CN101917028B - 动力电池组检测、评估及均衡充电系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开动力电池组检测、评估及均衡充电系统及其应用方法，其特征是：包括电池组探测部分和智能控制部分，所述电池组探测部分包括连接器I、若干电压检测线，所述智能控制部分包括连接器II、若干个电压检测及均衡模块(1)、中央控制器(2)、电流感应器(3)、控制显示面板(4)、负载(5)和充电机(6)；系统对动力电池组的电压、温度信息进行测量，同时对整个电池组的充、放电电流实施测量。本发明可以对动力电池组进行检测、评估、均衡充电，帮助使用者了解动力电池组的当前状态，提高动力电池组的性能，延长其使用寿命。

Description

动力电池组检测、评估及均衡充电系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及电池组的充电装置，特征是涉及动力电池组检测、评估及均衡充电系统及其应用方法。属于动力电池检测设备技术领域。

背景技术

动力电池的类型包括锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池。由于单个动力电池往往存在电压低、能量少的缺点，因此，由多个动力电池组合起来构成动力电池组，正越来越广泛地应用于电动汽车、电动机车、电动轮船、电动机器人和IT备用电源等领域，往往能够起到节约能源、保护环境等效果。

但是，动力电池组在使用一段时间以后，将会遇到两个问题：

1、电池不一致性问题。由于化学成分的差异及使用过程中的一些原因，动力电池组内各个电池在电压及荷电能力两个方面存在不一致性，其不良结果是导致整个电池组的性能下降并使充电时间延长。因此，需要及时发现并减小电池的不一致性。

2、电池老化问题。动力电池组在使用过程中不断老化，使用者需要了解电池组的老化程度，并掌握是否有个别电池荷电能力过低或存在安全隐患，以便及时更换个别或者所有动力电池。

发明内容

本发明的第一个目的，是为提供一种动力电池组检测、评估及均衡充电系统。该装置可应用于各类动力电池组的电池状态检测、均衡充电、电量评估和安全保护，包括电动汽车、电动机车、电动轮船、电动机器人和IT备用电源等动力电池组。动力电池的类型可以是锂离子电池、铅酸电池和镍氢电池。

本发明的第二个目的，是为提供一种动力电池组检测、评估及均衡充电系统的应用方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其结构特点是：包括电池组探测部分和智能控制部分，所述电池组探测部分包括连接器I、若干电压检测线，所述智能控制部分包括连接器II、若干个电压检测及均衡模块、中央控制器、电流感应器、控制显示面板、负载和充电机；若干个电压检测及均衡模块的输入/输出端通过电线分别与连接器连接；若干个电压检测及均衡模块的输入/输出端分别通过通信总线与中央控制器连接，中央控制器还有I/O分别与连接器II、电流传感器、控制显示面板、负载和充电机连接，充电机的正极与电流传感器连接，电流传感器与连接器II连接，充电机的负极与连接器II连接；由所述电压检测及均衡模块、中央控制器、电流感应器、控制显示面板、负载和充电机完成动力电池组的评估及均衡充电。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

本发明的一种具体实施方案是：电池组探测部分还包括若干个温度传感器，所述温度传感器的信号输出端分别与连接器I的一个输入端连接。

本发明的一种具体实施方案是：所述电压检测线依次连接在由N个动力电池串联构成的动力电池组的每个动力电池的两端；所述连接器I与连接器II相互匹配，两者之间的连接线一一对应；所述充电机的一端分别通过电子开关T₁和电子开关T₂与电池组正极B₁相连，另一端分别与电池组负极B_N+1相连，所述电子开关T₁和电子开关T₂分别与中央控制器相连；其中N≥1。

本发明的一种具体实施方案是：连接器I设有与电池组探测部分相匹配连接的连接端口；共有10条连接线，其中3条为温度传感器总线，直接与中央控制器相连，另外7条为电压检测线B₁、B₂、……B₇，与若干个电压检测及均衡模块相连。

本发明的一种具体实施方案是：中央控制器由电脑芯片及其外围电子元件连接而成，控制显示面板由液晶显示器构成或由一台带有显示屏幕的计算机组成。

进一步方案是：中央控制器由Mega-64电脑芯片及其外围电子元件连接而成，控制显示面板8由包含有1个128×64点阵的液晶显示器构成。

本发明的一种具体实施方案是：电流传感器由霍尔互感器构成，其中检测指标为-100A～100A；充电机由输出指标为30V，30A的可调直流稳压电源构成。

本发明的一种具体实施方案是：电压检测及均衡模块包括电阻分压检测电路、均衡电路、微控制器和通信隔离器；微控制器由Mega-8电脑芯片构成；通信隔离器由HCPL2730高速光耦合器构成；电阻分压检测电路由精密电阻网络构成，设有若干个检测点；均衡电路包括若干个均衡电阻及一一对应的若干电子开关；每个均衡电阻的阻值为1Ω，电子开关为5V/3A的继电器，继电器的控制端C₁、C₂和C₃分别接到微控制器的输出端口。

本发明的一种具体实施方案是：电阻分压检测电路的若干个检测点为D₁、D₂、……D₆；其中D₁、D₂和D₃对应的分压电阻的分压比为1∶6；D₄、D₅和D₆对应的分压电阻的分压比为1∶3。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

动力电池组检测、评估及均衡充电系统的应用方法，其特征是：

1)系统对动力电池组的电压、温度信息进行测量，同时对整个电池组的充、放电电流实施测量，其中，电压信息是通过从每个动力电池两端连接到各个电压检测及均衡模块4的电压检测线B₁，B₂，……B_N+1实现；

2)各个电压检测及均衡模块分别带有微处理器，通过分压检测电路把各个电池的电压信息送到微处理器自带的A/D转换端口；电流信息通过一个霍尔传感器直接进行测量，霍尔传感器的输出直接接到智能控制部分的中央控制器，温度信息的测量作为可选的部分，若系统需要测量温度信息，可以在系统的电池组探测部分配有温度传感器、温度传感器总线，以检测动力电池组的温度；

3)动力电池数量、电压检测线数量、每个电压检测及均衡模块服务的电池数量以及电压检测及均衡模块的数量存在以下关系：第一，动力电池个数为N，动力电池依次串联，具有N+1条电压检测线B₁、B₂、……B_N+1；第二，每个电压检测及均衡模块服务的电池数量为m，电压检测及均衡模块的数量为K，若m≥N，则K＝1；否则K≥2，在这种情况下，第一个电压检测及均衡模块服务于第1～m个电池，对应于m+1条检测线B₁、B₂、……B_N+1)，第二个电压检测及均衡模块服务于第m+1～2m个电池，对应于m+1条检测线(B_m+1、B_m+2、……B_2m+1，如此类推……最后一个电压检测及均衡模块服务于第(K-1)m+1～第N个电池，对应于N-(K-1)m条检测线B_(K-1)m+1、B_(K-1)m+2、……B_N+1；

4)中央控制器与各个电压检测及均衡模块是一对一或者一对多的关系，它们之间通过通信总线相连，通信总线可以是I²C总线、CAN总线或工业总线；由于市面上的控制器芯片多数带有I²C总线接口，因此优选I²C通信总线，各个电压检测及均衡模块在接入通信总线之前需经过通信隔离，为的是防止因通信共地问题而造成的短路；通信隔离优选光耦合器件，例如TI公司的HCPL2730芯片；

5)控制显示面板属于与操作员交互的部分，其一方面在于显示动力电池组的相关信息以及生成报表，另一方面在于接受操作员对于系统的控制，如参数设置，紧急切断等；控制显示面板优选一台带有显示屏幕的PC计算机，该计算机通过串行通信口与系统的中央控制器相连接；

6)充电机提供充电电源，充电机通过一个电子开关T₂与电池组正极B₁以及电池组负极B_N+1相连，充电机的充电电压、充电电流的大小可以由操作员手工设定，也可以由系统中央控制器自适应设定，一般情况下其输出电压应高于电池组的浮充电压值；电子开关T₂受中央控制器控制，优选一种能通过大电流的继电器，也称作接触器，例如欧姆龙公司的G9EC-1型号继电器；

7)负载通过放电实现对动力电池组的评估，负载通过一个电子开关T₁与电池组正极B₁以及电池组负极B_N+1相连；负载应该能承受动力电池组的最高电压，其放电功率优选为电池组额定放电功率的五分之一到三分之一。

考虑到市面上许多处理器芯片均自带A/D转换，可直接采集霍尔传感器的输出，因此图例中并未画出用于电流信息测量的A/D转换电路。温度信息的测量是可选的部分，这是由于温度信息对于相当一部分动力电池而言并不十分重要，不一定需要测量其工作温度。

在智能控制部分，温度传感器总线直接与中央控制器连接。温度传感器可选用DALLAS公司的18B20器件，温度传感器总线优选1-wire总线。

在各个电压检测及均衡模块中加入分压检测电路的原因是微处理器自带的A/D转换端口的量程范围一般小于电池或电池组电压，分压的目的在于把较高的电池或电池组电压转换为较低的可测量电压。分压电路可采用精密电阻进行，精密电阻的阻值可根据电池个数及微处理器的特性选取。

本发明具有如下突出的有益效果：

1、由中央控制器进行综合优化运算对动力电池组状态进行检测，发现可能存在隐患的个别电池，并判断其是否需要进行均衡处理。

2、根据电池组状态可以由中央控制器控制充电器、均衡充电模块对动力电池组进行均衡充电和均衡放电，避免电池组电量失衡，提高动力电池组的综合性能和一次充电的工作时间。

3、根据电池组状态和动力电池组工况可以对动力电池组进行电量评估，帮助使用者了解动力电池组的老化程度及剩余循环寿命。

4、根据电流、电压和温度检测可以对电池组进行多重安全保护，避免电池组过流、过压、过温，延长使用寿命，提高动力电池组的安全性和可靠性。

5、充电是所有动力电池组在使用过程中的必须环节。本发明能在充电前后顺便对动力电池组进行检测和评估，并通过一些均衡充电、均衡放电的环节，减小电池的不一致性，及时发现问题，提高电池组的使用效率。

附图说明

图1是本发明一个具体实施例的电路原理图。

图2是图1中电池探测部分的电路原理图。

图3是图1中智能探测部分的电路原理图。

图4是图1中电压检测及均衡模块的电路原理图。

具体实施方式

为更好理解本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。

具体实施例1：

图1至图4构成本发明的具体实施例1。

参照图1至图3，本实施例包括电池组探测部分和智能控制部分，所述电池组探测部分包括连接器I、若干电压检测线，所述智能控制部分包括连接器II、若干个电压检测及均衡模块1、中央控制器2、电流感应器3、控制显示面板4、负载5和充电机6；若干个电压检测及均衡模块1的输入/输出端通过电线分别与连接器II连接；若干个电压检测及均衡模块1的输入/输出端分别通过通信总线与中央控制器2连接，中央控制器2还有I/O分别与连接器II、电流传感器3、控制显示面板4、负载5和充电机6连接，充电机10的正极与电流传感器3连接，电流传感器3与连接器II连接，充电机6的负极与连接器II连接；由所述电压检测及均衡模块1、中央控制器2、电流感应器3、控制显示面板4、负载5和充电机6完成动力电池组的评估及均衡充电。

本实施例用于一款6个锂电池的电动机器人。机器人上动力电池组由6个80Ah的磷酸铁锂电池串联而成，电池组额定电压为19.8V，额定容量为1.6KWh。

如图1至图3所示，动力电池组检测、评估、均衡充电系统串接的6个80Ah的磷酸铁锂电池中，每个电池的正负极通过电压检测线与电动电池的各电极相连，6个动力电池共需7条连接线，记作B₁，B₂，……，B₇。采用6个温度传感器7，各传感器的采样点紧贴于各电池的表面，传感器选用DALLAS公司的18B20器件，该器件采用1-wire总线，总线由三根电线组成，其中两根连接电源和地线，另外一根为数据线。各温度传感器7通过三根电线并联连接在三根总线上。所有的电压检测线与温度传感器总线均汇聚于连接器I，因此连接器I上的连接线为10条。

动力电池组检测、评估、均衡充电装置的非电池组探测部分包括连接器II、电压检测及均衡模块1、中央控制器2、电流感应器3、控制显示面板4、负载5和充电机6；多个电压检测及均衡模块1的输入/输出端通过电线分别与连接器II连接；多个电压检测及均衡模块1的输入/输出端分别与通信总线连接。通信总线与中央控制器2连接，中央控制器2还分别与连接器II、电流传感器3、控制显示面板4、负载5、充电机6和连接，负载5的两端接充电机6的正负两端，充电机6的正极与电流传感器3连接，电流传感器3与连接器II连接，充电机6的负极与连接器II连接。其中，连接器2与电池组探测部分相匹配。共有10条连接线，其中3条为温度传感器总线，直接与中央控制器2相连，另外7条为电压检测线(B₁，B₂，……，B₇)，与电压检测及均衡模块1相连。中央控制器2选用Atmel公司的Mega-64芯片，控制显示面板4主要包含有1个128×64点阵的液晶显示器。

电流传感器3选用霍尔互感器，其中检测指标为-100A～100A。负载5由若干条发热电炉丝并联而成，并联后的电阻值为1Ω。充电机6为一台输出指标为30V，30A的可调直流稳压电源。

电压检测及均衡模块1如图4所示，包括电阻分压检测电路1-1、均衡电路1-2、微控制器1-3和通信隔离器1-4。其中微控制器1-3为Atmel公司的Mega-8芯片。通信隔离器1-4采用TI公司的HCPL2730高速光耦合器。电阻分压检测电路1-1由精密电阻网络构成，6个电池对应着6个检测点D₁，D₂，……，D₆。其中D₁，D₂，D₃对应的分压电阻的分压比为1∶6。D₄，D₅，D₆对应的分压电阻的分压比为1∶3。

图4中的均衡电路1-2包括6个均衡电阻及相应的6个电子开关。每个均衡电阻的阻值为1Ω。电子开关为5V，3A的继电器，继电器的控制端C₁，C₂，C₃分别接到微控制器的输出端口。

具体实施例2：

本实施例用于一款28个铅酸电池的油电混合动力客车。

本实施例在混合动力客车上使用的动力电池组由28个120Ah的铅酸电池串联而成，电池组额定电压为336V，额定容量为40.3KWh。

参照图1至图3的电路连接结构，电压检测线与电动电池的各电极相连，28个动力电池共需29条连接线，记作B₁，B₂，……，B₂₉。

采用28个温度传感器7，各传感器的采样点紧贴于各点池的表面，传感器选用DALLAS公司的18B20器件，该器件采用1-wire总线，总线由三根电线组成，其中两根连接电源和地线，另外一根为数据线。所有的电压检测线与温度传感器总线均汇聚于连接器I，因此连接器I上的连接线为32条。

该实施例的非电池组探测部分包括：1个连接器II，5个电压检测及均衡模块1，1个中央控制器2，1个电流感应器3，1个控制显示面板4，1个负载5，1个充电机6，以及它们的控制开关或连接线。

其中，连接器II与电池组探测部分相匹配。共有32条连接线，其中3条为温度传感器总线，直接与中央控制器2相连，另外29条为电压检测线(B₁，B₂，……，B₂₉)，与电压检测及均衡模块1相连。中央控制器2选用Atmel公司的Mega-8芯片，控制显示面板4由一台带液晶显示器的PC计算机组成，该计算机与Mega-8芯片由RS-232总线连接。

电池传感器3是一个霍尔互感器，其中检测指标为-100A～100A。负载5由若干条发热电炉丝并联而成，并联后的电阻值为10Ω。充电机6为一台最大输出指标为400V，20A的直流稳压电源。

每个电压检测及均衡模块1如图4所示。其中微控制器1-3为Atmel公司的Mega-8芯片。通信隔离器1-4采用TI公司的HCPL2730高速光耦合器。电阻分压检测电路1-1由精密电阻网络构成。

总共5个电压检测及均衡模块1，每个模块最多负责6个电池。其中第1个模块负责第1～第6个电池，相应于电压检测线B₁，B₂，……，B₇。第2个模块负责第7～第12个电池，相应于电压检测线B₇，B₈，……，B₁₃。第3个模块负责第13～第18个电池，相应于电压检测线B₁₃，B₁₄，……，B₁₉。第4个模块负责第19～第24个电池，相应于电压检测线B₁₉，B₂₀，……，B₂₅。第5个模块负责第25～第28个电池，相应于电压检测线B₂₅，B₂₆，……，B₂₉。

图4中的均衡电路1-2包括6个均衡电阻及相应的6个电子开关。每个均衡电阻的阻值为1Ω。电子开关为5V，3A的继电器，继电器的控制端C₁，C₂，C₃分别接到微控制器1-3的输出端口。

具体实施例3：

本实施例用于一款4个铅酸电池的电动摩托车。

本实施例在电动摩托车上的动力电池组由4个20Ah的铅酸电池串联而成，电池组额定电压为48V，额定容量为800Wh。其实施细节基本同实施例1，与实施例1不同之处在于：电池组探测部分不需要温度传感器及温度传感器总线，4个动力电池共有5条电压检测线，因此连接器上的连接线为5条；智能控制部分霍尔互感器的检测指标为-20A～20A，负载的电阻值为2Ω。充电机为一台输出指标为60V，20A的可调直流稳压电源。

Claims (10)

1.动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：

1）包括电池组探测部分和智能控制部分，所述电池组探测部分包括连接器I、若干电压检测线，所述智能控制部分包括连接器II、若干个电压检测及均衡模块（4）、中央控制器（6）、电流感应器（7）、控制显示面板（8）、负载（9）和充电机（10）；若干个电压检测及均衡模块（4）的输入/输出端通过电线分别与连接器II连接；若干个电压检测及均衡模块（4）的输入/输出端分别通过通信总线（11）与中央控制器（6）连接，中央控制器（6）还设有I/O分别与连接器II、电流传感器（7）、控制显示面板（8）、负载（9）和充电机（10）连接，充电机（10）的正极与电流传感器（7）连接，电流传感器（7）与连接器II连接，充电机（10）的负极与连接器II连接；由所述电压检测及均衡模块（4）、中央控制器（6）、电流感应器（7）、控制显示面板（8）、负载（9）和充电机（10）完成动力电池组的评估及均衡充电；

2）控制显示面板（8）为与操作员交互的部分，其一方面在于显示动力电池组的相关信息以及生成报表，另一方面在于接受操作员对于系统的控制，包括参数设置、紧急切断；控制显示面板为一台带有显示屏幕的PC计算机，该计算机通过串行通信口与系统的中央控制器相连接。

2.根据权利要求1所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：电池组探测部分还包括若干个温度传感器，所述温度传感器的信号输出端分别与连接器I的一个输入端连接。

3.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：动力电池数量、电压检测线数量、每个电压检测及均衡模块服务的电池数量以及电压检测及均衡模块的数量存在以下关系：第一，动力电池个数为N，动力电池依次串联，具有N+1条电压检测线B₁、B₂、……B_N+1；第二，每个电压检测及均衡模块（4）服务的电池数量为m，电压检测及均衡模块（4）的数量为K， K=1或K≥2，在K≥2时，第一个电压检测及均衡模块（4）服务于第1～ m个电池，对应于m+1条检测线B₁、B₂、……B_N+1），第二个电压检测及均衡模块服务于第m+1～2m个电池，对应于m+1条检测线B_m+1、B_m+2、……B_2m+1，如此类推……最后一个电压检测及均衡模块服务于第(K-1)m+1～第N个电池，对应于N-(K-1)m条检测线B_(K-1)m+1、B_(K-1)m+2、……B_N+1。

4.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：所述电压检测线依次连接在由N个动力电池串联构成的动力电池组的每个动力电池的两端；所述连接器I与连接器II相互匹配，两者之间的连接线一一对应；所述充电机（10）的一端通过电子开关T2与电池组正极（B1）相连，电子开关T1连接于电池组正极（B1）与负载之间，所述充电机（10）的另一端与电池组负极（B_N+1）相连，所述电子开关T1和电子开关T2分别与中央控制器相连；其中N≥1。

5.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：连接器I设有与电池组探测部分相匹配连接的连接端口；共有10条连接线，其中3条为温度传感器总线，直接与中央控制器相连，另外7条为电压检测线B₁ 、B₂、……B₇，与若干个电压检测及均衡模块（4）相连。

6.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：中央控制器（6）由电脑芯片及其外围电子元件连接而成。

7.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：电流传感器（7）由霍尔互感器构成，其中检测指标为-100A～100A；充电机（10）由输出指标为30V，30A的可调直流稳压电源构成。

8.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：电压检测及均衡模块（4）包括电阻分压检测电路（4-1）、均衡电路（4-2）、微控制器（4-3）和通讯隔离电路（4-4）；微控制器（4-3）由Mega-8电脑芯片构成；通信隔离电路由HCPL2730高速光耦合器构成；电阻分压检测电路（4-1）由精密电阻网络构成，设有若干个检测点；均衡电路包括若干个均衡电阻及一一对应的若干电子开关；每个均衡电阻的阻值为1Ω，电子开关为5V/3A的继电器，继电器的控制端C₁ 、C₂ 和C₃分别接到微控制器（4-3）的输出端口。

9.根据权利要求1或2所述的动力电池组检测、评估及均衡充电系统，其特征是：电阻分压检测电路（4-1）的若干个检测点为D₁、D₂ 、……D₆；其中D₁ 、D₂和D₃对应的分压电阻的分压比为1：6；D₄ 、D₅ 和D₆对应的分压电阻的分压比为1：3。

10.动力电池组检测、评估及均衡充电系统的应用方法，其特征是：

1）系统对动力电池组的电压、温度信息进行测量，同时对整个电池组的充、放电电流实施测量，其中，电压信息是通过从每个动力电池两端连接到各个电压检测及均衡模块（4）的电压检测线B₁，B₂，……B_N+1实现；

2）通过电压检测及均衡模块（4）的分压检测电路把各个电池的电压信息送到微处理器自带的A/D转换端口；电流信息通过一个霍尔传感器直接进行测量，霍尔传感器的输出直接接到智能控制部分的中央控制器，在系统的电池组探测部分配有温度传感器、温度传感器总线，以检测动力电池组的温度；

3）智能控制部分的中央控制器（6）与各个电压检测及均衡模块4构成一对一或者一对多的关系，它们之间通过通信总线相连，通信总线为I²C总线、CAN总线或工业总线；各个电压检测及均衡模块（4）在接入通信总线之前经过通信隔离；

4）控制显示面板（8）显示动力电池组的相关信息以及生成报表、接受操作员对于系统的控制；控制显示面板（8）为一台带有显示屏幕的计算机，该计算机通过串行通信口与系统的中央控制器相连接；或者控制显示面板（8）由液晶显示器构成，该液晶显示器带有串行通讯口，通过所述串行通讯口使控制显示面板（8）与中央控制器相连接；

5）充电机（10）提供充电电源，充电机（10）通过一个电子开关（T₂）与电池组正极（B₁）以及电池组负极（B_N+1）相连，充电机（10）的充电电压、充电电流的大小由操作员手工设定，或者由系统中央控制器自适应设定，一般情况下其输出电压应高于电池组的浮充电压值；电子开关（T₂）受中央控制器（6）控制；

6）负载（9）通过放电实现对动力电池组的评估，负载（9）通过一个电子开关（T1）与电池组正极（B1）以及电池组负极（BN+1）相连；负载（9）的放电功率优选为电池组额定放电功率的五分之一到三分之一。

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