技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種電池的均衡管理系統(tǒng)及主動(dòng)均衡控制方法。

背景技術(shù)：

電池管理系統(tǒng)(BMS)作為鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，是電池和整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)接紐帶。電池管理系統(tǒng)主要是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池參數(shù)（電壓、電流、溫度等），判斷出電池當(dāng)前的工作狀態(tài)，若存在不平衡則通過(guò)均衡控制單元使整個(gè)鋰電池組回歸到基本平衡態(tài)。

鋰電池均衡控制的方案主要分為能量耗散型和非能量耗散型兩大類型。由于節(jié)能減排是國(guó)家發(fā)展的主題，因此非能量耗散型是整體發(fā)展的趨勢(shì)，但是在實(shí)際推廣中也要考慮成本因素和復(fù)雜程度。

盡管近年來(lái)國(guó)內(nèi)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)的性能已經(jīng)有了很大的提升，甚至也有一部分已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段，但總是或多或少的有些問(wèn)題。同時(shí)相對(duì)于國(guó)外的電池管理系統(tǒng)而言，國(guó)內(nèi)的電池管理系統(tǒng)仍然處于落后狀態(tài)。國(guó)內(nèi)研究開(kāi)發(fā)的設(shè)備在開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面仍存在系統(tǒng)可靠性不高、設(shè)備精度不高、智能化程度不夠高以至于不能滿足大規(guī)模應(yīng)用的需要、設(shè)備功耗較高等不足。

因此，迫切需要提供一種高效、穩(wěn)定、低功耗的電池均衡管理系統(tǒng)及控制方法，以解決以上所述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高效、穩(wěn)定、低功耗的電池均衡管理系統(tǒng)及電池的主動(dòng)均衡控制方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一方面，本發(fā)明提供一種電池的均衡管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)測(cè)控制單元、均衡單元電路、顯示單元和上位機(jī)；所述數(shù)據(jù)采集單元用于采集電池單體數(shù)據(jù)，包括各電池單體的電壓和溫度，電池單體的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)顯示單元顯示；所述監(jiān)測(cè)控制單元與數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元和上位機(jī)相連，該監(jiān)測(cè)控制單元用于與電池單體信息實(shí)時(shí)采集單元和上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，及進(jìn)行均衡控制規(guī)則算法的計(jì)算和控制信號(hào)生成，生成的控制信號(hào)用于控制均衡單元電路，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組能量的均衡一致。

其中，所述數(shù)據(jù)采集單元為ATA6870芯片或普通的A/D采樣模擬電路。本方案采用ATA6870芯片采集方案，其集成采集芯片內(nèi)部自帶6通道12位的A/D轉(zhuǎn)換，大大簡(jiǎn)化了采集電路的復(fù)雜性，同時(shí)提高了采集數(shù)據(jù)的精度。

所述均衡單元電路包括相串聯(lián)的單體電池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二極管D1、D2，電感L1、L2，所述單體電池Celln的正極與MOS管Q1的漏極相連，MOS管Q1的柵極經(jīng)電容C1、電阻R1與單體電池Celln-1的正極相連，MOS管Q1的源極經(jīng)電感L1分別與電池Celln-1的正極和二極管D1的陽(yáng)極相連，二極管D1的陰極經(jīng)電感L2與MOS管Q1的漏極相連，所述電池Celln-1的負(fù)極與二極管D2的陽(yáng)極相連，二極管D2的陰極與MOS管Q1的源極相連。

所述監(jiān)測(cè)控制單元為ATmega32HVB微控制器，通過(guò)SPI與ATA6870芯片通信，通過(guò)生成PWM信號(hào)控制均衡單元電路的PMOS開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

所述上位機(jī)與監(jiān)測(cè)控制單元之間通過(guò)CAN方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。優(yōu)選采用液晶顯示屏為顯示單元。

另一方面，本發(fā)明還相應(yīng)的提供了電池的主動(dòng)均衡控制方法，包括以下步驟：

a. 通過(guò)電池單體信息實(shí)時(shí)采集芯片采集并傳輸電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號(hào)；

b. 通過(guò)監(jiān)測(cè)控制單元將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，經(jīng)算法處理獲得整個(gè)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及通過(guò)與監(jiān)測(cè)控制單元相連接的上位機(jī)獲得估算的電池系統(tǒng)的剩余容量；

c. 如果出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過(guò)監(jiān)測(cè)控制單元來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的均衡單元電路實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組能量得到均衡一致，并實(shí)時(shí)的將電池的工作狀態(tài)通過(guò)顯示單元提供給用戶；

d. 如果電池出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控信息反饋至用戶使用端并相應(yīng)作出保護(hù)動(dòng)作。

進(jìn)一步的，在步驟a中，所述電池單體信息實(shí)時(shí)采集芯片為ATA6870芯片，該芯片內(nèi)部集成A/D采樣單元。

進(jìn)一步的，在步驟b中，獲取監(jiān)測(cè)并上傳的電池單體信息后，通過(guò)安時(shí)積分及卡爾曼濾波器修正來(lái)預(yù)估電池剩余電量。

進(jìn)一步的，在步驟c中，出現(xiàn)電池不均衡狀態(tài)后，通過(guò)雙向無(wú)損均衡控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體之間的狀態(tài)均衡。這里所闡述的無(wú)損是比較被動(dòng)均衡而言，真正的無(wú)損均衡是不現(xiàn)實(shí)的。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明中不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池單體信息，并在電池之間出現(xiàn)不均衡狀態(tài)后，能準(zhǔn)確有效的動(dòng)作相應(yīng)的主動(dòng)均衡控制單元，而且相比較被動(dòng)均衡技術(shù)，主動(dòng)均衡能更好的提升鋰電池的能量利用率。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明電池的均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明電池的均衡管理系統(tǒng)的均衡控制策略示意圖；

圖3是本發(fā)明的均衡單元電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，本實(shí)施例的電池的均衡管理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元1、監(jiān)測(cè)控制單元3、均衡單元電路2、顯示單元6和上位機(jī)5；該數(shù)據(jù)采集單元1用于采集電池單體數(shù)據(jù)，包括各電池單體的電壓和溫度，電池單體的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)顯示單元6顯示；監(jiān)測(cè)控制單元3與數(shù)據(jù)采集單元1、顯示單元6和上位機(jī)5相連，該監(jiān)測(cè)控制單元3用于與電池單體信息實(shí)時(shí)采集單元和上位機(jī)5進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互，及進(jìn)行均衡控制規(guī)則算法的計(jì)算和控制信號(hào)生成，生成的控制信號(hào)用于控制均衡單元電路2，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組能量的均衡一致。

本實(shí)施例的數(shù)據(jù)采集單元1為ATA6870芯片，ATA6870芯片具有節(jié)約空間，低功耗，無(wú)需額外增加電源等突出的優(yōu)點(diǎn)，并能在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間（不小于15年）內(nèi)維持較高的測(cè)量精度。當(dāng)然，ATA6870芯片也可以由普通的A/D采樣模擬電路以實(shí)現(xiàn)相同功能。

監(jiān)測(cè)控制單元3為ATmega32HVB微控制器，通過(guò)SPI與ATA6870芯片通信，通過(guò)生成PWM信號(hào)控制均衡單元電路的MOS管Q1的狀態(tài)。上位機(jī)5與監(jiān)測(cè)控制單元3之間通過(guò)CAN方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。顯示單元6為液晶顯示屏。系統(tǒng)首先通過(guò)ATA6870的電壓監(jiān)測(cè)單元監(jiān)測(cè)出當(dāng)前電池的電壓狀態(tài)值，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換。由于ATA6870內(nèi)部沒(méi)有PWM生成模塊，所以將相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)通過(guò)芯片相應(yīng)的SPI通信接口傳送到ATmega32HVB微控制器，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的均衡決策，通過(guò)PWM輸出信號(hào)來(lái)控制相應(yīng)的MOS管Q1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)電池組出現(xiàn)過(guò)放、過(guò)充等現(xiàn)象時(shí)，對(duì)應(yīng)的保護(hù)電路4啟用以達(dá)到硬件保護(hù)的功能。

進(jìn)一步參考圖3，均衡單元電路2包括相串聯(lián)的單體電池Celln、Celln-1, MOS管Q1、二極管D1、D2，電感L1、L2，及外圍電路。所述單體電池Celln的正極與MOS管Q1的漏極相連，MOS管Q1的柵極經(jīng)電容C1、電阻R1與單體電池Celln-1的正極相連，MOS管Q1的源極經(jīng)電感L1分別與電池Celln-1的正極和二極管D1的陽(yáng)極相連，二極管D1的陰極經(jīng)電感L2與MOS管Q1的漏極相連，所述電池Celln-1的負(fù)極與二極管D2的陽(yáng)極相連，二極管D2的陰極與MOS管Q1的源極相連。該電路僅對(duì)兩個(gè)單體電池進(jìn)行舉例，在實(shí)際當(dāng)中可在此電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行電路改進(jìn)，以適合多個(gè)單體電池進(jìn)行均衡處理。

當(dāng)Cell n的電壓高于Cell n-1時(shí)，相應(yīng)的PMOS導(dǎo)通，電池能量暫時(shí)存放在電感Ln中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，MOS管關(guān)斷，通過(guò)續(xù)流作用，電感中能量轉(zhuǎn)移到Cell n-1中。相反的情況，則控制方式也是按照此種方式進(jìn)行。特此說(shuō)明，圖3僅為相鄰單體電池間的均衡單元電路2，多級(jí)電池相鄰單體之間參照此種電路拓?fù)湔归_(kāi)。

進(jìn)一步參考圖2，本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電池單體間的能量自主向著平衡轉(zhuǎn)移，一步步減小各個(gè)電池單體的差距進(jìn)而達(dá)到整體均衡。

進(jìn)一步而言，均衡單元電路2由電壓值較高的電池單體轉(zhuǎn)移到較低的電池單體從而達(dá)到整體均衡。如前面所述電池的電壓是體現(xiàn)電池當(dāng)前狀態(tài)SOC的代表性參數(shù)，即整個(gè)鋰電池組達(dá)到了能量均衡狀態(tài)。此種均衡方式的導(dǎo)通損耗小，電路組成簡(jiǎn)易，且能量轉(zhuǎn)移過(guò)程快速高效。

此外，與該系統(tǒng)相互配套的電池的主動(dòng)均衡控制方法，包括以下步驟：

a. 通過(guò)電池單體信息實(shí)時(shí)采集芯片采集并傳輸電池系統(tǒng)中電池的電壓、溫度信號(hào)；

b. 通過(guò)監(jiān)測(cè)控制單元3將獲得的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，經(jīng)算法處理獲得整個(gè)電池系統(tǒng)的工作狀態(tài)及通過(guò)與監(jiān)測(cè)控制單元3相連接的上位機(jī)5獲得估算的電池系統(tǒng)的剩余容量；

c. 如果出現(xiàn)電池能量不均衡的狀態(tài)，則通過(guò)監(jiān)測(cè)控制單元3來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的均衡單元電路2實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組能量得到均衡一致，并實(shí)時(shí)的將電池的工作狀態(tài)通過(guò)顯示單元提供給用戶；

d. 如果電池出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)上位機(jī)5實(shí)時(shí)監(jiān)控信息反饋至用戶使用端并相應(yīng)作出保護(hù)動(dòng)作。

在步驟a中，所述電池單體信息實(shí)時(shí)采集芯片為ATA6870芯片，該芯片內(nèi)部集成A/D采樣單元。在步驟b中，獲取監(jiān)測(cè)并上傳的電池單體信息后，通過(guò)安時(shí)積分及卡爾曼濾波器修正來(lái)預(yù)估電池剩余電量。在步驟c中，出現(xiàn)電池不均衡狀態(tài)后，通過(guò)雙向無(wú)損均衡控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體之間的狀態(tài)均衡

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。