一种锂电池管理系统的制作方法

2021-02-03 15:02:17|

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一种锂电池管理系统
【技术领域】
[0001]
本发明涉及锂电池管理系统技术领域，具体的涉及一种锂电池管理系统。

背景技术：

[0002]
电池作为电动车的一部分，电池管理系统具有很重要的作用，能够防止因为单体电池的损坏而未能及时发现而导致整个电池组的寿命降低，由此可见电池管理系统对电动车而言也是不可或缺的部分，而目前市面上的电动自行车车载电池基本没有管理系统，这种情况对于使用锂离子电池的电动自行车而言是绝对不行的，因为锂离子电池在过放电、过充电、过电流或过温度的状态下会严重的损坏，甚至会出现爆炸等安全性问题，且目前市面上没有管理系统，受各种因素的影响无法准确的计算出电池的剩余容量。
[0003]
鉴于此，实有必要提供一种锂电池管理系统以克服现有技术的不足。

技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种锂电池管理系统，旨在改善防止锂电池在过充电、过放电、过电流、过温度状态下损坏及无法准确的计算出电池的容量。
[0005]
为了实现上述目的，本发明提供一种锂电池管理系统，包括mcu模块、检测模块、均衡充电模块；所述mcu模块用于接收数据并对接收到的数据进行判断根据判断控制电池组充放电；
[0006]
所述检测模块包括采集电路和显示电路，所述采集电路用于实时采集电池组运行时的状态参数，所述显示电路用于将采集到的状态参数根据预设算法进行计算得出当前电池组的soc并显示出来；所述检测模块将采集电路采集到的状态参数发送给所述mcu模块和所述均衡充电模块以及将显示电路计算得到的soc数值发送给所述mcu模块进行判断；
[0007]
所述均衡充电模块接收所述采集电路采集到的状态参数，并根据所述采集电路采集到的状态参数进行判断并发出驱动信号控制所述电池组从整充阶段进入单充阶段。
[0008]
在一个优选的实施例中，还包括保护模块，所述保护模块根据所采集到状态参数对所有状态参数和预设定值进行比对判断，当所述状态参数高于所述预设定值时向mcu模块发出控制信号关断充电控制开关，当所述状态参数低于预设定值时进入均衡充电模块判断是否从整充阶段进入单充阶段。
[0009]
在一个优选的实施例中，所述参数包括电池组中单个电池的电压、电池组总电压、过电流、漏电流和温度。
[0010]
在一个优选的实施例中，所述预设算法包括用于计算动态过程中soc变化量的安时积分法和用于修正电流积分造成的累计误差的开路电压及用于获得 soc的最小均方差估算值的卡尔曼滤波法。
[0011]
在一个优选的实施例中，所述保护模块用于根据检测模块检测到的温度值和预设温度值进行比对，当温度值大于预设温度值时，发送信号给mcu模块关断充电放电控制
开关。
[0012]
在一个优选的实施例中，所述保护模块用于在充电状态时根据检测模块检测到的电流值和预设电流值进行比对，当电流值大于预设电流值时，发送信号给mcu模块关断充电控制开关。
[0013]
在一个优选的实施例中，所述均衡充电模块用于在充电状态时根据检测模块检测到的单个电池的电压和预设电压值进行比对，当电压值大于预设电压值时，发送信号给mcu模块控制充电阶段从整充阶段进入单充阶段
[0014]
与现有技术相比，本发明采集板固定结构及电池包的有益效果在于：通过将采集电路采集电池的电压、电流和温度数值结合三种计算方法计算出可靠、稳定、准确的soc剩余容量并显示出来，在通过保护模块和均衡充电模块对电池的所有采样值和预设定值进行判断，防止出现过充、过放和过温度导致对电池造成不可逆的损坏，从而提高电池的使用寿命，降低成本，提高使用效率。
【附图说明】
[0015]
图1为本发明提供的锂电池管理系统框图；
[0016]
图2为图1所示锂电池管理系统电流采集电路图；
[0017]
图3为图1所示锂电池管理系统电压采集电路图；
[0018]
图4为图1所示锂电池管理系统均衡充电模块电路图；
[0019]
图5为图1所示锂电池管理系统保护模块的流程框图；
[0020]
图6为本发明提供的锂电池管理系统流程框图；
[0021]
图7为本发明电池端电压和系统测量电压之间的比较表图。
【具体实施方式】
[0022]
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，以下结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明。
[0023]
请参考图1至图7，本发明提供一种锂电池管理系统100，包括mcu(microcontrol unit，单片机)模块10、检测模块20、均衡充电模块30；所述mcu (micro control unit，单片机)模块10用于接收数据并对接收到的数据进行判断根据判断控制电池组充放电；如图1所示，在本实施例中，检测模块20与均衡充电模块30分别和mcu(micro control unit，单片机)模块10通过can (can,controller area network，控制器局域网总线)总线电性连接，mcu (micro control unit，单片机)模块10分别接收检测模块20与均衡充电模块30所发送的数据通过内部预设的程序对检测模块20和均衡充电模块30发送的数据进行滤波和转换然后判断，根据判断结果控制电池组是否充放电，当判断结果的数值小于预设值时mcu(micro control unit，单片机)模块10发送控制信号给均衡充电模块30，控制均衡充电模块30进行充电工作给电池组充电。
[0024]
需要说明的是，根据本发明的要求，mcu(micro control unit，单片机) 模块10须具有如下强大的功能：带增益放大的高精度ad并且数量够用，采用的程序结构为flash、支持i2c通信、具有e
2
prom功能，并且有助于帮助用户降低成本，增强产品的性能并提高产品
的质量即可。
[0025]
在本实施例中，所述检测模块20包括采集电路21和显示电路22，所述采集电路21用于实时采集电池组运行时的状态参数，其中状态参数包括电池组总电压、电池组中单个电池的电压、电流(过电流、漏电流)和温度，并将采集到的状态参数分别发送给mcu(micro control unit，单片机)模块10和均衡充电模块20。进一步的，电流检测方法根据本发明检测的特点和控制的要求，采用电阻压降法，满足使用要求，电阻压降法即在充放电电路上串联精密电阻的方法，通过对精密电阻两端压降的测量，来实现对于电流参数的测量，如图2 所示，电路中采用了一级电压跟随器和一级放大电路。测量关系表达式为： v
0
＝(r
1
+r
2
)v
in
/r
1
。单体电压的检测采用飞电容技术，"飞电容"测量技术适合于对慢速变化的直流信号进行测量，锂离子电池本身可以看做一个容值很大的电容，其端电压的变化较缓慢，因此，该技术可用于锂离子电池组的电压测量，有效消除共模干扰，如图3所示，以电池组为四节电池为例，通过四通道的开关阵列可以将四节电池的任意一节电池的电压参数采集到mcu(micro controlunit，单片机)模块10中，mcu(micro control unit，单片机)模块10输出驱动信号，控制mos管的导通和关断，从而对电池组的充电放电起到保护作用，具体的，四节电池可以用两个三通道开关切换阵列来实现，通过选址实现通道的选址，图3中，开关s5、s6、s7负责将电池的正负极连接至飞电容的正极。开关s2、s3、s4负责将电池的负极连接至飞电容的负极，工作时mcu(microcontrol unit，单片机)模块10发出通道选址信号，让其中一路电池的正负极与电容连接，对电容进行充电，然后断开通道开关，接通跟随放大器的开关， mcu(micro control unit，单片机)模块10对电容的电压进行快速检测，由此完成了一对电池的电压检测。若发现检测电压小于2.8v，则可推断出电池可能发生短路、过放或保护系统到电池的检测线断路，mcu(micro control unit，单片机)模块10将马上发出信号切断主回路mos管。重复上述过程，mcu (micro control unit，单片机)模块10即完成对本模块所管理的电池的检测。锂电池的实际温度是影响锂电池工作的一个重要因素，电解液的温度直接影响到放电量，环境温度对锂电池的工作性能和使用寿命有极大的影响作用，所以在剩余能量预测时，必须进行温度的补偿，一般情况下，实际温度系数不是一个常数。在不同温度内，温度与容量呈非线性，而且受到锂电池的新旧程度的影响。环境温度为0℃时，电池容量最好。当恩度t＞0℃时，温度增加会带来容量的下降；当温度t＜0℃时，温度减少也会打来容量的下降，为了延长电池的寿命，电池管理系统要让电池在一个恒定的温度内工作，因此系统要尽量测量多点的温度，才能确保管理系统对温度能够及时做出反应。
[0026]
进一步的，在本实施例中，显示电路22用于将采集电路21采集到的电池电压、电流、温度的参数根据预设算法进行计算得出当前电池组的soc(state of charge，荷电状态)并通过常规显示方法显示出来。其中soc(state of charge，荷电状态)不能直接从电池本身获得，而只能通过测量电池组的外特性参数(如：电压、电流、内阻、温度、老化程度等)间接获得。因电池组的 soc(state of charge，荷电状态)和很多因素相关(如温度、前一时刻充放电状态、极化效应、电池寿命等)。故如果用单一的算法来估算电池组的soc (state of charge，荷电状态)因为算法的局限性，必定存在一些问题。单独使用任何一种算法估算soc(state of charge，荷电状态)都存在不可避免的缺陷，很难单独应用在实时在线测量环境，因此本发明综合各个方面的因素，得到一种优选算法即：利用安时积分法计算动
态过程中的soc(state of charge，荷电状态)的变化量，结合开路电压和零负载电压修正电流积分造成的累计误差。同时为了获得soc(state of charge，荷电状态)的最小均方差估算值，将卡尔曼滤波器应用到估算算法中，综合三种算法得到更可靠、更进准的soc(state of charge，荷电状态)值。具体的三种算法如下：安时积分法是最常用的soc估计方法。如果充放电起始状态记为soco，那么当前状态的 soc为：
[0027][0028]
式中，c
n
为电池额定容量；i为电池电流；η为充放电效率。
[0029]
开路电压法是利用电池的开路电压与电池的荷电状态之间的对应关系，通过测量电池的开路电压来估计soc(state of charge，荷电状态)的。采用如图所示的锂离子电池等效电路模型，u(t)和u(t)分别为电池端电压及输出电流，电阻r
0
用来描述电池欧姆内阻，r
1
、c
1
和r
2
、c
2
用来描述电的极化效应。时间常数较小的r
1
c
1
环节描述锂离子电极间传输时受到的阻抗，时间常数较大的r
2
c
2
环节来描述锂离子电极材料中扩散时受到的阻抗。c
0
用来描述电池的容量，对应为电池的soc(state of charge，荷电状态)。在放电前电池充分静置，可认为电容没有电荷，零状态、零输入电压响应分别为：
[0030]
u
01
＝u
c1
+u
c2
＝i
(t)
r
1
(1-e-t2/t2
)+i
(t)
r
2
(1-e-t2/t2
)
[0031]
ꢀꢀ
(2)
[0032]
u
02
＝u
c1
+u
c2
＝u
01
e-t2/t2
+u
02
e-t2/t2
[0033] (3)
[0034]
式中u
01
,u
02
,t
1
,t
2
为待定系数，根据实验测得的数据，采用非线性最小乘曲线拟合，就可以求出待定系数。设电池开路电压为u
ocv
放电过程中任意时刻的电压为u
(t)
，则有：
[0035]
u
p1
＝u
ocv-u
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中，u
p1
为放电中两个电容两端的电压，整理(2)式可得：u
ocv
＝u
p1
+u
(t)
＝u
01
e-t/t2
+u
02
e-t/t2
+u
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
式中，t是电池静置时间，由(5)式可以看到，根据已知的u
01
,u
02
,t
1
,t
2
, 只要测得放电时任一点的时间和电压值，就可以算出开路电压u
ocv
。
[0037]
卡尔曼滤波法是一种递推线性最小方差估计，利用上一时刻的估计，再加上实时得到的量测来进行实时估计。因为上一时刻的状态估计是利用上一时刻和以前的输入量测得到的，所以这种递推的实时估计就是利用所有的输入量测数据得到。其次卡尔曼滤波吧被估计量作为系统的状态，用系统状态方程来描述状态的转移过程，因此，各时刻之间的状态相关函数，就可以根据状态方程的转移特性来描述，解决非平稳随机过程估计的困难。卡尔曼滤波的最优准则与线性最小方差估计一样，每一时刻的估计都使估计均方误差最小。现设线性时变系统的离散状态防城和观测方程为：
[0038]
x(k)＝p(k，k-1)
·
x(k-1)+t(k，k-1)
·
u(k-1)
[0039]
y(k)＝h(k)
·
x(k)+n(k)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0040]
则卡尔曼滤波的算法流程为：
[0041]
一)、预估计x(k)^＝f(k，k-1)
·
x(k-1)
[0042]
二)、计算预估计协方差矩阵
[0043]
c(k)^＝f(k，k-1)
×
c(k)
×
f(k，k-1)
’
+t(k，k-1)
×
q(k)
×ꢀ
t(k，k-1)
’
[0044]
q(k)＝u(k)
×
u(k)
’
[0045]
三)、计算卡尔曼增益矩阵
[0046]
k(k)＝c(k)^
×
h(k)
’×
[h(k)
×
c(k)^
×
h(k)
’
+r(k)]^
[0047]
(-1)
[0048]
r(k)＝n(k)
×
n(k)
’
[0049]
四)、更新估计
[0050]
x(k)～＝x(k)^+k(k)
×
[y(k)-h(k)
×
x(k)^]
[0051]
五)、计算更新后估计协方差矩阵
[0052]
c(k)～＝[i-k(k)
×
h(k)]
×
c(k)^
×
[i-k(k)
×
h(k)]
’
+k(k)
[0053]
×
r(k)
×
k(k)
’
[0054]
六)、x(k+1)＝x(k)～
[0055]
c(k+1)＝c(k)～
[0056]
重复以上步骤
[0057]
其中，x(k)和y(k)分别是k时刻的状态矢量和观测矢量，f(k，k-1) 为状态转移矩阵，u(k)为k时刻动态噪音，t(k,k-1)为系统控制矩阵，h(k) 为k时刻观测矩阵，n(k)为k时刻观测噪音。
[0058]
卡尔曼滤波器用反馈控制的方法估计过程状态，滤波器估计过程某一时刻的状态，然后以(含噪音的)测量变量的方式获得反馈。结合三种算法完善单一算法存在的局限性，实现可靠、安全、精准的计算。图7，显示的是锂离子电池的端电压和通过本发明的技术方案测量出的电压之间的误差比较，以7节单体电池串联一起，每节电池的容量为8ah；数据证明本发明能够进行较为精确的电压数据采样，电压测量精度误差可以缩小在0.02v之内，可以满足使用要求。
[0059]
在本实施例中，均衡充电模块30接收采集电路21采集到的单个电池的电压参数根据采集电路21采集到的单个电池的电压值进行判断并发出驱动信号控制系统从整充阶段进入单充阶段。进一步的，电池组常用的均衡方法有分流发。飞速电容均衡充电法、电感能量传递方法等。在本发明中，需要较多的i/0口驱动开关管，而mcu(micro control unit，单片机)模块10的i/0口有限，所以采取整充转单充的充电均衡方法。如图4所示，q4是控制电池组整充的开关，q2,q3,q5是控制单节电池充电的开关。以电池组为四节锂电池为例，变压器主线圈两端电压为48v，副线圈电压为电池的额定电压12v。刚开始q4导通， q2,q3,q5截止，单节电池的电压不断升高，当检测到某一节电池的电池的电压达到额定电压12v以后，采集电路发出驱动信号给均衡充电模块，均衡充电模块关闭q4，打开q2,q3,qs整个系统进入单充阶段，未充满的电池继续充电，已达到额定电压的电池保持额定电压不变。经测试，电压差值不会超过50mv。
[0060]
在本实施例中，还包括保护模块40，保护模块40根据所采集到状态参数对所有状态参数和预设定值进行比对判断，当状态参数高于预设定值时向mcu (micro control unit，单片机)模块10发出控制信号关断充电控制开关，当状态参数低于预设定值时进入均衡充电模块30判断是否从整充阶段进入单充阶段。进一步的，预设定值包括，过充电设定值，欠电压设定值，过电流设定值，高温设定值，单体电池过压设定值，单体电池欠电压
设定值。如图5所示在工作状态时，当采集电路21采集到的电池组总电压数值大于保护模块40的过充电设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机) 模块10关断充电放电控制开关；当采集电路21采集到的电池组总电压数值低于保护模块40的欠电压设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro controlunit，单片机)模块10关断放电控制开关；当充电状态时采集电路21采集到的电池组电流数值大于保护模块40的过电流设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机)模块10关断充电控制开关，当未充电状态时采集电路21采集到的电池组电流数值大于保护模块40的过电流设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机)模块10 关断放电控制开关；当采集电路21采集到的电池组温度数值大于保护模块40 的高温设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机)模块10关断充电放电控制开关；当采集电路21采集到的电池组单体电池电压数值高于保护模块40的过压设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机)模块10关断充电控制开关；当采集电路21采集到的电池组单体电池电压数值低于保护模块40的欠电压设定值时，保护模块40发送信号给mcu(micro control unit，单片机)模块10关断放电控制开关；从而实现对锂电池的实时保护，提高电池组的使用寿命，使用更安全。
[0061]
综上所述，本发明提供的锂电池管理系统100，通过将采集电路21采集电池的电压、电流和温度数值结合三种计算方法计算出可靠、稳定、准确的soc 剩余容量并显示出来，在通过保护模块40和均衡充电模块30对电池的所有采样值和预设定值进行判断，防止出现过充、过放和过温度导致对电池造成不可逆的损坏，从而提高电池的使用寿命，降低成本，提高使用效率。
[0062]
本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

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