一种低压锂电池组电池管理系统的制作方法

本发明属于电子电控技术领域，具体涉及一种低压锂电池组电池管理系统。

背景技术：

锂电池，是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，锂电池已经成为了主流。锂离子电池由于能量密度高、寿命长、几乎无环境污染等优点，越来越受到人们的关注。作为一种重要的储能电源，其在新能源汽车、家用储能、车载储能、电网储能等方面广泛应用。由于锂离子电池存在使用温度区间窄、过充过放对寿命影响大等问题，其电池管理系统的功能及性能优劣直接制约着储能型锂离子电池组的应用与推广。

锂电池作为一种高能量物质，必须在一定的技术条件下使用，包括适宜的环境温度、安全的充放电电流、安全的容量使用区间、允许的单体一致性下，超出锂电池允许的技术条件下使用会影响电池寿命，严重会出现热失控等情况。

当前电池管理系统一般应用于高压锂电池组系统，针对于新能源车辆开发。常规电池管理系统由外部的低压电源进行供电，根据部件的功能定义包括主管理系统模块和子管理系统模块，其中主管理系统模块功能包括整车通讯协议适配、核电荷数计算，子管理系统模块功能包括电池电压监控、模组温度监控。

新能源车用高压锂电池组为动力电池、高压附件等进行供电，当整车控制策略协调动力电机扭矩电机输出时，常常由于动力电机不合理扭矩输出，出现动力电池过度充电或放电、过流充电或放电、过高温或过低温使用，严重影响锂电池组的安全。

针对于低压锂电池组的这一特定电池管理需求，此类控制器由于需要外部低压电源供电，匹配灵活度不高，同时由于无外部的用电设备控制功能，在异常使用情况下无法执行安全操作，存在较大的安全隐患。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种低压锂电池组电池管理系统,旨在通过单一的控制单元，实现包括被动均衡、放电需求采集、放电回路控制、核电荷数估算、安全防护等功能。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

针对现有技术中电池管理系统功能单一、集成度差、策略分散、无主动限流等诸多不足，本发明提供一种功能完备、集成度高、策略集中、分优先级限流的低压锂电池组电池管理系统。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种低压锂电池组电池管理系统，包括电源模块、电流传感器信号采样模块、开关量采集模块、负载继电器驱动模块、充电继电器驱动模块、温度管理继电器驱动模块、通讯模块、单体电压采样模块、模组温度采集模块、被动均衡模块、电压监控模块、mcu模块、晶振模块。

所述电源模块将电池管理系统的外部供电电压转化为内部芯片的供电低压，同时为外部电流传感器提供电能。

所述mcu模块为电池管理系统的主控制器单元，是策略执行的物理器件。

所述晶振模块，为所述mcu模块提供准确可靠的工作时钟。

所述电流传感器信号采样模块将外部输入的电流传感器输入的信号转化为所述mcu模块可处理的信号类型。

所述开关量采集模块采集负载的供电请求，根据实际需求增加通道数量。

所述负载继电器驱动电路，输出外部继电器的驱动信号，控制继电器的断开与闭合，根据实际需求增加通道数量。

所述充电继电器驱动电路，输出充电继电器的驱动信号，控制充电继电器的断开与闭合，信号类型与上述负载继电器驱动电路相同。

所述温度管理继电器驱动模块，驱动信号类型与上述负载继电器驱动电路相同，控制锂电池组外部的风扇、水泵、电加热部件等可调节锂电池组温度的总成供电继电器的断开和闭合。

所述通讯模块，实现所述电池管理系统与外部其他总成之间通讯，如显示屏、用电负载等。

所述单体电压采样模块，采集所匹配锂电池组的单体电压信号，其通道数目根据电池组单体数据确定。

所述模组温度采集模块，采集所匹配锂电池组内部的温度传感器信号，优选使用热敏电阻型温度传感器，其通道数据由所述锂电池组内部温度传感器数据确定。

所述被动均衡模块，实现电芯单体被动均衡的保护，其通道数目根据电池组单体数据确定。

所述电压监控模块，实现特定点电压以判断器件工作情况，如采集锂电池组供电输出保险丝后端电压以判断保险丝是否熔断，其通道数目根据实际需求确定。

进一步地，所述电源模块的电流传感器供电电路与内部芯片供电电路隔离。

进一步地，所述电源模块与所匹配的锂电池组负极共地。

进一步地，所述电流传感器信号采样模块输入信号为电压信号，兼容不同的电流传感器。

进一步地，优选外部开关量信号类型为与电源管理系统共地的低电平有效信号，也可为以电源管理系统地线为参考的高电平有效信号，高电平电压与电源管理系统电压值相同或相近。

进一步地，所述负载继电器驱动电路，优选外部负载回路继电器低电平端与所述电源管理系统共地，驱动输出信号为以电源管理系统地线为参考的高电平驱动信号；也可外部继电器高电平为所述电源管理系统供电电压，驱动输出信号与所述电池管理系统共地的低电平驱动信号。

进一步地，所述通讯模块优选使用can通讯，也可为rs232、rs485等其他通讯总线方式；交互的内容包括但不局限于锂电池组单体电压、各温度传感器温度、电池值、电池核电荷数、负载请求信号、负载继电器控制信号、锂电池组总电压、锂电池组允许放电电流、锂电池组允许充电电流等信息。

进一步地，所述单体电压采样模块，通过对锂电池组总负共地的分压电路采集单体正极与共地电平之间的电压值作差获得单体电压；也可以使用差分电压电路采集锂电池组单体正负极之间的电压值直接获得单体电压。

进一步地，使用由可控精密稳压源、pnp三极管、npn三极管、电阻等元器件搭建的被动均衡电路；

进一步地，所述电阻包括信号电阻和功率电阻；q1为可控精密稳压器，优选使用tl431；q3为pnp型三极管、q2为npn型三极管；其中r1、r3、r6的一端及q3的发射极与单体电池正极相连，r2的一端、q1的阳极、q2的发射极与单体电池的负极相连；q1的参考极与r1、r2的另一端相连；r4的两端分别与r3的另一端及q3的基极相连；r5的一端与q3的集电极相连，另一端与q2的基极相连；r6的另一端与q2的集电极相连；各个电阻值参数根据所匹配的锂电池保护电压值进行计算获得，具体计算步骤如下：

取被动均衡电压值为vbls，此时均衡电压关系为：

其中tl431型可控精密稳压器vref取固定值为：vref＝2.5v

优选取值：r2＝220kω，根据锂电池类型确定被动均衡电压值为vbls，计算可获得

r3、r3、r5根据q3、q2电流特性，优选：r3＝620ω；r3＝r4＝200ω；

r6、r7为均衡电路放电功率二极管，设定均衡放电电流为ibls，此时：

本发明的有益效果为：

1.电池管理系统包含被动均衡电路，结构简单、稳定可靠，可有效保护电池单体电压不超设定值，保证单体电芯的电压一致性，同时避免单体过压；

2.电池管理系统电源负极与所匹配的锂电池组负极共负，各个电路模块与锂电池组参考电压相同，方便电压、电阻值采样；

3.使用与锂电池组总负共地的分压电路，采集各个串联单体正极与共地电平之间的电压值，差值计算获得单体的电压值，原理简单、成本低、可靠性高；

4.电池管理系统采集负载工作请求的外部开关量信号，准确识别外部的放电请求；可控制负载回路的继电器，实现各个负载回路的接通和断开控制；

5.电池管理系统根据所匹配锂电池组的实际工作特性，实时对比当前放电电流和允许放电电流，过流时断开正在工作的优先级较低的负载，有限实现所匹配锂电池组的保护；

6.电池管理系统具有温度管理继电器驱动模块，通过控制所匹配锂电池组的散热风扇或者电加热器件，主动实现所匹配锂电池组的散热或加热；

7.电池管理系统实时比较当前充电电流和允许充电电流，过流时主动断开充电继电器，保护锂电池组。

附图说明

图1为低压锂电池组电池管理系统结构原理图；

图2为低压锂电池组电池管理系统被动均衡电路图；

图3为低压锂电池组电池管理系统的匹配原理图。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合附图，通过实施例，对本发明技术方案作进一步具体描述：

如图1-图3所示，一种低压锂电池组电池管理系统,包括电源模块、电流传感器信号采样模块、开关量采集模块、充电继电器驱动模块、负载继电器驱动模块、温度管理继电器驱动模块、通讯模块、单体电压采样模块、模组温度采样模块、被动均衡模块、电压监控模块、mcu模块、晶振模块、唤醒开关、电流传感器、负载请求开关、正极保险丝、负载回路继电器、充电继电器、充电端、散热风扇继电器、电加热继电器、散热风扇、电加热器、单体电池串联模组、温度传感器和电池组输出端等。

电源模块包括唤醒电路、控制器内部供电电路、电流传感器供电电路，优选控制器内部供电电路及电流传感器供电电路两者相互隔离；电源模块与充电端相连。

电源模块将电池管理系统的外部供电电压转化为内部芯片的供电低压，同时为外部电流传感器提供电能；电源模块的电流传感器供电电路与内部芯片供电电路隔离；电源模块与所匹配的锂电池组负极共地。

开关量采集模块采集负载的供电请求，优选开关量信号电平为共地低电平，也可为与电源管理系统供电电压相同或接近的高电平电压。开关量采集模块根据实际需求增加通道数量。优选外部开关量信号类型为与电源管理系统共地的低电平有效信号，也可为以电源管理系统地线为参考的高电平有效信号，高电平电压与电源管理系统电压值相同或相近。

温度管理继电器驱动模块输出驱动信号与负载继电器驱动信号相同。温度管理继电器驱动模块：控制锂电池组外部的风扇、水泵、电加热部件等可调节锂电池组温度的总成供电继电器的断开和闭合。

负载继电器驱动模块输出外部继电器的驱动信号，控制继电器的断开与闭合，优选驱动信号为与电源管理系统相同或相近的高电平驱动信号，也可为共地的低电平驱动信号。负载继电器驱动模块根据实际需求增加通道数量。优选外部负载回路继电器低电平端与所述电源管理系统共地，驱动输出信号为以电源管理系统地线为参考的高电平驱动信号；也可外部继电器高电平为所述电源管理系统供电电压，驱动输出信号与所述电池管理系统共地的低电平驱动信号。

被动均衡模块：实现电芯单体被动均衡的保护，其通道数目根据电池组单体数据确定；使用由可控精密稳压源、pnp三极管、npn三极管、电阻等元器件搭建的被动均衡电路。当电芯单体电压超出配置阈值时，三极管主动开启，功率电阻与单体电池正负极接通。r1、r2、r3、r4、r5为信号电阻，r6为功率电阻；q1为可控精密稳压器，优选使用tl431；q3为pnp型三极管、q2为npn型三极管；其中r1、r3、r6的一端及q3的发射极与单体电池正极相连，r2的一端、q1的阳极、q2的发射极与单体电池的负极相连；q1的参考极与r1、r2的另一端相连；r4的两端分别与r3的另一端及q3的基极相连；r5的一端与q3的集电极相连，另一端与q2的基极相连；r6的另一端与q2的集电极相连；各个电阻值参数根据所匹配的锂电池保护电压值进行计算获得。

电压监控模块监控包括但不局限于特定保险丝后端电压。电压监控模块实现特定点电压以判断器件工作情况，如采集锂电池组供电输出保险丝后端电压以判断保险丝是否熔断，其通道数目根据实际需求确定。

mcu模块为电池管理系统的主控制器单元，是策略执行的物理器件。

mcu模块估算锂电池组核电荷数，优选当前电流值低于一定阈值时，使用开路电压法，当前电流值高于一定阈值时，使用安时法。mcu模块实时根据锂电池组的温度、单体电压、核电荷数进行锂电池组充放电能力的计算。

mcu模块根据对应负载的预设功率和电池当前输出功率限制，决策是否通过所述负载继电器驱动模块闭合所述负载回路继电器。

mcu模块实时比较当前电流值与锂电池组当前允许充放电电流值，当充电过流时，主动通过充电继电器驱动模块断开充电继电器；当放电过流时，主动通过负载继电器驱动模块断开优先级较低的负载回路，直到实时放电电流值小于允许放电电流值。

通讯模块包括但不局限于can总线、rs232总线、rs485总线中的某类型，交互的内容包括但不局限于单体电池电压、温度采样点温度、当前电流、核电荷数、允许充电电流值、允许放电电流值、负载请求信号、负载继电器控制信号、热管理部件开启信号等。通讯模块实现电池管理系统与外部其他总成之间通讯，如显示屏、用电负载等；通讯模块优选使用can通讯，也可为rs232、rs485等其他通讯总线方式；交互的内容包括但不局限于锂电池组单体电压、各温度传感器温度、电池值、电池核电荷数、负载请求信号、负载继电器控制信号、锂电池组总电压、锂电池组允许放电电流、锂电池组允许充电电流等信息。

晶振模块为所述mcu模块提供准确可靠的工作时钟。

电流传感器信号采样模块输入信号为电压信号，兼容不同的电流传感器；电流传感器信号采样电路将外部输入的电流传感器输入的信号转化为mcu模块可处理的信号类型。

充电继电器驱动模块输出充电继电器的驱动信号，控制充电继电器的断开与闭合，信号类型与上述负载继电器驱动电路相同。

单体电压采样模块采集所匹配锂电池组的单体电压信号，其通道数目根据电池组单体数据确定。单体电压采样模块优选与锂电池组总负共地的分压电路采集单体正极与共地电平之间的电压值，作差获得单体电压；也可以使用差分电压电路采集锂电池组单体正负极之间的电压值直接获得单体电压。

模组温度采集模块，采集所匹配锂电池组内部的温度传感器信号，优选使用热敏电阻型温度传感器，其通道数据由所述锂电池组内部温度传感器数据确定。

单体电池串联模组的正极与电流传感器采样端和正极保险丝依次相连；单体电池串联模组的负极与电池管理系统负极共地。

电流传感器的供电端与电源模块相连，电流传感器的信号端与电流传感器信号采样模块相连。

唤醒开关的一端与电源模块唤醒信号相连，另一端与(温度)传感器的后端和正极保险丝的后端相连。

负载请求开关的一端与开关量采集模块相连，另一端为共地端。

负载回路继电器的控制端与负载继电器驱动模块相连，另一端为共地端。

充电继电器驱动模块与充电继电器的控制端相连，另一端为共地端。

充电继电器的功率端一端与充电端相连，一端与所述正极保险丝后端相连。

温度传感器布置在单体电池串联模组的内部，温度传感器的输出端与模组温度采样模块相连。

电压监控模块与电池组输出端相连。

mcu模块为电池管理系统的策略执行单元。mcu模块与温度管理继电器驱动模块相连。温度管理继电器驱动模块与电加热继电器相连。温度管理继电器驱动模块与散热风扇继电器相连，散热风扇继电器通过导线与散热风扇相连。

当唤醒开关闭合，电源模块开始工作，为电池管理系统内部各个模块器件进行供电，同时为电流传感器进行供电。

单体电池串联模组内各个单体正极电压经单体电压采样电路分压限流后，输入至mcu模块，mcu模块解析获得单体串联模组内各个单体低压值。

模组温度采样模块采集各个温度传感器信号，调理后输入至mcu模块，mcu模块解析后获得温度传感器的物理温度值；当锂电池组温度低于设定阈值时，mcu模块通过温度管理继电器驱动模块控制电加热继电器闭合，电加热器将电能转化为热能为锂电池组加热。当锂电池组温度高于设定阈值时，mcu模块通过温度管理继电器驱动模块控制散热风扇继电器闭合，散热风扇为锂电池组散热。

电流传感器信号经过电流传感器信号采样模块调理后输入至mcu模块，mcu模块和解析后获得电流传感器的物理电流值；mcu模块根据当前电流值进行锂电池组核电荷数的估算，当电流值低于一定阈值时，使用开路电压法进行核电荷数估算，当电流值高于一定阈值时，使用安时法进行核电荷数计算。

mcu模块实时根据锂电池组的温度、单体电压、核电荷数进行电池充放电能力的计算，包括充放电电流、充放电功率。

负载请求开关信号经过开关量采集电路调理后输入至mcu模块，mcu模块根据对应负载的预设功率和电池当前输出功率限制，决策是否通过负载继电器驱动模块闭合负载回路继电器。

mcu模块实时比较当前电流值与锂电池组当前允许充放电电流值，当充电过流时，主动通过充电继电器驱动模块断开充电继电器；当放电过流时，主动通过负载继电器驱动模块断开优先级较低的负载回路，直到实时放电电流值小于允许放电电流值。

上述实施例只是对本发明技术方案的举例说明或解释，而不应理解为对本发明技术方案的限制，显然，本领域的技术人员可对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些修改和变型在内。