一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，其特征在于該電源管理系統(tǒng)包括單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、充放電電路、電池組模塊、觸摸屏和保護(hù)電路，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分，所述電池組模塊包括電池成組電路和隔離放大電路；所述單片機(jī)同時(shí)與觸摸屏、電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分雙向連接，單片機(jī)的輸出端與保護(hù)電路和充放電電路的輸入端連接，所述保護(hù)電路和充放電電路的輸出端分別與電池成組電路的一端連接，電池成組電路的另一端通過隔離放大電路同時(shí)與電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分的輸入端連接。
【專利說明】
一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及應(yīng)用于電動(dòng)汽車的鋰離子動(dòng)力蓄電池組的電源管理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特 別涉及一種基于單片機(jī)控制的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)是電動(dòng)汽車安全行駛的關(guān)鍵部分，主要功能是對(duì)動(dòng)力電池 組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、估量和管理，避免出現(xiàn)個(gè)別單體電池過沖、過放和提前損壞的現(xiàn)象，提 高動(dòng)力電池的利用率，延長(zhǎng)電池組的循環(huán)壽命，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。眾所周知， 電池組的循環(huán)壽命往往低于單體電池的循環(huán)壽命，主要原因是電池組沒有一個(gè)有效的電源 管理系統(tǒng)，所以，電池組的使用效率和循環(huán)壽命取決于電源管理系統(tǒng)。
[0003] 蓄電池組(車載動(dòng)力電池組或電池組)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，都是由很多單體電 池（電池單元）串聯(lián)而成，每塊單體電池的性能和質(zhì)量直接影響到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、可靠 性和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)有的電源管理系統(tǒng)還存在很大的局限性，需要改進(jìn)和完善，除了需要提高電 源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用性，即適用于多個(gè)電池和多種類型的電池，剩余電量估算的精確性， 安全性方面外，還需要在充電方面，從耗能均衡轉(zhuǎn)向主動(dòng)均衡充電，更重要的是研發(fā)一種適 用于不同工況需求的高精度管理系統(tǒng)。
[0004] 例如文獻(xiàn)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池荷電狀態(tài)估算方法研究綜述》中所述總結(jié)了常用 的動(dòng)力電池荷電狀態(tài)的估算方法，其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等算法由于計(jì)算量大，需要 構(gòu)建系統(tǒng)的成本，無(wú)形中大大增加了整個(gè)系統(tǒng)的成本;針對(duì)單一的電流積分、開路電壓等方 法測(cè)量簡(jiǎn)單，但是測(cè)量準(zhǔn)確性難以保證;雖然系統(tǒng)濾波算法用于電池剩余電量估算準(zhǔn)確，但 是同樣需要合適的電路模型，且運(yùn)算速度慢。因此開發(fā)一套估算準(zhǔn)確且成本較低的單片機(jī) 控制系統(tǒng)是非常必要的。
[0005] 德國(guó)柏林大學(xué)研發(fā)了國(guó)際上技術(shù)比較先進(jìn)、功能較完善的電源管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì) 多個(gè)電池模塊的統(tǒng)一管理，但是此類電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)只能對(duì)一組串聯(lián)的電池組進(jìn)行 電源管理，不能靈活應(yīng)用于多種電池串并聯(lián)方式的電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)，所以，應(yīng)用范圍受到 了限制。例如發(fā)明專利CN 103496328 B中所述，采用PLC作為電源管理系統(tǒng)的控制器，系統(tǒng) 的占用體積大，因此限制了電源管理系統(tǒng)的使用環(huán)境，并且通過PLC技術(shù)對(duì)S0C(電池剩余電 量)進(jìn)行估算過程中大大的增長(zhǎng)了系統(tǒng)的成本，而且由于電池組的連接結(jié)構(gòu)都是固定的，估 算結(jié)果并不能準(zhǔn)確的反應(yīng)到系統(tǒng)的實(shí)際工作狀況上，因此使用過程中無(wú)法根據(jù)系統(tǒng)的需要 進(jìn)行調(diào)整，阻礙了電池及電動(dòng)汽車的進(jìn)一步使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)。該電源管理系 統(tǒng)在以單片機(jī)作為控制核心的前提下應(yīng)用了一種簡(jiǎn)單可靠的S0C估算算法且該系統(tǒng)可以適 應(yīng)電動(dòng)汽車不同工況下的需求，電池組的成組方式可以靈活切換。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0008] 一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，其特征在于該電源管理系統(tǒng)包括單片 機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、充放電電路、電池組模塊、觸摸屏和保護(hù)電路，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電 流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分，所述電池組模塊包括電池成組電路和隔離放 大電路;所述單片機(jī)同時(shí)與觸摸屏、電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分雙向連 接，單片機(jī)的輸出端與保護(hù)電路和充放電電路的輸入端連接，所述保護(hù)電路和充放電電路 的輸出端分別與電池成組電路的一端連接，電池成組電路的另一端通過隔離放大電路同時(shí) 與電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分的輸入端連接;單片機(jī)內(nèi)存有S0C估算算法 和故障診斷程序；
[0009] 所述電池成組電路的電路構(gòu)成是:每個(gè)單體電池依次串聯(lián)，且在每?jī)蓚€(gè)單體電池 之間均串聯(lián)一個(gè)繼電器，每個(gè)單體電池的正極和負(fù)極均引出接線，兩個(gè)正極的引出接線分 別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連接，兩個(gè)負(fù)極的引出接線分別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連 接。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
[0011] (1)本發(fā)明將單片機(jī)應(yīng)用到電源管理系統(tǒng)上來，摒棄了過去以計(jì)算機(jī)或其他控制 器作為控制核心的復(fù)雜算法，在完善系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上大大地降低了系統(tǒng)的成本和占用空 間，采用單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合S0C算法能夠顯著提高電源管理系統(tǒng)的運(yùn)算速度，而且 相對(duì)于其他控制器為核心技術(shù)的系統(tǒng)更能方便地移植到其它場(chǎng)合中使用。
[0012] (2)在確定電池余量估算之后，即使有準(zhǔn)確的估算值但是對(duì)電池串并聯(lián)的使用模 式不能改變，還會(huì)對(duì)電池的使用存在損壞，本發(fā)明在單體電池間使用繼電器，通過相應(yīng)繼電 器控制單體電池的串并聯(lián)關(guān)系，針對(duì)電動(dòng)汽車不同的工作狀況提出了一種新的電池成組方 式，根據(jù)環(huán)境需求不同，電池組中的單體電池可以在多種連接方式之間靈活切換，可以使電 動(dòng)汽車在適應(yīng)更多的路況上擁有更強(qiáng)的能力，而且可以防止蓄電池過度使用增加電池的使 用壽命，具有良好的實(shí)踐和推廣的價(jià)值。
[0013] (3)在針對(duì)單片機(jī)的電源管理系統(tǒng)中，現(xiàn)有技術(shù)在S0C估算過程中只采用單一的估 算方法大大降低了數(shù)據(jù)的可靠性，本申請(qǐng)摒棄了過去用單一方法來進(jìn)行信號(hào)采集，在通過 準(zhǔn)確的電壓和電流因素的計(jì)算過程中，在信號(hào)輸入進(jìn)單片機(jī)之前進(jìn)行了濾波處理，在此基 礎(chǔ)上采用開路電壓與安培積分兩種方法相結(jié)合計(jì)算S0C的過程中，大大增加了系統(tǒng)電池余 量估算的準(zhǔn)確性和可靠性。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0015] 圖2是本發(fā)明基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)一種實(shí)施例的電池成組電路 401的電路連接圖；
[0016] 圖中，1單片機(jī)、2數(shù)據(jù)采集模塊、3充放電電路、4電池組模塊、5觸摸屏、6保 護(hù)電路、201電流采集部分、202電壓采集部分、203溫度采集部分、401電池成組電路、 402隔離放大電路。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，但并不以此作為對(duì)本申請(qǐng)權(quán)利要求 保護(hù)??圍的限定。
[0018] 本發(fā)明基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱電源管理系統(tǒng)，參見圖1 一圖2) 包括單片機(jī)1、數(shù)據(jù)采集模塊2、充放電電路3、電池組模塊4、觸摸屏5和保護(hù)電路6,所述數(shù)據(jù) 采集模塊2包括電流采集部分201、電壓采集部分202和溫度采集部分203,所述電池組模塊4 包括電池成組電路401和隔離放大電路402;所述單片機(jī)1同時(shí)與觸摸屏5、電流采集部分 201、電壓采集部分202和溫度采集部分203雙向連接，單片機(jī)1的輸出端與保護(hù)電路6和充放 電電路3的輸入端連接，所述保護(hù)電路6和充放電電路3的輸出端分別與電池成組電路401的 一端連接，電池成組電路401的另一端通過隔離放大電路402同時(shí)與電流采集部分201、電壓 采集部分202和溫度采集部分203的輸入端連接;單片機(jī)1內(nèi)存有S0C估算算法和故障診斷程 序；
[0019] 所述電池成組電路401的電路構(gòu)成（參見圖2)是：每個(gè)單體電池依次串聯(lián)，且在每 兩個(gè)單體電池之間均串聯(lián)一個(gè)繼電器，每個(gè)單體電池的正極和負(fù)極均引出接線，兩個(gè)正極 的引出接線分別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連接，兩個(gè)負(fù)極的引出接線分別通過一個(gè)繼電器 兩兩依次連接。即如圖2所示，單體電池也、8 2、83、"_、811-1、811(以下1^2，且11為整數(shù))依次串 聯(lián)，在單體電池也的負(fù)極和單體電池 Β2的正極之間串聯(lián)繼電器Κ2,在單體電池 Β2的負(fù)極和單 體電池 Β3的正極之間串聯(lián)繼電器Κ5，…，在單體電池的負(fù)極和單體電池 Βη的正極之間串 聯(lián)繼電器Κ3η-4;單體電池 Β!、Β2、Β3、…、Bn-!、Βη的正極和負(fù)極均引出接線，單體電池 Β!的正極 引出接線與單體電池 B2的正極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K1，單體電池 B2的正極引出接 線與單體電池 B3的正極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K4，···，單體電池 Bn-l的正極引出接線 與單體電池 Bn的正極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K3n-5;單體電池 Βι的負(fù)極引出接線與單 體電池出的負(fù)極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K3,單體電池出的負(fù)極引出接線與單體電池 B3的負(fù)極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K6，…，單體電池 Bn-1的負(fù)極引出接線與單體電池 Bn 的負(fù)極引出接線之間連接一個(gè)繼電器K3n-3;此電路就可以用來自由切換每個(gè)單體電池在 電路中的串并聯(lián)關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)多種電池成組方式的快速轉(zhuǎn)換，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜元 器件的使用，減少了硬件電路的成本，并且切換過程通過單片機(jī)控制即可實(shí)現(xiàn)，易于操作。
[0020] 本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述電流采集部分201采用霍爾傳感器，在每個(gè)單體電 池的負(fù)極都連接一個(gè)霍爾傳感器，所述溫度采集部分203采用DS18B20數(shù)字溫度檢測(cè)芯片， 溫度采集部分安裝在每個(gè)單體電池的外側(cè)。
[0021] 所述充放電電路3用于接通或者斷開充電和放電回路，使電源管理系統(tǒng)正常的運(yùn) 行。電源管理系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)汽車運(yùn)行狀態(tài)做出判斷，確定所處狀態(tài)后，接通對(duì)應(yīng)的控制回路； 當(dāng)運(yùn)行過程中，檢測(cè)到單體電池處于危險(xiǎn)狀態(tài)，則會(huì)切斷充放電控制回路，保證電源管理系 統(tǒng)的安全性。
[0022] 所述觸摸屏5,使用者可以通過觸摸屏界面直觀的了解電池組沖放電的實(shí)時(shí)狀態(tài)， 即人與設(shè)備"溝通"的渠道。所述觸摸屏選取MCGS類型的屏幕，并通過RS232與單片機(jī)通訊。 單片機(jī)與觸摸屏連接，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，觸摸屏除了具備顯示信息功能外，還可以設(shè) 置單片機(jī)的輸入按鈕，減少硬件電路，降低系統(tǒng)能耗，符合低功耗的設(shè)計(jì)原則。
[0023] 所述數(shù)據(jù)采集模塊2用于監(jiān)視電池組狀態(tài)，實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，采集的相關(guān)數(shù) 據(jù)包括電壓、電流及溫度，此為電源管理系統(tǒng)的基本功能。其中電壓采集部分202是電源管 理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，電壓決定了電池的當(dāng)前狀態(tài)，即電池的端電壓作為判斷電池是否過充 過放的依據(jù)。同時(shí)，電壓數(shù)據(jù)是SOC估算算法中SOC初步估算的依據(jù)。電流數(shù)據(jù)作為電池充放 電過程中過流的依據(jù)，是保護(hù)電路的輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)也是S0C估算算法的主要依據(jù)。電壓和 溫度主要用于檢測(cè)電池是否處于安全狀態(tài)，電流作為電池剩余電量估算的主要數(shù)據(jù)來源， 并且將限幅遞推平均濾波算法作為電流信號(hào)的主要處理算法。
[0024]所述故障診斷程序和保護(hù)電路6主要是為了保障電源管理系統(tǒng)的安全運(yùn)行。磷酸 鐵鋰電池處于高溫狀態(tài)易出現(xiàn)爆炸，而低溫時(shí)無(wú)法運(yùn)行，同時(shí)電池過充或過放對(duì)電池的壽 命影響較大，所以要避免出現(xiàn)上述情況，系統(tǒng)必須設(shè)置故障診斷和保護(hù)功能。本發(fā)明電源管 理系統(tǒng)可能存在的故障為過流、過充、過放、高溫、低溫，電源管理系統(tǒng)將故障進(jìn)行分類，方 便區(qū)別故障類型，同時(shí)還設(shè)置了報(bào)警提示信息，用于提醒用戶故障的存在。當(dāng)電源管理系統(tǒng) 出現(xiàn)故障時(shí)，首先判定是哪一種故障，確定故障類型后，啟動(dòng)保護(hù)電路，假如當(dāng)高溫故障時(shí) 則需要啟動(dòng)保護(hù)電路中的散熱電路。
[0025]所述S0C(電池剩余電量)估算算法是電源管理系統(tǒng)一個(gè)重要功能，以數(shù)據(jù)采集模 塊2作為輸入，得到電池組的剩余電量，通過百分比的形式顯示于觸摸屏。本申請(qǐng)中采用開 路電壓法和安培積分法結(jié)合進(jìn)行S0C估算，由開路電壓法計(jì)算單體電池的初始電量和單體 電池靜置一段時(shí)間后的電量，然后，由安培積分法計(jì)算過程中的進(jìn)出單體電池電量，最后對(duì) S0C估算結(jié)果進(jìn)行校正。
[0026]本發(fā)明電源管理系統(tǒng)的進(jìn)一步特征在于所述S0C估算算法的具體步驟是：
[0027] 1)計(jì)算單體電池的初始容量測(cè)量電池組模塊中單體電池的開路電壓，利用開路電 壓計(jì)算單體電池的初始S0C值，即單體電池的初始容量；
[0028] 2)計(jì)算各個(gè)單體電池的基本S0C值利用安培積分法，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出單體 電池的過程電量，結(jié)合步驟1)得到的單體電池的初始容量通過S0C估算公式不斷更新單體 電池的剩余電池電量，得到各個(gè)單體電池的基本S0C值；
[0029] 3)計(jì)算各個(gè)單體電池的精確S0C值對(duì)步驟2)得到的各個(gè)單體電池的基本S0C值進(jìn) 行S0C校正，該S0C校正包括充放電率、溫度和老化補(bǔ)償?shù)男ＵＵ蟮玫降母鱾€(gè)單體電池 的精確S0C值；
[0030] 4)電池組的S0C估算將步驟3)得到的各個(gè)單體電池的精確S0C值進(jìn)行對(duì)比篩選，找 出最小的精確S0C值作為整個(gè)電池組的剩余電量值，即整個(gè)電池組的S0C值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組 的S0C估算。
[0031] 本發(fā)明電源管理系統(tǒng)的工作原理及過程是：電壓采集部分202、電流采集部分201 和溫度采集部分203通過隔離放大電路分別采集電池成組電路401中各個(gè)單體電池的電流、 電壓和溫度信息，單片機(jī)1通過S0C估算算法計(jì)算出電池組的剩余電量，并通過觸摸屏5顯示 出電池和電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀態(tài)，通過電池的工作狀態(tài)可以判斷出電動(dòng)汽車的不同工作狀 況，如果電流、電壓或者溫度出現(xiàn)異常時(shí)則需要通過故障診斷程序做出判斷啟動(dòng)保護(hù)電路， 對(duì)電池成組電路進(jìn)行保護(hù)。通過S0C估算算法對(duì)電動(dòng)汽車的運(yùn)行狀況做出判斷后可以得出 電動(dòng)汽車需要工作在三個(gè)不同的工作狀態(tài)，通過單片機(jī)控制充放電電路對(duì)電池成組電路更 改成組方式切換達(dá)到匹配電動(dòng)汽車工作狀態(tài)的目的。
[0032] 本發(fā)明中電池組模塊4能夠適應(yīng)電動(dòng)汽車不同工況下對(duì)電源電壓和電流的不同需 求，電池組在幾種不同成組方式之間靈活切換，避免電池組過放，有利于電池組循環(huán)壽命。 不同工作模式之間的切換可以通過相應(yīng)的繼電器實(shí)現(xiàn)，繼電器由單片機(jī)控制，首先單片機(jī) 接收指令，判斷電動(dòng)汽車處于哪種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，之后做出判斷，控制對(duì)應(yīng)的繼電器，將電池組 切換到正確的模式下。本申請(qǐng)將電動(dòng)汽車劃分為三個(gè)工作階段，即加速行駛過程、勻速行駛 過程、制動(dòng)或者充電過程，由于制動(dòng)過程也是對(duì)電池組充電，所以將制動(dòng)過程和電池組充電 過程歸為一種工作階段。電動(dòng)汽車行駛在不同的階段對(duì)電源的需求不同，可以實(shí)現(xiàn)多種電 池的組合形式，本發(fā)明將電池組對(duì)應(yīng)的分為三種工作模式。模式一：制動(dòng)和充電過程;模式 二:均速行駛過程;模式三:加速行駛過程。根據(jù)每一種工作模式的實(shí)際需要，對(duì)應(yīng)切換電池 成組電路。
[0033]電池組在三種工作模式之間的切換是通過單片機(jī)控制的相應(yīng)的繼電器實(shí)現(xiàn)，所有 的繼電器均為常開，減少電源管理系統(tǒng)的額外電量損耗，
[0034] 在電池成組電路401中單體電池、B2、B3、…、Bn-!、B n和繼電器之間的連接關(guān)系如 圖2所示，每?jī)蓚€(gè)相鄰單電池串聯(lián)時(shí)正負(fù)極之間接上一個(gè)繼電器即1(2、1(5.. -、1(311-4，兩個(gè) 相鄰單體電池的正極之間連接上繼電器K1、K4、K7 ..…K3n-5，兩個(gè)相鄰單體電池的負(fù)極之 間連接上繼電器Κ3、Κ6..…、Κ3η-3。改變Bn-jPB n之間的串并聯(lián)關(guān)系措施：當(dāng)每?jī)蓚€(gè)相鄰單 體電池、Bn需要串聯(lián)的時(shí)候則接通K3n-4，斷開K3n-5和K3n-3;當(dāng)每?jī)蓚€(gè)相鄰單體電池需 要并聯(lián)連接時(shí)則斷開Κ3η-4，接通Κ3η-5和Κ3η-3;通過上述措施可以實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池的串 并聯(lián)連接關(guān)系，例如改變?chǔ)ⅵ珊挺?之間的串并聯(lián)關(guān)系只需令η = 2按上述措施實(shí)施即可，依次類 推。
[0035] 模式一，制動(dòng)和充電過程，該模式下電池組處于充電過程，選擇并聯(lián)充電模式，所 以在模式一下，電池成組方式為并聯(lián)，該等效電路由切換電路得到的，具體實(shí)現(xiàn)方法:單片 機(jī)控制正極的引出接線上的繼電器，即Κ1、Κ4、Κ7..…、Κ3η-5閉合，每?jī)蓚€(gè)單體電池之間均 串聯(lián)的繼電器，即Κ2、Κ5..…、Κ3η-4斷開，負(fù)極的引出接線上的繼電器，即Κ3、Κ6..…、Κ3η-3 閉合，實(shí)現(xiàn)所有單體電池的并聯(lián)連接充電模式。
[0036] 模式二，勻速行駛過程，勻速行駛過程中電池組處于放電過程，并且電機(jī)對(duì)電流要 求相對(duì)不大，所以在模式二下，電池成組方式為串聯(lián)。具體實(shí)現(xiàn)方法：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制Κ1、Κ4、 Κ7 ·· ."1(311-5斷開，Κ2、Κ5 ·· ."1(311-4閉合，Κ3、Κ6 ·· ."1(311-3斷開，實(shí)現(xiàn)所有單體電池 Βι、Β2、 Β3、…、Βη-!、Βη的串聯(lián)連接充電模式。
[0037] 模式三，加速過程，加速行駛過程相對(duì)于勻速過程，電機(jī)對(duì)電流需求大，所以在電 池組中，需要有并聯(lián)形式的存在，增大輸出電流，本實(shí)施例中電源管理系統(tǒng)選擇先并聯(lián)后串 聯(lián)的成組方式。具體實(shí)現(xiàn)方法:單片機(jī)控制繼電器Κ1、Κ4閉合，繼電器Κ3、Κ6閉合，繼電器 Κ2、Κ5斷開，繼電器Κ7斷開，繼電器Κ8閉合，繼電器Κ9斷開，繼電器KKKK13閉合，繼電器Κ12、 Κ15閉合，繼電器Κ11、Κ14斷開，以此類推，實(shí)現(xiàn)每三個(gè)單體電池并聯(lián)、并聯(lián)…并聯(lián)的模式，然 后再把它們串聯(lián)起來實(shí)現(xiàn)加速過程。本發(fā)明電源管理系統(tǒng)可以根據(jù)需要選擇使用幾個(gè)單體 電池并聯(lián)的形式，在這里僅以三個(gè)單體電池并聯(lián)為例進(jìn)行說明。
[0038] 實(shí)施例1
[0039]本實(shí)施例基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)包括單片機(jī)1、數(shù)據(jù)采集模塊2、充 放電電路3、電池組模塊4、觸摸屏5和保護(hù)電路6,所述數(shù)據(jù)采集模塊2包括電流采集部分 201、電壓采集部分202和溫度采集部分203,所述電池組模塊4包括電池成組電路401和隔離 放大電路402;所述單片機(jī)1同時(shí)與觸摸屏5、電流采集部分201、電壓采集部分202和溫度采 集部分203雙向連接，單片機(jī)1的輸出端與保護(hù)電路6和充放電電路3的輸入端連接，所述保 護(hù)電路6和充放電電路3的輸出端分別與電池成組電路401的一端連接，電池成組電路401的 另一端通過隔離放大電路402同時(shí)與電流采集部分201、電壓采集部分202和溫度采集部分 203的輸入端連接;單片機(jī)1內(nèi)存有SOC估算算法和故障診斷程序；
[0040] 所述電池成組電路401的電路構(gòu)成是:每個(gè)單體電池依次串聯(lián)，且在每?jī)蓚€(gè)單體電 池之間均串聯(lián)一個(gè)繼電器，每個(gè)單體電池的正極和負(fù)極均引出接線，兩個(gè)正極的引出接線 分別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連接，兩個(gè)負(fù)極的引出接線分別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連 接。
[0041] 本實(shí)施例中單體電池的數(shù)量為8個(gè)，即n = 8。
[0042] 電壓采集部分基于繼電器和共享A/D輪流采集方式，通過切換繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)不同 單體電池兩端電壓檢測(cè)。采用兩個(gè)A/D檢測(cè)端口的檢測(cè)模式設(shè)置為差分模式，所有單體電池 共享A/D端口，單體電池電壓范圍在A/D檢測(cè)范圍以內(nèi)，不需要設(shè)置分壓電阻，避免了分壓電 阻帶來的能量損失。電池成組電路中的所有繼電器采用常開，不進(jìn)行電壓采集時(shí)，繼電器處 于斷開狀態(tài)，不會(huì)造成額外電量損失而帶來的單體電池之間電量的不均衡，保證了檢測(cè)精 度。
[0043] 電流采集部分基于閉環(huán)霍爾傳感器的電流檢測(cè)，霍爾傳感器可以將輸入的電流轉(zhuǎn) 換為電壓，作為輸出。電池組每個(gè)單體電池都需要接一個(gè)霍爾傳感器在單體電池的負(fù)端，霍 爾傳感器內(nèi)部集成放大器，所以應(yīng)用此方案檢測(cè)電流時(shí)電路中不需要添加耗能元器件，最 大限度地避免了能量損失。充電和放電通過霍爾傳感器的電流方向相反，兩個(gè)過程得到的 電壓值有正值也有負(fù)值，因?yàn)閱味溯斎耄瑱z測(cè)電壓范圍是0-2.4V，為了既能檢測(cè)充電又能檢 測(cè)放電過程電流，需要將A/D設(shè)置為差分模式。
[0044] 所述溫度采集部分203采用DS18B20數(shù)字溫度檢測(cè)芯片，溫度采集部分安裝在每個(gè) 單體電池的外側(cè)。
[0045] 本實(shí)施例中S0C估算算法的具體實(shí)施過程如下所示：
[0046] 1)計(jì)算單體電池的初始容量測(cè)量電池組模塊中單體電池的開路電壓Uoc，利用開 路電壓Uoc通過下式計(jì)算單體電池的初始S0C值，即單體電池的初始容量;單體電池開路電 壓與S0C值之間存在線性函數(shù)關(guān)系，即
[0047] Uoc = 353.707863121 X(S0C)7-1275.156930924X(S0C)6+1849.583342784
[0048] X (S0C)5-1380 · 893816246 X (S0C)4+563 · 780422778 X (SOC)3
[0049] -123·680112549 X(S0C)2+13·53363993 X(S0C)+2·669179058，
[0050] 利用上述公式計(jì)算出單體電池初始SOC值，然后得出單體電池的初始容量Q3;
[0051] 2)計(jì)算各個(gè)單體電池的基本SOC值利用安培積分法，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出單體 電池的過程電量Q4,即通過下式計(jì)算，
[0052
[0053]，結(jié)合步驟1)得到的單體電池的初始容量Q3通過S0C估算公式不斷更新單體電池 的剩余電池電量，得到各個(gè)單體電池的基本S0C值，所述S0C估算公式為
[0054] S0C=(Q3-Q4)/Q2X100%,
[0055] 其中Q2是單體電池的基準(zhǔn)容量；
[0056] 3)計(jì)算各個(gè)單體電池的精確S0C值對(duì)步驟2)得到的各個(gè)單體電池的基本S0C值進(jìn) 行SOC校正，該SOC校正包括充放電率、溫度和老化補(bǔ)償?shù)男Ｕ?，校正后得到的各個(gè)單體電池 的精確S0C值；
[0057] 4)電池組的S0C估算將步驟3)得到的各個(gè)單體電池的精確S0C值進(jìn)行對(duì)比篩選，找 出最小的精確S0C值作為整個(gè)電池組的剩余電量值，即整個(gè)電池組的S0C值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組 的S0C估算。
[0058] 本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，其特征在于該電源管理系統(tǒng)包括單片 機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、充放電電路、電池組模塊、觸摸屏和保護(hù)電路，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電 流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分，所述電池組模塊包括電池成組電路和隔離放 大電路;所述單片機(jī)同時(shí)與觸摸屏、電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分雙向連 接，單片機(jī)的輸出端與保護(hù)電路和充放電電路的輸入端連接，所述保護(hù)電路和充放電電路 的輸出端分別與電池成組電路的一端連接，電池成組電路的另一端通過隔離放大電路同時(shí) 與電流采集部分、電壓采集部分和溫度采集部分的輸入端連接;單片機(jī)內(nèi)存有SOC估算算法 和故障診斷程序； 所述電池成組電路的電路構(gòu)成是:每個(gè)單體電池依次串聯(lián)，且在每?jī)蓚€(gè)單體電池之間 均串聯(lián)一個(gè)繼電器，每個(gè)單體電池的正極和負(fù)極均引出接線，兩個(gè)正極的引出接線分別通 過一個(gè)繼電器兩兩依次連接，兩個(gè)負(fù)極的引出接線分別通過一個(gè)繼電器兩兩依次連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，其特征在于所述SOC估 算算法的具體步驟是： 1) 計(jì)算單體電池的初始容量測(cè)量電池組模塊中單體電池的開路電壓，利用開路電壓 計(jì)算單體電池的初始SOC值，即單體電池的初始容量； 2) 計(jì)算各個(gè)單體電池的基本SOC值利用安培積分法，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出單體電池 的過程電量，結(jié)合步驟1)得到的單體電池的初始容量通過SOC估算公式不斷更新單體電池 的剩余電池電量，得到各個(gè)單體電池的基本SOC值； 3 )計(jì)算各個(gè)單體電池的精確SOC值對(duì)步驟2 )得到的各個(gè)單體電池的基本SOC值進(jìn)行 SOC校正，該SOC校正包括充放電率、溫度和老化補(bǔ)償?shù)男Ｕ?，校正后得到的各個(gè)單體電池的 精確SOC值； 4)電池組的SOC估算將步驟3)得到的各個(gè)單體電池的精確SOC值進(jìn)行對(duì)比篩選，找出 最小的精確SOC值作為整個(gè)電池組的剩余電量值，即整個(gè)電池組的SOC值，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的 SOC估算。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車電源管理系統(tǒng)，其特征在于所述電 流采集部分采用霍爾傳感器，所述溫度采集部分采用DS18B20數(shù)字溫度檢測(cè)芯片。
【文檔編號(hào)】B60L3/00GK105857109SQ201610395013
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王媛媛, 陳朝朋, 袁成浩, 張宗華
【申請(qǐng)人】河北工業(yè)大學(xué)