專利名稱：用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一 種串聯鋰動力電池組管理均衡控制系統，特別涉及一種無能耗電量均衡、自動充放電控制和剩余電量估算的鋰電池組智能管理控制系統。該系統可用于各種類型的電動自行車和其他裝備小型電池組的應用領域。
背景技術：
目前，隨著電動自行車輕型化、小型化的要求，鋰電池在電動自行車上的應用越來越普及，其動力電源已經采用將多個鋰電池通過并串組合連接在一起組成電池組進行供電。在正常使用過程中，由于電池使用一段時間后導致各節電池單體特性之間出現差異，使得電池組整體能量性能得不到充分發揮，尤其在電池組充電過程后期，可能會同時出現過充電和欠充電的問題，產生各單體電池間的不均衡現象。如果電池組長期運行在這種不均衡的狀態下，會導致過充電或過放電頻繁發生，必定會損壞電池，造成安全隱患，進而嚴重影響電池的使用性能和壽命。從嚴格意義上講，現有的一般電池管理系統僅僅具備過充、過放保護和溫度保護功能，只能算是一個電池監視系統，并不是真真意義上的電池管理系統。上述一般系統只是根據充電、放電截止電壓來判斷是否對電池組進行充放電，并沒有將電池狀態監測、電量預測、均衡管理和充放電強度控制有機結合起來，在實際應用中意義不大。因此，要實現真正意義上的電池管理系統，必須要從一個復雜大系統的角度出發， 將電池狀態監測、電池電量估算(S0C)、均衡管理和充放電控制作為一個整體來考慮，同時還要兼顧相互之間的關聯性。電池狀態的監控很容易實現，只要通過單片機系統就可采集到電池組的電流、電壓和溫度信號。電池電量估算技術目前在國內外都不是很完善、特別是在運行過程中的實時估算很難實現，但一些公開的預估算法其精度也可達到8%以內。電池均衡管理和充放電控制技術也是主要的技術難點，尤其是無能耗均衡技術以及與之配合工作的充電控制技術對電池管理系統而言至關重要。
發明內容針對現有技術的缺陷，提供本實用新型用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統，其可以實現非能耗均衡管理、且具有充放電強度控制的功能。本實用新型的技術方案是這樣的其包括電池管理控制單元、均衡子系統、電池監測子系統、充電器和電池組，所述充電器具有單線通信接口，能夠根據微控制器給出的指令協議實時改變工作模式和調整充電電流的大小，微控制器根據電池當前狀態和均衡情況決定充電器工作狀態，指令協議的格式由單總線上PWM(脈寬調制)信號的占空比來定義；所述電池組由電池串聯組成，也可對每節進行并聯以增大電池組的容量，其特征在于所述電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關的外圍輔助電路、電量顯示和驅動電路，負責均衡算法、電池電量預估算法、充電強度控制算法和電池狀態信息的運算、處理和控制； 所述均衡子系統由一個同軸變壓器、MOS開關及驅動電路構成，負責對各單節電池的容量進行非能耗主動均衡；所述電池監測子系統由濾波器和運算放大器組成，通過電壓掃描的方式對各單節電池的電壓進行采樣并送到微控制器的ADC (模數轉換)輸入端口，電池監測子系統除了對單節電池的電壓進行監測之外，同時還擔負著對整個電池組的電壓和電流進行監測。其進一步特征在于所述電池組由12節電池串聯組成；所述均衡子系統包括斬波及 驅動模塊、同軸變壓器和M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、 M9、M10、Mll、M12、Mp MOS開關；所述斬波及驅動模塊將微控制器輸出的開關控制信號隔離驅動后控制各MOS開關的開通和閉合，每路驅動信號均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號；所述同軸變壓器有 Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級繞組和 1 個初級繞組 Tp, Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級繞組分別經 M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12 MOS 開關連接到 12 個電池單元，初級繞組Tp通過一個MOS開關Mp與電池組正負端相連；在該均衡子系統中，微控制器可根據各單體電池的容量和電壓差異情況，通過增大或減小PWM信號的占空比對每路均衡電流進行調整，以適應電池組在不同狀態下的均衡模式，達到智能化均衡管理的目的。所述電池監測子系統包括信號放大調理電路和濾波器，同時復用了均衡電路中同軸變壓器的初級繞組Tp和MOS開關；該電池監測子系統完成12個單節電池的電壓采樣以及整個電池組的總電壓和電流的檢測，并將調理后的信號送入微控制器的ADC輸入口。與現有技術相比，本發明的優點如下(1)所述電池管理控制單元能夠根據電池當前狀態和單體電池之間的容差大小實時控制均衡電流的強度和充電器充電模式，避免了電池組可能會同時出現過充電和欠充電的問題，使得電池組的容量最大限度發揮，有效增加了電池組的使用壽命。(2)所述均衡子系統采用了以同軸變壓器為核心的DC/DC均衡電路，能夠對電池單元之間轉移能量，實現了電池組的非能耗主動均衡。(3)所述電池監測子系統僅僅利用同軸變壓器的初級繞組Tp，通過電壓掃描的方式實現了對所有電池單元的電壓檢測，省去了傳統方法中必須要采用的開關陣列，同時也避免了共地隔離的難題。相比而言，該方案成本較低、結構簡單、可靠。
圖1為本實用新型的用于電動自行車鋰電池組智能管理控制系統結構示意圖；圖2為本實用新型的均衡子系統功能框圖；圖3為本實用新型的電池監測子系統結構示意圖。
具體實施方式
見圖1，本實用新型包括電池管理控制單元30、均衡子系統40、電池監測子系統 20、充電器10和電池組50，充電器10的正負端通過連線1、2與電池組50正負端連接，充電器10具有單線通信接口 3，能夠根據微控制器給出的指令協議實時改變工作模式和調整充電電流的大小，微控制器根據電池當前狀態和均衡情況決定充電器工作狀態，指令協議的格式由單總線上PWM (脈寬調制)信號的占空比來定義；電池組50由12節電池串聯組成，也可對每節進行并聯以增大電池組50的容量；電池管理控制單元30是以微控制器為核心，并配以相關的外圍輔助電路、電量顯示和驅動電路，負責均衡算法、電池電量預估算法、 充電強度控制算法和電池狀態信息的運算、處理和控制，電池管理控制單元30通過信號線束8與均衡子系統40連接，用于控制均衡電路中MOS開關管的導通和關斷，電池管理控制單元30通過信號線3與充電器10連接，用于與充電器10進行通信，控制充電強度和充電模式的切換；均衡子系統40由一個同軸變壓器42，具體為多副邊繞組同軸變壓器、MOS開關及驅動電路構成，均衡子系統40通過電纜線6、7與電池組50正負端連接，通過電纜線9與電池組50的各單節電池連接，負責對各單節電池的容量進行非能耗主動均衡；電池監測子系統20由濾波器21和運算放大器組成，通過電壓掃描的方式對各單節電池的電壓進行采樣并送到微控制器的ADC (模數轉換)輸入端口，電池監測子系統20分別通過信號線4和5 與電池管理控制單元30和均衡子系統40連接，電池監測子系統20除了對單節電池的電壓進行監測之外，同時還擔負著對整個電池組50的電壓和電流進行監測。
見圖2，其包括斬波及驅動模塊41、同軸變壓器42和多個MOS開關(Ml到Ml2，Mp); 斬波及驅動模塊41將微控制器輸出的開關控制信號隔離驅動后控制各MOS開關的開通和閉合，實現對電池組5 0單元電池之間的能量均衡；每路驅動信號均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號，通過調整占空比大小可實現對均衡電流強度的實時調節；同軸變壓器42有 12 個次級繞組了81、了82、了83、了84、了85、了86、了87、了88、了89、了810、了811、了812 和 1 個初級繞組 Tp,次級繞組 TsU Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、Tsll、Tsl2 分別經 MOS ff*Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、Mll、M12 連接至Ij電池組 50 的 12 個電池單元， 初級繞組Tp的一端接電池組50正端，另一端通過一個MOS開關Mp與電池組50負端相連， 該同軸變壓器42用于各單元電池之間的能量轉移。在該均衡子系統40中，微控制器可根據各單體電池的容量和電壓差異情況，通過增大或減小PWM信號的占空比對每路均衡電流進行調整，以適應電池組50在不同狀態下的均衡模式，達到智能化均衡管理的目的。見圖2、圖3，電池監測子系統20包括信號放大調理電路22和濾波器21，同時復用了同軸變壓器42 ；同軸變壓器42初級繞組Tp的同名端與濾波器21連接，濾波器21與信號放大調理電路22連接，信號放大調理電路22同時要采樣電池組50的電壓和電流，所有被測信號都被送入微控制器的ADC輸入端口。電池組智能充放電管理控制系統的管理控制方法如下微控制器實時巡檢電池組 50各電池單元的電壓、溫度、電池組50充放電電流等參數，并與設定的保護閾值相比較，通過控制電池組50充放電開關實現電池組50過壓保護、欠壓保護、過流保護、短路保護、溫度保護和單體電池的過充過放保護；管理控制系統根據所測單體電池的電壓參數判斷單體電池之間是否存在不均衡現象，若單體電池之間的差異超過一定的范圍，則啟動均衡子系統 40開始工作。在均衡過程中，均衡電流的強度可根據單體電池之間容差的大小進行動態調節；電池組50在充電過程中，當均衡電流已經達到系統硬件電路所允許的極限，但仍然無法滿足均衡的要求時，微控制器通過單總線發送指令給充電器10，使其減小充電電流的強度，若系統最大均衡電流能夠滿足均衡要求，則充電器10的充電電流為其額定電流。均衡子系統40的均衡方法如下如圖2所示，當電池組50在充電模式下，如果某個單體電池Cll的電壓高于其他單元，首先閉合開關M11，電流從電池Cll流向同軸變壓器 42，電池單元中轉移出的能量以磁場的形式得到存儲，然后斷開開關M11，閉合初級線圈上的主開關Mp，此時，同軸變壓器42從儲能模式進入了能量輸出模式，能量通過初級線圈送入整個電池組50，從而實現了能量從較強的電池向較弱的電池轉移；當電池組50在放電和空閑模式下，如果某個單體電池C2的電壓低于其他單元，此時閉合主開關Mp，電池組50開始對同軸變壓器42充電，主開關Mp斷開后，相應的次級開關M2閉合，就開始能量轉移。上述電池監測子系統20對各單節電池的電壓測量方法如下當Ml到M12這些開關中有一個閉合時，與其相連的電池單元的電壓就轉換到同軸變壓器42的初級繞組Tp中， 在經過一個濾波器21濾波之后，被測信號被送入微控制器的ADC輸入端口，通過這種同軸變壓器42回掃的方法，在一個很小的時隙里即可實現12節電池單元的電壓巡檢。圖1中1.電池組正端；2.電池組負端；3.與充電器通信信號線；4. ADC采樣輸入；5.單節電池電壓檢測信號線；6、7.均衡子系統電源正負連線；8. MOS開關控制信號線； 9.單節電池引出線。
權利要求1.用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統，其包括電池管理控制單元、 均衡子系統、電池監測子系統、充電器和電池組，所述充電器具有單線通信接口，能夠根據微控制器給出的指令協議實時改變工作模式和調整充電電流的大小，微控制器根據電池當前狀態和均衡情況決定充電器工作狀態，指令協議的格式由單總線上脈寬調制信號的占空比來定義；所述電池組由電池串聯組成，也可對每節進行并聯以增大電池組的容量，其特征在于所述電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關的外圍輔助電路、電量顯示和驅動電路，負責均衡算法、電池電量預估算法、充電強度控制算法和電池狀態信息的運算、處理和控制；所述均衡子系統由一個同軸變壓器、MOS開關及驅 動電路構成，負責對各單節電池的容量進行非能耗主動均衡；所述電池監測子系統由濾波器和運算放大器組成， 通過電壓掃描的方式對各單節電池的電壓進行采樣并送到微控制器的模數轉換輸入端口， 電池監測子系統除了對單節電池的電壓進行監測之外，同時還擔負著對整個電池組的電壓和電流進行監測。
2.根據權利要求1所述用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統，其特征在于所述電池組由12節電池串聯組成。
3.根據權利要求1所述用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統，其特征在于所述均衡子系統包括斬波及驅動模塊、同軸變壓器和Ml、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、 M9、M10、Mll、M12、Mp MOS開關；所述斬波及驅動模塊將微控制器輸出的開關控制信號隔離驅動后控制各MOS開關的開通和閉合，每路驅動信號均為頻率20kHz、占空比可變的PWM信號；所述同軸變壓器有 Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級繞組和 1 個初級繞組 Tp, Tsl、Ts2、Ts3、Ts4、Ts5、Ts6、Ts7、Ts8、Ts9、TslO、TslU Tsl2 次級繞組分別經 M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9、M10、M11、M12 MOS 開關連接到 12 個電池單元，初級繞組Tp通過一個MOS開關Mp與電池組正負端相連；在該均衡子系統中，微控制器可根據各單體電池的容量和電壓差異情況，通過增大或減小PWM信號的占空比對每路均衡電流進行調整，以適應電池組在不同狀態下的均衡模式，達到智能化均衡管理的目的。
4.根據權利要求2所述用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統，其特征在于所述電池監測子系統包括信號放大調理電路和濾波器，同時復用了均衡電路中同軸變壓器的初級繞組Tp和MOS開關；該電池監測子系統完成12個單節電池的電壓采樣以及整個電池組的總電壓和電流的檢測，并將調理后的信號送入微控制器的ADC輸入口。
專利摘要本實用新型公開了用于電動自行車的鋰電池組智能充放電管理控制系統。該系統包括電池管理控制單元、均衡子系統、電池監測子系統、充電器和電池組。電池管理控制單元是以微控制器為核心，并配以相關的外圍輔助電路、電量顯示電路和驅動電路組成。均衡子系統由斬波及驅動模塊、同軸變壓器和多個MOS開關組成。電池監測子系統由濾波器和信號放大調理電路構成，并復用了同軸變壓器。本實用新型所形成的以同軸變壓器為核心的DC/DC均衡電路，結構簡單、可靠，能夠對電池單元之間實現非能耗主動均衡。本實用新型在電池組充電、放電和空閑時都能進行均衡工作，增加了電動車得續行里程，降低了用戶的使用成本。
文檔編號H02J7/00GK202111486SQ20112015022
公開日2012年1月11日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者錢東高 申請人:無錫東南車輛科技有限公司