一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，以微控制器為核心，對(duì)各個(gè)模塊的控制、數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行采樣、通信模塊與微控制器和其他功能模塊通信和保護(hù)以及電池組進(jìn)行均衡控制。本發(fā)明通過(guò)提出均衡充電控制系統(tǒng)具有以下功能：精確檢測(cè)(或者顯示)電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括電池當(dāng)前的端電壓、溫度、電池內(nèi)阻、電池的剩余容量；對(duì)鋰離子電池組提供過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流保護(hù)外，有效地對(duì)鋰離子電池組內(nèi)各單節(jié)電池的充、放電提供平衡保護(hù)、溫度保護(hù)、短路保護(hù)。本發(fā)明提供的均衡充電控制系統(tǒng)能對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，可以提高蓄電池的使用效率，達(dá)到增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)其使用壽命、降低運(yùn)行成本的目的，從而進(jìn)一步提高電池組的可靠性。
【專利說(shuō)明】一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于節(jié)能與新能源汽車領(lǐng)域，尤其涉及一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，能源和環(huán)境問(wèn)題更加突出。混合動(dòng)力汽車(Hybrid-Electric Vehicle, HEV)是為減少燃油汽車的能源消耗和所引起的污染這兩個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。其中的動(dòng)力鋰離子電池一般多節(jié)電池串聯(lián)，而由于各單體電池的加工制作、初始容量、電壓、內(nèi)阻以及蓄電池組中各單體電池的溫度等方面均不完全相同，單體電池間的不均衡性是影響電池組工作的一個(gè)非常有害的因素，因而，電池組的外特性監(jiān)控成為電動(dòng)汽車領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:
一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，包括用于控制整個(gè)系統(tǒng)的微控制器、用于為整個(gè)混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)提供電能的電源模塊、用于與微控制器及其他模塊通信的通信模塊、存儲(chǔ)模塊、用于電池組電壓采樣、電流采樣和溫度采樣的數(shù)據(jù)采集模塊、用于過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)以及溫度保護(hù)的保護(hù)模塊、用于實(shí)現(xiàn)單體電池均衡充放電的均衡模塊。
[0006]所述的電源模塊中設(shè)置一個(gè)防止混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)的電流尖峰對(duì)后續(xù)電路產(chǎn)生破壞的共模電感。
[0007]所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。
[0008]所述的數(shù)據(jù)采集模塊電壓采樣的方式，包括如下步驟:先通過(guò)采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集單體電池電壓信號(hào)，然后將采集到的各個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)選通開(kāi)關(guān)的方式傳輸至微控制器中。
[0009]所述的通信模塊采用串口通信和CAN總線通信兩種通信模式。
[0010]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是提出了多分組管理的策略和備用電源策略，分析了多分組管理策略的局限性，指出了在HEV場(chǎng)合使用備用電源策略的合理性。采用該策略主要包括電池分組的原則和充放電的控制方法等。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，采用本能量管理策略能有效改善被管理電池組的工作狀況。
[0011]本發(fā)明提供的電池組管理系統(tǒng)能對(duì)蓄電池組進(jìn)行安全監(jiān)控及有效管理，可以提高蓄電池的使用效率，達(dá)到增加續(xù)駛里程、延長(zhǎng)其使用壽命、降低運(yùn)行成本的目的，從而進(jìn)一步提高電池組的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為硬件整體設(shè)計(jì)框圖。
[0013]圖2為電源模塊示意圖。
[0014]圖3為電壓采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路示意圖。
[0015]圖4為過(guò)充電保護(hù)電路示意圖；其中，(a)為S-8242過(guò)充電保護(hù)電路；(b)為S-8254過(guò)充電保護(hù)電路。
[0016]圖5為過(guò)放電保護(hù)電路示意圖；其中，(a)為S-8242過(guò)放電保護(hù)電路；(b)為S-8254過(guò)放電保護(hù)電路。
[0017]圖6為均衡控制驅(qū)動(dòng)模塊示意圖。
[0018]圖7為改進(jìn)均衡電路的性能對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚地理解，下面根據(jù)具體實(shí)施實(shí)例并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0020]本發(fā)明提供一種測(cè)試用鋰離子電池組，該電池組包括100個(gè)串聯(lián)的額定電壓為
3.8V的單體鋰離子電池，將這100個(gè)單體電池平均分成4箱,然后將每箱中25個(gè)電池單體平均分成5組，即每5個(gè)電池單體為一小組。
[0021]由于電池組的不均衡具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，在電池組中既有可能存在剩余能量低的電池，也有可能存在剩余能量高的電池，因此，高性能的均衡管理系統(tǒng)既要具備充電均衡功能也要具備放電均衡功能。
[0022]本發(fā)明提供的混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括微控制器模塊(MCU)、電源模塊、通信模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、保護(hù)模塊以及均衡模塊。
[0023]( 1)電源模塊
該電池管理系統(tǒng)的電源模塊如圖2所示，該電池管理系統(tǒng)采用車載24V蓄電池供電，MCU工作電壓為1.5V，外圍接口電壓為3.3V。圖2中D1是防反二極管，保險(xiǎn)F能在電路短路時(shí)把系統(tǒng)和電源迅速斷開(kāi)；共模電感COM是為了防止HEV啟動(dòng)時(shí)的電流尖峰對(duì)后續(xù)電路產(chǎn)生破壞；D2、C1起吸收瞬間電流尖峰的作用；圖2右邊上半部分產(chǎn)生1.8V電壓，下半部分產(chǎn)生3.3V電壓；LM1117為DC/DC轉(zhuǎn)換芯片。
[0024](2)數(shù)據(jù)采集模塊
電壓采樣:本發(fā)明的電壓采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示，本發(fā)明通過(guò)選通開(kāi)關(guān)的方式對(duì)單體電池電壓進(jìn)行差模測(cè)量，先通過(guò)采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集到電壓信號(hào)，將采集的各個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)選通開(kāi)關(guān)傳輸至MCU中，最后顯示出電壓值。整個(gè)電壓采集電路由MCU發(fā)出控制信號(hào)，每箱電池采用20個(gè)移位選通開(kāi)關(guān)分時(shí)選通電路，將電池每一小組正、負(fù)極相連，因此只需要4個(gè)控制信號(hào)線，就可以對(duì)電路中所有電池進(jìn)行電壓采樣。在每一采樣時(shí)刻，每箱電池采用20個(gè)移位選通開(kāi)關(guān)，一共采集四個(gè)電壓信號(hào)。采用CS5461A作為電壓采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。單體電池端采集到的信號(hào)傳輸至采樣芯片前，先通過(guò)R1、R2、R3高精度電阻降壓至一定范圍，完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)通過(guò)光電稱合器隔離傳輸至MCU中。[0025]電流采樣:采用霍爾式傳感器將采樣信號(hào)傳輸至CS5461A進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳輸至MCU，CS5461A與MCU之間通過(guò)光電耦合器隔離。
[0026]溫度采樣:采用分布式多點(diǎn)測(cè)溫方式對(duì)電路進(jìn)行測(cè)溫，在每個(gè)電池箱中放置3個(gè)DS1822型溫度傳感器，4箱共放置12個(gè)DS1822型溫度傳感器；每6個(gè)溫度傳感器連接在一根總線上，MCU和溫度傳感器通過(guò)光電耦合器隔離以防止干擾，光電耦合器之后加驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)溫度傳感器。
[0027](3)通信模塊
通信模塊主要采用串口通信和CAN總線通信:串口通信主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信，包括系統(tǒng)初始值的設(shè)置、發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)等，采用MAX232轉(zhuǎn)換器對(duì)MCU端的TTL電平信號(hào)和上位機(jī)端的RS232電平信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的通信接口 ；CAN總線通信采用MCP2551芯片作為CAN控制器和物理總線相連的接口芯片。
[0028](4)保護(hù)模塊
保護(hù)模塊主要負(fù)責(zé)過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)以及溫度保護(hù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池的端電壓，當(dāng)單體電壓超過(guò)規(guī)定高電壓時(shí)，即啟動(dòng)過(guò)充電保護(hù)功能，保護(hù)電路切斷充電回路，中止充電；當(dāng)單體電壓低于規(guī)定低電壓時(shí)，即啟動(dòng)過(guò)放電保護(hù)功能，保護(hù)電路連通充電回路，開(kāi)始充電；當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟散熱模式。
[0029]圖4和圖5分別為電池過(guò)充電和過(guò)放電保護(hù)電路，串聯(lián)方式可以對(duì)一組電池進(jìn)行過(guò)充保護(hù)。其中S-8242為兩節(jié)鋰電池保護(hù)芯片，S-8254為三節(jié)或四節(jié)鋰電池保護(hù)芯片。
[0030]在S-8242中，管腳4連接電池b的負(fù)極，管腳5連接電池a的負(fù)極，管腳6連接電池電源正極，管腳8為過(guò)充過(guò)放檢測(cè)管腳，管腳1 (C0，充電控制用FET門極連接端子)連接過(guò)充控制M0SFET，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充是為高，管腳2 (D0，放電控制用FET門極連接端子)連接過(guò)放控制M0SFET，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)放是為高。
[0031]在S-8254中，管腳10連接電池c、電池d的電池模式選擇管腳，管腳13連接電池c負(fù)極，管腳14連接電池b負(fù)極，管腳15連接電池a的負(fù)極，管腳16連接電池電源正極，管腳2為過(guò)充過(guò)放檢測(cè)管腳，管腳1連接過(guò)充控制M0SFET，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充是為高，管腳3連接過(guò)放控制M0SFET，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)放是為高。
[0032](5)均衡模塊
均衡控制模塊的M0SFET驅(qū)動(dòng)電路原理:主要采用壓控型脈沖調(diào)制器產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)光耦后傳送到M0SFET芯片，以控制M0SFET開(kāi)關(guān)管，從而控制均衡模塊充放電。圖6為均衡控制模塊M0SFET驅(qū)動(dòng)電路，該電路能使開(kāi)關(guān)迅速導(dǎo)通與關(guān)斷。其中信號(hào)PWM-D由SG3535根據(jù)反饋電壓調(diào)節(jié)PWM波形從而控制M0SFET開(kāi)關(guān)管；6N137用于開(kāi)關(guān)管與主控電路在電氣上的隔離；SN7404芯片用于提高驅(qū)動(dòng)電流，降低開(kāi)關(guān)損耗和縮短脈沖上升下降時(shí)間；IR2102為驅(qū)動(dòng)M0SFET的專用芯片；L0引腳上輸出PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET ;Load為M0SFET的控制輸出。
[0033](6)有效性試驗(yàn):
為了驗(yàn)證本發(fā)明所提出的均衡充電控制系統(tǒng)的改進(jìn)DC-DC均衡充電電路的工作原理和有效均衡，對(duì)均衡相關(guān)電路進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)四個(gè)由鋰離子電池串聯(lián)成的電池組，用本發(fā)明所提出的均衡電路進(jìn)行均衡充電。從圖7可以看出，均衡充電前，充電不足的單體電池的S0C與其他單體電池相差20%左右，均衡充電70分鐘后，各單體的電壓趨近一致，S0C相差不超過(guò)2%。這說(shuō)明，本發(fā)明所提出的均衡充電控制系統(tǒng)有較好的均充性能。[0034]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之類，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，包括用于控制整個(gè)系統(tǒng)的微控制器、用于為整個(gè)混合動(dòng)力汽車電池組均衡充電控制系統(tǒng)提供電能的電源模塊、用于與微控制器及其他模塊通信的通信模塊、存儲(chǔ)模塊、用于電池組電壓采樣、電流采樣和溫度采樣的數(shù)據(jù)采集模塊、用于過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)以及溫度保護(hù)的保護(hù)模塊、用于實(shí)現(xiàn)單體電池均衡充放電的均衡模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的電源模塊中設(shè)置一個(gè)防止混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)時(shí)的電流尖峰對(duì)后續(xù)電路產(chǎn)生破壞的共模電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓采集模塊、電流采集模塊和溫度采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集模塊電壓采樣的方式，包括如下步驟:先通過(guò)采樣數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集單體電池電壓信號(hào)，然后將采集到的各個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)選通開(kāi)關(guān)的方式傳輸至微控制器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均衡充電控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的通信模塊采用串口通信和CAN總線通信兩種通信模式。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103701171SQ201310717307
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】吳鐵洲, 陳邦濤, 梅菲, 吳笑民 申請(qǐng)人:湖北工業(yè)大學(xué)