本實用新型屬于鈦酸鋰電池控制系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種遠程鈦酸鋰電池智能管理系統(tǒng)。

背景技術：

現(xiàn)有的許多設備，例如叉車，均通過蓄電池供電來工作，而這些設備在工作時，其位置往往會發(fā)生移動，因此，對移動中的蓄電池狀態(tài)進行檢測往往較為困難?，F(xiàn)有的監(jiān)測方法通常是在設備停止工作后將再對蓄電池進行相關各項檢測。這樣無法實時對蓄電池進行管理，若蓄電池在工作狀態(tài)中發(fā)生異常。如大電流放電，而在工作結束后才對其進行檢測，往往已錯過蓄電池維護的最佳時機，甚至在組成蓄電池的某些電池單體報廢后才檢測出異常狀況，因而無法精確推算出蓄電池的健康狀況，影響對蓄電池的維護。因此需要一套完整的遠程監(jiān)控設備。

遠程監(jiān)控設備包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、遠程監(jiān)控中心三部分。其中數(shù)據(jù)采集部分主要完成對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)準確、實時采集，主要是采集電池組的電池電壓、電池電流、溫度、電池SOC等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集功能主要由電池管理系統(tǒng)BMS和自主設計的CAN通信模塊完成。數(shù)據(jù)傳輸部分的功能主要是把數(shù)據(jù)采集部分采集到的數(shù)據(jù)準確及時的傳遞給監(jiān)控中心，通過GPRS無線傳輸模塊實現(xiàn)的。監(jiān)控中心的主要功能是對數(shù)據(jù)傳輸模塊傳遞過來的數(shù)據(jù)進行解析，然后分別在監(jiān)控界面上實時顯示并把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，同時可以利用一些算法對數(shù)據(jù)進行二次處理。

BMS對于電池設備來說具有重要作用，一般系統(tǒng)安裝的電池多達成百上千個，為了對這些電池進行有效控制都會安裝一套電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)的主要作用有：監(jiān)測電池單體電壓、電池組總電壓、電池電流、溫度等信息，并進行電池包中各單體電池之間均衡控制、電池溫度和環(huán)境溫度控制、充放電控制、SOC估算、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)遠程監(jiān)控等。一個高效功能齊全的BMS對于優(yōu)化電池組性能，提高電池組能量利用率，增加電池續(xù)駛里程，延長電池使用時間，改善電池的使用安全性都具有重要意義。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種遠程鈦酸鋰電池智能管理系統(tǒng)。

本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種遠程鈦酸鋰電池智能管理系統(tǒng)，由中央處理器1、數(shù)據(jù)采集模塊2、均衡控制模塊3、熱管理模塊4、充放電控制模塊5、數(shù)據(jù)存儲模塊6、顯示屏模塊7和遠程監(jiān)控模塊8組成，所述的中央處理器分別與若干個數(shù)據(jù)采集模塊、均衡控制模塊、熱管理模塊、充放電控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示屏模塊和遠程監(jiān)控模塊連接，若干個數(shù)據(jù)采集模塊分別與對應的若干個鈦酸鋰電池模塊9連接。

所述的中央處理器是16位的MCU，數(shù)據(jù)采集模塊包括FPGA10，所述FPGA連接有ADC數(shù)據(jù)采集模塊11和時鐘分配模塊12，所述ADC數(shù)據(jù)采集模塊和時鐘分配模塊相連，F(xiàn)PGA還連接有EPROM13、CPCI總線14和CPCIe總線15；FPGA還外接有DDR2存儲板16；所述CPCI總線為J1CPCI，CPCIe總線為PXIe XJ3或者XJ4；所述FPGA還連接有觸發(fā)器17；所述FPGA還和背板連接器18相連；所述FPGA為XilinxV5FPGA。

所述的均衡控制模塊包括組間均衡控制模塊、組內(nèi)均衡控制模塊、組內(nèi)能量轉(zhuǎn)移模塊和組間能量轉(zhuǎn)移模塊，組內(nèi)能量轉(zhuǎn)移模塊通過組內(nèi)母線與各個鈦酸鋰電池模塊連接，組內(nèi)母線與各個鈦酸鋰電池模塊之間設置有組內(nèi)開關；組內(nèi)均衡控制模塊與各個組內(nèi)開關連接，控制各個組內(nèi)開關的斷開和閉合；組間能量轉(zhuǎn)移模塊通過組間母線與各個鈦酸鋰電池組的組內(nèi)母線連接，各個組內(nèi)母線與組間母線之間設置有組間開關，組間均衡控制模塊與各個組間開關連接，控制各個組間開關的斷開和閉合。

熱管理模塊包括加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)包括電加熱薄膜和電源，電加熱薄膜設于相鄰鈦酸鋰電池模塊之間，電源給電加熱薄膜供電；冷卻系統(tǒng)包括冷卻水、循環(huán)液體流道和水泵，循環(huán)液體流道設于相鄰鈦酸鋰電池模塊之間；安裝于鈦酸鋰電池模塊內(nèi)的多個溫度傳感器與中央處理器連接；每個電加熱薄膜與電源之間均設有開關，每個開關均與均衡控制模塊的組內(nèi)均衡控制模塊單獨連接；所述循環(huán)液體流道呈片狀結構的微通道平行體，在微通道平行體內(nèi)部設有多個相互獨立的管道；每個循環(huán)液體流道上均安裝有閥門，每個閥門均與均衡控制模塊的組內(nèi)均衡控制模塊單獨連接；所述不同的循環(huán)液體流道內(nèi)的冷卻水采用流向相同設置或者采用流向不同設置或者采用兩者的混合；所述冷卻水存儲于自備水箱內(nèi)，水泵用于抽取水箱內(nèi)的冷卻水，冷卻水沿循環(huán)液體流道流動。

所述的遠程監(jiān)控模塊包括開關量輸入電路，向中央處理器采集輸入開關量的值；按鍵信號采集電路，通過撥碼開關設置通信波特率和模塊地址；通訊接口電路，采用基于Modbus協(xié)議的RS-485通信方式，將開關量輸入數(shù)據(jù)通過中央處理器上傳給均衡控制模塊，從均衡控制模塊接收開關量數(shù)據(jù)，并和均衡控制模塊保持實時通信；開關量輸出電路，中央處理器通過通訊接口電路接收均衡控制模塊發(fā)送的開關量輸出控制信息，并控制開關的工作狀態(tài)，開關量輸入電路由依次串接的整形、延時電路和光耦隔離電路組成。

所述的鈦酸鋰電池模塊采用串并聯(lián)方式連接。

本實用新型的有益效果在于：本實用新型所述系統(tǒng)結構簡單、實現(xiàn)方便，可對鈦酸鋰電池組在工作過程中的各種工作狀態(tài)參數(shù)進行自動檢測收集，并將收集的信息傳輸至后方控制電腦，工作人員可通過后方電腦及時了解鈦酸鋰電池組當前工作狀態(tài)，當鈦酸鋰電池組出現(xiàn)異常時可及時調(diào)整，實現(xiàn)對鈦酸鋰電池組的遠程監(jiān)控管理，尤其當鈦酸鋰電池組應用在通訊基站、儲備電源、應急電源、軍工設備等領域為大型設備供電時，能夠及時有效保障用電設備的正常供電。

附圖說明

圖1為本實用新型的整體結構圖；

圖2為本實用新型的數(shù)據(jù)采集模塊結構圖。

具體實施方式

遠程鈦酸鋰電池智能管理系統(tǒng)結構如圖1所示。由中央處理器1、數(shù)據(jù)采集模塊2、均衡控制模塊3、熱管理模塊4、充放電控制模塊5、數(shù)據(jù)存儲模塊6、顯示屏模塊7和遠程監(jiān)控模塊8組成，所述的中央處理器分別與若干個數(shù)據(jù)采集模塊、均衡控制模塊、熱管理模塊、充放電控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示屏模塊和遠程監(jiān)控模塊連接，若干個數(shù)據(jù)采集模塊分別與對應的若干個鈦酸鋰電池模塊9連接。其工作過程為：(1)首先數(shù)據(jù)采集模塊采集鈦酸鋰電池基本信息(主要包括鈦酸鋰電池電壓、鈦酸鋰電池電流、鈦酸鋰電池溫度和環(huán)境溫度)；(2)然后將采集模塊采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給CPU進行分析計算，計算鈦酸鋰電池的SOC等數(shù)據(jù)；(3)根據(jù)處理數(shù)據(jù)的結果判斷鈦酸鋰電池現(xiàn)在處于什么工作狀態(tài)，如果達到臨界值需要對鈦酸鋰電池進行管理就發(fā)出程序控制指令，利用鈦酸鋰電池均衡控制模塊、充放電控制模塊和熱管理模塊對鈦酸鋰電池進行管理控制；(4)將采集到的鈦酸鋰電池基本信息和計算的SOC等信息實時發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示器和遠程監(jiān)控中心。其中數(shù)據(jù)采集模塊準確的采集數(shù)據(jù)是其他模塊正確執(zhí)行的基礎，中央處理器是鈦酸鋰電池管理系統(tǒng)的大腦，進行各種任務的調(diào)度，決定對鈦酸鋰電池組進行哪一種調(diào)控。均衡模塊、熱管理模塊、充放電控制模塊執(zhí)行中央處理器發(fā)出的指令，對鈦酸鋰電池組進行調(diào)控。

所述的中央處理器是16位的MCU，數(shù)據(jù)采集模塊包括FPGA10，所述FPGA連接有ADC數(shù)據(jù)采集模塊11和時鐘分配模塊12，所述ADC數(shù)據(jù)采集模塊和時鐘分配模塊相連，F(xiàn)PGA還連接有EPROM13、CPCI總線14和CPCIe總線15；FPGA還外接有DDR2存儲板16；所述CPCI總線為J1CPCI，CPCIe總線為PXIe XJ3或者XJ4；所述FPGA還連接有觸發(fā)器17；所述FPGA還和背板連接器18相連；所述FPGA為XilinxV5FPGA。數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要采集鈦酸鋰電池的基本信息，數(shù)據(jù)采集是BMS中最重要和最基礎的功能，是進行SOC估算和均衡控制管理的基礎，只有精確采集信息他們才能正常工作。通常需要采集鈦酸鋰電池電壓、鈦酸鋰電池電流和環(huán)境溫度等信息。鋰離子鈦酸鋰電池對電壓和溫度比較敏感，正常工作范圍的高壓值和低壓值差別比較小，所以要采集每個單體鈦酸鋰電池電壓，每隔lmin采集一次，采集的精度要達到0.005V；同時還要監(jiān)測單體鈦酸鋰電池溫度，采集周期為lmin，采集精度為0.5℃；鈦酸鋰電池組是串聯(lián)的，所以只要采集鈦酸鋰電池組的總電流，每隔ls采集一次，采集的精度為0.5A。

中央處理器SOC估計，BMS的一個重要任務就是進行SOC估計，由中央處理器根據(jù)采集的信息計算得到。目前BMS中最常見的SOC估算方法是安時積分法，其他的還有開路電壓法、擴展卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等。

1)安時積分法由于不需要知道鈦酸鋰電池內(nèi)部化學反應過程、鈦酸鋰電池狀態(tài)變化等情況，因而易于操作實現(xiàn)，但該方法需要很高的電流測量精度，且隨著時間的推移，SOC的估算誤差將會不斷累計增大，造成估算不準確；

2)開路電壓法是在鈦酸鋰電池不使用時，測得鈦酸鋰電池的SOC和鈦酸鋰電池的開路電壓的對應關系，然后通過鈦酸鋰電池的開路電壓估算SOC，所以只能在沒有啟動的時候使用，對初始SOC進行校準。

3)擴展卡爾曼濾波法是把鈦酸鋰電池看成一個動態(tài)系統(tǒng)，SOC是眾多狀態(tài)參數(shù)中的一個，通過不斷的估算、測量的迭代而計算SOC。由于糾正誤差能力強，缺點在于該算法需要矩陣計算對處理器的運算速度要求較高。

4)神經(jīng)網(wǎng)絡法主要通過模仿鈦酸鋰電池工作狀態(tài)變化來計算SOC，這就需要很多的鈦酸鋰電池狀態(tài)數(shù)據(jù)讓神經(jīng)系統(tǒng)學習鈦酸鋰電池狀態(tài)變化過程，而且數(shù)據(jù)的精度要高，不然容易產(chǎn)生錯誤。

監(jiān)測的鈦酸鋰電池管理系統(tǒng)利用安時法計算實時的SOC并使用開路電壓法校準初始SOC，利用本專利設計的系統(tǒng)通過上傳數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心使用擴展卡爾曼濾波算法驗證SOC。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)計算鈦酸鋰電池包的SOC，排序找出容量最低的鈦酸鋰電池，然后其他的鈦酸鋰電池容量和它進行比較，看是否需要進行均衡控制。

所述的均衡控制模塊包括組間均衡控制模塊、組內(nèi)均衡控制模塊、組內(nèi)能量轉(zhuǎn)移模塊和組間能量轉(zhuǎn)移模塊，組內(nèi)能量轉(zhuǎn)移模塊通過組內(nèi)母線與各個鈦酸鋰電池模塊連接，組內(nèi)母線與各個鈦酸鋰電池模塊之間設置有組內(nèi)開關；組內(nèi)均衡控制模塊與各個組內(nèi)開關連接，控制各個組內(nèi)開關的斷開和閉合；組間能量轉(zhuǎn)移模塊通過組間母線與各個鈦酸鋰電池組的組內(nèi)母線連接，各個組內(nèi)母線與組間母線之間設置有組間開關，組間均衡控制模塊與各個組間開關連接，控制各個組間開關的斷開和閉合。均衡管理模塊，一般動力鈦酸鋰電池都是由成百上千個鈦酸鋰電池組成的，每個鈦酸鋰電池在生產(chǎn)過程因為材料和生產(chǎn)工藝的影響會存在差異性，在使用的過程中工作環(huán)境的不同也會造成差異性。長時間使用后，由于材料的老化和環(huán)境的影響，這種差異會越來越大。這會影響整體鈦酸鋰電池組的工作效率和使用壽命。放電時，當某個鈦酸鋰電池達到放電最低值時，即使其他鈦酸鋰電池還可以繼續(xù)放電，放電也必須停止。反之，充電的時候，當某個鈦酸鋰電池電壓已經(jīng)達到電壓最大值，即使其他鈦酸鋰電池還沒有充滿，充電也必須停止。由于放電是以電壓最低的那個鈦酸鋰電池為標準，充電是以電壓最高的鈦酸鋰電池為標準。如果它們之間差異太大就會造成工作效率很低，因此需要進行鈦酸鋰電池均衡控制，使鈦酸鋰電池之間的差異盡量小。目前鋰離子鈦酸鋰電池常用的均衡方法是利用電阻進行放電和電容進行能量轉(zhuǎn)移。

充放電控制模塊，為了防止過充，鋰鈦酸鋰電池要分階段進行充電，一般分為4個階段：

1)涓流充電，涓流充電主要是針對那些電量完全放完的鈦酸鋰電池，一般電壓低于3V就認為鈦酸鋰電池已經(jīng)放完電了，需要進行涓流充電對鈦酸鋰電池預充電，涓流充電是以0.1A的恒流進行充電。

2)恒流充電，當鈦酸鋰電池電壓達到恒流充電的限值時，就可以增大電流從涓流充電切換到恒流充電狀態(tài)，一般恒流充電的電流在0.2～2A之間，這是快速充電階段。

3)恒壓充電，當鈦酸鋰電池電壓繼續(xù)增大達到恒壓充電的限值時就切換到恒壓充電，這個時候鈦酸鋰電池差不多已經(jīng)充滿，為了不損害鈦酸鋰電池的性能，保存恒壓充電，隨著鈦酸鋰電池電壓的升高充電電流逐漸減小。

4)充電終止，在恒壓充電的后期，電流越來越小，直到電流為零，就可以認為鈦酸鋰電池已經(jīng)充滿電，充電就此結束。

熱管理模塊包括加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，加熱系統(tǒng)包括電加熱薄膜和電源，電加熱薄膜設于相鄰鈦酸鋰電池模塊之間，電源給電加熱薄膜供電；冷卻系統(tǒng)包括冷卻水、循環(huán)液體流道和水泵，循環(huán)液體流道設于相鄰鈦酸鋰電池模塊之間；安裝于鈦酸鋰電池模塊內(nèi)的多個溫度傳感器與中央處理器連接；每個電加熱薄膜與電源之間均設有開關，每個開關均與均衡控制模塊的組內(nèi)均衡控制模塊單獨連接；所述循環(huán)液體流道呈片狀結構的微通道平行體，在微通道平行體內(nèi)部設有多個相互獨立的管道；每個循環(huán)液體流道上均安裝有閥門，每個閥門均與均衡控制模塊的組內(nèi)均衡控制模塊單獨連接；所述不同的循環(huán)液體流道內(nèi)的冷卻水采用流向相同設置或者采用流向不同設置或者采用兩者的混合；所述冷卻水存儲于自備水箱內(nèi)，水泵用于抽取水箱內(nèi)的冷卻水，冷卻水沿循環(huán)液體流道流動。熱管理模塊，鈦酸鋰電池工作性能的好壞與鈦酸鋰電池的工作溫度有很大的關系，當工作溫度偏高時，鈦酸鋰電池的能量可以充分釋放出來，但是這會縮短鈦酸鋰電池的使用壽命；當工作溫度偏低時，鈦酸鋰電池內(nèi)部化學物質(zhì)的活性降低導電性變差，相應的鈦酸鋰電池的電阻就會變大，內(nèi)部消耗的功率也就增大，使得鈦酸鋰電池可實際放出的能量變小。因此，需要進行鈦酸鋰電池熱管理，使鈦酸鋰電池的工作溫度保持在最合適的范圍內(nèi)。一般通過吹風散熱和電阻絲加熱實現(xiàn)。通常，鋰離子鈦酸鋰電池工作溫度范圍為：充電時，-10～45℃；放電時，-30～55℃。最佳的工作溫度范圍為20～40℃。

所述的遠程監(jiān)控模塊包括開關量輸入電路，向中央處理器采集輸入開關量的值；按鍵信號采集電路，通過撥碼開關設置通信波特率和模塊地址；通訊接口電路，采用基于Modbus協(xié)議的RS-485通信方式，將開關量輸入數(shù)據(jù)通過中央處理器上傳給均衡控制模塊，從均衡控制模塊接收開關量數(shù)據(jù)，并和均衡控制模塊保持實時通信；開關量輸出電路，中央處理器通過通訊接口電路接收均衡控制模塊發(fā)送的開關量輸出控制信息，并控制開關的工作狀態(tài)，開關量輸入電路由依次串接的整形、延時電路和光耦隔離電路組成。

所述的鈦酸鋰電池模塊采用串并聯(lián)方式連接。鈦酸鋰電池工作時，需要對鈦酸鋰電池運行時的一些狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測和傳遞。一方面各鈦酸鋰電池組之間需要進行數(shù)據(jù)通信，從而傳遞各鈦酸鋰電池組的電壓信息和容量信息，以保證他們之間不會有太大的差異性。另一方面需要把信息上傳到到BMS的主控芯片，主控芯片根據(jù)收到的信息為其他控制模塊提供他們所需的數(shù)據(jù)，如傳輸SOC相關數(shù)據(jù)給控制器，把鈦酸鋰電池的狀態(tài)信息傳遞給遠程監(jiān)控模塊，并上傳到監(jiān)控中心。同時BMS也接收其他模塊發(fā)送過來的信息，然后根據(jù)這些信息制定出合理的鈦酸鋰電池控制策略。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。同時對于本專利中未解釋的結構，由于上述結構都是本領域的公知技術，因此在此省略。