一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，由智能充電單元、主機(jī)控制單元、從機(jī)控制單元、電池箱熱處理單元和負(fù)載控制單元組成。智能充電單元與主機(jī)控制單元通過(guò)總線進(jìn)行通信，從主機(jī)控制單元獲得控制指令來(lái)調(diào)節(jié)充電狀態(tài)；所述主機(jī)控制器單元用于完成系統(tǒng)的整體控制；從機(jī)控制單元用于完成電池組各個(gè)參數(shù)的采集以及電池的保護(hù)；電池箱熱處理單元用于確保鋰電池組的高效工作；負(fù)載控制單元用于完成負(fù)載功率需求變換以及短路保護(hù)。本發(fā)明充分利用FPAA技術(shù)可重構(gòu)特性和在線可編程特點(diǎn)，合理的替代相應(yīng)的電路使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的柔性提高功耗降低；通過(guò)不同量程傳感器的組合，提高采集精度；溫差電池和鋰電池組的有機(jī)結(jié)合使得熱能得以二次利用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]人類(lèi)在進(jìn)入21世紀(jì)以后，能源短缺和環(huán)保問(wèn)題成為制約社會(huì)發(fā)展的兩大問(wèn)題。隨 著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和汽車(chē)保有量的高速增長(zhǎng)，人們環(huán)保意識(shí)也不斷增強(qiáng)，對(duì)汽車(chē)綠色 動(dòng)力系統(tǒng)有很高的要求。純電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)很好的解決了這兩個(gè)問(wèn)題，電動(dòng)車(chē)可以減少人 類(lèi)對(duì)于不可再生燃料資源的依賴(lài)，同時(shí)電動(dòng)車(chē)在使用過(guò)程中無(wú)任何污染。電動(dòng)車(chē)的巨大優(yōu) 勢(shì)使得電動(dòng)車(chē)越來(lái)越受到關(guān)注，電池管理系統(tǒng)(BMS)作為電動(dòng)車(chē)發(fā)展的重要技術(shù)之一，直接 關(guān)系著電動(dòng)車(chē)發(fā)展的成敗。高效的電池管理系統(tǒng)可以推動(dòng)電動(dòng)車(chē)的飛速發(fā)展。
[0003]目前電池管理系統(tǒng)存在以下問(wèn)題:
(1)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、調(diào)試難、升級(jí)不方便問(wèn)題；
(2)電池正常工作產(chǎn)生熱量直接排放掉，使得能源不能得以高效利用；
(3)電池電流測(cè)量精度不高，SOC估算精度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中電池管理系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能源利用率高、 信號(hào)采集電路簡(jiǎn)單、采集精度高的汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，充分利用FPAA技術(shù)和溫差電池技 術(shù)使得電能利用率最大化。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由智能充電單元、主機(jī)控制單元、從機(jī)控制單 元、電池箱熱處理單元和負(fù)載控制單元組成，各個(gè)單元之間通過(guò)總線進(jìn)行通信；所述智能 充電單元與主機(jī)控制單元通過(guò)總線進(jìn)行通信，從主機(jī)控制單元獲得控制指令來(lái)調(diào)節(jié)充電狀 態(tài)；所述主機(jī)控制器單元用于完成系統(tǒng)的整體控制；所述從機(jī)控制單元用于完成電池組各 個(gè)參數(shù)的采集以及電池的保護(hù)；所述電池箱熱處理單元用于確保鋰電池組的高效工作；所 述負(fù)載控制單元用于完成負(fù)載功率需求變換以及短路保護(hù)。
[0006]進(jìn)一步，所述主機(jī)控制單元由熱處理控制模塊、SOC運(yùn)算模塊、電池組采集模塊、漏 電保護(hù)模塊、電池均衡模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、觸摸屏顯示模塊、報(bào)警模塊、充放電 控制模塊、能量控制模塊和存儲(chǔ)模塊組成。
[0007]進(jìn)一步，所述從機(jī)控制單元由過(guò)充放-短路保護(hù)電路、電池均衡電路、通信接口和 采集電路組成。
[0008]進(jìn)一步，所述負(fù)載控制單元由短路保護(hù)電路、負(fù)載功率轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)控制電路組 成。
[0009]進(jìn)一步，所述電池箱熱處理單元包括加熱模塊和溫差電池控制電路。
[0010]進(jìn)一步，所述主機(jī)控制單元的電池組采集模塊和從機(jī)控制單元的采集電路主要對(duì) 電流、電壓和溫度進(jìn)行采集；電流采集過(guò)程將三種不同量程的霍爾傳感器組合使用，采用精密恒流技術(shù)和線性溫度補(bǔ)償技術(shù)，將電流變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓；前端采用差分放大，后期信號(hào)調(diào)理電路應(yīng)用FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)；FPAA調(diào)理電路包括二次放大電路、濾波電路和AD轉(zhuǎn)換電路。[0011 ] 進(jìn)一步，所述加熱模塊放置于電池箱底部，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱；溫差電池控制電路用于對(duì)鋰電池正常工作產(chǎn)熱進(jìn)行回收利用，并根據(jù)需要對(duì)鋰電池進(jìn)行電壓補(bǔ)充。
[0012]進(jìn)一步，所述新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)采用從機(jī)分布式控制和主機(jī)集中控制架構(gòu)。
[0013]進(jìn)一步,所述SOC運(yùn)算模塊采用基于Kalman最優(yōu)濾波理論的SOC估計(jì)算法。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
1、基于FPAAA技術(shù)設(shè)計(jì)采集電路，充分利用FPAA技術(shù)可重構(gòu)特性和在線可編程特點(diǎn)，合理的替代相應(yīng)的電路使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)的柔性提高功耗降低；
2、通過(guò)不同量程傳感器的組合，提高采集精度，對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新使得SOC的估算更加精確；
3、溫差電池和鋰電池組的有機(jī)結(jié)合使得熱能得以二次利用，降低了能來(lái)那個(gè)的消耗。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；
圖2為本發(fā)明一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖；
圖3為本發(fā)明中電池箱熱處理單元的加熱模塊結(jié)構(gòu)圖；
圖4為本發(fā)明中主機(jī)控制單元的主機(jī)軟件流程圖；
圖5為本發(fā)明中SOC運(yùn)算模塊的電池SOC估算原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]本發(fā)明一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。該系統(tǒng)由智能充電單元、主機(jī)控制單元、從機(jī)控制單元、電池箱熱處理單元和負(fù)載控制單元組成，各個(gè)單元之間通過(guò)總線進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)和控制指令。
[0018]智能充電單元與主機(jī)控制單元通過(guò)總線進(jìn)行通信，從主機(jī)控制單元獲得控制指令來(lái)調(diào)節(jié)充電的各項(xiàng)指標(biāo)，確保鋰電池組的正常充電。
[0019]主機(jī)控制單元由熱處理控制模塊、SOC運(yùn)算模塊、電池組采集模塊、漏電保護(hù)模塊、電池均衡模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、觸摸屏顯示模塊、報(bào)警模塊、充放電控制模塊、能量控制模塊和存儲(chǔ)模塊組成。主機(jī)控制器單元與從機(jī)控制單元通過(guò)總線相互通信，主機(jī)控制單元從從機(jī)控制單元獲得各個(gè)電池的參數(shù)，每節(jié)電池的電壓、溫度及每個(gè)串聯(lián)電池組的，主機(jī)控制器單元根據(jù)獲得參數(shù)并分析、決策從機(jī)控制器單元工作指令，同時(shí)對(duì)從機(jī)控制單元反饋的警報(bào)信息發(fā)出警報(bào)；
從機(jī)控制單元由過(guò)充放-短路保護(hù)電路、電池均衡電路、通信接口和采集電路組成。從機(jī)控制單元從主機(jī)控制器單元獲得控制指令后控制相應(yīng)的電路，電路包括過(guò)充放保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、電池均衡電路和采集電路。
[0020]電池箱熱處理單元包括加熱模塊和溫差電池控制電路。電池箱熱處理單元通過(guò)總線從主機(jī)控制單元獲得控制指令，根據(jù)指令進(jìn)行相應(yīng)的電路操作。加熱模塊主要在寒冷環(huán)境下發(fā)動(dòng)汽車(chē)時(shí)啟動(dòng)工作，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱確保電池正常、高效工作；溫差電池控制電路 主要是當(dāng)電池組工作溫度超出最佳工作范圍時(shí)啟動(dòng)對(duì)鋰電池正常工作產(chǎn)熱進(jìn)行回收利用 已提高能量的利用率，同時(shí)必要時(shí)對(duì)鋰電池進(jìn)行電壓補(bǔ)充確保電池箱功能正常。加熱模塊 的結(jié)構(gòu)如圖3所示，在電池四周用導(dǎo)熱性能好、絕緣性好的材料進(jìn)行隔離，在寒冷環(huán)境下發(fā) 動(dòng)汽車(chē)時(shí)，通過(guò)電池箱底部相連的電熱絲加熱，一直加熱到電池至正常工作溫度；待電池組 正常應(yīng)用構(gòu)成產(chǎn)熱較高時(shí)，啟動(dòng)溫差電池，溫差電池高溫極與電池箱上邊引出的導(dǎo)熱端相 連，電池低溫極通過(guò)導(dǎo)熱金屬與車(chē)體下邊散熱片連接，確保溫差，汽車(chē)行進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生較大氣 流使得散熱片一直處于低溫態(tài)可以使得溫差電池正常工作。
[0021]負(fù)載控制單元由短路保護(hù)電路、負(fù)載功率轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)控制電路組成，用于完成 負(fù)載功率需求變換以及短路保護(hù)。
[0022]主機(jī)控制流程如圖4所示。
[0023]從機(jī)控制單元的采集電路和主機(jī)控制單元的電池組采集模塊主要對(duì)電流、電壓和 溫度進(jìn)行采集。電流采用三種不同量程霍爾傳感器組合方式提高采集精度，電流傳感器的 選擇由電池的電流狀態(tài)決定:首先用大量程霍爾傳感器對(duì)電流進(jìn)行粗估測(cè)，如果電流大于 中量程霍爾傳感器，采用大量程霍爾傳感器；如果電流小于大量程霍爾傳感器且大于小量 程霍爾傳感器，采用中程霍爾傳感器；如果電流小于中量程霍爾傳感器，采用小量程霍爾傳 感器。采用精密恒流技術(shù)和線性溫度補(bǔ)償技術(shù)，將其變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓。轉(zhuǎn)換后采用前端差 分放大電路進(jìn)行初級(jí)放大，然后將放大后的信號(hào)輸入到FPAA電路中，應(yīng)用FPAA技術(shù)進(jìn)行信 號(hào)調(diào)理，調(diào)理電路包括二次放大電路、濾波電路、AD轉(zhuǎn)換電路。調(diào)理后的信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)控 制單元以備控制決策用。FPAA技術(shù)具有在線可重構(gòu)特點(diǎn)，降低了調(diào)試難度；同時(shí)具有低功 耗、高集成、易設(shè)計(jì)特點(diǎn)，F(xiàn)PAA芯片可以在不斷電的情況下對(duì)電路進(jìn)行重新匹配，這提高了 電路設(shè)計(jì)的柔性。
[0024]SOC計(jì)算單元采用基于Kalman最優(yōu)濾波理論的SOC估計(jì)算法。根據(jù)不斷觀測(cè)到的 新數(shù)據(jù)調(diào)整修正增益，對(duì)SOC估計(jì)值進(jìn)行修正，可以避免僅使用安時(shí)計(jì)量法引起的累積誤 差，提高SOC估計(jì)精度，并且還可以對(duì)SOC估計(jì)值的誤差做出估計(jì)，提高SOC估計(jì)值的可信度。
[0025]基于Kalman最優(yōu)濾波理論的SOC估算方法為:把動(dòng)力電池看作一個(gè)系統(tǒng)，電池的 荷電狀態(tài)SOC和電池的極化電壓作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，電流作為系統(tǒng)的輸入，電池的電壓 作為系統(tǒng)的觀測(cè)量，這樣電池SOC的估計(jì)問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為在電流輸入的激勵(lì)下系統(tǒng)狀態(tài)變量 的估計(jì)問(wèn)題。該方法的基本原理如圖5所示。
[0026]在k+1時(shí)刻，利用k時(shí)刻的電池SOC值和當(dāng)前時(shí)刻的電流值計(jì)算電池在k+1時(shí)刻 估計(jì)的SOC值；再根據(jù)電池模型計(jì)算k+1時(shí)刻估計(jì)的電池電壓值，將該值和實(shí)測(cè)的電壓值比 較，可以得出電壓的估計(jì)誤差；根據(jù)該誤差對(duì)濾波器的增益進(jìn)行修正；利用修正后的增益 對(duì)估計(jì)的SOC值進(jìn)行修正，得到k+1時(shí)刻經(jīng)過(guò)濾波以后的SOC估計(jì)值；然后把該值作為下一 時(shí)刻的SOC初值，進(jìn)入下一個(gè)估計(jì)過(guò)程。
[0027]基于Kalman最優(yōu)濾波理論的SOC估計(jì)算法根據(jù)不斷觀測(cè)到的新數(shù)據(jù)調(diào)整修正增 益，對(duì)SOC估計(jì)值進(jìn)行修正，可以避免僅使用安時(shí)計(jì)量法引起的累積誤差，提高SOC估計(jì)精 度，并且使用該方法還可以對(duì)SOC估計(jì)值的誤差做出估計(jì)，提高SOC估計(jì)值的可信度。
[0028]本發(fā)明一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)采用從機(jī)分布式控制和主機(jī)集中控制架構(gòu)。此結(jié)構(gòu)可以很好的降低主機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，同時(shí)也提高了從機(jī)調(diào)節(jié)電路的工作效率。
[0029]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(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】
1.一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:由智能充電單元、主機(jī)控制單元、從機(jī)控制單元、電池箱熱處理單元和負(fù)載控制單元組成，各個(gè)單元之間通過(guò)總線進(jìn)行通信；所述智能充電單元與主機(jī)控制單元通過(guò)總線進(jìn)行通信，從主機(jī)控制單元獲得控制指令來(lái)調(diào)節(jié)充電狀態(tài)；所述主機(jī)控制器單元用于完成系統(tǒng)的整體控制；所述從機(jī)控制單元用于完成電池組各個(gè)參數(shù)的采集以及電池的保護(hù)；所述電池箱熱處理單元用于確保鋰電池組的高效工作；所述負(fù)載控制單元用于完成負(fù)載功率需求變換以及短路保護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述主機(jī)控制單元由熱處理控制模塊、SOC運(yùn)算模塊、電池組采集模塊、漏電保護(hù)模塊、電池均衡模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、觸摸屏顯示模塊、報(bào)警模塊、充放電控制模塊、能量控制模塊和存儲(chǔ)模塊組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述從機(jī)控制單元由過(guò)充放-短路保護(hù)電路、電池均衡電路、通信接口和采集電路組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述負(fù)載控制單元由短路保護(hù)電路、負(fù)載功率轉(zhuǎn)換電路、電機(jī)控制電路組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述電池箱熱處理單元包括加熱模塊和溫差電池控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述主機(jī)控制單元的電池組采集模塊和從機(jī)控制單元的采集電路主要對(duì)電流、電壓和溫度進(jìn)行采集；電流采集過(guò)程將三種不同量程的霍爾傳感器組合使用，采用精密恒流技術(shù)和線性溫度補(bǔ)償技術(shù)，將電流變換為標(biāo)準(zhǔn)電壓；前端采用差分放大，后期信號(hào)調(diào)理電路應(yīng)用FPAA技術(shù)實(shí)現(xiàn)；FPAA調(diào)理電路包括二次放大電路、濾波電路和AD轉(zhuǎn)換電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述加熱模塊放置于電池箱底部，對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱；溫差電池控制電路用于對(duì)鋰電池正常工作產(chǎn)熱進(jìn)行回收利用，并根據(jù)需要對(duì)鋰電池進(jìn)行電壓補(bǔ)充。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)采用從機(jī)分布式控制和主機(jī)集中控制架構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新能源汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述SOC運(yùn)算模塊采用基于Kalman最優(yōu)濾波理論的SOC估計(jì)算法。
【文檔編號(hào)】H02J7/00GK103441538SQ201310294679
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月15日
【發(fā)明者】朱正偉, 孫廣輝, 潘忠來(lái), 劉忠 申請(qǐng)人:常州大學(xué)