专利名称：锂离子电池管理系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种锂离子电池管理系统和方法，特别涉及车用锂离子电池的系统管理和方法。
背景技术：
目前，在电动汽车的推广应用过程中，锂离子动力电池的安全性和使用成本问题是重要影响因素。延长锂离子电池的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保锂离子动力电池性能良好，延长寿命，对电池进行合理有效地管理和控制是必须的。锂离子电池在车用工况下经常处于较大的电流变化状态，并且工作电流较大，电池发热十分严重；电池组的各个电池单体工作状态不一致；锂离子电池的特性决定其不耐过充、过放；电池的高压有可能对车上的乘客造成危险。锂离子电池的这些特性决定了其在使用过程中要有专门的系统来监测电池工作状况并且对电池进行相关的管理与控制。锂离子电池管理系统就是这样一个系统。锂离子电池管理系统主要通过实时监测电池各种参数，包括电池总电压、电流；电池单体电压、温度；环境温度等，判断电池工作状态，根据电池所处的状态给出合理的使用策略，对电池使用过程进行优化。锂离子电池管理系统是电池系统中重要的组成部分。在电池系统中它主要起以下的作用，第一，监测电池的工作参数，包括电池单体工作电压和工作温度，电池组总电压和电流，环境温度等；第二，利用采集得到的电池工作参数，估算电池当前的荷电状态以及分析电池寿命状况；第三，对工作状态不一致的各电池单体进行均衡管理，包括电压均衡和温度均衡；第四，对电池充、放电电流进行控制，使电池合理充、放电；第五，在锂离子电池接入车辆之前，进行预加电测试，确保电池接入不会出现问题；第六，监测电池是否漏电，如果出现漏电，及时报警并且切断电池组母线继电器；第七，与整车控制器进行通讯，将电池组的工作状态反馈至整车控制器，并接收整车控制器的控制指令。锂离子电池管理系统的开发在电动车开发的过程中是很重要的一个环节。能否合理地管理和控制锂离子电池组，直接关系到电池组的使用寿命以及安全性能。锂离子电池管理系统必须要具有较高的测量精度，以及良好的抗电磁干扰性能，监测的电池单体数一般都比较多，要求电路简单实用。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种电路简单实用、能合理地管理和控制锂离子电池组，延长电池组的使用寿命以及安全性能的锂离子电池管理系统和方法。为达到上述目的，本发明锂离子电池管理系统，由一个主控制器和一个或一个以上的从控制器组成；其中，从控制器用于采集一组锂离子电池中各单体电池工作参数，并根据各单体电池的平均电压估算电池初始SOC ；主控制器用于采集锂离子电池总体工作参数，并根据从控制器传输来的初始SOC结合电池工作电流利用安时积分法计算电池SOC ；主控制器和从控制器之间通过CAN网络进行通信，接收从控制器传输来的数据，并存储到内存中；主控制器和整车控制器之间通过 CAN网络进行通信。其中，主控制器包括电源供电模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、 DSP模块、内存模块、CPLD控制模块、CAN收发模块；其中，电压测量模块采用精密电阻分压采集锂离子电池总电压；电流测量模块采用电压钳制方法采集锂离子电池总电流；温度采集模块采集的是整个电池的温度和环境温度；主控制器与整车控制器以及从控制器的CAN总线通信以实现电池SOC的修正；电源供电模块主控制器各工作模块提供电压；DSP模块接收电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块以及各从控制器发送来的电池单体电压、单体温度、环境温度、SOC数据，按预定程序处理后输出；CAN总线网络向整车控制器传输采集得到的数据。根据电池管理控制算法，结合采集得到的电池数据，DSP 芯片28335发出控制电池母线继电器的动作指令，接通或者断开电池与整车的连接。根据电池单体温度以及环境温度的采集信息，DSP发出电池风扇通断的信号，以控制电池箱的温度，进行电池热管理。内存模块是用来存储主控制器采集得到的数据以及从控制器传过来的数据，以进行后续数据处理；CPLD控制模块是控制门电路芯片，用来发送CAN总线的控制指令；CAN收发模块，用于DSP模块、主从CAN网络、主控制器与整车通信的CAN网络间通信连接；其中，所述的从控制器包括电源供电模块、单体电压测量模块、单体温度测量模块、DSP模块、CPLD控制模块、CAN收发模块功能模块；其中，单体电压测量模块，采集的该组中各单体锂离子电池的电压并输出；单体温度采集模块，采集的各单体锂离子电池的温度并输出；DSP模块，接收电压测量模块、温度测量模块输出的信号，并将其输出到CAN收发模块；CPLD控制模块用来控制测量电池单体电压的开关的选通信号，保证每次选通一个开关；CAN收发模块，将DSP采集得的数据发送给主从控制器间的CAN网络；电源供电模块向各组成模块提供电压。其中，电池单体工作参数包括单体电压、单体温度，电池总体工作参数包括电池总电压、电流。其中，主控制器和从控制器的核心处理器都是型号为TMS320f28335的DSP芯片。为达到上述目的，本发明锂离子电池管理方法，至少包括估算SOC的步骤，其特征在于，所述的估算SOC的步骤具体为以组为单位由从控制器计算出该组单体电压的平均值，通过电池的OCV-SOC曲线查表估算出该组电池的初始SOC ；主控制器统计各组的初始SOC数据，将最大值和最小值剔除，取其它各组的初始SOC的平均值作为整个锂离子电池的初始SOC ；在整个锂离子电池的初始SOC的基础上，利用安时积分法计算电池的实时S0C。其中，还包括一个修正SOC的步骤检测电池工作电流，当电池电流为零并且电机转速或转矩也为零时，从控制器根据实时的单体电压数据查表得到初始S0C，主控制器根据所得的初始SOC进行安时积分计算电池的SOC。本发明中的锂离子电池管理系统能够准确测量电池的各项工作参数，估算电池 SOC(电池荷电状态)，与整车控制器进行良好通信。该电池管理系统采用主从分布式设计， 四个从控制器分别负责对四组锂离子电池组的单体电压与温度进行采集，估算电池初始 S0C;—个主控制器负责采集电池总电压、电流，处理从板采集得到得数据并且用安时积分计算电池S0C，主控制器也负责向电池组母线继电器发送动作指令。这一主从分布式的锂离子电池管理系统可以方便稳定地采集电池工作参数，对电池进行管理，便于锂离子电池在电动汽车上更好得应用。
图1是锂离子电池管理系统组成结构图。图2是锂离子电池管理系统主控制器组成结构图。图3是锂离子电池管理系统从控制器组成结构图。图4是锂离子电池管理系统电池总电压测量原理图。图5是锂离子电池管理系统电池电流测量原理图。图6是锂离子电池管理系统电池单体电压测量原理图。图7是锂离子电池管理系统电池单体温度测量原理图。图8是锂离子电池管理系统计算SOC算法。
具体实施例方式本发明中的锂离子电池管理系统采用主从分布式的设计方式系统包含一个主控制器和四个从控制器(也可为多个)。主控制器的可以测量锂离子电池总电压、电流、环境温度以及控制器自身温度，并根据四个从控制器估算的初始SOC计算出电池的S0C。主控制器通过CAN总线和上层电动车整车控制器进行通信，向整车控制器发送电池工作状态信息，同时接收整车控制器发出的对电池的控制指令。主控制器和从控制器之间通过CAN网络进行通信。从控制器可以测量电池单体电压、单体温度、环境温度以及控制器自身温度。 四个从控制器都接入到CAN网络中。各控制器的情况主控制器主控制器采用型号为TMS320f28335的DSP芯片作为处理器，围绕这一 DSP芯片构建外围电路。TMS320f28335是一款高性能的DSP处理器，主频高达150MHz，内部集成了 A/ D转换以及CAN收发功能，可以大大简化外部电路，它精度高，功耗小，数据以及程序存储量大，应用方便可靠。围绕DSP芯片28335构建的外围电路包括电源供电模块，电压、电流采集模块，温度采集模块，内存模块和CPLD控制模块。电源供电模块共向控制器电路板提供3种电压，分别是5V，3. 3V和1. 9V，模拟供电和数字供电分开；电压采集模块采集的是锂离子电池的总电压，电流采集模块采集的是锂离子电池的工作电流；温度采集模块采集的是VCU的温度和环境温度；内存模块是用来存储主控制器采集得到的数据以及从控制器传过来的数据，以用来进行后续数据处理；CPLD控制模块是控制门电路芯片，用来发送CAN总线的控制指令。DSP芯片28335内部集成了 CAN收发功能，接收四个从控制器发送来的电池单体电压、单体温度、环境温度、初始SOC等数据。28335通过另一个CAN总线网络向整车控制器传输采集得到的数据。根据电池管理控制算法，结合采集得到的电池数据，DSP芯片28335发出控制电池母线继电器的动作指令，接通或者断开电池与整车的连接。根据电池单体温度以及环境温度的采集信息，DSP发出电池风扇通断的信号，以控制电池箱的温度，进行电池热管理。从控制器从控制器采用和主控制器同样的DSP芯片作为处理器，围绕这一 DSP芯片构建外围电路，包括电源供电模块，单体电压采集模块，单体温度采集模块，VCU温度采集模块和 CPLD控制模块。与主控制器一样，电源供电模块共向控制器电路板提供3种电压，分别是5V，3. 3V 和1. 9V，模拟供电和数字供电分开；单体电压采集模块采集的是24个锂离子电池单体的电压；单体温度采集模块采集的是24个锂离子电池单体的工作温度；VCU温度采集模块采集的是VCU的温度；CPLD控制模块用来控制测量电池单体电压的开关的选通信号，保证每次选通一个开关。锂离子电池单体电压、单体温度等数据全部通过A/D转换口连接到DSP上，DSP通过控制信号每次选通一个单体电压测量电路，依次测量24个单体电压。单体温度测量采用热敏电阻，测量电阻两端电压。DSP芯片根据测量得到的电池电压查表得出电池的初始SOC 值。所有测量的数据通过CAN网络传输到主控制器。综上，本电池管理系统的主控制器以及从控制器的功能和互相逻辑关系如下从控制器负责单体电池的工作参数采集，包括单体电压、单体温度等，同时在系统上电的时候估算电池的初始SOC ；主控制器负责电池总体参数的采集，包括总电压、电流等，同时根据从控制器估算得的初始SOC采用安时积分法估算锂离子电池的S0C，根据电池管理算法结合电池工作参数信息控制电池母线继电器以及电池风扇的通断。主控制器和四个从控制器都接入到一个CAN通信网络中，从控制器采集得到的数据经过CAN通信网络传输到主控制器中。主控制器将存储的电池工作参数经过另外一路CAN网络传输至整车控制器，整车控制器的相关控制指令也经过这一 CAN网络传输到主控制器中。本发明实现了对车用锂离子电池的电池管理与控制，具有很高的创新性。它具备了监测电池工作参数，估算电池S0C，控制电池接通与断开，进行电池热管理，与整车控制器进行通信等功能。特别地，该管理系统采用集成度非常高的DSP芯片TMS320f28335作为主处理器，简化了外部电路，使得管理系统的可靠性，抗干扰性得到提高。在实际使用过程中， 显示出了优良的性能。参照附图，将详细叙述本发明的具体实施方案。图1为锂离子电池管理系统的组成结构，详细表示了系统的构成以及各部分在系统中的布局和关系。锂离子电池管理系统由一个主控制器和四个从控制器构成。四个从控制器分别测量四组电池组的电池单体工作参数，每个控制器测量24个电池单体。一个主控制器测量电池总体工作参数。从控制器与主控制器都接入到CAN网络中，从控制器和主控制器之间的数据通信通过CAN总线进行。图2为锂离子电池管理系统主控制器的组成结构，详细表示了主控制器电路板上的各个功能模块，以及各模块之间的关系。主控制器电路板上包含有8个功能模块，以DSP 采用芯片TMS320f28335，周围布置有电源供电模块，内存模块，CPLD控制模块，CAN收发模块，电压测量模块，电流测量模块，温度测量模块。电源供电模块给其他各个模块供电，它与每个模块都有电路连接。电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块负责测量电池电压、 电流以及温度，并把测量得的模拟量输入到DSP芯片A/D转换引脚进行A/D转换，它们与 DSP芯片之间存在电路连接。CPLD芯片接收来自DSP的信号，经过一定的逻辑运算后向CAN 总线发出CANReady信号，它与DSP之间存在单向控制信号传输。CAN收发器与两个CAN网络有关联，它接收主控制器与从控制器之间的CAN总线传输来的数据；还与主控制器和整车控制器间的CAN网络存在双向的数据传输。CAN收发器接收到的数据会传输给DSP，CAN 收发器发出的数据也是从DSP传过来的，因此CAN收发模块与DSP间存在双向的数据流。图3为锂离子电池管理系统从控制器的组成结构，详细表示了从控制器电路板上的各个功能模块，以及各模块之间的关系。从控制器电路板上包含了 6个功能模块，以DSP 芯片TMS320f28335为核心，周围布置有电源供电模块，CPLD控制模块，CAN收发模块，电压测量模块，温度测量模块。电源供电模块给其他各个模块供电，它与每个模块都有电路连接。电压测量模块、温度测量模块负责测量电池单体电压以及单体温度，并把测量得的模拟量输入到DSP芯片A/D转换引脚进行A/D转换，它们与DSP芯片之间存在电路连接。CPLD 控制模块接受DSP的控制信息，控制信息经过CPLD的逻辑运算给出单体电压测量的开关选通信号。DSP、CPLD控制模块、电压测量模块三者之间存在单向的控制信号，即DSP控制 CPLD，CPLD控制电压测量模块。CAN收发器负责将DSP采集得的数据发送给主从控制器间的CAN网络，因此它和DSP之间存在单向的数据流，即数据从DSP流向CAN收发器。图4为锂离子电池管理系统电池总电压测量的原理，采用的是精密电阻分压测量。将电池正负极分别接到一个对称电路的两端。该对称电路是由精密电阻串联而成的， 所串联的电阻阻值都非常大(20个1ΜΩ电阻和4个IOOkQ电阻)，对于电池电压影响可以忽略不计。电路的对称点接模拟地，采集点分得的电压是两个IOOkQ电阻上的电压值。电压测量电路上还串有两个保险，确保测量电路安全工作。采集的电压是电池电压的1/100， 信号经过电压跟随器输入到DSP的A/D转换引脚上进行A/D转换。电压跟随器能够起到提高输入阻抗的作用，降低A/D转换电路对于测量信号的影响。图5为锂离子电池管理系统电池电流测量的原理，采用电压钳制测量。电流传感器的原理是霍尔效应，输出端电压表示电流大小。A/D转换的输入模拟信号电压只能是正， 所以通过将电流传感器电压输出某一极的电压钳制在一个固定值，来达到电流传感器另一极输出电压始终为正的目的。ADR423芯片提供稳定的3V电压，经过分压后，将1. 5V的电压输入到电流传感器某一极上，电流传感器另外一极的电压信号经过电压跟随器输入到DSP 的A/D转换引脚进行A/D转换。图6为锂离子电池管理系统电池单体电压测量的原理，每一个继电器开关控制一个单体电压的测量。继电器的控制信号来自CPLD控制模块，通过CPLD的逻辑运算，保证每次只有一个继电器接通，防止电池单体出现短路。采集的电压信号经过电压跟随器输入到 DSP的A/D转换引脚进行A/D转换。图7为锂离子电池管理系统电池单体温度测量的原理，(过充检测电压)。温度传感器是热敏电阻，将热敏电阻接入到电路中，测量电阻的分压，得到热敏电阻的阻值，进而查表得到对应的温度。测量得的信号输入到芯片MAX4619，可以同时有六个信号输入，分别接入到X0、X1、Y0、Y1、Z0、Z1引脚。ΜΑΧ4619有三个信号输出，分别是Χ、Υ、Ζ引脚。当三个控制引脚A、B、C的信号同时置为低时，X、Y、Z分别输出Χ0, Υ0, ZO ；当三个控制引脚Α、B、C 的信号同时置为高时，X、Y、Z分别输出Xl、Yl、Zl。24个单体温度需要4个ΜΑΧ4619芯片， 同时可以测量12个单体温度，输出的信号经过电压跟随器，输入到DSP的A/D转换引脚进行A/D转换。图8为锂离子电池管理系统SOC算法示意。每个从控制器根据采集得的电池单体电压数据，计算出单体电压的平均值，通过电池的OCV-SOC曲线查表估算出电池的初始 SOC0控制器接收从控制器传过来的四个初始SOC数据，将最大值和最小值剔除，取两外两个初始SOC的平均值作为整个锂离子电池的初始S0C。主控制在初始SOC的基础上，利用安时积分方法计算电池的实时S0C。电池SOC估算会出现误差，因此算法每隔一段时间需要对 SOC进行修正。通过检测电池工作电流，当电池电流为零并且电机转速或转矩也为零时，认为满足修正的条件，算法开始SOC修正。SOC修正的步骤是从控制器根据实时的单体电压数据查表得到初始S0C，主控制器根据所得的初始SOC进行安时积分计算电池的S0C。这种修正可以保证电池SOC估算误差在5%以内。
权利要求
1.一种锂离子电池管理系统，其特征在于，由一个主控制器和一个或一个以上的从控制器组成；其中，从控制器用于采集一组锂离子电池中各单体电池工作参数，并根据各单体电池的平均电压估算电池初始SOC ；主控制器用于采集各组锂离子电池总体工作参数，并根据从控制器传输来的初始SOC 结合电池工作电流利用安时积分法计算电池SOC ；主控制器和从控制器之间通过CAN网络进行通信，接收从控制器传输来的数据，并存储到内存中；主控制器和整车控制器之间通过 CAN网络进行通信。
2.根据权利要求书1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，主控制器包括电源供电模块、电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、DSP模块、内存模块、CPLD控制模块、 CAN收发模块；其中，电压测量模块采用精密电阻分压采集锂离子电池总电压； 电流测量模块采用电压钳制方法采集锂离子电池总电流； 温度采集模块采集的是整个电池的温度和环境温度；主控制器与整车控制器以及从控制器的CAN总线通信以实现电池SOC的修正； 电源供电模块主控制器各工作模块提供电压；DSP模块接收电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块以及各从控制器发送来的电池单体电压、单体温度、环境温度、SOC数据，按预定程序处理后输出；内存模块是用来存储主控制器采集得到的数据以及从控制器传过来的数据，以进行后续数据处理；CPLD控制模块是控制门电路芯片，用来发送CAN总线的控制指令；CAN收发模块，用于DSP模块、主从CAN网络、主控制器与整车通信的CAN网络间通信连接。
3.根据权利要求书1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，所述的从控制器包括电源供电模块、单体电压测量模块、单体温度测量模块、DSP模块、CPLD控制模块、CAN收发模块功能模块；其中，单体电压测量模块，采集的该组中各单体锂离子电池的电压并输出；单体温度采集模块，采集的各单体锂离子电池的温度并输出；DSP模块，接收电压测量模块、温度测量模块输出的信号，并将其输出到CAN收发模块；CPLD控制模块用来控制测量电池单体电压的开关的选通信号，保证每次选通一个开关；CAN收发模块，将DSP采集得的数据发送给主从控制器间的CAN网络； 电源供电模块向各组成模块提供电压。
4.根据权利要求书1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，电池单体工作参数包括单体电压、单体温度，电池总体工作参数包括电池总电压、电流。
5.根据权利要求书1所述的锂离子电池管理系统，其特征在于，主控制器和从控制器的核心处理器都是型号为TMS320f28335的DSP芯片。
6.一种锂离子电池管理方法，至少包括估算SOC的步骤，其特征在于，所述的估算SOC 的步骤具体为以组为单位由从控制器计算出该组单体电压的平均值，通过电池的OCV-SOC曲线查表估算出该组电池的初始S0C;主控制器统计各组的初始SOC数据，将最大值和最小值剔除，取其它各组的初始SOC的平均值作为整个锂离子电池的初始SOC ；在整个锂离子电池的初始SOC的基础上，利用安时积分法计算电池的实时S0C。
7.如权利要求6所述的锂离子电池管理方法，其特征在于，还包括一个修正SOC的步骤检测电池工作电流，当电池电流为零并且电机转速或转矩也为零时，从控制器根据实时的单体电压数据查表得到初始S0C，主控制器根据所得的初始SOC进行安时积分计算电池的SOC。
全文摘要
本发明公开了一种锂离子电池管理系统和方法。它由一个主控制器和一个或一个以上的从控制器组成；其中，从控制器用于采集一组电池中各电池单体工作参数，并根据单体平均电压估算电池初始SOC；主控制器用于采集各组电池总体工作参数，并根据从控制器传输来的初始SOC结合电池工作电流利用安时积分计算电池SOC；本发明实现了对车用锂离子电池的电池管理与控制，它具备了监测电池工作参数，估算电池SOC，控制电池接通与断开，进行电池热管理，与整车控制器进行通信等功能。
文档编号B60L11/18GK102381210SQ201110334938
公开日2012年3月21日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者卢青春, 宣智渊, 曹建华, 金振华, 高大威 申请人:清华大学