專利名稱：一種電動汽車電池保護電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及純電動汽車、混合動カ汽車領域，具體涉及電動汽車電池保護電路。
背景技術：
目前電動汽車的電池保護技術包括兩大部分一是通過對電池外部附加金屬或非金屬裝置，實現電池與外部的隔絕，防止電池破損或減輕電池的碰撞和震動，以此防止電池燃燒和爆炸，實現對電動汽車和人員的保護。ニ是通過對電動汽車電池回路通斷的控制來實現在異常情況下及時切斷電動汽車的電源，實現對電池和人員的保護。主要是通過對主電路的電壓、電流的檢測與基準電壓和基準電流的比較分析來判斷電池的工作狀態(tài)是否正常，由此來控制主回路的通斷(如《一種超低功耗鋰離子電池保護電路》、《鋰離子電池的保護系統(tǒng)》等)。所用的方法有電路異常自鎖、檢測實時端電壓判斷最大放電電流等。這些方法只是通過檢測外部電流、電壓的參數來實現對電池的管理，沒有對電池的內部荷電狀態(tài) 進行估算和預測，不能預測電池的內部荷電特性，而控制也就出現了滯后性，不能對電池故障及時進行預測和對電路的保護。同時這些裝置沒有考慮到在電池完好的情況下電動汽車出現碰撞和側翻等各類故障時對電池的及時保護，以防止電池因碰撞等造成損壞，從而出現燃燒和爆炸現象。

發(fā)明內容
鑒于以上背景，為了克服現有的不足，提供了一種電動汽車電池保護電路，此電路不僅實現了對電動汽車電池的外部電壓、電流的檢測，對過電壓、過電流、欠電壓等異常狀態(tài)下的切斷保護，而且増加了對輸出電壓、電流、電池溫度的變化數值進行微分處理，實現了對電池輸出特性的提前預測，并通過應用卡爾曼濾波法和Ah計量法實現了對電池內部荷電狀態(tài)的估算，對電池的荷電異常進行檢測和保護，還通過對汽車的慣性檢測保證在電池完好的情況下電動汽車出現碰撞和側翻等各類故障時及時切斷電源電路防止出現電池的燃燒和爆炸。此電路實現了對電池和人員的更加全面的保護。為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下。一種電動汽車電池保護電路，包括主電路，電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊，電池溫度檢測模塊，電動汽車慣性檢測模塊，電磁繼電器開關模塊，和單片機控制模塊；主電路包括多組單體電池串聯(lián)，用于提供電動汽車電源，每個單體電池的兩端接電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊與充電器或負載串接在電池回路中，電池回路電流檢測模塊用于檢測回路總電流，電池回路中還串聯(lián)有一個電磁繼電器開關；電壓檢測模塊的兩端接每個電池単體的兩端，用于實時檢測每個單體電池的電壓，電壓檢測模塊的輸出接入單片機控制模塊；溫度檢測模塊用于檢測單體電池的溫度，電池溫度檢測模塊的輸出接單片機控制模塊；電動汽車慣性檢測模塊與單片機控制模塊連接，用于檢測電動汽車的外部運行狀態(tài)；電磁繼電器開關的控制端接至單片機模塊；單片機控制模塊用于輸出信號對各模塊進行控制。
進ー步的，上述電動汽車電池保護電路還包括電源供電模塊，對各模塊進行供電。進ー步的，電壓檢測模塊包括第一電阻，第二電阻，第三電阻，第一電容，第二電容，和第一運放；第一電阻與第二電阻串聯(lián)，第一電容與第二電阻并聯(lián)，第一運放正相輸入端接第一電阻與第二電阻連接端，第一運放反相端接輸出端，第二電容并聯(lián)接于第一運放輸出端與地之間，第三電阻一端接第一運放的輸出端，另一端接于單片機的第三A/D轉換
IO ロ。進ー步的，電池回路電流檢測模塊包括第一電流傳感器，第二運放，第三電容，第四電阻，第四電容，第五電阻，第六電阻，第七電阻，和第五電容；主電路的電流從第一電流傳感器正端流入并從第一電流傳感器的負端流出，第一電流傳感器的電源端VCC接正5v電源，第一電流傳感器的接地端GND接地，第一電流傳感器的電壓信號輸出端Vout接第四電阻的一端，第四電阻的另一端接第二運放的反相輸入端，第三電容并聯(lián)接于第一電流傳感器的電源端VCC與第一電流傳感器的接地端GND之間，第四電容并聯(lián)接于第二運放的反相 輸入端與地之間，第六電阻接于第二運放的反相輸入端與輸出端之間，第五電阻接于第二運放的正向輸入端與地之間，第七電阻一端接到第二運放的輸出端，另一端接到單片機的第二 A/D轉換IO ロ，第五電容并接于單片機的第二 A/D轉換IO ロ與地之間。進ー步的，電池溫度檢測模塊包括第一溫度傳感器和第十八電容，第一溫度傳感器的電源端VDD接+5v電源，第一溫度傳感器信號輸出端DQ端接單片機的第二 A/D轉換IOロ，第十八電容并聯(lián)接于+5v電源和地之間,第一溫度傳感器的GND端接地。進ー步的，所述慣性檢測模塊包括慣性傳感器。進ー步的，電磁繼電器開關模塊包括第一三極管，第十電阻，第一ニ極管和第一電磁繼電器電流線圈，第一三極管的基極接單片機的P3. O腳，集電極接第一電磁繼電器電流線圈的一端，第一電磁繼電器電流線圈的另一端接+12v電源，第一ニ極管反并聯(lián)接于第一電磁繼電器電流線圈兩端，第一三極管的發(fā)射極接第十電阻的一端，第十電阻另一端接地。進一步的，電源供電模塊包括兩部分，第一部分輸出為+12v,第二部分輸出為+5v ;第一部分包括第十七電容,第二ニ極管,第三ニ極管,第一穩(wěn)壓芯片,第十六電容，和第十五電容；第十七電容并接于電動汽車電池單體的b+端和b-端,第一穩(wěn)壓芯片U4的輸入Vin端接b+端,第一穩(wěn)壓芯片的GND端接地,在地與單體電池負極b_之間正向接第二ニ極管，反向接第三ニ極管，第一穩(wěn)壓芯片的Vout端即為+12v輸出端，在+12v輸出端與地之間接第十五電容和第十六電容；第二部分包括第二穩(wěn)壓芯片，第十九電容和第二十電容;第十九電容并接于+12v電源和地之間，第二穩(wěn)壓芯片的輸入Vin端接+12v電源端，第二穩(wěn)壓芯片的GND端接地,第二穩(wěn)壓芯片的Vout端為輸出+5v電源端,第二十電容并接于第二穩(wěn)壓芯片的Vout端與地之間。進ー步的，單片機控制模塊包括STC12C5206單片機，第九電容，第十電容，第八電阻，第六電容，第七電容，第八電容和晶振XTAL ;單片機的VCC接+5v電源，第九電容與第十電容并接于電源和地之間，晶振XTAL接于單片機的XTALl與XTAL2腳之間，第七電容并接于XTAL2與地之間，第八電容并接于XTALl與地之間，單片機的RST端接第六電容負端，第六電容正端接+5v電源，第八電阻并接于單片機的RST與地之間。上述的電動汽車電池保護電路中，由電壓，電流,溫度,慣性四方面的檢測,送入單片機，用卡爾曼濾波法和Ah計量法對電動汽車電池的SOC進行準確估算，經過比較分析對電路出現的過電壓，過電流，溫度異常，以及電池荷電狀態(tài)的異常進行檢測，提前預防電池故障，并且用慣性傳感器對汽車的外部運行狀態(tài)進行檢測，對于異常碰撞和突然加減速進行電路保護，實現提前對電池或汽車事故的預防以及對人身安全的全面保護。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果本發(fā)明的各個方案及其結合不僅實現了對電動汽車電池的外部電壓、電流的檢測，對過電壓、過電流、欠電壓等異常狀態(tài)下的切斷保護，而且増加了對輸出電壓、電流、電池溫度檢測，通過單片機對變化數值進行微分處理，實現了對電池輸出特性的提前預測，并可通過應用卡爾曼濾波法和Ah計量法實現了對電池內部荷電狀態(tài)的估算，對電池的荷電異常進行檢測和保護，還能通過對汽車的慣性檢測保證在電池完好的情況下電動汽車出現碰撞和側翻等各類故障時及時切斷電源電路防止出現電池的燃燒和爆炸。此電路實現了對電池和人員的更加全面的保護。本發(fā)明還適用于電動汽車與智能電網互動的小型化、智能化、高效率的雙向充電站系統(tǒng)的控制技術與面向智能電網的電動汽車基礎設施的建設領域。


圖I是電動汽車電池保護電路的總體結構圖。圖2是實施例中電壓檢測模塊的電路圖。圖3是實施例中電池回路電流檢測模塊的電路圖。圖4是實施例中電池溫度檢測模塊電路圖。圖5是實施例中電動汽車慣性檢測模塊電路圖。圖6是實施例中電磁繼電器開關模塊。圖7是實施例中單片機控制模塊電路圖。圖8a和圖8b分別是實施例中電源供電模塊的12V和5V電源電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進ー步說明，但本發(fā)明的實施和保護范圍不限于此。圖I給出了本發(fā)明示例的電動汽車電池保護電路的總體結構圖，其中包括主電路，電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊，電池溫度檢測模塊，電動汽車慣性檢測模塊，電磁繼電器開關模塊，單片機控制模塊以及電源供電模塊。主電路由多組單體電池串聯(lián)提供電動汽車電源，每個單體電池接電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊串入主回路，連接至充電器或負載，再串入ー個電磁繼電器開關K，控制主回路的開關。電壓檢測模塊兩端接每組電池單體的兩端實時檢測每組單體電池的電壓，電路輸出接入單片機的第一 A/D轉換IOロ Pl. O ;電池回路電流檢測模塊串入電池主回路中，檢測回路總電流，輸出接入單片機的第二 A/D轉換IO ロ Pl. I ;電池溫度檢測模塊輸出接單片機的第三A/D轉換IO ロ Pl. 2 ;電動汽車慣性檢測模塊控制端和輸入端分別接入單片機的引腳；電磁繼電器開關模塊開關串在電路主回路中，其控制的電流線圈的控制輸入端接單片機；單片機控制模塊接各模塊的輸入及控制信號，輸出信號對各模塊進行控制；電源供電包括12v和5v供電單元，對各模塊進行供電。圖2給出了電動汽車電池保護電路電池單體電壓檢測模塊，第一電阻Rl，第二電阻R2，第三電阻R3，第一電容Cl，第二電容C2，和第一運放UlA ;第一電容與第二電容串聯(lián)，第一電容與第二電阻并聯(lián)，第一運放正相輸入端接第二電阻正相端，反相端接第一運放輸出端，第二電容并聯(lián)接于第一運放輸出端與地之間，第三電阻一端接于第一運放的輸出端，另一端接于單片機的第三A/D轉換IO端ロ Pl. 2。此模塊對每個単體電池進行電壓實時監(jiān)測，經A/D轉換后輸入單片機，提供電池的電壓參數。圖3給出了電動汽車電池保護電路中電池回路電流檢測模塊,包括第一電流傳感器U1，第二運放U2A，第三電容C3，第四電阻R4，第四電容C4，第五電阻R5，第六電阻R6，第七電阻R7，和第五電容C5;第一電流傳感器IP+端接主回路的I+端，第一電流傳感器的IP-端接主回路的I-端，一電流傳感器的VCC接正5v電源，GND端接地，Vout接第四電容的一端，第四電容的另一端接第二運放的反相輸入端，第三電容并聯(lián)接于VCC與地GND之間，第四電容并聯(lián)接于第二運放的反相輸入端與地之間，第六電阻接于第二運放的反相輸入端與輸出端第五電阻接于第二運放的正向輸入端與地之間，第七電阻一端接到第二運放的輸出端，另一端接到單片機的第二 A/D轉換IO端ロ Pl. I，第五電容并接于單片機的第二 A/D轉換IO端ロ與地之間。此模塊實時監(jiān)測電池主回路的電流，經A/D轉換后輸入單片機，提供電池回路的電流參數。 圖4給出了電動汽車電池保護電路中電池溫度檢測模塊，包括第一溫度傳感器U2和第十八電容C18。第一溫度傳感器的VDD端接+5v電源，DQ端接單片機的第三A/D轉換IO端ロ Pl. 2 ロ，第十八電容并聯(lián)接于+5v電源和地之間，第一溫度傳感器的GND端接地。此模塊對電池的溫度進行監(jiān)測，經A/D轉換后輸入單片機，提供電池的溫度參數。圖5給出了電動汽車電池保護電路中電動汽車慣性檢測模塊包括電動汽車慣性檢測模塊包括第一慣性傳感器U3 (現有產品)，第i^一電容Cl I，第十二電容C12，第十三電容C13，第十四電容C14。第一慣性傳感器U3的VCC端接+5v電源，第十四電容C14并接于第一慣性傳感器U3的Vssa端和Cref端，第十三電容C14并接于第一慣性傳感器U3的Vssa端和Cfega端,第十二電容并接于第一慣性傳感器U3的Vssa端和Creg端,第^ 電容Cll并接于第一慣性傳感器U3的VCC與地之間，第一慣性傳感器U3的Vssa端、Vss端、Vpp/TEST端接地。此模塊對電動汽車的運行慣性進行監(jiān)測，輸出信號給單片機，提供慣性參數。圖6給出了電動汽車電池保護電路中電磁繼電器開關模塊包括第一三極管Q1，第十電阻R10，第一ニ極管Dl和第一電磁繼電器電流線圈し第一三極管的基極接單片機的P3. O ロ，集電極接第一電磁繼電器電流線圈的一端，第一電磁繼電器電流線圈的另一端接+12v電源，第一ニ極管反并聯(lián)接于第一電磁繼電器電流線圈兩端，第一三極管的發(fā)射極接第十電阻，第十電阻另一端接地。此模塊由單片機的輸出控制，對主電路的開端進行控制。圖7給出了電動汽車電池保護電路中電源供電模塊包括兩部分，第一部分輸出為+12v,第二部分輸出為+5v ;第一部分包括第十七電容C17，第二ニ極管D2，第三ニ極管D3，第一穩(wěn)壓芯片U4,第十六電容C16,和第十五電容C15 ;第十七電容并接于電動汽車電池單體的b+端和b-端,第一穩(wěn)壓芯片U4的輸入Vin端接b+端,第一穩(wěn)壓芯片U4的GND端接地，在地與單體電池負極b-之間正向接第二ニ極管D2，反向接第三ニ極管D3，第一穩(wěn)壓芯片U4的Vout端即為+12v輸出端,在+12v輸出端與地之間接第十五電容C15和第十六電容C16 ;第二部分包括第二穩(wěn)壓芯片U5，第十九電容C19和第二十電容C20 ;第十九電容并接于+12v電源和地之間，第二穩(wěn)壓芯片U5的輸入Vin端接+12v電源端，第二穩(wěn)壓芯片U5的GND端接地，第二穩(wěn)壓芯片U5的Vout端為輸出+5v電源端，第二十電容C20并接于第二穩(wěn)壓芯片U5的Vout端與地之間。此模塊為單片機以及各芯片提供電源。圖8給出了電動汽車電池保護電路中單片機控制電路包括包括STC12C5206單片機，第九電容C9，第十電容C10，第八電阻R8，第六電容C6，第七電容C7，第八電容C8和晶振XTAL，單片機的VCC接+5v電源，第九電容與第十電容并接于電源和地之間，XTAL接于單片機的XTALl與XTAL2之間，第七電容并接于XTAL2與地之間，第八電容并接于XTALl與地之間，單片機的RST端接第六電容負端，第六電容正端接+5v電源，第八電阻并接于RST與地之間。本實例中，單片機控制模塊首先將單體電池電壓檢測模塊、主回路電流檢測模塊、電池溫度檢測模塊的輸入，跟基準電壓比較，用卡爾曼濾波法和Ah計量法對電池的SOC進
行計算，保證電池的荷電狀態(tài)正常。其次對過電壓，欠電壓，過電流現象進行判斷，及時給電磁繼電器模塊開關信號。再次對電壓，電流和溫度的采集信號進行微分，判斷其變化趨勢是否正常，不正常則切斷電源。另外，通過慣性傳感器的檢測，對于電動汽車的加減速或碰撞翻滾等進行判斷，及時控制電池回路電磁繼電器開關的通斷。
權利要求
1.一種電動汽車電池保護電路，特征在于包括主電路，電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊，電池溫度檢測模塊，電動汽車慣性檢測模塊，電磁繼電器開關模塊，和單片機控制模塊；主電路包括多組單體電池串聯(lián)，用于提供電動汽車電源，每個單體電池的兩端接電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊與充電器或負載串接在電池回路中，電池回路電流檢測模塊用于檢測回路總電流，電池回路中還串聯(lián)有一個電磁繼電器開關；電壓檢測模塊的兩端接每個電池單體的兩端，用于實時檢測每個單體電池的電壓，電壓檢測模塊的輸出接入單片機控制模塊；溫度檢測模塊用于檢測單體電池的溫度，電池溫度檢測模塊的輸出接單片機控制模塊；電動汽車慣性檢測模塊與單片機控制模塊連接，用于檢測電動汽車的外部運行狀態(tài)；電磁繼電器開關的控制端接至單片機模塊；單片機控制模塊用于輸出信號對各模塊進行控制。
2.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于還包括電源供電模塊，對各模塊進行供電。
3.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于電壓檢測模塊包括第一電 阻(R1)，第二電阻(R2)，第三電阻(R3)，第一電容(Cl)，第二電容(C2)，和第一運放(UlA)；第一電阻(Rl)與第二電阻(R2)串聯(lián)，第一電容(Cl)與第二電阻(R2)并聯(lián)，第一運放(UlA)正相輸入端接第一電阻(Rl)與第二電阻(R2)連接端，第一運放反相端接輸出端，第二電容(C2)并聯(lián)接于第一運放(UlA)輸出端與地之間,第三電阻(R3) —端接第一運放(UlA)的輸出端，另一端接于單片機的第三A/D轉換IO 口(P1. 2)。
4.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于電池回路電流檢測模塊包括第一電流傳感器(U1)，第二運放(U2A)，第三電容(C3)，第四電阻(R4)，第四電容(C4)，第五電阻(R5)，第六電阻(R6)，第七電阻(R7)，和第五電容(C5);主電路的電流從第一電流傳感器正端流入并從第一電流傳感器的負端流出，第一電流傳感器的電源端VCC接正5v電源，第一電流傳感器的接地端GND接地，第一電流傳感器的電壓信號輸出端Vout接第四電阻(R4)的一端，第四電阻(R4)的另一端接第二運放(U2A)的反相輸入端，第三電容并聯(lián)接于第一電流傳感器的電源端VCC與第一電流傳感器的接地端GND之間，第四電容并聯(lián)接于第二運放(U2A)的反相輸入端與地之間，第六電阻(R6)接于第二運放(U2A)的反相輸入端與輸出端之間，第五電阻(R5 )接于第二運放(U2A )的正向輸入端與地之間，第七電阻(R7 )一端接到第二運放(U2A)的輸出端，另一端接到單片機的第二 A/D轉換IO 口(P1. 1)，第五電容(C5)并接于單片機的第二 A/D轉換IO 口(P1. I)與地之間。
5.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于電池溫度檢測模塊包括第一溫度傳感器(U2)和第十八電容(C18)，第一溫度傳感器(U2)的電源端VDD接+5v電源，第一溫度傳感器(U2)信號輸出端DQ端接單片機的第二 A/D轉換IO 口(P1. I)，第十八電容(C18)并聯(lián)接于+5v電源和地之間，第一溫度傳感器(U2)的GND端接地。
6.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于所述慣性檢測模塊包括慣性傳感器。
7.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于電磁繼電器開關模塊包括第一三極管(Q1)，第十電阻(R10)，第一二極管(Dl)和第一電磁繼電器電流線圈(L)，第一三極管(Ql)的基極接單片機的P3. O腳，集電極接第一電磁繼電器電流線圈(L)的一端，第一電磁繼電器電流線圈(L)的另一端接+12v電源，第一二極管(Dl)反并聯(lián)接于第一電磁繼電器電流線圈(L)兩端，第一三極管(Ql)的發(fā)射極接第十電阻(RlO)的一端，第十電阻(RlO)另一端接地。
8.根據權利要求I所述的電動汽車電池保護電路，特征在于電源供電模塊包括兩部分，第一部分輸出為+12v,第二部分輸出為+5v ;第一部分包括第十七電容(C17),第二二極管(D2),第三二極管(D3),第一穩(wěn)壓芯片(U4),第十六電容(C16),和第十五電容(C15)；第十七電容并接于電動汽車電池單體的b+端和b-端,第一穩(wěn)壓芯片U4的輸入Vin端接b+端，第一穩(wěn)壓芯片(U4)的GND端接地，在地與單體電池負極b-之間正向接第二二極管(D2)，反向接第三二極管(D3)，第一穩(wěn)壓芯片(U4)的Vout端即為+12v輸出端，在+12v輸出端與地之間接第十五電容(C15)和第十六電容(C16);第二部分包括第二穩(wěn)壓芯片(U5)，第十九電容(C19)和第二十電容(C20);第十九電容并接于+12v電源和地之間，第二穩(wěn)壓芯片(U5)的輸入Vin端接+12v電源端，第二穩(wěn)壓芯片(U5)的GND端接地，第二穩(wěn)壓芯片(U5)的Vout端為輸出+5v電源端,第二十電容(C20)并接于第二穩(wěn)壓芯片(U5)的Vout端與地之間。
9.根據權利要求I 8任一項所述的電動汽車電池保護電路，特征在于單片機控制模塊包括STC12C5206單片機，第九電容(C9)，第十電容(C10)，第八電阻(R8)，第六電容(C6)，第七電容(C7)，第八電容(C8)和晶振XTAL ;單片機的VCC接+5v電源，第九電容(C9)與第十電容(ClO)并接于電源和地之間，晶振XTAL接于單片機的XTALl與XTAL2腳之間，第七電容(C7)并接于XTAL2與地之間，第八電容(C8)并接于XTALl與地之間，單片機的RST端接第六電容(C6)負端，第六電容(C6)正端接+5v電源，第八電阻(R8)并接于單片機的RST與地之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動汽車電池保護電路，包括主電路，電壓檢測模塊，電池回路電流檢測模塊，電池溫度檢測模塊，電動汽車慣性檢測模塊，電磁繼電器開關模塊，和單片機控制模塊。各檢測模塊通過對電池單體電壓、電池回路電流、電池溫度的檢測，將信號傳給單片機控制模塊，分析其電流、電壓和溫度的變化趨勢。此電路不僅實現了對電動汽車電池的外部電壓、電流的檢測，對過電壓、過電流、欠電壓等異常狀態(tài)下的切斷保護，而且實現了對電池輸出特性的提前預測，對電池的荷電異常進行檢測和保護，還通過對汽車的慣性檢測保證在電池完好的情況下電動汽車出現各類故障時及時切斷電源電路防止出現電池的燃燒和爆炸。
文檔編號H02H7/18GK102856886SQ20121031806
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權日2012年8月31日
發(fā)明者康龍云, 姜凱, 林玉健 申請人:華南理工大學