專利名稱：用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一 種串聯(lián)鋰動(dòng)力電池組管理均衡控制系統(tǒng)，特別涉及一種無(wú)能耗電量均衡、自動(dòng)充放電控制和剩余電量估算的鋰電池組智能管理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于各種類型的電動(dòng)自行車和其他裝備小型電池組的應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，隨著電動(dòng)自行車輕型化、小型化的要求，鋰電池在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用越來(lái)越普及，其動(dòng)力電源已經(jīng)采用將多個(gè)鋰電池通過(guò)并串組合連接在一起組成電池組進(jìn)行供電。在正常使用過(guò)程中，由于電池使用一段時(shí)間后導(dǎo)致各節(jié)電池單體特性之間出現(xiàn)差異，使得電池組整體能量性能得不到充分發(fā)揮，尤其在電池組充電過(guò)程后期，可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)過(guò)充電和欠充電的問(wèn)題，產(chǎn)生各單體電池間的不均衡現(xiàn)象。如果電池組長(zhǎng)期運(yùn)行在這種不均衡的狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致過(guò)充電或過(guò)放電頻繁發(fā)生，必定會(huì)損壞電池，造成安全隱患，進(jìn)而嚴(yán)重影響電池的使用性能和壽命。從嚴(yán)格意義上講，現(xiàn)有的一般電池管理系統(tǒng)僅僅具備過(guò)充、過(guò)放保護(hù)和溫度保護(hù)功能，只能算是一個(gè)電池監(jiān)視系統(tǒng)，并不是真真意義上的電池管理系統(tǒng)。上述一般系統(tǒng)只是根據(jù)充電、放電截止電壓來(lái)判斷是否對(duì)電池組進(jìn)行充放電，并沒(méi)有將電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電量預(yù)測(cè)、均衡管理和充放電強(qiáng)度控制有機(jī)結(jié)合起來(lái)，在實(shí)際應(yīng)用中意義不大。因此，要實(shí)現(xiàn)真正意義上的電池管理系統(tǒng)，必須要從一個(gè)復(fù)雜大系統(tǒng)的角度出發(fā)， 將電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池電量估算(S0C)、均衡管理和充放電控制作為一個(gè)整體來(lái)考慮，同時(shí)還要兼顧相互之間的關(guān)聯(lián)性。電池狀態(tài)的監(jiān)控很容易實(shí)現(xiàn)，只要通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)就可采集到電池組的電流、電壓和溫度信號(hào)。電池電量估算技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)外都不是很完善、特別是在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)估算很難實(shí)現(xiàn)，但一些公開(kāi)的預(yù)估算法其精度也可達(dá)到8%以內(nèi)。電池均衡管理和充放電控制技術(shù)也是主要的技術(shù)難點(diǎn)，尤其是無(wú)能耗均衡技術(shù)以及與之配合工作的充電控制技術(shù)對(duì)電池管理系統(tǒng)而言至關(guān)重要。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供本實(shí)用新型用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)非能耗均衡管理、且具有充放電強(qiáng)度控制的功能。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣的其包括電池管理控制單元、均衡子系統(tǒng)、電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、充電器和電池組，所述充電器具有單線通信接口，能夠根據(jù)微控制器給出的指令協(xié)議實(shí)時(shí)改變工作模式和調(diào)整充電電流的大小，微控制器根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)和均衡情況決定充電器工作狀態(tài)，指令協(xié)議的格式由單總線上PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)的占空比來(lái)定義；所述電池組由電池串聯(lián)組成，也可對(duì)每節(jié)進(jìn)行并聯(lián)以增大電池組的容量，其特征在于所述電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關(guān)的外圍輔助電路、電量顯示和驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)均衡算法、電池電量預(yù)估算法、充電強(qiáng)度控制算法和電池狀態(tài)信息的運(yùn)算、處理和控制； 所述均衡子系統(tǒng)由一個(gè)同軸變壓器、MOS開(kāi)關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)各單節(jié)電池的容量進(jìn)行非能耗主動(dòng)均衡；所述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由濾波器和運(yùn)算放大器組成，通過(guò)電壓掃描的方式對(duì)各單節(jié)電池的電壓進(jìn)行采樣并送到微控制器的ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換)輸入端口，電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)除了對(duì)單節(jié)電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著對(duì)整個(gè)電池組的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其進(jìn)一步特征在于所述電池組由12節(jié)電池串聯(lián)組成；所述均衡子系統(tǒng)包括斬波及 驅(qū)動(dòng)模塊、同軸變壓器和M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、 M9、M10、Mll、M12、Mp MOS開(kāi)關(guān)；所述斬波及驅(qū)動(dòng)模塊將微控制器輸出的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)后控制各MOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和閉合，每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號(hào)；所述同軸變壓器有 Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級(jí)繞組和 1 個(gè)初級(jí)繞組 Tp, Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級(jí)繞組分別經(jīng) M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12 MOS 開(kāi)關(guān)連接到 12 個(gè)電池單元，初級(jí)繞組Tp通過(guò)一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)Mp與電池組正負(fù)端相連；在該均衡子系統(tǒng)中，微控制器可根據(jù)各單體電池的容量和電壓差異情況，通過(guò)增大或減小PWM信號(hào)的占空比對(duì)每路均衡電流進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電池組在不同狀態(tài)下的均衡模式，達(dá)到智能化均衡管理的目的。所述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括信號(hào)放大調(diào)理電路和濾波器，同時(shí)復(fù)用了均衡電路中同軸變壓器的初級(jí)繞組Tp和MOS開(kāi)關(guān)；該電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)完成12個(gè)單節(jié)電池的電壓采樣以及整個(gè)電池組的總電壓和電流的檢測(cè)，并將調(diào)理后的信號(hào)送入微控制器的ADC輸入口。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)所述電池管理控制單元能夠根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)和單體電池之間的容差大小實(shí)時(shí)控制均衡電流的強(qiáng)度和充電器充電模式，避免了電池組可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)過(guò)充電和欠充電的問(wèn)題，使得電池組的容量最大限度發(fā)揮，有效增加了電池組的使用壽命。(2)所述均衡子系統(tǒng)采用了以同軸變壓器為核心的DC/DC均衡電路，能夠?qū)﹄姵貑卧g轉(zhuǎn)移能量，實(shí)現(xiàn)了電池組的非能耗主動(dòng)均衡。(3)所述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)僅僅利用同軸變壓器的初級(jí)繞組Tp，通過(guò)電壓掃描的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)所有電池單元的電壓檢測(cè)，省去了傳統(tǒng)方法中必須要采用的開(kāi)關(guān)陣列，同時(shí)也避免了共地隔離的難題。相比而言，該方案成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。

圖1為本實(shí)用新型的用于電動(dòng)自行車鋰電池組智能管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的均衡子系統(tǒng)功能框圖；圖3為本實(shí)用新型的電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型包括電池管理控制單元30、均衡子系統(tǒng)40、電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) 20、充電器10和電池組50，充電器10的正負(fù)端通過(guò)連線1、2與電池組50正負(fù)端連接，充電器10具有單線通信接口 3，能夠根據(jù)微控制器給出的指令協(xié)議實(shí)時(shí)改變工作模式和調(diào)整充電電流的大小，微控制器根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)和均衡情況決定充電器工作狀態(tài)，指令協(xié)議的格式由單總線上PWM (脈寬調(diào)制)信號(hào)的占空比來(lái)定義；電池組50由12節(jié)電池串聯(lián)組成，也可對(duì)每節(jié)進(jìn)行并聯(lián)以增大電池組50的容量；電池管理控制單元30是以微控制器為核心，并配以相關(guān)的外圍輔助電路、電量顯示和驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)均衡算法、電池電量預(yù)估算法、 充電強(qiáng)度控制算法和電池狀態(tài)信息的運(yùn)算、處理和控制，電池管理控制單元30通過(guò)信號(hào)線束8與均衡子系統(tǒng)40連接，用于控制均衡電路中MOS開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，電池管理控制單元30通過(guò)信號(hào)線3與充電器10連接，用于與充電器10進(jìn)行通信，控制充電強(qiáng)度和充電模式的切換；均衡子系統(tǒng)40由一個(gè)同軸變壓器42，具體為多副邊繞組同軸變壓器、MOS開(kāi)關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，均衡子系統(tǒng)40通過(guò)電纜線6、7與電池組50正負(fù)端連接，通過(guò)電纜線9與電池組50的各單節(jié)電池連接，負(fù)責(zé)對(duì)各單節(jié)電池的容量進(jìn)行非能耗主動(dòng)均衡；電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)20由濾波器21和運(yùn)算放大器組成，通過(guò)電壓掃描的方式對(duì)各單節(jié)電池的電壓進(jìn)行采樣并送到微控制器的ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換)輸入端口，電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)20分別通過(guò)信號(hào)線4和5 與電池管理控制單元30和均衡子系統(tǒng)40連接，電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)20除了對(duì)單節(jié)電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著對(duì)整個(gè)電池組50的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
見(jiàn)圖2，其包括斬波及驅(qū)動(dòng)模塊41、同軸變壓器42和多個(gè)MOS開(kāi)關(guān)(Ml到Ml2，Mp); 斬波及驅(qū)動(dòng)模塊41將微控制器輸出的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)后控制各MOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組5 0單元電池之間的能量均衡；每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)整占空比大小可實(shí)現(xiàn)對(duì)均衡電流強(qiáng)度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；同軸變壓器42有 12 個(gè)次級(jí)繞組了81、了82、了83、了84、了85、了86、了87、了88、了89、了810、了811、了812 和 1 個(gè)初級(jí)繞組 Tp,次級(jí)繞組 TsU Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、Tsll、Tsl2 分別經(jīng) MOS ff*Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、Mll、M12 連接至Ij電池組 50 的 12 個(gè)電池單元， 初級(jí)繞組Tp的一端接電池組50正端，另一端通過(guò)一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)Mp與電池組50負(fù)端相連， 該同軸變壓器42用于各單元電池之間的能量轉(zhuǎn)移。在該均衡子系統(tǒng)40中，微控制器可根據(jù)各單體電池的容量和電壓差異情況，通過(guò)增大或減小PWM信號(hào)的占空比對(duì)每路均衡電流進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電池組50在不同狀態(tài)下的均衡模式，達(dá)到智能化均衡管理的目的。見(jiàn)圖2、圖3，電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)20包括信號(hào)放大調(diào)理電路22和濾波器21，同時(shí)復(fù)用了同軸變壓器42 ；同軸變壓器42初級(jí)繞組Tp的同名端與濾波器21連接，濾波器21與信號(hào)放大調(diào)理電路22連接，信號(hào)放大調(diào)理電路22同時(shí)要采樣電池組50的電壓和電流，所有被測(cè)信號(hào)都被送入微控制器的ADC輸入端口。電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)的管理控制方法如下微控制器實(shí)時(shí)巡檢電池組 50各電池單元的電壓、溫度、電池組50充放電電流等參數(shù)，并與設(shè)定的保護(hù)閾值相比較，通過(guò)控制電池組50充放電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電池組50過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)、溫度保護(hù)和單體電池的過(guò)充過(guò)放保護(hù)；管理控制系統(tǒng)根據(jù)所測(cè)單體電池的電壓參數(shù)判斷單體電池之間是否存在不均衡現(xiàn)象，若單體電池之間的差異超過(guò)一定的范圍，則啟動(dòng)均衡子系統(tǒng) 40開(kāi)始工作。在均衡過(guò)程中，均衡電流的強(qiáng)度可根據(jù)單體電池之間容差的大小進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)；電池組50在充電過(guò)程中，當(dāng)均衡電流已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)硬件電路所允許的極限，但仍然無(wú)法滿足均衡的要求時(shí)，微控制器通過(guò)單總線發(fā)送指令給充電器10，使其減小充電電流的強(qiáng)度，若系統(tǒng)最大均衡電流能夠滿足均衡要求，則充電器10的充電電流為其額定電流。均衡子系統(tǒng)40的均衡方法如下如圖2所示，當(dāng)電池組50在充電模式下，如果某個(gè)單體電池Cll的電壓高于其他單元，首先閉合開(kāi)關(guān)M11，電流從電池Cll流向同軸變壓器 42，電池單元中轉(zhuǎn)移出的能量以磁場(chǎng)的形式得到存儲(chǔ)，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)M11，閉合初級(jí)線圈上的主開(kāi)關(guān)Mp，此時(shí)，同軸變壓器42從儲(chǔ)能模式進(jìn)入了能量輸出模式，能量通過(guò)初級(jí)線圈送入整個(gè)電池組50，從而實(shí)現(xiàn)了能量從較強(qiáng)的電池向較弱的電池轉(zhuǎn)移；當(dāng)電池組50在放電和空閑模式下，如果某個(gè)單體電池C2的電壓低于其他單元，此時(shí)閉合主開(kāi)關(guān)Mp，電池組50開(kāi)始對(duì)同軸變壓器42充電，主開(kāi)關(guān)Mp斷開(kāi)后，相應(yīng)的次級(jí)開(kāi)關(guān)M2閉合，就開(kāi)始能量轉(zhuǎn)移。上述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)20對(duì)各單節(jié)電池的電壓測(cè)量方法如下當(dāng)Ml到M12這些開(kāi)關(guān)中有一個(gè)閉合時(shí)，與其相連的電池單元的電壓就轉(zhuǎn)換到同軸變壓器42的初級(jí)繞組Tp中， 在經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器21濾波之后，被測(cè)信號(hào)被送入微控制器的ADC輸入端口，通過(guò)這種同軸變壓器42回掃的方法，在一個(gè)很小的時(shí)隙里即可實(shí)現(xiàn)12節(jié)電池單元的電壓巡檢。圖1中1.電池組正端；2.電池組負(fù)端；3.與充電器通信信號(hào)線；4. ADC采樣輸入；5.單節(jié)電池電壓檢測(cè)信號(hào)線；6、7.均衡子系統(tǒng)電源正負(fù)連線；8. MOS開(kāi)關(guān)控制信號(hào)線； 9.單節(jié)電池引出線。
權(quán)利要求1.用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)，其包括電池管理控制單元、 均衡子系統(tǒng)、電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、充電器和電池組，所述充電器具有單線通信接口，能夠根據(jù)微控制器給出的指令協(xié)議實(shí)時(shí)改變工作模式和調(diào)整充電電流的大小，微控制器根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)和均衡情況決定充電器工作狀態(tài)，指令協(xié)議的格式由單總線上脈寬調(diào)制信號(hào)的占空比來(lái)定義；所述電池組由電池串聯(lián)組成，也可對(duì)每節(jié)進(jìn)行并聯(lián)以增大電池組的容量，其特征在于所述電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關(guān)的外圍輔助電路、電量顯示和驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)責(zé)均衡算法、電池電量預(yù)估算法、充電強(qiáng)度控制算法和電池狀態(tài)信息的運(yùn)算、處理和控制；所述均衡子系統(tǒng)由一個(gè)同軸變壓器、MOS開(kāi)關(guān)及驅(qū) 動(dòng)電路構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)各單節(jié)電池的容量進(jìn)行非能耗主動(dòng)均衡；所述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由濾波器和運(yùn)算放大器組成， 通過(guò)電壓掃描的方式對(duì)各單節(jié)電池的電壓進(jìn)行采樣并送到微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端口， 電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)除了對(duì)單節(jié)電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著對(duì)整個(gè)電池組的電壓和電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)，其特征在于所述電池組由12節(jié)電池串聯(lián)組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)，其特征在于所述均衡子系統(tǒng)包括斬波及驅(qū)動(dòng)模塊、同軸變壓器和Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、 M9、M10、Mll、M12、Mp MOS開(kāi)關(guān)；所述斬波及驅(qū)動(dòng)模塊將微控制器輸出的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)隔離驅(qū)動(dòng)后控制各MOS開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和閉合，每路驅(qū)動(dòng)信號(hào)均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號(hào)；所述同軸變壓器有 Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級(jí)繞組和 1 個(gè)初級(jí)繞組 Tp, Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級(jí)繞組分別經(jīng) M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12 MOS 開(kāi)關(guān)連接到 12 個(gè)電池單元，初級(jí)繞組Tp通過(guò)一個(gè)MOS開(kāi)關(guān)Mp與電池組正負(fù)端相連；在該均衡子系統(tǒng)中，微控制器可根據(jù)各單體電池的容量和電壓差異情況，通過(guò)增大或減小PWM信號(hào)的占空比對(duì)每路均衡電流進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)電池組在不同狀態(tài)下的均衡模式，達(dá)到智能化均衡管理的目的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)，其特征在于所述電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)包括信號(hào)放大調(diào)理電路和濾波器，同時(shí)復(fù)用了均衡電路中同軸變壓器的初級(jí)繞組Tp和MOS開(kāi)關(guān)；該電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)完成12個(gè)單節(jié)電池的電壓采樣以及整個(gè)電池組的總電壓和電流的檢測(cè)，并將調(diào)理后的信號(hào)送入微控制器的ADC輸入口。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了用于電動(dòng)自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電池管理控制單元、均衡子系統(tǒng)、電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、充電器和電池組。電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關(guān)的外圍輔助電路、電量顯示電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。均衡子系統(tǒng)由斬波及驅(qū)動(dòng)模塊、同軸變壓器和多個(gè)MOS開(kāi)關(guān)組成。電池監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由濾波器和信號(hào)放大調(diào)理電路構(gòu)成，并復(fù)用了同軸變壓器。本實(shí)用新型所形成的以同軸變壓器為核心的DC/DC均衡電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，能夠?qū)﹄姵貑卧g實(shí)現(xiàn)非能耗主動(dòng)均衡。本實(shí)用新型在電池組充電、放電和空閑時(shí)都能進(jìn)行均衡工作，增加了電動(dòng)車得續(xù)行里程，降低了用戶的使用成本。
文檔編號(hào)H02J7/00GK202111486SQ20112015022
公開(kāi)日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月12日
發(fā)明者錢東高 申請(qǐng)人:無(wú)錫東南車輛科技有限公司