CN101330225B - 一种动力电池高压输出监控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池高压输出监控装置，包括监测模块、控制模块和中央处理器模块，其中监测模块进行高压输出监测、预充电监测和继电器开关次数监测；控制模块控制继电器开关；中央处理器模块对监测信号进行处理分析，打包继电器状态信号发送给电池管理系统，预测继电器健康状态发送预警信号给电池管理系统，判断预充电状态，控制高压系统断开或闭合，接受电池管理系统控制，强行断开或闭合高压系统。通过利用本发明的监控装置，可以对高压继电器寿命进行预测，实时发送继电器健康状态报警信号，能够避免在继电器损坏不能闭合时造成危害；而且通过对动力电池预充电状态进行监测、控制，有利于提高电池的寿命。

Description

一种动力电池高压输出监控装置
技术领域
本发明涉及一种大规模串并联电池系统的高压输出监控装置，特别是用于混合动力汽车动力电池的高压输出监控。
背景技术
对于混合动力车辆，动力电池的高压输出监控是很重要的，是整车安全控制管理中必不可少的一块，但是很多国内外的动力电池系统中没有这一块的设计或只有预充电控制部分设计。当电池管理系统控制高压输出而高压未输出，电池管理系统控制高压断开而高压未断开时将是危险的。通过对高压继电器寿命的预测，实时发送继电器健康状态报警信号，能够避免在继电器损坏不能闭合时造成危害；通过对动力电池预充电状态进行监测、控制，有利于提高电池的寿命，因此，一个动力电池高压输出监测装置对混合动力车辆来说是必须的。
发明内容
本发明公开了一种高压输出监控装置，具体技术方案如下。
一种高压输出监控装置，包括监测模块、控制模块和中央处理器模块，其中监测模块进行高压输出监测、预充电监测和继电器开关次数监测；控制模块控制继电器开关；中央处理器模块对监测信号进行处理分析，打包继电器状态信号发送给电池管理系统BMS，预测继电器健康状态发送预警信号给BMS，判断预充电状态，控制高压系统断开或闭合，接受BMS控制，强行断开或闭合高压系统。
监测模块的高压输出监测部分通过采集的继电器状态信号让电池管理系统实时监视电池高压继电器状态，确定高压输出状态，并可根据所发送的继电器状态信号判断高压输出故障原因；预充电监测部分通过在预充电过程对电池端电压和输出负载端电压监测，判断预充电是否成功。
高压输出监测部分对高压输出状态的监测点是正极、负极，预充电继电器的大功率MOS管的源极，监测信号通过隔离滤波后输入中央处理器模块，监测信号高电平表示继电器闭合，低电平表示继电器断开，与继电器状态实时对应，3个继电器状态监测信号对BMS实时发送。
预充电监测部分监测电池端电压和输出负载端电压，中央处理器模块在预充电过程时间内对监测值进行对比。
控制模块电路采用大功率MOS管，监测模块通过采集MOS管状态信号来确定继电器工作状态。
本发明还公开了一种动力电池高压系统，包括电池本体、电池管理系统、正极、负极、预充电继电器，预充电电阻，以及上述的高压输出监控装置。
通过利用本发明的监控装置，可以对高压继电器寿命进行预测，实时发送继电器健康状态报警信号，能够避免在继电器损坏不能闭合时造成危害；而且通过对动力电池预充电状态进行监测、控制，有利于提高电池的寿命。
附图说明
图1：电池高压系统电气示意图；
图2：控制模块示意图；
图3：监测模块——高压输出监测部分示意图；
图4：监测模块——预充电监测部分示意图；
图5：中央处理器模块示意图；
图6：电源示意图。
图中标记符号说明：
CAN HIGH、CAN LOW是CAN通讯信号；
BAT+和BAT-是电池端正，负电极监测点；
RELAY1、RELAY2、RELAY3是正极，负极，预充电继电器的低压侧驱动端；
LINK+和LINK-是电压输出负载端电压监测点；
MOS1、MOS2、MOS3是正极，负极，预充电继电器控制MOS管的源极监测点；
S1、S2、S3是监测模块MOS监测点监测到的继电器反馈信号；
CTRL1是隔离采样控制信号；
BAT、LINK是电压采集信号；
12V电源是车辆铅酸蓄电池电源，GND是车辆底盘地。
具体实施方式
以下结合附图介绍本发明在混合动力车上的应用及产生的效果。
如图1所示，动力电池高压系统包括电池本体、电池管理系统BMS，高压输出监测装置、正极、负极、预充电继电器，预充电电阻等，电池管理系统通过控制高压继电器控制电池高压输出至预充电电容和逆变器，预充电过程是为了增加高压系统的稳定性。
其中的高压输出监控装置实现如下功能：
功能1：通过本装置采集的继电器状态信号让电池管理系统实时监视电池高压继电器状态，确定高压输出状态，并可根据本装置所发送的继电器状态信号判断高压输出故障原因。
功能2：通过预充电过程对电池端电压和输出负载端电压监测，判断预充电是否成功。
功能3：本装置有继电器控制功能，通过预充电信号成功与否进行高压搭接和断开控制。同时具有接受BMS发送的信号强行断开或闭合高压继电器功能。
功能4：本装置有3级继电器健康状态报警信号，报警信号发送给BMS，通过本装置的报警，混合动力车主需进行可更换继电器操作和必须更换继电器操作。
这4大功能都是通过在电池高压端采集信号实现的。
高压输出监控装置分3个模块：监测模块，控制模块和中央处理器模块，该装置的上位控制器是电池管理系统BMS，与BMS通过CAN通讯。
下面对各个模块进行具体描述。
一、监测模块
监测模块如图3、4所示，实现如下功能：1)高压输出监测；2)预充电监测；3)继电器开关次数监测。
如图3所示，高压输出监测部分对高压输出状态的监测点是本装置中3个继电器PWM控制开关——3个大功率MOS管的源极，3个监测点按正极，负极，预充电继电器的顺序分别为MOS1、MOS2、MOS3，3个反馈监测信号按正极、负极、预充电继电器的顺序分别是S1、S2、S3，接入本装置中央处理器模块。这3个监测信号高电平表示继电器闭合，低电平表示继电器断开，与继电器状态实时对应，3个继电器状态监测信号通过隔离滤波电路传递到中央处理器模块，并对BMS实时发送。BMS可通过这三个继电器监测信号对继电器器开关次数进行监测。
预充电监测部分对预充电状态进行监测，判断预充电是否成功，如图4所示，电池端电压和输出负载端电压的电压监测点分别为电池端正极、负极，即BAT+和BAT-，由中央处理器模块发出隔离采样控制信号是CTRL1。监测到的总电压分压电压值为BAT；电压输出负载端电压监测点分别为LINK+和LINK-，由中央处理器模块发出隔离采样控制信号CTRL1，监测到的总电压分压电压值为LINK。中央处理器模块在预充电过程时间内对监测值进行对比。预充电时间是通过对电池电压，预充电电阻，预充电电容大小计算得到的一个预充电限制时间。当预充电开始，在设定的预充电时间T内，监测到LINK＞80％*BAT，则预充电成功，本装置控制正极，负极继电器闭合，动力电池与高压系统成功搭接；如在设定的预充电时间T内，监测到LINK＜80％*BAT，预充电失败，本装置不允许正极，负极继电器闭合，动力电池与高压系统搭接失败。
二、控制模块
控制模块的功能是控制继电器开关。
如图2所示，现在控制高压继电器一般采用PWM技术可以节省功耗，本装置控制模块电路采用中央处理模块产生的PWM控制实现，对正极、负极、预充电继电器3条PWM控制信号分别为PWM1、PWM2、PWM3，低压驱动端分别为RELAY1、RELAY2、RELAY3，实现对继电器低压侧驱动。本装置监测模块通过采集MOS管状态信号来确定继电器工作状态。
三、中央处理器模块
中央处理器模块如图5所示，实现如下功能：1)对监测信号进行分析，打包继电器状态信号发送给BMS；2)预测继电器健康状态发送预警信号给BMS；3)判断预充电状态，控制高压系统断开或闭合；4)接受BMS控制，强行断开或闭合高压系统。中央处理器模块采用8位单片机实现。
中央处理器模块通过对高压输出监测模块输出信号S计数，达到对3个高压继电器通断次数进行计数的目的，计数一次刷新一次中央处理器模块EEPROM中3个继电器健康比例变量。比例变量按正极、负极、预充电继电器的顺序分别为A、B、C。算法是，在一次新的计数后，现在的比例常数＝原比例常数+1/继电器机械寿命(开关次数)。比例常数未达到80％为3级报警，80％-100％为2级报警，超过100％为一级报警，3个继电器3条报警信号，实时发送。
本装置由5V直流稳压电源芯片供电，如图6所示。
下面说明本发明的应用效果。
当混合动力车用车钥匙发动点火时，高压电池与整车高压系统开始搭接，预充电过程开始，此时正极和预充电继电器状态信号S1和S3是高电平，负极继电器状态信号S2信号是低电平，预充电工作正常，如在预充电时间内，监测模块——预充电监测部分采集的电压信号LINK＞80％*BAT，本装置控制模块控制正极，负极继电器闭合，此时正极和负极继电器状态信号S1和S2应该是高电平，预充电继电器状态信号S3信号是低电平，动力电池与高压系统搭接成功。3个继电器状态信号S1、S2、S3通过CAN实时发送给BMS。如在预充电状态，3个继电器状态信号任一信号不符，说明预充电失误，如在预充电时间内，监测模块——预充电监测部分采集的电压信号LINK＜80％*BAT，那么预充电失败，控制模块不允许正极，负极继电器闭合，动力电池与高压系统搭接失败。此时可以通过对正极，负极，预充电继电器状态信号S1、S2、S3的监测确定预充电失败原因。如BMS通过CAN发送继电器闭合指令，则本装置无条件闭合继电器。如预充电失败，且RELAY1和RELAY3被监测模块监测，各闭合断开一次，RELAY2无动作，中央处理器模块将对正极和预充电继电器比例常数各自加一个常数——1/继电器机械寿命(开关次数)，此时3个继电器比例常数未达到80％为3级报警，80％-100％为2级报警，超过100％为一级报警，3个继电器分别有3条报警信号，实时发送BMS。

Claims (8)

1.一种动力电池高压输出监控装置，包括监测模块、控制模块和中央处理器模块，其中监测模块进行高压输出监测、预充电监测和继电器开关次数监测；控制模块控制继电器开关；中央处理器模块对监测信号进行处理分析，打包继电器状态信号发送给电池管理系统，预测继电器健康状态发送预警信号给电池管理系统，判断预充电状态，控制高压系统断开或闭合，接受电池管理系统控制，强行断开或闭合高压系统。
2.如权利要求1所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：监测模块的高压输出监测部分通过采集的继电器状态信号让电池管理系统实时监视电池高压继电器状态，确定高压输出状态，并根据所发送的继电器状态信号判断高压输出故障原因；监测模块的预充电监测部分通过在预充电过程对电池端电压和输出负载端电压监测，判断预充电是否成功。
3.如权利要求1或2所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：监测模块的高压输出监测部分对高压输出状态的监测点是正极、负极、预充电继电器的大功率MOS管的源极，监测信号通过隔离滤波后输入中央处理器模块，监测信号高电平表示继电器闭合，低电平表示继电器断开，与继电器状态实时对应，3个继电器状态监测信号对电池管理系统实时发送。
4.如权利要求1或2所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：监测模块的预充电监测部分监测电池端电压和输出负载端电压，中央处理器模块在预充电过程时间内对监测值进行对比。
5.如权利要求4所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：预充电时间是通过对电池电压，预充电电阻，预充电电容大小计算得到的一个预充电限制时间，当预充电开始，在设定的预充电时间T内，监测到总电压分压电压值LINK＞80％*总电压分压电压值BAT，则预充电成功，监控装置控制正极，负极继电器闭合，动力电池与高压系统成功搭接；在设定的预充电时间T内，监测到LINK＜80％*BAT，预充电失败，监控装置不允许正极、负极继电器闭合，动力电池与高压系统搭接失败，其中LINK是指负载端总电压分压电压值，BAT是指电池端总电压分压电压值。
6.如权利要求1或2所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：控制模块电路采用大功率MOS管，监测模块通过采集控制模块电路的MOS管状态信号来确定继电器工作状态。
7.如权利要求1或2所述的动力电池高压输出监控装置，其特征在于：中央处理器模块对3个高压继电器通断次数进行计数，计数一次刷新一次中央处理器模块存储器EEPROM中3个继电器健康比例变量，在一次新的计数后，现在的比例常数＝原比例常数+1/继电器机械寿命，当比例常数未达到80％为3级报警，80％-100％为2级报警，超过100％为一级报警，3个继电器3条报警信号，实时发送。
8.一种动力电池高压系统，包括电池本体、电池管理系统、正极、负极、预充电继电器，预充电电阻，以及如权利要求1-7任一项所述的动力电池高压输出监控装置。
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