一种磷酸铁锂动力电池管理系统及管理方法
【专利摘要】本发明公开了一种磷酸铁锂动力电池管理系统及管理方法，电池管理系统包括主控制器、电压检测电路、温度检测电路、绝缘监测电路、均衡电路、保护电路、DC/DC供电电路、预充电电路、冷却风扇、动力电池组、PC机、车载控制器和存储模块。具有以下功能：①电池单体电压及总电压检测；②电池组充、放电电流检测；③电池组故障诊断及过充、过放和均衡的强制保护以及温度保护；④电池组各种状态(SOC、SOH、RUL)的精确估计；⑤高效、快速均衡；⑥预充电；⑦电池组绝缘测量；⑧电池组运行和故障数据记录；⑨与车载控制器及显示系统通讯；⑩与充电机通讯，为充电机提供电池充电信息。
【专利说明】-种磷酸铁锂动力电池管理系统及管理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磷酸铁锂动力电池管理系统及管理方法。
【背景技术】
[0002] 能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车以节能、环保而广受 人们的欢迎，已成为未来汽车发展的必然趋势。我国"十二五"规划确立了电动汽车"三纵 三横"的战略布局。三纵即混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车；三横即电池、电机、 电控。其中，车载动力电池作为电动汽车的关键部件，其性能对整车的动力性、经济性和安 全性至关重要，是制约电动汽车规模发展的关键因素。而锂离子电池因其高能量密度、低放 电率和没有记忆效应，作为动力源广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。
[0003] 但是，锂离子动力电池的滥用能力差、充放电特性受环境影响较大，并且锂离子电 池串联成组应用到电动汽车上时，其性能远不及单体电池，甚至出现安全性问题。究其原 因，锂电池本质上具有高非线性、强耦合性、迟滞效应和时变特性，导致对其建模精度低、通 用性差，S0C(State of Charge)、S0H(State of Health)、RUL(Remaining Useful Life)估 计误差大，均衡效果不佳，并且随着电池的老化，电池 soc等状态估计误差越来越大，单体 间的不一致性越来越明显，从而产生锂离子动力电池过充过放，可用容量降低，循环寿命下 降，能量管理不合理，发生半路抛锚等问题，久而久之最终将导致安全事故发生。因此，对于 锂离子动力电池来说，电池管理策略更为复杂。如何在保证寿命的基础上最大限度的发挥 动力电池的充放电特性是电池管理系统的核心目标和技术难题。
[0004] 电动汽车技术的迅速发展对电池管理系统提出了更高要求：电池管理系统除了能 够稳定可靠的运行、配合车辆控制策略、监视电池状态以及保护电池组的安全之外，还应具 备高效、优化的电池组能量控制策略。因此，成组电池优化充放电控制策略成为目前亟待解 决的技术难题，也是未来电池管理系统的发展方向。
【发明内容】
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种磷酸铁锂动力电池管理系统及管理方法， 本系统具有以下功能：①电池单体电压及总电压检测；②电池组充放电电流检测；③电池 组故障诊断及过充、过放和均衡的强制保护以及温度保护；④电池组各种状态（SOC、S0H、 RUL)的精确估计；⑤高效快速均衡；⑥预充电；⑦电池组绝缘测量；⑧电池组运行和故障数 据记录；⑨与车辆控制器及显示系统通讯；⑩与充电机通讯，为充电机提供电池充电信息。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种磷酸铁锂动力电池管理系统，包括主控制器、电压检测电路、温度检测电路、 绝缘检测电路、电流传感器、均衡电路、保护电路、预充电电路和动力电池组；其中，主控制 器连接电压检测电路、均衡电路、温度检测电路、保护电路和绝缘检测电路，电压检测电路、 均衡电路分别连接动力电池组中的各个电池单体两端，温度检测电路连接各个电池单体， 绝缘检测电路连接电池组的正负极两端，用于判断电池组各个电池单体电压是否超出限值 的保护电路连接各个电池单体的两端，电池组两端串联预充电电路、充电机；
[0008] 所述电压检测电路检测动力电池组中各个电池单体的电压，温度检测电路获取电 池组中各电池单体温度，主控制器根据电压、温度值的不同，与相应的设定范围比较，控制 均衡电路进行相应的均衡动作。
[0009] 所述动力电池组的正、负极两端分别通过一个手动开关S1和一个开关Kb连接DC/ DC供电电路的一端，DC/DC供电电路的另一端具有正负输出端，分别连接有电压检测电路、 温度检测电路、均衡电路和冷却风扇，为上述模块供电。
[0010] 所述预充电电路包括并联的两路支路，一路连接继电器开关Kp后连接一个大功 率电阻R;另一路为继电器开关Κ+，预充电电路的一端通过熔断器KF、电流传感器连接动力 电池组，另一端连接充电机。
[0011] 所述主控制器通过CAN2总线连接充电机，主控制器通过CAN1总线连接车辆控制 器，主控制器通过RS232串口连接PC机，主控制器连接有存储模块。
[0012] 基于上述磷酸铁锂动力电池管理系统的管理方法，包括以下步骤：
[0013] (1)电压检测电路检测动力电池组中各个电池单体的电压，主控制器判断电压是 否超过阈值或在最佳范围内，根据电压值的不同，主控制器控制开关κ+、κ-、均衡电路的所 有开关和开关Kb的开合；
[0014] (2)温度检测电路获取电池组中各电池单体温度，主控制器判断电池组温度是否 超过规定值，如果超过规定值，断开所有开关，不允许进行充、放电和均衡操作；
[0015] (3)当电池组的各电池单体电压、温度都在规定范围内，控制器控制电池组工作在 充电/放电模式下。在充电/放电模式下，主控制器通过电流传感器采集主电路的电流，并 判断是否超出限值，若超出，主控制器控制开关K+和K-断开，停止充放电，主控制器若未切 断开关K+和K-，则快速熔断器KF将熔断，起到对电池组的过流强制保护；
[0016] (4)主控制器根据获取的电池电压、电流和温度数据，估算电池的各种状态（S0C、 SOH、RUL)，并通过CAN1将电池组的上述信息上报给整车控制器。
[0017] 所述步骤（1)中，具体方法包括：
[0018] (1-1)闭合手动开关S1，DC/DC供电电路得电，启动主控制器、均衡电路、电压检测 电路和温度检测电路；
[0019] (1-2)电池组中的各电池单体电压若低于最小阈值或大于最大阈值，则保护电路 会断开开关Kb，切断DC/DC供电电路，主控制器和均衡电路无电，进而断开所有的开关，实 现对电池组的过充、过放强制保护以及均衡保护；
[0020] (1-3)电池组中的各电池单体电压若在阈值范围之间，主控制器通过电压检测电 路获取电池组中各个电池单体的电压，并判断各个电池单体电压是否在最佳范围内；
[0021] (1-4)若各个电池单体电压不满足最佳范围，则主控制器控制开关K+、K-和均衡 电路的所有开关断开，实现对电池组过充、过放以及均衡的软保护；
[0022] (1-5)若各个电池单体电压满足最佳范围，并判断最大电压差是否大于均衡阈值， 若大于，则控制均衡电路对电池组进行均衡；否则，不需要对电池组均衡。
[0023] 所述单体电池电压的最小阈值为2V，最大阈值为3. 7V，最佳范围为[2. 5, 3. 65]， 均衡阈值为〇. 02V。
[0024] 所述步骤（2)中，的具体方法包括：
[0025] (2-1)主控制器根据温度检测电路获取的电池组中各电池单体温度，并判断温度 是否在规定值之间，若超过规定值，主控制器断开所有开关，不允许进行充、放电和均衡操 作；
[0026] (2-2)若电池组温度在规定值之间，并判断温度是否超过高温度阈值，若是，则主 控制器启动冷却风扇对电池组进行冷却。
[0027] 所述步骤⑵中，规定值为[_25°C，75°C ]，高温度阈值为55°C。
[0028] 所述步骤（3)中，在充电模式下，主控制器首先控制预充电电路进行预充电：首先 闭合开关KF、Kp和K-，10秒后再关断Kp，闭合K+，并保持KF和K- 一直导通；充电机通过 CAN2总线与主控制器相连，充电机在获取电池组电压、温度、电流信息后，对电池组进行充 电操作。
[0029] 所述步骤（3)中，在放电模式下，主控制器直接闭合开关Κ+和Κ-，再对电池组进行 放电操作。
[0030] 本发明的有益效果为：
[0031] (1)电池管理系统和电池绑定，形成智能电池包，能够实现动力电池组的过充、过 放和均衡的硬件强制保护；
[0032] (2)多变量闭环控制，能够实现动力电池组的软件保护，能够实现电池组的各种状 态（SOC、SOH、RUL)估计；
[0033] (3)具有高效快速均衡和预充电的功能，增强了管理系统的管理和控制功能，可与 充电机进行CAN通信，使得充电机具有更好的适用性和通用性，提高了充电过程的智能化 水平，简化了充电工作人员设置充电参数等繁琐的工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0034] 图1为本发明的结构示意图。
[0035] 其中，1、电池组各电池单体的电压线；2、电池组各电池单体的温度线；10、主控制 器；20、电压检测电路；30、均衡电路；40、保护电路；50、温度检测电路；60、绝缘检测电路； 70、存储模块；80、PC机；90、冷却风扇；100、电池组；200、预充电电路；300、充电机；400、车 辆控制器；500、电流传感器；600、DC/DC供电电路。
【具体实施方式】：
[0036] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0037] 如图1所示，电池管理系统包括主控制器10、电压检测电路20、温度检测电路50、 绝缘检测电路60、均衡电路30、保护电路40、DC/DC供电电路600、预充电电路200、冷却风 扇90、动力电池组100、PC机80、车辆控制器400和存储模块70。具有以下功能：①电池单 体电压及总电压检测；②电池组充放电电流检测；③电池组故障诊断及过充、过放和均衡 的强制保护以及温度保护；④电池组各种状态（SOC、SOH、RUL)精确估计；⑤零电流开关快 速均衡；⑥预充电；⑦电池组绝缘测量；⑧电池组运行和故障数据记录；⑨与车辆控制器及 显示系统通讯；⑩与充电机通讯，为充电机提供电池充电信息。
[0038] 所述电压检测电路20连接各个电池单体的两端，用于检测电池组中各节电池单 体电压；
[0039] 所述温度检测电路50连接各个电池单体，用于检测电池组中各节电池单体温度；
[0040] 所述绝缘检测电路一端连接于电池组的正负极，一端连接于主控制器，用于检测 电池组是否有漏电；
[0041] 所述均衡电路30连接各个电池单体的两端，用于在主控制器的控制下对电池组 中电压最高的电池单体组合和电压最低的电池单体组合进行零电流开关快速均衡；
[0042] 所述DC/DC供电电路600的一端通过一个手动开关S1和一个开关Kb分别与电池 组的正负极相连，另一端有正负输出端分别与电压检测电路20、温度检测电路50、均衡电 路30和冷却风扇90相连，用于给上述模块供电；
[0043] 所述保护电路40连接各个电池单体的两端，用于判断电池组各个电池单体电压 是否超出限值，若超出，则断开开关Kb，从而切断DC/DC供电电路600,进而切断所有的开 关，实现电池组的过充、过放强制保护以及均衡保护；
[0044] 所述预充电电路包括两路，一路接一个小继电器开关Kp后一个大功率电阻R，另 一路为一个大继电器开关Κ+，继电器开关Κρ和电阻R并联在大继电器开关Κ+的两端。预 充电电路的一端连接于熔断器KF，另一端连接于充电机300,当电路导通时用于遏制电池 组对充电机300电容瞬间的大放电电流；
[0045] 所述预充电电路的工作原理是：首先闭合开关KF、Κρ和Κ-，10秒后再关断Κρ，闭 合Κ+，并保持KF和Κ-导通；
[0046] 所述主控制器接收电压检测电路20的信号用于判断是否需要均衡，若需要均衡 则控制均衡电路30对电池组进行均衡。所述主控制器接收温度检测电路50的信号用于判 断是否需要对电池进行冷却，若需要冷却则控制冷却风扇90对电池组进行冷却。所述主控 制器接收绝缘检测电路60的信号用于判断电池组是否漏电，若漏电则断开主正开关Κ+和 主负Κ-;
[0047] 所述充电机300通过CAN2与主控制器相连，为充电机300提供电池充电信息，用 于实现电池管理系统与充电机300配合的充电模式；
[0048] 所述电流传感器500串联在电池组的主回路中，一端接电池组的正极，一段接熔 断器，用于检测电池组的充放电电路；
[0049] 所述车辆控制器400通过CAN1与主控制器相连，用于获取电池组的相关信息，对 整车进行能量管理；
[0050] 所述PC机80通过RS232串口与主控制器相连，用于显示电池组的电压、电流、温 度和故障等信息；
[0051] 所述存储模块70与主控制器相连，用于存储电池的各节单体电压、电流、温度和 故障等信息；
[0052] -种应用上述磷酸铁锂动力电池管理系统的管理方法，包括以下步骤：
[0053] S1.闭合手动开关S1，DC/DC供电电路得电，启动主控制器、均衡电路、电压检测电 路和温度检测电路。
[0054] S2.电池组中的各电池单体电压若低于2V或大于3. 7V，则保护电路40会断开开 关Kb，切断DC/DC供电电路600,主控制器和均衡电路30无电，进而断开所有的开关，实现 对电池组的过充、过放强制保护以及均衡保护；
[0055] S3.电池组中的各电池单体电压若在2V?3. 7V之间，主控制器通过电压检测电 路20获取电池组中各个电池单体的电压，并判断各个电池单体电压是否低于2. 5V或大于 3. 65V ；
[0056] S4.若低于2. 5V或大于3. 65V，则主控制器控制开关Κ+、Κ_和均衡电路30的所有 开关断开，实现对电池组过充、过放以及均衡的软保护；
[0057] S5.若在2. 5V?3. 65V之间，并判断最大电压差是否大于均衡阈值0. 02V，若大 于，则控制均衡电路30对电池组进行均衡；否则，不需要对电池组均衡；
[0058] S6.主控制器根据温度检测电路50获取的电池组中各电池单体温度，并判断温度 是否在-25?75°C之间，若不在，主控制器断开所有开关，不允许进行充、放电和均衡操作；
[0059] S7.若电池组温度在-25?75°C之间，并判断温度是否超过55°C，若是，则主控制 器启动冷却风扇90对电池组进行冷却；
[0060] S8.在电池组中各电池单体电压、温度都在正常范围的条件下，动力电池组可工作 在充电模式和放电模式下，并且可进行均衡操作；
[0061] S9.在充电模式下，主控制器首先控制预充电电路进行预充电：首先闭合开关KF、 Kp和K-，10秒后再关断Kp，闭合K+，并保持KF和K- 一直导通；
[0062] S10.充电机300通过CAN2与主控制器相连，充电机300在获取电池组电压、温度、 电流信息后，根据设置的充电算法对电池组进行充电操作；
[0063] S11.在放电模式下，直接闭合开关KF、Κ+和Κ-，再根据设置的放电算法对电池组 进行放电操作；
[0064] S12.在充/放电模式下，主控制器通过电流传感器500采集主电路的电流，并判断 是否超出限值，若超出，主控制器控制开关Κ+和Κ-断开，停止充放电，起到对电池组的软件 保护；
[0065] S13.在电流超出限值的条件下，主控制器若未切断开关Κ+和Κ-，则快速熔断器KF 将熔断，起到对电池组的过流强制保护；
[0066] S14.主控制器根据获取的电池电压、电流和温度数据，估算电池的各种状态 (SOC、SOH、RUL)，并通过CAN1将电池组的上述信息上报给整车控制器。
[〇〇67] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1. 一种磷酸铁锂动力电池管理系统，其特征是：包括主控制器、电压检测电路、温度检 测电路、绝缘检测电路、电流传感器、均衡电路、保护电路、预充电电路和动力电池组；其中， 主控制器连接电压检测电路、均衡电路、温度检测电路、保护电路和绝缘检测电路，电压检 测电路、均衡电路分别连接动力电池组中的各个电池单体两端，温度检测电路连接各个电 池单体，绝缘检测电路连接电池组的正负极两端，用于判断电池组各个电池单体电压是否 超出限值的保护电路连接各个电池单体的两端，电池组两端串联预充电电路、充电机； 所述电压检测电路检测动力电池组中各个电池单体的电压，温度检测电路获取电池组 中各电池单体温度，主控制器根据电压、温度值的不同，与相应的设定范围比较，控制均衡 电路进行相应的均衡动作。
2. 如权利要求1所述的一种磷酸铁锂动力电池管理系统，其特征是：所述动力电池组 的正、负极两端分别通过一个手动开关S1和一个开关Kb连接DC/DC供电电路的一端，DC/ DC供电电路的另一端具有正负输出端，分别连接有电压检测电路、温度检测电路、均衡电路 和冷却风扇，为上述模块供电。
3. 如权利要求1所述的一种磷酸铁锂动力电池管理系统，其特征是：所述预充电电路 包括并联的两路支路，一路连接继电器开关Kp后连接一个大功率电阻R;另一路为继电器 开关Κ+，预充电电路的一端通过熔断器KF、电流传感器连接动力电池组，另一端连接充电 机。
4. 如权利要求1所述的一种磷酸铁锂动力电池管理系统，其特征是：所述主控制器通 过CAN2总线连接充电机，主控制器通过CAN1总线连接车辆控制器，主控制器通过RS232串 口连接PC机，主控制器连接有存储模块。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的一种磷酸铁锂动力电池管理系统的管理方法，其特 征是：包括以下步骤： (1) 电压检测电路检测动力电池组中各个电池单体的电压，主控制器判断电压是否超 过阈值或在最佳范围内，根据电压值的不同，主控制器控制开关K+、K-、均衡电路的所有开 关和开关Kb的开合； (2) 温度检测电路获取电池组中各电池单体温度，主控制器判断电池组温度是否超过 规定值，如果超过规定值，断开所有开关，不允许进行充、放电和均衡操作操作； (3) 当电池组各电池单体电压、温度都在规定范围内，控制器控制电池组工作在充电/ 放电模式下，在充电/放电模式下，主控制器通过电流传感器采集主电路的电流，并判断是 否超出限值，若超出，主控制器控制开关K+和K-断开，停止充放电，主控制器若未切断开关 K+和K-，则快速熔断器KF将熔断，起到对电池组的过流强制保护； (4) 主控制器根据获取的电池电压、电流和温度数据，估算电池的各种状态（SOC、SOH、 RUL)，并通过CAN1将电池组的上述信息上报给整车控制器。
6. 如权利要求5所述的管理方法，其特征是：所述步骤（1)中，具体方法包括： (1-1)闭合手动开关S1，DC/DC供电电路得电，启动主控制器、均衡电路、电压检测电路 和温度检测电路； (1-2)电池组中的各电池单体电压若低于最小阈值或大于最大阈值，则保护电路会断 开开关Kb，切断DC/DC供电电路，主控制器和均衡电路无电，进而断开所有的开关，实现对 电池组的过充、过放强制保护以及均衡保护； (1-3)电池组中的各电池单体电压若在阈值范围之间，主控制器通过电压检测电路获 取电池组中各个电池单体的电压，并判断各个电池单体电压是否在最佳范围内； (1-4)若各个电池单体电压不满足最佳范围，则主控制器控制开关K+、K-和均衡电路 的所有开关断开，实现对电池组过充、过放以及均衡的软保护； (1-5)若各个电池单体电压满足最佳范围，并判断最大电压差是否大于均衡阈值，若大 于，则控制均衡电路对电池组进行均衡；否则，不需要对电池组均衡。
7. 如权利要求6所述的管理方法，其特征是：所述单体电池电压的最小阈值为2V，最大 阈值为3. 7V，最佳范围为[2. 5, 3. 65]，均衡阈值为0. 02V。
8. 如权利要求5所述的管理方法，其特征是：所述步骤（2)中，的具体方法包括： (2-1)主控制器根据温度检测电路获取的电池组中各电池单体温度，并判断温度是否 在规定值之间，若超过规定值，主控制器断开所有开关，不允许进行充、放电和均衡操作； (2-2)若电池组温度在规定值之间，并判断温度是否超过高温度阈值，若是，则主控制 器启动冷却风扇对电池组进行冷却。
9. 如权利要求8所述的管理方法，其特征是：所述步骤⑵中，规定值为[_25°C， 75°C ]，高温度阈值为55°C。
10. 如权利要求5所述的管理方法，其特征是：所述步骤（3)中，在充电模式下，主控制 器首先控制预充电电路进行预充电：首先闭合开关KF、Kp和K-，10秒后再关断Kp，闭合K+， 并保持KF和Κ- 一直导通；充电机通过CAN2总线与主控制器相连，充电机在获取电池组电 压、温度、电流信息后，对电池组进行充电操作；在放电模式下，主控制器直接闭合开关KF、 Κ+和Κ-，再对电池组进行放电操作。
【文档编号】H02J7/00GK104104137SQ201410352410
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】崔纳新, 张承慧, 商云龙, 于广 申请人:山东大学