CN101692583A - 一种纯电动公交车用电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电动汽车电池管理系统技术领域。一种纯电动公交车用电池管理系统，具有车载运行、整车应急充电和快速更换3种工作模式，该系统主要包括主控模块、检测模块、手持设备、监控计算机和车载电池组。电池管理系统能够将获取处理后的实时电池状态、车载电池组的详细信息传递给整车控制器、车载仪表、监控计算机在线监控；在整车应急充电和快速更换模式下，电池管理系统能够与充电设备进行数据交互，实现安全充电。本系统还配置了手持设备，可以实现单箱电池电压的采集及检测模块的调试和故障诊断。该电池管理系统通信功能强大，充电管理完善，辅助设备齐全，具有较高的安全性、可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车电池管理系统技术领域。
背景技术
随着汽车工业的快速发展和城市人口、车辆的迅速增加，城市交通系统的燃油消耗也将随之剧增，交通系统面临的压力也越来越大。节能环保的压力推动着交通能源动力系统的技术变革，主要趋势是汽车能源的电气化。由于公交线路路线固定，行驶里程较短、要求动力系统具有良好的经济性和环保性要求。当前蓄电池的能量密度基本已经满足公交车辆运营的需要，可以根据公交线路的行驶里程配备相应的蓄电池，因此纯电动公交车是电动公交车辆的主要发展方向之一。
由于车载电池不能满足纯电动公交车一天运行的里程需求，当电池剩余能量不能满足下一个往返需要时，车辆需要进站充电。依据公交车站车辆配置和运营情况，纯电动公交车存在整车应急和快速更换两种充电模式。而目前的电池管理系统存在如下问题：
(1)纯电动公交车电池管理系统通常只具有车载运行和整车充电两种模式，不能满足公交车快速更换的运行需要；
(2)纯电动公交车在充电过程中，电池管理系统和充电设备相脱离，充电设备不能及时了解电池的实时状态，因此充电的安全性无法得到有效保障；
(3)电池管理系统配备的PC机监控系统存在待机时间短以及不便于携带等问题不能满足现场调试和故障诊断的需要。
发明内容
本发明的目的是解决以上问题，提供一种适用于多种工作模式、可靠性高的纯电动公交车用电池管理系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于包括主控模块、检测模块、监控计算机和车载电池组，所述主控模块可以通过通信接口与车辆控制器、车载仪表以及充电设备通信，主控模块将获取的实时电池状态、车载电池组的详细信息传输到监控计算机、车辆控制器、车载仪表，所述检测模块、主控模块还可将充电过程所需的信息发送至充电设备，实现充电过程的安全和优化，该电池管理系统通过集散式通信结构可实现车载运行模式、整车应急充电模式和快速更换模式三种工作模式。
所述的主控模块包括中央处理器MCU1、和与中央处理器MCU1连接的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器、系统时钟，中央处理器MCU1还通过隔离电路与绝缘检测模块、电流检测模块以及CAN1、CAN2、CAN、RS-485和RS-232五种通信接口模块连接。
所述的检测模块包括中央处理器MCU2、和连接在中央处理器MCU2的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器，中央处理器MCU2还通过隔离电路连接温度检测模块、电压检测模块、热管理以及CAN、RS-485和RS-232通信接口模块。
在车载运行模式下，主控模块通过兼容CAN和RS-485的内部总线汇总所有车载电池组以及单体电池数据，并根据预先设定故障阈值进行数据分析和故障判断，将包含有实时的电池状态、电池组的详细信息的处理结果通过CAN接口和RS-232接口传递给整车控制器、车载仪表、监控计算机，实现所有单体电池的在线检测和智能控制；
在整车应急充电过程中，充电设备的充电线连接到电动车辆的充电插头上进行充电，主控模块通过CAN与充电设备实现数据交互，并根据电池的在线状态实时调整充电设备的输出电流，实现安全充电；
在快速更换模式下，电动车辆上的电池箱卸载到地面充电平台中进行分箱充电，充电设备的通信线连接至检测模块，在充电过程中充电设备与电池管理系统数据交互，实现安全充电。
为了更好的检测和管理纯电动车辆上的电池状态，本发明电池管理系统还配置有手持设备，手持设备包括中央处理器MCU3、和连接在中央处理器上的电源变换模块、显示设备、硬件看门狗、存储器，报警模块以及键盘，电压检测模块通过隔离电路连接至中央处理器MCU3上，中央处理器MCU3通过RS-232通信接口模块与主控模块、检测模块信息交互，手持设备可以实现电池箱内单体电池电压的采集、检测模块的参数设置、故障诊断、电压精度校验、数据读取和转储。
与现有技术相比，本发明的优点在于电池管理系统采用集散式多层次的网络系统结构，并且具有多种工作模式；在充电过程中，电池管理系统可通过CAN总线与充电机实现数据交换，保障充电过程的安全性；电池管理系统配备手持设备，满足现场调试和故障诊断的需要。本发明的主要特点有：
电池管理系统采用多通信总线的集散式系统结构。具备内外四条子网，其中高速网络段CAN1用于与整车控制器等设备通信；高速网络段CAN2用于与车载仪表及充电设备进行通信；内部网络(兼容CAN和RS-485)用于主控模块与检测模块进行通信；RS-232用于与监控计算机或手持设备进行通信。通过内部和外部总线实现多种车载设备的通信，可以隔离通信量，保证数据交换的可靠性，实现整车在线监控，解决电池状态的实时监控、数据处理、故障分析和定位、SOC估算、数据传输、热管理、充放电控制、PC机在线监控、运行数据存储、数据转储和数据库管理功能。
电池管理系统可以实现快速更换和整车应急充电两种模式下的安全充电。在充电过程中，充电设备通过CAN总线与主控模块或检测模块进行通信，了解电池的实时状态，充电设备据此改变输出电压和电流，确保电池组内所有电池的电压、温度和电流不超限，保证充电的安全性。
为了简化用户的操作和增强系统的直观性，电池管理系统设计了功能完善的手持设备，可以实现单箱电池电压的采集及检测模块的参数设置、故障诊断、电压精度校验、数据读取和转储，便于故障诊断和定位，大大增强了现场解决电池故障的能力。
附图说明
图1本发明电池管理系统的系统结构图；
图2本发明电池管理系统主控模块结构图；
图3本发明电池管理系统检测模块结构图；
图4本发明电池管理系统手持设备结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施对本发明作进一步详细描述。
参见图1，一种纯电动公交车用电池管理系统，该系统主要包括主控模块、检测模块、手持设备、监控计算机和车载电池组。纯电动公交车用电池管理系统采用多通信总线的集散式结构，可以实现三种工作模式，包括车载运行模式、整车应急充电模式和快速更换模式。
在实际应用中为了达到一定的电压、功率和能量必须将多个单体电池串联成组使用。在纯电动公交车中，车载电池组由多个电池箱串联组成，而每个电池箱中又由多个单体电池串联组成。每个电池箱配备1个检测模块。
本电池管理系统采用多通信总线的集散式系统结构。具备内外四条子网，其中高速网络段CAN1用于与整车控制器等设备通信；高速网络段CAN2用于与车载仪表及充电设备进行通信；内部网络(兼容CAN和RS-485)用于主控模块与检测模块进行通信；RS-232用于与监控计算机或手持设备进行通信。监控计算机上还可以连接服务器和打印机，需要时还可以把相关数据上传、打印。
在车辆运行过程中，主控模块通过内部总线(兼容CAN和RS-485)与各个电池箱所对应的检测模块连接，获得各个电池箱中单体电池电压和温度信息；并根据预先设定故障阈值进行数据分析和故障判断，将电池组的详细信息通过CAN2总线传递给车载仪表，完成电池状态的显示和故障报警功能；通过CAN1总线将实时电池状态信息传递给具有通讯接口模块的车辆控制器和电机控制器，实现优化控制策略。主控模块通过RS-232接口可以与监控计算机或者手持设备连接，实现所有单体电池的在线检测、智能控制以及现场故障检测。
在整车应急充电模式下，为了充分获得各单只电池的状态，与现有充电模式不同，充电设备还增加了通讯接口模块，在充电过程中除了充电设备的动力线与动力电池相连以外，充电设备的通信线与电池管理系统主控模块连接，电池管理系统主控模块通过通讯接口模块将充电过程所需的信息发送至充电设备，充电设备据此改变输出电压和电流，确保电池组内所有电池的电压、温度和电流不超限，实现安全充电。
在快速更换模式下，为了充分获得各单只电池的状态，与现有充电模式不同，充电设备还增加了通讯接口模块，在充电过程中除了充电设备的动力线与动力电池相连以外，充电设备的通信线与电池管理系统检测模块连接，检测模块会将充电过程所需的信息发送至充电设备，充电设备据此改变输出电压和电流，确保电池组内所有电池的电压、温度和电流不超限，实现安全充电。
图2所示是电池管理系统主控模块的结构图。主控模块包括主控模块包括中央处理器MCU1、和与中央处理器MCU1连接的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器、系统时钟，中央处理器MCU1还通过隔离电路与绝缘检测模块、电流检测模块以及CAN1、CAN2、CAN、RS-485和RS-232五种通信接口模块连接。
主控模块是电池管理系统的控制中心，完成电池组工作电流和绝缘电阻的检测。车辆运行过程中，主控模块通过内部总线(兼容CAN和RS-485)汇总所有电池数据，并根据预先设定故障阈值进行数据分析和故障判断，将处理结果通过CAN接口和RS-232接口传递给整车控制器、车载仪表、监控计算机在线监控，实现所有单体电池的在线检测和智能控制。在整车应急充电过程中，主控模块通过CAN与充电设备实现数据交互，并根据电池的在线状态实时调整充电设备的输出电流，实现安全充电。充电过程所需的信息包括有限制参数和当前状态参数。其中限制参数包括电池组的最高允许充电电压、单体电池最高/低允许充电电压、最高/低允许充电温度和最大允许充电电流；当前状态参数包括电池组的端电压、单体电压最高/低电压、最高/低温度。
中央处理器MCU1通过隔离电路连接5个通信端口、电流检测输入和绝缘检测输入。通信端口中的CAN1模块用于与整车控制器之间通信，将电池的剩余容量、剩余能量、实际容量、SOC、当前最大允许充放电电流、电压和功率以及电池系统故障代码传递给整车控制器和电机控制器，CAN2模块用于将单体电池电压、温度、电流、剩余电量、剩余能量、SOC、绝缘电阻、车辆编号、电池编号、最高/低温度及其位置、最高/低电池电压及其位置、电池系统故障代码及位置、通信正常标志等数据传送到车载仪表显示。CAN模块和RS-485模块是主控模块和测控模块之间的通信接口，两者可以任意选择。RS-232模块用于与手持设备或PC上位机连接，实现现场调试和故障诊断等功能。
电流检测模块通过电流传感器、分流器进行电流采样，完成电流的测量和AH累计，具有较高的测量精度，并作为SOC估算的基础。
绝缘检测模块主要检测动力电池与车底盘之间的绝缘电阻，电池管理系统上电后，定时进行绝缘检测，并按照国家电动汽车GS/T 18384.1-18384.3-2001相关标准对绝缘进行分级。
电源变换利用车上的24V供电得到3路隔离电源，输出电压均为5V，第一路输出的功率最大，用于CPU供电；第二路供CAN使用；第三路输出和另外两路的隔离按照4000VDC设计，供电流检测使用。
指示灯电路包括电源指示灯(6个)和运行状态指示灯(10个)，用于指示6路相互隔离的电源以及系统运行状态显示，包括CPU、时钟芯片、绝缘、工作电流、存储器、CAN、CAN1、CAN2、RS-232和RS-485。
存储器包括FM24C16(2K字节)和AT45DB041(512K字节)两部分，其中FM24C16记录系统参数，AT45DB041记录运行数据。
系统时钟电路用于提供系统记录数据的发生时间，也可用于自放电的处理。
图3所示是检测模块的系统结构图。检测模块包括检测模块包括中央处理器MCU2、和连接在中央处理器MCU2的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器，中央处理器MCU2还通过隔离电路连接有温度检测模块、电压检测模块、热管理以及CAN、RS-485和RS-232通信接口模块。
每个检测模块设置多路电压检测通道，采用多路开关切换巡检的方式，后级电阻分压，通过∑-ΔADC对电压信号进行采样。电压检测模块具备区分MAX110损坏、电压极性、电压溢出、断线能力。
每个电池箱设置多个温度测量点，分布于电池的总正、总负接插件、进风口和出风口以及电池的中部电池极柱上。通过数字温度传感器对以上温度采样点进行温度测量，并实施必要的热管理。温度检测模块具备编号查询、丢失自检、温度超高检测功能。
检测模块中的电源变换与主控模块中的相同，利用车上的24V供电得到3路隔离电源，输出电压均为5V，第一路输出的功率最大，用于CPU供电；第二路供CAN使用；第三路输出和另外两路的隔离按照4000VDC设计，供电压检测使用。
指示灯电路包括电源指示灯(6个)和运行状态指示灯(7个)，用于指示6路相互隔离的电源以及系统运行状态显示，包括充电、电压检测、温度检测、通信、存储器、风扇和调试。
存储器采用FM24C16(2K字节)，用于记录系统参数。
CAN总线和RS-485总线用做主控模块和测控模块之间的通信接口；RS-232接口用于与手持设备进行通信，实现在快速更换模式下电池箱的参数设置和故障诊断。
热管理电路可依据温度检测结果实施冷却和加热控制。
图4是手持设备的系统结构图。手持设备包括中央处理器MCU3、和连接在中央处理器上的电源变换、显示设备、硬件看门狗、存储器，报警模块以及键盘，电压检测模块通过隔离电路连接至中央处理器MCU3上，中央处理器MCU3通过RS-232通信接口模块与主控模块、检测模块信息交互，手持设备的主要功能是在没有24V电源的时候，对电池管理系统检测模块进行调试和故障诊断，可以实现单箱电池电压的采集、电池管理测控模块的参数设置、故障诊断、检测模块电压精度校验、数据读取和转储。
手持设备包括中央处理器MCU3、电源变换、显示、硬件看门狗、存储器、电压检测模块、隔离电路、RS-232通信接口模块以及报警模块、键盘。
手持设备能够设置的参数主要包括电池编码信息、电池厂家信息、电池控制参数、电池管理系统配置参数(如电池组编码信息、电压检测通道数、温度传感器数量、最高允许充电电压、最低允许放电电压、电池容量、电池厂家信息、电池管理系统厂家信息、电池类型等)。
手持设备接入电池箱上的接插件后，一方面通过电源变换电路从动力电池获得系统电源，并通过电压检测模块检测各单体电池的电压；另一方面，通过RS-232总线从检测模块获取单体电池电压数据，并将两组数据进行比较判断，在手持设备上显示校验结果；当精度不能满足技术指标要求时，启动声光报警，完成检测模块电压精度校验。
Claims (8)
1.一种纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于包括主控模块、检测模块、监控计算机和车载电池组，所述主控模块可以通过通信接口与车辆控制器、车载仪表以及充电设备通信，主控模块将获取的实时电池状态、车载电池组的详细信息传输到监控计算机、车辆控制器、车载仪表，所述检测模块、主控模块还可将充电过程所需的信息发送至充电设备，实现充电过程的安全和优化，该电池管理系统通过集散式通信结构可实现车载运行模式、整车应急充电模式和快速更换模式三种工作模式。
2.根据权利要求1所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：所述的主控模块包括中央处理器MCU1、和与中央处理器MCU1连接的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器、系统时钟，中央处理器MCU1还通过隔离电路与绝缘检测模块、电流检测模块以及CAN1、CAN2、CAN、RS-485和RS-232五种通信接口模块连接。
3.根据权利要求1所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：所述的检测模块包括中央处理器MCU2、和连接在中央处理器MCU2的电源变换模块、指示灯、硬件看门狗、存储器，中央处理器MCU2还通过隔离电路连接温度检测模块、电压检测模块、热管理以及CAN、RS-485和RS-232通信接口模块。
4.根据权利要求2或3所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：
在车载运行模式下，主控模块通过兼容CAN和RS-485的内部总线汇总所有车载电池组以及单体电池数据，并根据预先设定故障阈值进行数据分析和故障判断，将包含有实时的电池状态、电池组的详细信息的处理结果通过CAN接口和RS-232接口传递给整车控制器、车载仪表、监控计算机，实现所有单体电池的在线检测和智能控制；
在整车应急充电过程中，充电设备的充电线连接到电动车辆的充电插头上进行充电，主控模块通过CAN与充电设备实现数据交互，并根据电池的在线状态实时调整充电设备的输出电流，实现安全充电；
在快速更换模式下，电动车辆上的电池箱卸载到地面充电平台中进行分箱充电，充电设备的通信线连接至检测模块，在充电过程中充电设备与电池管理系统数据交互，实现安全充电。
5.根据权利要求4所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：所述的实时的电池状态包括有电池的剩余容量、剩余能量、实际容量、SOC、当前最大允许充放电电流、电压和功率以及电池系统故障代码；
所述的电池组的详细信息包括有单体电池电压、温度、电流、剩余电量、剩余能量、SOC、绝缘电阻、车辆编号、电池编号、最高/低温度及其位置、最高/低电池电压及其位置、电池系统故障代码及位置、通信正常标志；
所述的充电过程所需的信息包括有限制参数和当前状态参数，其中限制参数包括电池组的最高允许充电电压、单体电池最高/低允许充电电压、最高/低允许充电温度和最大允许充电电流；当前状态参数包括电池组的端电压、单体电压最高/低电压、最高/低温度。
6.根据权利要求1所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：该电池管理系统还配置有手持设备，手持设备包括中央处理器MCU3、和连接在中央处理器上的电源变换模块、显示设备、硬件看门狗、存储器，报警模块以及键盘，电压检测模块通过隔离电路连接至中央处理器MCU3上，中央处理器MCU3通过RS-232通信接口模块与主控模块、检测模块信息交互，手持设备可以实现电池箱内单体电池电压的采集、检测模块的参数设置、故障诊断、电压精度校验、数据读取和转储。
7.根据权利要求6所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：所述的检测模块的参数设置主要包括电池编码信息、电池厂家信息、电池控制参数和电池管理系统配置参数，电池管理系统配置参数包括电池组编码信息、电压检测通道数、温度传感器数量、最高允许充电电压、最低允许放电电压、电池容量、电池厂家信息、电池管理系统厂家信息、电池类型。
8.根据权利要求6所述的纯电动公交车用电池管理系统，其特征在于：所述的电压精度校验为手持设备通过自身电压检测模块检测各单体电池的电压；并通过RS-232总线从检测模块获取单体电池电压数据，然后将两组数据进行比较判断进行检测模块电压精度校验，并在手持设备上显示检测结果，当精度不能满足技术指标要求时，启动声光报警。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Fei Inventor after: Ruan Xusong Inventor after: Zhang Weige Inventor after: Wang Zhanguo Inventor after: Wen Feng Inventor before: Feng Daming Inventor before: Liu Fei Inventor before: Ruan Xusong Inventor before: Zhang Weige Inventor before: Wang Zhanguo Inventor before: Wen Feng |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Fei Inventor after: Jiang Jiuchun Inventor after: Ruan Xusong Inventor after: Zhang Weige Inventor after: Wang Zhanguo Inventor after: Wen Feng Inventor before: Liu Fei Inventor before: Ruan Xusong Inventor before: Zhang Weige Inventor before: Wang Zhanguo Inventor before: Wen Feng |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIU FEI RUAN XUSONG ZHANG WEIGE WANG ZHANGUO WEN FENG TO: LIU FEI JIANG JIUCHUN RUAN XUSONG ZHANG WEIGE WANG ZHANGUO WEN FENG |
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| CP02 | Change in the address of a patent holder | ||
| CP02 | Change in the address of a patent holder |
Address after: 516006 Phase III Workshop of No. 56 High-tech Zone, Zhongkai District, Huizhou City, Guangdong Province Co-patentee after: Beijing Jiaotong University Patentee after: HUIZHOU EPOWER ELECTRONICS Co.,Ltd. Address before: 516008 Zhongkai High-tech Industrial Development Zone No. 16, Huizhou City, Guangdong Province Co-patentee before: Beijing Jiaotong University Patentee before: HUIZHOU EPOWER ELECTRONICS Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120718 Termination date: 20210921 |