CN101119036B - 用于电动汽车的电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的电池管理系统，包括：多个子监测器，每个子监测器对一个或多个单体电池的电压和温度进行采样；一个主控制器，接收子监测器发送的电池的电压和温度数据，对电压和温度数据进行分析并实现电池的均衡控制，同时完成和整车控制器的通讯；所述主控制器和多个子监测器之间通过塑料光纤串行连接，形成一个环路结构。采用上述结构的电池管理系统，主控制器和子监测器通过塑料光纤串行连接，彻底消除了由于通讯电线大面积分布在电池组的高压网络中所引起的安全隐患和电磁干扰。

Description

用于电动汽车的电池管理系统 
技术领域
本发明涉及一种电池管理系统，尤其涉及一种以大功率电池组为动力源的电动汽车的动力电池管理系统。 
背景技术
随着人类对环境的重视，电动汽车作为无污染的交通工具越来越受到关注，有着很好的发展前景。动力电池是电动汽车的核心部件，直接影响着电动汽车的性能和安全。动力电池包括两方面：大功率电池组和电池管理系统。大功率电池组是指输出电压大于50V，容量大于400Wh的电池组。铅酸电池，镍金属氢化物电池和锂离子电池都可以应用在电动汽车上。其中，锂离子电池因为具有比能大、储存寿命长、无记忆效应、无污染等优点，在电动汽车中得到广泛应用。另一方面，为了保证动力电池组的安全运作并充分发挥电池组的性能，电池管理系统的作用在于，实时监测每个单体电池的电压和温度，同时对电池状态进行均衡控制。 
电动汽车具有工作电压高，动力电池组的单体电池数量众多的特点，所以电池管理系统一般采用二级控制结构，即一个主控制器和多个子监测器。每个子监测器负责监测一个或多个单体电池的状态，主控制器负责控制、均衡整个动力电池组。 
现有技术中，电动汽车电池管理系统中主控制器和子监测器之间的通信形式主要有两种。接下来结合图1和图2，以一个子监测器控制两个单体电池为例，具体说明现有的两种电池管理系统的原理。 
第一种现有的电池管理系统结构如图1所示。其中的各子监测器均直接与主控制器相连。这种电池管理系统原理简单，各子监测器依据与主控制器的接口自动获得分配地址。但是，当子监测器的数目较多时，系统内的连线多而杂，造成整个电池管理系统抗干扰能力差，灵活性差，因此已被逐渐弃用。 
第二种现有的电池管理系统结构如图2所示。图2中的系统采用二级总线 技术实现子监测器和主控制器之间的信息通讯，其中的主控制器连有两线制总线，各子监测器则分别连接到两线制总线上形成并联结构。该种系统采用模块化结构和标准化接口，可以简化同步采样，相对第一种电池管理系统而言，具有连线简单，灵活性好的特点。但在这种系统中，子监测器的地址需要预先分配，元件更换不便。现有的电动汽车电池管理系统大多采用这种通讯形式。 
但是，无论现有的电池管理系统采取以上哪种通讯形式，主控制器和子监测器之间都是通过电线连接的。由于电动汽车使用的是大功率电池组，输出电压大于50V，因此通讯线路采用电线连接有两个缺陷：1.电池管理系统容易受到电池组的高压信号的干扰。为了克服这一缺陷，有些电池管理系统开始在采样电路中应用光耦，实现通讯线路在信号传输过程中对电池高压的隔离。2.通讯线路的电线大面积分布在整个电池组的高压网络中，存在电磁干扰和高压隐患。一旦电动汽车发生碰撞事故或长时间在路况差的情况下运行，容易造成因电线表皮磨损而引起的高压短路，甚至着火等安全事故。 
另外，为了获得足够的高压输出驱动电动汽车的主电机工作，动力电池组尤其是锂电池组都采用将低压单体电池串联使用。串联使用时，单体电池性能的参差不齐会影响整个电池组的性能和寿命：充电过程中，当某一单体电池达到上限电压时，充电电路将被切断，从而使其他单体电池无法充满；放电过程中，当某一单体电池达到下限电压时，放电电路将被切断，使得整个电池组的能量无法得到充分利用。同时，单体电池间的性能差异会随着电池组使用次数增多而加大，缩短电池组的使用寿命。因而，电池管理系统需要在充放电过程中均衡控制所有单体电池来消除单体差异对整个电池组的影响。目前，电池管理系统均衡控制电池组的方法主要有如下几种： 
a)电阻平衡：每个单体电池连接一个平衡电阻，当某节电池电压高于其他电池时，该节电池就通过与其连接的平衡电阻分流使电压下降，从而达到平衡电池组的目的； 
b)电容平衡，将一个电容的两级有序的连接到不同的单体电池上，当某节电池电压高于其他电池时，该节电池就通过电容向电压低的电池充电，从而达到平衡电池组的目的； 
c)在充电回路中，每个单体电池都并联一个主动开关，当某节电池电压高于其他电池时，与该电池并联的开关合上使该电池暂停充电，直到其他电池的电压与该电池相同，然后开关断开，恢复正常充电； 
d)并行平衡充电：每个单体电池都有独立的充电线路，控制各充电回路达到平衡充电的目的。 
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于电动汽车的电池管理系统，以彻底消除现有电池管理系统中由通讯电路引起的电磁干扰和高压隐患。 
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下： 
一种用于电动汽车的电池管理系统，包括：多个子监测器，每个子监测器对一个或多个单体电池的电压和温度进行采样；一个主控制器，接收子监测器发送的电池的电压和温度数据，对电压和温度数据进行分析并实现电池的均衡控制，同时完成和整车控制器的通讯；所述主控制器和多个子监测器之间通过塑料光纤连接。 
通过塑料光纤，所有子监测器串行连接且两端的子监测器连接主控制器，形成一个环形结构，采用光通信的方式。主控制器发出的指令沿环形线路传送，各子监测器接收前一子监测器传送的数据串，数据串中包括主控制器的指令和前面的子监测器附上的数据。子监测器执行主控制器的指令，并将指令请求的数据附加在数据串上，然后传送到下一子监测器。 
采用上述结构的电池管理系统，主控制器和子监测器通过塑料光纤串行连接，彻底消除了由于通讯电线大面积分布在电池组的高压网络中所引起的安全隐患和电磁干扰。 
子监测器中的重要元件为：一个微处理器，包含电池电压和温度的采样电路以及简单的数据分析、处理功能；一个光发射器和一个光接收器，负责向塑料光纤发射和接收光信号，实现内部通讯过程中对电池高压的隔离，并消除电磁干扰；一个用于实现功能操作和调整功能的诊断指示器，为发光二极管，诊断指示器的基极连接微处理器，发射极连接公共端；一个负载电阻，可以调整单体电池的充电状态(SOC)。 
子监测器可以依照自身在环路中的位置自动获得地址分配，无需因预先分配地址而对硬件进行修改。主控制器发出地址分配指令沿环形线路传送，各子监测器依次接收指令并根据指令中的地址信息获得地址分配，然后更改指令中的地址信息以确保下一个子监测器获得正确的地址分配，再将更改后的指令传递到下一个子监测器。当指令最终回到主控制器时，指令中包含了子监测器的数量信息和指令在环形结构中传递一圈所需的时间。 
主控制器发出的指令沿环形线路传送时，各子监测器接收到指令的时间是不同的。如果各子监测器在收到指令后马上对电池数据进行采样，则得到的电池数据不是同一时间的，主控制器无法对数据进行比较、分析。因此，主控制器在对子监测器的数量和环形线路的数据传输时间进行计算后，会向各子监测器发出采样延迟信号。各子监测器的采样延迟时间由子监测器在环路中的位置和采样延迟信号决定，从而实现各子监测器的同步采样。 
子监测器的通信功耗是由其所传递的信息量决定的，越靠近环形结构尾端的子监测器传递的信息量越大，因而它的通信功耗也就越大。由于各子监测器的运行以及通信均由本地电池供电，通信功耗的差别会造成电池组中单体电池电压的不均衡，增加电池调整的负担。因此，在本发明的电池管理系统中，子监测器采用诊断指示器来补偿环形结构中不同子监测器间通信功耗的差别，从而减少电池的调整次数。 
当子监测器所管理的单体电池的充电状态(SOC)相对电池盒内其他电池较高时，子监测器可以采取下列方法中的一种或几种降低所管理的单体电池的充电状态(SOC)：a)激活负载电阻；b)激活诊断指示器；c)禁用节能睡眠模式；d)增加子监测器的通信功耗。第一种方法由主控制器控制，其他三种方法的选择可以通过修改控制软件实现。 
附图说明
图1是第一种现有的电池管理系统结构原理图； 
图2是第二种现有的电池管理系统结构原理图； 
图3是本发明的电池管理系统结构原理图； 
图4是本发明的电池管理系统中的子监测器的内部电路图； 
图5是本发明的电池管理系统中的主控制器的内部电路图。 
具体实施方式
下面根据图3至图5，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
图3是本发明的电池监测管理系统结构原理图，它主要由主控制器、子监测器、塑料光纤和大功率电池组构成。该管理系统所管理的电池组为应用于混合电动车、可插电式混合电动车和纯电动汽车的输出电压大于50V，容量大于400Wh的大功率铅酸电池组，镍金属氢化物电池组和锂离子电池组。 
每两个单体电池与一个子监测器相连。主控制器和各子监测器通过塑料光纤串行连接，形成一个环路结构。子监测器测量单体电池的电压和温度，然后将这些数据通过塑料光纤发送到主控制器；主控制器搜集这些数据并发送到整车控制系统，同时对数据进行计算、分析得出电池状态，均衡控制电池组。当某一单体电池的电压较高时，主控制器就向这颗电池所属的子监测器发出指令，激活负载电阻使电池放电。子监测器在软件的控制下，还可以提供另外三种方法降低所管理单体电池的充电状态(SOC)，均衡电池组：激活诊断指示器；禁用子监测器的节能睡眠模式；增加子监测器的通信功耗。各子监测器的运行以及与其他子监测器的通信均由本地电池供电。 
从图3可以看出，每两个单体电池间只有两根提供驱动电源的连接线，以及两根用于内部通讯的塑料光纤连接线。塑料光纤可以提供高速的通信，同时安全、有效的实现对电池高压的隔离，并消除了电磁干扰。子监测器和所管理的单体电池间仍然通过电线连接，但这些电路的分布都限制在由两个单体电池组成的小区域内，无法形成高压回路，避免了高压隐患。 
在图3中，一个子监测器负责管理两个单体电池。实际上，一个子监测器可以管理一个或比两个更多的单体电池。但是，如果一个子监测器仅管理一个单体电池，则系统的成本偏高；如果一个子监测器管理过多数量的单体电池，则内部电路的分布面积扩大，增加了高压危险。 
图4是本发明的电池管理系统的子监测器内部电路原理图。子监测器包括微处理器A，光接收器D1，光发射器D2，诊断指示器LED1，负载电阻R1和负载电阻R2。单体电池A1和单体电池A2直接与微处理器A连接，由微处理器A中的采样电路提取电池的电压和温度信息。前一个子监测器发送的数据串经过光纤以光信号的形式传输，光信号被光接收器D1接收并从三极管T1的基极进入三极管T1进行放大，然后传送到微处理器A。微处理器A接收到数据串后，提取其中由主控制器发出的指令并执行指令，然后将指令要求的数据添加到数据串中。更新后的数据串由光发射器D2转换为光信号，再沿塑料 光纤继续向下一子监测器传递。 
当子监测器接收到主控制器发出地址分配指令时，子监测器根据指令中的地址信息获得地址分配，然后更改指令中的地址信息以确保下一个子监测器获得正确的地址分配，再将更改后的指令传递到下一个子监测器。 
由于主控制器发出的指令是沿环形线路传送，因此各子监测器接收到指令的时间是不同的。子监测器依据主控制器指令中包含的采样延迟信号和该子监测器在环路中的位置，计算得出该子监测器的采样延迟时间，从而实现与其他子监测器的同步采样。 
诊断指示器LED1是一个发光二极管，其基极连接微处理器A，其发射极连接公共端GND，可以补偿不同子监测器间的通信功耗差别。当某一子监测器的通信功耗比别的子监测器小时，该子监测器的LED1被激活，从而实现各子监测器功耗的一致。 
微处理器A连有负载电阻R1、R2。如果单体电池A1或单体电池A2的电压过高，子监测器可以激活负载电阻R1或负载电阻R2对相应的电池进行放电，降低电池的电压，实现电池的均衡调整。另外根据软件设置，子监测器还可以在闲时通过激活诊断指示器LED1，禁用节能睡眠模式和增加子监测器的通信功耗的方式降低单体电池的电压。 
图5是本发明的电池管理系统的主控制器内部电路原理图。主控制器由微处理器B，光接收器D3和光发射器D4组成。其中，光接收器D3和光发射器D4的电路与子监测器的电路相同。主控制器从子监测器获得电池的电压和温度数据，由微处理器B进行处理。微处理器B支持高数据率，可对电池的各项数据进行复杂而快速的评估，评估结果被传送到其他系统用于控制整车参数。微处理器B还承担与整车控制器接口通讯的任务。 
电池的温度信息将被用于电池的温控系统。如果电池的温度过高或过低，就会对电池进行冷却或加热。电池的电压信息将被用于控制电池的充放电过程：在充电过程中，如果电池组中电压最高的单体电池的电压值达到预先设定的电压高位值，充电过程将被终止；在放电过程中，如果电池组中电压最低的单体电池的电压值达到预先设定的电压报警值，系统将向驾车者发出低电压警告信号，如果电池组继续放电到电压最低的单体电池的电压值达到预先设定的电压低位值时，放电过程将逐渐停止，同时驱动系统将逐渐停止工作。主控制器搜集到的电池信息还可以经过整理，输出到数据采集装置，以便进一步的研 究、分析。 
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (10)

1.一种用于电动汽车的电池管理系统，包括：
多个子监测器，每个子监测器对一个或多个单体电池的电压和温度进行采样；
一个主控制器，接收子监测器发送的电池的电压和温度数据，对电压和温度数据进行分析并实现电池的均衡控制，同时完成和整车控制器的通讯；
其特征在于，所有子监测器通过塑料光纤串行连接，两端的子监测器通过塑料光纤连接主控制器，形成一个环路结构；主控制器发出的指令沿环路传送，各子监测器接收前一子监测器传送的数据串，执行主控制器的指令，并将指令请求的数据附加在数据串上，然后传送到下一子监测器。
2.如权利要求1所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述数据串中包括主控制器的指令和前面的子监测器附上的数据。
3.如权利要求1或2所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述子监测器包括第一微处理器(A)，第一光接收器(D1)，第一光发射器(D2)，诊断指示器(LED1)以及一个基极连接第一光接收器(D1)的三极管(T1)；所述诊断指示器(LED1)是一个发光二极管，其基极连接第一微处理器(A)，其发射极连接公共端(GND)；第一微处理器(A)采集与该子监测器相连的电池的电压和温度信息；前一个子监测器发送的数据串经过塑料光纤以光信号的形式传输到第一光接收器(D1)，从三极管(T1)基极进入三极管(T1)并进行放大，然后传送到第一微处理器(A)；第一微处理器(A)接收到数据串后，提取其中由主控制器发出的指令并执行，然后将指令要求的数据添加到数据串中，更新后的数据串由第一光发射器(D2)转换为光信号，再沿塑料光纤继续向下一子监测器传递。
4.如权利要求3所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述主控制器包括第二微处理器(B)，第二光接收器(D3)，第二光发射器(D4)以及一个基极连接第二光接收器(D3)的三极管(T2)；子监测器发送的数据串经过塑料光纤以光信号的形式传输到第二光接收器(D3)，并通过基极连接第二光接收器(D3)的三极管(T2)放大，然后传送到第二微处理器(B)；第二微处理器(B)对从子监测器获得电池的电压和温度数据进行处理，处理后发出的指令信号通过第二光发射器(D4)转换为光信号，再沿塑料光纤向子监测器传递。
5.如权利要求4所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述主控制器发出地址分配的指令沿环形线路传送，各子监测器依次接收指令并根据指令中的地址信息获得地址分配，然后更改指令中的地址信息以确保下一个子监测器获得正确的地址分配，再将更改后的指令传递到下一个子监测器；当指令最终回到主控制器时，指令中包含了子监测器的数量信息和指令在环形结构中传递一圈所需的时间。
6.如权利要求5所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述主控制器在对子监测器的数量和环形线路的数据传输时间进行计算后，向各子监测器发出采样延迟信号；各子监测器的采样延迟时间由子监测器在环路中的位置和采样延迟信号决定，从而实现各子监测器的同步采样。
7.如权利要求3所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述第一微处理器(A)连有负载电阻。
8.如权利要求4-6中任一项权利要求所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述第一微处理器(A)连有负载电阻。
9.如权利要求3所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述诊断指示器(LED1)补偿环形结构中不同子监测器的通信功耗的差别，从而减少电池的调整次数。
10.如权利要求1所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统所管理的电池组为应用于混合电动车、可插电式混合电动车和纯电动汽车的输出电压大于50V、容量大于400Wh的大功率铅酸电池组、镍金属氢化物电池组和锂离子电池组。
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