| 专利名称： | 一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统 | ||
| 专利名称(英文)： | Equalizing charge control system for battery pack of HEV (Hybrid Electric Vehicle) | ||
| 专利号： | CN201310717307.9 | 申请时间： | 20131223 |
| 公开号： | CN103701171A | 公开时间： | 20140402 |
| 申请人： | 湖北工业大学 | ||
| 申请地址： | 430068 湖北省武汉市武昌区南湖李家墩1村1号 | ||
| 发明人： | 吴铁洲; 陈邦涛; 梅菲; 吴笑民 | ||
| 分类号： | H02J7/00 | 主分类号： | H02J7/00 |
| 代理机构： | 武汉科皓知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 42222 | 代理人： | 张火春 |
| 摘要： | 本发明公开了一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统，以微控制器为核心，对各个模块的控制、数据采集模块对电池组的电压、电流和温度进行采样、通信模块与微控制器和其他功能模块通信和保护以及电池组进行均衡控制。本发明通过提出均衡充电控制系统具有以下功能：精确检测(或者显示)电池状态数据，包括电池当前的端电压、温度、电池内阻、电池的剩余容量；对锂离子电池组提供过充、过放、过流保护外，有效地对锂离子电池组内各单节电池的充、放电提供平衡保护、温度保护、短路保护。本发明提供的均衡充电控制系统能对蓄电池组进行安全监控及有效管理，可以提高蓄电池的使用效率，达到增加续驶里程、延长其使用寿命、降低运行成本的目的，从而进一步提高电池组的可靠性。 | ||
| 摘要(英文)： | The invention discloses an equalizing charge control system for a battery pack of an HEV (Hybrid Electric Vehicle), which uses a micro controller as the core and is used for controlling each module, carrying out sampling on a voltage, a current and a temperature of the battery pack by a data acquisition module, carrying out communication between a communication module and the micro controller as well as other functional modules, carrying out protection and carrying out equalizing control on the battery pack. By disclosing the equalizing charge control system, the invention has the following functions of : accurately detecting (or displaying) state data of each battery, which comprises a current terminal voltage, a current temperature, a current battery internal resistance and current battery residual capacity of each battery; besides providing overcharge, over-discharge and over-current protection for the lithium ion battery pack, effectively providing balance protection, temperature protection and short circuit protection for charge and discharge of each single battery in the lithium ion battery pack. The equalizing charge control system provided by the invention can be used for carrying out safety monitoring and effective management on the storage battery pack, can improve use efficiency of each storage battery and fulfills the aims of increasing a driving range, prolonging the service life of the battery pack and reducing operation cost, so that reliability of the battery pack is further improved. | ||
1.一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统，其特征在于，包括用于控制整个系统的微控制器、用于为整个混合动力汽车电池组均衡充电控制系统提供电能的电源模块、用于与微控制器及其他模块通信的通信模块、存储模块、用于电池组电压采样、电流采样和温度采样的数据采集模块、用于过充保护、过放保护以及温度保护的保护模块、用于实现单体电池均衡充放电的均衡模块。
2.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的电源模块中设置一个防止混合动力汽车启动时的电流尖峰对后续电路产生破坏的共模电感。
3.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。
4.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的数据采集模块电压采样的方式，包括如下步骤：先通过采样数模转换器采集单体电池电压信号，然后将采集到的各个电压信号通过选通开关的方式传输至微控制器中。
5.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的通信模块采用串口通信和CAN总线通信两种通信模式。
1.一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统，其特征在于，包括用于控制整个系统的微控制器、用于为整个混合动力汽车电池组均衡充电控制系统提供电能的电源模块、用于与微控制器及其他模块通信的通信模块、存储模块、用于电池组电压采样、电流采样和温度采样的数据采集模块、用于过充保护、过放保护以及温度保护的保护模块、用于实现单体电池均衡充放电的均衡模块。
2.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的电源模块中设置一个防止混合动力汽车启动时的电流尖峰对后续电路产生破坏的共模电感。
3.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。
4.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的数据采集模块电压采样的方式，包括如下步骤：先通过采样数模转换器采集单体电池电压信号，然后将采集到的各个电压信号通过选通开关的方式传输至微控制器中。
5.根据权利要求1所述的均衡充电控制系统，其特征在于，所述的通信模块采用串口通信和CAN总线通信两种通信模式。
翻译：
技术领域
本发明属于节能与新能源汽车领域，尤其涉及一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统。
背景技术
随着汽车工业的迅猛发展，能源和环境问题更加突出。混合动力汽车(Hybrid-Electric Vehicle, HEV）是为减少燃油汽车的能源消耗和所引起的污染这两个问题而产生的。其中的动力锂离子电池一般多节电池串联，而由于各单体电池的加工制作、初始容量、电压、内阻以及蓄电池组中各单体电池的温度等方面均不完全相同，单体电池间的不均衡性是影响电池组工作的一个非常有害的因素，因而，电池组的外特性监控成为电动汽车领域亟待解决的一个关键问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统。
本发明的技术方案具体如下：
一种混合动力汽车电池组均衡充电控制系统，包括用于控制整个系统的微控制器、用于为整个混合动力汽车电池组均衡充电控制系统提供电能的电源模块、用于与微控制器及其他模块通信的通信模块、存储模块、用于电池组电压采样、电流采样和温度采样的数据采集模块、用于过充保护、过放保护以及温度保护的保护模块、用于实现单体电池均衡充放电的均衡模块。
所述的电源模块中设置一个防止混合动力汽车启动时的电流尖峰对后续电路产生破坏的共模电感。
所述的数据采集模块包括电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块。
所述的数据采集模块电压采样的方式，包括如下步骤：先通过采样数模转换器采集单体电池电压信号，然后将采集到的各个电压信号通过选通开关的方式传输至微控制器中。
所述的通信模块采用串口通信和CAN总线通信两种通信模式。
本发明相对于现有技术的优点是提出了多分组管理的策略和备用电源策略，分析了多分组管理策略的局限性，指出了在HEV场合使用备用电源策略的合理性。采用该策略主要包括电池分组的原则和充放电的控制方法等。实验数据分析表明，采用本能量管理策略能有效改善被管理电池组的工作状况。
本发明提供的电池组管理系统能对蓄电池组进行安全监控及有效管理，可以提高蓄电池的使用效率，达到增加续驶里程、延长其使用寿命、降低运行成本的目的，从而进一步提高电池组的可靠性。
附图说明
图1为硬件整体设计框图。
图2为电源模块示意图。
图3为电压采样模/数转换电路示意图。
图4为过充电保护电路示意图；其中，（a）为S-8242过充电保护电路；（b）为S-8254过充电保护电路。
图5为过放电保护电路示意图；其中，（a）为S-8242过放电保护电路；（b）为S-8254过放电保护电路。
图6为均衡控制驱动模块示意图。
图7为改进均衡电路的性能对比图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施实例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种测试用锂离子电池组，该电池组包括100个串联的额定电压为3.8V的单体锂离子电池，将这100个单体电池平均分成4箱，然后将每箱中25个电池单体平均分成5组，即每5个电池单体为一小组。
由于电池组的不均衡具有很强的随机性，在电池组中既有可能存在剩余能量低的电池，也有可能存在剩余能量高的电池，因此，高性能的均衡管理系统既要具备充电均衡功能也要具备放电均衡功能。
本发明提供的混合动力汽车电池组均衡充电控制系统，如图1所示，包括微控制器模块(MCU) 、电源模块、通信模块、存储模块、数据采集模块、保护模块以及均衡模块。
（1）电源模块
该电池管理系统的电源模块如图2所示，该电池管理系统采用车载24V蓄电池供电，MCU工作电压为1.5V，外围接口电压为3.3V。图2中Dl是防反二极管，保险F能在电路短路时把系统和电源迅速断开；共模电感COM是为了防止HEV启动时的电流尖峰对后续电路产生破坏；D2、C1起吸收瞬间电流尖峰的作用；图2右边上半部分产生1.8V电压，下半部分产生3.3V电压；LM1117为DC/DC转换芯片。
（2）数据采集模块
电压采样：本发明的电压采样模/数转换电路如图3所示，本发明通过选通开关的方式对单体电池电压进行差模测量，先通过采样数模转换器采集到电压信号，将采集的各个电压信号通过选通开关传输至MCU中，最后显示出电压值。整个电压采集电路由MCU发出控制信号，每箱电池采用20个移位选通开关分时选通电路，将电池每一小组正、负极相连，因此只需要4个控制信号线，就可以对电路中所有电池进行电压采样。在每一采样时刻，每箱电池采用20个移位选通开关，一共采集四个电压信号。采用CS5461A作为电压采样数模转换芯片。单体电池端采集到的信号传输至采样芯片前，先通过R1、R2、R3高精度电阻降压至一定范围，完成模数转换后，将转换后的电压信号通过光电耦合器隔离传输至MCU中。
电流采样：采用霍尔式传感器将采样信号传输至CS5461A进行模数转换，并将转换后的信号传输至MCU，CS5461A与MCU之间通过光电耦合器隔离。
温度采样：采用分布式多点测温方式对电路进行测温，在每个电池箱中放置3个DS1822型温度传感器，4箱共放置12个DS1822型温度传感器；每6个温度传感器连接在一根总线上，MCU和温度传感器通过光电耦合器隔离以防止干扰，光电耦合器之后加驱动电路以驱动温度传感器。
（3）通信模块
通信模块主要采用串口通信和CAN总线通信：串口通信主要负责与上位机的通信，包括系统初始值的设置、发送系统运行数据等，采用MAX232转换器对MCU端的TTL电平信号和上位机端的RS232电平信号相互转换的通信接口；CAN总线通信采用MCP2551芯片作为CAN控制器和物理总线相连的接口芯片。
（4）保护模块
保护模块主要负责过充保护、过放保护以及温度保护。实时监测每个单体电池的端电压，当单体电压超过规定高电压时，即启动过充电保护功能，保护电路切断充电回路，中止充电；当单体电压低于规定低电压时，即启动过放电保护功能，保护电路连通充电回路，开始充电；当温度高于设定温度时，自动开启散热模式。
图4和图5分别为电池过充电和过放电保护电路，串联方式可以对一组电池进行过充保护。其中S-8242为两节锂电池保护芯片，S-8254为三节或四节锂电池保护芯片。
在S-8242中，管脚4连接电池b的负极，管脚5连接电池a的负极，管脚6连接电池电源正极，管脚8为过充过放检测管脚，管脚1（CO，充电控制用FET门极连接端子）连接过充控制MOSFET，当出现过充是为高，管脚2（DO，放电控制用FET门极连接端子）连接过放控制MOSFET，当出现过放是为高。
在S-8254中，管脚10连接电池c、电池d的电池模式选择管脚，管脚13连接电池c负极，管脚14连接电池b负极，管脚15连接电池a的负极，管脚16连接电池电源正极，管脚2为过充过放检测管脚，管脚1连接过充控制MOSFET，当出现过充是为高，管脚3连接过放控制MOSFET，当出现过放是为高。
（5）均衡模块
均衡控制模块的MOSFET驱动电路原理：主要采用压控型脉冲调制器产生PWM波，经过光耦后传送到MOSFET芯片，以控制MOSFET开关管，从而控制均衡模块充放电。图6为均衡控制模块MOSFET驱动电路，该电路能使开关迅速导通与关断。其中信号PWM-D由SG3535根据反馈电压调节PWM波形从而控制MOSFET开关管；6N137用于开关管与主控电路在电气上的隔离；SN7404芯片用于提高驱动电流，降低开关损耗和缩短脉冲上升下降时间；IR2102为驱动MOSFET的专用芯片；LO引脚上输出PWM波驱动MOSFET；Load为MOSFET的控制输出。
（6）有效性试验：
为了验证本发明所提出的均衡充电控制系统的改进DC-DC均衡充电电路的工作原理和有效均衡，对均衡相关电路进行试验。对四个由锂离子电池串联成的电池组，用本发明所提出的均衡电路进行均衡充电。从图7可以看出，均衡充电前，充电不足的单体电池的SOC与其他单体电池相差20%左右，均衡充电70分钟后，各单体的电压趋近一致，SOC相差不超过2%。这说明，本发明所提出的均衡充电控制系统有较好的均充性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益结果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之类，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
