本發(fā)明涉及一種大功率動力電池組管理系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測動力電池的單體電壓、總電壓、電池SOC(剩余電量)、總電流、溫度等參數(shù)，根據(jù)監(jiān)測電池狀態(tài)進(jìn)行故障診斷和報(bào)警,同時采用電壓被動均衡策略對電池組進(jìn)行均衡控制，并把相應(yīng)的參數(shù)和測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳送、實(shí)時存儲和現(xiàn)場實(shí)時顯示，保障大功率動力電池組的安全運(yùn)行。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在國家大力扶持新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并在國家“十二五”規(guī)劃明確提出了節(jié)能減排的目標(biāo)。目前大多港口起重機(jī)使用柴油機(jī)，但是由于柴油機(jī)耗油量高、效率很低、排放污染大、負(fù)載重力勢能浪費(fèi)等原因，已成為節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域普遍關(guān)注的重要對象之一，目前急需新能源來替代原有的能源。鋰電池具有單體工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、循環(huán)使用壽命長、自放電電流小、無記憶效應(yīng)、無污染和性價比高等優(yōu)點(diǎn)。而且鋰電池的放電曲線很平坦，可以在電池的整個放電期間內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的功率。因此，鋰電池成為車用動力電池的首選。但同時鋰電池的缺點(diǎn)也非常明顯，對溫度、電流和電壓都有嚴(yán)格要求，稍不小心，就可能導(dǎo)致電池受損、報(bào)廢，甚至燃燒、爆炸，造成生命財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。因此，根據(jù)鋰電池特性，對動力鋰電池進(jìn)行有效管理，對于維護(hù)電池安全、保持電池性能、延長電池壽命具有重要的意義，為此本發(fā)明提出一種基于STM32F103單片機(jī)的集中式結(jié)構(gòu)的大功率動力電池組管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池SOC、溫度、電流和電壓數(shù)據(jù)的采集，滿足電池管理要求，提高電池組使用壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)時監(jiān)測動力電池的單體電壓、總電壓、電池SOC、總電流、溫度等參數(shù)，進(jìn)而對電池組進(jìn)行充放電管理，保障電池組安全運(yùn)行的系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種大功率動力電池組管理系統(tǒng),包括：1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路、微處理器電路、按鍵電路、存儲電路、時鐘電路、顯示電路、電源電路、開關(guān)控制電路、報(bào)警及運(yùn)行指示電路、CAN總線接口電路、主控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)接口電路、上位機(jī)、電流傳感器；1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路之間采用級聯(lián)方式連接后與微處理器電路的I/O口連接；按鍵電路、時鐘電路、開關(guān)控制電路的輸出端分別與微處理器電路的I/O口連接；顯示電路、報(bào)警及運(yùn)行指示電路的輸入端分別與微處理器電路的I/O口連接；存儲電路通過I²C與微處理器電路的對應(yīng)接口連接；電源電路的輸出端與微處理器電路的對應(yīng)電源接口連接；主控制系統(tǒng)通過CAN總線接口電路與微處理器電路的對應(yīng)通信接口連接；上位機(jī)通過以太網(wǎng)接口電路與微處理器電路的對應(yīng)通信接口連接；電流傳感器的輸出端與微處理器電路的A/D端口連接。

微處理器電路為STM32F103VECT6芯片。

電池管理電路采用LTC6804-1。

電流傳感器采用霍爾傳感器DHAB/s25。

作為優(yōu)選方案，還包括高壓電源，所述高壓電源由15個電池組串聯(lián)而成；每個電池組由12個電池包串聯(lián)而成；每個電池包由6個單體鋰電池并聯(lián)而成；每個單體鋰電池電壓為3.2V，容量為7.5Ah，15個電池組*12個電池包*6個單體鋰電池總共有1080節(jié)單體鋰電池；1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路分別與15個電池組相連接。

本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明的大功率動力電池組管理系統(tǒng)中，選用180*6個單體3.2V/7.5Ah鋰電池，采用每6個單體并聯(lián)形成45Ah的電池包，12個電池包串聯(lián)形成一個電池組，最后再將這15個電池組串聯(lián)為電動設(shè)備提供動力。(2)本發(fā)明的大功率動力電池組管理系統(tǒng)，管理系統(tǒng)通過STM32F103微處理器電路和LTC6804-1電池管理電路對單體電池的電壓，電流和溫度進(jìn)行采集，通過安時積分算法結(jié)合開路電壓法計(jì)算電池的剩余容量，然后將采集的數(shù)據(jù)以及計(jì)算的電池剩余容量一方面通過顯示電路進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，另一方面通過以太網(wǎng)接口電路發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；當(dāng)電池出現(xiàn)過壓，欠壓，過流活過溫等故障時，微處理器電路將控制報(bào)警及運(yùn)行指示電路進(jìn)行報(bào)警并通過CAN總線接口電路將信息發(fā)送到主控制系統(tǒng)中，主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)以及控制電池充放電。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的大功率動力電池組管理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。

圖2 LTC6804-1級聯(lián)圖。

圖3被動均衡的等效電路原理圖。

圖4大功率動力電池組管理系統(tǒng)主控模塊程序設(shè)計(jì)流程。

圖5電池管理電路監(jiān)控程序設(shè)計(jì)流程。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

見圖1所示，本實(shí)施例的大功率動力電池組管理系統(tǒng)，包括一種1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路、微處理器電路、按鍵電路、存儲電路、時鐘電路、顯示電路、電源電路、開關(guān)控制電路、報(bào)警及運(yùn)行指示電路、CAN總線接口電路、主控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)接口電路、上位機(jī)、電流傳感器；1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路之間采用級聯(lián)方式連接后與微處理器電路的I/O口連接；按鍵電路、時鐘電路、開關(guān)控制電路的輸出端分別與微處理器電路的I/O口連接；顯示電路、報(bào)警及運(yùn)行指示電路的輸入端分別與微處理器電路的I/O口連接；存儲電路通過I²C與微處理器電路的對應(yīng)接口連接；電源電路的輸出端與微處理器電路的對應(yīng)電源接口連接；主控制系統(tǒng)通過CAN總線接口電路與微處理器電路的對應(yīng)通信接口連接；上位機(jī)通過以太網(wǎng)接口電路與微處理器電路的對應(yīng)通信接口連接；電流傳感器的輸出端與微處理器電路的A/D端口連接。1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路分別安裝在對應(yīng)的15組電池組上，且1-15號電池管理電路之間通過級聯(lián)方式連接，自動編號，使用時便于維護(hù)，采用SPI方式傳輸數(shù)據(jù)，抗干擾性強(qiáng)，實(shí)時性高，傳輸時間小于100mS，1-15號電池管理電路之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要包括每個單體電池電壓、每組電池組的2-4個點(diǎn)的溫度，這樣大功率動力電池組管理系統(tǒng)可以同時測量180節(jié)單體電池電壓，及電池組總電壓及15組電池組30-60個點(diǎn)的溫度，以及總放電和充電電流,并計(jì)算大功率動力電池組的剩余壽命，剩余壽命估算精度可達(dá)3％-5％，并且通過CAN總線向主控制系統(tǒng)發(fā)送控制信息。

微處理器電路為STM32F103VECT6芯片。

電池管理電路采用LTC6804-1。

電流傳感器采用霍爾傳感器DHAB/s25。

管理系統(tǒng)將鋰電池分組串并聯(lián)形成高壓電源，選用180*6個單體3.2V/7.5Ah鋰電池，每6個單體并聯(lián)形成45Ah的電池包，12個電池包串聯(lián)形成一個電池組，最后再將這15個電池組串聯(lián)提供動力；管理系統(tǒng)通過STM32F103微處理器電路和LTC6804-1電池管理電路對單體電池的電壓，電流和溫度進(jìn)行采集，通過安時積分算法結(jié)合開路電壓法計(jì)算電池的剩余容量，然后將采集的數(shù)據(jù)以及計(jì)算的電池剩余容量一方面通過顯示電路進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)顯示，另一方面通過以太網(wǎng)接口電路發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；當(dāng)電池出現(xiàn)過壓，欠壓，過流活過溫等故障時，微處理器電路將控制報(bào)警及運(yùn)行指示電路進(jìn)行報(bào)警并通過CAN總線接口電路將信息發(fā)送到主控制系統(tǒng)中，主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)停機(jī)保護(hù)以及控制電池充放電。

見圖2所示，大功率動力電池組管理系統(tǒng)需測量15個電池組，每組電池組由12個電池包構(gòu)成，每個電池包由6節(jié)電池單體并聯(lián)而成，因此需要15片LTC6804-1進(jìn)行級聯(lián)。

見圖3所示，其中R為均衡電阻，i為外部充電電流，i_c為電池充電電流，i_b為均衡電流。Z為電池的內(nèi)阻抗，E_c為電池的電動勢。

由基爾霍夫電壓和電流定律可知：

因?yàn)橐治鲭姵氐木怆娏?，對上式進(jìn)行變換后可以得到：

在電池充放電的過程中，Z的大小會有所改變，R的大小不變，但是Z的改變是毫歐量級的，相對于R的歐姆量級來說很小，可以忽略，所以把Z的值看成一個常數(shù)。

當(dāng)電池充電時，i_b的值取決于E_c和i，由于E_c在短時間內(nèi)變化不大，可以看成定值，那么i_b與i的大小成正比。當(dāng)電池放電時，i為負(fù)值，E_c也隨時間而減小，因此隨著電池電壓下降，均衡電流i_b也下降。

綜上所述，充電過程時進(jìn)行電池均衡的速度更快，并且在放電進(jìn)行均衡時，要防止電池過放的情況。本發(fā)明采用1號電池管理電路、2號電池管理電路、3號電池管理電路、4號電池管理電路、5號電池管理電路、6號電池管理電路、7號電池管理電路、8號電池管理電路、9號電池管理電路、10號電池管理電路、11號電池管理電路、12號電池管理電路、13號電池管理電路、14號電池管理電路、15號電池管理電路分別對15組電池組進(jìn)行被動均衡控制。

見圖4所示，大功率動力電池組管理系統(tǒng)主控模塊任務(wù)主要有：通訊同步任務(wù)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)，故障任務(wù)，信息發(fā)布任務(wù)。軟件程序控制分為兩個部分，即以均衡開關(guān)是否打開為區(qū)分。在均衡開關(guān)關(guān)閉時，系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作，實(shí)時監(jiān)視每節(jié)電池的電壓、溫度。并且進(jìn)行液晶顯示，數(shù)據(jù)的采集，處理，CAN總線，以太網(wǎng)等程序的運(yùn)行。當(dāng)均衡開關(guān)打開時，系統(tǒng)通過電壓的比較，進(jìn)行均衡的控制，向下發(fā)送控制均衡時，相應(yīng)的MOS管會進(jìn)行打開與關(guān)斷，進(jìn)行放電。

見圖5所示，電池管理電路監(jiān)控程任務(wù)主要有：通訊同步任務(wù)，A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理任務(wù)、通訊接收發(fā)送任務(wù)以及均衡執(zhí)行任務(wù)。本發(fā)明采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的SOC估算,展卡爾曼濾波是通過系統(tǒng)狀態(tài)空間模型，利用泰勒公式，對非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化處理，然后再利用標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波算法的循環(huán)迭代過程對狀態(tài)變量做算法最優(yōu)估計(jì)。SOC估算具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)任何時候均適用；2)有助于修正初始值；3)有助于克服傳感器精度不足的問題；4)有助于消除電磁干擾的問題。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。