电池管理电路、电池管理电路控制方法和计算机设备与流程

1.本发明涉及电池管理领域，特别是涉及一种电池管理电路、电池管理电路控制方法和计算机设备。


背景技术：

2.电池管理系统的任务是能够采集电池电压、温度以及电流等信息，并据此进行系统级芯片(system on chip，soc)的估算、均衡控制以及故障诊断处理等，从而达到安全可靠使用电池组，最大限度的延长电池的使用寿命的目的。
3.常见的电池管理系统，主要有过充过放控制、过压欠压报警、soc估算、电池组热管理以及与整车的控制器域网(controller area network，can)通讯等功能。
4.上述电池管理系统，在设计上主要针对单一的电池，并且应用在单一的车型上，无法适应不同类型电动汽车的需求。


技术实现要素：

5.基于此，有必要提供一种能够应用于不同类型电动汽车的电池管理电路、电池管理电路控制方法和计算机设备。
6.一种电池管理电路，包括：
7.主控模块，通过通讯模块与测控模块进行通讯，用于控制测控模块的工作，并接收测控模块发送的电池测量数据；主控模块还与目标电池组连接，用于采集目标电池组的电路数据，并根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作；
8.测控模块，与目标电池组连接，用于测量目标电池组内各单体电池的电压数据，测控模块还用于获取目标电池组对应的环境温度，测控模块包括与目标电池组内单体电池数量相同的测控单元，每个测控单元用于测量一个单体电池的电压温度数据。
9.在其中一个实施例中，上述主控模块包括：
10.控制单元，用于控制测控模块的工作，以及根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作；
11.总电压测量单元，分别与控制单元以及目标电池组连接，用于测量目标电池组的总电压；
12.总电流测量单元，分别与控制单元以及目标电池组连接，用于测量目标电池组的总电流。
13.在其中一个实施例中，上述主控模块还包括：
14.报警单元，分别与控制单元以及目标电池组连接，用于根据控制单元的控制指令输出目标电池组的故障情况。
15.在其中一个实施例中，上述主控模块还包括：
16.电源单元，分别与控制单元、总电压测量单元、总电流测量单元、报警单元以及测控模块连接，用于为电池管理电路提供电源。
17.在其中一个实施例中，上述电源单元还包括：
18.滤波子单元，用于滤去电源单元整流输出电压中的纹波。
19.在其中一个实施例中，上述测控模块包括：
20.单体电池电压测量单元，与目标电池组中对应的单体电池相连接，用于测量单体电池的电压；
21.温度测量单元，用于获取目标电池组中对应的环境温度。
22.在其中一个实施例中，上述单体电池电压测量单元包括：
23.选通子单元，与目标电池组中对应的单体电池连接，用于选择需要测量的单体电池，以及需要测量的数据类型；
24.差分子单元，与目标电池组中对应的单体电池连接，用于采集单体电池的电压信号；
25.隔离子单元，与差分子单元连接，用于对测量的电压数据进行处理，将处理后的电压数据传输到控制子单元；
26.控制子单元，分别与通选子单元和隔离子单元连接，用于控制通选子单元进行选择，以及接收隔离子单元传输的电压数据。
27.在其中一个实施例中，上述温度测量单元包括：
28.温度传感器，与目标电池组中对应的单体电池连接，用于产生与环境温度对应电压信号，并将电压信号传输至隔离子单元；
29.隔离子单元，与温度传感器连接，用于对电压信号进行隔离处理，并传输至滤波子单元；
30.滤波子单元，与隔离子单元连接，用于对电压信号进行滤波处理，并传输至温度计算子单元；
31.温度计算子单元，与滤波子单元连接，用于根据电压信号计算对应的电阻值，并根据电阻值获取目标电池组的环境温度。
32.在其中一个实施例中，上述电池管理电路还包括：
33.附件模块，包括与目标电池组内单体电池数量相同的电阻，与目标电池组中对应的单体电池并联，用于控制单体电池间的电压；
34.时钟模块，用于控制上述控制单元输出的电磁辐射。
35.一种电池管理电路控制方法，用于控制根据上述电池管理电路，包括以下步骤：
36.接收测控模块发送的电池测量数据；
37.采集目标电池组的电路数据；
38.根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作。
39.一种计算机设备，包括上述电池管理电路。
40.上述电池管理电路包括主控模块和测控模块，其中，主控模块通过通讯模块与测控模块进行通讯并控制测控模块的工作，且主控模块还与目标电池组连接并采集目标电池组的电路数据，测控模块与目标电池组连接并测量目标电池组内各单体电池的电压数据，测控模块还用于获取目标电池组对应的环境温度，通过主控模块接收测控模块发送的电池测量数据，并根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作，可以应用于各种类型的电动汽车，实现对车辆电池的均衡控制。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为一个实施例中电池管理电路的电路示意图；
43.图2为图1中主控模块的结构示意图；
44.图3为一个实施例中总电压测量电路的电路示意图；
45.图4为图1中测控模块的结构示意图；
46.图5为图4中单体电池电压测量单元的结构示意图；
47.图6为一个实施例中单体电池电压测量电路的电路示意图；
48.图7为图4中温度测量单元的结构示意图；
49.图8为一个实施例中环境温度测量电路的电路示意图；
50.图9为另一个实施例中电池管理系统的结构示意图；
51.图10为一个实施例中电池管理电路控制方法的流程示意图。
52.附图标记说明：
53.100-主控模块，200-测控模块，300,-通讯模块，400-目标电池组，101-控制单元，102-总电压测量单元，103-总电流测量单元，104-报警单元，105-电源单元，201-单体电池电压测量单元，202温度测量单元，2011-选通子单元，2012-差分子单元，2013-隔离子单元，2014-控制子单元，2021-温度传感器，2022-隔离子单元，2023-滤波子单元，2024-温度计算子单元。
具体实施方式
54.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本技术的公开内容更加透彻全面。
55.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
56.可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
57.在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
58.电动车以锂电池为主要动力驱动来源，源于锂电池有高能量密度优势，所以性能较为稳定。然而锂电池大量生产时品质不易掌握，电池芯出厂时电量存在细微差异，且随着操作环境改变等因素，电池间不一致性将愈趋明显，电池效率、寿命也都将变差，再加上过充或过放等情况，严重时可能导致起火燃烧等安全问题。
59.电池管理系统(battery management system，bms)是电动汽车不可或缺的重要部件，主要有过充过放控制、过压欠压报警、电池荷电状态估算、电池组热管理以及与整车的控制器域网(controller area network，can)通讯等功能。通过bms能准确量测电池组使用状况，保护电池不至于过度充放电，平衡电池组中每一颗电池的电量，以及分析计算电池组的电量并转换为可理解的续航力信息，确保动力电池安全运作。
60.其中，过充指锂离子电池过充时，充电电压超过设定的电压，如电池额定电压为3.7伏(v)，满电电压为4.2
±
0.05v，即最高电压为4.25v，当充电电压超过4.25v就称为过充。过充时，电池电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，产生大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压急剧增加，内部隔膜融化或收缩，导致正负极材料接触短路，存在爆炸、燃烧等隐患。过放是指放电时电压达到额定电压还继续放电，如三元锂电池额定放电电压为3.2v，低于3.2v时还继续放电，就称为过放。电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续放电就会造成过放电，电池过放电可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，电解液分解，负极锂沉积，电阻增大，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。对所有的电器设备而言，都有一个额定电压，但在实际中，不能完全保证在额定电压下工作，是在额定电压附近的一个范围，一般要求在
±
15％。为了保护电器设备和工艺质量，如果低于－15％这个电压，就是“欠压”，当工作电压下降到这个电压以下，保护动作，切断电源。相反，如果高于+15％这个电压，就是“过压”，保护也动作切断电源。电池荷电状态指蓄电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示。电池热管理是指根据温度对电池性能的影响，结合电池的电化学特性与产热机理，基于具体电池的最佳充放电温度区间，通过合理的设计，解决电池在温度过高或过低情况下工作而引起热散逸或热失控问题。
61.常见的电池管理系统，不管是集中式bms还是分布式bms，在设计上主要是针对单一的电池，并且只能应用在单一的车型上，无法适应不同类型电动汽车的快速研发甚至产业化。集中式bms的单体电池电压和温度等数据采样线过多，分布式bms的系统硬件成本过高，而对于新电池的应用，往往需要进行多次重复的电池管理系统开发，这即耗费人力资金，也大大的阻碍了动力电池在电动汽车上的应用。
62.基于上述问题，本技术实施例提供了一种电池管理电路，能够采集电池电压、温度以及电流等信息，并据此进行soc估算、均衡控制以及故障诊断处理，从而达到安全可靠使用电池组，最大限度的延长电池的使用寿命的目的。在实际应用中，硬件的抗干扰设计主要集中在以下几个方面：(1)在元器件布局过程中，将功能模块在一个区域内，将外围接插线布置在电路板的边缘，将模拟电路与数字电路分开，减小它们之间的相互影响；(2)布线时，使信号线走向清晰有条理，方向一致，顶层布线和底层布线垂直，减小过孔的数量，减少回路环的面积，从而降低信号噪声；(3)对于闲置不用的芯片管脚，进行接地或者接电源处理，以减小它们对其他电路部分的干扰；(4)接地线尽量粗且构成死循环，降低地线内部的电位差，在整个印制电路板上进行大面积覆铜，降低由于地线波动对电子元器件管脚电压的干扰，在信号线之间夹杂地线，减小信号在传输过程中的相互串扰。
63.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种电池管理电路，包括：主控模块100、测控
模块200、通讯模块300和目标电池组400。
64.其中，主控模块100通过通讯模块300与测控模块200进行通讯，用于控制测控模块200的工作，并接收测控模块200发送的电池测量数据；主控模块100还与目标电池组400连接，用于采集目标电池组400的电路数据，并根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组400的工作。测控模块200与目标电池组400连接，用于测量目标电池组400内各单体电池的电压数据，测控模块400还用于获取目标电池组400对应的环境温度，测控模块200包括与目标电池组400内单体电池数量相同的测控单元，每个测控单元用于测量一个单体电池的电压温度数据。
65.其中，通讯模块是为主控单元和测控模块通信而建立的，在实际应用中，可选用can通讯模块。can模块是一款对整车各电子控制装置之间实现通讯数据转发的智能电控设备，从而使整车实现车载电控装置区域性网络控制系统，采用了功能强大的带有两路can控制器的16位微控制器，可同时适用于高速和低速can总线网络，具有很好的密封性，可使用于各种恶劣环境。can通讯硬件电路一般由can控制器和can收发器组成。can控制器分为两种，即独立can控制器和单片机内置can控制器，为使硬件电路结构简单，can控制器选用主控单元单片机内置can控制器，can收发器则选用独立can控制器。
66.继续参见图1，在一个实施例中，电池管理电路还包括：附件模块500和时钟模块600。
67.其中，附件模块500包括与目标电池组400内单体电池数量相同的电阻，与目标电池组中对应的单体电池连接，用于控制单体电池间的电压；时钟模块600用于控制主控模块100中控制单元输出的电磁辐射。在实际应用中，附件模块中每个电阻与对应的单体电池并联，通过对电阻放电降低单体电池电压，从而将电池组内单体电池之间电压控制在一定的范围内。时钟模块包括晶体振荡器、晶振控制芯片和电容等，为保证最大限度的抑制主控模块对外的电磁辐射，时钟模块面积应尽量小，晶振应尽量靠近主控模块，且晶振外壳与地连接。
68.在一个实施例中，如图2所示，上述主控模块100包括：控制单元101、总电压测量单元102和总电流测量单元103。
69.其中，控制单元101用于控制测控模块200的工作，以及根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组400的工作；总电压测量单元102分别与控制单元101以及目标电池组400连接，用于测量目标电池组400的总电压；总电流测量单元103分别与控制单元101以及目标电池组400连接，用于测量目标电池组的总电流。
70.其中，在实际应用中，控制单元要求具有较高的运算能力，因此应尽量选用集成度较高，运算速度快的中央处理器(cpu)作为核心控制器，例如16位单片机等。总电压测量单元包括继电器和隔离放大单元，测量总电压时的电路结构图如图3所示，需要采集总电压数据时，cpu控制1个i/o口使模拟开关(继电器)打开，目标电池组电压信号通过隔离放大单元，经过滤波后送入单片机内置的转换器中，实现对电池总电压的采集。i/o是input/output的缩写，指单片机的输入输出端口。继电器可选用高速光隔固态继电器，其隔离电压为1500伏，导通电阻小、开路漏电流低、响应速度快，且无需配备专门的驱动电路。隔离放大单元选用变压器祸合的精密隔离放大器，通过片内变压器祸合，能将输入信号与输出信号进行有效的电气隔离。总电流测量单元可以选择用于检测大电流的器件的电流型霍尔元
件，此元件精度高、反应时间快且具有很强的抗干扰能力。
71.在一个实施例中，继续参见图2，上述主控模块100还包括：报警单元104。
72.其中，报警单元104分别与控制单元101以及目标电池组400连接，用于根据控制单元101的控制指令输出目标电池组400的故障情况。在实际应用中，报警单元可选用多个指示灯来表示不同的电池故障，每种故障分为两级，临界故障和严重故障。当发生临界故障时，相应的故障指示灯闪烁。发生严重故障时，相应的故障指示灯常亮。无故障发生时，各故障指示灯均灭掉。
73.在一个实施例中，继续参见图2，上述主控模块100还包括：电源单元105。
74.其中，电源单元105分别与控制单元101、总电压测量单元102、总电流测量单元103、报警单元104以及测控模块200连接，用于为电池管理电路提供电源。在实际应用中，电池管理电路由车辆辅助电源供电，额定电压为24v。而由于车辆在运行过程中会在辅助电池两端的电压上造成尖峰或跌落(例如发动机点火瞬间、高压继电器闭合和断开瞬间等)，因此电池管理电路的工作电压范围在18～28v区间。
75.在一个实施例中，上述电源单元还包括：滤波子单元，用于滤去电源单元整流输出电压中的纹波。
76.在一个实施例中，如图4所示，上述测控模块200包括：单体电池电压测量单元201和温度测量单元202。
77.其中，单体电池电压测量单元201与目标电池组400中对应的单体电池相连接，用于测量单体电池的电压；温度测量单元202用于获取目标电池组400中对应的环境温度。
78.在一个实施例中，如图5所示，上述单体电池电压测量单元201包括：选通子单元2011、差分子单元2012、隔离子单元2013和控制子单元2014。
79.其中，选通子单元2011与目标电池组400中对应的单体电池连接，用于选择需要测量的单体电池，以及需要测量的数据类型；差分子单元2012与目标电池组400中对应的单体电池连接，用于采集单体电池的电压信号；隔离子单元2013与差分子单元2012连接，用于对测量的电压数据进行处理，将处理后的电压数据传输到控制子单元2014；控制子单元2014分别与通选子单元2011和隔离子单元2013连接，用于控制通选子单元2011进行选择，以及接收隔离子单元2013传输的电压数据。在实际应用中，测量单体电池电压时的电路结构图如图6所示，当需要采集某单体电池的电压时，单片机由i/o口通过选通网络选择需要测量的单体电池两端的电压，此电压信号经差分运放电路引入电路中，再经过隔离处理后直接送入单片机的内置转换器模块中，从而获得电压数据。
80.在一个实施例中，如图7所示，上述温度测量单元202包括：温度传感器2021、隔离子单元2022、滤波子单元2023、温度计算子单元2024。
81.其中，温度传感器2021与目标电池组400中对应的单体电池连接，用于产生与环境温度对应电压信号，并将电压信号传输至隔离子单元2022；隔离子单元2022与温度传感器2021连接，用于对电压信号进行隔离处理，并传输至滤波子单元2023；滤波子单元2023与隔离子单元连接2022，用于对电压信号进行滤波处理，并传输至温度计算子单元2024；温度计算子单元2024与滤波子单元连接2023，用于根据电压信号计算对应的电阻值，并根据电阻值获取目标电池组400的环境温度。
82.其中，滤波子单元包括滤波电路，滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一
般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器，或与负载串联电感l，以及由电容、电感组成而成的各种复式滤波电路。
83.工作原理说明：
84.当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感应电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。
85.其中，在实际应用中，温度传感器可以选用具有负温度系数的热敏电阻。由于热敏电阻阻值与温度具有特定的对应关系，将热敏电阻经过简单处理后放置于电池组中，通过测量热敏电阻的阻值，即可获得电池组的环境温度。测量目标电池组对应的环境温度时的电路结构图如图8所示，将热敏电阻与一个电阻串联后一端接地，热敏电阻的两端产生一个电压信号，将此电压信号进行隔离滤波处理，送入单片机内部转换器，然后根据热敏电阻电压值以及电路关系计算对应的热敏电阻的阻值，最后利用查表法获得对应的电池组环境温度值。以在25℃时的阻值为10k的负温度系数(ntc)热敏电阻为例，其阻值与温度对照表的部分参数如表1所示。
86.表1
87.温度(℃)阻值(ω)温度(℃)阻值(ω)温度(℃)阻值(ω)-40168300016330452184-3088500109950601244-204856020624575740-102767030402990458.2
88.可以理解，上述电池管理电路还可以采用其他形式，而不限于上述实施例已经提到的形式，只要其能够达到完成电池管理的功能即可。
89.例如，控制单元可以是80管脚或112管脚封装的16位单片机，或其他除16位单片机以外能够实现控制功能的控制器。
90.例如，报警单元可以是蜂鸣器或其他除发光二极管以外能够用于指示故障情况的元器件。
91.此外，替换方案可以是部分结构或器件的替换，也可以是整个技术方案的替换。
92.在另一个实施例中，如图9所示，提供了一种电池管理系统，包括一个主控单元模块和n个功能相同的测控单元模块，主控单元和测控单元间采用can网络连接。通过主控单元采集电池组的总电压和总电流，通过测控单元采集单体电池的电压和电流，以及电池组的环境温度，并将采集到的数据发送至主控单元，主控单元根据接收到的数据以及自身采集的数据，进行电池组的故障诊断并控制电池组的工作。
93.其中，主控单元包括总电压采集电路、总电流采集电路、can通讯电路、故障显示电路以及电源电路几个部分。主控单元负责系统的总体运行，除了通过can网络管理测控单元外，还接收测控模块发送的单体电池电压和温度数据包、以及节点状态报告信息，发送给测控单元启动工作命令和均衡工作命令包。此外，还负责采集总电压以及总电流，根据采集到
各种电池数据进行soc估算、均衡控制、故障诊断及处理等，并在适当的时候开启风扇和主继电器、在存储器上进行重要参数的存储。
94.测控单元包括多路单体电压测量电路、温度测量电路、均衡电路以及can通讯电路等。测控单元主要实现模块内单体电池电压以及电池组环境温度采集，同时通过can网络向主控单元传送电池数据和自身状态信息，接收并执行主控单元的启动工作命令和均衡控制命令。
95.其中，总电压采集电路用于采集电池组的总电压，总电流采集电路用于采集电池组的总电流，can通讯电路用于主控单元与测控单元间的数据通讯，故障显示电路用于根据主控单元的控制指令指示电池组的故障情况，电源电路用于为主控单元提供电源。多路单体电压测量电路用采集电池组中各单体电池的电压，温度测量电路用于测量电池组周围的环境温度，均衡电路用于将单体电池的电压控制在一定范围。
96.在一个实施例中，如图10所示，本技术还提供了一种电池管理电路控制方法，包括以下步骤：
97.s1001：接收测控模块发送的电池测量数据。
98.其中，电池测量数据包括目标电池组内各单体电池的电压数据以及目标电池组的环境温度。
99.s1002：采集目标电池组的电路数据。
100.其中，电路数据包括目标电池组的总电压以及总电流。
101.s1003：根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作。
102.其中，控制目标电池组的工作包括根据电路数据以及电池测量数据进行目标电池组的故障诊断以及剩余电量估算等，
103.上述实施例中，通过接收测控模块发送的电池测量数据，以及采集目标电池组的电路数据，根据电路数据以及电池测量数据控制目标电池组的工作，能够应用于各种类型的电动汽车，实现对车辆电池的均衡控制。
104.在一个实施例中，本技术还提供了一种计算机设备，该计算机设备包括上述电池管理电路。
105.上述电路可以应用于诸如ac适配器、电视接收机或视频游戏设备等电子装置的开关电源设备或类似设备中。
106.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”、“其中一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。
107.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
108.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。