技术领域

本发明属于车用动力电池系统的管理系统领域 ，尤其涉及一种锂电池的管 理系统。

背景技术

随着全球对节能和环保意识的增强，新能源汽 车的发展逐步扩大， 动力电 池系统是新能源汽车的关键部位。 目前应用在新能源汽车上的动力电池类型 有： 铅酸蓄电池、 镍氢电池、 镍镉电池和锂电池。 由于锂电池具有体积小、 能 量密度高、 储存寿命长、 无记忆效应、 高电压和自放电率低等优良性能， 在新 能源汽车领域中得到了广泛的应用。

为了保证锂电池系统的安全运作， 并充分发挥锂电池系统的性能， 必须设 置专门的管理系统对锂电池的工作状态进行实 时监测和合理有效的管控。这种 管理系统需要实现实时对锂电池的充放电电流 ， 电池温度、 单体电压， 电池系 统总电压以及绝缘状态等工作状态的监测， 以及计算电池系统的容量， 实时将 数据传送给其它电控系统， 并配合其它电控系统对锂电池系统的管理。

在现有技术中， 关于锂电池管理系统的技术仍存在以下几方面 的缺点： 一、采用分布式方法对锂电池模块组进行单个 的分板式管理， 这种方式造 成管理系统庞大复杂， 浪费空间并且成本较高， 可靠性差， 不利于实际应用。

二、对锂电池系统的绝缘性能检测方面处理不 完善， 由于动力电池系统的 电压较高，如果未能实时准确的检测锂电池系 统的绝缘性能，将会对整车及人 身安全带来极大的危险。

三、对锂电池系统的高压继电器未加任何的保 护诊断处理， 这样不能及时 的反馈高压继电器的工作状态， 致使动力电池系统及整车存在安全隐患。 发明内容

本发明为了解决以上问题，提出一种锂电池管 理系统， 实时对锂电池系统 的状态进行监控及管理， 确保锂电池系统的性能及安全。

本发明提出一种锂电池管理系统， 所述锂电池管理系统包括： 微处理器模 块、 电源模块、 总电压采集模块、 电流采集模块、 绝缘检测模块、 继电器控制 及诊断模块；

所述的电源模块分别为所述微处理器模块、 电流采集模块、总电压采集模 块、 绝缘检测模块、 继电器控制及诊断模块提供正常工作的电压；

所述绝缘检测模块与微处理器模块相连，对锂 电池系统的绝缘状态进行实 时监控，在锂电池系统绝缘性能未达到设计要 求时， 所述微处理器模块作相应 的处理；

所述继电器控制及诊断模块与微处理器模块相 连，接收所述微处理器模块 的控制信号，控制高压继电器的闭合与断开， 从而控制锂电池系统是否对外供 电， 同时对所述高压继电器的状态进行诊断， 并将所述高压继电器的状态信息 反馈给所述微处理器模块处理；

所述总电压采集模块以及电流采集模块分别与 所述微处理器模块相连，对 锂电池系统的总电压及工作电流进行采集，并 将采集的数据发送给所述微处理 器模块；

所述的电池模块监控单元分别与微处理器模块 相连，对锂电池单体进行电 压采集、 均衡及温度采集， 并将采集的数据传送给所述微处理器模块； 所述微 处理器模块接收总电压采集模块、 电流采集模块、绝缘检测模块以及电池模块 监控单元发送的信号， 并分析处理， 同时将处理后的信号发送给电控系统， 并 接收所述电控系统发来的信号，综合处理后发 送控制信号给所述继电器控制及 诊断模块。

优选地，所述系统进一步包括与所述微处理器 模块相连的非挥发性记忆模 块， 用于对锂电池系统的状态信息进行非易失性的 存储读写。

优选地， 所述系统进一步包括与所述微处理器模块相连 的 CAN收发器模 块， 用于将所述微处理器模块处理后的信号发送给 电控系统。

优选地，所述系统进一步包括与所述微处理器 模块相连的握手信号收发模 块； 所述握手信号收发模块， 用于诊断所述锂电池管理系统及整车需要紧急 关 闭系统的严重故障。 优选地，所述继电器控制及诊断模块接收所述 微处理器模块发出的控制信 号，由场效应管预驱动芯片及场效应管共同完 成对锂电池系统主回路的高压继 电器的驱动控制， 控制高压继电器的闭合与断开；

所述场效应管预驱动芯片的每个驱动通道独立 检测继电器的开关状态、继 电器开路短路状态以及电源短路的情况，将每 个通道的状态传送给所述微处理 器模块，通过与所述微处理器模块之间的信号 双向传输，对所述继电器进行控 制以及对所述继电器的状态进行诊断。

优选地， 所述继电器控制及诊断模块的电路具体为场效 应管预驱动芯片 V2的四个输入端 IN0、 IN1、 IN2、 IN3接收所述微处理器模块的发出的控制 信号， 场效应管预驱动芯片 V2的输出端 OUT0、 OUTl、 OUT2、 OUT3分别 与四个场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4栅极相连， 四个场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4源极与电路地相连， 所述四个场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4漏极分别与所述 应管预驱动芯片 V2的 DRAIN0、 DRAIN1、 DRAIN2, DRAIN3管脚相连； 四个二极管 Dl、 D2、 D3、 D4的正向偏置分别与四个场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4漏极相连， 四个二极管 Dl、 D2、 D3、 D4的反向偏置分别与电源 VCC 相连。

优选地， 绝缘检测模块的电路具体为： 电池系统总正和电池系统总负之间 串联有电阻 R1和电阻 R2; 电阻 R3的一端与电阻 R1和电阻 R2均相连， 电阻 R3的另一端与二极管 D5反向偏置、 二极管 D6正向偏置相连； 二极管 D5正 向偏置通过电阻 R4与检测单元 V3输入端 IN A相连，同时通过电阻 R15与稳 压二极管 D7反向偏置相连； 二极管 D6反向偏置通过电阻 R4与检测单元 V3 输入端 IN B相连， 同时通过电阻 R16与稳压二极管 D7反向偏置相连；

电阻 R9—端与电路电源 VCC相连，电阻 R9另一端与电阻 R8—端串联， 电阻 R8的另一端与稳压二极管 D7的反向偏置相连，稳压二极管 D7正向偏置 与电路地相连； 电阻 R17—端与电路电源 VCC相连， 电阻 R17另一端与稳压 二极管 D7反向偏置相连；电阻 R8和电阻 R9产生的分压信号输入到检测单元 V3的输入端 IN C;

检测单元 V3输出端 OUT A电压信号通过电阻 R7输入到检测单元 V3输 入端 IN D; 检测单元 V3输出端 OUT A电压信号通过电阻 R6输入到检测单 元 V3输入端 IN A;

检测单元 V3的输出端 OUT B为绝缘检测输出； 检测单元 V3的输出端 OUT B与电阻 R10—端相连， 电阻 R10另一端与发光二极管 D8相连， 当锂 电池系统与整车没有可靠分离时， 检测单元 V3的输出端 OUT B输出一高电 平信号传送给所述微处理器模块，同时通过电 阻 R10驱动发光二极管 D8工作， 指示绝缘故障。

优选地，将多个锂电池单体串联起来组成一个 电池模块组； 所述电池模块 监控单元对每个锂电池单体的电压进行采集， 并将采集的锂电池单体电压实时 传送给所述微处理器模块。

所述电池模块监控单元对每个电池单体的电压 进行分析，并计算出各个模 块内锂电池单体电压的平均值， 对于电压高于平均值的单体进行均衡。

优选地， 所述均衡采用电阻耗能的方式。

优选地， 所述电池模块监控单元的实现电路具体为：

电池单体的正极与监控单元 V4的 Cn相连， 负极与监控单元 V4的 Cn-1 相连， 可以对电池单体电压进行采集计算， 当单体电压过高时， 监控单元 V4 的 Sn发出均衡处理信号，驱动 MOS管 Q5导通。 MOS管 Q5源极与单体电池 正极相连， MOS管 Q5的栅极通过电阻 R11与监控单元 V4的 Sn相连， MOS 管 Q5漏极与电阻 R12—端连接， 电阻 R12另一端与电池单体负极连接，形成 的回路通过电阻 R12耗能的方式对电压过高的单体电池进行放电 均衡处理。 二极管 D与 MOS管 Q5的源极和栅极相连。

优选地， 所述微处理器模块、 电流采集模块、 总电压采集模块、 绝缘检测 模块、 继电器控制及诊断模块集成在一个电路板上。

与现有的技术相比， 本发明的优点在于：

本发明为集中式锂电池管理系统， 能够实时检测锂电池系统的绝缘状态。 在绝缘性能不满足设计要求时报出绝缘故障信 号， 并可以做出相应的安全处 理。

进一步，本发明所述系统的各个模块可以集成 在一个电路板中，结构筒单， 并且为整车节约了^艮大的空间， 抗干扰能力强， 可靠性增强。

进一步，本发明可以通过控制继电器来对锂电 池系统是否对外提供高压动 力， 并且能够对继电器的工作状态进行信息的反馈 ，对继电器自身的故障进行 诊断， 确保锂电池系统的安全工作。

本发明的锂电池管理系统可以实时进行锂电池 系统的动态采集，通过通信 网络与整车通讯，从而对锂电池系统进行均衡 、功率评估等一系列的处理措施 来管理锂电池系统。

附图说明

图 1为本发明所述锂电池管理系统总体结构框图� �

图 2为本发明所述锂电池管理系统继电器控制及� �断模块 124的原理示 意图；

图 3为本发明所述锂电池管理系统绝缘检测模块 123的原理示意图； 图 4为本发明所述锂电池管理系统电池模块监控� �元 13的原理示意图。 具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附 图对本锂电池管理系统进行 详细说明。

参见图 1 , 该图为本发明所述锂电池管理系统总体结构框 图。

本发明所述锂电池管理系统包括： MCU (微处理）模块 11、 电源模块 12、 总电压采集模块 122、 电流采集模块 121、 绝缘检测模块 123、 继电器控制及 诊断模块 124, 以及电池模块监控单元 13。

电池模块监控单元 13可以包括第一电池模块监控单元 131 第 N电池 模块监控单元 13N共 N个电池模块监控单元。

所述的电源模块 12分别与 MCU (微处理器 )模块 11、电流采集模块 121、 总电压采集模块 122、 绝缘检测模块 123、 继电器控制及诊断模块 124、 握手 信号收发模块 125、 CAN收发器模块 126相连，为上述模块提供正常的工作电 压， 从而保障锂电池管理系统的正常工作。

所述的绝缘检测模块 123与微处理器模块 11相连， 对锂电池系统的绝缘 状态进行实时监控，在锂电池系统绝缘性能未 达到设计要求时给出信号以供整 车控制器作相应的处理， 确保锂电池系统以及整车的安全。

所述的继电器控制及诊断模块 124与 MCU模块相连， 通过接受微处理器 模块 11给出的控制信号， 控制高压继电器的闭合与断开， 从而控制锂电池系 统是否对外供电， 同时对高压继电器的状态进行诊断， 并将继电器的状态信息 反馈给微处理器模块 11进行处理， 确保整车系统的安全；

所述的总电压采集模块 122 以及电流采集模块 121分别与微处理器模块 11 相连， 对锂电池系统的总电压及工作电流进行精确的 采集， 并将采集的数 据发送给微处理器模块 11进行后续的处理；

所述的电池模块监控单元 13 ( 131、 132......13N )分别与微处理器模块

11 相连， 对模块内的锂电池单体进行电压采集、 均衡及温度采集， 并将采集 的数据传送给微处理器模块 11进行分析处理；

所述非挥发性记忆模块 127与微处理器模块 11相连， 对锂电池系统的状 态信息进行非易失性的存储读写；

所述微处理器模块 11为本锂电池管理系统的核心模块， 用于接收总电压 采集模块 122、 电流采集模块 121、 绝缘检测模块 123以及电池模块监控单元 3 发送的信号， 并对这些信号进行分析处理， 同时将处理后的信号通过 CAN 收发器模块 126发送给其它电控系统， 并接收其它电控系统发来的信号， 综合 处理后发送控制信号给继电器控制及诊断模块 124, 从而对锂电池系统的工作 进行控制管理。

所述继电器控制及诊断模块 124接收 MCU模块 11的 I/O口发出的控制 信号，由场效应管预驱动芯片及场效应管共同 完成对锂电池系统主回路的高压 继电器进行驱动控制，控制高压继电器的闭合 与断开； 所述场效应管预驱动芯 片的每个驱动通道独立检测继电器的开关状态 、继电器开路短路状态以及电源 短路的情况， 通过同步串行接口以串行数据形式将每个通道 的状态传送给 MCU模块 11 ,通过该模块与 MCU模块 11之间的信号双向传输， 对继电器进 行控制以及对继电器的状态进行诊断。

所述绝缘检测模块 123利用二极管的单向导通特性，通过判断锂电 池系统 是否对该模块内部电路节点电压产生影响， 从而判断锂电池系统正极（负极） 与车身地之间的实时绝缘状态， 当锂电池系统与整车没有可靠分离时， 该模块 输出一高电平信号传送给 MCU模块 11进行处理， 同时点亮发光二极管， 指 示绝缘故障。

所述电池模块监控单元 3 是将多个锂电池单体串联起来组成一个电池模 块组， 所述电池模块监控单元 3对每个锂电池单体的电压进行采集， 并将采集 的锂电池单体电压实时传送给 MCU模块 11进行处理； 所述电池模块监控单 元 3对每个电池单体的电压进行分析，并计算出� �个模块内锂电池单体电压的 平均值，对于电压高于平均值的单体进行均衡 ， 均衡的方式采用电阻耗能的方 法， 即对单体电压较高的单体进行放电处理。

MCU (微处理）模块 11、 电源模块 12、 总电压采集模块 122、 电流采集 模块 121、 绝缘检测模块 123、 继电器控制及诊断模块 124, 以及电池模块监 控单元 13可以集成在一个电路板上。

本发明所述系统可以进一步包括与所述微处理 器模块 11相连的非挥发性 记忆模块 127, 用于对锂电池系统的状态信息进行非易失性的 存储读写。

本发明所述系统可以进一步包括与所述微处理 器模块 11相连的 CAN收发 器模块 126, 用于将所述微处理器模块 11处理后的信号发送给电控系统。

本发明所述系统可以进一步包括与所述微处理 器模块 11 相连的 HANDSHAKE (握手信号)收发模块 125, HANDSHAKE收发模块为硬件诊断模 块， 用于诊断电池管理系统及整车发生的需要紧急 关闭系统的严重故障。严重 故障例如 CAN网络通信或控制器功能失效故障。

前文所述的所有功能模块也可以集成在一个电 路板上。

参见图 2, 该图为本发明所述锂电池管理系统继电器控制 及诊断模块 124 原理示意图。

本发明所述继电器控制及诊断模块 124接收所述微处理器模块 11 的 I/O 口发出的控制信号， 由场效应管预驱动芯片 V2及场效应管共同完成对锂电池 系统主回路的高压继电器的驱动控制， 控制高压继电器的闭合与断开。

所述场效应管预驱动芯片 V2 的每个驱动通道独立检测继电器的开关状 态、继电器开路短路状态以及电源短路的情况 ， 将每个通道的状态传送给所述 微处理器模块， 通过与所述微处理器模块 11之间的信号双向传输， 对所述继 电器进行控制以及对所述继电器的状态进行诊 断。

本发明所述继电器控制及诊断模块 124具体通过场效应管预驱动芯片 V2 输入端 IN0、 IN1、 IN2、 IN3接收 MCU模块 11的 I/O口发出的控制信号， 场 效应管预驱动芯片 V2输出 OUT0、 OUTl、 OUT2、 OUT3分别与场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4栅极相连， 场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4源极与电路地相连， 场 效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4漏极分别与场效应管预驱动芯片 V2的 DRAIN0、 DRAIN1、 DRAIN2, DRAIN3管脚相连。 二极管 Dl、 D2、 D3、 D4的正向偏 置分别与场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4漏极相连， 二极管 Dl、 D2、 D3、 D4的 反向偏置分别与电源 VCC相连， 保护场效应管的正常工作。

继电器控制及诊断模块 124由场效应管预驱动芯片 V2及场效应管 Ql、 Q2、 Q3、 Q4共同完成对锂电池系统主回路的高压继电器� ��行驱动控制， 具体 控制高压继电器的闭合与断开。 同时， 该场效应管预驱动芯片 V2的每个驱动 通道都能够独立的检测高压继电器的开关状态 、高压继电器开路短路状态以及 电源短路的情况，并且可以通过同步串行接口 以串行数据形式将每个通道的状 态传送给 MCU模块 11 , 通过继电器控制及诊断模块 124与 MCU模块 11之 间的信号双向传输，可以对高压继电器进行控 制以及对高压继电器的状态进行 诊断。

参见图 3, 该图为本发明所述锂电池管理系统绝缘检测模 块 123原理示意 图。 绝缘检测模块 123用于测试判定锂电池系统与整车之间是否为 可靠分离。

绝缘检测模块 123的电路具体为：电池系统总正和电池系统总 负之间串联 有电阻 R1和电阻 R2。 电阻 R3的一端与电阻 R1和电阻 R2均相连， 电阻 R3 的另一端与二极管 D5反向偏置、 二极管 D6正向偏置相连。 二极管 D5正向 偏置通过电阻 R4与检测单元（检测芯片） V3输入端 IN A相连， 同时通过电 阻 R15与稳压二极管 D7反向偏置相连。 二极管 D6反向偏置通过电阻 R4与 检测单元 V3输入端 IN B相连，同时通过电阻 R16与稳压二极管 D7反向偏置 相连。

电阻 R9—端与电路电源 VCC相连，电阻 R9另一端与电阻 R8—端串联， 电阻 R8的另一端与稳压二极管 D7的反向偏置相连，稳压二极管 D7正向偏置 与电路地相连。 电阻 R17—端与电路电源 VCC相连， 电阻 R17另一端与稳压 二极管 D7反向偏置相连。电阻 R8和电阻 R9产生的分压信号输入到检测单元 V3的输入端 IN Co

检测单元 V3输出端 OUT A电压信号通过电阻 R7输入到检测单元 V3输 入端 IN D。 检测单元 V3输出端 OUT A电压信号通过电阻 R6输入到检测单 元 V3输入端 IN A。

检测单元 V3的输出端 OUT B为绝缘检测输出。 检测单元 V3的输出端 OUT B与电阻 R10—端相连， 电阻 R10另一端与发光二极管 D8相连， 当锂 电池系统与整车没有可靠分离时， 检测单元 V3的输出端 OUT B输出一高电 平信号传送给 MCU模块 11进行处理， 同时通过电阻 R10驱动发光二极管 D8 工作， 指示绝缘故障。

绝缘检测模块 123利用二极管 D4、 D5的单向导通特性， 通过判断锂电池 系统是否对该绝缘检测模块内部电路节点电压 产生影响，从而判断锂电池系统 正极、负极与整车之间的实时绝缘状态。当锂 电池系统与整车没有可靠分离时， 绝缘检测模块 123输出一高电平信号传送给微处理器模块 11进行处理， 同时 点亮发光二极管 D, 指示绝缘故障。

同时，本发明还可以通过此绝缘检测模块 123计算出锂电池系统的实时绝 缘电阻， 4 殳电池系统总正与电路地存在一个绝缘等效电 阻 R _x , 则电池系统 总正通过电阻 R _x 、 稳压二极管 D7、 电阻 R15、 二极管 D6、 电阻 R3、 R2形成 回路， 该回路的电流大小由等效绝缘电阻 R _x 决定。 因此等效电阻 的大小导 致电阻 R15两端的压降发生变化， MCU模块 11采集绝缘检测模块 123中电 阻 R15 两端压降， 查表分析后便可以计算出锂电池系统总正相对 于整车地的 等效绝缘电阻。 同理， MCU模块 11采集绝缘检测模块中电阻 R16两端压降， 查表分析后便可以计算出锂电池系统总负相对 于整车地的等效绝缘电阻。

参见图 4, 该图为本发明所述锂电池管理系统电池模块监 控单元 13的原 理示意图。

根据设计者的需要， 用户可以将多个（最多 12 ) 个锂电池单体串联起来 组成一个电池模块组。

电池模块监控单元 131可以对每个锂电池单体的电压进行采集。

所述电池模块监控单元 131对每个电池单体的电压进行分析，并通过计 算 得到各个模块内锂电池单体电压的平均值，对 于电压高于平均值的锂电池单体 进行均衡。

所述电池模块监控单元 131具体可以采用电阻耗能的方式进行均衡，即 对 电压较高的锂电池单体进行放电处理， 从而实现均衡。 电池模块监控单元 131的实现电路具体可以为：

电池单体的正极与监控单元 V4的 Cn相连， 负极与监控单元 V4的 Cn-1 相连， 可以对电池单体电压进行采集计算， 当单体电压过高时， 监控单元 V4 的 Sn发出均衡处理信号，驱动 MOS管 Q5导通。 MOS管 Q5源极与单体电池 正极相连， MOS管 Q5的栅极通过电阻 R11与监控单元 V4的 Sn相连， MOS 管 Q5漏极与电阻 R12—端连接， 电阻 R12另一端与电池单体负极连接，形成 的回路通过电阻 R12耗能的方式对电压过高的单体电池进行放电 均衡处理。 二极管 D与 MOS管 Q5的源极和栅极相连， 保护 MOS管的正常工作。

在锂电池管理系统工作的同时，各个模块还可 以对锂电池模块的电池温度 进行采集， 运算放大器 V5产生温度采集的稳定参考电压， 运算放大器 V5输 出端 OUT与电阻 R14的一端相连， 电阻 R14的另一端与温度采集点相连， 电 阻 R13—端与电阻 R14相连， 另一端与监控单元 V4的 Vtemp端相连， 通过 接收温度采集点的信号计算电池模块的温度值 。 经过 MCU模块 11综合计算 处理后，在出现电池温度过高时做出相应的处 理， 以保证锂电池系统的性能及 安全。