割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法

摘要

本发明提供的一种割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法，使其能在额定工况下工作较长时间且保证电池工作的可靠性，延长电池的使用寿命，首先，对锂电池在电压和电流不均匀的情况下进行均衡控制；然后，使锂电池的始终工作在良好的环境温度内，使其循环使用寿命和容量达到最优化；最后，当保护电路中的热敏电阻元件检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启。

权利要求

1.割草车用大电流锂电池电源管理方法，其特征在于，首先，对锂电池在电压和电流不均匀的情况下通过电感以及电容的储能特性将电压或电流较高的电池电能储存起来再通过开关管将电能转移给电压或电流较低的电池进行均衡控制；然后，通过数据采集模块收集电池数据并对锂电池进行SOC估算，得到锂电池的工作温度范围；最后，当电池工作环境温度升高时，采用热敏电阻构成的散热控制电路控制风扇对锂电池进行降温，保持锂电池工作在最适宜的工作温度环境中；

所述电源管理方法包括以下步骤：

步骤1，设计均衡控制电路，电感、电容作为储能元件，根据

当电池电压、电流不平衡时，电感和电容先将电压较高的电池

以能量形式存储起来，再通过开关管将所储存的能量转移给电压较低的电池，从而实现能量均衡，其中，u为电池两端的电压，i为电池的电流，t为通电时间，L为电感的自感系数，C为电容器电容值大小；

步骤2，对锂电池进行SOC估算，得出锂电池工作在20℃～30℃之间时具有最长的使用寿命，当环境温度过高时采取散热措施，为电池组降温；

步骤3，设计散热控制电路，在传感器检测的环境温度高于30℃时使小风扇工作；

步骤4，设计自动断电保护电路，当保护电路中的热敏电阻元件检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启；

所述步骤1具体包括以下过程：

步骤1.1)数据采集模块将各电池电流电压温度信号采集后传递给微处理器；

步骤1.2)高能量的电池向储能电感充电，当电池B1的能量值大于电池B2的能量值时，电池B1对电感L2充电，开关管Q3闭合，开关管Q4断开，此时由开关管Q3、电感L2和电池B1构成闭合充电回路，电池B1完成对电感L2的充电；

步骤1.3)当储能电感L2对电池B2放电时，均衡控制模块将开关管Q3和Q4断开，此时电池B2储能，电感L2和续流二极管D4构成闭合放电回路，电感L2中的电流方向保持不变，电感对电池B2放电；

步骤1.4)在电容控制电路中，电池B4两端电压大于电池B5两端电压时，首先将开关管Q9导通，开关管Q10和Q12关断，电池B4的能量由开关管Q9、储能电容C2、续流二极管D11构成通路，将高出部分传递给电容C2上；

步骤1.5)当开关管Q9导通后,在储能电容C2两端电压与电池B4电压相等时，关断开关管Q9导通开关管Q10，使得储能电容C2存储的能量通过由开关管Q10、电池B5和续流二极管D12构成放电回路，最终把储能电容C2存储的能量转移到电池B5中；

步骤1.6)利用控制MOS管的开通与关断的状态对散热风扇与加热器进行控制，当温度大于设定数值时，可通过CPU控制MOS管M1导通，风扇控制端通过MOS管M1与电源负极接通，风扇另一端接电源正极；

步骤1.7)当热敏电阻阻值由于温度过高而变大，断路器断开，被保护电路停止工作，指示灯熄灭，随着温度的降低，热敏电阻的阻值减小，使断路器重新合上，指示灯开启，割草车正常工作。

说明书

割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及能源系统领域，具体为一种割草车用的大电流锂电池电源管理系统及其管理方法。

背景技术

[0002] 从割草车的发展现状看，动力系统主要有两种形式，一种是传统的以小型汽油机或柴油机为代表的常规内燃动力系统。这种动力系统的特点是：功率较大、持续工作时间长，但其最大的缺点是噪声和振动较大，所以，此类动力系统的产品适宜在环境要求不高的场所。另一种是新型的以蓄电池作为动力源的动力系统。这种动力系统的特点是：工作噪声小、运行平稳，其最大的缺点是功率较小，持续工作时间短，需要经常充电，不适合在远离充电电源的场所工作。

[0003] 并且随着能源问题的日益突出，世界各国都针对能源短缺做着各种各样的努力。从实际情况来看，可以从两个方向入手:一是从开发利用新能源，二是提高能源使用效率。
因为柴油或汽油机在使用过程中产生较多污染，本着可持续发展的原则，我们应该重点发展蓄电池动力。

[0004] 现用蓄电池大多以锂电池为主，动力锂离子电池一般都要几十串甚至几百串以上，电池的各种参数产生波动，就会产生差异，导致从电池到模块再到电池组的性能有明显衰减。从而使电池组的整体容量明显下降，整个电池组体现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量。

[0005] 德国的研发团队在1991年开发出的BADICOACH系统，并在当年进行了车载实验，并于次年进行了二次改进优化。改进的管理系统给最差的电池单元加入过放电保护，并给出停止使用的信号；达到控制充电电流和电压的目的。然而该管理系统利用放电电阻进行电池间的均衡处理，增大了电池的负载，不利于车体在大功率下的运行，降低了电池组的性能。以德国的B.Hauck为首设计的BATTMAN电池管理系统最大特点是实现了管理不同型号电池组成的电池组。可以避开市场上电池材料和参数间的差异造成电池性能不一致，实现了所有的电池都可以随机组成一个系统进行管理，达到了管理系统对于动力电池型号的普遍应用性目的。然而这个系统不能充分发挥性能较好电池的优势，同时性能较弱的电池处于满负荷运载，长期使用性能较弱的电池寿命下降快，而且电池组性能没有实现最理想的发挥。SmartGuard系统采用专用的电池管理IC装置来测量电池的电压和温度，省去了传统的复杂外电路。这个系统根据最差电池的信息进行控制策略制定，降低了系统的性能，不利于实际应用。

[0006] 另外有文献提出了一种电池组与管理系统连接的方式，由于采用温度传感用于检测每节电池在充放电过程的温度，保障了电池组安全可靠地工作。采用主动均衡或者说无损均衡是利用能量转移的形式，把能量高的电池转移到能量低的电池中，或者将整组电池的能量补充到能量低的电池中。但是当一个电池损坏之后，其余的电池会降低能量，无法做到原状态工作，并且未能解决大功率工作的问题。

[0007] 所以需要通过改善锂电池的工作电路，以提高它在大电流工作条件下的放电性能。并且，由于割草车的工作性质以及散热条件差而使动力系统工作温度过高、性能下降、寿命缩短，故也要提高其散热条件。

发明内容

[0008] 针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法，使锂电池能在额定工况下工作较长时间且保证电池工作的可靠性，延长电池的使用寿命，

[0009] 本发明为割草车用大电流锂电池电源管理系统，所述电源管理系统包括微处理器、电池均衡模块、数据采集模块、电池保护模块和通信模块；其中，

[0010] 所述电池均衡控制模块包括开关电感均衡控制电路和开关电容均衡控制电路，采用一种能量非耗散型均衡方案，将多余的能量传递给其他电池或者充电装置；

[0011] 所述数据采集模块采集锂电池电源电流电压温度信号，并将所述信号发送给微处理器；

[0012] 所述电池保护模块采用热敏电阻，当检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启；

[0013] 所述通信模块使用CAN总线进行通信，代替复杂的线路连接，负责所述各模块与微处理器间的信息交互。

[0014] 进一步的，所述开关电感均衡控制电路包括NMOS开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电感L2，续流二极管D3、D4以及电池B1、B2、B3；

[0015] 所述开关管Q3与续流二极管D3并联后与均衡电感L2串联再并联于电池B1两端，续流二极管D3的正极与电池B1的负极相连，同时电感L2与另一组并联的开关管Q4、续流二极管D4串联后接在电池B2两端，续流二极管D4的负极与电池B2的正极相连，开关管L1与二极管D1并联后与均衡电感L1串联再并联于电池B2两端，续流二极管D1的正极与电池B2的负极相连，同时均衡电感L1与另一组并联的开关管Q2、续流二极管D2串联后接在电池B3两端，续流二极管D2的负极与电池B3的正极相连。

[0016] 进一步的，所述开关电容均衡控制电路由储能电容C1、C2，四个续流二极管D9、D10、D11、D12，电池B4、B5、B6，以及四个N沟道增强型MOS开关管Q5、Q6、Q7、Q8构成；

[0017] 所述续流二极管分别与四个强型MOS开关管并联，开关管Q9、Q10串联后与电池B4并联，其中，续流二极管D9的正极与电池B4的负极相连，开关管Q11、Q12串联后与电池B5并联，其中，续流二极管D11的正极与电池B5的负极相连，储能电容C2接到续流二极管D10的正极与续流二极管D11的负极之间，开关管Q5、Q6串联后与电池B5并联，其中，续流二极管D5的正极与电池B5的负极相连，开关管Q7、Q8串联后与电池B6并联，其中，续流二极管D8的负极与电池B6的正极相连，储能电容接到续流二极管D6的正极和续流二极管D7的负极之间。

[0018] 进一步的，所述电池保护模块还包括散热控制电路，所述散热控制电路包括风扇、MOS管M1，风扇的控制端通过MOS管M1与电源负极连通，风扇另一端接电源正极连通，通过微处理器控制MOS管M1的开闭。

[0019] 针对上述割草车用大电流锂电池电源管理系统，本发明还提供其管理方法，首先，对锂电池在电压和电流不均匀的情况下通过电感以及电容的储能特性将电压或电流较高的电池电能储存起来再通过开关管将电能转移给电压或电流较低的电池进行均衡控制；然后，通过数据采集模块收集电池数据并对锂电池进行SOC估算，得到锂电池的工作温度范围；最后，在锂电池工作温度升高至正常工作范围以外时，采用热敏电阻构成的散热控制电路控制风扇对锂电池进行降温，保持锂电池工作在最适宜的工作温度环境中。

[0020] 进一步的，所述电源管理方法包括以下步骤：

[0021] 步骤1，设计均衡控制电路，电感、作为储能元件，根据当电池电压、电流不平衡时，电感和电容先将电压较高的电池
以能量形式存储起来，然后再通过开关管将所储存的能量转移给电压较低的电池，从而实现能量均衡，其中，u为电池两端的电压，i为电池的电流，t为通电时间，L为电感的自感系数，C为电容器电容值大小；

[0022] 步骤2，对锂电池进行SOC估算，得出锂电池工作在20℃～30℃之间时具有最长的使用寿命，当环境温度过高时采取散热措施，为电池组降温；

[0023] 步骤3，设计散热控制电路，在传感器检测的环境温度高于30℃时使小风扇工作；

[0024] 步骤4，设计自动断电保护电路，当保护电路中的热敏电阻元件检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启。

[0025] 进一步的，步骤1.1)数据采集模块将各电池电流电压温度信号采集后传递给微处理器；

[0026] 步骤1.2)高能量的电池向储能电感充电，当电池B1的能量值大于电池B2的能量值时，电池B1对电感L2充电，开关管Q3闭合，开关管Q4断开，此时由开关管Q3、电感L2和电池B1置成闭合充电回路，电池B1完成对电感L2的充电；

[0027] 步骤1.3)当储能电感L2对电池B2放电时，均衡控制模块将开关管Q3和Q4断开，此时电池B2储能，电感L2和续流二极管D4构成闭合放电回路，电感L2中的电流方向保持不变，电感对电池B2放电；

[0028] 步骤1.4)在电容控制电路中，电池B4两端电压大于电池B5两端电压时，首先将开关管Q9导通，开关管Q10和Q12关断，电池B4的能量由开关管Q9、储能电容C2、续流二极管D11构成通路，将高出部分传递给电容C2上；

[0029] 步骤1.5)当开关管Q9导通后,在储能电容C2两端电压与电池B4相等时，关断开关管Q9导通开关管Q10，使得储能电容C2存储的能量通过由开关管Q10、电池B5和续流二极管D12构成放电回路，最终把储能电容C2存储的能量转移到电池B5中；

[0030] 步骤1.6)利用控制MOS管的开通与关断的状态对散热风扇与加热器进行控制，当温度大于设定数值时，可通过CPU控制MOS管M1导通，风扇控制端通过MOS管M1与电源负极接通，风扇另一端接电源正极；

[0031] 步骤1.7)当热敏电阻阻值由于温度过高而变大断路器断开，被保护电路停止工作，指示灯熄灭，随着温度的降低，热敏电阻的阻值减小，使断路器重新合上，指示灯开启，割草车正常工作。

[0032] 本发明提供的割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法主要有如下优点：割草车用大电流锂电池要求大电流大功率工作，同时又需要保证长时间工作，数据采集模块对割草车用大电流锂电池进行实时监控，电池均衡模块通过对电池的均衡控制有效提高了割草车用大电流锂电池的工作稳定性，延长了其使用寿命，使其能在更大的范围内进行更长时间的工作，并有效地节省电池能源，电池保护模块通过对电池温度的调节保证了割草车用大电流锂电池的工作效率。

附图说明

[0033] 以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

[0034] 图1为本发明电源管理系统的整体结构示意图；

[0035] 图2为本发明电感均衡电路示意图；

[0036] 图3为本发明电容均衡电路示意图；

[0037] 图4为本发明散热控制电路示意图；

[0038] 图5为本发明自动断电保护电路示意图。

具体实施方式

[0039] 本发明提供一种割草车用大电流锂电池电源管理系统及其管理方法，为使本发明的目的、思路更加清楚，明确，参照实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0040] 本发明为割草车用大电流锂电池电源管理系统，所述电源管理系统包括微处理器、电池均衡模块、数据采集模块、电池保护模块和通信模块；其中，

[0041] 所述电池均衡控制模块包括开关电感均衡控制电路和开关电容均衡控制电路，采用一种能量非耗散型均衡方案，将多余的能量传递给其他电池或者充电装置；

[0042] 所述数据采集模块采集锂电池电源电流电压温度信号，并将所述信号发送给微处理器；

[0043] 所述电池保护模块采用热敏电阻，当检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启；

[0044] 所述通信模块使用CAN总线进行通信，代替复杂的线路连接，负责所述各模块与微处理器间的信息交互。

[0045] 进一步的，所述开关电感均衡控制电路包括NMOS开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电感L2，续流二极管D3、D4以及电池B1、B2、B3；

[0046] 所述开关管Q3与续流二极管D3并联后与均衡电感L2串联再并联于电池B1两端，其中，续流二极管D3的正极与电池B1的负极相连，同时电感L2与另一组并联的开关管Q4、续流二极管D4串联后接在电池B2两端，其中，续流二极管D4的负极与电池B2的正极相连，开关管Q1与续流二极管并联后与电感L1串联再并联于电池B2两端，其中续流二极管D1的正极与电池B2的负极相连，同时电感L1与两一组并联的开关管Q2、续流二极管D2串联后并联于电池B3两端，其中，续流二极管D2的负极与电池B3的正极相连。

[0047] 进一步的，所述开关电容均衡控制电路由储能电容C1、C2，四个续流二极管D9、D10、D11、D12，电池B4、B5、B6，以及四个N沟道增强型MOS开关管Q5、Q6、Q7、Q8构成；

[0048] 所述续流二极管分别与四个强型MOS开关管并联，开关管Q9、Q10串联后与电池B4并联，其中，续流二极管D9的正极与电池B4的负极相连，开关管Q11、Q12串联后与电池B5并联，其中，续流二极管D11的正极与电池B5的负极相连，储能电容C2接到续流二极管D10的正极与续流二极管D11的负极之间，开关管Q5、Q6串联后与电池B5并联，其中，续流二极管D5的正极与电池B5的负极相连，开关管Q7、Q8串联后与电池B6并联，其中，续流二极管D8的负极与电池B6的正极相连，储能电容接到续流二极管D6的正极和续流二极管D7的负极之间。进一步的，所述电池保护模块还包括散热控制电路，所述散热控制电路包括风扇、MOS管M1，风扇的控制端通过MOS管M1与电源负极连通，风扇另一端接电源正极连通，通过微处理器控制MOS管M1的开闭。

[0049] 针对上述割草车用大电流锂电池电源管理系统，本发明还提供其管理方法，首先，对锂电对锂电池在电压和电流不均匀的情况下通过电感或者电容的储能特性将电压或电流较高的电池电能储存起来再通过开关管将电能转移给电压或电流较低的电池进行均衡控制；然后，对锂电池进行SOC估算，得到锂电池的工作温度范围；最后，在锂电池温度高于正常工作范围时采用热敏电阻构成的散热控制电路控制风扇对锂电池进行降温，保持锂电池工作在最适宜的工作温度环境中。

[0050] 进一步的，所述电源管理方法包括以下步骤：

[0051] 割草车用大电流锂电池电源管理系统，包括如下步骤：

[0052] 本发明首先需要建立一个电源管理系统，该系统包括一个微处理器，微处理器包括：显示报警模块、电池均衡模块、数据采集模块、电池保护模块、通信模块，其中数据采集模块包括：电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块。

[0053] 整个割草车用大电流锂电池电源管理系统数据处理分析流程如图1所示，具体步骤如下：

[0054] 步骤1，数据采集模块将采集到的电压，电流，温度信息提交到微处理器进行分析；

[0055] 步骤2，微处理器进行SOC估算，将其定义为Qn为电池额定容量，如SOC0为上一个时刻电池剩余容量，i(t)是电池充电或放电电流，SOCk＝SOCk-1-ηI·ηT，I为测得的电流值，ηI为充放电倍率影响系数，ηT为温度影响系数，放电时SOC低于30％时，放电安全控制器的PACK将发送请求降功率信息给整车控制器；

[0056] 步骤3，微处理器发出信号控制开关管的通断，如图2所示，为开关电感均衡控制电路，当电池B1的能量值大于电池B2的能量值时，首先电池B1对电感L2充电，开关管Q3闭合，开关管Q4断开，此时由开关管Q3、电感L2和电池B1置成闭合充电回路，电池B1完成对电感的充电，根据 其中，u为电池两端电压，i为电池电流大小，L为电感自感系数，电感元件中的电流增大时，磁场能量增大，在此过程中电能转化为磁能，即电感元件从电源取用能量， 为电感元件中的磁场能量；当均衡控制模块将开关管Q3和Q4断开，储能电感L2对电池B2放电此时电池B2、储能电感L2和续流二极管D4构成闭合放电回路，电感中的电流方向保持不变，电感对电池B2放电，此时，电感的电流初值为上次充电的终值，电感放电时间的长短取决于D4的导通时间，当功截止时，电感放电终止，以上完成一次均衡过程。

[0057] 如图3所示，为开关电容均衡电路，该电路由储能电容C2、四个续流二极管、以及四个N沟道增强型MOS开关管构成。通过对储能电容不断充放电，能够完成相互靠近电池间的能量转移，假设此时电池电压为uB4＞uB5，当均衡检测系统测量到此情况后，根据均衡控制策略，首先将开关管Q9导通，开关管Q10和Q12关断，电池B4的能量由开关管Q9、储能电容C2、续流二极管D11构成通路，将高出部分传递给电容C2上，根据 其中，u为电池两端电压，i为电池电流大小，C为电容器电容大小，可知电容元件上的电压增高时，电场能量增大；在此过程中电容元件从电源取用能量(充电)， 就是电容元件中的电场能量，当Q9开关管导通一段时间后，使得uC2＝uB4时，将进入下一个阶段，关断Q9导通Q10，使得电容C2存储的能量通过由开关管Q10、电池B5和续流二极管D12构成放电回路，最终把C2存储的能量转移到电池B5中。当Q10开关管导通一段时间后，使得uB5＝uC2时，均衡控制系统再将开关管Q10关断，导通Q9，按照以上步骤循环往复，最终把能量较高的电池B4的能量转移到能量较低的电池B5中，从而实现了相邻电池之间的能量均衡；

[0058] 步骤4，利用控制MOS管的开通与关断的状态对散热风扇与加热器进行控制，如图4所示，当温度大于一定数值时，可通过MPU控制MOS管M1导通，风机控制端通过MOS管与-72V接通，风机另一端接+72V，此时散热风扇进行工作，由于线束和线路不能承受过大的电流，所以仅能驱动小功率的散热风扇如果在其外部加入一继电器，就可以取得一个较大功率的散热风扇,需要风机工作时，子控制模块控制中间继电器首先导通，然后由中间继电器再驱动散热风扇导通；

[0059] 步骤5，利用自动断电保护电路对电池进行过热保护，当保护电路中的热敏电阻元件检测到工作环境温度高于设定值时，自动切断电路，并且当温度降低到设定值以下时能够被重新开启，电路如图5所示，被保护装置为割草车的工作电路，其中，热敏电阻为正温度系数的电阻，阻值随着温度的变化而变大，电路电阻R2在电桥中用来限制流过热敏和断路器线圈的电流，防止温度低时热敏电阻较小，通过的电流过大。割草车工作时间过长时，工作环境温度升高，热敏电阻的阻值增加到一定的程度，继电器线圈中电流升高，将断路器断开被保护电路停止工作，指示灯熄灭，随着温度的降低，热敏电阻的值也减小，从而使断路器重新合上，指示灯开启，割草车正常工作。

[0060] 本专利具体应用途径很多，以上所述仅为本专利的优选实施方案，并非因此限制本专利的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，在本专利原理的前提下作出等同替换和显而易见变化所得到的方案，均应当包含在专利的保护范围内。