CN104267352A - 一种多功能电动汽车电池管理*** - Google Patents

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周晶晶
林张弦
潘家杰
李东鑫
江长河
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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池管理***，包括数字信号处理器(10)、保护电路(20)、采样保持电路(30)、二阶滤波电路(40)、电压采样电路(51)、电流采样电路(52)、电池温度采样电路(53)、环境温度采样电路(54)，电压采样电路和电流采样电路与二阶滤波电路连接，二阶滤波电路与采样保持电路连接，采样保持电路与保护电路连接，电池温度采样电路和环境温度采样电路与保护电路连接，保护电路与数字信号处理器连接。通过本发明所述的技术方案，可精确的采集到电池及电池组的电压、电流及温度数据，以及环境温度数据，并计算电池剩余电量，判断电池的安全性。

Description

一种多功能电动汽车电池管理***
技术领域：
本发明涉及电动汽车技术领域，具体而言，涉及一种多功能电动汽车电池管理***。
背景技术：
电动汽车由于既节省能源又对环境污染少越来越引起了很多国家的重视。而车载电池***是电动车运行的关键部分，所以车载电池管理***就显得很重要了。如何精确的采集到电池及电池组的各种数据，计算其剩余电量，使电池工作在最佳状态，有效地，充分的利用电池的能量，提高电池寿命，对电池的故障，老化进行早期预测和报警，防止由于某个电池的故障未作出及时处理而造成电池组甚至整个电动车的损坏，从而降低电动车的成本，提高电动车运行的安全性，提高***的效率。所以车载电池管理***的研究是大势所趋。
发明内容：
本发明所解决的技术问题：如何精确的采集到电池及电池组的各种数据，如电压、电流、温度，计算其剩余电量，并监测环境温度。
本发明提供如下技术方案：一种多功能电动汽车电池管理***，包括数字信号处理器、保护电路、采样保持电路、二阶滤波电路、电压采样电路、电流采样电路。所述多功能电动汽车电池管理***还包括电池温度采样电路和环境温度采样电路。所述电压采样电路和电流采样电路与二阶滤波电路连接，所述二阶滤波电路与采样保持电路连接，所述采样保持电路与保护电路连接，所述电池温度采样电路和环境温度采样电路分别与保护电路连接，所述保护电路与数字信号处理器连接。
电池管理***的要完成最重要的任务就是对电池的剩余容量进行估算，对电池的剩余容量进行估算有很多方法，现有技术一般采用卡尔曼滤波算法。此方法是根据采集到的电池动态参数，来建立蓄电池的二阶RC模型，然后利用卡尔曼滤波算法对蓄电池的SOC进行估算。该方法要把电池当成一个动态***，电池的SOC值只是***的一个变量。该***有输出变量和输入变量，输入变量有电流和温度，输出变量为电压。此方法是当前应用最广泛地方法，因为它适用任何电池，对于充电和放电电流的波动大的车载电池，估算出来的SOC值误差较小，所以适用性比较强。
为实现上述卡尔曼滤波算法，本发明提供了上述技术方案。为了保证采样到电池同一时刻的电流与电压，本发明加一个采样保持电路，该电路通过保护电路与DSP连接，通过二阶滤波电路与采样电路连接。本发明中的二阶滤波电路的作用是过滤采样到得电流和电压，从而保证电流和电压的精度与准度，这样就消除了汽车内电磁干扰对电流与电压的影响。为了实时的了解电池与环境的温度，需要有电池温度采集电路与环境温度采集电路，采集到的数据是用来判断电池是否安全。前面所有采集到的与电池有关的数据与信息都要通过DSP芯片的AD端口进入其内部然后进行数据的计算与分析。通过本发明所述的技术方案，可精确的采集到电池及电池组的电压、电流数据，计算其剩余电量，并监测电池和环境温度以判断电池是否安全。
作为本发明的进一步说明，所述电池温度采样电路包括电阻一、电阻二、电阻三、热敏电阻、电容一、电容二、电容三、电容四、运算放大器一、运算放大器二，所述电阻一和电阻二串联，所述电阻三和热敏电阻串联，所述电阻一和电阻二与电阻三和热敏电阻并联，所述电容一和电容三与电阻一并联，所述电容二和电容四与热敏电阻并联，所述电阻一与电阻二连接处与运算放大器一的负输入端连接，所述电阻三与热敏电阻连接处与运算放大器二的正输入端连接，所述运算放大器一的输出端与运算放大器二的负输入端连接，所述热敏电阻的一端接地。作为优选，所述热敏电阻为正温度系数热敏电阻。
作为本发明的进一步说明，所述环境温度采样电路包括集成温度传感器、运算放大器、NPN型三极管一、NPN型三极管二、电阻、可变电阻，所述集成温度传感器一端与运算放大器的负输入端连接，所述集成温度传感器外接电阻，所述可变电阻与运算放大器的正输入端连接，所述运算放大器的输出端与NPN型三极管一的基极连接，所述NPN型三极管一的发射极与NPN型三极管二的基极连接。其中，所述集成温度传感器包括热敏或温敏元件、温度补偿部分和放大器部分。
作为本发明的进一步说明，所述电压采样电路通过模拟开关与二阶滤波及采样保持电路连接，所述模拟开关为两个十六路模拟开关。本发明所研究的纯电动汽车，包括了24快铅蓄电池，由于DSP芯片的A/D端口不多，所以需要加模拟开关来实现对24路电池的检测。
作为本发明的进一步说明，所述多功能电动汽车电池管理***还包括液晶显示器、与液晶显示器连接的键盘、与数字信号处理器连接的安全开关、与数字信号处理器连接的可擦除可编程存储器。为了使显示的信息比较全面，观察方便，液晶显示器上不仅要显示字母和数据，汉字和符号也需要显示出来，而且这么多信息不可能在一页中显示出来，所以还需要键盘来切换窗口，而且键盘还有其他的作用，主要是控制电池充电的启动和停止的切换。所述液晶显示器通过控制器局域网络总线与数字信号处理器连接。为了保证电池与电动车的安全，需要加一个安全开关，当电池组出现严重问题是，马上断开开关，于是电池组与负载就断开了，从而保护了电池与汽车。申请人考虑到可以对电池组整个使用周期进行动态分析，发明使用了可擦除可编程存储器EEPROM，记录每次充放电的数据。
附图说明：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明一种多功能电动汽车电池管理***的框图；
图2为图1中电池温度采样电路图；
图3为图1中环境温度采样电路图。
图中符号说明：
10－数字信号处理器；
20－保护电路；
30－采样保持电路；
40－二阶滤波电路；
51－电压采样电路；52－电流采样电路；53－电池温度采样电路；54－环境温度采样电路；
60－模拟开关；
70－液晶显示器；71－键盘；
80－安全开关；
90－可擦除可编程存储器；
AR1－运算放大器；AR2－运算放大器；AR－运算放大器；
AN－集成温度传感器；
C1－电容；C2－电容；C3－电容；C4－电容；
R1－电阻；R2－电阻；R3－电阻；RD－热敏电阻；Rb－电阻；Rp－可变电阻；
VT1－NPN型三极管；VT2－NPN型三极管。
具体实施方式：
如图1所示，一种多功能电动汽车电池管理***，包括数字信号处理器10、保护电路20、采样保持电路30、二阶滤波电路40、电压采样电路51、电流采样电路52、电池温度采样电路53、环境温度采样电路54，所述电压采样电路51和电流采样电路52与二阶滤波电路40连接，所述二阶滤波电路40与采样保持电路30连接，所述采样保持电路30与保护电路20连接，所述电池温度采样电路53和环境温度采样电路54分别与保护电路20连接，所述保护电路20与数字信号处理器10连接。其中，所述电压采样电路51通过模拟开关60与二阶滤波电路40连接，所述模拟开关60为两个十六路模拟开关，型号为CD4067。所述二阶滤波电路40电路中的运算放大器采用的是TL028A型号。
如图1所示，所述电动汽车电池管理***还包括液晶显示器70、与液晶显示器70连接的键盘71、与数字信号处理器10连接的安全开关80、与数字信号处理器10连接的可擦除可编程存储器90，所述液晶显示器70通过控制器局域网络总线与数字信号处理器10连接。
如图2所示，所述电池温度采样电路53包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、热敏电阻RD、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器AR1、运算放大器AR2，所述电阻R1和电阻R2串联，所述电阻R3和热敏电阻RD串联，所述电阻R1和电阻R2与电阻R3和热敏电阻RD并联，所述电容C1和电容C3与电阻R1并联，所述电容C2和电容C4与热敏电阻RD并联，所述电阻R1与电阻R2连接处与运算放大器AR1的负输入端连接，所述电阻R3与热敏电阻RD连接处与运算放大器AR2的正输入端连接，所述运算放大器AR1的输出端与运算放大器AR2的负输入端连接，所述热敏电阻RD的一端接地。其中，所述热敏电阻RD为正温度系数热敏电阻。电池温度采样电路53可以实现对单个电池的温度采样。图2中热敏电阻RD是一种温敏传感器，它的原理是电阻值随温度变化而变化。一般的热敏电阻的材料有镍，锰，钴等金属氧化物，这些材料的热敏电阻器电阻值随温度的变化比较明显，而且这种热敏电阻容易批量生产，价格比较合理。但该热敏电阻的缺点是电阻值随温度的变化是非线性的，可以测量的温度范围一般为－100～400摄氏度，互换性不好。通常，按照热敏电阻的温度特性，可以将热敏电阻分为如下三类：正温度系数热敏电阻，负温度系数和临界系数热敏电阻。本电路使用的是正温度系数热敏电阻。尽管热敏电阻RD的电阻值随温度变化的线性度不好，但本电路实际上对热敏电阻RD的线性度要求不高，因为电池温度采样电路无需准确地测量电池的温度，只需要检测电池温度的上限和下限，以提供报警，所以线性度差也没关系，普通热敏电阻即可满足要求。本电路采用的热敏电阻RD体积小，性价比高，而且使用方便，使用时只需要将其直接贴在单个电池的外壳上。图2中，运算放大器AR1和运算放大器AR2的型号采用常见的LM358型号。
如图3所示，所述环境温度采样电路53包括集成温度传感器AN、运算放大器AR、NPN型三极管VT1、NPN型三极管VT2、电阻Rb、可变电阻Rp，所述集成温度传感器AN一端与运算放大器AR的负输入端连接，所述集成温度传感器AN外接电阻Rb，所述可变电阻Rp与运算放大器AR的正输入端连接，所述运算放大器AR的输出端与NPN型三极管VT1的基极连接，所述NPN型三极管VT1的发射极与NPN型三极管VT2的基极连接。其中，所述集成温度传感器AN包括热敏或温敏元件、温度补偿部分和放大器部分。本电路是环境温度检测电路，其主要目的是测量环境温度，以提供参考。电路中采用了集成温度传感器AN，型号为AN6701，AN6701是一款价格便宜，灵敏度高，测量的温度范围比较广的高性能集成温度传感器。AN3701的热响应特性比较好，输入阻抗高，输出阻抗低，而且采用的是微型封装形式。其最重要的性能指标有：灵敏度位106～115mv/℃，这是当外接电阻Rb的阻值范围为1～100K时的灵敏度；测量范围为－10～80℃，这个范围符合普通条件下的环境温度，适合使用在本电池管理***中；非线性度为±0.6％；在静止的空气时，热时间常数一般为25S，在有风的空气条件下，热时间常数为12S；热电阻为300℃/W。与前面的电池温度检测相比，环境温度测量电路需要准确的测出环境温度提供参考，所有需要线性度非常好，不像电池温度检测电路的线性度差问题也不大，只需要测量上限和下限作为报警的提示。AN6701的输入输出特性其实与外接的电阻Rb有关系，在普通的环境温度下的线性度非常好，通常在5％以内，满足环境测量电路的要求。要想改变该测量电路的工作温度测量范围和灵敏度，只需要改变外接电阻Rb的大小即可。在25℃常温下，Rb的范围一般设置为3～30K，通过校正，在－10～80℃的温度范围内，有±0.1的精度。AN6701只需要外接校正电阻Rb，而不需要再接其他的元件，而且温度测量的灵敏度就会很好，此外它体积小，使用方便。
以上内容仅为本发明的较佳实施方式，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种多功能电动汽车电池管理***，包括数字信号处理器(10)、保护电路(20)、采样保持电路(30)、二阶滤波电路(40)、电压采样电路(51)、电流采样电路(52)，其特征在于：还包括电池温度采样电路(53)和环境温度采样电路(54)，所述电压采样电路(51)和电流采样电路(52)与二阶滤波电路(40)连接，所述二阶滤波电路(40)与采样保持电路(30)连接，所述采样保持电路(30)与保护电路(20)连接，所述电池温度采样电路(53)和环境温度采样电路(54)分别与保护电路(20)连接，所述保护电路(20)与数字信号处理器(10)连接。
2.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：所述电池温度采样电路(53)包括电阻(R1)、电阻(R2)、电阻(R3)、热敏电阻(RD)、电容(C1)、电容(C2)、电容(C3)、电容(C4)、运算放大器(AR1)、运算放大器(AR2)，所述电阻(R1)和电阻(R2)串联，所述电阻(R3)和热敏电阻(RD)串联，所述电阻(R1)和电阻(R2)与电阻(R3)和热敏电阻(RD)并联，所述电容(C1)和电容(C3)与电阻(R1)并联，所述电容(C2)和电容(C4)与热敏电阻(RD)并联，所述电阻(R1)与电阻(R2)连接处与运算放大器(AR1)的负输入端连接，所述电阻(R3)与热敏电阻(RD)连接处与运算放大器(AR2)的正输入端连接，所述运算放大器(AR1)的输出端与运算放大器(AR2)的负输入端连接，所述热敏电阻(RD)的一端接地。
3.如权利要求2所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：所述热敏电阻(RD)为正温度系数热敏电阻。
4.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：所述环境温度采样电路(53)包括集成温度传感器(AN)、运算放大器(AR)、NPN型三极管(VT1)、NPN型三极管(VT2)、电阻(Rb)、可变电阻(Rp)，所述集成温度传感器(AN)一端与运算放大器(AR)的负输入端连接，所述集成温度传感器(AN)外接电阻(Rb)，所述可变电阻(Rp)与运算放大器(AR)的正输入端连接，所述运算放大器(AR)的输出端与NPN型三极管(VT1)的基极连接，所述NPN型三极管(VT1)的发射极与NPN型三极管(VT2)的基极连接。
5.如权利要求4所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：所述集成温度传感器(AN)包括热敏或温敏元件、温度补偿部分和放大器部分。
6.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：所述电压采样电路(51)通过模拟开关(60)与二阶滤波电路(40)连接，所述模拟开关(60)为两个十六路模拟开关。
7.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：还包括液晶显示器(70)、与液晶显示器(70)连接的键盘(71)，所述液晶显示器(70)通过控制器局域网络总线与数字信号处理器(10)连接。
8.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：还包括与数字信号处理器(10)连接的安全开关(80)。
9.如权利要求1所述的一种多功能电动汽车电池管理***，其特征在于：还包括与数字信号处理器(10)连接的可擦除可编程存储器(90)。
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