一種電池管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對供配電系統(tǒng)中的電池進行管理的技術(shù)領(lǐng)域，具體的來說，是一 種電池管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站的重要配套系統(tǒng)，電池作為其關(guān)鍵組成部分，是在電網(wǎng) 發(fā)生故障或無交流電的情況下使用的。電池組發(fā)生故障后，如果人工維護，由于電池數(shù)量眾 多，情況各異，維護工作量大，許多因素?zé)o法判斷，將直接影響故障處理的準確和及時。因 此，該系統(tǒng)一般都是設(shè)計成可以對電池組基本參數(shù)（單個電池電壓、充放電電流、工作溫 度、總電壓）進行實時在線監(jiān)測與報警，對電池組剩余電荷量的估計、早期故障診斷。
[0003] 同時，在實際應(yīng)用中，這些電池往往是多個串聯(lián)的，這樣在充放電時會發(fā)生不均衡 現(xiàn)象，導(dǎo)致某些電池容量損失，壽命較短。當(dāng)一組電池中的某個單體或者幾個單體損壞，電 池應(yīng)用客戶往往無法判斷是哪個電池單體發(fā)生故障，因此只能一整組電池更換，從而引起 大量的浪費。因此，電池串聯(lián)組中每個單體電池好壞的判斷也是很必要的。同時，由于該類 電池的特點，需要對其進行管理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)最基本的作 用是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)：電池的電壓、電流和溫度，計算電池組的荷電狀態(tài)S0C，管理電 池的工作情況，避免出現(xiàn)過放電、過充、過熱，對出現(xiàn)的故障應(yīng)能及時報警，以便最大限度地 利用電池的存儲能力和循環(huán)壽命。為了實現(xiàn)這些任務(wù)，本發(fā)明對各個功能模塊進行了劃分， 形成各智能測量與控制節(jié)點，基于中央控制單元進行控制管理，同時為了便于以后對電池 模型的研究，本發(fā)明連接PC機端CAN通訊接口，實現(xiàn)了PC對BMS的快速訪問，以便用PC強 大的數(shù)據(jù)處理功能來處理所采集到的數(shù)據(jù)。
[0005] 硬件的設(shè)計必須要實現(xiàn)對電池組的合理管理，首先必須保證采集數(shù)據(jù)的準確性； 其次是可靠穩(wěn)定的系統(tǒng)通信；最后非常重要的是抗干擾性。
[0006] 在具體實現(xiàn)過程中，根據(jù)設(shè)計要求決定需要采集電池組的數(shù)據(jù)類型；根據(jù)采集量 以及精度要求決定前向通道的設(shè)計；根據(jù)抗干擾性要求設(shè)計合理的通訊接口電路。
[0007] 電池組管理系統(tǒng)的硬件電路為管理軟件提供了工作平臺，硬件的主要功能與基本 特點如下： (1) 設(shè)計有掉電保護RAM，用于存儲故障診斷結(jié)果、自學(xué)習(xí)結(jié)果、電池歷史使用情況等 參數(shù)； (2) 具有BMS的自學(xué)習(xí)策略； (3) BMS的EMC(電磁兼容）能力強； (4) 實現(xiàn)BMS的模塊化設(shè)計，特別是可靠的獨立的CPU板設(shè)計，降低開發(fā)成本、提高開發(fā) 效率； (5) 實現(xiàn)對BMS動態(tài)程序下載與程序燒寫，具備了動態(tài)標定能力； (6) 具有外部ADM控制接口； 電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用場合不同，其功能大小也有差異，具體結(jié)構(gòu)組成是由其具體使用 功能來決定的。
[0008] 管理系統(tǒng)分為硬件電路和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件部分一般是按功能分成充電 機主電路、放電機主電路、充放電機主電路的控制電路及以CPU單元構(gòu)成的監(jiān)控回路。軟件 系統(tǒng)因管理目的的不同而不同，但都包括充放電工況的自動轉(zhuǎn)換、對電池單節(jié)電壓的檢測、 對充電電流進行控制等這些基本功能。電池監(jiān)控管理系統(tǒng)都是通過檢測回路或檢測元件檢 測標稱電池工作狀態(tài)的電壓、電流、溫度等參數(shù)，提供給系統(tǒng)軟件進行分析判斷，再下達命 令給控制電路部分來調(diào)整電池的工作狀態(tài)。
[0009] a、狀態(tài)參量檢測電路：包括電壓、電流、溫度等測量電路。
[0010] b、控制板電路：控制板上設(shè)置了單片機，主要完成采集數(shù)據(jù)的處理和有關(guān)接口的 管理。
[0011] C、監(jiān)控軟件系統(tǒng)：監(jiān)控軟件系統(tǒng)由參數(shù)預(yù)置、數(shù)據(jù)采集及實時顯示、數(shù)據(jù)處理等 功能組成，包括充電控制、放電控制、故障診斷及排除、保護及報警、歷史記錄查詢等功能模 塊。
[0012] 狀態(tài)參量檢測電路主要任務(wù)是完成對電池組單體電壓、工作電流及工作溫度的采 集，對于采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)運算。
[0013] 電池組的采樣包括電壓采樣、電流采樣和溫度采樣。
[0014] 電池組通常包含有多個電池單元，必須正確監(jiān)控電池組工作數(shù)據(jù)才能提高電池組 能量使用效率，延長電池組壽命并確保使用安全性。
[0015] 電池組數(shù)據(jù)采集通常包括采集電池端電壓、電流和溫度等信息，以此作為整個系 統(tǒng)工作的依據(jù)。電池電壓數(shù)據(jù)采集是整個電路的關(guān)鍵，因此電壓采集精度要求較高，通常電 池組單體電池電壓差異大于50mV就認為電池組內(nèi)部能量不一致，所以電壓檢測精度一般 要求在5mV之內(nèi)。由于電池組工作環(huán)境比較復(fù)雜、工作溫度范圍較寬，因此電池電壓檢測電 路應(yīng)該具有較小的溫漂，以保證測量精度不受外部環(huán)境溫度的影響同時電池組內(nèi)部單體電 池串聯(lián)連接和電池內(nèi)部特性復(fù)雜，使得對單體電池電壓測量難度大大提高，測量電路對應(yīng) 于同一個電壓參考點，用精密電阻進行匹配分壓來降低采樣點的電壓。
[0016] 通過電阻分壓將電池組的單體電壓轉(zhuǎn)換成共地電壓信號，假設(shè)對于每一組電壓測 量的相對誤差為;S，實際真實值為讓:，測量值為I，，單體電池電壓為，則通過計算可以 得到測量的單體電壓值為 v;-tr, -y^ -(IL-u%fx(yst〇",) 對電池組充放電電流的測量為系統(tǒng)能量估算、能量均衡和充放電控制等提供數(shù)據(jù)，電 流采樣通常有使用采樣電阻，電池組充電時，充電電流為I。通過功率電阻R1產(chǎn)生壓降 VI，經(jīng)過正向放大器到ADC采樣端口。電池組放電時，放電電流|以_，通過功率電阻產(chǎn)生壓降 為負值，經(jīng)過反向放大器到ADC采樣端口。
[0017] 電池組的安全性問題主要是由于熱失控引起，在高溫狀態(tài)下電池可能發(fā)生爆炸， 因此為了保證電池組工作的安全性，對電池組中每一節(jié)單體電池溫度控制就顯得非常關(guān) 鍵。
[0018] 數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，信號處理器，多路選擇器， 中央控制器，隨機存儲器和只讀存儲器。具有測量精度高，轉(zhuǎn)換時間快，易于在線編程，可多 點并聯(lián)測量，方便測量和安裝等優(yōu)點。
[0019] 電池的計算參量包括S0C和內(nèi)阻、實際容量計算。
[0020] S0C是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量 的比值
剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補償容量。
[0021] 若電池長期處于過充模式則正極板會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，在此同時電解液降低及濃度 增加，此現(xiàn)象加速了極板的腐蝕速度。假如電池處于反復(fù)充電和放電過程中，由于收縮和膨 脹動作不斷發(fā)生，此結(jié)果造成活動物質(zhì)從極板中分離，最后電池容量會降低。所以電池容量 和內(nèi)阻有著密不可分的關(guān)系。
[0022] 電池?zé)o負載時，電池的端電壓為E，外部連接的電阻負載為RL，負載電流為I，負載 電壓為E2,電池內(nèi)阻為R0,在負載電阻已知的情況下，可根據(jù)電池電壓與負載電壓的測量。 估算電池的內(nèi)阻。首先，將供電開關(guān)打開，利用高輸入阻抗的電壓計，測得開路電壓為E，再 將供電開關(guān)閉合，測得負載電壓為_:，而電流計測得的負載電流為I，則由下式可求得內(nèi)部 電阻值。
[0023] 由于__驅(qū):，則可得
電池容量與內(nèi)電阻的關(guān)系如下：
上式中C表示待估計的電容量，E為端電壓，R0為內(nèi)電阻，const為常數(shù)，:Kp,Y, 為系數(shù)，由此可見，端電壓及內(nèi)阻均影響的電容量。
[0024] 整個電池保護電路由多個模塊組成，主要分為：電源特征采樣模塊，偏置電壓發(fā)生 模塊，休眠控制模塊，時延模塊，基準電壓發(fā)生模塊，過壓和欠壓檢測模塊，過流和短路檢測 模塊，邏輯控制模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動模塊，以及輔助模塊。這幾個模塊功能包括： 電源特征采樣模塊主要用來生成用于判斷各節(jié)電池過壓、欠壓等錯誤狀態(tài)的特征電 壓，特征電壓將與基準電壓發(fā)生模塊的輸出電壓進行比較。
[0025] 偏置電壓發(fā)生模塊主要用于產(chǎn)生一系列偏置電壓，完成對內(nèi)部電路，包括比較器， 放大器等電路的偏置設(shè)置。
[0026] 休眠控制模塊完成芯片進入休眠模式與重新啟動的控制，從而盡可能的節(jié)