專利名稱：一種電動汽車的電池能量管理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電動汽車的電池能量管理裝置。
背景技術(shù)：
隨著國際原油價格飛漲，各種新型能源的研究成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。國內(nèi)已經(jīng)掀 起研制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(yīng)，可重復(fù)充電次數(shù)多，使用壽命較長等優(yōu)點(diǎn)成為動力電能的首 選。電池目前仍然是電動汽車商業(yè)化發(fā)展的瓶頸。為安全高效地使用電池，研制與電池配 套使用的電池能量管理系統(tǒng)意義十分重要。作為一種新型動力技術(shù)，鋰動力電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需 求，但是由于鋰電池具有明顯的非線性、不一致性和時變性，因此在應(yīng)用時需要進(jìn)行一定 的管理。另外鋰電池對充放電要求很高，當(dāng)出現(xiàn)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(yán)重破壞鋰電池性能，導(dǎo)致電池壽命縮短。當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于 動力設(shè)備中時，由于各單格鋰電池內(nèi)部特性的不一致，會導(dǎo)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(fā)揮其優(yōu)越性能，延長使用壽命，必須對鋰電池在充放電時 進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提供過壓/過流/溫度保護(hù)和電池間能量均衡。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種安裝在車上的可對鋰動力電池進(jìn)行 實(shí)時監(jiān)測，并能夠按照鋰動力電池的充放電要求進(jìn)行適當(dāng)控制的電動汽車鋰動力電池能量
管理系統(tǒng)。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(tǒng)，所述電動汽車電 源系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)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(bào)警模塊連接。所述電動汽車電源系統(tǒng)包括多個并聯(lián)的電池組，每個電池組包括多個串聯(lián)的集成 鋰動力電池系統(tǒng)。所述集成鋰動力電池系統(tǒng)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芯片，所述控制芯片、驅(qū)動電路、充放電控制電路和單格鋰動力 電池依次連接；所述控制芯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，它們均分別與控制芯片和單 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(tǒng)及通信模塊、顯示模塊、接口模塊和報(bào)警模塊；Step2:判斷電源系統(tǒng)是否有外接電源，如有外接電源說明該系統(tǒng)在充電，進(jìn)入 st印3繼續(xù)執(zhí)行；反之則說明該系統(tǒng)在放電，進(jìn)入st印4繼續(xù)執(zhí)行；Step3:檢測每個單格鋰動力電池的電壓電流信號，根據(jù)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(jù)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(jù)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(guān)閉 鋰動力電池組及報(bào)警提示，反之則返回step3繼續(xù)執(zhí)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(guān)閉鋰動力電池組及報(bào)警提示，反之進(jìn)入st印4 繼續(xù)執(zhí)行。所述的每個單格鋰動力電池充放電控制方法如下Stepl 控制芯片檢測鋰動力電池的電壓、電流和溫度信號；Step2 控制芯片與微控制器通信，獲得控制單格鋰動力電池的電壓電流信號；St印3 根據(jù)獲得的電壓電流信號，控制芯片判斷鋰動力電池是否處于充電狀態(tài)；Step4:如是充電狀態(tài)，則判斷是否是涓流預(yù)充電狀態(tài)，如是涓流預(yù)充電狀態(tài)則進(jìn) 行涓流預(yù)充電一定時間后返回stepl ；如不是涓流預(yù)充電狀態(tài)則判斷是否是處于恒流充電 狀態(tài)，如是則進(jìn)行恒流充電一定時間后返回stepl ；如不是恒流充電狀態(tài)則判斷是否處于 恒壓充電狀態(tài)，如是則進(jìn)行恒壓充電一定時間后返回stepl ；如不是恒壓充電狀態(tài)，則判斷 是否是脈沖補(bǔ)充電狀態(tài)，如是則脈沖補(bǔ)充充電一定時間后返回stepl，反之結(jié)束本單格電池 充電過程；St印5 如不是充電狀態(tài)，則判斷是否是處于強(qiáng)制放電狀態(tài)，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(shè)定限定值則放電一定時間后返回stepl ；如超 過設(shè)定限定值，則停止放電，結(jié)束本單格放電過程。本實(shí)用新型電動汽車動力管理管理系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)1.電池監(jiān)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(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對充放電電路作出適當(dāng)?shù)目刂?，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.充放電電路采用單格電池獨(dú)立充電方式，精確控制單格電池的充放電過程，防 止多次充放電后各單格鋰動力電池內(nèi)部特性的不一致而導(dǎo)致各節(jié)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芯片都有唯一的地址編碼，微處理器可以對其 進(jìn)行信息的讀寫，以采集信息和控制驅(qū)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(dāng)其被隔離后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(fā)出控制命令，根據(jù)各組中的檢測的電壓和溫度信號將其他各組中相 應(yīng)數(shù)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(chǎn)生環(huán) 流消耗能量。5.當(dāng)隔離掉一個或k個電池后端電壓會降低，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(fù)的傷害。可以 對根據(jù)檢測的信號控制能量傳輸控制模塊，進(jìn)行變電壓/變電流控制。[0029]6.電池監(jiān)測/控制電路具有通信功能，能及時的將電池狀態(tài)參數(shù)傳輸?shù)街骺谽⑶， 并在顯示儀表盤顯示相應(yīng)的電量、電流、電壓、溫度信息。當(dāng)完成充電或放電時可以進(jìn)行報(bào) 警以便及時的充電或斷開電源。內(nèi)部的存儲單元可以存儲每塊鋰動力電池的狀態(tài)信息，以 便對電池進(jìn)行維護(hù)。

圖1為本實(shí)用新型電動汽車鋰動力電池能量管理系統(tǒng)的原理示意圖；圖2單格鋰動力電池系統(tǒng)示意圖；圖3鋰動力電池常規(guī)充電法時序圖；圖4鋰動力電池控制系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)總 線，5、接口電路，6、顯示模塊，7、微控制器，8、通信模塊，9、報(bào)警模塊，10、能量傳輸線，11、 MCU芯片，12、電流檢測電路，13、溫度檢測電路，14、電壓檢測電路，15、驅(qū)動電路，16、充放電 控制電路。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明如圖1，本實(shí)用新型電動汽車動力電源管理系統(tǒng)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(bào)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(shí)時監(jiān)測單格鋰動力電池2的電壓、充放電電 流及溫度等參數(shù)，把信號通過數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)經(jīng)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(tǒng)串聯(lián)組成一組電池，所串聯(lián)的個數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的電壓選擇， M個電池組并聯(lián)組成MXN的電動汽車電源系統(tǒng)，每個集成鋰動力電池系統(tǒng)都通過數(shù)據(jù)總線 4與接口電路5輸入信息到電動汽車電源控制系統(tǒng)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(tǒng)，該系 統(tǒng)的原理方塊圖如圖2所示主要由專用MCU芯片11、電流檢測電路12、溫度檢測電路13、 電壓檢測電路14、驅(qū)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(shù)據(jù)總線4和接口電路5與電源控制系統(tǒng)微控制器7相聯(lián)。其中專用MCU芯片可以采用 Maxim公司的DS2784或DS2786或者M(jìn)icrochip公司的AN1260，專用MCU芯片集成了電壓 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(jìn)行檢測并提供信號到專用MCU芯片11。溫度檢測電路13對電池的溫度進(jìn)行檢測，在充電過程當(dāng)溫度過高時自動停止充 電，在放電過程中當(dāng)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(jìn)行檢測，根據(jù)鋰動力電池的電壓決定充電階段 是預(yù)充狀態(tài)、恒流充電和恒壓充電階段。
5[0046]充放電控制電路16，受驅(qū)動電路15驅(qū)動來完成電能的雙向傳輸控制。專用MCU芯片11采集的鋰電池的狀態(tài)信息通過總線和接口電路5傳輸?shù)诫娫纯?制系統(tǒng)微控制器7進(jìn)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。由于專用MCU芯片11在鋰動力電池的充放電過程中是實(shí)時監(jiān)測的，所以其還具有 以下功能1.對電池的容量預(yù)測根據(jù)對電池容量的監(jiān)測，可實(shí)時得出單格電池的剩余容量并送到微控制器進(jìn)行顯 示，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可以調(diào)整電池的組合方式，在電池的充電過程中可以記錄并顯示每單體 電池的充電時間、放電時間，從而優(yōu)化電池組的方案，防止由于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(tài)不一致，所導(dǎo)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(jìn)行多個串并聯(lián)使用時，必須進(jìn)行有效地配組。使電池組發(fā)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(shù)據(jù)參數(shù)，能分析電池是否正常工作，并能自動進(jìn)行系統(tǒng) 自檢，如有故障，發(fā)出故障信號到微控制器，并切斷動力電源開關(guān)。3.故障預(yù)警在電池使用過程中，隨時記錄電池使用參數(shù)，判斷電池的有效性，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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，并顯
示故障。4.外電路故障保護(hù)當(dāng)外部電路出現(xiàn)嚴(yán)重故障或失效時，系統(tǒng)能產(chǎn)生安全保護(hù)，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(guī)充電法是按預(yù)充電、恒流充電、恒壓充 電三個階段進(jìn)行的，如圖3所示。圖中只是定性的描述了常規(guī)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(shí)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(chǎn)生過充和過熱、使極板活 性物質(zhì)脫落損壞，本實(shí)用新型中鋰動力電池采用四階段的充電方式涓流預(yù)充電、快速恒 流充電、恒壓充電、脈沖補(bǔ)充電，如圖4所示。圖中陰影部分表示充電的能量變化；實(shí)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(yù)充電階段若鋰動力電池在充電初期如已處于深度放電狀態(tài)，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(jiān)測蓄電池的電壓，對蓄電池實(shí)行穩(wěn)定小電流涓流充電。 在涓流充電階段，電池電壓開始上升，當(dāng)電池電壓上升到能接受大電流充電的閾值時，則 轉(zhuǎn)入快速充電階段。2.快速恒流充電階段該階段為大電流恒流充電，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(dāng)電壓上升至恒壓電壓閾值時，則轉(zhuǎn)入恒壓階段。[0063]3.恒壓充電該階段為恒壓充電，電壓值是取決于蓄電池節(jié)數(shù)與蓄電池溫度。這時充電電流逐 漸減小，當(dāng)電流下降至某一閾值時，自動轉(zhuǎn)入脈沖補(bǔ)充電。4.脈沖補(bǔ)充電該階段主要用來補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的能量，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定最大值 時，此時標(biāo)志著充電過程結(jié)束。比較兩種充電方法可以看出本實(shí)用新型中用的方法更符合鋰動力電池的充電過 程原理實(shí)現(xiàn)快速安全的充電，能夠更好的保護(hù)鋰電池，發(fā)揮鋰動力電池的優(yōu)越性能，延長使 用壽命。鋰動力電池的放電過程是個復(fù)雜的電化學(xué)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(huán)次數(shù)等多種因素的影響，使得對于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(fù)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(jīng)基本輸出完畢。根據(jù)放電特性，本設(shè)計(jì)中將采用合適的放電管理和保護(hù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對放電過程的管理。圖6給出了電動汽車電源控制系統(tǒng)微控制器的控制程序流程圖，電源控制系統(tǒng)微 控制器的控制步驟如下Stepl 進(jìn)行初始化，完成對電源控制系統(tǒng)微控制器7的初始化，進(jìn)行通信模塊8， 顯示模塊6、接口模塊5、報(bào)警模塊9的初始化，檢測各系統(tǒng)的狀態(tài)；St印2 采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(dāng)前狀態(tài)， 根據(jù)采集的信息，設(shè)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(jìn)行充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)；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(guān)閉鋰動力 電池組及報(bào)警提示，反之則返回step2繼續(xù)執(zhí)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(guān)閉鋰動力電池組及報(bào)警提示，反之進(jìn)入St印2繼續(xù) 執(zhí)行。鋰動力電池控制檢測裝置的專用控制芯片程序流程圖7，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的微控制器進(jìn)行通信設(shè)定，接收微控制器發(fā)來的控制 信號，對各鋰動力電池控制檢測裝置1進(jìn)行初始化設(shè)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(jù)電動汽車電源控制系統(tǒng)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(tài)設(shè)置，判斷是進(jìn)行充電、放電；Step3:如是充電狀態(tài)，則判斷是否是涓流預(yù)充電狀態(tài)，如是涓流預(yù)充電狀態(tài)則進(jìn) 行涓流預(yù)充電一定時間如5秒后返回step2 ；如不是涓流預(yù)充電狀態(tài)則判斷是否是處于恒 流充電狀態(tài)，如是則進(jìn)行恒流充電一定時間如10秒后返回step2 ；如不是恒流充電狀態(tài)則 判斷是否處于恒壓充電狀態(tài)，如是則進(jìn)行恒壓充電一定時間如5秒后返回step2 ；如不是恒
7壓充電狀態(tài)，則判斷是否是脈沖補(bǔ)充電狀態(tài)，如是則脈沖補(bǔ)充充電一定時間如3秒完成后 返回step2，反之結(jié)束本單格電池充電過程；St印4 如不是充電狀態(tài)，則判斷是否是處于強(qiáng)制放電狀態(tài)，如不是返回St印2 ；如 是則進(jìn)行判斷電壓是否超過限定值，如不是超過設(shè)定限定值則放電一定時間如10秒后返 回step2 ；如超過設(shè)定閾值，則停止放電，結(jié)束本單格放電過程。充電時根據(jù)檢測的電壓、電流、溫度進(jìn)行控制充電的四個不同過程；放電時根據(jù)檢測的電壓、電流、溫度控制放電過程保護(hù)電池，防止過放電或短路故 障。上述實(shí)例只是體現(xiàn)本實(shí)用新型技術(shù)方案的優(yōu)選方案，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員對其 中的某些部分所可能做出的一些變動均體現(xiàn)了本實(shí)用新型的原理，屬于本實(shí)用新型的保護(hù) 范圍之內(nèi)。
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權(quán)利要求一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特征在于它包括電動汽車電源系統(tǒng)，所述電動汽車電源系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)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(bào)警模塊連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特征在于所述電動 汽車電源系統(tǒng)包括多個并聯(lián)的電池組，每個電池組包括多個串聯(lián)的集成鋰動力電池系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特征在于所述集成 鋰動力電池系統(tǒng)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 包括控制芯片，所述控制芯片、驅(qū)動電路、充放電控制電路和單格鋰動力電池依次連接；所 述控制芯片還通過檢測模塊與單格鋰動力電池連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電動汽車的電池能量管理裝置，其特征在于所述檢測 模塊包括電流檢測、溫度檢測和電壓檢測，它們均分別與控制芯片和單格鋰動力電池連接。
專利摘要本實(shí)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并能夠按照鋰動力電池的充放電要求進(jìn)行適當(dāng)控制的電動汽車鋰動力電池能量管理系統(tǒng)。本實(shí)用新型中每個集成鋰動力電池由專用控制芯片控制，充電過程采用涓流預(yù)充電、快速恒流充電、恒壓充電和脈沖補(bǔ)充充電四階段法。放電過程采用均衡放電控制，有利于輸出電壓的穩(wěn)定，使電動汽車運(yùn)行平順性好。專用控制芯片都有唯一的地址編碼，系統(tǒng)的微處理器可以對專用芯片進(jìn)行信息的讀寫。根據(jù)采集的電池電壓、充放電電流、溫度信息控制系統(tǒng)的能量傳輸控制模塊的電壓變化，達(dá)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(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者包春江, 周榮娥, 惠鴻忠, 楚曉華, 閆士界, 陳衛(wèi)國 申請人:臨清迅發(fā)電器有限責(zé)任公司;聊城大學(xué)