技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種電池的均衡管理系統(tǒng)及主動均衡控制方法。

背景技術(shù)：

電池管理系統(tǒng)(BMS)作為鋰電池動力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，是電池和整個動力系統(tǒng)的聯(lián)接紐帶。電池管理系統(tǒng)主要是通過實時監(jiān)測電池參數(shù)（電壓、電流、溫度等），判斷出電池當(dāng)前的工作狀態(tài)，若存在不平衡則通過均衡控制單元使整個鋰電池組回歸到基本平衡態(tài)。

鋰電池均衡控制的方案主要分為能量耗散型和非能量耗散型兩大類型。由于節(jié)能減排是國家發(fā)展的主題，因此非能量耗散型是整體發(fā)展的趨勢，但是在實際推廣中也要考慮成本因素和復(fù)雜程度。

盡管近年來國內(nèi)外企業(yè)和科研機構(gòu)設(shè)計的電池管理系統(tǒng)的性能已經(jīng)有了很大的提升，甚至也有一部分已經(jīng)進入了實際應(yīng)用階段，但總是或多或少的有些問題。同時相對于國外的電池管理系統(tǒng)而言，國內(nèi)的電池管理系統(tǒng)仍然處于落后狀態(tài)。國內(nèi)研究開發(fā)的設(shè)備在開發(fā)與應(yīng)用方面仍存在系統(tǒng)可靠性不高、設(shè)備精度不高、智能化程度不夠高以至于不能滿足大規(guī)模應(yīng)用的需要、設(shè)備功耗較高等不足。

因此，迫切需要提供一種高效、穩(wěn)定、低功耗的電池均衡管理系統(tǒng)及控制方法，以解決以上所述問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種高效、穩(wěn)定、低功耗的電池均衡管理系統(tǒng)及電池的主動均衡控制方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種電池的均衡管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測控制單元、均衡單元電路、顯示單元和上位機；所述數(shù)據(jù)采集單元用于采集電池單體數(shù)據(jù)，包括各電池單體的電壓和溫度，電池單體的相關(guān)數(shù)據(jù)通過顯示單元顯示；所述監(jiān)測控制單元與數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元和上位機相連，該監(jiān)測控制單元用于與電池單體信息實時采集單元和上位機進行實時信息交互，及進行均衡控制規(guī)則算法的計算和控制信號生成，生成的控制信號用于控制均衡單元電路，以實現(xiàn)整個電池組能量的均衡一致。

其中，所述數(shù)據(jù)采集單元為ATA6870芯片或普通的A/D采樣模擬電路。本方案采用ATA6870芯片采集方案，其集成采集芯片內(nèi)部自帶6通道12位的A/D轉(zhuǎn)換，大大簡化了采集電路的復(fù)雜性，同時提高了采集數(shù)據(jù)的精度。

所述均衡單元電路包括相串聯(lián)的單體電池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二極管D1、D2，電感L1、L2，所述單體電池Celln的正極與MOS管Q1的漏極相連，MOS管Q1的柵極經(jīng)電容C1、電阻R1與單體電池Celln-1的正極相連，MOS管Q1的源極經(jīng)電感L1分別與電池Celln-1的正極和二極管D1的陽極相連，二極管D1的陰極經(jīng)電感L2與MOS管Q1的漏極相連，所述電池Celln-1的負(fù)極與二極管D2的陽極相連，二極管D2的陰極與MOS管Q1的源極相連。

所述監(jiān)測控制單元為ATmega32HVB微控制器，通過SPI與ATA6870芯片通信，通過生成PWM信號控制均衡單元電路的PMOS開關(guān)狀態(tài)。

所述上位機與監(jiān)測控制單元之間通過CAN方式來進行數(shù)據(jù)傳遞。優(yōu)選采用液晶顯示屏為顯示單元。

另一方面，本發(fā)明還相應(yīng)的提供了電池的主動均衡控制方法，包括以下步驟：

a. 通過電池單體信息實時采集芯片采集并傳輸電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號；

b. 通過監(jiān)測控制單元將獲得的數(shù)據(jù)進行處理后，經(jīng)算法處理獲得整個電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及通過與監(jiān)測控制單元相連接的上位機獲得估算的電池系統(tǒng)的剩余容量；

c. 如果出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過監(jiān)測控制單元來啟動相應(yīng)的均衡單元電路實現(xiàn)整個電池組能量得到均衡一致，并實時的將電池的工作狀態(tài)通過顯示單元提供給用戶；

d. 如果電池出現(xiàn)故障時，通過上位機實時監(jiān)控信息反饋至用戶使用端并相應(yīng)作出保護動作。

進一步的，在步驟a中，所述電池單體信息實時采集芯片為ATA6870芯片，該芯片內(nèi)部集成A/D采樣單元。

進一步的，在步驟b中，獲取監(jiān)測并上傳的電池單體信息后，通過安時積分及卡爾曼濾波器修正來預(yù)估電池剩余電量。

進一步的，在步驟c中，出現(xiàn)電池不均衡狀態(tài)后，通過雙向無損均衡控制方式來實現(xiàn)電池單體之間的狀態(tài)均衡。這里所闡述的無損是比較被動均衡而言，真正的無損均衡是不現(xiàn)實的。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明中不僅能實時監(jiān)測電池單體信息，并在電池之間出現(xiàn)不均衡狀態(tài)后，能準(zhǔn)確有效的動作相應(yīng)的主動均衡控制單元，而且相比較被動均衡技術(shù)，主動均衡能更好的提升鋰電池的能量利用率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電池的均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明電池的均衡管理系統(tǒng)的均衡控制策略示意圖；

圖3是本發(fā)明的均衡單元電路的電路圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明：

如圖1所示，本實施例的電池的均衡管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元1、監(jiān)測控制單元3、均衡單元電路2、顯示單元6和上位機5；該數(shù)據(jù)采集單元1用于采集電池單體數(shù)據(jù)，包括各電池單體的電壓和溫度，電池單體的相關(guān)數(shù)據(jù)通過顯示單元6顯示；監(jiān)測控制單元3與數(shù)據(jù)采集單元1、顯示單元6和上位機5相連，該監(jiān)測控制單元3用于與電池單體信息實時采集單元和上位機5進行實時信息交互，及進行均衡控制規(guī)則算法的計算和控制信號生成，生成的控制信號用于控制均衡單元電路2，以實現(xiàn)整個電池組能量的均衡一致。

本實施例的數(shù)據(jù)采集單元1為ATA6870芯片，ATA6870芯片具有節(jié)約空間，低功耗，無需額外增加電源等突出的優(yōu)點，并能在相當(dāng)長的一段時間（不小于15年）內(nèi)維持較高的測量精度。當(dāng)然，ATA6870芯片也可以由普通的A/D采樣模擬電路以實現(xiàn)相同功能。

監(jiān)測控制單元3為ATmega32HVB微控制器，通過SPI與ATA6870芯片通信，通過生成PWM信號控制均衡單元電路的MOS管Q1的狀態(tài)。上位機5與監(jiān)測控制單元3之間通過CAN方式來進行數(shù)據(jù)傳遞。顯示單元6為液晶顯示屏。系統(tǒng)首先通過ATA6870的電壓監(jiān)測單元監(jiān)測出當(dāng)前電池的電壓狀態(tài)值，經(jīng)過芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換。由于ATA6870內(nèi)部沒有PWM生成模塊，所以將相應(yīng)的數(shù)字信號通過芯片相應(yīng)的SPI通信接口傳送到ATmega32HVB微控制器，經(jīng)過相應(yīng)的均衡決策，通過PWM輸出信號來控制相應(yīng)的MOS管Q1的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)電池組出現(xiàn)過放、過充等現(xiàn)象時，對應(yīng)的保護電路4啟用以達(dá)到硬件保護的功能。

進一步參考圖3，均衡單元電路2包括相串聯(lián)的單體電池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二極管D1、D2，電感L1、L2，及外圍電路。所述單體電池Celln的正極與MOS管Q1的漏極相連，MOS管Q1的柵極經(jīng)電容C1、電阻R1與單體電池Celln-1的正極相連，MOS管Q1的源極經(jīng)電感L1分別與電池Celln-1的正極和二極管D1的陽極相連，二極管D1的陰極經(jīng)電感L2與MOS管Q1的漏極相連，所述電池Celln-1的負(fù)極與二極管D2的陽極相連，二極管D2的陰極與MOS管Q1的源極相連。該電路僅對兩個單體電池進行舉例，在實際當(dāng)中可在此電路的基礎(chǔ)上進行電路改進，以適合多個單體電池進行均衡處理。

當(dāng)Cell n的電壓高于Cell n-1時，相應(yīng)的PMOS導(dǎo)通，電池能量暫時存放在電感Ln中，經(jīng)過一段時間，MOS管關(guān)斷，通過續(xù)流作用，電感中能量轉(zhuǎn)移到Cell n-1中。相反的情況，則控制方式也是按照此種方式進行。特此說明，圖3僅為相鄰單體電池間的均衡單元電路2，多級電池相鄰單體之間參照此種電路拓?fù)湔归_。

進一步參考圖2，本系統(tǒng)可實現(xiàn)電池單體間的能量自主向著平衡轉(zhuǎn)移，一步步減小各個電池單體的差距進而達(dá)到整體均衡。

進一步而言，均衡單元電路2由電壓值較高的電池單體轉(zhuǎn)移到較低的電池單體從而達(dá)到整體均衡。如前面所述電池的電壓是體現(xiàn)電池當(dāng)前狀態(tài)SOC的代表性參數(shù)，即整個鋰電池組達(dá)到了能量均衡狀態(tài)。此種均衡方式的導(dǎo)通損耗小，電路組成簡易，且能量轉(zhuǎn)移過程快速高效。

此外，與該系統(tǒng)相互配套的電池的主動均衡控制方法，包括以下步驟：

a. 通過電池單體信息實時采集芯片采集并傳輸電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號；

b. 通過監(jiān)測控制單元3將獲得的信號數(shù)據(jù)進行處理后，經(jīng)算法處理獲得整個電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及通過與監(jiān)測控制單元3相連接的上位機5獲得估算的電池系統(tǒng)的剩余容量；

c. 如果出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過監(jiān)測控制單元3來啟動相應(yīng)的均衡單元電路2實現(xiàn)整個電池組能量得到均衡一致，并實時的將電池的工作狀態(tài)通過顯示單元提供給用戶；

d. 如果電池出現(xiàn)故障時，通過上位機5實時監(jiān)控信息反饋至用戶使用端并相應(yīng)作出保護動作。

在步驟a中，所述電池單體信息實時采集芯片為ATA6870芯片，該芯片內(nèi)部集成A/D采樣單元。在步驟b中，獲取監(jiān)測并上傳的電池單體信息后，通過安時積分及卡爾曼濾波器修正來預(yù)估電池剩余電量。在步驟c中，出現(xiàn)電池不均衡狀態(tài)后，通過雙向無損均衡控制方式來實現(xiàn)電池單體之間的狀態(tài)均衡

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。