專利名稱：電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)及其工作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電池組管理系統(tǒng)領域。具體涉及電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組的管 理系統(tǒng)及其工作方法。
背景技術：
鋰離子電池組應用越來越廣泛，逐步應用于電動自行車、電動汽車、大型能量存儲 系統(tǒng)等，鋰離子電池組管理系統(tǒng)及其工作方法是影響鋰離子電池組廣泛應用的幾個關鍵技 術之一。新體系動力磷酸鐵鋰電池組具有安全性能好、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，促進了電動汽 車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而前幾年各單位和科研院所研究的都是鋰鈷氧體系、鋰錳氧體系以及三 元體系的動力電池組，如專利[公開號CN 101039034A]公開了一種電池組管理系統(tǒng)及其 工作方法，特征是它由數(shù)據(jù)處理單元、充電平衡調(diào)整執(zhí)行單元、放電控制執(zhí)行單元、電池狀 態(tài)采樣單元、系統(tǒng)供電識別基準單元、充電狀態(tài)指示單元所構成。所采用的管理系統(tǒng)功能 簡單，沒有采用模塊化的結(jié)構，不具有產(chǎn)業(yè)化的應用前景。萬向集團的專利[專利號ZL 200720113611.2]公開了一種鋰離子電池組管理系統(tǒng)的實用新型，也由若干個均衡電路、若 干個多路電池電壓監(jiān)控芯片以及與所有的多路電池電壓監(jiān)控芯片通過總線相連的單片機 單元，該管理系統(tǒng)在高壓安全控制方面存在缺陷，而且管理系統(tǒng)的功能簡單。動力磷酸鐵鋰電池組是一種新型的蓄電池組，它和傳統(tǒng)的鋰離子電池組的區(qū)別在 于平臺特性好，不同的荷電狀態(tài)下電壓差異小，正因于此導致了目前管理系統(tǒng)根據(jù)電壓來 控制的方法不再適合，制約了電動汽車技術的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng) 及其工作方法，它是一種針對動力磷酸鐵鋰電池組的管理系統(tǒng)和工作方法，能靈活擴展，保 證了電池組的高壓安全，同時有效發(fā)揮電池組的特性，具有巨大的產(chǎn)業(yè)應用前景。本發(fā)明解決技術問題所采用的技術方案是電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，所述電池組由多節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián) 而成，其特征在于所述管理系統(tǒng)包括正端動力高壓接觸器3、負端動力高壓接觸器4、預充 電電阻5、預充電高壓接觸器6和7、充電高壓接觸器8、溫控系統(tǒng)風扇9;所述管理系統(tǒng)還包 括若干個模塊管理裝置1、一個總體管理裝置2 ；所述組成電池組的所有磷酸鐵鋰電池均分 為若干個電池分組；每個模塊管理裝置1與每個電池分組相連以采集電池分組的電壓、溫 度信號，并通過CAN網(wǎng)絡與總體管理裝置2交互信息；總體管理裝置2控制正端動力高壓接 觸器3、負端動力高壓接觸器4、預充電高壓接觸器6和7、充電高壓接觸器8的通斷和溫控 系統(tǒng)風扇9的工作。所述電池組的正極與動力輸出正極之間存在兩條相互并聯(lián)的電路，一條是通過正 端動力高壓接觸器3直接連接動力輸出正極，另一條是通過預充電電阻5串聯(lián)預充電高壓 接觸器6連接動力輸出正極；所述電池組的正極與充電器輸出正極之間也存在兩條相互并聯(lián)的電路，一條是通過充電高壓接觸器8直接連接充電器輸出正極，另一條是通過預充電 電阻5串聯(lián)預充電高壓接觸器7連接充電器輸出正極；所述電池組的負極通過負端動力高 壓接觸器4接動力輸出負極和充電器輸出負極。所述的模塊管理裝置1，主要由電壓檢測電路11、均衡控制電路12、溫度檢測電路 13、CAN通訊電路15、CPU14、CAN通訊電路15和電源模塊16組成，其中電壓檢測電路11與 電池分組相連，均衡控制電路12與電池分組相連，溫度檢測電路13通過引線與溫度傳感器 相連，溫度傳感器貼于電池分組表面；CPU14與電壓檢測電路11、均衡控制電路12、溫度檢 測電路13、CAN通訊電路15和電源模塊16相連；CAN通訊電路15通過引線與總體管理裝 置2相連。模塊管理裝置1的電源由總體管理裝置2控制，電源模塊16通過引線與總體管理 裝置2相連。電源模塊16為隔離電源模塊。所述總體管理裝置2，包含CPU21、風扇控制電路22、電壓檢測電路23、溫度檢測電 路24、CAN通訊電路25、模塊電源控制電路沈、絕緣電阻檢測電路27、電流檢測電路28、高 壓安全檢測電路四、CAN通訊電路30和高壓接觸器控制電路31 ；其中CPU21與總體管理裝 置2中其它各電路相連；溫度檢測電路M通過引線與溫度傳感器相連，用于檢測電源系統(tǒng) 的進風口溫度和出風口溫度；所述的總體管理裝置的兩個CAN通訊電路，一個與模塊管理 裝置1相連，另外一個與外部裝置10相連。高壓安全檢測電路四為可實時監(jiān)測電池組的高壓裝置的安全狀態(tài)的檢測電路。電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)工作方法，它包括以下步驟步驟一、總體管理裝置2上電；步驟二、總體管理裝置2進行自檢，并向模塊管理裝置1供電；模塊管理裝置1上 電自檢后與總體管理裝置2進行CAN通訊；步驟三、判斷自檢是否正常？否，則轉(zhuǎn)入故障模式，是，則進入等待狀態(tài)，直至外部 充電設備或者負載設備接入系統(tǒng)后，啟動充電或者放電的使能信號；步驟四、當外部裝置發(fā)送充電或者放電使能信號時，進入預充電狀態(tài)，即打開電池 組負端動力高壓接觸器4和相應的預充電高壓接觸器6和7進行預充電，判斷預充電是否 成功？否，則進入故障狀態(tài)；是，則進入正常工作狀態(tài)，即關閉預充電高壓接觸器6和7，打 開相應的正端動力高壓接觸器3或者充電高壓接觸器8 ；進入充電或者放電狀態(tài)；步驟五、在充電或者放電過程中，模塊管理裝置1以及總體管理裝置2定時采集電 池分組的電壓、溫度、電流和絕緣電阻，當出現(xiàn)電池組故障時，總體管理裝置2將斷開負端 動力高壓接觸器4和正端動力高壓接觸器3;當電池組中單體電壓差異達到一定的值時，模 塊管理裝置1啟動均衡控制電路12。所述步驟二中，總體管理裝置2在進行系統(tǒng)自檢時，通過模塊管理裝置1對各單體 電池電壓、溫度進行檢查，并對整體系統(tǒng)絕緣電阻、高壓安全控制電路進行檢查；全部正常 后方可通過自檢狀態(tài)。所述步驟四中，總體管理裝置2接受到充電或者放電使能信號時，首先打開相對 應的預充電高壓接觸器6和7以及負端動力高壓接觸器4，進行預充電；在一定時間內(nèi)當負 載母線電壓達到規(guī)定電壓值時，關閉預充電高壓接觸器6和7，打開充電高壓接觸器8或者 正端動力高壓接觸器3，進入到正常工作模式。
本發(fā)明的有益效果是解決了電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組的管理問題，保證 了電池組的高壓安全，提高了電池組的使用壽命。本發(fā)明采用的電池組管理系統(tǒng)及其工作方法，是一種針對動力磷酸鐵鋰電池組的 管理系統(tǒng)和工作方法，可提高電池組的安全性能，延長電池組的使用壽命。
圖1是電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)原理框圖。圖2是模塊管理裝置原理框圖。圖3是總體管理裝置原理框圖。圖4是電池組管理系統(tǒng)工作方法流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。本實施例是電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組，電池組由108節(jié)標稱3. 2V20Ah的磷 酸鐵鋰電池串聯(lián)而成，共有9個模塊管理裝置，每個模塊管理裝置管理12串電池組，電池 組最大充電電流為150A，最大放電電流為200A。風扇采用12V供電，動力高壓接觸器采用 600V500A的接觸器，預充電接觸器和充電高壓接觸器采用600V10A的接觸器，預充電電阻 采用200W10的大功率電阻。實施方式如下，結(jié)合參見圖1、圖2、圖3、圖4 如圖1所示，一種電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，包括9個模塊管理裝 置1、1個總體管理裝置2，正端動力高壓接觸器3、負端動力高壓接觸器4、預充電電阻5、預 充電高壓接觸器6和7、充電高壓接觸器8、溫控系統(tǒng)風扇9組成。所述的模塊管理裝置1與 電池分組相連，采集電池分組模塊的電壓、溫度信號，并通過CAN網(wǎng)絡與總體管理裝置2交 互信息?？傮w管理裝置2控制正端動力高壓接觸器3、負端動力高壓接觸器4、預充電高壓 接觸器6和7、充電高壓接觸器8的通斷以及溫控系統(tǒng)風扇9的工作。如圖2所示，模塊管理裝置1由電壓檢測電路11、均衡控制電路12、溫度檢測電路 13、CPU14、CAN通訊電路15、電源模塊16組成。其中CPU14 —般采用DSP器件，集成了 16 路A/D采樣通道，可同時采集12路電壓和4路溫度，電壓檢測電路11通過引線與電池分組 相連，均衡控制電路12也與電池分組相連。溫度檢測電路通過引線與溫度傳感器相連，溫 度傳感器貼于電池分組表面，溫度檢測電路采用負溫度系數(shù)熱敏電阻作為溫度傳感器，通 過電阻分壓的方式來進行溫度檢測。電源模塊16和CAN通訊電路15通過引線與總體管理 裝置2相連。模塊管理裝置1的電源為總體管理裝置2控制，可根據(jù)需要斷開模塊管理裝 置1的電源。電壓檢測電路11采用了運放和場效應管組成的電流源型電路，均衡控制電路 12采用了場效應管和大功率電阻串聯(lián)的方式實現(xiàn)。CAN通訊電路采用隔離型驅(qū)動電路。如圖3所示，總體管理裝置2由CPU21、風扇控制電路22、電壓檢測電路23、溫度 檢測電路M、CAN通訊電路25、模塊電源控制電路沈、絕緣電阻檢測電路27、電流檢測電路 觀、高壓安全檢測電路29、CAN通訊電路30、高壓接觸器控制電路31組成。其中CPU21 — 般采用DSP器件，電壓檢測電路23為運放和分壓電阻組成的高壓檢測電路。溫度檢測電路 24為溫控系統(tǒng)需要的溫度檢測，采用熱敏電阻的方式實現(xiàn)，電流檢測電路觀采用霍爾電流傳感器，絕緣電阻檢測電路27采用三電壓法測試。高壓安全檢測電路四采用電流源電路 檢測，CAN通訊電路采用隔離型驅(qū)動電路，高壓接觸器控制電路31采用繼電器雙級驅(qū)動的 方式。風扇控制電路22采用MOSFET來控制，根據(jù)MOSFET的導通占空比來控制風扇的轉(zhuǎn) 速。電壓檢測電路23為高壓檢測電路，電壓檢測電路23采用差分放大電路來實現(xiàn)。溫度 檢測電路對通過引線與溫度傳感器相連，用于檢測電源系統(tǒng)的進風口溫度和出風口溫度。 CAN通訊電路25為總體管理裝置2與模塊管理裝置1交互信息。模塊電源控制電路沈加 入了控制開關，用于控制向模塊管理裝置1供電。絕緣電阻檢測電路27用于檢測電池組與 系統(tǒng)控制地之間的絕緣情況，采用的是三電壓法檢測的方式。電流檢測電路觀檢測整個電 池組的充放電電流，高壓安全檢測電路四用于檢測高壓裝置的連接情況，以保證電池組的 高壓安全。CAN通訊電路30用于總體管理裝置2與外部裝置10進行交互信息。高壓接觸 器控制電路31為繼電器驅(qū)動電路，用于驅(qū)動外部高壓接觸器。如圖4所示，為電池組管理系統(tǒng)的工作方法流程圖，總體管理裝置2有以下幾個工 作狀態(tài)初始化自檢狀態(tài)、等待使能狀態(tài)、預充電狀態(tài)、正常工作狀態(tài)以及故障模式狀態(tài)。(1)外部充電設備或者負載設備接入系統(tǒng)后，會啟動充電或者放電使能信號；(2)總體管理裝置2上電，進行電壓、電流、絕緣電阻、高壓安全狀態(tài)等自檢，并給 模塊管理裝置1供電；(3)模塊管理裝置1上電自檢后與總體管理裝置2進行CAN通訊；(4)自檢正常后總體管理裝置2進入等待使能狀態(tài)；(5)當外部裝置發(fā)送充電或者放電使能命令時，進入預充電狀態(tài)，打開電池組負端 動力高壓接觸器4和相應的預充電高壓接觸器6和7，預充電成功后關閉預充電高壓接觸器 6和7，打開相應的正端動力接觸器3或者充電高壓接觸器8。進入正常工作狀態(tài)即充電或 者放電狀態(tài)；(6)在充電或者放電過程中，模塊管理裝置1以及總體管理裝置2定時采集電池組 的電壓、溫度、電流和絕緣電阻，當出現(xiàn)電池組故障時，總體管理裝置2將斷開兩個動力高 壓接觸器。當電池組中單體電壓差異達到一定的值時，模塊管理裝置1啟動均衡控制電路 12。上述的總體管理裝置2在工作過程中對電池組及管理系統(tǒng)的所有故障進行預警， 當發(fā)生嚴重故障時可從任意模式進入到故障模式。上述的總體管理裝置2在上電之前，需要接入外部12V車載蓄電池，再通過充電或 者放電信號來控制總體管理裝置2的電源供應。上述的總體管理裝置2在正常工作前會進入初始化自檢狀態(tài)，進入自檢狀態(tài)時首 先打開模塊管理裝置1的供電，建立起CAN通訊，對電池組模塊的各單體電壓、溫度進行自 檢，并同時對總體管理裝置2的電壓、電流、進風口溫度、出風口溫度、絕緣電阻以及高壓安 全裝置狀態(tài)進行檢查，全部正常后方可跳出自檢狀態(tài)。上述的電池組管理系統(tǒng)均衡控制方式如下在模塊管理裝置1實施均衡控制時， 需由總體管理裝置2發(fā)送可均衡動作標志，而總體管理裝置2僅當汽車停車后沒有放電動 作的情況下或者使用外部充電器充電過程中才發(fā)送可均衡動作標態(tài)。上述的總體管理裝置2正常工作過程中每隔20ms對電流和總電壓進行一次采樣，電流采樣用于計算電池組的剩余容量。 上述為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非限定本發(fā)明的申請專利權利；同時以上的 描述，對熟知本技術領域的專門人士可明了及實施，因此其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神 下所完成的等效改變或修飾，均應包含在上述的申請專利范圍中。
權利要求
1.電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，所述電池組由多節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)而 成，其特征在于所述管理系統(tǒng)包括正端動力高壓接觸器(3)、負端動力高壓接觸器、預 充電電阻(5)、預充電高壓接觸器(6)和(7)、充電高壓接觸器(8)、溫控系統(tǒng)風扇(9)；所 述管理系統(tǒng)還包括若干個模塊管理裝置(1)、一個總體管理裝置O)；所述組成電池組的所 有磷酸鐵鋰電池均分為若干個電池分組；每個模塊管理裝置(1)與每個電池分組相連以采 集電池分組的電壓、溫度信號，并通過CAN網(wǎng)絡與總體管理裝置( 交互信息；總體管理裝 置( 控制正端動力高壓接觸器(3)、負端動力高壓接觸器G)、預充電高壓接觸器(6)和 (7)、充電高壓接觸器⑶的通斷和溫控系統(tǒng)風扇(9)的工作。
2.按照權利要求1所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于所 述電池組的正極與動力輸出正極之間存在兩條相互并聯(lián)的電路，一條是通過正端動力高壓 接觸器C3)直接連接動力輸出正極，另一條是通過預充電電阻(5)串聯(lián)預充電高壓接觸器 (6)連接動力輸出正極；所述電池組的正極與充電器輸出正極之間也存在兩條相互并聯(lián)的 電路，一條是通過高壓接觸器(8)直接連接充電器輸出正極，另一條是通過預充電電阻(5) 串聯(lián)預充電高壓接觸器(7)連接充電器輸出正極；所述電池組的負極通過負端動力高壓接 觸器(4)接動力輸出負極和充電器輸出負極。
3.按照權利要求1所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于 所述的模塊管理裝置(1)，主要由電壓檢測電路(11)、均衡控制電路(12)、溫度檢測電路 (13)、CPU(14)、CAN通訊電路(15)和電源模塊(16)組成，其中電壓檢測電路(11)與電池 分組相連，均衡控制電路(1 與電池分組相連，溫度檢測電路(1 通過引線與溫度傳感器 相連，溫度傳感器貼于電池分組表面；CPU(14)與電壓檢測電路(11)、均衡控制電路(12)、 溫度檢測電路(13)、CAN通訊電路(15)和電源模塊(16)相連；CAN通訊電路(15)通過引 線與總體管理裝置(2)相連。
4.按照權利要求3所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于模 塊管理裝置(1)的電源由總體管理裝置( 控制，電源模塊(16)通過引線與總體管理裝置 ⑵相連；電源模塊(16)為隔離電源模塊。
5.按照權利要求1所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于所 述總體管理裝置0)，包含CPU(21)、風扇控制電路0 、電壓檢測電路(23)、溫度檢測電 路04)、CAN通訊電路(25)、模塊電源控制電路( )、絕緣電阻檢測電路07)、電流檢測 電路( )、高壓安全檢測電路09)、CAN通訊電路(30)和高壓接觸器控制電路(31)；其中 CPU(21)與總體管理裝置(2)中其它各電路相連；溫度檢測電路04)通過引線與溫度傳感 器相連，用于檢測電源系統(tǒng)的進風口溫度和出風口溫度；所述的總體管理裝置的兩個CAN 通訊電路，一個與模塊管理裝置(1)相連，另外一個與外部控制裝置(10)相連。
6.按照權利要求5所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)，其特征在于高 壓安全檢測電路09)為可實時監(jiān)測電池組的高壓裝置的安全狀態(tài)的檢測電路。
7.電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)工作方法，它包括以下步驟步驟一、總體管理裝置( 上電；步驟二、總體管理裝置( 進行自檢，并向模塊管理裝置(1)供電；模塊管理裝置(1) 上電自檢后與總體管理裝置O) CAN通訊；步驟三、判斷自檢是否正常？否，則轉(zhuǎn)入故障模式，是，則進入等待狀態(tài)，直至外部充電設備或者負載設備接入系統(tǒng)后，啟動充電或者放電的使能信號；步驟四、當外部裝置發(fā)送充電或者放電使能信號時，進入預充電狀態(tài)，即打開電池組負 端動力高壓接觸器(4)和相應的預充電高壓接觸器(6)和(7)進行預充電，判斷預充電是 否成功？否，則進入故障狀態(tài)；是，則進入正常工作狀態(tài)，即關閉預充電高壓接觸器(6)和 (7)，打開相應的正端動力高壓接觸器C3)或者充電高壓接觸器(8)；進入充電或者放電狀 態(tài)；步驟五、在充電或者放電過程中，模塊管理裝置(1)以及總體管理裝置( 定時采集電 池分組的電壓、溫度、電流和絕緣電阻，當出現(xiàn)電池組故障時，總體管理裝置(2)將斷開負 端動力高壓接觸器(4)和正端動力高壓接觸器(3)；當電池組中單體電壓差異達到一定的 值時，模塊管理裝置(1)啟動均衡控制電路(12)。
8.按照權利要求7所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)工作方法，其特征 在于所述步驟二中，總體管理裝置( 在進行系統(tǒng)自檢時，通過模塊管理裝置(1)對各單 體電池電壓、溫度進行檢查，并對整體系統(tǒng)絕緣電阻、高壓安全控制電路進行檢查；全部正 常后方可通過自檢狀態(tài)。
9.按照權利要求7所述的電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)工作方法，其特征 在于所述步驟四中，總體管理裝置( 接受到充電或者放電使能信號時，首先打開相對應 的預充電高壓接觸器(6)和(7)以及負端動力高壓接觸器G)，進行預充電；在一定時間內(nèi) 當負載母線電壓達到規(guī)定電壓值時，關閉預充電高壓接觸器(6)和(7)，打開充電高壓接觸 器(8)或者正端動力高壓接觸器(3)，進入到正常工作模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及屬于電池組管理系統(tǒng)領域。要解決的技術問題是提供一種電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組管理系統(tǒng)及其工作方法，其特征在于所述組成電池組的所有磷酸鐵鋰電池均分為若干個電池分組；每個模塊管理裝置(1)與每個電池分組相連以采集電池分組的電壓、溫度信號，并通過CAN網(wǎng)絡與總體管理裝置(2)交互信息；總體管理裝置(2)控制正端動力高壓接觸器(3)、負端動力高壓接觸器(4)、預充電高壓接觸器(6)和(7)、充電高壓接觸器(8)的通斷和溫控系統(tǒng)風扇(9)的工作。本發(fā)明的有益效果是解決了電動汽車用動力磷酸鐵鋰電池組的管理問題，保證了電池組的高壓安全，提高了電池組的使用壽命。
文檔編號H01M2/20GK102044718SQ20091019702
公開日2011年5月4日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權日2009年10月13日
發(fā)明者劉勇, 周欽哲, 蔣新華, 解晶瑩, 那偉 申請人:上?？臻g電源研究所