專利名稱：一種車用鋰電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種車用鋰電池管理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型屬于車用動力電池系統(tǒng)的管理系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰電池的管 理系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
[0002]隨著全球?qū)?jié)能和環(huán)保意識的增強，新能源汽車的發(fā)展逐步擴大，動力電池系 統(tǒng)是新能源汽車的關(guān)鍵部位，目前應用在新能源汽車上的動力電池類型有鉛酸蓄電 池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰電池。鋰電池因為具有體積小、能量密度高、儲存壽命 長、無記憶效應、高電壓和自放電率低等優(yōu)良性能，在新能源汽車領(lǐng)域中得到了廣泛的 應用。另一方面，為了保證鋰電池系統(tǒng)的安全運作，并充分發(fā)揮鋰電池系統(tǒng)的性能， 必須設(shè)置專門的管理系統(tǒng)對其工作狀態(tài)進行實時監(jiān)測和合理有效的管控，實時對鋰電池 的充放電電流，電池溫度、單體電壓，電池系統(tǒng)總電壓以及絕緣狀態(tài)等工作狀態(tài)進行監(jiān) 測，計算電池系統(tǒng)的容量，實時將數(shù)據(jù)傳送給其它電控系統(tǒng)，并配合其它電控系統(tǒng)對鋰 電池系統(tǒng)進行管理。[0003]在已有的技術(shù)中，關(guān)于鋰電池管理系統(tǒng)的技術(shù)仍存在以下幾方面的缺點[0004]一采用分布式方法對鋰電池模塊組進行單個的分板式管理，這種方式造成管 理系統(tǒng)龐大復雜，浪費空間并且成本較高，可靠性差，不利于實際應用。[0005]二對鋰電池系統(tǒng)的絕緣性能檢測方面處理不完善，由于動力電池系統(tǒng)的電壓 較高，如果未能實時準確的檢測鋰電池系統(tǒng)的絕緣性能，將會對整車及人身安全帶來極 大的危險。[0006]三對鋰電池系統(tǒng)的高壓繼電器未加任何的保護診斷處理，這樣不能及時的反 饋高壓繼電器的工作狀態(tài)，致使動力電池系統(tǒng)及整車存在安全隱患。發(fā)明內(nèi)容[0007]本實用新型為了解決以上問題，提出一種鋰電池管理系統(tǒng)，實時對鋰電池系統(tǒng) 的狀態(tài)進行監(jiān)控及管理，確保鋰電池系統(tǒng)的性能及安全。[0008]本實用新型提出的鋰電池管理系統(tǒng)由MCU(微處理器)模塊、電源模 塊、總電壓采集模塊、電流采集模塊、絕緣檢測模塊、繼電器控制及診斷模塊、 HANDSHAKE(握手信號)收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊、非揮發(fā)性記憶模塊以及電池模 塊監(jiān)控單元1、2....N。[0009]所述的電源模塊分別與MCU模塊、電流采集模塊、總電壓采集模塊、絕緣檢測 模塊、繼電器控制及診斷模塊、HANDSHAKE(握手信號)收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊 以及非揮發(fā)性記憶模塊相連，提供該八個模塊正常工作的電壓，保障電池管理系統(tǒng)的正常工作。[0010]所述的絕緣檢測模塊與MCU模塊相連，對鋰電池系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)進行實時監(jiān) 控，在電池系統(tǒng)絕緣性能未達到設(shè)計要求時給出信號以供整車控制器作相應的處理，確保鋰電池系統(tǒng)以及整車的安全。[0011]所述的繼電器控制及診斷模塊與MCU模塊相連，通過接受MCU給出的信號， 有效的控制高壓繼電器的閉合與斷開，從而控制鋰電池系統(tǒng)是否對外供電。同時能夠?qū)?高壓繼電器的狀態(tài)進行診斷，將信息反饋給MCU進行處理，確保整車系統(tǒng)的安全。[0012]所述的總電壓采集模塊與MCU相連，對鋰電池系統(tǒng)的總電壓進行精確的采集， 并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU進行后續(xù)的處理。[0013]所述的電流采集模塊與MCU相連，對鋰電池系統(tǒng)的充放電電流進行精確的采 集，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU作后續(xù)的處理。[0014]所述的電池模塊監(jiān)控單元1、2....N分別與MCU模塊相連，進行鋰電池模塊內(nèi)單 體的電壓采集、均衡及溫度采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給MCU進行分析處理。[0015]所述HANDSHAKE(握手信號)收發(fā)模塊與MCU模塊相連，用于指示發(fā)生嚴重 錯誤時需要緊急關(guān)閉系統(tǒng)。[0016]所述CAN收發(fā)器模塊與MCU模塊連接，通過整車的CAN網(wǎng)絡可以實現(xiàn)鋰電池 管理系統(tǒng)與其它電控系統(tǒng)之間的通訊，從而實時對鋰電池系統(tǒng)進行控制管理。[0017]所述非揮發(fā)性記憶模塊與MCU模塊連接，能夠進行非易失性的存儲讀寫，并且 存取速度快，可以對鋰電池系統(tǒng)的狀態(tài)信息進行存儲，并且在管理系統(tǒng)掉電的情況下存 儲的信息不會丟失，可以永久性存儲鋰電池系統(tǒng)狀態(tài)信息。[0018]所述MCU模塊為本鋰電池管理系統(tǒng)的核心模塊，它接收總電壓采集模塊、電流 采集模塊、絕緣檢測模塊以及電池模塊監(jiān)控單元1、2....N發(fā)送的信號，并對這些信號進 行分析處理，將處理后的信號通過CAN收發(fā)器模塊發(fā)送給其它電控系統(tǒng)，并接收其它電 控系統(tǒng)從CAN網(wǎng)絡發(fā)來的信號，綜合處理后發(fā)送控制信號給繼電器控制及診斷模塊，從 而對鋰電池系統(tǒng)的工作進行控制管理。[0019]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實用新型的優(yōu)點在于[0020]一本實用新型為集中式鋰電池管理系統(tǒng)，即本系統(tǒng)將MCU模塊、電源 模塊、總電壓采集模塊、電流采集模塊、絕緣檢測模塊、繼電器控制及診斷模塊、 HANDSHAKE (握手信號)收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊、非揮發(fā)性記憶模塊及電池模塊 監(jiān)控單元1、2....N集成在一個電路板中，結(jié)構(gòu)簡單，并且為整車節(jié)約了很大的空間，抗 干擾能力強，可靠性增強。[0021]二本實用新型能夠?qū)崟r檢測鋰電池系統(tǒng)的絕緣狀態(tài)，并且可以精確的計算出 鋰電池系統(tǒng)的絕緣電阻，即鋰電池系統(tǒng)與整車之間的等效電阻。在絕緣性能不滿足設(shè)計 要求時報出絕緣故障信號，并做出相應的安全處理。[0022]三本實用新型可以通過控制繼電器來對鋰電池系統(tǒng)是否對外提供高壓動力， 并且能夠?qū)^電器的工作狀態(tài)進行信息的反饋，對繼電器自身的故障進行診斷，確保鋰 電池系統(tǒng)的安全工作。[0023]本實用新型的鋰電池管理系統(tǒng)可以實時進行鋰電池系統(tǒng)的動態(tài)采集，對其電 壓、電流、溫度、絕緣狀態(tài)、故障狀態(tài)精確采集并計算電池SOC，通過通信網(wǎng)絡與整車 通訊，從而對鋰電池系統(tǒng)進行均衡、功率評估等一系列的處理措施來管理鋰電池系統(tǒng)。
[0024]圖1為本實用新型提出的鋰電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖[0025]圖2為本實用新型提出的鋰電池管理系統(tǒng)繼電器控制及診斷模塊的原理示意圖[0026]圖3為本實用新型提出的鋰電池管理系統(tǒng)絕緣檢測模塊的原理示意圖[0027]圖4為本實用新型提出的鋰電池管理系統(tǒng)電池模塊監(jiān)控單元的原理示意圖具體實施方式
[0028]
以下結(jié)合附圖對本鋰電池管理系統(tǒng)部分模塊作進一步說明。[0029]圖1為鋰電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖。該鋰電池管理系統(tǒng)包括MCU(微處理) 模塊、電源模塊、總電壓采集模塊、電流采集模塊、絕緣檢測模塊、繼電器控制及診斷 模塊、HANDSHAKE(握手信號)收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊、非揮發(fā)性記憶模塊以及 電池模塊監(jiān)控單元1、2....N。[0030]圖2為繼電器控制及診斷模塊原理示意圖，該模塊通過場效應管預驅(qū)動芯片Vl 輸入端INO、INK IN2、IN3接收MCU I/O 口發(fā)出的控制信號，場效應管預驅(qū)動芯片Vl 輸出OUTO、OUTU OUT2、OUT3分別與場效應管Ql、Q2、Q3、Q4柵極相連，場效 應管Ql、Q2、Q3、Q4源極與電路地相連，場效應管Ql、Q2、Q3、Q4漏極分別與應 管預驅(qū)動芯片 Vl 的 DRAINO、DRAINU DRAIN2、DRAIN3 相連。二極管 Dl、D2、 D3、D4的正向偏置分別與場效應管Ql、Q2、Q3、Q4漏極相連，二極管Dl、D2、D3、 D4的反向偏置分別與電源VCC相連，保護場效應管的正常工作。[0031]該模塊由場效應管預驅(qū)動芯片及場效應管共同完成對鋰電池系統(tǒng)主回路的高壓 繼電器進行驅(qū)動控制，控制高壓繼電器的閉合與斷開。同時，該場效應管預驅(qū)動芯片的每 個驅(qū)動通道都能夠獨立的檢測繼電器的開關(guān)狀態(tài)、繼電器開路短路狀態(tài)以及電源短路的情 況，并且可以通過同步串行接口以串行數(shù)據(jù)形式將每個通道的狀態(tài)傳送給MCU，通過該模 塊與MCU之間的信號雙向傳輸，可以對繼電器進行控制以及對繼電器的狀態(tài)進行診斷。[0032]圖3為絕緣檢測模塊原理示意圖，該模塊用來測試判定鋰電池系統(tǒng)與整車之間 是否可靠分離，電池系統(tǒng)總正與電阻Rl相連，電阻Rl另一端與電阻R2—端相連，電阻 R2另一端與電池系統(tǒng)總負相連。電阻R3的一端與電阻R1、電阻R2相連，電阻R3的 另一端分別與二極管Dl反向偏置、二極管D2正向偏置相連，二極管Dl正向偏置與電 阻R5—端相連，電阻R5另一端與檢測單元Vl輸入端INB相連，二極管D2反向偏置端 與電阻R4 —端相連，電阻R4另一端與檢測單元Vl輸入端INA相連，電阻R9 —端與電 路電源VCC相連，另一端與電阻R8串聯(lián)，電阻R8的另一端與與電路地相連，產(chǎn)生分壓 信號給檢測單元Vl的輸入端INC，檢測單元輸出端OUTA電壓信號通過電阻R7與檢測 單元輸入端IND相連，該檢測單元的輸出端OUTB與電阻RlO—端相連，電阻RlO另一 端與發(fā)光二極管D3相連，當鋰電池系統(tǒng)與整車沒有可靠分離時，檢測單元Vl的輸出端 OUTB輸出一高電平信號傳送給MCU進行處理，同時通過電阻R2驅(qū)動發(fā)光二極管D3工 作，指示絕緣故障。[0033]該模塊利用二極管Dl、D2的單向?qū)ㄌ匦?，通過判斷鋰電池系統(tǒng)是否對該模塊 內(nèi)部電路節(jié)點電壓產(chǎn)生影響，從而判斷鋰電池系統(tǒng)正極、負極與整車之間的實時絕緣狀 態(tài)。同時本實用新型還可以通過此模塊計算出鋰電池系統(tǒng)的實時絕緣電阻，通過對絕緣檢測模塊中節(jié)點電壓的采集，經(jīng)過MCU處理分析后便可以計算出鋰電池系統(tǒng)總正與總負 相對于整車的等效絕緣電阻。[0034]圖4為電池模塊監(jiān)控單元的原理示意圖，根據(jù)設(shè)計者的需要，用戶最多可以將 12個鋰電池單體串聯(lián)起來組成一個電池模塊組，該電池模塊監(jiān)控單元可以對每個鋰電池 單體的電壓進行采集，電池單體的正極與監(jiān)控單元Vl的Cn相連，負極與監(jiān)控單元Vl的 Cn-I相連，可以對電池單體電壓進行采集計算，當單體電壓過高時，監(jiān)控單元Vl的Sn 發(fā)出均衡處理信號，驅(qū)動MOS管Ql導通，MOS管Ql源極與單體電池正極相連，MOS 管Ql漏極與電阻R2—端連接，電阻R2另一端與電池單體負極連接，形成的回路通過電 阻R2耗能的方式對電壓過高的單體電池進行放電均衡處理，二極管D與MOS管的源極 和柵極相連，保護MOS管的正常工作。[0035]在鋰電池管理系統(tǒng)工作的同時，各個模塊還可以對鋰電池模塊的電池溫度進行 采集，運算放大器Vl產(chǎn)生溫度采集的穩(wěn)定參考電壓，運算放大器Vl輸出端OUT與電阻 R4的一端相連，電阻R4的另一端與溫度采集點相連，電阻R3—端與電阻R4相連，另一 端與監(jiān)控單元的Vtemp端相連，通過接收溫度采集點的信號計算電池模塊的溫度值。經(jīng) 過MCU綜合計算處理后，在出現(xiàn)電池溫度過高時做出相應的處理，以保證鋰電池系統(tǒng)的 性能及安全。
權(quán)利要求1.一種車用鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于，該鋰電池管理系統(tǒng)由以下模塊組成微 處理器模塊、電源模塊、總電壓采集模塊、電流采集模塊、絕緣檢測模塊、繼電器控制 及診斷模塊、握手信號收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊、非揮發(fā)性記憶模塊以及電池模塊監(jiān) 控單元1、2....N ；所述的電源模塊分別與微處理器模塊、電流采集模塊、總電壓采集模塊、絕緣檢測 模塊、繼電器控制及診斷模塊、握手信號收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊相連，提供這些模 塊正常工作的電壓；所述的絕緣檢測模塊與微處理器模塊相連； 所述的繼電器控制及診斷模塊與MCU模塊相連； 所述的總電壓采集模塊以及電流采集模塊分別與微處理器相連； 所述的電池模塊監(jiān)控單元1、2....N分別與微處理器模塊相連； 所述非揮發(fā)性記憶模塊與微處理器相連；所述微處理器模塊為本鋰電池管理系統(tǒng)的核心模塊，它接收總電壓采集模塊、電流 采集模塊、絕緣檢測模塊以及電池模塊監(jiān)控單元1、2....N發(fā)送的信號，并對這些信號進 行分析處理，同時將處理后的信號通過CAN收發(fā)器模塊發(fā)送給其它電控系統(tǒng)，并接收其 它電控系統(tǒng)發(fā)來的信號，綜合處理后發(fā)送控制信號給繼電器控制及診斷模塊，從而對鋰 電池系統(tǒng)的工作進行控制管理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述繼電器控制及診 斷模塊通過場效應管預驅(qū)動芯片Vl輸入端INO、INl、IN2、IN3接收MCUI/0 口發(fā)出的 控制信號，場效應管預驅(qū)動芯片Vl輸出OUTO、OUTU OUT2、OUT3分別與場效應管 QU Q2、Q3、Q4柵極相連，場效應管Ql、Q2、Q3、Q4源極與電路地相連，場效應 管Ql、Q2、Q3、Q4漏極分別與應管預驅(qū)動芯片Vl的DRAINO、DRAINU DRAIN2、 DRAIN3相連；二極管Dl、D2、D3、D4的正向偏置分別與場效應管Ql、Q2、Q3、Q4 漏極相連，二極管Dl、D2、D3、D4的反向偏置分別與電源VCC相連，保護場效應管 的正常工作；所述繼電器控制及診斷模塊接收MCU的I/O 口發(fā)出的控制信號，由場效應管預驅(qū)動 芯片及場效應管共同完成對鋰電池系統(tǒng)主回路的高壓繼電器進行驅(qū)動控制，控制高壓繼 電器的閉合與斷開；所述場效應管預驅(qū)動芯片的每個驅(qū)動通道獨立檢測繼電器的開關(guān)狀 態(tài)、繼電器開路短路狀態(tài)以及電源短路的情況，通過同步串行接口以串行數(shù)據(jù)形式將每 個通道的狀態(tài)傳送給MCU，通過該模塊與MCU之間的信號雙向傳輸，對繼電器進行控 制以及對繼電器的狀態(tài)進行診斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述絕緣檢測模塊 中，電池系統(tǒng)總正與電阻Rl相連，電阻Rl另一端與電阻R2—端相連，電阻R2另一端 與電池系統(tǒng)總負相連；電阻R3的一端與電阻R1、電阻R2相連，電阻R3的另一端分別 與二極管Dl反向偏置、二極管D2正向偏置相連，二極管Dl正向偏置與電阻R5—端相 連，電阻R5另一端與檢測單元Vl輸入端INB相連，二極管D2反向偏置端與電阻R4 — 端相連，電阻R4另一端與檢測單元Vl輸入端INA相連，電阻R9 —端與電路電源VCC 相連，另一端與電阻R8串聯(lián)，電阻R8的另一端與與電路地相連，產(chǎn)生分壓信號給檢測 單元Vl的輸入端INC，檢測單元輸出端OUTA電壓信號通過電阻R7與檢測單元輸入端IND相連，該檢測單元的輸出端OUTB與電阻RlO—端相連，電阻RlO另一端與發(fā)光二 極管D3相連，當鋰電池系統(tǒng)與整車沒有可靠分離時，檢測單元Vl的輸出端OUTB輸出 一高電平信號傳送給MCU進行處理，同時通過電阻R2驅(qū)動發(fā)光二極管D3工作，指示絕緣故障。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的車用鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所述電池模塊監(jiān)控單 元是將多個鋰電池單體串聯(lián)起來組成一個電池模塊組，電池單體的正極與監(jiān)控單元Vl的 Cn相連，負極與監(jiān)控單元Vl的Cn-I相連，對電池單體電壓進行采集計算，當單體電壓 過高時，監(jiān)控單元Vl的Sn發(fā)出均衡處理信號，驅(qū)動MOS管Ql導通，MOS管Ql源極 與單體電池正極相連，MOS管Ql漏極與電阻R2—端連接，電阻R2另一端與電池單體負 極連接，形成的回路通過電阻R2耗能的方式對電壓過高的單體電池進行放電均衡處理， 二極管D與MOS管的源極和柵極相連，保護MOS管的正常工作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之任一項所述的車用鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于所有功能 模塊集成在一個電路板上。
專利摘要本實用新型提出了一種鋰電池管理系統(tǒng)，由以下模塊組成MCU(微處理)模塊、電源模塊、總電壓采集模塊、電流采集模塊、絕緣檢測模塊、繼電器控制及診斷模塊、HANDSHAKE(握手信號)收發(fā)模塊、CAN收發(fā)器模塊、非揮發(fā)性記憶模塊以及電池模塊監(jiān)控單元1、2....N。該管理系統(tǒng)能夠?qū)︿囯姵貑误w電壓進行實時的監(jiān)控，并對狀態(tài)差異大的電池單體進行均衡控制，提高鋰電池系統(tǒng)的一致性。同時，該管理系統(tǒng)還能對鋰電池系統(tǒng)的總電壓，工作電流、溫度、絕緣狀態(tài)及電池SOC\SOH進行綜合的監(jiān)測和管理，并通過CAN網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)實時的傳送給整車其它電控系統(tǒng)?？梢詫︿囯姵叵到y(tǒng)狀態(tài)的精確監(jiān)測及控制，可以充分發(fā)揮電池系統(tǒng)的性能，并保障鋰電池系統(tǒng)安全可靠的運行。
文檔編號H02H7/18GK201805242SQ201020178069
公開日2011年4月20日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月30日
發(fā)明者任勇, 周安健, 張友群, 樸昌浩, 王進, 肖利華, 蘇嶺 申請人:重慶長安汽車股份有限公司