CN203126558U - 基于协处理器和固态继电器的电池管理*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于协处理器和固态继电器的电池管理***，是一种低自耗电及高精度SOC估算的新型电池管理***，基于MC9S12XE单片机，可对电池的工作状态参数进行监测、对电池的SOC进行高精度估算、实现电池的绝缘监测、故障分级报警及均衡管理。它包括主控板以及分别与其连接的电流采集板和电压采集板，所述主控板通过高压电接头分别接高压电的总正端和总负端实现高压电绝缘监测，通过功率驱动接头接继电器；所述电流采集板采用协处理器与主处理器结合实现电池的SOC估算，通过电流信号接头接电流传感器，所述电流传感器设置在继电器与高压电总负端之间；所述电压采集板通过运放芯片采集电压信号，运放芯片的供电由固态继电器控制。

Description

基于协处理器和固态继电器的电池管理***

技术领域

本实用新型涉及一种电池管理***，具体涉及一种基于协处理器和固态继电器的电池管理***。 

背景技术

电池作为电动汽车主要动力源，其性能的优劣将直接影响电动汽车的推广。电池管理***不仅需要实时监测电池的工作状态，还需要对循环后的电池出现的不一致性进行均衡，从而防止电池过充、过放，以提高电池的循环使用寿命。 

目前国内外对电池管理***都进行了大量的研究。例如美国通用公司的智能管理***可以实现单体电池的状态监测并具有均衡功能，国内亿能、力高、冠拓和墨工等公司的产品也已得到广泛的应用，但是目前的电池管理***的普遍存在非工作状态时***耗电量大以及电压采集精度低等问题，或电池的剩余容量（State of Charge，SOC）的估算精度不高的问题。 

电池管理***对于电池电压的采集多是基于芯片整体进行采集或模拟开关或固态继电器进行循环采集，前一种采集方式会导致电池管理***非工作状态时的自耗电量增加，而后一种方式将降低电压的采集精度，同时也会降低电池管理***的可靠性；目前电动汽车上对于SOC的估算多是基于开路电压法和安时积分法，故初始SOC的估算精度及电流的采样速度与SOC的估算速率将影响整体SOC的估算精度。 

中国专利CN 102975627A检测耦接USB装置的类型，并根据该USB装置的类型，对该USB装置充电。 

中国专利CN 101141076A通过触点继电器将电压检测单元连接到辅助电源或电池单元，用于确定启动或停车时电压检测单元电路是否出现异常；采用与电池单元总数量对应的电池单元继电器的数量进行电池电压的采集，这种采集方式需要对电池单元继电器进行循环通断，影响继电器的寿命，另外由于继电器的压降不同，对应于电池的电压采集精度也会下降。 

中国专利CN 102064568A采用了LTC6802协处理器对电池电压进行采集及输出均衡控制信号，并通过SPI总线与主控制器进行数据交换，但是，这种处理方式解决不了提高SOC精度的问题。 

综上，电池管理***具有两大难点： 

一是：SOC的高精度估算，高精度SOC的估算包括初始SOC的高精度估算及***工作过程中SOC的高精度估算，本实用新型专利采用开路电压与安时积分法相结合的方法对SOC进行估算，对于初始SOC的估算，本实用新型采用不同静止时间下的不同温度、不同电流及充放电状态下的开路电压与SOC的关系进行初始SOC标定；***工作过程中的SOC估算采用安时积分法，从安时积分法的原理可知，影响工作过程中SOC的估算精度的原因是电流的采样速度及SOC的计算速度慢。 

二是低功耗高精度的电池电压采集，目前对于电池电压的采集主要分为两大类，一类是基于芯片的电压采集，另一类是采用模拟开关或固态继电器等开关对电压进行循环采集，前一种采集方式导致了在电池管理***处于非工作状态时的自耗电量比较大，影响电动汽车电池的续驶里程，后一种方式由于采用开关，每个开关的电压降不同，从而影响电池电压的高精度采集，并且由于开关的来回切换，降低了电池管理***的可靠性。 

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于协处理器和固态继电器的低功耗电池管理***，是一种低自耗电及高精度SOC估算的新型电池管理***，基于MC9S12XE单片机，可对电池的工作状态参数进行监测、对电池的SOC进行高精度估算、实现电池的绝缘监测、故障分级报警及均衡管理。 

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案： 

一种基于协处理器和固态继电器的电池管理***，它包括主控板以及分别与其连接的电流采集板和电压采集板，所述主控板通过高压电接头分别接高压电的总正端和总负端实现高压电绝缘监测，通过功率驱动接头接继电器；所述电流采集板采用协处理器与主处理器结合实现电池的SOC估算，通过电流信号接头接电流传感器，所述电流传感器设置在继电器与高压电总负端之间；所述电压采集板通过运放芯片采集电压信号，运放芯片的供电由固态继电器控制。 

所述***采用电动汽车上的12V/24V的低压电瓶分别经过各自的DC/DC隔离模块给其供电；所述***采用B0505电源芯片对通讯供电进行隔离，并且采用6N137高速光耦对通讯信号进行隔离，以增强通讯信号的抗干扰能力。 

所述主控板包括USB存储模块，用于存储工作状态参数。 

所述主控板与显示屏连接，所述显示屏为液晶显示屏，实现对工作状态参数的实时显示；所述主控板还通过CAN总线与电动汽车仪表及整车控制器通讯。 

所述主控板还包括电源模块I、主控制器模块I和通讯模块。 

所述继电器包括总继电器、模组继电器和充电继电器，所述总继电器连接至负载，所述负载经保险丝连接至高压电总正端，所述模组继电器为电池组间继电器，所述电池组为每块电压采集板控制的电池数，所述充电继电器接充电机信号。 

所述电流采集板包括电源模块II、主控制器模块II以及电流采集模块。 

所述电流传感器为双向霍尔电流传感器。 

所述电压采集板通过温度信号接头和电压信号接头分别接安装在电池组正负极柱上的温度传感器和电池的正负端，所述电压采集板有若干个，每个电压采集板对应至多8节电池。 

所述电压采集板通过均衡板接头与均衡板连接。 

所述电压采集板包括电源模块III、主控制器模块III、电压采集模块以及温度采集电路。 

所述电压采集模块包括电压信号接头、二极管、固态继电器、运算放大器1-8，高压电池的电压经过电压信号接头接到二极管D1-D6的阳极，二极管D1-D6的阴极接固态继电器的引脚8，固态继电器的引脚1接电源正极，引脚2经过电阻R1接地，引脚7经电容C1、C2、C3给运放芯片1-8供电，单节高压电电池正极经电阻R3接运放芯片1-8的同相输入端，负极经电阻R4接运放芯片1-8的反向输入端，另外同相输入端经过电阻R2接地，反向输入端经过电阻R5接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端经过电阻R1、C2接主芯片的AD采样端口。 

所述电流采集模块包括电流信号处理模块，电流信号采集模块及SOC估算模块，本实用新型采用双向霍尔传感器，由于AD采样芯片的基准电压为5V，为了降低电路的复杂度，将-100mA-100mA的电流首先经过25欧姆电阻转化成-2.5V-2.5V的电压，再经过2.5V基准电压将信号转化成0V-5V的电信号。前人的大量结果表明开度电压与SOC间存在一定的关系，本实用新型为了提高SOC的估算精度，采用了开路电压与安时积分法相结合的方法，为了提高初始SOC的估算精度，依据在不同静止时间下得到的不同温度、不同电流及充放电状态下的开路电压与SOC的关系对初始SOC值进行标定，由于***工作过程中SOC的估算采用安时积分法，安时积分法的计算公式如下，

通过精确计算k-1至k时刻流经电池组的电流i(t)可计算电流积分值，加上充放电效率的修正，与电池组的初始状态相加就可获得当前的SOC，从上面分析可以看出，为了提高工作过程中SOC的估算精度，需要提高电流的采样速度及SOC的估算速率，本实用新型基于MC9S12XE单片机，采用协处理器与主处理器相结合的方式，主程序一直对电流信号进行采集，协处理器对SOC计算周期定时器中断进行处理，并通过双口RAM与主处理器交换电流数据， 从而实现SOC的估算。本实用新型另外还对电池容量的影响因素如电流、温度、老化状态、自放电进行研究，获得了上述参数与电池容量的关系曲线用于容量的修正。 

***工作时主控板每隔100ms以电流采集板、若干个电压采集板的顺序依次通过485总线得到电池工作状态参数，主控板对获取的数据进行分析判断，当单体电压值过大，需要断开充电继电器，当单体电压过小并且处于放电状态时需要断开模组继电器和总继电器，当电流、温度超过一定值时需要进行报警显示，另外主控板还需要对所有的电压进行比较判断，找出电压超过最低电压一定设定值的单体电池，置此单体电池需要均衡标志位，通知相应的电压采集板进行均衡处理；每经过一个循环周期主控制板对高压电进行一次绝缘监测并对高压电的总电压值进行采集，与电压采集板获取的电压值进行比较，以判断当前的导线的能耗；主控板每隔一定的设定时间将当前的***工作状态参数，结合实时时钟时间保存于USB存储设备中，以便将来对于历史数据进行分析。 

整个***在运行时首先进行***故障自检，故障自检包括通讯自检、EEPROM存储数据自检，并对故障进行报警显示，当自检功能通过时进行正常的数据采集，传输，计算，故障判断及参数显示过程。 

本实用新型的有益效果： 

本实用新型的电池管理***的主控板采用了USB存储方式，增强了存储数据的可读性，且存储容量增大，为监测电池从出厂到报废整个运行状态及建立相应的数据库提供了可能。 

本实用新型中采用了基于端电压测算绝缘电阻的方法进行高压电绝缘监测，其中高压电正负端的接入增加固态继电器控制并经过了保险丝，提高了***的安全性，集成高压电整体电压测量功能，可与电压采集板得到的电压进行比较，为计算导线能耗提供了方法。 

本实用新型中高压电压采集部分采用运放芯片直接采集，降低了整套***的成本，同时运放芯片的供电通过固态继电器进行控制，降低了整套***在非工作状态的自耗电量，同时提高了电池电压的采集精度。 

本实用新型将不同静置时间下的不同电流、不同温度及充放电状态下的开路电压与SOC的关系进行存储，提高了利用开路电压估算初始SOC的精度。 

电流采集板中SOC估算采用协处理器与主处理器相结合的方式，协处理器模块是专门为处理中断和I/O设置的，其速度比主处理器快一倍，协处理器对安时积分法估算SOC中的定时器中断进行处理并计算此时的SOC，从而提高了工作过程中的SOC估算精度。 

与中国专利CN102975627A相比，本实用新型提出的是USB存储，现在电池管理***的存储一般采用的存储芯片，受存储空间大小的限制，无法对车辆从出厂到报废的所有电池管理***采集的数据进行存储，现在电动汽车正处于发展阶段，数据库还不完善，USB 存储空间大，速度快，对电动汽车电池数据库的建立有着重要的意义，为电动汽车的研究提供了数据支持。 

与中国专利CN 101141076A相比，本实用新型采用了固态继电器控制运放芯片的供电，当车辆处于停车状态时，切断运放芯片的供电，从而降低了整个电池管理***非工作状态下的自耗电量。 

与中国专利CN 102064568A相比，本专利提出的协处理器是主处理器内部的单元，其速度比主处理器快一倍，并通过双向RAM与主处理器进行数据交换，两者不是同一概念，本实用新型利用协处理器处理定时器中断信号，提高了***工作过程中SOC的估算精度。 

总之，本实用新型提供了基于芯片内核的协处理器的工作过程中SOC估算。另外电池的容量也对SOC的高精度估算带来影响，本实用新型对电池容量的影响因素如电流、温度、老化状态、自放电进行研究，利用上述参数与电池容量的关系曲线修正容量，从而提高了整体SOC的估算精度。 

本实用新型提供了一种采用改进的运放芯片的电池电压采集方式，相对于传统的运放芯片电池采集方式，本实用新型采用了固态继电器控制运放芯片的供电，当车辆处于停车状态时，切断运放芯片的供电，从而降低了整个电池管理***非工作状态下的自耗电量，另外本实用新型并没有采用任何开关控制电压采集，提高了电压的采集精度及***工作的可靠性。 

附图说明

图1为本实用新型的电池管理***的整体结构示意图； 

图2为运放芯片供电控制原理图； 

图3为电压信号处理电路图； 

其中1.主控板，2.电流采集板，3.电压采集板，4.电源模块I，5.高压电接头，6.功率驱动接头，7.液晶显示屏，8.电源模块II，9.电流信号接头，10.电源模块II，11.电压信号接头，12.温度信号接头，13.均衡板接头，14.均衡板，15.电流传感器，16.继电器，17.保险丝，18.负载。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本实用新型，并不对其内容进行限定。 

图1为锂电池管理***的整体结构示意图，从图1中可以看出电池管理***包括主控板、电流采集板、电压采集板、均衡板及液晶显示屏，主控板通过485总线与电流采集板和电压采集板相连、通过232通讯口与液晶屏进行数据交换、通过CAN总线与电动汽车仪 表及整车控制器等外界设备进行通讯；主控板的功率驱动接头接继电器，其中包括模组继电器、总继电器、充电继电器；电压采集板的电压信号接头分别接电池的正负端、温度信号接头接温度传感器，温度传感器安装在电池组的正负极柱上，均衡板接头接均衡板；电流采集板的电流信号接头接霍尔型电流传感器，其中电流传感器安装在高压电的总负端；整套***的供电采用电动汽车上的12V/24V的低压电瓶分别经过各自DC/DC隔离模块给其供电；为了增强通讯信号的抗干扰能力，采用B0505电源芯片对通讯供电进行隔离，并且采用6N137高速光耦对通讯信号进行隔离。整个***在运行时首先进行***故障自检，故障自检包括通讯自检、EEPROM存储数据自检，并对故障进行报警显示，当自检功能通过时进行正常的数据采集，传输，计算，故障判断及参数显示过程。 

图2为运放芯片供电控制原理图，为了控制方便，现在以8节电池为一组进行讨论，8节电池共有9个不同的正负端，经过高温绝缘线连接到电压采集板的电压信号接头上，分别为V1-、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8，由于在实际过程中可能一组电池的数目可能小于8节，但是一般大于2节，为了增加***的可实用性，电压信号接头部分信号经过分别接到二极管D1-D6的阳极端，二极管的阴极端相连，得到实际一组电池的电压，为了降低电池管理***在非工作状态时的自耗电量，将得到的电池的电压接固态继电器U1的8端口。当***启动时，低压电12V/24V经过DC/DC隔离模块产生5V电压，固态继电器的1端口将变为高电平，此高电平经过固态继电器内部LED连接到2端口再经过电阻R1接地，从而促使内部继电器导通，引脚7和引脚8相连，电池的电压在经过电容C1、C2、C3给运放芯片1-8供电，可实现***的工作；当车辆处于停车状态时，低压电切断，这时整个***将处于非工作状态，DC/DC隔离模块将不输出5V电压，固态继电器的1端口变成低电平，将不能促使内部继电器导通，引脚7和引脚8将处于断开状态，从而降低了***非工作状态时的自耗电量。 

图3为电压信号处理电路图，由于一组电池的数目一般在2-8节之间，而所有的电压处理原理类似，下面对一节电压信号的处理原理进行说明，一般的一节锂电池的电压均低于10V，由于本实用新型中采用的AD采样芯片的基准电压为5V，故需要对电压信号进行处理，如图所示单节电池的正端经过电阻R3接运算放大器的同相输入端，单节电池的负端经过电阻R4接运算放大器的反向输入端，其中运放芯片的同相输入端又经过电阻R2接地，反相输入端经过电阻R5接输出端，信号输出端经电阻R1、电容C2接AD芯片采集端口，运放芯片的4、11正负供电端接图2经过电容C1、电容C2、电容C3后的电池电压，另外正供电端电压经过电容C1滤波，当电路中的电阻R2=电阻R5，电阻R3=电阻R4时为 典型的运放差分放大电路。图3结合图2实现了电压信号的高精度采集，同时降低了***非工作状态时的自耗电量。 

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。 

Claims (10)

1.一种基于协处理器和固态继电器的电池管理***，它包括主控板以及分别与其连接的电流采集板和电压采集板，其特征在于，所述主控板通过高压电接头分别接高压电的总正端和总负端实现高压电绝缘监测，通过功率驱动接头接继电器；所述电流采集板采用协处理器与主处理器结合实现电池的SOC估算，通过电流信号接头接电流传感器，所述电流传感器设置在继电器与高压电总负端之间；所述电压采集板通过运放芯片采集电压信号，运放芯片的供电由固态继电器控制。 

2.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述***采用电动汽车上的12V/24V的低压电瓶分别经过各自的DC/DC隔离模块给其供电；所述***采用B0505电源芯片对通讯供电进行隔离，并且采用6N137高速光耦对通讯信号进行隔离。 

3.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述主控板包括USB存储模块，用于存储工作状态参数。 

4.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述主控板与显示屏连接，所述显示屏为液晶显示屏，实现对工作状态参数的实时显示；所述主控板还通过CAN总线与电动汽车仪表及整车控制器通讯。 

5.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述主控板还包括电源模块I、主控制器模块I和通讯模块。 

6.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述继电器包括总继电器、模组继电器和充电继电器，所述总继电器连接至负载，所述负载经保险丝连接至高压电总正端，所述模组继电器为电池组间继电器，所述电池组为每块电压采集板控制的电池数，所述充电继电器接充电机信号。 

7.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述电流采集板包括电源模块II、主控制器模块II以及电流采集模块。 

8.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述电压采集板通过温度信号接头和电压信号接头分别接安装在电池组正负极柱上的温度传感器和电池的正负端，所述电压采集板有若干个，每个电压采集板对应至多8节电池。 

9.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述电压采集板通过均衡板接头与均衡板连接。 

10.根据权利要求1所述的电池管理***，其特征在于，所述电压采集板包括电源模块III、主控制器模块III、电压采集模块以及温度采集电路。 

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