基于n/m冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是動力鋰電池的管理系統(tǒng)，具體而言涉及一種基于N/M冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、無污染、質(zhì)量輕、自放電小等特點，其在電動交通工具領(lǐng)域有非常廣闊的前景。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變性，將鋰離子電池通過電池成組技術(shù)組成為一個電池組作為電源使用以后，需要對其進行管理，從而更合理地使用鋰離子電池，充分發(fā)揮其能量、功率優(yōu)勢，延長其使用壽命，并降低成本。
[0003]現(xiàn)有的鋰電池管理系統(tǒng)主要功能是通過對電池在充放電過程的電壓、電流、溫度、荷電狀態(tài)等信息和狀態(tài)進行采集和監(jiān)控，并對采集的各種數(shù)據(jù)進行分析及處理，實現(xiàn)對鋰電池工作狀態(tài)的全面監(jiān)控以及對鋰電池進行充放電管理、熱管理和均衡管理。
[0004]通過測試、應(yīng)用分析表明，現(xiàn)有的鋰電池管理系統(tǒng)存在諸多缺陷，主要如下:
[0005](1)鋰電池管理系統(tǒng)只適用于單一類型的電池的缺陷:例如錳酸鋰電池工作電壓為3.7V，磷酸鐵鋰電池工作電壓為3.2V，如果采用錳酸鋰電池管理系統(tǒng)管理磷酸鐵鋰電池的工作，有發(fā)生過充電的可能。
[0006](2)現(xiàn)有的鋰電池管理系統(tǒng)主控制模塊在軟件設(shè)計過程中采用的是前后臺系統(tǒng)的方式。但隨著動力電池的不斷推廣，鋰電池管理系統(tǒng)的功能將越來越完善，使得其對實時性要求更加苛刻，同時對功能的擴展以及后期的系統(tǒng)維護要求也越來越高，已不在適合采用這種開發(fā)方式。
[0007](3)現(xiàn)在主流的電池均衡方法分為耗能式和非耗能式。耗能式均衡方法主要是通過限流電阻分擔電壓較高電池的一部分電壓，從而減少電池間的電壓差；其優(yōu)點是實現(xiàn)電路簡單，缺點是能源得不到合理利用。非耗能式均衡方法主要是通過電容或電感等儲能元件實現(xiàn)能量過渡，從而間接實現(xiàn)電池電壓均衡；其優(yōu)點是能源在一定程度上得到了合理利用，是以后的發(fā)展方向。
[0008]無論是耗能式還是非耗能式均衡方法，由于其均衡電流較小，無法及時有效地處理一節(jié)或多節(jié)單體電池電壓過低或過高問題，尤其是電池出現(xiàn)損壞故障，該均衡方法不能保證電池組正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的在于提供一種基于N/M冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對動力鋰電池充放電過程的均衡管理，尤其是在單體電池電壓、溫度等參數(shù)異?；蛘邠p壞時，及時用冗余的電池替換過故障電池，保證電池組整體能正常使用。
[0010]為達成上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0011]一種基于N/M冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)，包括鋰電池組、主控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CAN總線、上位機以及顯示單元，其中:
[0012]所述鋰電池組包括多組電池包，每個電池包包括N節(jié)串聯(lián)的基本單體電池以及與之串聯(lián)的Μ節(jié)均衡單體電池，MS N，每節(jié)單體電池與一開關(guān)串聯(lián)后再與另一開關(guān)并聯(lián)以形成一子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每個電池包由N+M個子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)形成；
[0013]所述數(shù)據(jù)采集單元包括多個數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集鋰電池組、每個電池包和單體電池的狀態(tài)參數(shù)并通過所述CAN總線傳輸至主控制單元的微處理器進行相關(guān)處理；
[0014]所述主控制單元包括微處理器、絕緣電阻檢測模塊、充放電控制模塊以及均衡管理模塊，其中:
[0015]所述絕緣電阻檢測模塊與微處理器連接用于檢測鋰電池組的絕緣電阻；
[0016]所述充放電控制模塊與微處理器連接，并在微處理器的控制下開啟對應(yīng)的充放電開關(guān)，以實現(xiàn)對電池包的充放電控制；
[0017]所述均衡管理模塊與微處理器連接，并且由微處理器根據(jù)所述鋰電池組的狀態(tài)參數(shù)控制進行電池均衡管理:在放電過程中，當一節(jié)或多節(jié)基本單體電池電壓低于一第一閾值時，用冗余的均衡單體電池替換過低電池，實現(xiàn)電池組整體均衡；在充電過程中，當一節(jié)或多節(jié)單體電池電壓高于一第二閾值時，用冗余的均衡單體電池替換過高電池，實現(xiàn)電池組整體均衡；在一節(jié)或多節(jié)單體電池發(fā)生損壞故障時，用冗余的均衡單體電池替換過故障電池；
[0018]所述上位機與主控制單元之間通過串口進行數(shù)據(jù)通訊，用于設(shè)置管理參數(shù)；
[0019]所述顯示單元與所述主控制單元通過串口進行數(shù)據(jù)通訊，用于顯示鋰電池組的工作狀態(tài)和狀態(tài)參數(shù)。
[0020]進一步的實施例中，所述子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)均選用IGBT開關(guān)管，IGBT驅(qū)動電路選用D8316驅(qū)動芯片實現(xiàn)。
[0021]進一步的實施例中，所述微處理器采用STM32F103ZET6單片機。
[0022]進一步的實施例中，所述數(shù)據(jù)采集模塊中，對鋰電池組、每個電池包和單體電池的狀態(tài)參數(shù)的采集方式如下:
[0023]單節(jié)單體電池的電壓采集，采用集成運放組成的抗共模干擾電路進行差分測量；
[0024]鋰電池組總電壓和充放電電流分別通過霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器檢測，并將測得的信號經(jīng)一信號調(diào)理電路濾波、放大后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過CAN總線送至所述微處理器進行信號處理；
[0025]每個電池包中單節(jié)電池的溫度采集，利用數(shù)字溫度傳感器并采用Ι-wire方式進行多點測量，也即一根信號線來連接多個傳感器實現(xiàn)對每個電池包中單節(jié)電池的溫度檢測。
[0026]進一步的實施例中，所述單節(jié)單體電池的電壓采集的差分測量，選用光耦繼電器選通各單節(jié)單體電池，通過集成運放和電阻組成的抗共模電壓電路抵消測量端的共模電壓，實現(xiàn)單體電池電壓的測量。
[0027]進一步的實施例中，所述數(shù)字溫度傳感器采用DALLAS公司的型號為DS18B20的數(shù)字溫度傳感器。
[0028]進一步的實施例中，所述絕緣電阻檢測模塊包括一正負極絕緣開關(guān)繼電器和一調(diào)理電路，所述微處理器通過通用其I/o選通正負極絕緣開關(guān)繼電器，其輸出絕緣電阻采樣電壓，得到的絕緣電阻信號，然后經(jīng)信號調(diào)理后再傳輸至微處理器，微處理器計算得出實時的鋰電池組絕緣電阻。
[0029]進一步的實施例中，所述主控制單元還包括一熱管理模塊，與所述微處理器連接，并由微處理器基于電池包的溫度控制熱管理模塊內(nèi)部的功率開關(guān)管通斷，以實現(xiàn)對電池散熱風(fēng)機的啟停與風(fēng)速控制。
[0030]進一步的實施例中，所述主控制單元還包括一故障報警模塊，與所述微處理器連接，并且在微處理器收到電池故障信號時控制該故障報警模塊工作，發(fā)出對應(yīng)的報警信號。
[0031]由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提出的基于N/M冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點在于:
[0032]1、整個系統(tǒng)采用基于CAN總線的分布式模塊化結(jié)構(gòu)，標準化接口，擴展方便；
[0033]2、通過上位機可對充電電壓上限、放電電壓下限、充放電電流上下限、報警溫度上下限、不平衡壓差、不平衡溫差、S0C報警下限、絕緣電阻下限等管理參數(shù)進行設(shè)定，從而使得系統(tǒng)能夠用于管理磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等多種不同類型的鋰電池組；
[0034]3、整個系統(tǒng)采用基于N/M冗余均衡的策略和方式，通過在包含有N節(jié)單體電池的電池包中額外串聯(lián)M(M<N)節(jié)單體電池(作為均衡電池)，通過控制電路中開關(guān)管的通與斷達到替換電池充(放)電過程中所出現(xiàn)的電壓過高(低)的單體電池、以及故障電池的目的，從而主動實現(xiàn)電池組的均衡充放電；
[0035]4、采用基于N/Μ冗余均衡的策略和方式，被替換下來的單體電池經(jīng)過放電或充電處理后作為均衡電池留作備用，此種電池均衡策略的電路布局簡單，且可靠實用；
[0036]5、主控制單元采用基于cortex-m3核的32位微處理器STM32F103ZET6，提供系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理以及故障處理的實時性；
[0037]6、在溫度采集時，采用基于Ι-wire方式的多點測量，電路簡單、采用單一信號線可同時傳輸時鐘(clock)和數(shù)據(jù)(data)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，抗擾性好，可靠性高。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明一實施方式基于N/Μ冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039]圖2為圖1實施例中冗余電池均衡方式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的連接示意圖。
[0040]圖3為圖1實施例中冗余電池均衡方式的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)另一連接示意圖(B2單體電池故障,冗余電池Bs2接入，保證電池組的組成工作狀態(tài))。
[0041]圖4為本發(fā)明另一實施方式基于N/Μ冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖5為本發(fā)明又一實施方式基于N/Μ冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0043]為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。
[0044]圖1所示為本發(fā)明一實施方式基于N/Μ冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意，其中，一種基于N/Μ冗余均衡策略的動力鋰電池管理系統(tǒng)，包括鋰電池組、主控制單元、數(shù)據(jù)采集單元、CAN總線、上位機以及顯示單元。
[0045]所述鋰電池組包括多組電池包，每個電池包包括N節(jié)串聯(lián)的基本單體電池以及與之串聯(lián)的Μ節(jié)均衡單體電池，Μ < N，如圖2所示，每節(jié)單體電池與一開關(guān)串聯(lián)后再與另一開關(guān)并聯(lián)以形成一子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，每個電池包由Ν+Μ個子開關(guān)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)形成。
[0046]所述數(shù)據(jù)采集單元包括多個數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集鋰電池組、每個電池包和單體電池的狀態(tài)參數(shù)并通過所述CAN總線傳輸至主控制單元的微處理器進行相關(guān)處理。
[0047]如圖1，所述主控制單元包括微處理器、絕緣電阻檢測模塊、充放電控制模塊以及均衡管理模塊，其中:
[0048]所述絕緣電阻檢測模塊與微處理器連接用于檢測鋰電池組的絕緣電阻；