CN101165963B - 电池管理系统及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池管理系统(BMS)及其驱动方法，该电池管理系统包括感测单元和微控单元(MCU)。感测单元测量电池电流、电池电压和电池温度。MCU基于所测量的电池电流和电池电压来确定充电状态(SOC)复位条件。在到达SOC复位条件之后，BMS利用电流积分结果来确定电池过充电状态。MCU包括SOC计算器和完全充电确定单元。SOC计算器一旦检测到SOC复位条件就传输当前的电流积分值。完全充电确定单元接收当前的电流积分值，利用所测量的电池电流对电流进行积分，并当电流积分值到达预定的电池额定容量时确定电池被过充电。

Description

电池管理系统及其驱动方法

技术领域

本发明涉及一种电池管理系统(BMS)。更具体地讲，本发明涉及一种在利用电能的交通工具中使用的BMS。 

背景技术

具有利用汽油或柴油燃料的内燃机的交通工具已引起严重的空气污染。因此，近来已做出努力来开发电动交通工具或混合交通工具，以减少空气污染。 

电动交通工具利用电池发动机，其中，电池发动机通过由电池输出的电能来运行。由于电动交通工具主要利用电池，所以电动交通工具的优点在于其不产生排放气体且噪音较小，其中，所述的电池由一个包括多个可充放电的二次电池单元的电池包形成。 

混合交通工具通常是指利用汽油向内燃机提供动力且利用电池向电动机提供动力的汽油-电动混合交通工具。近来，已开发了利用内燃机与燃料电池的混合交通工具和利用电池与燃料电池的混合交通工具。燃料电池通过在不断地提供氢和氧的同时产生化学反应来直接获得电能。 

由于电池性能直接影响利用电能的交通工具，所以每个电池单元必需具有优异的性能。另外，有必要提供一种电池管理系统(BMS)来测量电池包的电压和电流，以有效地对每个电池单元的充电和放电操作进行管理。 

然而，由于通过将电池电压与阈值电压范围进行比较来确定电池过充电，所以当电池电压检测电路有错误时，电池会被继续过充电。 

发明内容

本发明已致力于提供一种电池管理系统(BMS)及其驱动方法，该电池管理系统通过检测当电池电压检测电路中有错误时的电池的状态来保护电池，并用于更精确地检测电池过充电状态。 

一种示例性电池管理系统(BMS)包括：感测单元，用于测量电池电流、电池电压和电池温度；微控单元(MCU)，基于所测量的电池电流、电池电压和电池温度来确定充电状态(SOC)复位条件；BMS，在到达SOC复位条件之后，BMS基于电流积分结果来确定电池过充电状态。

优选地，SOC复位条件对应于电池电流和电池电压。 

优选地，MCU包括：SOC计算器，对检测到SOC复位条件做出响应来传输当前的电流积分值；完全充电确定单元，接收当前的电流积分值，利用所测量的电池电流来对电流进行积分，对电流积分值到达预定的电池额定容量做出响应以确定电池被过充电。 

优选地，BMS还包括保护电路，保护电路对确定电池被过充电做出响应来断开主开关，以使电池与电源断开。 

一种电池管理系统(BMS)的示例性驱动方法包括：检测充电状态(SOC)复位条件；对SOC复位条件到达SOC复位点且需要进行复位操作做出响应，来对所测量的电池电流进行积分，直至对应于SOC复位点的电流积分值到达电池额定容量；将电流积分结果与电池额定容量进行比较；对电流积分结果与电池额定容量相等做出响应来确定电池被过充电。 

优选地，该方法还包括对确定电池被过充电做出响应来停止电池的充电。 

附图说明

通过参照下面结合附图的详细描述，本发明变得更好理解，因而本发明的更完整的理解和许多附带的优点将易于明了，在附图中，相同的标号表示相同或相似的组件，其中； 

图1是根据本发明示例性实施例的可用在交通工具中的电池、电池管理系统(BMS)和BMS的外围装置的框图。 

图2是根据本发明示例性实施例的BMS的微控单元(MCU)和保护电路单元的框图。 

图3是时间与充电状态(SOC)之间的关系的波形图。 

具体实施方式

在下面的详细描述中，简单地通过图示的方式仅示出和描述了本发明的特定的示例性实施例。如本领域技术人员会了解的，在所有不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以以各种不同的方式对所描述的实施例进行修改。 因此，附图和描述实际上被认为是解释性的而不是限制性的。在整个说明书中，相同的标号表示相同的元件。 

在整个说明书和权利要求书中，当描述元件“连接”到另一元件时，该元件可“直接连接”到另一元件，或者通过第三元件“电连接”到另一元件。此外，除非明确地做出相反的描述，否则将把词语“包括”理解为意味着包括所述的元件但不排除任何其它元件的意思。 

图1是根据本发明示例性实施例的混合交通工具系统的构造的框图。 

如图1中所示，根据本发明第一示例性实施例的混合电动交通工具系统包括BMS 1、电池2、电流传感器3、冷却风扇4、保险丝5、主开关6、发动机控制单元(MTCU)7、逆变器(inverter)8和电动发动机(motor generator)9。 

电池2包括具有多个彼此串连连接的电池单元的多个子包2a至2h、输出端2_OUT1、输出端2_OUT2和设置在子包2d与子包2e之间的安全开关2_sw。在本发明的示例性实施例中，虽然将8个子包2a至2h作为示例示出，且每个子包为一组多个电池单元，但是本发明并不局限于此。此外，将安全开关2_sw手动地接通/断开，以保证工作人员在对电池执行操作或更换电池时的安全。在本发明的示例性实施例中，安全开关2_sw设置在子包2d与子包2e之间，但是本发明并不局限于此。将输出端2_OUT1和输出端2_OUT2连接到逆变器8。 

电流传感器3测量电池2的输出电流值，并向BMS 1的感测单元10输出所测量的输出电流值。更详细地讲，电流传感器3可为利用霍尔元件的霍尔变流器(hall current transformer)，以测量电流值并输出与所测量的电流值对应的模拟电流信号。 

冷却风扇4响应BMS 1的控制信号，去除由电池2的充电和放电产生的热，防止电池2由于温度升高而被劣化，并防止充放电效率被劣化。 

保险丝5防止可由于电池2的断路或短路造成的电流过流(currentoverflow)被传输到电池2。即，当产生过电流时，保险丝5打开以中断过电流流动。 

当电池被过充电或被过放电或者当产生高温时，主开关6根据交通工具的MTCU 7的控制信号而断开，主开关6中断电池2与电动发动机9之间的连接，这将被称作“断开操作(cut-off operation)”。 

BMS 1包括感测单元10、微控单元(MCU)20、内部电源(internal powersupplier)30、电池单元平衡单元40、存储单元50、通信单元60、保护电路单元70、上电复位单元(power-on reset unit)80和外部接口90。 

感测单元10测量电池的电压并将所测量的电压传输到MCU 20。在下文中，电池的充电电流和放电电流将被称作电池电流。此外，电池的输出端处的电压将被称作电池电压。另外，电池包括多个电池单元，通过测量各个电池单元的温度并计算各个电池单元的温度的平均值而得到的值将被称作电池温度。 

MCU 20基于从感测单元10传输的电池电流和电池电压来检测电池2的充电状态(SOC)，并产生表明电池2的状态的信息。然后，MCU 20将所产生的信息传输到保护电路单元70。在这种情况下，当满足SOC复位条件(SOCreset condition)时，MCU 20通过利用电池的电流积分值来确定电池过充电，并向保护电路单元70传输用于控制电池的SOC的断开信号。SOC复位条件以电池电流、电池电压、SOC和电池温度为基础。 

内部电源30通过利用备用电池向BMS 1提供功率(power)。电池单元平衡单元40平衡每个电池单元的充电状态。即，使充电充足的电池单元放电，使充电相对较少的电池单元进一步充电。当BMS 1的电源断开时，存储单元50存储当前的SOC和当前的劣化状态(state ofhealth，SOH)的数据。通信单元60与交通工具的MTCU 7进行通信。 

保护电路单元70根据用于控制SOC的断开信号来确定电池过充电，并防止电池2被过充电。此外，保护电路单元70根据确定电池过充电的结果来断开主开关6。因而，将电动发动机9与电池2之间的连接中断。根据本发明的示例性实施例，交通工具的动力装置(power plant)是电动发动机9。 

当BMS 1的电源接通时，上电复位单元80将整个系统复位。外部接口90将诸如冷却风扇4和主开关6的BMS辅助装置连接到MCU 20。在本发明的示例性实施例中，虽然将冷却风扇4和主开关6示出为BMS辅助装置，但是本发明并不局限于此。 

MTCU 7基于加速器(accelerator)、制动器(brake)和交通工具的速度的信息来确定扭矩(torque)信息，并控制电动发动机9的输出，使得输出与扭矩信息相对应。即，MTCU 7控制逆变器8的切换操作，并控制电动发动机9的输出，使得输出与扭矩信息相对应。此外，MTCU 7通过通信单元60 从MCU 20接收电池2的SOC，并将电池2的SOC水平(level)控制为目标水平(例如，55％)。比如，当从MCU 20传输的SOC水平低于55％时，MTCU7控制逆变器8的开关，以向电池2输出功率并对电池2进行充电。在这种情况下，电池包电流I具有正值(+)。当SOC水平高于55％时，MTCU 7控制逆变器8的开关，以向电动发动机9输出功率并使电池2放电。在这种情况下，电池包电流I具有负值(-)。 

逆变器8响应MTCU 7的控制信号，控制对电池2进行充电或使电池2放电。基于从MTCU 7传输的扭矩信息，电动发动机9利用电池的电能来驱动交通工具。 

下面，参照图2和图3来描述根据本发明示例性实施例的电池的电压检测过程。 

图2是根据本发明示例性实施例的BMS的MCU 20和保护电路单元70的框图。 

如图2中所示，MCU 20包括SOC计算器210和完全充电确定单元(fullcharge determining unit)220。图3是时间与SOC之间的关系的波形图。 

SOC计算器210检测并确定SOC复位条件，当需要进行复位操作时向保护电路单元70传输当前的电流积分值。根据本发明示例性实施例的SOC计算器210通过对从感测单元10传输的电池电流进行积分来计算SOC，并检测所传输的电池电流、电池电压和电池温度，以确定它们是否与SOC复位条件对应。如图3中所示，SOC为85％的点a满足SOC复位条件。在点a处，通过强制地执行复位操作来计算电流积分值，以补偿由电流积分而导致的估计误差。此外，当SOC复位条件超过复位点时，SOC计算器210将当前的电流积分值传输到完全充电确定单元220。 

完全充电确定单元220接收当前的电流积分值，利用从感测单元10传输的所感测的电池电流对电流进行积分。当电流积分值达到预定的电池额定容量时，完全充电确定单元220向保护电路单元70传输用于控制SOC的断开信号。电池额定容量是指当电池被完全充电然后以1C倍率被放电至预定的电流时所释放的电荷的量。另外，1C倍率是指单位时间内对整个电池进行充电或放电的电流强度。根据本发明示例性实施例的完全充电确定单元220从SOC计算器210接收当前的电流积分值，从感测单元10接收所感测的电池电流，并对电流进行积分，以确定电流积分值。另外，当SOC在如图3中所示 的点b处达到100％(即，SOC达到电池额定容量)时，完全充电确定单元220确定电池过充电，并向保护电路单元70传输用于控制SOC的断开信号以保护电池。 

保护电路单元70从完全充电确定单元220接收断开信号，并断开主开关6，从而将电动发动机9与电池断开。 

按照根据本发明示例性实施例的涉及电池保护方法的BMS以及该BMS的驱动方法，计算SOC；检测电池电流、电池电压和电池温度；确定电池电流、电池电压和电池温度是否与SOC复位条件对应。当满足复位条件时，通过利用当前的电流积分值和所感测的电池电流来对电流进行积分。当所计算的电流积分值到达电池额定容量时，确定电池过充电，于是对电池进行保护。 

尽管已经结合目前被认为是实际可行的示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种修改和等价布置。 

根据本发明的示例性实施例，提供了BMS及其驱动方法，其中，所述BMS用于通过利用电流积分值来确定电池过充电。 

因此，BMS及其驱动方法保护电池不受电池电压检测电路误差和由于快速的电池电压变化而导致的电池继续过充电的影响。此外，安全地且精确地防止电池被过充电。 

Claims (6)

1.一种电池管理系统，包括：

感测单元，测量电池电流、电池电压和电池温度；

微控单元，基于所测量的电池电流、电池电压和电池温度来确定充电状态复位条件，

其中，在到达充电状态复位条件之后，电池管理系统基于电流积分结果来确定电池过充电状态。

2.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，充电状态复位条件与电池电流和电池电压对应。

3.如权利要求1所述的电池管理系统，其中，微控单元包括：

充电状态计算器，对检测到充电状态复位条件做出响应，来传输当前的电流积分值；

完全充电确定单元，接收当前的电流积分值，利用所测量的电池电流对电流进行积分，并对电流积分值到达预定的电池额定容量做出响应，确定电池被过充电。

4.如权利要求3所述的电池管理系统，还包括保护电路，保护电路对确定电池被过充电做出响应来断开主开关，以使电池与电源断开。

5.一种电池管理系统的驱动方法，所述方法包括：

检测充电状态复位条件；

对充电状态复位条件到达充电状态复位点且需要进行复位操作做出响应，来对所测量的电池电流进行积分，直至对应于充电状态复位点的电流积分值到达电池额定容量；

将电流积分结果与电池额定容量进行比较；

对电流积分结果与电池额定容量相等做出响应，来确定电池被过充电。

6.如权利要求5所述的方法，还包括对确定电池被过充电做出响应，来停止电池的充电。

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