一种智能动力锂离子电池管理系统及其充电控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于动力电池管理系统领域，具体说是一种动力锂离子电池用的电池管理系统及其充电控制方法。
【背景技术】
[0002]随着电动车、混合动力工具的发展，各种动力电池得到广泛应用。锂电池以其体积小，自放电率低，能量密度高，循环使用寿命长等优点，成为最有前景的动力电池。但是锂电池安全稳定性不高，过充电、过放电都会对锂离子电池造成伤害，所以为保证锂离子电池的安全工作，必须配备高性能的电池管理系统。
[0003]现有的锂电池管理系统，充电策略单一，多采用恒流充电，不能根据电池的特性合理充电，往往充电效率不高且容易对锂离子电池造成伤害，缩短其使用寿命。同时大多数锂电池管理系统采用被动均衡的均衡方式，均衡效率低，而且容易导致热量管理问题。
【发明内容】
[0004]本发明目的是提供一种性能稳定、成本低、功耗小、充电效率高、均衡效果好的智能动力锂离子电池管理系统，以克服上述电池管理系统的缺陷。
[0005]本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种智能动力锂离子电池管理系统，包括:微控制器模块以及与其连接的采集模块、存储模块、安全保护模块、通讯模块、充放电控制模块、均衡管理模块；采集模块、充放电控制模块、均衡管理模块用于连接电池单元;
[0006]微控制器模块:根据采集模块的电池数据信息控制充放电控制模块、安全保护模块以及均衡管理模块，并将电池数据信息和状态信息通过通讯模块发送给外部设备控制器，并存储到存储模块；
[0007]充放电控制模块:用于连接电池单元，并对电池组的充放电过程进行管理，实现对锂电池组的自动充电；
[0008]均衡管理模块:用于电池组充电过程中减少单体电池容量之间的差异，并且实现自动错误检测与自动配置均衡电流。
[0009]所述充放电控制模块的输出端与安全保护模块的输出端分别与与门的两个输入端连接，与门输出端与场效应管N1、场效应管N2的G极连接，场效应管N1、N2的D极和继电器N3的一端连接后依次经电流传感器、熔断器与电池单元的负极连接，场效应管N1、N2的S极并联后与充电机负极连接，充电机的正极与电池单元的正极连接；继电器N3的另一端通过负载与电池单元的正极连接，控制端与微控制器模块连接，充电机通过CAN总线与通讯模块连接，还通过依次连接的均衡电源模块、均衡管理模块与电池单元的每个单体电池正负极连接。
[0010]所述均衡管理模块包括多个二极管和开关阵列，开关阵列用于控制每一个单体电池的均衡充电开启与关闭，包括多个开关；每个单体电池正负极分别串联二极管、开关后，与均衡电源模块的正负输出端连接。
[0011]一种智能动力锂离子电池管理系统的充电控制方法，包括以下步骤:
[0012]根据采集模块采集到的单体电池电压，电池组总电压、温度和总电流，判断是否进行充电保护；若需要进行充电保护，则断开场效应管NI和场效应管N2，同时通过CAN通讯禁止充电机和均衡电源模块输出；
[0013]若不需要进行充电保护，则进入预充电阶段，在预充电阶段中若单体电池满足均衡开启的条件，则进行均衡充电，同时微控制器模块通过CAN通讯控制均衡电源模块接通继电器N5，关闭继电器N4、继电器N6，均衡电源模块以5V/3A输出；若不满足，执行下一步骤；
[0014]进入快速充电阶段，在快速充电阶段中若单体电池满足均衡开启的条件，则进行均衡充电，同时微控制器模块通过CAN通讯控制均衡电源模块接通N6，关闭N4和N5，均衡电源模块以5V/5A输出；若不满足，执行下一步骤；
[0015]进入饱和充电阶段，在饱和充电阶段中若单体电池满足均衡开启的条件，则进行均衡充电，同时微控制器模块通过CAN通讯控制均衡电源模块接通N4，关闭N5和N6，均衡电源以5V/1A输出；若不满足，执行下一步骤；
[0016]进入补充充电阶段，在补充充电阶段，通过均衡管理模块和开关和CAN通讯控制均衡模块依次对每支单体电池进行充电，直至所有单体电池均达到充电截止电压Vsstop，结束充电，并关闭均衡管理模块的所有开关，以及通过CAN通讯控制均衡电源模块关闭继电器 N5、N4、N6。
[0017]所述判断是否进行充电保护具体为:出现下述情况时则认为需要进行充电保护，否则不需要进行充电保护:
[0018]采集模块采集到电池组温度连续5s内高于或者低于限值；
[0019]电池组总电压连续2s高于限值，或者任意一支单体电池电压连续2s均高于限值；
[0020]电池组与充电机通讯成功后，若电池组发送充电请求，连续1s采集模块未检测到充电电流，或者电池组未发送充电请求，连续1s采集模块检测到充电电流大于2A。
[0021]所述预充电包括以下步骤:
[0022]若电池组总电压低于预充电电池组总电压限值Vtpre或者任意一支单体电池电压低于预充电单体电池电压限值Vspre，微控制器模块控制场效应管NI和场效应管N2导通，通过CAN通讯调节充电机以0.05C恒流输出。
[0023]所述快速充电包括以下步骤:
[0024]当电池组总电压大于阈值Vspeed时，微控制器模块控制场效应管NI和场效应管N2导通，通过CAN通讯调节充电机以0.5C恒流输出。
[0025]所述饱和充电包括以下步骤:
[0026]当电池组总电压大于阈值Vsatura时，微控制器模块通过CAN通讯调节充电机以
0.2C恒流输出，直至电池组总电压达到充电截止电压Vtstop或单体电池电压达到充电截止电压Vsstop，断开场效应管NI和场效应管N2，通过CAN通讯控制充电机禁止充电机输出。
[0027]所述补充充电包括以下步骤:
[0028]依次对每支单体电池进行补充充电，即通过CAN通讯控制均衡电源模块接通继电器N5，关闭继电器N4和N6，控制均衡管理模块(8)的多路开关，依次开启每个单体电池的均衡通路，至此单体电池电压达到阈值电压Vsstop。
[0029]所述均衡开启的条件为:判断电池单元无故障后，电压最高的单体电池和电压最低的单体电池的电压差值大于均衡开启限值Udva。具体为:根据采集模块采集到的单体电池电压，判断电池单元是否故障；如无故障，则当电压最高的单体电池和电压最低的单体电池的电压差值大于均衡开启限值Udva，则进入均衡充电；如有故障，则不进入均衡充电，同时微控制器模块通过CAN通讯控制均衡电源模块关闭继电器N4、N5和N6。
[0030]所述均衡充电具体为:对电压最低的电池单元进行充电，并根据电池所处的充电阶段，通过CAN通讯调节均衡电源模块的输出电流，直到所有单体电池的压差均小于阈值Udvb为止。
[0031]本发明具有以下有益效果及优点:
[0032]1.本发明为集中式电池管理系统，具有体积小，性能稳定，采集精度高，成本低，可靠性强等特点。
[0033]2.本发明的动力锂离子电池管理系统，运用CAN通讯网络并结合电池特性进行充电控制，能够根据电池组数据信息自动选择充电方式，自动匹配充电电流，且具有充电保护功能，能够提高电池组的充电效率，延长电池组循环使用寿命。
[0034]3.本发明提供一种均衡充电控制方式，通过CAN通讯网络与均衡电源模块通讯，根据电池组数据信息自动启动和关闭均衡充电，在电池组不同的充电阶段能自动配置均衡电流，并在主充电结束后，依次对每支单体电池进行补充充电，提高了单体电池间容量一致性。
[0035]4.本发明提供一种均衡电源模块，能够通过CAN通讯调节输出电流，为电池组均衡充电提供可调电源。
【附图说明】
[0036]图1为本发明的智能动力锂离子电池管理系统框架图。
[0037]图2为充放电控制模块原理示意图。
[0038]图3为均衡电源模块原理示意图。
[0039]图4为均衡管理模块原理示意图。
[0040]图5为充电控制算法流程图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0042]本发明提供了一种智能动力锂离子电池管理系统，其包括微控制器模块1、电源模块7、采集模块2、充放电控制模块6、安全保护模块4、通讯模块5、存储模块3和均衡管理模块8。该电池管理系统能够对锂电池电压、温度、电流以及电池荷电状态(简称S0C)实时监测和管理，运用CAN通讯网络对电池组进行自动充电控制，即根据电池组数据信息自动调节充电模式，对容量一致性较差的单体电池进行均衡管理，自动配置均衡充电电流，提高锂电池的容量一致性。该电池管理系统能够提高电池的充