電模塊。英譯漢[0049]1、BMS (Battery Management System)電池管理裝置；用來對(duì)電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，提高電池的使用效率，增加續(xù)駛里程，延長其使用壽命，降低運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高電池組的可靠性和整車安全性。2, SOC(State of charge)電池荷電狀態(tài)；是電池的剩余電量。通常把一定溫度下蓄電池充電到不能再吸收電量時(shí)的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)SOC = 100% ；而將蓄電池再不能放出電量時(shí)的狀態(tài)定義為荷電狀態(tài)SOC = 0%。電池在不同SOC下工作時(shí)的電壓/電流特性會(huì)有很大不同。因此國內(nèi)外較為普遍采用電池的荷電狀態(tài)SOC作為電池容量狀態(tài)描述參數(shù)，反映電池的剩余容量，其數(shù)值定義為電池的剩余容量占電池容量的比值。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明一、電池管理裝置1、總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，電池管理裝置包括電池和繼電器組100、CPU控制單元200、均衡放電模塊300 ；設(shè)置有超級(jí)電容500和均衡充電模塊600 ；CPU控制單元200和電池和繼電器組100連接，檢測電池和繼電器組100的工作狀況；CPU控制單元200、均衡放電模塊300和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡放電；CPU控制單元200、均衡充電模塊600和電池和繼電器組100依次連接，控制電池和繼電器組100的均衡充電；超級(jí)電容500和均衡放電模塊300連接，儲(chǔ)存電池和繼電器組100的放電能量。2、工作原理電池管理裝置巧妙地應(yīng)用了繼電器組102來隔離CPU控制單元200和其它外圍部分，如高壓絕緣監(jiān)測和電池的共模高電壓等，還利用繼電器組102的大電流導(dǎo)通能力實(shí)現(xiàn)了均衡充放電功能。電池管理裝置上電后自檢測和相關(guān)標(biāo)定及配置參數(shù)；待超級(jí)電容500 充到一定電壓后，開始對(duì)單體電池進(jìn)行繼電器巡檢，每次只閉合一個(gè)繼電器，記錄每塊單體電池的電壓并實(shí)時(shí)計(jì)算單體電池SOC值；當(dāng)接入充電機(jī)且電池組SOC值不足時(shí)，啟動(dòng)充電機(jī)按電池對(duì)應(yīng)的充電曲線對(duì)動(dòng)力電池組101充電，在充電過程中，如出現(xiàn)單體電池電壓上升太快，則對(duì)其進(jìn)行均衡放電；如出現(xiàn)單體電池電壓低于其它電池時(shí)，在輔助電源接通的狀況下啟動(dòng)均衡充電模塊600對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充充電，保證動(dòng)力電池組101盡可能充入多的電量，使 SOC值最大；在非充電狀態(tài)下，在檢測有外接輔助電源時(shí)，啟動(dòng)均衡充電模塊600，對(duì)SOC值低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；對(duì)SOC值較高的單體電池進(jìn)行均衡放電，給超級(jí)電容500補(bǔ)充電量，保證電池管理裝置的正常運(yùn)行；在每繼電器掃描周期結(jié)束后，檢查高壓系統(tǒng)對(duì)地絕緣狀況，并檢測和控制電池溫度，進(jìn)行電池?zé)峁芾聿僮?；記錄充放電相關(guān)過程參數(shù)，對(duì)電池的健康程度評(píng)估，給出建議或告警。3、電池管理裝置的各功能塊①電池和繼電器組100[0064]電池和繼電器組100包括相互連接的動(dòng)力電池組101和繼電器組102 ；動(dòng)力電池組101由N個(gè)單體電池串聯(lián)組成，電池類型可以是鉛酸電池、鐵鋰電池、 鋰電池或鎳氫電池等。在每一個(gè)單體電池的正負(fù)極上并聯(lián)一個(gè)有雙組觸點(diǎn)的繼電器，該繼電器觸點(diǎn)的額定電流值設(shè)置為電池均衡充放電過程的最大電流。在一套檢測裝置中，每次只能有一只繼電器閉合，形成電壓檢測和充放電回路，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組中單體電池之間的相互隔離。②CPU控制單元200電池管理裝置涉及到大量數(shù)據(jù)的采集和處理，不但數(shù)據(jù)數(shù)量大、電池節(jié)數(shù)多，而且電池剩余容量卡爾曼濾波算法對(duì)運(yùn)算處理能力和實(shí)時(shí)性要求較高。本實(shí)用新型的CPU控制單元200采用美國TI公司最新推出的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28035作為控制芯片。該款DSP擁有32位內(nèi)核，具有單周期32X32位硬件乘法器以及單周期指令執(zhí)行能力，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。同時(shí)還包括功能強(qiáng)大的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器、專用的高分辨率PWM、 高精度片上振蕩器、模擬比較器、上電復(fù)位與掉電保護(hù)等在內(nèi)的各種集成模塊。浮點(diǎn)控制律加速器(CLA)能獨(dú)立于內(nèi)核運(yùn)行復(fù)雜的卡爾曼濾波算法來計(jì)算電池容量，高精度的12位AD 檢測單元能精確的測量單體電池電壓，電流和溫度等模擬信號(hào)，使得控制裝置具有控制精度高、硬件簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。③均衡放電模塊300均衡放電模塊300是一個(gè)小功率可控的非隔離直流電源模塊，輸入等于單體電池電壓，輸出為超級(jí)電容500的工作電壓，在實(shí)際應(yīng)用中將其充到5. 4V左右，以保證電池管理裝置的正常供電，在檢測單體電池電壓時(shí)，將均衡放電模塊300和均衡充電模塊600關(guān)閉以提高電壓測量精度。④超級(jí)電容500超級(jí)電容500為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學(xué)元件，通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能。在其儲(chǔ)能的過程中并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其儲(chǔ)能過程是可逆的，可以反復(fù)充放電數(shù)十萬次。超級(jí)電容500能在很小的體積下達(dá)到法拉級(jí)的電容量，無須特別的充電電路和控制放電電路；和電池相比過充、過放都不對(duì)其壽命構(gòu)成負(fù)面影響；在本實(shí)用新型中使用超級(jí)電容來存儲(chǔ)電池均衡放電過程中的放電量，提供給電池管理裝置自身使用，避免了能量浪費(fèi)，綠色環(huán)保。⑤均衡充電模塊600均衡充電模塊600是一個(gè)可控的隔離直流電源模塊，輸入電源一般為電動(dòng)汽車的輔助電源，也可以直接使用動(dòng)力電池組總電壓，輸出電壓等于單體電池電壓，輸出電流限制為繼電器觸點(diǎn)能承受的額定電流，當(dāng)CPU控制單元檢測到輔助電源工作時(shí)(如點(diǎn)火鑰匙接通)，根據(jù)控制算法對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均衡充電，該充電模塊的輔助繞組同時(shí)還提供霍爾電流檢測使用的正負(fù)隔離電源。4、電池管理裝置軟件設(shè)計(jì)為了增強(qiáng)電池管理裝置的可靠性、可讀性等，電池管理裝置采用結(jié)構(gòu)化及模塊化思想進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是一種定義良好的軟件開發(fā)技術(shù)。采用自頂向下設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的方法，并嚴(yán)格地使用結(jié)構(gòu)化的控制結(jié)構(gòu)，確保程序只有一個(gè)“出口 ”。模塊化設(shè)計(jì)， 模塊是程序?qū)哟沃械幕窘M成部分，是程序中可以單獨(dú)編譯的一組程序語句，用模塊名調(diào)用。將程序分為若干模塊，能降低程序的復(fù)雜性，減少開發(fā)時(shí)間，運(yùn)用模塊化技術(shù)，可以將錯(cuò)誤局限在各個(gè)模塊內(nèi)部，防止錯(cuò)誤的蔓延，便于調(diào)試和維護(hù)。采用結(jié)構(gòu)化及模塊化不僅滿足了裝置實(shí)時(shí)控制的需要，而且具有可讀性和可移植性，方便軟件調(diào)試與裝置標(biāo)定，還可以利用已經(jīng)被證明是可靠的模塊來構(gòu)造新的裝置，減少新裝置開發(fā)的工作量，提高軟件的可靠性。根據(jù)電池管理裝置的功能要求以及使用要求，裝置軟件模塊化框圖如圖6所示。 軟件實(shí)時(shí)處理模塊流程是第1、主控循環(huán)程序監(jiān)控和調(diào)度各子程序A ；第2、上電自檢后初始化和標(biāo)定裝置變量B ；第3、各單體電池電壓電流檢測C;第4、單體電池均衡充放電控制D ；第5、高壓電路絕緣監(jiān)測報(bào)警E ；第6、單體電池和電池組電量SOC計(jì)算F ；第7、電池溫度監(jiān)控?zé)峁芾硖幚鞧 ；第8、充電機(jī)通訊，充電啟停和充電曲線控制H;第9、電池管理裝置必要的開關(guān)量輸入輸出信號(hào)處理I ；第10、電池相關(guān)數(shù)據(jù)記錄與分析處理J ；第11、在有多節(jié)電池組的電池管理裝置中，裝置是由多個(gè)監(jiān)控模塊組成，主控模塊查詢其它下位機(jī)模塊的電池?cái)?shù)據(jù)并集中處理K ；第12、與人機(jī)交互界面通訊傳送相關(guān)信息和參數(shù)，提供電池相關(guān)數(shù)據(jù)給整車控制器進(jìn)行車輛綜合控制決策L ；返回第三步循環(huán)執(zhí)行各相關(guān)步驟，實(shí)現(xiàn)電池組管理功能。
權(quán)利要求1.一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置，包括電池和繼電器組(100)、 CPU控制單元(200)、均衡放電模塊(300)；其特征在于設(shè)置有超級(jí)電容(500)和均衡充電模塊(600)；CPU控制單元(200)和電池和繼電器組(100)連接，檢測電池和繼電器組(100)的工作狀況；CPU控制單元(200 )、均衡放電模塊(300 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡放電；CPU控制單元(200 )、均衡充電模塊(600 )和電池和繼電器組(100 )依次連接，控制電池和繼電器組(100)的均衡充電；超級(jí)電容(500)和均衡放電模塊(30)連接，儲(chǔ)存電池和繼電器組(100)的放電能量。
2.按權(quán)利要求1所述的電池管理裝置，其特征在于所述的電池和繼電器組(100)包括相互連接的動(dòng)力電池組(101)和繼電器組(102)；動(dòng)力電池組(101)由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成；在每一個(gè)單體電池的正負(fù)極上并聯(lián)一個(gè)有雙組觸點(diǎn)的繼電器。
3.按權(quán)利要求1所述的電池管理裝置，其特征在于所述的超級(jí)電容(500 )為雙電層電容器、黃金電容或法拉電容，是一種電化學(xué)元件。
4.按權(quán)利要求1所述的電池管理裝置，其特征在于 所述的均衡充電模塊(600)是一種可控的隔離直流電源模塊。
5.按權(quán)利要求1所述的電池管理裝置，其特征在于所述的CPU控制單元(200)采用美國TI公司的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320F28035作為控制芯片。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種具有均衡充放電功能的電池管理裝置，涉及動(dòng)力電池組的電池管理裝置。電池管理裝置的結(jié)構(gòu)是CPU控制單元和電池和繼電器組連接，檢測電池和繼電器組的工作狀況；CPU控制單元、均衡放電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡放電；CPU控制單元、均衡充電模塊和電池和繼電器組依次連接，控制電池和繼電器組的均衡充電；超級(jí)電容和均衡放電模塊連接，儲(chǔ)存電池和繼電器組的放電能量，用于電池管理裝置的自身供電。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于各種電池組管理，如鉛酸電池、鋰電池和鎳氫電池等，而且支持下位機(jī)擴(kuò)展，可以方便檢測和監(jiān)控多節(jié)電池狀況。
文檔編號(hào)H02J7/00GK202111502SQ201120227099
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者張昌青, 王和平, 阮浩 申請(qǐng)人:武漢市菱電汽車電子有限責(zé)任公司