一種電池管理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對(duì)供配電系統(tǒng)中的電池進(jìn)行管理的技術(shù)領(lǐng)域，具體的來(lái)說(shuō)，是一 種電池管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流系統(tǒng)是發(fā)電廠、變電站的重要配套系統(tǒng)，電池作為其關(guān)鍵組成部分，是在電網(wǎng) 發(fā)生故障或無(wú)交流電的情況下使用的。電池組發(fā)生故障后，如果人工維護(hù)，由于電池?cái)?shù)量眾 多，情況各異，維護(hù)工作量大，許多因素?zé)o法判斷，將直接影響故障處理的準(zhǔn)確和及時(shí)。因 此，該系統(tǒng)一般都是設(shè)計(jì)成可以對(duì)電池組基本參數(shù)（單個(gè)電池電壓、充放電電流、工作溫 度、總電壓）進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與報(bào)警，對(duì)電池組剩余電荷量的估計(jì)、早期故障診斷。
[0003] 同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，這些電池往往是多個(gè)串聯(lián)的，這樣在充放電時(shí)會(huì)發(fā)生不均衡 現(xiàn)象，導(dǎo)致某些電池容量損失，壽命較短。當(dāng)一組電池中的某個(gè)單體或者幾個(gè)單體損壞，電 池應(yīng)用客戶往往無(wú)法判斷是哪個(gè)電池單體發(fā)生故障，因此只能一整組電池更換，從而引起 大量的浪費(fèi)。因此，電池串聯(lián)組中每個(gè)單體電池好壞的判斷也是很必要的。同時(shí)，由于該類 電池的特點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行管理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 基于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)最基本的作 用是監(jiān)控電池的工作狀態(tài)：電池的電壓、電流和溫度，計(jì)算電池組的荷電狀態(tài)S0C，管理電 池的工作情況，避免出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充、過(guò)熱，對(duì)出現(xiàn)的故障應(yīng)能及時(shí)報(bào)警，以便最大限度地 利用電池的存儲(chǔ)能力和循環(huán)壽命。為了實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)，本發(fā)明對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行了劃分， 形成各智能測(cè)量與控制節(jié)點(diǎn)，基于中央控制單元進(jìn)行控制管理，同時(shí)為了便于以后對(duì)電池 模型的研究，本發(fā)明連接PC機(jī)端CAN通訊接口，實(shí)現(xiàn)了PC對(duì)BMS的快速訪問(wèn)，以便用PC強(qiáng) 大的數(shù)據(jù)處理功能來(lái)處理所采集到的數(shù)據(jù)。
[0005] 硬件的設(shè)計(jì)必須要實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的合理管理，首先必須保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性； 其次是可靠穩(wěn)定的系統(tǒng)通信；最后非常重要的是抗干擾性。
[0006] 在具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求決定需要采集電池組的數(shù)據(jù)類型；根據(jù)采集量 以及精度要求決定前向通道的設(shè)計(jì)；根據(jù)抗干擾性要求設(shè)計(jì)合理的通訊接口電路。
[0007] 電池組管理系統(tǒng)的硬件電路為管理軟件提供了工作平臺(tái)，硬件的主要功能與基本 特點(diǎn)如下： (1) 設(shè)計(jì)有掉電保護(hù)RAM，用于存儲(chǔ)故障診斷結(jié)果、自學(xué)習(xí)結(jié)果、電池歷史使用情況等 參數(shù)； (2) 具有BMS的自學(xué)習(xí)策略； (3) BMS的EMC(電磁兼容）能力強(qiáng)； (4) 實(shí)現(xiàn)BMS的模塊化設(shè)計(jì)，特別是可靠的獨(dú)立的CPU板設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)成本、提高開(kāi)發(fā) 效率； (5) 實(shí)現(xiàn)對(duì)BMS動(dòng)態(tài)程序下載與程序燒寫(xiě)，具備了動(dòng)態(tài)標(biāo)定能力； (6) 具有外部ADM控制接口； 電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合不同，其功能大小也有差異，具體結(jié)構(gòu)組成是由其具體使用 功能來(lái)決定的。
[0008] 管理系統(tǒng)分為硬件電路和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件部分一般是按功能分成充電 機(jī)主電路、放電機(jī)主電路、充放電機(jī)主電路的控制電路及以CPU單元構(gòu)成的監(jiān)控回路。軟件 系統(tǒng)因管理目的的不同而不同，但都包括充放電工況的自動(dòng)轉(zhuǎn)換、對(duì)電池單節(jié)電壓的檢測(cè)、 對(duì)充電電流進(jìn)行控制等這些基本功能。電池監(jiān)控管理系統(tǒng)都是通過(guò)檢測(cè)回路或檢測(cè)元件檢 測(cè)標(biāo)稱電池工作狀態(tài)的電壓、電流、溫度等參數(shù)，提供給系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析判斷，再下達(dá)命 令給控制電路部分來(lái)調(diào)整電池的工作狀態(tài)。
[0009] a、狀態(tài)參量檢測(cè)電路：包括電壓、電流、溫度等測(cè)量電路。
[0010] b、控制板電路：控制板上設(shè)置了單片機(jī)，主要完成采集數(shù)據(jù)的處理和有關(guān)接口的 管理。
[0011] C、監(jiān)控軟件系統(tǒng)：監(jiān)控軟件系統(tǒng)由參數(shù)預(yù)置、數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)處理等 功能組成，包括充電控制、放電控制、故障診斷及排除、保護(hù)及報(bào)警、歷史記錄查詢等功能模 塊。
[0012] 狀態(tài)參量檢測(cè)電路主要任務(wù)是完成對(duì)電池組單體電壓、工作電流及工作溫度的采 集，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)運(yùn)算。
[0013] 電池組的采樣包括電壓采樣、電流采樣和溫度采樣。
[0014] 電池組通常包含有多個(gè)電池單元，必須正確監(jiān)控電池組工作數(shù)據(jù)才能提高電池組 能量使用效率，延長(zhǎng)電池組壽命并確保使用安全性。
[0015] 電池組數(shù)據(jù)采集通常包括采集電池端電壓、電流和溫度等信息，以此作為整個(gè)系 統(tǒng)工作的依據(jù)。電池電壓數(shù)據(jù)采集是整個(gè)電路的關(guān)鍵，因此電壓采集精度要求較高，通常電 池組單體電池電壓差異大于50mV就認(rèn)為電池組內(nèi)部能量不一致，所以電壓檢測(cè)精度一般 要求在5mV之內(nèi)。由于電池組工作環(huán)境比較復(fù)雜、工作溫度范圍較寬，因此電池電壓檢測(cè)電 路應(yīng)該具有較小的溫漂，以保證測(cè)量精度不受外部環(huán)境溫度的影響同時(shí)電池組內(nèi)部單體電 池串聯(lián)連接和電池內(nèi)部特性復(fù)雜，使得對(duì)單體電池電壓測(cè)量難度大大提高，測(cè)量電路對(duì)應(yīng) 于同一個(gè)電壓參考點(diǎn)，用精密電阻進(jìn)行匹配分壓來(lái)降低采樣點(diǎn)的電壓。
[0016] 通過(guò)電阻分壓將電池組的單體電壓轉(zhuǎn)換成共地電壓信號(hào)，假設(shè)對(duì)于每一組電壓測(cè) 量的相對(duì)誤差為;S，實(shí)際真實(shí)值為讓:，測(cè)量值為I，，單體電池電壓為，則通過(guò)計(jì)算可以 得到測(cè)量的單體電壓值為 v;-tr, -y^ -(IL-u%fx(yst〇",) 對(duì)電池組充放電電流的測(cè)量為系統(tǒng)能量估算、能量均衡和充放電控制等提供數(shù)據(jù)，電 流采樣通常有使用采樣電阻，電池組充電時(shí)，充電電流為I。通過(guò)功率電阻R1產(chǎn)生壓降 VI，經(jīng)過(guò)正向放大器到ADC采樣端口。電池組放電時(shí)，放電電流|以_，通過(guò)功率電阻產(chǎn)生壓降 為負(fù)值，經(jīng)過(guò)反向放大器到ADC采樣端口。
[0017] 電池組的安全性問(wèn)題主要是由于熱失控引起，在高溫狀態(tài)下電池可能發(fā)生爆炸， 因此為了保證電池組工作的安全性，對(duì)電池組中每一節(jié)單體電池溫度控制就顯得非常關(guān) 鍵。
[0018] 數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，信號(hào)處理器，多路選擇器， 中央控制器，隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器。具有測(cè)量精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間快，易于在線編程，可多 點(diǎn)并聯(lián)測(cè)量，方便測(cè)量和安裝等優(yōu)點(diǎn)。
[0019] 電池的計(jì)算參量包括S0C和內(nèi)阻、實(shí)際容量計(jì)算。
[0020] S0C是電池使用一段時(shí)間或長(zhǎng)期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量 的比值
剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補(bǔ)償容量。
[0021] 若電池長(zhǎng)期處于過(guò)充模式則正極板會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，在此同時(shí)電解液降低及濃度 增加，此現(xiàn)象加速了極板的腐蝕速度。假如電池處于反復(fù)充電和放電過(guò)程中，由于收縮和膨 脹動(dòng)作不斷發(fā)生，此結(jié)果造成活動(dòng)物質(zhì)從極板中分離，最后電池容量會(huì)降低。所以電池容量 和內(nèi)阻有著密不可分的關(guān)系。
[0022] 電池?zé)o負(fù)載時(shí)，電池的端電壓為E，外部連接的電阻負(fù)載為RL，負(fù)載電流為I，負(fù)載 電壓為E2,電池內(nèi)阻為R0,在負(fù)載電阻已知的情況下，可根據(jù)電池電壓與負(fù)載電壓的測(cè)量。 估算電池的內(nèi)阻。首先，將供電開(kāi)關(guān)打開(kāi)，利用高輸入阻抗的電壓計(jì)，測(cè)得開(kāi)路電壓為E，再 將供電開(kāi)關(guān)閉合，測(cè)得負(fù)載電壓為_(kāi):，而電流計(jì)測(cè)得的負(fù)載電流為I，則由下式可求得內(nèi)部 電阻值。
[0023] 由于__驅(qū):，則可得
電池容量與內(nèi)電阻的關(guān)系如下：
上式中C表示待估計(jì)的電容量，E為端電壓，R0為內(nèi)電阻，const為常數(shù)，:Kp,Y, 為系數(shù)，由此可見(jiàn)，端電壓及內(nèi)阻均影響的電容量。
[0024] 整個(gè)電池保護(hù)電路由多個(gè)模塊組成，主要分為：電源特征采樣模塊，偏置電壓發(fā)生 模塊，休眠控制模塊，時(shí)延模塊，基準(zhǔn)電壓發(fā)生模塊，過(guò)壓和欠壓檢測(cè)模塊，過(guò)流和短路檢測(cè) 模塊，邏輯控制模塊，電平轉(zhuǎn)換模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，以及輔助模塊。這幾個(gè)模塊功能包括： 電源特征采樣模塊主要用來(lái)生成用于判斷各節(jié)電池過(guò)壓、欠壓等錯(cuò)誤狀態(tài)的特征電 壓，特征電壓將與基準(zhǔn)電壓發(fā)生模塊的輸出電壓進(jìn)行比較。
[0025] 偏置電壓發(fā)生模塊主要用于產(chǎn)生一系列偏置電壓，完成對(duì)內(nèi)部電路，包括比較器， 放大器等電路的偏置設(shè)置。
[0026] 休眠控制模塊完成芯片進(jìn)入休眠模式與重新啟動(dòng)的控制，從而盡可能的節(jié)