CN109450059B - 分布式锂电池控制***及方法 - Google Patents

分布式锂电池控制***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池管理技术领域，且公开了一种分布式锂电池控制***，包括由主控模块、总电压采集模块、单体电池电压采集模块、高压控制模块、低压控制模块、总电压传感器、CPLD控制模块一、光耦继电器一、子电压传感器、高压均衡模块、低压适配模块、CAN通信模块一与CAN通信模块二组成的硬件***；主控模块通过CAN通讯模块一与总电压采集模块和单体电池电压采集模块实现通信连接、通过CAN通讯模块二与高压控制模块和低压控制模块实现通信连接。本发明还公开了一种分布式锂电池控制***的控制方法。本发明解决了锂电池控制***，在实现有效监控锂电池模块组内任一单体电池工作电压的同时，无法实现有效降低监控成本的问题。

Description

分布式锂电池控制***及方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，具体为一种分布式锂电池控制***及方法。
背景技术
锂电池因其拥有的诸多良好优点，已经慢慢地代替了传统的镍镉蓄电池及铅酸蓄电池，变成了目前主流的动力电池。在锂电池内部，由于其化学反应非常复杂，在人们不断完善锂电池自身性能的同时，也在对锂电池的管理技术及使用进行不断的研究，以增加锂电池使用寿命，提高锂电池效率，最大地发挥锂电池性能。
目前，锂电池管理***主要有集中式和主从分布式两种架构。其中，集中式电池管理***中高压处理单元和数据采集单元集成在一块电路板上面，这种电池管理***采集的数据量少，控制策略也较为简单；而主从分布式结构电池管理***由数据采集单元和主控单元组成，数据采集单元主要负责数据采集，主控单元负责数据处理和高压控制，这种架构的主控单元和高压控制单元集成在一起，占用了较多的主控微控制器的管脚资源，这样微控制器控制显示屏和无线通信等模块，就会出现资源不够用的情况。
申请公布号为CN107732341A的发明专利申请公开了一种混合动力汽车的分布式电池管理***，包括子模块电压检测单元、子模块温度检测单元、子模块均衡单元、子模块控制单元、总模块电流检测单元、总模块控制单元、第一总模块CAN接口单元、第二总模块CAN接口单元和DC-DC转换单元。上述发明专利申请可对锂离子电池模块的电压、电流和温度等状态参数实时采集和处理，实现对锂离子电池模块的实时监控。
上述发明专利申请虽然能够实现实时监控电池模块的功能，但是也极大地提高了电池管理***的管理成本，而且高强度的管理电池工作也极大地降低电池管理***的使用寿命。
本发明提供一种分布式锂电池控制***及方法，旨在解决锂电池控制***，在实现有效监控锂电池模块组内任一单体电池工作电压的同时，无法实现有效降低监控成本的技术问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种分布式锂电池控制***及方法，解决了锂电池控制***，在实现有效监控锂电池模块组内任一单体电池工作电压的同时，无法实现有效降低监控成本的技术问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
分布式锂电池控制***，包括由主控模块、总电压采集模块、单体电池电压采集模块、高压控制模块、低压控制模块、总电压传感器、CPLD控制模块一、光耦继电器一、子电压传感器、高压均衡模块、低压适配模块、CAN通信模块一与CAN通信模块二组成的硬件***，同时还包括运行在上述硬件***上的软件操作***与应用程序；
主控模块通过CAN通讯模块一与总电压采集模块和单体电池电压采集模块实现通信连接；总电压采集模块通过串口主从通信机制与总电压传感器实现通信连接；
单体电池电压采集模块的输出端口与CPLD控制模块一的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块一的输出端口与光耦继电器一的输入端口实现通信连接，光耦继电器一的输出端口与子电压传感器的输入端口实现通信连接，子电压传感器依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接，子电压传感器的输出端口与单体电池电压采集模块的输入端口实现通信连接；
主控模块通过CAN通讯模块二与高压控制模块和低压控制模块实现通信连接，高压控制模块的输出端口与高压均衡模块的输入端口实现通信连接，低压控制模块的输出端口与低压适配模块的输入端口实现通信连接。
优选的，所述子电压传感器用于接收光耦继电器一的指令、间歇式采集单体电池的电压数据、并将采集的任一单体电池的电压数据传输至单体电池电压采集模块。
进一步的，所述控制***包括电流采集模块和电流传感器，电流采集模块通过CAN通讯模块一与主控模块实现通信连接，电流采集模块通过串口主从通信机制与电流传感器实现通信连接。
进一步的，所述控制***包括单体电池温度采集模块、CPLD控制模块二、光耦继电器二和温度传感器，单体电池温度采集模块的输出端口与CPLD控制模块二的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块二的输出端口与光耦继电器二的输入端口实现通信连接，光耦继电器二的输出端口与温度传感器的输入端口实现通信连接，温度传感器的输出端口与单体电池温度采集模块的输入端口实现通信连接。
进一步的，所述温度传感器用于接收光耦继电器二的指令并依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接、间歇式采集单体电池的温度数据、并将采集的任一单体电池的温度数据传输至单体电池温度采集模块。
分布式锂电池控制***的控制方法，包括以下控制步骤：
S1.主控模块通过CAN通信模块一依次与总电压采集模块、电流采集模块、单体电池电压采集模块和单体电池温度采集模块实现通信，且向上述采集模块发送数据采集指令；
S2.上述步骤S1中的采集模块分别采集锂电池组总电压数据、锂电池组电流数据、锂电池组内任一单体电池电压和温度数据，且将上述采集数据通过CAN通信模块一传输至主控模块；
S3.主控模块接收采集模块采集的各项参数数据，先与主控模块中内置的锂电池组标准工作电压和电流值、单体电池标准工作电压和温度值进行对比，再根据主控模块中内置的逻辑判断程序对电池组与单体电池做出分析评价结论，并且依据上述分析评价结论做出执行命令；
若主控模块做出控制高压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向高压控制模块发送指令，高压控制模块接收主控模块的指令，并通过高压均衡模块降低高于标准电压值的单体电池的电压；
若主控模块做出控制低压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向低压控制模块发送指令，低压控制模块接收主控模块的指令，并通过低压适配模块提高低于标准电压值的单体电池的电压。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
1、该分布式锂电池控制***中单体电池电压采集模块通过CPLD控制模块一向光耦继电器一发送间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压数据指令，光耦继电器一使子电压传感器依次与锂电池组内任一单体电池实现间歇式导通，子电压传感器依次间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压数据，实现了间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压数据的技术效果；
高压控制模块通过高压均衡模块与锂电池组内高于标准电压值的单体电池进行间歇式连接，实现降低高于标准电压值的单体电池的电压的目的，低压控制模块通过低压适配模块与锂电池组内低于标准电压值的单体电池进行间歇式连接，实现提高低于标准电压值的单体电池的电压的目的，从而实现了间歇式控制锂电池组内任一单体电池的工作电压的技术效果；
这一技术方案通过采用间歇式监控锂电池组内任一单体电池的工作电压的方式，取得了在实现有效监控锂电池模块组内任一单体电池工作电压的同时，有效降低监控锂电池成本的技术效果。
2、该分布式锂电池控制***中单体电池温度采集模块通过CPLD控制模块二向光耦继电器二发送间歇式采集锂电池组内任一单体电池温度数据指令，光耦继电器而使温度传感器依次与锂电池组内任一单体电池实现间歇式导通，温度传感器依次间歇式采集锂电池组内任一单体电池温度数据，从而取得了间歇式采集锂电池组内任一单体电池的工作温度的技术效果。
3、该分布式锂电池控制***的控制方法，通过单体电池电压采集模块间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压数据并传输至主控模块，主控模块依据其内置的逻辑判断程序对采集的单体电池电压数据进行分析评价并做出执行命令且发送指令至高压控制模块或/和低压控制模块，高压控制模块或/和低压控制模块间歇式控制使锂电池组内任一单体电池处于正常工作状态，实现了间歇式监控锂电池组内任一单体电池的工作电压的目的，从而取得了在实现有效监控锂电池模块组内任一单体电池工作电压的同时，有效降低监控锂电池成本的技术效果。
附图说明
图1为本发明分布式锂电池控制***的逻辑框图；
图2为本发明的单体电池电压采集模块的逻辑框图；
图3为本发明的单体电池温度采集模块的逻辑框图；
图4为本发明分布式锂电池控制***的控制方法的逻辑框图。
具体实施方式
分布式锂电池控制***，参见图1，包括由主控模块、总电压采集模块、电流采集模块、单体电池电压采集模块、单体电池温度采集模块、总电压传感器、电流传感器、高压控制模块、低压控制模块、高压均衡模块、低压适配模块、CAN通信模块一与CAN通信模块二组成的硬件***，还包括运行在上述硬件***上的软件操作***与应用程序；
其中，主控模块主要用于存储锂电池组标准工作电压值、锂电池组标准工作电流值、单体电池标准工作电压值、单体电池标准工作温度值，同时向采集模块发送指令并接收采集模块采集的各项参数数据，且根据其内置的逻辑判断程序对采集的各项参数数据进行分析判断处理，并向高压控制模块或/和低压控制模块发送执行指令；
主控模块通过CAN通讯模块一与总电压采集模块、电流采集模块、单体电池电压采集模块和单体电池温度采集模块实现通信连接；
总电压采集模块主要用于接收主控模块的指令并向总电压传感器发送指令，总电压传感器主要用于采集锂电池组整体的总电压数据并将采集的总电压数据传输至总电压采集模块，总电压采集模块的CPU通过串口主从通信机制与总电压传感器的CPU实现通信，且总电压采集模块的CPU为主处理器、总电压传感器的CPU为从处理器；
电流采集模块主要用于接收主控模块的指令并向电流传感器发送指令，电流传感器主要用于采集锂电池组的电流数据并将采集的电流数据传输至电流采集模块，电流传感器的CPU通过串口主从通信机制与电流采集模块的CPU实现通信，且电流采集模块的CPU为主处理器、电流传感器的CPU为从处理器；
如图2所示，单体电池电压采集模块主要用于接收主控模块的指令并向CPLD控制模块一发送指令，CPLD控制模块一主要用于接收单体电池电压采集模块的指令并向光耦继电器一发送指令，光耦继电器一主要用于接收CPLD控制模块一的指令并向子电压传感器发送指令，子电压传感器主要用于接收光耦继电器一的指令并依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接、间歇式采集单体电池的电压数据、并将采集的任一单体电池的电压数据传输至单体电池电压采集模块；
其中，单体电池电压采集模块的输出端口与CPLD控制模块一的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块一的输出端口与光耦继电器一的输入端口实现通信连接，光耦继电器一的输出端口与子电压传感器的输入端口实现通信连接，子电压传感器的输出端口与单体电池电压采集模块的输入端口实现通信连接；
如图3所示，单体电池温度采集模块主要用于接收主控模块的指令并向CPLD控制模块二发送指令，CPLD控制模块二主要用于接收单体电池温度采集模块的指令并向光耦继电器二发送指令，光耦继电器二主要用于接收CPLD控制模块二的指令并向温度传感器发送指令，温度传感器主要用于接收光耦继电器二的指令并依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接、间歇式采集单体电池的温度数据、并将采集的任一单体电池的温度数据传输至单体电池温度采集模块；
其中，单体电池温度采集模块的输出端口与CPLD控制模块二的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块二的输出端口与光耦继电器二的输入端口实现通信连接，光耦继电器二的输出端口与温度传感器的输入端口实现通信连接，温度传感器的输出端口与单体电池温度采集模块的输入端口实现通信连接；
主控模块通过CAN通讯模块二与高压控制模块和低压控制模块实现通信连接；
高压控制模块主要用于接收主控模块的指令并向高压均衡模块发送指令，高压均衡模块主要用于接收高压控制模块的指令并与锂电池组内高于标准电压值的单体电池进行间歇式连接，高压均衡模块的输入端口与高压控制模块的输出端口实现通信连接；
低压控制模块主要用于接收主控模块的指令并向低压适配模块发送指令，低压适配模块主要用于接收低压控制模块的指令并与锂电池组内低于标准电压值的单体电池进行间歇式连接，低压适配模块的输入端口与低压控制模块的输出端口实现通信连接。
分布式锂电池控制***的控制方法，如图4所示，包括以下控制步骤：
S1.主控模块通过CAN通信模块一依次与总电压采集模块、电流采集模块、单体电池电压采集模块和单体电池温度采集模块实现通信，且向上述采集模块发送数据采集指令
主控模块通过CAN通信模块一与总电压采集模块进行通信，主控模块向总电压采集模块发送总电压数据采集指令；
主控模块通过CAN通信模块一与电流采集模块进行通信，主控模块向电流采集模块发送电流数据采集指令；
主控模块通过CAN通信模块一与单体电池电压采集模块进行通信，主控模块向单体电池电压采集模块发送单体电池电压数据采集指令；
主控模块通过CAN通信模块一与单体电池温度采集模块进行通信，主控模块向单体电池温度采集模块发送单体电池温度数据采集指令；
S2.上述步骤S1中的采集模块分别采集锂电池组总电压数据、锂电池组电流数据、锂电池组内任一单体电池电压和温度数据，且将上述采集数据通过CAN通信模块一传输至主控模块
总电压采集模块向总电压传感器发送请求总电压数据命令，总电压传感器采集锂电池组的总电压数据并通过串口将采集的总电压数据发送至总电压采集模块，总电压采集模块通过CAN通信模块一与主控模块进行通信并将上述总电压数据传输至主控模块；
电流采集模块向电流传感器发送请求电流数据命令，电流传感器采集锂电池组的电流数据并通过串口将采集的电流数据发送至电流采集模块，电流采集模块通过CAN通信模块一与主控模块进行通信并将上述电流数据传输至主控模块；
单体电池电压采集模块通过CPLD控制模块一向光耦继电器一发送间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压指令，光耦继电器一使子电压传感器依次与锂电池组内任一单体电池实现间歇式导通，子电压传感器依次间歇式采集锂电池组内任一单体电池电压数据并传输上述数据至单体电池电压采集模块，单体电池电压采集模块通过CAN通信模块一与主控模块进行通信并将上述数据传输至主控模块；
单体电池温度采集模块通过CPLD控制模块二向光耦继电器二发送间歇式采集锂电池组内任一单体电池温度指令，光耦继电器二使温度传感器依次与锂电池组内任一单体电池实现间歇式导通，温度传感器依次间歇式采集锂电池组内任一单体电池温度数据并传输上述数据至单体电池温度采集模块，单体电池温度采集模块通过CAN通信模块一与主控模块进行通信并将上述数据传输至主控模块；
S3.主控模块接收采集模块采集的各项参数数据，先与主控模块中内置的锂电池组标准工作电压和电流值、单体电池标准工作电压和温度值进行对比，再根据主控模块中内置的逻辑判断程序对电池组与单体电池做出分析评价结论，并且依据上述分析评价结论做出执行命令
主控模块接收总电压采集模块发送的锂电池组总电压数据，并将上述总电压数据与主控模块中内置的锂电池组标准工作电压值进行对比分析，主控模块根据其内置的逻辑判断程序对锂电池组的工作总电压情况做出评价结论；
主控模块接收电流采集模块发送的锂电池组电流数据，并将上述电流数据与主控模块中内置的锂电池组标准工作电流值进行对比分析，主控模块根据其内置的逻辑判断程序对锂电池组的工作电流情况做出评价结论；
主控模块接收单体电池电压采集模块发送的单体电池电压数据，并将上述单体电池电压数据与主控模块中内置的单体电池标准工作电压值进行对比分析，主控模块根据其内置的逻辑判断程序对任一单体电池的工作电压情况做出评价结论；
主控模块接收单体电池温度采集模块发送的单体电池温度数据，并将上述单体电池温度数据与主控模块中内置的单体电池标准工作温度值进行对比分析，主控模块根据其内置的逻辑判断程序对任一单体电池的工作温度情况做出评价结论；
主控模块根据其内置的逻辑判断程序对上述评价结论进行综合分析处理，做出执行命令：
若主控模块做出控制高压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向高压控制模块发送指令，高压控制模块接收主控模块的指令，并通过高压均衡模块降低高于标准电压值的单体电池的电压；
若主控模块做出控制低压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向低压控制模块发送指令，低压控制模块接收主控模块的指令，并通过低压适配模块提高低于标准电压值的单体电池的电压。

Claims (2)

1.一种分布式锂电池控制***，其特征在于：包括由主控模块、总电压采集模块、单体电池电压采集模块、高压控制模块、低压控制模块、总电压传感器、CPLD控制模块一、光耦继电器一、子电压传感器、高压均衡模块、低压适配模块、CAN通信模块一与CAN通信模块二组成的硬件***，同时还包括运行在上述硬件***上的软件操作***与应用程序；主控模块通过CAN通讯模块一与总电压采集模块和单体电池电压采集模块实现通信连接；总电压采集模块通过串口主从通信机制与总电压传感器实现通信连接；单体电池电压采集模块的输出端口与CPLD控制模块一的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块一的输出端口与光耦继电器一的输入端口实现通信连接，光耦继电器一的输出端口与子电压传感器的输入端口实现通信连接，子电压传感器依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接，子电压传感器的输出端口与单体电池电压采集模块的输入端口实现通信连接；主控模块通过CAN通讯模块二与高压控制模块和低压控制模块实现通信连接，高压控制模块的输出端口与高压均衡模块的输入端口实现通信连接，低压控制模块的输出端口与低压适配模块的输入端口实现通信连接；所述子电压传感器用于接收光耦继电器一的指令、间歇式采集单体电池的电压数据、并将采集的任一单体电池的电压数据传输至单体电池电压采集模块；所述控制***包括电流采集模块和电流传感器，电流采集模块通过CAN通讯模块一与主控模块实现通信连接，电流采集模块通过串口主从通信机制与电流传感器实现通信连接；所述控制***包括单体电池温度采集模块、CPLD控制模块二、光耦继电器二和温度传感器，单体电池温度采集模块的输出端口与CPLD控制模块二的输入端口实现通信连接，CPLD控制模块二的输出端口与光耦继电器二的输入端口实现通信连接，光耦继电器二的输出端口与温度传感器的输入端口实现通信连接，温度传感器的输出端口与单体电池温度采集模块的输入端口实现通信连接；所述温度传感器用于接收光耦继电器二的指令并依次与锂电池组内任一单体电池进行间歇式连接、间歇式采集单体电池的温度数据、并将采集的任一单体电池的温度数据传输至单体电池温度采集模块。
2.一种根据权利要求1中所述的分布式锂电池控制***的控制方法，其特征在于：包括以下控制步骤：S1.主控模块通过CAN通信模块一依次与总电压采集模块、电流采集模块、单体电池电压采集模块和单体电池温度采集模块实现通信，且向上述采集模块发送数据采集指令；S2.上述步骤S1中的采集模块分别采集锂电池组总电压数据、锂电池组电流数据、锂电池组内任一单体电池电压和温度数据，且将上述采集数据通过CAN通信模块一传输至主控模块；S3.主控模块接收采集模块采集的各项参数数据，先与主控模块中内置的锂电池组标准工作电压和电流值、单体电池标准工作电压和温度值进行对比，再根据主控模块中内置的逻辑判断程序对电池组与单体电池做出分析评价结论，并且依据上述分析评价结论做出执行命令；若主控模块做出控制高压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向高压控制模块发送指令，高压控制模块接收主控模块的指令，并通过高压均衡模块降低高于标准电压值的单体电池的电压；若主控模块做出控制低压的执行决定，则主控模块通过CAN通信模块二向低压控制模块发送指令，低压控制模块接收主控模块的指令，并通过低压适配模块提高低于标准电压值的单体电池的电压。
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