一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统

摘要

本发明涉及一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，包括一与汽车行车电脑连接的用于对电池组的状态和故障进行实时显示的人机界面，一用于完成上下级模拟数据和数字数据的转换、运算处理的数字信号处理模块，以及一用于对电池组状态和故障进行实时检测、控制的三段式电池控制模块；所述人机界面、数字信号处理模块和三段式电池控制模块依次导通连接。这样，本发明通过建立包括上位用户层的人机界面、中间处理层的数字信号处理模块和底层硬件层的三段式电池控制模块，实现平衡控制、故障诊断、电池组自动级联识别和自举功能、磷酸铁锂电池组电化学模型以及与之相匹配的模型算法，硬件拓扑电路，从而提高电池组的电压精度、安全性和性能。

权利要求

1.一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，其特征在于：包括有一与汽车行车电脑连接的用于对电池组的状态和故障进行实时显示的人机界面(1)，一用于完成上下级模拟数据和数字数据的相互转换、运算处理的数字信号处理模块(2)，以及一用于对电池组状态和故障进行实时检测、控制的三段式电池控制模块(3)；所述人机界面(1)、数字信号处理模块(2)和三段式电池控制模块(3)依次导通连接；

其中，所述三段式电池控制模块(3)主要由电池组电压值采集器(31)、前段电池组控制电路(32)、中段电池组控制电路(33)和尾段电池组控制电路(34)组成，所述电池组电压值采集器(31)的输出端与所述数字信号处理模块(2)导通连接，输入端与所述前段电池组控制电路(32)、中段电池组控制电路(33)和尾段电池组控制电路(34)导通连接，且所述前段电池组控制电路(32)、中段电池组控制电路(33)和尾段电池组控制电路(34)之间采用菊花链结构依次导通连接，所述尾段电池组控制电路(34)和所述数字信号处理模块(2)之间采用半双工通讯结构导通连接；

所述前段电池组控制电路(32)、中段电池组控制电路(33)和尾段电池组控制电路(34)均包括有由MOS管开关控制的充放电电路，且与同一电池管理芯片(35)导通连接，所述充放电电路一端与其连接的电池组导通连接，且所述电池组中每两个电连接在同一MOS管后上接入所述充放电电路；其中所述前段电池组控制电路(32)的充放电电路中一部分电路连接外部接线端子，另一部分电路连接所述电池管理芯片(35)；所述中段电池组控制电路还包括有与所述电池管理芯片(35)导通连接的四路控制参数输入电路EX1～EX4和两路菊链电路，其一端DAISYDW接口和DAISYUP接口分别与所述前段电池组控制电路(32)和尾段电池组控制电路(34)导通连接，另一端与所述电池管理芯片(35)的DH端口和DL端口导通连接；所述尾段电池组控制电路(34)还包括有与微机连接的通讯电路(Microcontroller interface)和接收外部数据的通讯电路EX1～EX4。

2.根据权利要求1所述的电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，其特征在于：所述前段电池组控制电路(32)与电池组中的前面6个至12个电池导通连接，所述尾段电池组控制电路(34)与所述电池组中的最后6个至12个电池导通连接，所述中段电池组控制电路(33)与所述电池组中的余下电池导通连接。

3.根据权利要求2所述的电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，其特征在于：所述电池组电压值采集器(31)主要由移位电路(311)、多路分配器(312)、运放器(313)、信号模拟芯片(314)、编码器(315)和数据存储芯片(316)组成，所述移位电路(311)的数量与所述前段电池组控制电路(32)、中段电池组控制电路(33)和尾段电池组控制电路(34)的电池组的数量一致，且每一所述移位电路(311)的输入端与所述电池组一对一地导通连接，输出端均与所述多路分配器(312)的输入端导通连接，所述多路分配器(312)的其中一输出端通过所述运放器(313)后与所述信号模拟芯片(314)导通连接，另一输出端依次导通连接有编码器(315)和数据存储芯片(316)，实现数字值的存储。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，其特征在于：所述数字处理模块(2)主要由相互导通连接的SOC芯片(21)和平衡电流装置(22)组成。

说明书

一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统

【技术领域】

[0001] 本发明属于电动汽车电池组充放电管理与控制技术领域，尤其涉及一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统。【背景技术】

[0002] 我国大城市的大气污染已不能忽视，燃油汽车排放是主要污染源之一，已有16个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中。我国现今人均汽车是每1000人有10辆汽车，但石油资源不足，每年已进口石油几千万吨，随着经济的发展，假如中国人均汽车持有量达到现在全球水平——每1000人有110辆汽车，石油进口就成为大问题。因此在我国研究发展电动汽车不是一个临时的短期措施，而是意义重大的、长远的战略考虑。电动汽车本身不排放污染大气的有害气体，废气排出比燃油汽车减少92%—98%。即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少。由于电厂大多建在远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。电力可以从多种一次能源中获得，如煤、核能、水力等，可缓解人类对石油资源的依赖以及对其日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车要高，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量。正是这些优点，使电动汽车的研究和应用成为现代汽车工业的一个“热点”。电动汽车将会慢慢成为汽车发展的一种趋势和必然。

[0003] 目前用作锂离子电池的正极材料主要有：LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2及LiFePO4。这些组成电池正极材料的金属元素中，钴（Co）最贵，并且存储量不多，镍（Ni）、锰（Mn）较便宜，而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。

[0004] 作为可充电电池的要求是：容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸）、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。

[0005] LiCoO2电池充电容差值只有0.1V，而LiFePO4的充电容差值达到0.7V，LiFePO4过冲发热值为90J/g，LiCoO2过冲发热1600J/g，LiFePO4无电路板保护的最大值达到30V，LiFePO4电池与铅酸电池一致，但同时没有铅酸电池的污染性。

[0006] 采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池特别在大放电率放电（5～10C放电）、放电电压平稳上、安全上（不燃烧、不爆炸）、寿命上（循环次数）、对环境无污染上，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。

[0007] 锂离子电池组在应用过程中往往需要串并联连接，多个单体电池组成的电池组如果没有管理系统的精确控制，则存在着安全性和性能快速下降的风险。【发明内容】

[0008] 为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可实现平衡控制、故障诊断、电池组自动级联识别和自举功能、磷酸铁锂电池组电化学模型以及与之相匹配的模型算法，硬件拓扑电路，从而提高电池组的电压精度、安全性和性能的电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统。

[0009] 本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：

[0010] 一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，包括有一与汽车行车电脑连接的用于对电池组的状态和故障进行实时显示的人机界面，一用于完成上下级模拟数据和数字数据的相互转换、运算处理的数字信号处理模块，以及一用于对电池组状态和故障进行实时检测、控制的三段式电池控制模块；所述人机界面、数字信号处理模块和三段式电池控制模块依次导通连接。

[0011] 进一步地，所述三段式电池控制模块主要由电池组电压值采集器、前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路组成，所述电池组电压值采集器的输出端与所述数字信号处理模块导通连接，输入端与所述前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路导通连接，且所述前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路依次导通连接，所述尾段电池组控制电路与所述数字信号处理模块导通连接。

[0012] 进一步地，所述前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路之间采用菊花链结构依次导通连接，所述尾段电池组控制电路和所述数字信号处理模块之间采用半双工通讯结构导通连接。

[0013] 进一步地，所述前段电池组控制电路与电池组中的前面6个至12个电池导通连接，所述尾段电池组控制电路与所述电池组中的最后6个至12个电池导通连接，所述中段电池组控制电路与所述电池组中的余下电池导通连接。

[0014] 进一步地，所述前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路均包括有由MOS管开关控制的充放电电路，且与同一电池管理芯片导通连接，所述充放电电路一端与其连接的电池组导通连接，且所述电池组中每两个电连接在同一MOS管后上接入所述充放电电路；其中所述前段电池组控制电路的充放电电路中一部分电路连接外部接线端子，另一部分电路连接所述电池管理芯片；所述中段电池组控制电路还包括有与所述电池管理芯片导通连接的四路控制参数输入电路EX1～EX4和两路菊链电路，其一端DAISYDW接口和DAISYUP接口分别与所述前段电池组控制电路和尾段电池组控制电路导通连接，另一端与所述电池管理芯片的DH端口和DL端口导通连接；所述尾端电池组控制电路还包括有与微机连接的通讯电路和接收外部数据的通讯电路EX1～EX4。

[0015] 进一步地，所述电池组电压值采集器主要由移位电路、多路分配器、运放器、信号模拟芯片、编码器和数据存储芯片组成，所述移位电路的数量与所述前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路的电池组的数量一致，且每一所述移位电路的输入端与所述电池组一对一地导通连接，输出端均与所述多路分配器的输入端导通连接，所述多路分配器的其中一输出端通过所述运放器后与所述信号模拟芯片导通连接，另一输出端依次导通连接有编码器和数据存储芯片，实现数字值的存储。

[0016] 进一步地，所述数字处理模块主要由SOC芯片和平衡电流装置组成。

[0017] 本发明的有益效果：

[0018] 1、本发明提出建立包括上位用户层的人机界面、中间处理层的数字信号处理模块和底层硬件层的三段式电池控制模块的三级管理系统，突破现有的纯粹的电池管理算法出发进行的系统；该系统以客户端为最终目标，逐层分析各级层面具有的功能模块，整体结构层次分明，将纷繁复杂的多学科融合系统分解为单独的某个领域课题，为各层设计提供明确的处理功能、输入输出模式、通讯要求等思路。

[0019] 2、本发明的数字信号处理模块通过SOC芯片和平衡电流装置分析放电电流对电池容量的影响，以及温度、电池组循环、自放电对容量参数等非线性参数和多变量耦合对电池SOC的影响，采用动态模糊神经网络自学习对SOC预估从而建立数学模型。

[0020] 3、本发明采用了三段式电池控制模块对电池组的各个电池的电压值进行实时监测，该硬件拓扑结构保证电压精度在正负30mV范围内，同时每个电池组分别由前段电池组控制电路、中段电池组控制电路和尾段电池组控制电路进行管理，各电路之间采用交流耦合的方式进行通讯，且当电池组出现增加或者减少时自动识别和配置，使用和管理灵活、方便。【附图说明】

[0021] 图1是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例的结构示意框图；

[0022] 图2是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例中前段电池组控制电路的电路示意图；

[0023] 图3是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例中中段电池组控制电路的电路示意图；

[0024] 图4是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例中后段电池组控制电路的电路示意图；

[0025] 图5是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例中电池组电压值采集器的电路示意图；

[0026] 图6是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例在充电时平衡处理的电压曲线图；

[0027] 图7是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例在不同温度下检测电池组电压值的曲线图；

[0028] 图8是本发明所述电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统实施例检测第三节电池组与其他电池组的电压值的对比曲线图。【具体实施方式】

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0030] 如图1至图8中所示：

[0031] 本发明提供了一种电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统，包括有一与汽车行车电脑连接的用于对电池组（由于电动汽车的动力特性要求电池组容量大，因此电池组是由多个电池组串联或并联而成，一般电池组由7-10个电池组组成，每个电池组由7-12个单芯电池组成。）的状态和故障进行实时显示的人机界面1，一用于完成上下级模拟数据和数字数据的相互转换、运算处理的数字信号处理模块2，以及一用于对电池组状态和故障进行实时检测、控制的三段式电池控制模块3；所述人机界面1、数字信号处理模块2和三段式电池控制模块3依次导通连接。其中，所述数字处理模块2主要由SOC芯片21和平衡电流装置22组成；所述三段式电池控制模块3主要由电池组电压值采集器31、前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34组成，所述电池组电压值采集器31的输出端与数字信号处理模块2导通连接，输入端与前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34导通连接，所述前段电池组控制电路32与电池组中的前面6个至12个电池导通连接，所述尾段电池组控制电路34与电池组中的最后6个至12个电池导通连接，所述中段电池组控制电路33与电池组中的余下电池导通连接，且所述前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34之间采用菊花链结构依次导通连接，所述尾段电池组控制电路34和数字信号处理模块2之间采用半双工通讯结构导通连接。

[0032] 如图2至图4，所述前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34均包括有由MOS管开关控制的充放电电路，且与同一电池管理芯片35（如型号为ISL78600的电池管理芯片）导通连接，所述充放电电路一端与其连接的电池组导通连接，且所述电池组中每两个电连接在同一MOS管后上接入所述充放电电路，其结构和工作原理与现有充放电电路相同，在此不再详细赘述；其中所述前段电池组控制电路32的充放电电路中一部分电路连接外部接线端子，另一部分电路连接电池管理芯片35；所述中段电池组控制电路还包括有与电池管理芯片35导通连接的四路控制参数输入电路EX1～EX4和两路菊链电路，其一端DAISYDW接口和DAISYUP接口分别与所述前段电池组控制电路32和尾段电池组控制电路34导通连接，另一端与电池管理芯片35的DH端口和DL端口导通连接；所述尾端电池组控制电路还包括有与微机连接的通讯电路（Microcontroller interface）和接收外部数据的通讯电路EX1～EX4。

[0033] 如图5，所述电池组电压值采集器31主要由移位电路311、多路分配器312、运放器313（如型号为LM386的运放器）、信号模拟芯片314、编码器315和数据存储芯片316（如型号为AT24C02的存储芯片）组成，所述移位电路311的数量与所述前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34的电池组的数量一致，且每一所述移位电路
311的输入端与所述电池组一对一地导通连接，输出端均与所述多路分配器312的输入端导通连接，所述多路分配器312的其中一输出端通过运放器313后与所述信号模拟芯片314导通连接，另一输出端依次导通连接有编码器315和数据存储芯片316，实现数字值的存储。

[0034] 本发明所述的电动汽车磷酸铁锂电池组三级管理系统的工作原理为：首先，前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34上电后自动侦测识别电池数量，并配置电池的顺序、地址等，且其之间采用交流耦合的方式进行通讯；接着，电池组电压值采集器31通过前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34对相应电池的电压值模拟信号进行实时采集（图7和图8分别是不同温度下的电池电压值和与第三节电池相比的电池电压值，可以看出电压误差范围控制在20mV内），并传送给数字处理模块2；最后，数字处理模块2将采集的电压值模拟信号转换成数字信号后进行故障诊断，并依次通过SOC芯片21和平衡电流装置22进行SOC运算和平衡电流处理，同时将电压值数字信号、故障诊断结果以及SOC运算和平衡电流处理结果均传送给人机界面1进行显示（如每个电池组下单芯体电压、温度、故障状态等），供给用户监控。

[0035] 其中，所述平衡电流装置22的平衡电流处理如图6，“A”处为长充电时间后的电压值，B处为长放电后的电压值，当平衡处理发生在充电80%处，充电平衡时间发生在80%×2.5=2小时处，容量为10Ah,每个周期的平衡纠错处理为0.05Ah,平衡电流为25mA，经过几个周期后连个电池达到平衡；而且每次电磁周期容量不平衡大约是一个定值，可以通过测试得到。

[0036] 这样，本发明提出建立包括上位用户层的人机界面1、中间处理层的数字信号处理模块2和底层硬件层的三段式电池控制模块3的三级管理系统，突破现有的纯粹的电池管理算法出发进行的系统；该系统以客户端为最终目标，逐层分析各级层面具有的功能模块，整体结构层次分明，将纷繁复杂的多学科融合系统分解为单独的某个领域课题，为各层设计提供明确的处理功能、输入输出模式、通讯要求等思路；而且，数字信号处理模块2通过SOC芯片21和平衡电流装置22分析放电电流对电池容量的影响，以及温度、电池组循环、自放电对容量参数等非线性参数和多变量耦合对电池SOC的影响，采用动态模糊神经网络自学习对SOC预估从而建立数学模型；并且，采用三段式电池控制模块3对电池组的各个电池的电压值进行实时监测，该硬件拓扑结构保证电压精度在正负30mV范围内，同时每个电池组分别由前段电池组控制电路32、中段电池组控制电路33和尾段电池组控制电路34进行管理，各电路之间采用交流耦合的方式进行通讯，且当电池组出现增加或者减少时自动识别和配置，使用和管理灵活、方便。

[0037] 以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。