用于电动自行车电池组快速充电的电池管理系统及方法

摘要

本发明提供了一种用于电动自行车电池组的电池管理系统，所述电池管理系统用于对电池组和对该电池组充电的充电机进行管理和控制。所述电池管理系统包括：采样及充电控制模块、放电控制模块。本发明还提供了一种电池组充放电管理方法。本发明的电池管理系统在大电流充电的情况下，能够更加准确高效地实现电池充放电的管理，使得电池容量的确定更加准确。此外，本发明的电池管理系统为高倍率充电设计了更为合理的充电流程，使得充电效果更好，充入电量更多。

说明书

技术领域

本发明涉及电气控制领域，具体涉及一种用于对电动车的电池组进行BMS管理的管理系统及相应方法。

背景技术

随着移动设备和储能电源的需求增加，锂电池作为能源的场合越来越普遍。由于锂电池电解液成分的限制，一般锂电池为了保持其使用寿命和充电安全，将充电倍率控制在0.3～1C左右，以这样的充电倍率对充分放电的锂电池充电大约需要1～3小时，而常用的电池管理系统(BMS)往往在充电管理环节也以不大于1C的充电倍率为管理目标。

新型的钛酸锂电池突破的传统锂电池的充电倍率限制，可以将充电倍率提高，比如，达到6C以上，而当电池单体容量增加后充电电流会进一步增大，市面上常用的电池管理系统不适用于这种高倍率大电流的充电条件。

目前市面上常用的电池管理系统多采用集成模拟芯片(例如ML5235或其他精工电子的同类产品)进行硬件控制，所有的过欠压判断与保护动作都由芯片自动控制，相应的参数也由芯片出厂时预定好，只能在一定范围内微调。这类方案往往也具有充电/放电过流保护功能，同样，其保护值是芯片出厂时预定好的。

但是，上述方案在应对大电流充电环境时有明显的缺陷，主要原因是其检测/保护充放电电流的方式。

如图1所示，此类方案采用输出负极串联电阻对充放电电流进行检测，同时通过串联在输出负极的NMOS管来进行保护动作控制。这种做法的缺陷在于:由于充放电检测共用一个检流电阻，当充电电流远大于放电电流时，将无法选取合适的电阻值。如果检流电阻值以放电电流保护为目标计算，那么大电流充电时检流电阻两端的电压差将会快速增加，在充电电流没有达到足够大时就会被芯片检测为充电电流过大而截至。反之亦然。

如图1所示，运放电路通过电流流过检流电阻两端时产生的电位差来检测电流值。这样，当流过检流电阻的电流值过大时，检流电阻将产生过多的功耗。减小检流电阻的阻值可以减小其功耗，但过小的电阻值其精度难以保证，而且在流过电流较小时产生的压差太小也会导致运放电路无法准确检测电流值。

目前常用的另一类方案为使用数字电压检测芯片，通过单片机实时读取电池电压，然后进行软件判断后进行各个保护动作。这类方案的保护参数设置较为灵活，基本不受电池类型与电流大小的影响。

但是这种方案在应用于大电流高倍率充电时往往会出现一些不适用的情况：

1、由于这类方案的电流检测方式基本也是通过串联在放电回路上的检流电阻来检测，在充放电电流差距过大时，如果检流电阻设置过大可能会使相应的充电检流电压超过单片机ADC量程，或者由于检流电阻设置过小而不能准确检测放电电流，而此类电池管理系统方案的主要作用之一就是进行SOC计算，放电电流的检测误差会极大的影响SOC计算。

2、由于这类方案与现有技术一中所述的方案一样，采用通用开关电源或限压限流电源进行充电，所以不能根据电池状况对充电过程中的电压电流进行控制，无法针对不同的电池特性对其进行最优化的充电控制。

而且现有的电池容量的计算方式也存在其缺点。现有电量计算方式有如下两种:1、根据电池电压与电量的测试曲线，通过采样得到的电压计算对应的电量值。这种计算方式只在工作条件与实验条件一致时才准确，当放电电流、电池健康状况等条件改变时原有曲线将不再成立，计算结果也会出现较大的偏差。2、在完全充电后将电量置为100％，通过计算放电电流与时间的积分计算已放出电量，相减得到剩余容量。这种方式在电池状况较好时比较准确，但当电池健康状况下降时置为100％电量后实际电量无法达到预设值，容量计算结果就会比实际值偏大。

发明内容

针对上述问题，本发明希望提供一种适用于大电流充放电电池及充电机、能够准确计算电池剩余容量并且对电池组进行足量充放电的电池管理系统及相应方法。

具体而言，本发明提供一种用于电动自行车电池组的电池管理系统，所述电池管理系统用于对电池组和对该电池组充电的充电机进行管理，其特征在于，所述电池管理系统包括：采样及充电控制模块、放电控制模块。

进一步地，所述采样及充电控制模块包括电压采样芯片、MCU、存储模块、充电电流检测模块、充电电流控制模块，

所述电压采样芯片分别与被管理的电池组中的各个电池节点相连，用于测量每节电池两端的电压；

所述MCU分别与所述电压采样芯片、存储模块、充电电流检测模块以及所述充电电流控制模块相连，用于分别对各模块进行控制；

所述存储模块用于存储所述电池组的充放电信息；

所述充电电流检测模块安装在所述充电机的充电回路中，用于实时测量充电电流，并且将所述充电电流值发送给所述MCU和所述存储模块；

所述充电电流控制模块用于对所述充电机的充电电流进行控制。

进一步地，所述放电控制模块包括检流电阻和检流芯片，所述检流电阻串联连接在所述电池组的正极，所述检流芯片与所述检流电阻并联，用于在所述电池组进行放电时测量流过所述检流电阻的电流。

进一步地，所述MCU控制所述充电机以使所述充电机的充电过程分成三个模式：恒流模式、恒功率模式和恒压模式，如果所述电池组的总电压低于第一预定下限，则所述充电机以恒流模式对所述电池组充电；如果所述电池组的电压高于第一预定上限，则所述充电机以恒功率模式进行充电，减小充电电流；并且当所述电池组的电压高于第二预定上限时，所述充电机以恒压模式进行充电。

进一步地，所述存储模块中存储有所述电池组的预设容量，所述MCU基于所述电池组的实际电池容量相对于所述预设容量之间的衰减幅度控制所述充电机在不同充电模式之间切换。

进一步地，所述电池管理系统还包括均衡模块，所述均衡模块包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路。

进一步地，所述采样芯片为LT6803，所述检流芯片为LT6101。

另一方面，本发明提供一种电池充放电管理方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)读取当前电池组电量信息；

(2)判断电池组是否处于充电状态或放电状态；

(3)如果所述电池组处于充电状态，则从充电机读取充电电流；

(4)计算充电电流随时间的积分；

(5)将充电电流的积分量与所读取的电池组电量信息进行加和，作为电池组当前电量；

(6)如果所述电池组处于放电状态，则从所述电池组的放电回路读取放电电流；

(7)计算放电电流随时间的积分；

(8)将放电电流的积分量与所读取的电池组电量信息进行减差，作为电池组当前电量。

在一种优选实现方式中，均衡模块包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路。

在一种优选实现方式中，所述电池组为串联电池组，所述串联电池组的总正、负极分别连接到所述均衡电源模块的两个输入端；

所述均衡总线包括第一均衡总线和第二均衡总线；

所述继电器组包括节点继电器和奇偶继电器，所述电池组中每节电池的两端各连接一个节点继电器，任意相邻的两节电池之间共用一个节点继电器，奇数的节点继电器连接至第一均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二均衡总线；

所述均衡电源模块的正、负输出端分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，所述奇偶继电器的两个活动端可以顺序与所述第一均衡总线、所述第二均衡总线相连，或者顺序与所述第二均衡总线、第一均衡总线相连；

所述第一均衡总线和所述第二均衡总线之间还连接有所述均衡电阻，所述均衡电阻与所述第一或第二均衡总线之间设置有放电均衡开关；

所述均衡电源与所述电池组的总正负极之间设置有充电均衡开关；

所述保护电路分别连接所述奇偶继电器的两个固定端，并且基于所述奇偶继电器的两个固定端的电压控制所述充电均衡开关的开闭。

有益效果

本发明主要用于高倍率、大电流充电的电池组管理。

本发明的电池管理系统在大电流充电的情况下，能够更加准确高效地实现电池充放电的管理，使得电池容量的确定更加准确。本发明可以对电池组的温度进行监控，减小充电时电池组的发热量，避免电池组的高温损伤或烧毁。此外，本发明的电池管理系统为高倍率充电设计了更为合理的充电流程，使得充电效果更好，充入电量更多。

此外，本发明还在充放电管理中增加了均衡模块，可以在充放电过程中对电池组进行均衡，保证整组电池的一致性。并且，本发明可以根据电池状态选择不同的充电流程，延长电池使用寿命。可以根据电池状态选择不同的保护时机，最大限度利用电量。

附图说明

图1为现有技术中所采用的一种电池管理电路的结构示意图；

图2为本发明一个实施例所采用的电池管理系统的结构示意图；

图3为本发明电池管理系统的电压采样部分的原理示意图；

图4为本发明电池管理系统中所采用的放电检流部分的电路示意图；

图5为本发明电池管理系统中所采用充电检流过程的简化电路图。

图6为本发明的电池管理方法的示意性流程图；

图7为本发明一个优选实施例中所采用的均衡模块的电路结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例的结构框图如图2所示，其主要包括采样及充电控制模块、放电控制模块两部分。在本实施例中为了更好地对电池充放电进行均衡还添加了均衡模块。三个模块以电路板的形式实现，通过各连接端脚与电池组连接。本发明的管理系统在使用时需要首先将电池组的各个节点用导线依次与电池管理系统的各个采样点进行连接，将电池组的放电正负极用可适应最大电池组充放电电流的导线与电池管理系统的功率节点连接，将电池组的功率输出节点与需要电池组进行供电的负载或者充电器连接。充电时将电池管理系统与充电机的CAN总线连接，并将功率线连接。

图3示出了采样及充电控制模块中的采样芯片进行采样的示意图。在本实施例中通过两片级联的LTC6803芯片进行电压采样，MCU从LTC6803芯片获取所有电池单体的当前电压。电池组中每节电池两端都设置有连接点，这些连接点作为电池组的节点，各个节点与LTC6803芯片的采样点相连，MCU通过SPI总线通信对LTC6803进行控制并读取各个电池单体的电压。MCU可以通过所获取的电池单体电压，控制均衡模块对电池组进行均衡。

图4示出了对电池组进行放电时，对电池组进行电流测量的过程。检流电阻和LTC6101转换芯片接入到电池组的充放电回路中。检流电阻串联连接在电池组的正极处，LTC6101与检流电阻并联在电池组输出回路正极进行电流采样，以避免干扰。在电池组进行放电时，由MCU从LTC6101获取当前电池组的输出电流，并存储在存储模块中。这种检流方式可以避免检流过程中在电池地和负载地之间产生电位差，使电池管理系统在对外通信时的稳定性更高。

相比之下，图1中的现有方案会在负载地和电池地之间产生电位差，使电池管理系统在通信时可靠性下降。

图5示出了在对电池组进行充电时，对电池组所流过的充电电流的检测方法。如图所示，在对电池组进行充电时，MCU通过CAN总线与充电器通信，控制充电器的当前充电电流/电压。充电机使用可通信控制的开关电源。充电机中包含电流测量芯片或检流电阻，由充电机对充电电流进行测量。本发明主要适用于采用大电流进行充电的情况，因为充电电流过大，且同时受可用空间及散热条件限制，现有的方式已经难以适应。而本发明巧妙的实现了充电过程和放电过程电流检测的分离，并且在充电时将开关控制与充电电流检测功能由充电机完成，同时由电池管理系统通信控制。可以适应充放电电流差异较大的情况。

现有方案的充电开关控制与充电电流检测都由电池管理系统完成，并且充电机采用恒压源或限压限流电源，不能由电池管理系统控制充电电压电流，本方案中的BMS通过通信控制充电电机的电压电流输出。

MCU基于从充电机获得的充电电流信息以及LTC6101获得的放电电流信息，可以对电池组容量进行计算。图6中清晰地表示出了如何对

本发明通过电池管理系统与充电机通信取得充电电流，在充电时计算充电电流与时间的积分，放电时计算放电电流与时间的积分，得出实际电池内的电荷存量，不受电池容量变化的影响，计算过程的初值在电池组出厂时由厂家设置好即可。

此外，本发明还可以通过MCU基于电池的当前充电状况，对充电器的充电电流进行控制。目前的充电器均不对充电电压电流进行控制。

本方案发明对充电电流的控制方式如下：完整的充电流程由三个阶段组成，恒流、恒功率、恒压阶段。在电池电压较低时进入恒流阶段快速充入电荷，在电池电压升高后进入恒功率阶段逐渐减小电流，使电荷更有效的充入电池，在电池电压接近电压限值时进入恒压阶段，电流进一步减小，使电量尽量“压实”。

本发明还对三个阶段的充电时间进行动态调整。具体而言，通过MCU实时计算的结果可以得知实际电池容量与预设值之间衰减幅度，根据衰减幅度不同，充电过程中恒流充电的时间要逐渐减少，相对的增加恒压阶段的时间，以确保充入更多的电量。

在充电管理过程中，MCU将充放电过程中的关键数据存储在EEPROM中，用于之后的计算。即，本发明的电池管理系统对充放电历史数据进行储存。由于本发明的电量计算流程需要持续进行才能保证其准确性，其初始计算的初值可以在出厂时指定，但之后再次开始计算时的初值就必须依靠之前计算时存储的数据才有可行性。

本发明的MCU通过电压采样以及放电检流过程中获取的数据，在适当的时候控制MOSFET进行放电保护动作。而现有技术中的放电保护参数基本都是以截止电压为准的固定值，无法针对不同情况做出调整。由于本发明可以得知电池组实际的剩余电量，当出现短时大电流放电，低温放电等情况时可以调整保护电压降低，以放出更多的电量。而当电池健康状况降低或放电温度较高时则提高保护电压值以保护电池寿命。

图7示出了均衡模块的电路示意图。均衡模块包括：均衡电源模块、均衡总线、均衡电阻、继电器组、保护电路。电池组的总正、负极分别连接到均衡电源模块的两个输入端；均衡总线包括第一均衡总线和第二均衡总线；继电器组包括节点继电器7、8、9、10和奇偶继电器13，电池组中每节电池1、2、3、4的两端各连接一个节点继电器，任意相邻的两节电池之间共用一个节点继电器，奇数的节点继电器连接至第一均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二均衡总线。

奇偶继电器的两个固定端分别连接至均衡电源的正极和负极，奇偶继电器的活动端可以与端子A侧的两个接线端搭接，也可以与端子B侧的两个接线端搭接。当奇偶继电器的活动端与端子A侧的两个接线端搭接时，第一均衡总线11连接至均衡电源的负极，第二均衡总线12连接至均衡电源的正极；反之，当奇偶继电器的活动端与端子B侧的两个接线端搭接时，第一均衡总线11连接至均衡电源的正极，第二均衡总线12连接至均衡电源的负极。

这里所提到的均衡电源模块主要用于连接至电池组的正负极，并对电池组的输出进行稳压、控制等处理。均衡电源与电池组正极之间通过充电均衡开关6相连接，并且充电均衡开关受保护电路的反馈控制。

第一均衡总线11和第二均衡总线12之间还连接有放电电阻和放电控制开关5，用于在对电池组充电时，对最差的电池单体(或者可以说是充电电压迅速上升的电池单体)进行放电。

电池1、2、3、4中任意相邻的两节电池之间连接一个节点继电器(电池最前端和最后端也可以具有节点继电器)，奇数的节点继电器连接至第一根均衡总线，偶数的节点继电器连接至第二根均衡总线。相邻的节点继电器吸合后会将相应电池接入奇偶继电器两端。电池均衡设备的控制器能够根据当前吸合的节点继电器编号驱动奇偶继电器，以选择吸合方向，确保均衡总线上的正负极不会与均衡电源的正负极不匹配。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。