一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，以微控制器為核心，對各個模塊的控制、數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進行采樣、通信模塊與微控制器和其他功能模塊通信和保護以及電池組進行均衡控制。本發(fā)明通過提出均衡充電控制系統(tǒng)具有以下功能：精確檢測(或者顯示)電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括電池當前的端電壓、溫度、電池內(nèi)阻、電池的剩余容量；對鋰離子電池組提供過充、過放、過流保護外，有效地對鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)電池的充、放電提供平衡保護、溫度保護、短路保護。本發(fā)明提供的均衡充電控制系統(tǒng)能對蓄電池組進行安全監(jiān)控及有效管理，可以提高蓄電池的使用效率，達到增加續(xù)駛里程、延長其使用壽命、降低運行成本的目的，從而進一步提高電池組的可靠性。
【專利說明】一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域，尤其涉及一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，能源和環(huán)境問題更加突出?；旌蟿恿ζ?Hybrid-Electric Vehicle, HEV)是為減少燃油汽車的能源消耗和所引起的污染這兩個問題而產(chǎn)生的。其中的動力鋰離子電池一般多節(jié)電池串聯(lián)，而由于各單體電池的加工制作、初始容量、電壓、內(nèi)阻以及蓄電池組中各單體電池的溫度等方面均不完全相同，單體電池間的不均衡性是影響電池組工作的一個非常有害的因素，因而，電池組的外特性監(jiān)控成為電動汽車領(lǐng)域亟待解決的一個關(guān)鍵問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，包括用于控制整個系統(tǒng)的微控制器、用于為整個混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)提供電能的電源模塊、用于與微控制器及其他模塊通信的通信模塊、存儲模塊、用于電池組電壓采樣、電流采樣和溫度采樣的數(shù)據(jù)采集模塊、用于過充保護、過放保護以及溫度保護的保護模塊、用于實現(xiàn)單體電池均衡充放電的均衡模塊。
[0006]所述的電源模塊中設(shè)置一個防止混合動力汽車啟動時的電流尖峰對后續(xù)電路產(chǎn)生破壞的共模電感。
[0007]所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。
[0008]所述的數(shù)據(jù)采集模塊電壓采樣的方式，包括如下步驟:先通過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集單體電池電壓信號，然后將采集到的各個電壓信號通過選通開關(guān)的方式傳輸至微控制器中。
[0009]所述的通信模塊采用串口通信和CAN總線通信兩種通信模式。
[0010]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點是提出了多分組管理的策略和備用電源策略，分析了多分組管理策略的局限性，指出了在HEV場合使用備用電源策略的合理性。采用該策略主要包括電池分組的原則和充放電的控制方法等。實驗數(shù)據(jù)分析表明，采用本能量管理策略能有效改善被管理電池組的工作狀況。
[0011]本發(fā)明提供的電池組管理系統(tǒng)能對蓄電池組進行安全監(jiān)控及有效管理，可以提高蓄電池的使用效率，達到增加續(xù)駛里程、延長其使用壽命、降低運行成本的目的，從而進一步提高電池組的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為硬件整體設(shè)計框圖。
[0013]圖2為電源模塊示意圖。
[0014]圖3為電壓采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖。
[0015]圖4為過充電保護電路示意圖；其中，(a)為S-8242過充電保護電路；(b)為S-8254過充電保護電路。
[0016]圖5為過放電保護電路示意圖；其中，(a)為S-8242過放電保護電路；(b)為S-8254過放電保護電路。
[0017]圖6為均衡控制驅(qū)動模塊示意圖。
[0018]圖7為改進均衡電路的性能對比圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實施實例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0020]本發(fā)明提供一種測試用鋰離子電池組，該電池組包括100個串聯(lián)的額定電壓為
3.8V的單體鋰離子電池，將這100個單體電池平均分成4箱,然后將每箱中25個電池單體平均分成5組，即每5個電池單體為一小組。
[0021]由于電池組的不均衡具有很強的隨機性，在電池組中既有可能存在剩余能量低的電池，也有可能存在剩余能量高的電池，因此，高性能的均衡管理系統(tǒng)既要具備充電均衡功能也要具備放電均衡功能。
[0022]本發(fā)明提供的混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括微控制器模塊(MCU)、電源模塊、通信模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、保護模塊以及均衡模塊。
[0023]( 1)電源模塊
該電池管理系統(tǒng)的電源模塊如圖2所示，該電池管理系統(tǒng)采用車載24V蓄電池供電，MCU工作電壓為1.5V，外圍接口電壓為3.3V。圖2中D1是防反二極管，保險F能在電路短路時把系統(tǒng)和電源迅速斷開；共模電感COM是為了防止HEV啟動時的電流尖峰對后續(xù)電路產(chǎn)生破壞；D2、C1起吸收瞬間電流尖峰的作用；圖2右邊上半部分產(chǎn)生1.8V電壓，下半部分產(chǎn)生3.3V電壓；LM1117為DC/DC轉(zhuǎn)換芯片。
[0024](2)數(shù)據(jù)采集模塊
電壓采樣:本發(fā)明的電壓采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，本發(fā)明通過選通開關(guān)的方式對單體電池電壓進行差模測量，先通過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集到電壓信號，將采集的各個電壓信號通過選通開關(guān)傳輸至MCU中，最后顯示出電壓值。整個電壓采集電路由MCU發(fā)出控制信號，每箱電池采用20個移位選通開關(guān)分時選通電路，將電池每一小組正、負極相連，因此只需要4個控制信號線，就可以對電路中所有電池進行電壓采樣。在每一采樣時刻，每箱電池采用20個移位選通開關(guān)，一共采集四個電壓信號。采用CS5461A作為電壓采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。單體電池端采集到的信號傳輸至采樣芯片前，先通過R1、R2、R3高精度電阻降壓至一定范圍，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的電壓信號通過光電稱合器隔離傳輸至MCU中。[0025]電流采樣:采用霍爾式傳感器將采樣信號傳輸至CS5461A進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸至MCU，CS5461A與MCU之間通過光電耦合器隔離。
[0026]溫度采樣:采用分布式多點測溫方式對電路進行測溫，在每個電池箱中放置3個DS1822型溫度傳感器，4箱共放置12個DS1822型溫度傳感器；每6個溫度傳感器連接在一根總線上，MCU和溫度傳感器通過光電耦合器隔離以防止干擾，光電耦合器之后加驅(qū)動電路以驅(qū)動溫度傳感器。
[0027](3)通信模塊
通信模塊主要采用串口通信和CAN總線通信:串口通信主要負責與上位機的通信，包括系統(tǒng)初始值的設(shè)置、發(fā)送系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)等，采用MAX232轉(zhuǎn)換器對MCU端的TTL電平信號和上位機端的RS232電平信號相互轉(zhuǎn)換的通信接口 ；CAN總線通信采用MCP2551芯片作為CAN控制器和物理總線相連的接口芯片。
[0028](4)保護模塊
保護模塊主要負責過充保護、過放保護以及溫度保護。實時監(jiān)測每個單體電池的端電壓，當單體電壓超過規(guī)定高電壓時，即啟動過充電保護功能，保護電路切斷充電回路，中止充電；當單體電壓低于規(guī)定低電壓時，即啟動過放電保護功能，保護電路連通充電回路，開始充電；當溫度高于設(shè)定溫度時，自動開啟散熱模式。
[0029]圖4和圖5分別為電池過充電和過放電保護電路，串聯(lián)方式可以對一組電池進行過充保護。其中S-8242為兩節(jié)鋰電池保護芯片，S-8254為三節(jié)或四節(jié)鋰電池保護芯片。
[0030]在S-8242中，管腳4連接電池b的負極，管腳5連接電池a的負極，管腳6連接電池電源正極，管腳8為過充過放檢測管腳，管腳1 (C0，充電控制用FET門極連接端子)連接過充控制M0SFET，當出現(xiàn)過充是為高，管腳2 (D0，放電控制用FET門極連接端子)連接過放控制M0SFET，當出現(xiàn)過放是為高。
[0031]在S-8254中，管腳10連接電池c、電池d的電池模式選擇管腳，管腳13連接電池c負極，管腳14連接電池b負極，管腳15連接電池a的負極，管腳16連接電池電源正極，管腳2為過充過放檢測管腳，管腳1連接過充控制M0SFET，當出現(xiàn)過充是為高，管腳3連接過放控制M0SFET，當出現(xiàn)過放是為高。
[0032](5)均衡模塊
均衡控制模塊的M0SFET驅(qū)動電路原理:主要采用壓控型脈沖調(diào)制器產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過光耦后傳送到M0SFET芯片，以控制M0SFET開關(guān)管，從而控制均衡模塊充放電。圖6為均衡控制模塊M0SFET驅(qū)動電路，該電路能使開關(guān)迅速導通與關(guān)斷。其中信號PWM-D由SG3535根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)PWM波形從而控制M0SFET開關(guān)管；6N137用于開關(guān)管與主控電路在電氣上的隔離；SN7404芯片用于提高驅(qū)動電流，降低開關(guān)損耗和縮短脈沖上升下降時間；IR2102為驅(qū)動M0SFET的專用芯片；L0引腳上輸出PWM波驅(qū)動MOSFET ;Load為M0SFET的控制輸出。
[0033](6)有效性試驗:
為了驗證本發(fā)明所提出的均衡充電控制系統(tǒng)的改進DC-DC均衡充電電路的工作原理和有效均衡，對均衡相關(guān)電路進行試驗。對四個由鋰離子電池串聯(lián)成的電池組，用本發(fā)明所提出的均衡電路進行均衡充電。從圖7可以看出，均衡充電前，充電不足的單體電池的S0C與其他單體電池相差20%左右，均衡充電70分鐘后，各單體的電壓趨近一致，S0C相差不超過2%。這說明，本發(fā)明所提出的均衡充電控制系統(tǒng)有較好的均充性能。[0034]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益結(jié)果進行了進一步的詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之類，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，包括用于控制整個系統(tǒng)的微控制器、用于為整個混合動力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)提供電能的電源模塊、用于與微控制器及其他模塊通信的通信模塊、存儲模塊、用于電池組電壓采樣、電流采樣和溫度采樣的數(shù)據(jù)采集模塊、用于過充保護、過放保護以及溫度保護的保護模塊、用于實現(xiàn)單體電池均衡充放電的均衡模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電源模塊中設(shè)置一個防止混合動力汽車啟動時的電流尖峰對后續(xù)電路產(chǎn)生破壞的共模電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊電壓采樣的方式，包括如下步驟:先通過采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集單體電池電壓信號，然后將采集到的各個電壓信號通過選通開關(guān)的方式傳輸至微控制器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信模塊采用串口通信和CAN總線通信兩種通信模式。
【文檔編號】H02J7/00GK103701171SQ201310717307
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】吳鐵洲, 陳邦濤, 梅菲, 吳笑民 申請人:湖北工業(yè)大學