CN102044718A - 电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***及其工作方法 - Google Patents

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刘勇
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解晶莹
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Abstract

本发明涉及属于电池组管理***领域。要解决的技术问题是提供一种电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***及其工作方法，其特征在于：所述组成电池组的所有磷酸铁锂电池均分为若干个电池分组；每个模块管理装置(1)与每个电池分组相连以采集电池分组的电压、温度信号，并通过CAN网络与总体管理装置(2)交互信息；总体管理装置(2)控制正端动力高压接触器(3)、负端动力高压接触器(4)、预充电高压接触器(6)和(7)、充电高压接触器(8)的通断和温控***风扇(9)的工作。本发明的有益效果是：解决了电动汽车用动力磷酸铁锂电池组的管理问题，保证了电池组的高压安全，提高了电池组的使用寿命。

Description

电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***及其工作方法
技术领域
本发明属于电池组管理***领域。具体涉及电动汽车用动力磷酸铁锂电池组的管理***及其工作方法。
技术背景
锂离子电池组应用越来越广泛，逐步应用于电动自行车、电动汽车、大型能量存储***等，锂离子电池组管理***及其工作方法是影响锂离子电池组广泛应用的几个关键技术之一。新体系动力磷酸铁锂电池组具有安全性能好、循环寿命长的优点，促进了电动汽车产业的发展。然而前几年各单位和科研院所研究的都是锂钴氧体系、锂锰氧体系以及三元体系的动力电池组，如专利[公开号：CN 101039034A]公开了一种电池组管理***及其工作方法，特征是它由数据处理单元、充电平衡调整执行单元、放电控制执行单元、电池状态采样单元、***供电识别基准单元、充电状态指示单元所构成。所采用的管理***功能简单，没有采用模块化的结构，不具有产业化的应用前景。万向集团的专利[专利号：ZL 200720113611.2]公开了一种锂离子电池组管理***的实用新型，也由若干个均衡电路、若干个多路电池电压监控芯片以及与所有的多路电池电压监控芯片通过总线相连的单片机单元，该管理***在高压安全控制方面存在缺陷，而且管理***的功能简单。
动力磷酸铁锂电池组是一种新型的蓄电池组，它和传统的锂离子电池组的区别在于平台特性好，不同的荷电状态下电压差异小，正因于此导致了目前管理***根据电压来控制的方法不再适合，制约了电动汽车技术的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***及其工作方法，它是一种针对动力磷酸铁锂电池组的管理***和工作方法，能灵活扩展，保证了电池组的高压安全，同时有效发挥电池组的特性，具有巨大的产业应用前景。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，所述电池组由多节磷酸铁锂电池串联而成，其特征在于：所述管理***包括正端动力高压接触器3、负端动力高压接触器4、预充电电阻5、预充电高压接触器6和7、充电高压接触器8、温控***风扇9；所述管理***还包括若干个模块管理装置1、一个总体管理装置2；所述组成电池组的所有磷酸铁锂电池均分为若干个电池分组；每个模块管理装置1与每个电池分组相连以采集电池分组的电压、温度信号，并通过CAN网络与总体管理装置2交互信息；总体管理装置2控制正端动力高压接触器3、负端动力高压接触器4、预充电高压接触器6和7、充电高压接触器8的通断和温控***风扇9的工作。
所述电池组的正极与动力输出正极之间存在两条相互并联的电路，一条是通过正端动力高压接触器3直接连接动力输出正极，另一条是通过预充电电阻5串联预充电高压接触器6连接动力输出正极；所述电池组的正极与充电器输出正极之间也存在两条相互并联的电路，一条是通过充电高压接触器8直接连接充电器输出正极，另一条是通过预充电电阻5串联预充电高压接触器7连接充电器输出正极；所述电池组的负极通过负端动力高压接触器4接动力输出负极和充电器输出负极。
所述的模块管理装置1，主要由电压检测电路11、均衡控制电路12、温度检测电路13、CAN通讯电路15、CPU14、CAN通讯电路15和电源模块16组成，其中电压检测电路11与电池分组相连，均衡控制电路12与电池分组相连，温度检测电路13通过引线与温度传感器相连，温度传感器贴于电池分组表面；CPU14与电压检测电路11、均衡控制电路12、温度检测电路13、CAN通讯电路15和电源模块16相连；CAN通讯电路15通过引线与总体管理装置2相连。
模块管理装置1的电源由总体管理装置2控制，电源模块16通过引线与总体管理装置2相连。电源模块16为隔离电源模块。
所述总体管理装置2，包含CPU21、风扇控制电路22、电压检测电路23、温度检测电路24、CAN通讯电路25、模块电源控制电路26、绝缘电阻检测电路27、电流检测电路28、高压安全检测电路29、CAN通讯电路30和高压接触器控制电路31；其中CPU21与总体管理装置2中其它各电路相连；温度检测电路24通过引线与温度传感器相连，用于检测电源***的进风口温度和出风口温度；所述的总体管理装置的两个CAN通讯电路，一个与模块管理装置1相连，另外一个与外部装置10相连。
高压安全检测电路29为可实时监测电池组的高压装置的安全状态的检测电路。
电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***工作方法，它包括以下步骤：
步骤一、总体管理装置2上电；
步骤二、总体管理装置2进行自检，并向模块管理装置1供电；模块管理装置1上电自检后与总体管理装置2进行CAN通讯；
步骤三、判断自检是否正常？否，则转入故障模式，是，则进入等待状态，直至外部充电设备或者负载设备接入***后，启动充电或者放电的使能信号；
步骤四、当外部装置发送充电或者放电使能信号时，进入预充电状态，即打开电池组负端动力高压接触器4和相应的预充电高压接触器6和7进行预充电，判断预充电是否成功？否，则进入故障状态；是，则进入正常工作状态，即关闭预充电高压接触器6和7，打开相应的正端动力高压接触器3或者充电高压接触器8；进入充电或者放电状态；
步骤五、在充电或者放电过程中，模块管理装置1以及总体管理装置2定时采集电池分组的电压、温度、电流和绝缘电阻，当出现电池组故障时，总体管理装置2将断开负端动力高压接触器4和正端动力高压接触器3；当电池组中单体电压差异达到一定的值时，模块管理装置1启动均衡控制电路12。
所述步骤二中，总体管理装置2在进行***自检时，通过模块管理装置1对各单体电池电压、温度进行检查，并对整体***绝缘电阻、高压安全控制电路进行检查；全部正常后方可通过自检状态。
所述步骤四中，总体管理装置2接受到充电或者放电使能信号时，首先打开相对应的预充电高压接触器6和7以及负端动力高压接触器4，进行预充电；在一定时间内当负载母线电压达到规定电压值时，关闭预充电高压接触器6和7，打开充电高压接触器8或者正端动力高压接触器3，进入到正常工作模式。
本发明的有益效果是：解决了电动汽车用动力磷酸铁锂电池组的管理问题，保证了电池组的高压安全，提高了电池组的使用寿命。
本发明采用的电池组管理***及其工作方法，是一种针对动力磷酸铁锂电池组的管理***和工作方法，可提高电池组的安全性能，延长电池组的使用寿命。
附图说明
图1是电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***原理框图。
图2是模块管理装置原理框图。
图3是总体管理装置原理框图。
图4是电池组管理***工作方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例是电动汽车用动力磷酸铁锂电池组，电池组由108节标称3.2V20Ah的磷酸铁锂电池串联而成，共有9个模块管理装置，每个模块管理装置管理12串电池组，电池组最大充电电流为150A，最大放电电流为200A。风扇采用12V供电，动力高压接触器采用600V500A的接触器，预充电接触器和充电高压接触器采用600V10A的接触器，预充电电阻采用200W10的大功率电阻。
实施方式如下，结合参见图1、图2、图3、图4：
如图1所示，一种电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，包括9个模块管理装置1、1个总体管理装置2，正端动力高压接触器3、负端动力高压接触器4、预充电电阻5、预充电高压接触器6和7、充电高压接触器8、温控***风扇9组成。所述的模块管理装置1与电池分组相连，采集电池分组模块的电压、温度信号，并通过CAN网络与总体管理装置2交互信息。总体管理装置2控制正端动力高压接触器3、负端动力高压接触器4、预充电高压接触器6和7、充电高压接触器8的通断以及温控***风扇9的工作。
如图2所示，模块管理装置1由电压检测电路11、均衡控制电路12、温度检测电路13、CPU14、CAN通讯电路15、电源模块16组成。其中CPU14一般采用DSP器件，集成了16路A/D采样通道，可同时采集12路电压和4路温度，电压检测电路11通过引线与电池分组相连，均衡控制电路12也与电池分组相连。温度检测电路通过引线与温度传感器相连，温度传感器贴于电池分组表面，温度检测电路采用负温度系数热敏电阻作为温度传感器，通过电阻分压的方式来进行温度检测。电源模块16和CAN通讯电路15通过引线与总体管理装置2相连。模块管理装置1的电源为总体管理装置2控制，可根据需要断开模块管理装置1的电源。电压检测电路11采用了运放和场效应管组成的电流源型电路，均衡控制电路12采用了场效应管和大功率电阻串联的方式实现。CAN通讯电路采用隔离型驱动电路。
如图3所示，总体管理装置2由CPU21、风扇控制电路22、电压检测电路23、温度检测电路24、CAN通讯电路25、模块电源控制电路26、绝缘电阻检测电路27、电流检测电路28、高压安全检测电路29、CAN通讯电路30、高压接触器控制电路31组成。其中CPU21一般采用DSP器件，电压检测电路23为运放和分压电阻组成的高压检测电路。温度检测电路24为温控***需要的温度检测，采用热敏电阻的方式实现，电流检测电路28采用霍尔电流传感器，绝缘电阻检测电路27采用三电压法测试。高压安全检测电路29采用电流源电路检测，CAN通讯电路采用隔离型驱动电路，高压接触器控制电路31采用继电器双级驱动的方式。
风扇控制电路22采用MOSFET来控制，根据MOSFET的导通占空比来控制风扇的转速。电压检测电路23为高压检测电路，电压检测电路23采用差分放大电路来实现。温度检测电路24通过引线与温度传感器相连，用于检测电源***的进风口温度和出风口温度。CAN通讯电路25为总体管理装置2与模块管理装置1交互信息。模块电源控制电路26加入了控制开关，用于控制向模块管理装置1供电。绝缘电阻检测电路27用于检测电池组与***控制地之间的绝缘情况，采用的是三电压法检测的方式。电流检测电路28检测整个电池组的充放电电流，高压安全检测电路29用于检测高压装置的连接情况，以保证电池组的高压安全。CAN通讯电路30用于总体管理装置2与外部装置10进行交互信息。高压接触器控制电路31为继电器驱动电路，用于驱动外部高压接触器。
如图4所示，为电池组管理***的工作方法流程图，总体管理装置2有以下几个工作状态：初始化自检状态、等待使能状态、预充电状态、正常工作状态以及故障模式状态。
(1)外部充电设备或者负载设备接入***后，会启动充电或者放电使能信号；
(2)总体管理装置2上电，进行电压、电流、绝缘电阻、高压安全状态等自检，并给模块管理装置1供电；
(3)模块管理装置1上电自检后与总体管理装置2进行CAN通讯；
(4)自检正常后总体管理装置2进入等待使能状态；
(5)当外部装置发送充电或者放电使能命令时，进入预充电状态，打开电池组负端动力高压接触器4和相应的预充电高压接触器6和7，预充电成功后关闭预充电高压接触器6和7，打开相应的正端动力接触器3或者充电高压接触器8。进入正常工作状态即充电或者放电状态；
(6)在充电或者放电过程中，模块管理装置1以及总体管理装置2定时采集电池组的电压、温度、电流和绝缘电阻，当出现电池组故障时，总体管理装置2将断开两个动力高压接触器。当电池组中单体电压差异达到一定的值时，模块管理装置1启动均衡控制电路12。
上述的总体管理装置2在工作过程中对电池组及管理***的所有故障进行预警，当发生严重故障时可从任意模式进入到故障模式。
上述的总体管理装置2在上电之前，需要接入外部12V车载蓄电池，再通过充电或者放电信号来控制总体管理装置2的电源供应。
上述的总体管理装置2在正常工作前会进入初始化自检状态，进入自检状态时首先打开模块管理装置1的供电，建立起CAN通讯，对电池组模块的各单体电压、温度进行自检，并同时对总体管理装置2的电压、电流、进风口温度、出风口温度、绝缘电阻以及高压安全装置状态进行检查，全部正常后方可跳出自检状态。
上述的电池组管理***均衡控制方式如下：在模块管理装置1实施均衡控制时，需由总体管理装置2发送可均衡动作标志，而总体管理装置2仅当汽车停车后没有放电动作的情况下或者使用外部充电器充电过程中才发送可均衡动作标态。
上述的总体管理装置2正常工作过程中每隔20ms对电流和总电压进行一次采样，电流采样用于计算电池组的剩余容量。
上述为本发明的较佳实施例而已，并非限定本发明的申请专利权利；同时以上的描述，对熟知本技术领域的专门人士可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在上述的申请专利范围中。

Claims (9)

1.电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，所述电池组由多节磷酸铁锂电池串联而成，其特征在于：所述管理***包括正端动力高压接触器(3)、负端动力高压接触器(4)、预充电电阻(5)、预充电高压接触器(6)和(7)、充电高压接触器(8)、温控***风扇(9)；所述管理***还包括若干个模块管理装置(1)、一个总体管理装置(2)；所述组成电池组的所有磷酸铁锂电池均分为若干个电池分组；每个模块管理装置(1)与每个电池分组相连以采集电池分组的电压、温度信号，并通过CAN网络与总体管理装置(2)交互信息；总体管理装置(2)控制正端动力高压接触器(3)、负端动力高压接触器(4)、预充电高压接触器(6)和(7)、充电高压接触器(8)的通断和温控***风扇(9)的工作。
2.按照权利要求1所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，其特征在于：所述电池组的正极与动力输出正极之间存在两条相互并联的电路，一条是通过正端动力高压接触器(3)直接连接动力输出正极，另一条是通过预充电电阻(5)串联预充电高压接触器(6)连接动力输出正极；所述电池组的正极与充电器输出正极之间也存在两条相互并联的电路，一条是通过高压接触器(8)直接连接充电器输出正极，另一条是通过预充电电阻(5)串联预充电高压接触器(7)连接充电器输出正极；所述电池组的负极通过负端动力高压接触器(4)接动力输出负极和充电器输出负极。
3.按照权利要求1所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，其特征在于：所述的模块管理装置(1)，主要由电压检测电路(11)、均衡控制电路(12)、温度检测电路(13)、CPU(14)、CAN通讯电路(15)和电源模块(16)组成，其中电压检测电路(11)与电池分组相连，均衡控制电路(12)与电池分组相连，温度检测电路(13)通过引线与温度传感器相连，温度传感器贴于电池分组表面；CPU(14)与电压检测电路(11)、均衡控制电路(12)、温度检测电路(13)、CAN通讯电路(15)和电源模块(16)相连；CAN通讯电路(15)通过引线与总体管理装置(2)相连。
4.按照权利要求3所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，其特征在于：模块管理装置(1)的电源由总体管理装置(2)控制，电源模块(16)通过引线与总体管理装置(2)相连；电源模块(16)为隔离电源模块。
5.按照权利要求1所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，其特征在于：所述总体管理装置(2)，包含CPU(21)、风扇控制电路(22)、电压检测电路(23)、温度检测电路(24)、CAN通讯电路(25)、模块电源控制电路(26)、绝缘电阻检测电路(27)、电流检测电路(28)、高压安全检测电路(29)、CAN通讯电路(30)和高压接触器控制电路(31)；其中CPU(21)与总体管理装置(2)中其它各电路相连；温度检测电路(24)通过引线与温度传感器相连，用于检测电源***的进风口温度和出风口温度；所述的总体管理装置的两个CAN通讯电路，一个与模块管理装置(1)相连，另外一个与外部控制装置(10)相连。
6.按照权利要求5所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***，其特征在于：高压安全检测电路(29)为可实时监测电池组的高压装置的安全状态的检测电路。
7.电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***工作方法，它包括以下步骤：
步骤一、总体管理装置(2)上电；
步骤二、总体管理装置(2)进行自检，并向模块管理装置(1)供电；模块管理装置(1)上电自检后与总体管理装置(2)CAN通讯；
步骤三、判断自检是否正常？否，则转入故障模式，是，则进入等待状态，直至外部充电设备或者负载设备接入***后，启动充电或者放电的使能信号；
步骤四、当外部装置发送充电或者放电使能信号时，进入预充电状态，即打开电池组负端动力高压接触器(4)和相应的预充电高压接触器(6)和(7)进行预充电，判断预充电是否成功？否，则进入故障状态；是，则进入正常工作状态，即关闭预充电高压接触器(6)和(7)，打开相应的正端动力高压接触器(3)或者充电高压接触器(8)；进入充电或者放电状态；
步骤五、在充电或者放电过程中，模块管理装置(1)以及总体管理装置(2)定时采集电池分组的电压、温度、电流和绝缘电阻，当出现电池组故障时，总体管理装置(2)将断开负端动力高压接触器(4)和正端动力高压接触器(3)；当电池组中单体电压差异达到一定的值时，模块管理装置(1)启动均衡控制电路(12)。
8.按照权利要求7所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***工作方法，其特征在于：所述步骤二中，总体管理装置(2)在进行***自检时，通过模块管理装置(1)对各单体电池电压、温度进行检查，并对整体***绝缘电阻、高压安全控制电路进行检查；全部正常后方可通过自检状态。
9.按照权利要求7所述的电动汽车用动力磷酸铁锂电池组管理***工作方法，其特征在于：所述步骤四中，总体管理装置(2)接受到充电或者放电使能信号时，首先打开相对应的预充电高压接触器(6)和(7)以及负端动力高压接触器(4)，进行预充电；在一定时间内当负载母线电压达到规定电压值时，关闭预充电高压接触器(6)和(7)，打开充电高压接触器(8)或者正端动力高压接触器(3)，进入到正常工作模式。
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