电动汽车能源管理装置的制作方法

本发明涉及电动汽车能源管理系统领域，尤其是针对电动汽车动力电池充放电控制策略以及成组电池(一般为两至三组电池)切换使用方法的研究。

技术背景：

电动汽车作为一种新能源交通工具，具有噪音低、能源利用效率高、无移动废气排放等特点，已成为我国重点支持的战略性新兴产业之一。能源供给是电动汽车产业链中的重要环节，能源供给模式与电动汽车的发展密切相关。当前电动汽车的能源供应多为单一锂离子电池组提供，其管理装置仅限于相对简单的电压电流的检测以及对电池剩余电量的估算。这种装置不能对电池使用提出相对合理的适用范围，同时由于电池制作过程中工艺的差别，其内部电池单元一旦出现损坏整块电池就不能使用，而电池损害更换成本会大大增加。同时单一电池组使用过程中过程中会产生大量的热量，对其使用非常不利。

技术实现要素：
：

本发明需要解决的技术问题是电动汽车能源管理系统,提出了太阳能电池、超级电容和锂离子电池之间快速充电。以及两组锂离子电池在市电下快速充电和成组充放电的控制策略，即提供一种基于PIC单片机的控制系统,能够在检测车载锂离子电池电压、电流精确测量的基础上实现对车载电池容量较精确计算,并根据计算结果提出科学合理的两组电池的切换和使用方式，从而实现对电动汽车整车能源系统的控制以及合理的电池组的切换使用控制策略。

本发明所采用的技术方案为：

一种电动汽车能源管理系统；该系统组成包括控主控制器模块、第一继电器单元、第二继电器单元、第三继电器单元、太阳能电池组模块、超级电容模块和电池组模块；其中主控制器模块分别与第一继电器单元、第二继电器单元、第三继电器单元相连接；第一继电器单元、太阳能电池组模块、第二继电器单元、超级电容模块、第三继电器单元和电池组模块依次相连；主控制器模块还与电池组模块相连；

所述第一继电器单元、第二继电器单元、第三继电器单元均包括SRS4100继电器；

所述的太能电池组模块包括太阳能电池板；

超级电容模块为超级电容；

所述的电池组模块为两组相互独立的主电池组和备用电池组；

所述的主控制器模块的组成包括单片机。

所述的主控制器模块的组成为单片机、2组电池切换控制器、数据存贮模块、温控模块、显示模块、报警模块；每组电池切换控制器的组成包括1个电池电压检测模块、1个电池组切换模块和1个电流检测模块；电池电压检测模块、电池组切换模块、电池电流检测模块、数据存贮模块、温控模块、显示模块、报警模块均同单片机的对应引脚相连；每组电池切换控制器中，电流检测模块分别与电池组切换模块和电压检测模块相连，电压检测模块、电池 组切换模块分别与主电池组、备用电池组相连；其中，作为充电端的组成，一组电池切换控制器中，电池电压检测模块、电池电流检测模块分别与充电控制器模块相连，充电控制器模块还分别与主电池组、备用电池组相连；而作为设备端的组成，另一组电池切换控制器中，电池电压检测模块、电池电流检测模块分别与用电设备相连，用电设备还分别与主电池组、备用电池组相连。

所述的电流检测模块组成为第一芯片、电阻R7、电阻R9、第一采样电阻*3；第一芯片的RG1引脚与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与第一采样电阻相连，第一芯片的RG2引脚与电阻R9相连，电阻R9的另一端与第一采样电阻*3另一端相连，第一采样电阻的另一端还分别与电池组切换模块的第一单路继电器的1端连接、第四单路继电器的1端、电压检测模块的电阻R1相连接，第一芯片的GND引脚与SHDN引脚相连接地；第一芯片的OUT引脚与单片机的RA2引脚相连；

所述的电压检测模块组成为分压电阻R1、R2，具体连接方式为电阻R1分别与电池组切换模块的第一单路继电器的1端连接、第三单路继电器的1端相连，电阻R1还分别与电流检测模块的第一采样电阻电阻、电阻R9相连，R1另一端分别与电阻R2、单片机的RA1引脚相连接，电阻R2的另一端接地；

电池组切换模块组成为第一单路继电器、第四单路继电器、第一NPN型三极管、第三NPN型三极管、第一二极管、第三二极管、电阻R6、电阻R14；具体连接方式为第一NPN型三极管基级与电阻R6相连，电阻R6与主控制器模块的RB4引脚相连，第一NPN型三极管发射极接地，第一NPN型三极管集电极与第一单路继电器的5端相连，第一单路继电器的4端和5端接第一二极管IN1，第一单路继电器的1端分别与电流检测模块的第一采样电阻、电阻R9连接，第一单路继电器的1端还与与电压检测模块的电阻R1相连；第一单路继电器的2端与主电池组正极相连，第一单路继电器的2端与另一组电池切换控制器中电池切换模块的第三单路继电器的2端连接；第三NPN型三极管基级与电阻R14相连，电阻R14与主控制器模块的RB5引脚相连，第三NPN型三极管发射极接地，第三NPN型三极管集电极与第四单路继电器的5端相连，第四单路继电器的4端和5端接第三二极管，第四单路继电器的1端分别与电流检测模块的第一采样电阻、电阻R9相连，第四单路继电器的1端还与电压检测模块的电阻R1相连；第四单路继电器的2端与备用电池组正极相连接；第四单路继电器的2端与另一组电池切换控制器中电池切换模块的第二单路继电器的2端连接。

所述的电动汽车能源管理装置的控制方法，包括电动汽车运行时放电控制方法和电动汽车熄火后充电控制方法两种模式：

模式一，电动汽车运行时放电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统上电，主控制器模块通过电流检测模块、电压检测模块将检测得到的电压、电流数据传入单片机，通过计算，当系统判定剩余电量在10％-90％时，单片机控制第三单路继电器导通，第一单路继电器、第四单路继电器、第二单路继电器断开，电池组模块中的主电池组处于工作状态，备用电池组处于不工作状态；持续使用主电池组，并周期采样主电池组电压、电流信号，估算其剩余电量；当主控制器模块检测到主电池组剩余电量小于10％,备用电池组剩余电量在10％-90％时，进入步骤2；

步骤2，单片机控制电池组切换模块中的第二单路继电器导通，第一单路继电器、第三单路继电器、第四单路继电器断开，从而切断主电池组，启用备用电池组；备用电池组处于工作状态，主电池组处于不工作状态；持续使用备用电池组，并周期采样主电池组电压、电流信号，估算其剩余电量；当主控制器模块检测到主电池组剩余电量小于10％且备用电池组剩余电量小于10％时，进入步骤3；

步骤3，单片机通过控制电池组切换模块的第一单路继电器、第三单路继电器、第四单路继电器、第二单路继电器断开，从而切断主电池组、备用电池组链接，主电池组、备用电池组均停止工作。

或者，模式二，电动汽车熄火后充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统上电，主控制器模块通过检测电流检测模块、电压检测模块，将检测到的电压、电流数据传入单片机，若系统判定其剩余电量在10％-90％时，单片机控制电池组切换模块第一制单路继电器导通，第三单路继电器、第四单路继电器、第二单路继电器断开，主电池组31处于充电状态，备用电池组处于不工作状态。持续对主电池组充电，并周期采样主电池组电压、电流信号，估算其剩余电量；当系统检测主电池组剩余电量大于90％,备用电池组荷电量在10％-90％时，进入步骤2；

步骤2，单片机控制电池组切换模块的第四单路继电器导通，第一单路继电器、第三单路继电器、第二单路继电器断开，备用电池组处于充电状态，主电池组处于不工作状态；持续对备用电池组充电，并周期采样备用电池组电压、电流信号，估算其剩余电量；当检测到检测主电池组剩余电量大于90％且检测备用电池组剩余电量大于90％时，进入步骤3；

步骤3，单片机控制电池组切换模块中的第一单路继电器、第三单路继电器、第四单路继电器、第二单路继电器断开，主电池组、备用电池组自动充电完成。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种电动汽车能源管理装置，设计了太阳能电池、超级电容和锂离子电池之间快速充电，以及两组锂离子电池在市电下快速充电和成组充放电控制策略，即“一用一备”控制思想，更好的管理电动汽车能源系统。提高了电池的使用效率，更好的增加了锂离子电池的使用寿命。具体为：

1.本发明提出一种“一用一备”主电池组和备用电池组配合使用的能源管理装置，本发明提出了主电池组和备用电池组合理的切换使用范围，控制两电池组的切换使用范围在其容量的10％-90％之间，大量的实验数据表明电池在充电使用过程中，容量在10％以下和上升到90％以后，所能充进电池的电量非常有限。在电池放电使用过程中当电池容量低于10％以后，其容量也会迅速下降。另外设置切换条件也可以防止两组电池过充过放电对电池组的损害，减少每组电池的耗损程度，大大增加其使用寿命。因此我们在两组电池使用过程中控制其使用范围在10％-90％之间。

2.本发明在两组电池在使用过程中先使用主电池，然后切换至备用电池组，两组电池循环交替配合使用。充电时先充主电池组，充电至荷电状态90％停止充电，切换至备用电池组继续充电，充电至荷电状态90％停止充电，充电结束。放电时先使用主电池组，放电至荷电状态10％，切换至备用电池组放电，放电至荷电状态10％停止放电，放电结束。在本能源管理 装置下做电池快速切换实验，主电池组切换断续放电曲线与只使用主电池组组连续放电曲线对比(如图6)，从图中可以看出主电池组在切换过程中电压阶跃上升，电池能量也随之上升，由此不难发现两组电池切换使用过程伴随能量恢复过程，主电池组和备用电池组切换使用实现了1+1>2的效果。

3.两组电池配合使用可以显著提高其使用效率。其使用效率数根据据从成组电池切换使用充放电实验获得。从原理图5电池使用效率处可得。90％使用效率具体指主电池组充电至容量30％左右放电使用，如此往复循环。实际应用中，主电池组充电至90％放电使用，如此往复循环。使用效率在68％左右。直接使用一组电池充电至90％放点使用，如此往复循环。使用效率在60％左右。使用效率提高了8％左右。备用电池组使用效率和主电池组使用效率相近。

附图说明

图1为电动汽车能源管理系统总体组成框图；

图2为主控制器模块11外围具体连接图；

图3为本发明提出的能源管理系统的电池切换使用流程图；

图4为两组电池切换控制器的连接图；

图5为电池组使用效率图；

图6为电池组连续使用和断续使用放电图。

具体实施方式

图1为电动汽车能源管理系统总体组成框图。该系统组成包括控主控制器模块11、第一继电器单元12、第二继电器单元13、第三继电器单元14、太能电池组模块15、超级电容模块16和电池组模块17；其中主控制器模块11分别与第一继电器单元12、第二继电器单元13、第三继电器单元14相连接；第一继电器单元12、太阳能电池组模块15、第二继电器单元13、超级电容模块16、第三继电器单元14和电池组模块17依次相连。主控制器模块11还与电池组模块17相连接用于检测和切换电池组。

所述继电器12、13、14单元均为SRS4100继电器与其驱动电路组成，为公知技术。

所述的太能电池组模块15，组成包括太阳能电池板和附属充电装置，为市售公知产品。

超级电容模块16为超级电容，具体为型号spsscap的超级电容，为市售公知产品。

当汽车处于停止状态时设备端停止工作，主控制器11检测电压检测模块21、电流检测模块23信息。符合太阳能电池充电条件时候，主控制器模块11控制第一继电器单元12接通太阳能电池板发电；同时主控制器11控制第二继电器单元13接通，太阳能电池向超级电容充电；当主控制器11根据电压检测模块21、电流检测模块23提供的电池放电端使用数据进行判断，如需充电，接通第三继电器单元14超级电容向电池组充电。

所述的电池组模块17为两组相互独立的主电池组31和备用电池组32组成；

所述的主控制器模块11的组成包括pic16f877单片机以及外围电路组成(单片机的相关引脚直接分别与第一继电器单元12、第二继电器单元13、第三继电器单元14相连接)，如图2所示，它包括单片机、2组电池切换控制器、数据存贮模块24、温控模块25、显示模块 26、报警模块27；每组电池切换控制器的组成包括1个电池电压检测模块21、1个电池组切换模块22和1个电流检测模块23；电池电压检测模块21、电池组切换模块22、电池电流检测模块23、数据存贮模块24、温控模块25、显示模块26、报警模块27均同单片机的对应引脚相连，引出了电压检测模块与单片机的接线；每组电池切换控制器中，电流检测模块23分别与电池组切换模块22和电压检测模块21相连，电压检测模块21、电池组切换模块22分别与主电池组31、备用电池组32相连；其中，作为充电端的组成，一组电池切换控制器中，电池电压检测模块21、电池电流检测模块23分别与充电控制器模块41相连，作为充电外接设备的充电控制器模块41，还分别与220V市电、主电池组31、备用电池组32相连；而作为设备端的组成，另一组电池切换控制器中，电池电压检测模块21、电池电流检测模块23分别与用电设备相连，用电设备还分别与主电池组31、备用电池组32相连。

电池组模块17在使用过程中，针对不同状况，切换充电使用和放电使用。如图2，将充电使用部分归纳为充电端，将放电使用部分归纳为设备端。在充电端，主控制器模块11分别与电压检测模块21、电流检测模块23、电池组切换模块22相连接。用于将电压、电流信号输入主控制器模块11，主控制器11模块将控制指令发送给电池组切换模块22。同理在设备端，主控制器模块11分别与电压检测模块21、电流检测模块23、电池组切换模块22相连接。用于将电压、电流信号输入主控制器模块11，主控制器11模块将控制指令发送给电池组切换模块22。从而实现主控制器模块11对电池组模块17在220v市电充电和放电使用时的控制和显示，以及对用电设备放电使用时控制和显示。

所述的充电控制器41为市售公知器件，型号为GDY294020。

当电动车运行状态使用其中主电池组31，主控制器模块11通过电流检测模块23电压检测模块21实时监测此组电池组电压电流，并估算其剩余电量。当检测到此组电池不符合使用条件时，主控制器发出指令控制电池切换模块22断开电池组31，同时切换启用下一电池组32。当电动汽车处于停止状态时，主控制器模块11检测并估算电池组31荷电状态，当符合充电条件时主控器模块11控制电池切换模块22连接开始给电池组31充电，同时实时监测电池组31电压电流、充电时间，当检测电池组符合充满条件时候停止充电，主控制器模块11控制电池切换模块22切换至下一个电池组，继续充电。直至两组电池充满电电。主控制器模块11发出控制指令停止充电。

主控制器模块11中的单片机还分别与数据存贮模块24、温控模块25、显示模块26、报警模块27相连接。用于对两组电池的数据存储，温度检测和电池状态显示和报警。所述数据存储模块24、温控模块25、显示模块26报警模块27为市售公知产品。

图3为本发明提出的能源管理系统的电池切换使用流程图,具体包括如下步骤：

系统上电后进行初始化首先判断电池是否进入充电状态,如果开始充电,则执行开始记录电池组的充电时间、充电电流、电池两端的电压,将记录数据传递给主程序，调用soc估算程序，估算电池组剩余电量。判断当前电池组是否达标，如果没有达标，则进入充电状态，开启充电电模式。如果达标则可以切换至下一个电池组，直至两块电池完成充电。如果没有进入充电状态，则系统判断电池是否进入放电状态，如果开始放电，则执行开始记录电池组放电时间、放电电流、电池两端的电压，并将记录数据传递给主程序，调用soc估算程序，估 算电池组剩余电量。判断当前电池组是否达标，如果没有达标，则进入放电状态，开启放电模式。如果达标则可以切换至下一个电池组，直至两块电池组放电结束。

图4为两组电池切换控制器的连接图，即电池组切换模块22、电压检测模块21以及电流检测模块23电路原理图。

其中电流检测模块23组成为：在充电端，第一芯片*6、电阻R7、电阻R9、第一采样电阻*3组成，第一芯片*6的RG1引脚与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与第一采样电阻*3相连，第一芯片*6的RG2引脚与电阻R9相连，电阻R9的另一端与第一采样电阻*3另一端相连，第一采样电阻*3的另一端还分别与电池组切换模块22的第一单路继电器*1的1端连接、第四单路继电器*10的1端、电压检测模块23的电阻R1相连接，第一芯片*6的GND引脚与SHDN引脚相连接地；第一芯片*6的OUT引脚与单片机的RA2引脚相连。第一芯片*6为MAX472和相关电阻为市售器件。当系统上电时通过第一采样电阻*3和第一芯片*6配合采集电流信号，通过OUT引脚将采集的电流信号传送给主控制器模块11。同理在设备端，电流检测模块23组成与充电端同。

电压检测模块21组成为：在充电端，分压电阻R1、R2组成，具体连接方式为电阻R1分别与电池组切换模块22的第一单路继电器*1的1端连接、第三单路继电器*2的1端相连，电阻R1还分别与电流检测模块23的第一采样电阻电阻*3、电阻R9相连，R1另一端分别与电阻R2、单片机的RA1引脚相连接，电阻R2的另一端接地。R1阻值为5.1kΩ、R2阻值为10kΩ。同理，在设备端电压检测模块23与充电端相同。所述电阻为市售器件。(R1,2接U1，U1是电压检测模块外接单片机的接口)。

电池组切换模块22组成为在充电端，第一单路继电器*1、第四单路继电器*10、第一NPN型三极管*7、第三NPN型三极管*12、第一二极管IN 1、第三二极管IN3、电阻R6、电阻R14、具体连接方式如下所述，第一NPN型三极管*7基级与电阻R6相连，电阻R6与主控制器模块11的RB4引脚相连，第一NPN型三极管*7发射极接地，第一NPN型三极管*7集电极与第一单路继电器*1的5端相连，第一单路继电器*1的4端和5端接第一二极管IN1，第一单路继电器*1的1端分别与电流检测模块23的第一采样电阻*3、电阻R9连接，第一单路继电器*1的1端还与与电压检测模块21的电阻R1相连。第一单路继电器*1的2端与主电池组31正极相连，第一单路继电器*1的2端与另一组电池切换控制器中电池切换模块22的第三单路继电器*2的2端连接。第三NPN型三极管*12基级与电阻R14相连，电阻R14与主控制器模块11的RB5引脚相连，第三NPN型三极管*12发射极接地，第三NPN型三极管*12集电极与第四单路继电器*10的5端相连，第四单路继电器*10的4端和5端接第三二极管IN3，第四单路继电器*10的1端分别与电流检测模块23的第一采样电阻*3、电阻R9相连，第四单路继电器*10的1端还与电压检测模块21的电阻R1相连。第四单路继电器*10的2端与备用电池组32正极相连接。第四单路继电器*10的2端与另一组电池切换控制器中电池切换模块22的第二单路继电器*11的2端连接。同理，在设备端电池组切换模块22与充电端组成基本相同。

装置其他部分工作情况在图1和图2中已经介绍这部分只是对电池组在市电充电切换情况和整车运行下电池组切换使用情况的介绍。整个装置优点：提出一种电动汽车能源管理 系统，统筹太阳能电池板超级电容和蓄电池工作过程，特别是控制了其充电过程和蓄电池组一用一备放电使用过程。

所述的电动汽车能源管理装置的控制方法，包括电动汽车运行时放电控制方法和电动汽车熄火后充电控制方法两种模式(蓄电池的切换使用情况不做单独说明)：

当电动汽车车点火后,系统上电，主控制器模块11通过电池电压检测模21块和电池电流检测模块23按照一定的采样周期采集当前使用电池组的电压值和放电电流,如果电池组电压降至额定电压以下,则通过报警模块27发出声光报警,同时在显示模块26的屏幕上显示相关的信息，同时调整电池组模块17，关闭当主电池组31，开启备用电池组32，维持电动汽车正常运转。具体切换方式为：

模式一，电动汽车运行时放电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统上电，主控制器模块11通过电流检测模块21、电压检测模块22将检测得到的电压电流数据传入单片机，通过计算，当系统判定剩余电量在10％-90％时，单片机控制第三单路继电器*2导通，第一单路继电器*1、第四单路继电器*10、第二单路继电器*11断开，电池组模块17中的主电池组31处于工作状态，备用电池组32处于不工作状态；持续使用主电池组31，并周期采样主电池组31电压、电流信号，估算其剩余电量；当主控制器模块11检测到主电池组31剩余电量小于10％,备用电池组32剩余电量在10％-90％时，进入步骤2；

步骤2，单片机控制电池组切换模块中的第二单路继电器*11导通，第一单路继电器*1、第三单路继电器*2、第四单路继电器*10断开，从而切断主电池组31，启用备用电池组32；备用电池组32处于工作状态，主电池组31处于不工作状态；持续使用备用电池组32，并周期采样备用电池组32电压、电流信号，估算其剩余电量；当主控制器模块11检测到备电池组31剩余电量小于10％且备用电池组32剩余电量小于10％时，进入步骤3；

步骤3，单片机控制控制电池组切换模块的第一单路继电器*1、第三单路继电器*2、第四单路继电器*10、第二单路继电器*11断开，从而切断主电池组31、备用电池组32链接，主电池组31、备用电池组32均停止工作。

当电动汽车熄火后,主控制器11检测是否市电接入用于电池组模块17充电。若没有则检测是否符合太阳能电池充电条件，若符合，主控制器控制11控制第一继电器单元12接通太阳能电池板开始发电；同时主控制器11控制第二继电器单元13接通，太阳能电池向超级电容充电；当主控制器11根据电压检测模块21、电流检测模块23提供的电池放电端使用数据进行判断，如需充电，接通第三继电器单元14超级电容向电池组充电。直至电池组充电完成。若检测检测市电接入则主控制器模块11控制第一继电器单元12、第二继电器单元13、第三继电器单元14断开，同时控制电池组切换模块22对电池组17进行市电充电控制。

电池组模块17具体充电过程如下：

或者，模式二，电动汽车熄火后充电控制方法，包括以下步骤：

步骤1，系统上电，主控制器模块11通过检测电流测模块21电压检测模块22将检测到的电压电流数据传入单片机，若系统判定其剩余电量在10％-90％时，单片机控制电池组切换模块22第一制单路继电器*1导通，第三单路继电器*2、第四单路继电器*10、第二单路继电器*11断开，主电池组31处于充电状态，备用电池组32处于不工作状态。持续对主电池组 31充电，并周期采样主电池组31电压、电流信号，估算其剩余电量；当系统检测主电池组31剩余电量大于90％,备用电池组32剩余电量在10％-90％时，进入步骤2；

步骤2，单片机控制电池组切换模块22的第四单路继电器*10导通，第一单路继电器*1、第三单路继电器*2、第二单路继电器*11断开，备用电池组32处于充电状态，主电池组31处于不工作状态；持续对电池组32充电，并周期采样主电池组32电压、电流信号，估算其剩余电量；当检测到检测主电池组31剩余电量大于90％且检测备用电池组32剩余电量大于90％时，进入步骤3；

步骤3，单片机控制电池组切换模块22中的第一单路继电器*1、第三单路继电器*2、第四单路继电器*10、第二单路继电器*11断开，主电池组31、备用电池组32自动充电完成。

图6为主电池组31使用效率图，使用效率是蓄电池放电期间放出的容量(能量)与恢复到放电前的状态所需充电容量(能量)之比，使用效率计算如下：

其η_e为能量效率，C_f放电容量，C_C为充电容量，I_f为放电电流，V_f为放电电压，I_c为充电电流，V_c为充电电压。

使用效率能有效的表示动力电池组对充电电流的接受能力，充电时的电能主要用于转化为电池的化学能以及充电过程中释放的热能等其他不可逆的损失。使用效率越高，表示充电的电能转化为电池化学能的部分越多，这部分能量才是放电过程中被利用的能量。在使用两组电池切换方法测量主电池组31在其SOC在20％、30％、40％、60％、70％、80％状态点时，使用效率如图6所示。其使用效率有了明显的改善。

本发明未尽事宜为公知技术。