一种多模式自由切换的电池管理系统的制作方法

本实用新型涉及电池监测与电池保护领域，尤其涉及一种多模式自由切换的电池管理系统，属于新能源汽车控制技术范畴。

背景技术：

传统燃油汽车在能源消耗与环境污染方面的问题日趋严重。电动汽车在环境保护和能源节约方面有传统燃油汽车无法比拟的先天优势，有很好发展前景。但是，电动汽车在续航能力和电池使用寿命方面有不足，因此，良好的电池管理系统对电动汽车的发展具有非常重要的作用。

电动汽车的电池在使用过程中，由于电池的个体差异，可能会出现过充、过放以及电池电量不平衡的情况，个别电池过充与电池长期使用出现的不均衡是不同的。其中，过充是比较严重的故障，需要电池管理系统快速处理，而不均衡是慢性的，可以缓慢处理。总之，过充是急病要快速医治，而不均衡是慢性病，需要慢慢调理。电池出现不均衡时，这种差异会在使用过程中不断加剧，从而严重缩短整个电池组的使用寿命。因此，有必要对电池进行均衡处理，优化电池能量分配，从而延长整个电池组的使用寿命。但过充与不均衡是不同的病，需要分开处理。

由于电动汽车的电池是全部串接在一起的，因此若有一节电池发生故障，则整个电池组可能工作异常。若电动汽车的电池在汽车行驶过程中发生故障，这将给车主带来极大的不便，甚至有可能造成无法挽回的损失。因此，有必要对电池的健康状况进行识别，并把严重故障电池切换出来，发出报警信号，提醒车主更换电池。

不同温度、不同电池荷电状态(SoC)下，直流内阻谱是描述电池劣化程度的主要指标：

I是电池电流，E_B是电池的平衡电势，U_L是电池带负载工作时电池正负极间的电压。但精确测量每个电池的工作电流对测量电路要求很高，因此要克服这个问题。

鸿海精密工业股份有限公司的专利CN101339230A给出了一种电池内阻测量方法。但是从某种意义上来说，该方法是不适当的，因为它将电池的电压当作恒定值来处理。实际上电池的电压并不是恒定的，特别是在放电过程和静置过程开始的一段时间内，电池由于自身阻抗等原因，其电压会出现变化——电池放电，电池电压下降；电池静置，电池电压上升，详情如图9所示。因此可以利用电池这一变化特点，基于电压跌落特性，通过不同电阻回路对电池放电，测量放电负载电阻两端电压，估算出电池内阻。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于，提供一种多模式自由切换的电池管理系统，主要解决四大问题：①有损耗电池均衡；②非耗散电池均衡；③电池直流内阻谱测量；④无需测量电池电流也能计算电池内阻。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种多模式自由切换的电池管理系统，包括依次连接的处理器、若干串联级联的电池单元，所述电池单元包括电池监测模块与电池组模块，所述电池组模块包括第一电池组和第二电池组，所述电池监测模块包括监测芯片、译码器以及光电耦合器单元。

进一步地，所述光电耦合器单元包括4个光电耦合器、4个MOS管和若干电阻，其中

所述监测芯片GPIO管脚、AUX管脚分别连接译码器的输入端口A、B,输入端口A通过电阻R3连接电源正电压；

电阻R1一端连接译码器的输入端口B、另一端连接电源负极，MOS管Q2的漏极连接译码器的输入端口B、栅极连接MOS管Q1漏极、源极通过五个串联的电阻连接光电耦合器OC0的第一输出端，MOS管Q1的源极连接电源正电压、栅极连接译码器的输入端口B，光电耦合器OC0的输入正极连接译码器的输出端口Y0、输入负极连接电源负极、第二输出端连接光电耦合器OC2的第一输出端；

MOS管Q3的栅极连接译码器的输入端口A、漏极连接电源负极、源极通过五个串联的电阻连接光电耦合器OC3的第一输出端，光电耦合器OC3的输入正极连接译码器的输出端口Y3、输入负极连接电源负极、第二输出端连接光电耦合器OC2的第一输出端；

MOS管Q4的栅极连接译码器的输入端口B、漏极连接电源负极、源极通过五个串联的电阻连接光电耦合器OC1的第一输出端，光电耦合器OC1的输入正极连接译码器的输出端口Y1、输入负极连接电源负极、第二输出端连接光电耦合器OC2的第一输出端，电阻R4一端连接译码器的输入端口B、另一端连接电源负极；

光电耦合器OC2的输入正极连接电源正极、输入负极连接译码器的输出端口 Y2、第二输出端连接监测芯片的VC6管脚。

进一步地，所述第一电池组包括第一电池、8个MOS管和2个电阻，所述第二电池组包括第二电池、8个MOS管和2个电阻，其中

第一电池组、第二电池组之间通过超级电容C1、C2连接；

第一电池的正极、负极分别与监测芯片的VC6管脚、VC5管脚连接，第二电池正极、负极分别与监测芯片的VC5管脚、VC4管脚连接；

第一电池组的MOS管Q5和Q6，其源极均与监测芯片的CB6管脚连接；MOS管Q5 的栅极连接光电耦合器OC1的第一输出端；MOS管Q6的栅极连接光电耦合器OC0的第一输出端；

第二电池组的MOS管Q13和Q14，其源极均与监测芯片的CB5管脚连接；MOS管 Q13的栅极连接一电阻，所述电阻另一端连接光电耦合器OC1的第一输出端；MOS 管Q14的栅极连接一电阻，所述电阻另一端连接光电耦合器OC0的第一输出端。

进一步地，所述处理器为单片机TMS320F28M35E20B。

进一步地，所述监测芯片为芯片BQ76PL536。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：

(1)、本实用新型采用双核的微控制器，为通信和数据处理的并行运行提供保障；

(2)、本实用新型采用专用的电池管理监测芯片，利用芯片自身电压自举功能，无须设计驱动电路，简化系统设计；监测芯片的可级联特性使得电动汽车可以安装足够数量的电池，使得电池管理系统不仅可以在高电压的环境下安全有效地运行，而且能精确测量电池电压；

(3)、本实用新型设计的4种电池管理工作模式，根据各种需求，自由切换电池管理系统的工作模式，无需拆卸零件，且不影响电动汽车的运行；基于简单的电池管理前端芯片同时实现了过充保护、无损耗均衡和直流内阻谱测量；

(4)、本实用新型通过有损耗的电池快速放电电路，实现电池过充等高电压紧急保护；

(5)、本实用新型设计了非耗散电池均衡电路，解决电池电压在使用过程中的不均衡情况，以优化整个电池组的电量分配；

(6)、本实用新型设计了一种电池直流内阻谱在线测量方式，通过两个不同放电回路测试电池伏安特性，从而估计出电池直流内阻谱，根据电池直流内阻谱判断电池健康状况并实现故障诊断；

(7)、本实用新型设计了正常工作模式，电动汽车正常运行时使用这种模式；当电池管理系统处于这种模式时，则是普通的电池监视功能，通过测量电池电压、温度、总的工作电流，实现对电池SOC估计与电池均衡性的判断；保留了电池的电压、温度等重要信息的监测功能，将电池均衡、阻抗测量等功能暂时关闭，有利于节约电能。

附图说明

图1为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的系统架构框图；

图2为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的可自由切换的多模式电池管理系统的硬件架构框图；

图3为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的电池单元电路结构图；

图4为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的模式切换原理图；

图5为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的工作模式与控制信号对应图；

图6为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的模式1的有损均衡的原理图；

图7为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的模式2的无损均衡的原理图；

图8为本实用新型一种多模式自由切换的电池管理系统的模式3的阻抗测量的原理图；

图9为专利CN101339230A的一种电池内阻测量方法的电压变化图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

在图1中，主要描述多模式可自由切换的电池管理系统的硬件架构，包括三部分：多核单片机、电池监测模块芯片以及电池。

所述单片机为美国TI公司的多核单片机TMS320F28M35E20B，它包括C28X 子系统、ARM Cortex-M3子系统和共享部分。其中，C28x子系统用来实现实时控制，ARM Cortex-M3子系统拥有完善的开发工具和软件生态系统，共享部分为一个高速模拟子系统和补充RAM内存。多核单片机为实现实时多任务控制提供了保障。

所述电池监测模块为美国TI公司电池管理专用芯片BQ76PL536，每块芯片能够同时监测管理6节锂电池，并且可以通过级联最多同时监测管理192节锂电池，使得电动汽车能够安装足够的电池，为电动汽车的电力需求提供保障。

在图2中，所述译码器通过将BQ76PL536的两根具有独立输出功能的信号线(AUX和GPIO)作为输入信号，可以组合得到4种输出信号。其中AUX利用下拉电阻可以输出高低电平信号，具体原理为：当AUX输出1mA电流时，在下拉电阻的作用下，AUX管脚信号为高电平，当AUX输出信号断开时，AUX管脚通过下拉电阻直接接地，管脚为低电平；GPIO为通用输入输出，利用上拉电阻，通过控制其工作模式也可以输出高低电平信号，具体原理为：当GPIO作为输入时，在上拉电阻的作用下，GPIO管脚信号为高电平，当GPIO作为输出时，GPIO 管脚输出低电平信号。通过控制程序使它们可以分别输出高低电平信号，译码器组合出4种输出信号，然后分别用这四种组合信号来分别控制相关光电耦合器的导通与关断，从而实现电池管理系统的四种工作模式的切换。

在图3，本发明提供一种多模式自由切换的电池管理系统的电池单元内部的电路结构图，包括有电池、监测芯片译码器、光电耦合器、一系列MOS管和若干电阻等，下面详细说明电路图的工作原理。其中，为使得图较简洁，图中有些地方导线悬空，并且在上面有相同标号的，表示这两个地方是连接在一起的, 比如：光电耦合器OC0中的OCB6与MOS管Q6的0CB6，表示两个点是连接在一起的；光电耦合器OC1中的1CB6与MOS管Q5的1CB6，表示两个点是连接在一起的；光电耦合器OC2中的Y2与译码器的Y2，表示两个点是连接在一起的；等等。

在图4和图5中，描述了多模式可自由切换的电池管理系统的模式切换原理。主要由BQ76PL536、译码器、光电耦合器和开关电路组成。BQ76PL536的两根具有独立输出功能的信号线作为译码器的输入信号，译码器的输出分别连接四个光电耦合器。一方面通过控制AUX和GPIO管脚的输出信号使相关模式开关电路导通，另一方面通过译码器输出使相关模式的光电耦合器导通，这样便能使电池管理系统实现多模式可自由切换的功能。具体实现方式为：

①当GPIO为低电平、AUX为低电平时，组合输出为“00”。此时，译码器 Y0输出高电平信号，Y1、Y2、Y3为低电平信号，光电耦合器OC0、OC2导通， OC1、OC3关断。AUX为低电平，Q1为P沟道增强型MOS管，Q1的源极电压高于栅极电压，Q1导通；Q2为N沟道增强型MOS管，由于Q1导通，在下拉电阻R2 的作用下，栅极为高电平，源极为低电平，Q2导通。此时OC0与Q2之间的5个电阻有电流通过，可以得到6个分压信号0CB6、0CB5…0CB1，这6个分压信号分别用来控制相应模式的MOS管的导通与关断，详情见图6。

②当GPIO为低电平、AUX为高电平时，组合输出为“01”。此时，译码器 Y1输出高电平信号，Y0、Y2、Y3输出低电平信号，光电耦合器OC1、OC2导通， OC0、OC3关断。AUX为高电平，Q4为N沟道增强型MOS管，栅极电压高于源极电压，Q4导通。此时OC1与Q4之间的5个电阻有电流通过，可以得到6个分压信号1CB6、1CB5…1CB1，这6个分压信号分别用来控制相应模式的MOS管的导通与关断，详情见图5。

③当GPIO为高电平，AUX为低电平时，组合输出为“10”。此时，译码器 Y2输出高电平信号，Y0、Y1、Y3输出低电平信号，光电耦合器OC0、OC1、OC2、 OC3全部关断，电池管理系统为正常工作模式，此时电池管理系统只保留电池的电压、温度等重要信息的监测功能。

④当GPIO为高电平，AUX为高电平时，组合输出为“11”。此时译码器Y3 输出高电平信号，Y0、Y1、Y2输出低电平信号，光电耦合器OC3、OC2导通，OC0、 OC1关断。GPIO为高电平，Q3为N沟道增强型MOS管，栅极电压高于源极电压， Q3导通。此时OC3与Q3之间的5个电阻有电流通过，可以得到6个分压信号 Z6、Z5…Z1，这6个分压信号分别用来控制相应模式的MOS管的导通与关断，详情见图7。

在图6中，描述模式1——有损耗电池均衡的具体工作原理。当电池管理系统工作于该模式时，高电平信号1CB6使得模式开关Q5导通，1CB5使得模式开关Q13导通，依次类推，6个模式开关全部导通。然后可以通过控制CB6或CB5 管脚输出高电平信号，使得Q7或Q15导通，电池cell6通过电阻R5放电，电池cell5通过R7放电。由于CBx管脚的输出是可单独控制的，因此可以根据需求对任意电池放电。

在图7中，描述模式2——无损耗电池均衡的具体工作原理。当电池管理系统工作于该模式时，高电平信号0CB6使得模式开关Q6导通，0CB5使得模式开关Q14导通，依次类推，6个模式开关全部导通。然后通过CBx分别输出高低电平信号，控制MOS管Q9-Q12、Q17-Q20的导通与关断，实现超级电容的充电与放电，从而达到电压均衡的目的，其中Q9、Q12、Q18、Q19为N沟道增强型MOS 管，Q10、Q11、Q17、Q20为P沟道增强型MOS管。此方法的优势在于可以将任意两个相邻的电池作为一个均衡组合，使它们对不同的电容充电，然后将电容上的电荷转移至电池，利用电压不同，电荷转移的速率不同来实现电荷均衡。与利用单个电容作为电荷转移的载体相比，此方法具有更加灵活，能同时均衡多节电池等优势。举例：当电池cell6两端电压大于cell5两端电压时，使CB6 输出高电平信号，CB5输出低电平信号，此时Q9、Q12、Q17、Q20导通，Q10、 Q11、Q18、Q19关断，cell6对超级电容C1充电，cell5对超级电容C2充电；经过一段时间后，使CB6输出低电平信号，CB5输出高电平信号，此时Q10、Q11、 Q18、Q19导通，Q9、Q12、Q17、Q20关断，超级电容C1给cell5充电，超级电容C2给cell6充电，两次电荷转移分别实现了cell6的电荷向cell5转移，cell5 的电荷向cell6转移的过程。由于cell6两端的电压高于cell5两端的电压，因此cell6的电荷向cell5转移要比cell5的电荷向cell6转移要快，从而可以实现电荷由电压高的电池向电压低的电池转移。

在图8中，描述模式3——电池阻抗测量。当电池管理系统工作于该模式时，高电平信号Z6使得Q8导通，Z5使得Q16导通，依次类推，6个模式开关全部导通。电池cell6通过电阻R6放电、电池cell5通过电阻R8放电，即6节电池分别通过相应的电阻放电。此时可以得到一组电池两端的电压数据。一段时间后，再将电池管理系统切换至模式1——有损耗电池均衡，此时电池通过另外电阻回路放电，可以得到另外一组电池两端的电压数据，分别通过内阻公式估算出电池内阻，最后取两次计算的平均值作为电池内阻的估计值：

其中：

ΔV₀′为模式3测得的突变电压差，V₂′为突变后的瞬时电压，R₁为模式3的放电电阻；

ΔV₀″为模式1测得的突变电压差，V₂″为突变后的瞬时电压，R₂为模式1的放电电阻；

取两次计算得到的电阻值的平均值作为电池内阻的估计值，因此电池内阻计算公式为：

R_ohmic＝(R′_ohmic+R″_ohmic)/2

本方法测量电池直流内阻谱的特点是：无需测量电流，通过不同放电回路分别使电池放电，测得电池两端电压值，利用放电电阻的阻值和测得的电压值便能计算出电池直流内阻。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。