电动汽车电池组能量均衡控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电动汽车电池组能量均衡控制系统，其包括主机单元、从机单元和上位机单元；从机单元包括电池电压采集模块、电池温度采集模块和CAN总线发送数据模块；主机单元包括总线电流采集模块、显示数据模块、电池充放电过程均衡控制模块和CAN总线接收数据模块；电池充放电过程均衡控制模块采用基于电感的双向均衡拓扑结构，即集合了两个电感和一个开关以及反向二极管，相邻的两个电池模块共用一个电感。本实用新型能较好的完成充电过程的能量均衡，由于系统模块化强，可适用于电动汽车动力电池的大规模串联均衡使用；同时具有良好的人机交互界面，能非常好的完成人机交互，操作简单，功能齐全，适于推广与应用。
【专利说明】电动汽车电池组能量均衡控制系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于电动汽车【技术领域】，涉及电动汽车电池组能量均衡控制，尤其涉 及电动汽车磷酸铁锂电池组能量均衡控制系统。
【背景技术】
[0002] 电动汽车的研发成功是解决能源危机和环境污染的最佳方案之一，然而，传统动 力电池存在电池组寿命短、充放电速度慢、甚至在剧烈碰撞下可能引起爆炸等问题。因此新 型锂离子电池一磷酸铁锂电池应运而生，但是，磷酸铁锂电池串联使用中的不均衡现象大 大的限制了其发展，解决电池组中各电池单体的不均衡问题，对电池组能量实现均衡控制， 避免电池组进行恶性循环，以此提升电池组整体使用寿命，是电动汽车推广应用的首要任 务。尤其，现有关于磷酸铁锂电池串联使用中实现均衡控制的软件系统结构复杂，控制繁 琐、效率低，给实现和控制器选择带来很多困难。
【发明内容】
[0003] 本实用新型是为了解决现有电动汽车的磷酸铁锂电池串联使用中实现均衡控制 的软件系统无法高效、精确、有效实现磷酸铁锂电池均衡控制等问题而提出一种系统模块 化强，磷酸铁锂电池均衡控制可靠，均衡效率高，可大规模串联均衡使用的电动汽车电池组 能量均衡控制系统。
[0004] 本实用新型是通过以下技术方案实现的：
[0005] 上述的电动汽车电池组能量均衡控制系统，包括主机单元、与所述主机单元电连 接的从机单元和上位机单元；所述从机单元包括通过信号连接的电池电压采集模块、电池 温度采集模块和CAN总线发送数据模块；所述电池电压采集模块和电池温度采集模块均与 电池组连接；所述主机单元包括通过信号连接的总线电流采集模块、显示数据模块、电池充 放电过程均衡控制模块和CAN总线接收数据模块；所述总线电流采集模块通过电流传感器 连接所述电池组；所述显示数据模块与所述主机单元连接；所述上位机单元与所述主机单 元连接；所述电池充放电过程均衡控制模块与所述电池组连接；所述CAN总线接收数据模 块连接所述CAN总线发送数据模块并通过所述CAN总线发送数据模块分别连接所述电池电 压采集模块和电池温度采集模块；所述电池充放电过程均衡控制模块采用基于电感的双向 均衡拓扑结构，即集合了两个电感和一个开关以及反向二极管，相邻的两个电池模块共用 一个电感。
[0006] 所述电动汽车电池组能量均衡控制系统，其中：所述电池电压采集模块由电压采 集电路组成，所述电压采集电路包括电压采集芯片U5以及与所述电压采集芯片U5连接的 数据隔离芯片U4 ;所述电压采集芯片U5通过电压采集端口连接所述电池组，同时连接有多 个工作模式选择端；同时，所述电压采集芯片U5的电压采集端口通过电容接地，且与所述 电池组的单个电池之间串接有电阻。
[0007] 所述电动汽车电池组能量均衡控制系统，其中：所述电压采集芯片U5通过端口 CSBI连接所述数据隔离芯片U4的端口 VOA，通过端口 SDO连接所述数据隔离芯片U4的端 口 VID，通过端口 SDI连接所述数据隔离芯片U4的端口 V0B，通过端口 SCKI连接所述数据 隔离芯片U4的V0C端口；所述电压采集芯片U5的端口 VREG通过电容C20接地，端口 VREF 通过电容C21也接地，端口 NC接地。
[0008] 所述电动汽车电池组能量均衡控制系统，其中：所述总线电流采集模块由电流采 集电路组成，所述电流采集电路包括电流采集芯片U1、运算放大器U2、电流传感器SEN1以 及电压跟随器；所述运算放大器U2与所述电流采集芯片U1连接，同时还与所述电流传感器 SEN1的输出端连接；所述电流传感器SEN1采用闭环霍尔式电流传感器，其输出端与地之间 串联有电阻R22 ;所述电压跟随器连接于所述电流传感器与模数转换器ADC之间。
[0009] 所述电动汽车电池组能量均衡控制系统，其中：所述模数转换器ADC采用可采集 正负电压的模数转换器。
[0010] 有益效果：
[0011] 本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统结构设计简单、合理，其中，从机单 元可对电池的温度、电压进行有效采集，并通过CAN总线把采集到的信息高效、准确的发送 到主机单元；主机单元能对电池组总线电流进行有效采集，同时，接收从机单元发来的信息 并处理，再通过串口把接收到的数据发送到所述上位机单元上显示，在充放电过程中通过 对数据的判断实现对电池进行动态均衡控制。其中，电池充放电过程均衡控制模块采用基 于电感的双向均衡拓扑结构，这种拓扑结构相对简单，模块化强，而且属于单个电池体与其 余电池之间的均衡，均衡效率相对较高。整个控制系统不仅系统模块化强，均衡效率高，能 量损耗小，而且能可靠地的完成磷酸铁锂电池充电过程的能量均衡，可适用于电动汽车动 力电池的大规模串联均衡使用，同时还具有较高的电压采集精度，电压采集误差可以控制 在5mV之内，为电池组能量均衡提供了可靠地依据并为系统保护的实施提供了条件；再则， 通过良好的人机交互界面，能非常好的完成人机交互，操作简单，功能齐全，保护完善，适于 推广与应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统的结构图；
[0013] 图2为本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统的结构原理图；
[0014] 图3为本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统的电池电压采集模块的电 压采集电路图；
[0015] 图4为本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统的总线电流采集模块的电 流米集电路图。
【具体实施方式】
[0016] 如图1、2所示，本实用新型电动汽车电池组能量均衡控制系统，主要应用于电动 汽车的磷酸铁锂电池组能量均衡控制，包括从机单元1、主机单元2和上位机单元3。
[0017] 从机单元1用于电池温度、电压的采集，其包括电池电压采集模块11、电池温度采 集模块12和CAN总线发送数据模块13 ;该电池电压采集模块11和电池温度采集模块12 均与电池组连接。同时，该从机单元1中电压采集使用了 LTC6802-I电池电压采集芯片，该 LTC6802-I电池电压采集芯片是基于SPI总线。
[0018] 其中，如图3所示，该电池电压采集模块11由电压采集电路组成，其包括电压采集 芯片U5和数据隔离芯片U4 ;电压采集芯片U5通过电压采集端口连接电池组，其中，电压采 集芯片U5的电压采集端口与电池组中的单个电池之间串接有电阻并通过电容接地。本实 施例中该电池组由八节单电池串接而成，该电压采集芯片U5通过电压采集端口 C1~C8分别 对应连接电池组的单个电池 CEEL1~CEEL8 ;其中，该电压采集端口 C1与电池 CEEL1之间串 接有电阻R20并通过电容C25接地，该电压采集端口 C2与电池 CEEL2之间串接有电阻R18 并通过电容C24接地，该电压采集端口 C3与电池 CEEL3之间串接有电阻R15并通过电容 C23接地，该电压采集端口 C4与电池 CEEL4之间串接有电阻R10并通过电容C19接地，该电 压采集端口 C5与电池 CEEL5之间串接有电阻R6并通过电容C17接地，该电压采集端口 C6 与电池 CEEL6之间串接有电阻R5并通过电容C16接地，该电压采集端口 C7与电池 CEEL7 之间串接有电阻R4并通过电容C15接地，该电压采集端口 C8与电池 CEEL8之间串接有电 阻R3并通过电容C14接地；同时，该电压采集芯片U5还包括电压采集端口 C9~C12和正极 电压端口 V+，该电压采集端口 C9通过电阻R16连接至电池 CEEL8,该电压采集端口 C10通 过电阻R14也连接至电池 CEEL8,该电压采集端口 C11通过电阻R11也连接至电池 CEEL8， 该电压采集端口 C12通过电阻R7也连接至电池 CEEL8 ;该电压采集芯片U5的正极电压端 口 V+连接至电池 CEEL8。
[0019] 电压采集芯片U5通过端口 CSBI连接数据隔离芯片U4的端口 V0A，通过端口 SD0 连接数据隔离芯片U4的端口 VID，通过端口 SDI连接数据隔离芯片U4的端口 V0B，通过端 口 SCKI连接数据隔离芯片U4的V0C端口；其中，该电压采集芯片U5的端口 VREG通过电容 C20接地，该电压采集芯片U5的端口 VREF通过电容C21也接地，该电压采集芯片U5的端口 NC接地。
[0020] 电压采集芯片U5还连接有多个工作模式选择端，本实施例中电压采集芯片U5分 别连接有工作模式选择端P3、工作模式选择端P5、工作模式选择端P6和工作模式选择端 P7 ;其中，其中，该电压采集电路的连接端口 P2连接到电池组的各个单体电池电极上。该工 作模式选择端P3、P5、P6和P7的1号端子彼此相连且连接至电压采集芯片U5的负极电压 端口 V -;该工作模式选择端P3的2号端子连接至电压采集芯片U5的端口 VMDDE，3号端 子连接有电阻R9 ;该电阻R9连接至该电压采集芯片U5的端口 VREF且还通过电阻R8连接 至电压采集芯片U5的端口 S0D。该工作模式选择端P5的2号端子连接至电压采集芯片U5 的端口 WDTB，3号端子通过电阻R17连接至该电压采集芯片U5的端口 VREF且还通过电阻 R8连接至电压采集芯片U5的端口 S0D。该工作模式选择端P6的2号端子连接至电压采集 芯片U5的端口 MMB，3号端子通过电阻R19连接至该电压采集芯片U5的端口 VREF且还通过 电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口 S0D。该工作模式选择端P7的2号端子连接至电压 采集芯片U5的端口 T0S，3号端子通过电阻R21连接至该电压采集芯片U5的端口 VREF且 还通过电阻R8连接至电压采集芯片U5的端口 S0D。数据隔离芯片U4的端口 VDD1接+5V 电源，端口 VDD2接电压采集芯片U5的VREG端口，端口 GND1接一个地，端口 GND2接另一个 地，同时，端口 GND2还与电压采集芯片U5的负极电压端口 V -连接在一起。
[0021] 主机单元2电连接从机单元1，同时双向通信连接上位机单元3 ;该主机单元2包 括电流采集模块21、触摸液晶屏显示模块22、电池充放电过程均衡控制模块23和CAN总线 接收数据模块24。该总线电流采集模块21通过电流传感器连接电池组。该CAN总线接收 数据模块24与CAN总线发送数据模块13连接，并通过CAN总线发送数据模块13分别连接 电池电压采集模块11和电池温度采集模块12 ;该CAN总线接收数据模块24用于接收从机 单元1通过CAN总线传输来的信息并处理。该显示数据模块22与主机单元2连接，其用于 把接收到的数据显示在触摸液晶屏上，实时监测电池组状态。该上位机单元3与主机单元 2连接，其用于把接收到的数据发送到上位机单元3上显示、记录并分析。电池充放电过程 均衡控制模块23与电池组连接，其用于在充放电过程中对数据的判断实现对电池进行动 态均衡控制。
[0022] 如图4所示，该电流采集模块32由电流采集电路组成，该电流采集电路包括电流 传感器SEN1、电压跟随器U2以及电流采集芯片U1 ;其中，该电流采集芯片U1具有引脚CS、 引脚DIN、引脚DGND、引脚AGND、引脚REFIN/0UT、引脚Vss、引脚Vin_0、引脚Vin_l、引脚 Vin_2、引脚Vin_3、引脚VDD、引脚VCC、引脚VdriV、引脚Dout、引脚DGND和引脚SCLK ;其 中，该电流采集芯片U1是通过引脚Vin_0连接运算放大器U2,通过引脚Vin_l接地AGND， 通过引脚Vin_2以及引脚Vin_3接另一地AGND，该引脚Vin_2和引脚Vin_3是连在一起 的；该引脚VDD和引脚Vdriv相连并一起接+5V电源VCC。该运算放大器U2具有引脚10UT、 弓丨脚1IN-、引脚1IN+、引脚Vcc-、引脚Vcc+、引脚20UT、引脚2IN-和引脚2IN+ ;其中，该引 脚10UT和引脚1IN-彼此相连并一起连接至该电流采集芯片U1的引脚Vin_0 ;该运算放 大器U2还通过引脚1IN+连接电流传感器SEN1，通过引脚Vcc+连接+12V电源VCC。电流 传感器SEN1的正极连接于+12V电源，负极连接-12V电源，同时，该电流传感器SEN1通过 端子Μ连接该运算放大器U2的引脚1IN+，其中，在该电流传感器SEN1的电流测量输出端口 Μ与电压跟随器U2的引脚1ΙΝ+的连接点与地AGND之间还串联有电阻R22 ;该电流传感器 SEN1还具有端子NC。该电压跟随器U2的电源滤波电路由电容C1、电容C2、电容C5和电容 C6连接组成，其中，该电容C1和电容C2并联后连接于+12V电源VCC与地AGND之间；电容 C5和电容C6并联后连接于-12V电源VCC与地AGND之间。本实施例中该电流传感器SEN1 采用的是闭环霍尔式电流传感器，将电流传感器SEN1的输出端与AGND之间接入电阻R22 可将电流小信号变为电压信号；为了实现阻抗匹配，电流传感器与模数转换器U1之间加入 电压跟随器，由于电池充放电电流流向不一样，因此电压值有正负之分，需要选用可采集正 负电压的模数转换器ADC ;该电流采集模块32选用12Bit精度的AD7324芯片，输入电压经 过必要的滤波后送入AD7324芯片采集，AD7324芯片再与主机单元5连接通信，为了保证小 电流时采集的精确度，可采用平滑滤波和中值滤波算法来对采集到的电压值调理校正。
[0023] 以下结合电池开启均衡充电与未开启均衡充电测试对本实用新型做进一步描 述：
[0024] 本实用新型的控制系统由于受制于电池的原因，输出电流为(ΓΙΟ A，充电电流 900mA。充电时每隔3min采集一次电压，结合数据可以发现，开启均衡后，采集到第4次时， 8节电池的电压已经比较接近了（电压差小于6 mV)，表征电池的S0C比较一致，可以预见随 着均衡过程的进行，最终电压差将越来越小，最终停止均衡使电池的S0C趋于一致。而未 开启均衡时，可以看到，采集到第4次时8节电池电压还有比较大的差异，最大电压差有47 mV，可以预见，随着充电过程的继续，该电压差将维持。同时使用五位半万用表和电流钳等 仪器设备对数据结果进行检验比较。
[0025] 表1为开启均衡与未开启均衡充电过程对比表
[0026]
【权利要求】
1. 一种电动汽车电池组能量均衡控制系统，其特征在于：包括主机单元、与所述主机 单元电连接的从机单元和上位机单元； 所述从机单元包括通过信号连接的电池电压采集模块、电池温度采集模块和CAN总线 发送数据模块；所述电池电压采集模块和电池温度采集模块均与电池组连接； 所述主机单元包括通过信号连接的总线电流采集模块、显示数据模块、电池充放电过 程均衡控制模块和CAN总线接收数据模块；所述总线电流采集模块通过电流传感器连接 所述电池组；所述显示数据模块与所述主机单元连接；所述上位机单元与所述主机单元连 接；所述电池充放电过程均衡控制模块与所述电池组连接；所述CAN总线接收数据模块连 接所述CAN总线发送数据模块并通过所述CAN总线发送数据模块分别连接所述电池电压采 集模块和电池温度采集模块； 所述电池充放电过程均衡控制模块采用基于电感的双向均衡拓扑结构，即集合了两个 电感和一个开关以及反向二极管，相邻的两个电池模块共用一个电感。
2. 如权利要求1所述的电动汽车电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电池电 压采集模块由电压采集电路组成，所述电压采集电路包括电压采集芯片U5以及与所述电 压采集芯片U5连接的数据隔离芯片U4 ;所述电压采集芯片U5通过电压采集端口连接所述 电池组，同时连接有多个工作模式选择端；同时，所述电压采集芯片U5的电压采集端口通 过电容接地，且与所述电池组的单个电池之间串接有电阻。
3. 如权利要求2所述的电动汽车电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述电压采 集芯片U5通过端口 CSBI连接所述数据隔离芯片U4的端口 VOA，通过端口 SDO连接所述数 据隔离芯片U4的端口 VID，通过端口 SDI连接所述数据隔离芯片U4的端口 VOB，通过端口 SCKI连接所述数据隔离芯片U4的VOC端口； 所述电压采集芯片U5的端口 VREG通过电容C20接地，端口 VREF通过电容C21也接地， 端口 NC接地。
4. 如权利要求1所述的电动汽车电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述总线 电流采集模块由电流采集电路组成，所述电流采集电路包括电流采集芯片U1、运算放大器 U2、电流传感器SEN1以及电压跟随器； 所述运算放大器U2与所述电流采集芯片U1连接，同时还与所述电流传感器SEN1的输 出端连接； 所述电流传感器SEN1采用闭环霍尔式电流传感器，其输出端与地之间串联有电阻 R22 ;所述电压跟随器连接于所述电流传感器与模数转换器ADC之间。
5. 如权利要求4所述的电动汽车电池组能量均衡控制系统，其特征在于：所述模数转 换器ADC采用可采集正负电压的模数转换器。
【文档编号】H02J7/00GK204089224SQ201420105781
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】简炜, 陈宇峰, 江学焕, 张金亮, 张涛, 向郑涛, 王思山, 周鹏, 史小平 申请人:湖北汽车工业学院