一种智能动力锂离子电池管理系统及其充电控制方法

摘要

本发明涉及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；其充电方法包括：根据采集模块采集到的单体电池电压，电池组总电压、温度、电流等信息，判断电池是否允许充电；如允许，则电池管理系统自动调节对电池组的充电模式；通过CAN通讯自动调节均衡电源模块的输出电流，对电压较低的单体电池进行均衡充电，直到所有单体电池的压差均小于阈值为止。本发明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。

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

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；

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；

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；

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。

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。

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。

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：

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N1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；

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；

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；

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；

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。

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：

采集模块采集到电池组温度连续5s内高于或者低于限值；

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；

电池组与充电机通讯成功后，若电池组发送充电请求，连续10s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10s采集模块检测到充 电电流大于2A。

所述预充电包括以下步骤：

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N1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。

所述快速充电包括以下步骤：

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N1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。

所述饱和充电包括以下步骤：

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N1和场效应管N2，通过CAN 通讯控制充电机禁止充电机输出。

所述补充充电包括以下步骤：

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。

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。

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。

本发明具有以下有益效果及优点：

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。

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。

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。

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

图1为本发明的智能动力锂离子电池管理系统框架图。

图2为充放电控制模块原理示意图。

图3为均衡电源模块原理示意图。

图4为均衡管理模块原理示意图。

图5为充电控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

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SOC)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电效率，延长使用寿命，确保电池组安全、 稳定运行。

如图1所示，本发明的电源模块7分别与采集模块2、微控制器模块1、 通讯模块5、存储模块3、安全保护模块4连接，提供5个模块工作电压，保证 电池管理系统正常工作。

所述采集模块2用于单体电池电压、电池组总电压、总电流以及温度的检 测；由温度、总电压、单体电池电压、总电流和均衡电流采集电路组成。采集 电路由差分运算放大器和分压电阻构成，温度传感器采用热敏电阻，总电流采 集所需的电流传感器采用精密电阻，均衡电流采集所需的电流传感器采用霍尔 电流传感器。

所述微控制器模块1是整个系统的核心模块，它接收采集的数据信息，并 进行处理；根据得到的数据信息进行相应的逻辑运算，估算SOC，控制安全保护 模块4、均衡管理模块8、充放电控制模块6，将采集的数据信息、系统状态信 息以及故障信息写入存储模块3，并通过通讯模块5与外部设备（如整车控制器） 进行交互。

所述充放电控制模块6用于对电池组的充放电过程进行管理，实现对锂电 池组的智能自动充电。由充电控制电路和放电控制电路组成，充、放电过程由 微处理器模块控制，对电池组的充电控制采用预充电、快速充电、饱和充电和 补充充电分阶段控制，并与均衡充电管理相结合，电池管理系统能够根据电池 组数据信息自动配置充电方式，并通过CAN通讯网络与充电机和均衡电源模块 通讯，自动配置充电电流和均衡电流。

所述安全保护模块4用于对电池管理系统和电池组的故障检测，以防止安 全事故的发生。接收微处理器判断发生安全隐患时输出的信号，按等级使能保 护控制信号，产生相应的保护动作。

所述通讯模块5，接收微控制器模块发来的信息，并发送给外部通讯设备， 同时接收外部通讯设备发来的指令信息，转发到微控制器模块处理。

所述存储模块3属于非挥发性记忆模块，与微处理器模块1连接，能够进 行非易失性的存储读写，存储速度快，可以对锂电池管理系统的数据信息和状 态信息进行存储，并在管理系统掉电的情况下存储信息不会丢失，可以永久性 存储锂离子电池管理系统的数据信息。

所述均衡管理模块8用于电池组充电过程中减少单体电池容量之间的差异 度，且具有自动错误检测与自动配置均衡电流功能。由多个相同的开关阵列组 成，具有很强的可移植性。均衡管理模块开关阵列一端与均衡电源模块连接， 另一端与单体电池连接，每个开关阵列均由微控制器模块控制。在某个电池单 元达到均衡开启状态时，对应的开关阵列打开，对此单体电池进行充电。

所述均衡电源模块，由CAN通讯模块、MCU模块、3个电源转换模块、多个 开关和二级管组成，能够与电池管理系统进行通讯，根据电池管理系统的指令， 进行相应的动作，为均衡管理模块提供所要求的输入电源。

如图2所示，本发明所述充放电控制模块6通过CAN通讯与充电机和均衡 电源模块8连接；充放电控制模块6的启动充电信号和安全保护模块4内充电 保护模块的充电保护信号通过与门与场效应管N1和N2的G极连接，继电器N3 的控制端与电池管理系统微控制器模块1相连，N1、N2的D极和N3的一端并联 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端连接，场效应管N3的另一端与负载连接，电池组的正端 作为充电端口与充电机和负载连接，若电池组启动充电后，微控制器模块1控 制充电控制模块6输出，使得N1和N2接通，继电器N3断开，若电池组启动放 电后，微控制器模块1控制充放电控制模块6输出，使得N1和N2断开，继电 器N3接通。

本发明所提出的安全保护模块4主要实现电池系统过充电、过放电、超温、 低温、过流、均衡故障、熔断器故障等一系列保护功能，确保电池组安全稳定 的运行。根据电池管理系统检测的故障对系统运行的重要程度和安全程度进行 分级处理，本安全保护模块的保护功能分为三级保护，第一级保护为轻微程度， 报警提示；第二级保护为严重程度，报警提示并断开相关工作电路，停止相应 的关联动作；第三级保护为熔断器保护，切断总输出电源。所有控制信号均由 微控制器根据处理后的数据信息进行逻辑判断后发出。

本发明所提出的通讯模块5，采用CAN通讯网络与充电机、均衡电源模块以 及外部设备通讯，实现充电控制、均衡控制以及对外数据交互。

如图4所示，本发明所提出的均衡管理模块(8)由多路开关选择电路组成， 第一支单体电池正负极分别串入二极管D7和D8后与开关S1和S2连接，S1和 S2的另一端分别与均衡电源的正负极连接，同理其他单体电池的均衡电路也如 上述方法连接。若启动对某一支单体电池的均衡充电，则闭合此均衡支路的两 个开关，同时关闭其他所有支路的开关。

本发明所提出的均衡电源模块如图3所示，包括MCU模块U1，CAN通讯模 块U2，P1(5V/1A)、P2(5V/3A)、P3(5V/5A)电源转换模块，开关（继电器）N4、 N5、N6，以及二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6组成；CAN通讯模块(U2)与电池 管理系统的通讯模块5连接，用于均衡电源模块接收控制指令返回执行结果； MCU模块(U1)与CAN通讯模块(U2)通过串口通讯线连接；开关N4控制端与MCU 模块(U1)电性连接，另两端分别与D1正极和P1的正极连接，开关N5控制端与 MCU模块(U1)电性连接，另两端分别与D3正极和P2的正极连接，开关N6控制 端与MCU模块(U1)电性连接，另两端分别与D5正极和P3的正极连接，二极管 D1、D3和D5的负极端并联作为均衡电源模块的正极端。D2的负极端与P1负极 端连接，D4的负极端与P2负极端连接，D6的负极端与P3负极端连接，D2、D4 和D6的正极端并联作为均衡电源模块的负极端。MCU模块(U1)通过CAN通讯模 块(U2)，接收来自电池管理系统发来的指令，再根据指令，通过控制开关N1、 N2和N3，来选择P1、P2和P3其中的一个电源模块接通，或全部关闭，根据通 讯协议要求输出相应电流电压，并在接通输出后，通过CAN通讯向电池管理系 统返回均衡电源已正常输出指令。

本发明所提出的均衡控制算法，电池管理系统通过机械触点检测均衡电源 模块是否连接，若均衡电源模块连接，则为了保障均衡充电的安全，电池管理 系统实时进行自检，即若均衡开启，电池管理系统连续5s内未检测到均衡电流， 或者均衡未开启，电池管理系统连续5s内检测到均衡电流，则均衡充电保护， 关闭所有均衡管理模块8的多路选择开关，通过CAN通讯禁止均衡电源模块8 的输出。若均衡自检均衡充电无故障，则进入均衡充电控制算法，根据采集模 块2采集到的单体电池电压，查找到电压最高的单体电池和电压最低的单体电 池，如果两个单体电池的电压差值大于均衡开启限值Udva，则启动对电压较低 单体电池的均衡充电，即通过接通此支单体电池均衡支路上的开关，对其进行 均衡充电，并通过CAN通讯调节均衡电源模块的输出电流,直到所有单体电池 的压差均小于均衡停止阈值Udvb，关闭所有均衡支路的开关。

如图5所示，本发明所提出的一种智能动力锂电池组充电控制算法包括预 充电，快速充电，饱和充电和补充充电。在预充电、快速充电、饱和充电阶段， 动力锂离子电池管理系统根据单体电池电压信息同时进行均衡管理。在电池组 电压较低时采用预充电模式，10min后转为快速充电模式，当电池组充电到末期， 即电池组电压达到一定值时，转入饱和充电，均衡充电在以上三个充电模式下 均可以启动，在饱和充电结束后分别对每支单体电池进行补充充电。为确保电 池组充电的安全，在充电过程中实时自检，一旦有引起充电安全性的问题发生， 立即进入充电保护。

(1)充电保护：根据采集模块2采集的单体电池电压、电池组总电压、温 度和电流数据，进行充电保护功能判断。充电保护功能包括电池组过热保护、 过冷保护、过压保护、充电故障保护。电池组过热保护是当采集模块2采集到 电池组温度连续5s内均高于过热限值时，电池组过热保护；电池组过冷保护是 当采集模块2采集到电池组温度连续5s内均低于过冷限值时，电池组过冷保护； 电池组过压保护是当采集模块2采集到电池组总电压连续2s均高于限值，或者 任意一支单体电池电压连续2s均高于限值时，电池组过压保护；电池组充电故 障是当电池组与充电机通讯成功后，若电池组发送充电请求，连续10s采集模 块2未检测到充电电流，或者电池组未发送充电请求，连续10s采集模块2检 测到充电电流大于2A,，则认为出现充电故障。一旦电池管理系统充电保护，则 断开N1和N2，切断充电回路，同时通过CAN通讯禁止充电机和均衡电源模块输 出。

(2)预充电：若电池组无引起充电的安全性故障，即不进行充电保护时， 根据采集模块2采集的电池组总电压和单体电池电压的数据，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，则电池管理系统闭合N1和N2接通充电回路，通过CAN 通讯调节充电机使其以0.05C恒流输出，此时若单体电池满足均衡开启的条件， 则进入均衡控制算法，同时通过CAN通讯控制均衡电源模块接通N5，关闭N4和 N6，均衡电源以5V/3A对外输出。

(3)快速充电：若电池组无引起充电的安全性故障，即不进行充电保护时， 根据采集模块2采集的电池组总电压和单体电池电压的数据，当电池组总电压 大于Vspeed时，电池管理系统通过CAN通讯调节充电机使其以0.5C恒流输出。 此时若单体电池满足均衡开启的条件，则进入均衡控制算法，同时通过CAN通 讯控制均衡电源模块接通N6，关闭N4和N5，均衡电源以5V/5A对外输出。

(4)饱和充电：若电池组无引起充电的安全性故障，即不进行充电保护时， 根据采集模块2采集的电池组总电压和单体电池电压的数据，当电池组总电压 大于Vsatura时，电池管理系统通过CAN通讯调节充电机使其以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N1和N2，切断充电回路，通过CAN通讯控制充电机禁止充电机输 出。此时若单体电池满足均衡开启的条件，则进入均衡控制算法，同时通过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对外输出。

(5)补充充电：在饱和充电结束后，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，待所有单体电池电压均依次补充充电完成后， 关闭均衡管理模块8的所有开关，通过CAN通讯控制均衡电源模块关闭继电器 N5、N4、N6。