大功率动力电池组管理系统的制作方法

本发明涉及一种大功率动力电池组管理系统，实时监测动力电池的单体电压、总电压、电池SOC(剩余电量)、总电流、温度等参数，根据监测电池状态进行故障诊断和报警,同时采用电压被动均衡策略对电池组进行均衡控制，并把相应的参数和测得的数据进行网络传送、实时存储和现场实时显示，保障大功率动力电池组的安全运行。

背景技术：

现在国家大力扶持新能源产业的发展，并在国家“十二五”规划明确提出了节能减排的目标。目前大多港口起重机使用柴油机，但是由于柴油机耗油量高、效率很低、排放污染大、负载重力势能浪费等原因，已成为节能环保领域普遍关注的重要对象之一，目前急需新能源来替代原有的能源。锂电池具有单体工作电压高、体积小、质量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点。而且锂电池的放电曲线很平坦，可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。因此，锂电池成为车用动力电池的首选。但同时锂电池的缺点也非常明显，对温度、电流和电压都有严格要求，稍不小心，就可能导致电池受损、报废，甚至燃烧、爆炸，造成生命财产的严重损失。因此，根据锂电池特性，对动力锂电池进行有效管理，对于维护电池安全、保持电池性能、延长电池寿命具有重要的意义，为此本发明提出一种基于STM32F103单片机的集中式结构的大功率动力电池组管理系统，实现电池SOC、温度、电流和电压数据的采集，满足电池管理要求，提高电池组使用寿命。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何实时监测动力电池的单体电压、总电压、电池SOC、总电流、温度等参数，进而对电池组进行充放电管理，保障电池组安全运行的系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大功率动力电池组管理系统,包括：1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路、微处理器电路、按键电路、存储电路、时钟电路、显示电路、电源电路、开关控制电路、报警及运行指示电路、CAN总线接口电路、主控制系统、以太网接口电路、上位机、电流传感器；1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路之间采用级联方式连接后与微处理器电路的I/O口连接；按键电路、时钟电路、开关控制电路的输出端分别与微处理器电路的I/O口连接；显示电路、报警及运行指示电路的输入端分别与微处理器电路的I/O口连接；存储电路通过I²C与微处理器电路的对应接口连接；电源电路的输出端与微处理器电路的对应电源接口连接；主控制系统通过CAN总线接口电路与微处理器电路的对应通信接口连接；上位机通过以太网接口电路与微处理器电路的对应通信接口连接；电流传感器的输出端与微处理器电路的A/D端口连接。

微处理器电路为STM32F103VECT6芯片。

电池管理电路采用LTC6804-1。

电流传感器采用霍尔传感器DHAB/s25。

作为优选方案，还包括高压电源，所述高压电源由15个电池组串联而成；每个电池组由12个电池包串联而成；每个电池包由6个单体锂电池并联而成；每个单体锂电池电压为3.2V，容量为7.5Ah，15个电池组*12个电池包*6个单体锂电池总共有1080节单体锂电池；1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路分别与15个电池组相连接。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的大功率动力电池组管理系统中，选用180*6个单体3.2V/7.5Ah锂电池，采用每6个单体并联形成45Ah的电池包，12个电池包串联形成一个电池组，最后再将这15个电池组串联为电动设备提供动力。(2)本发明的大功率动力电池组管理系统，管理系统通过STM32F103微处理器电路和LTC6804-1电池管理电路对单体电池的电压，电流和温度进行采集，通过安时积分算法结合开路电压法计算电池的剩余容量，然后将采集的数据以及计算的电池剩余容量一方面通过显示电路进行现场实时数据显示，另一方面通过以太网接口电路发送给上位机进行远程监控；当电池出现过压，欠压，过流活过温等故障时，微处理器电路将控制报警及运行指示电路进行报警并通过CAN总线接口电路将信息发送到主控制系统中，主控制系统实现停机保护以及控制电池充放电。

附图说明

图1为实施例1的大功率动力电池组管理系统原理结构图。

图2 LTC6804-1级联图。

图3被动均衡的等效电路原理图。

图4大功率动力电池组管理系统主控模块程序设计流程。

图5电池管理电路监控程序设计流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

见图1所示，本实施例的大功率动力电池组管理系统，包括一种1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路、微处理器电路、按键电路、存储电路、时钟电路、显示电路、电源电路、开关控制电路、报警及运行指示电路、CAN总线接口电路、主控制系统、以太网接口电路、上位机、电流传感器；1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路之间采用级联方式连接后与微处理器电路的I/O口连接；按键电路、时钟电路、开关控制电路的输出端分别与微处理器电路的I/O口连接；显示电路、报警及运行指示电路的输入端分别与微处理器电路的I/O口连接；存储电路通过I²C与微处理器电路的对应接口连接；电源电路的输出端与微处理器电路的对应电源接口连接；主控制系统通过CAN总线接口电路与微处理器电路的对应通信接口连接；上位机通过以太网接口电路与微处理器电路的对应通信接口连接；电流传感器的输出端与微处理器电路的A/D端口连接。1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路分别安装在对应的15组电池组上，且1-15号电池管理电路之间通过级联方式连接，自动编号，使用时便于维护，采用SPI方式传输数据，抗干扰性强，实时性高，传输时间小于100mS，1-15号电池管理电路之间传输的数据主要包括每个单体电池电压、每组电池组的2-4个点的温度，这样大功率动力电池组管理系统可以同时测量180节单体电池电压，及电池组总电压及15组电池组30-60个点的温度，以及总放电和充电电流,并计算大功率动力电池组的剩余寿命，剩余寿命估算精度可达3％-5％，并且通过CAN总线向主控制系统发送控制信息。

微处理器电路为STM32F103VECT6芯片。

电池管理电路采用LTC6804-1。

电流传感器采用霍尔传感器DHAB/s25。

管理系统将锂电池分组串并联形成高压电源，选用180*6个单体3.2V/7.5Ah锂电池，每6个单体并联形成45Ah的电池包，12个电池包串联形成一个电池组，最后再将这15个电池组串联提供动力；管理系统通过STM32F103微处理器电路和LTC6804-1电池管理电路对单体电池的电压，电流和温度进行采集，通过安时积分算法结合开路电压法计算电池的剩余容量，然后将采集的数据以及计算的电池剩余容量一方面通过显示电路进行现场实时数据显示，另一方面通过以太网接口电路发送给上位机进行远程监控；当电池出现过压，欠压，过流活过温等故障时，微处理器电路将控制报警及运行指示电路进行报警并通过CAN总线接口电路将信息发送到主控制系统中，主控制系统实现停机保护以及控制电池充放电。

见图2所示，大功率动力电池组管理系统需测量15个电池组，每组电池组由12个电池包构成，每个电池包由6节电池单体并联而成，因此需要15片LTC6804-1进行级联。

见图3所示，其中R为均衡电阻，i为外部充电电流，i_c为电池充电电流，i_b为均衡电流。Z为电池的内阻抗，E_c为电池的电动势。

由基尔霍夫电压和电流定律可知：

因为要分析电池的均衡电流，对上式进行变换后可以得到：

在电池充放电的过程中，Z的大小会有所改变，R的大小不变，但是Z的改变是毫欧量级的，相对于R的欧姆量级来说很小，可以忽略，所以把Z的值看成一个常数。

当电池充电时，i_b的值取决于E_c和i，由于E_c在短时间内变化不大，可以看成定值，那么i_b与i的大小成正比。当电池放电时，i为负值，E_c也随时间而减小，因此随着电池电压下降，均衡电流i_b也下降。

综上所述，充电过程时进行电池均衡的速度更快，并且在放电进行均衡时，要防止电池过放的情况。本发明采用1号电池管理电路、2号电池管理电路、3号电池管理电路、4号电池管理电路、5号电池管理电路、6号电池管理电路、7号电池管理电路、8号电池管理电路、9号电池管理电路、10号电池管理电路、11号电池管理电路、12号电池管理电路、13号电池管理电路、14号电池管理电路、15号电池管理电路分别对15组电池组进行被动均衡控制。

见图4所示，大功率动力电池组管理系统主控模块任务主要有：通讯同步任务，数据采集任务，故障任务，信息发布任务。软件程序控制分为两个部分，即以均衡开关是否打开为区分。在均衡开关关闭时，系统进行正常的工作，实时监视每节电池的电压、温度。并且进行液晶显示，数据的采集，处理，CAN总线，以太网等程序的运行。当均衡开关打开时，系统通过电压的比较，进行均衡的控制，向下发送控制均衡时，相应的MOS管会进行打开与关断，进行放电。

见图5所示，电池管理电路监控程任务主要有：通讯同步任务，A/D转换与数据处理任务、通讯接收发送任务以及均衡执行任务。本发明采用基于扩展卡尔曼滤波算法的SOC估算,展卡尔曼滤波是通过系统状态空间模型，利用泰勒公式，对非线性系统进行线性化处理，然后再利用标准卡尔曼滤波算法的循环迭代过程对状态变量做算法最优估计。SOC估算具有如下优点：1)任何时候均适用；2)有助于修正初始值；3)有助于克服传感器精度不足的问题；4)有助于消除电磁干扰的问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。