CN102205800A

CN102205800A - 一种智能电动车电池管理系统

Info

Publication number: CN102205800A
Application number: CN2011100463349A
Authority: CN
Inventors: 周剑明; 时庆春; 周海峰; 赵超
Original assignee: NANJING HUABO TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Jiangsu Antarctica new energy technology Limited by Share Ltd
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: CN102205800B

Abstract

本发明涉及一种智能电动车电池管理系统。本发明核心控制模块经K总线连接N个电池数据采集模块，且连接充电模块、电池组监测模块和触摸屏显示系统；包括数据库管理模块、电池组监测模块、自检控制模块、异常控制模块；电池数据采集模块有多个电池数据采集控制芯片；核心控制模块采用usb接口接口连接到计算机控制软件。解决了过去无法进行实时、动态的对比，缺少相应的故障处理功能及缺少交互信息平台等缺陷。本发明实现对电池的电压、电流和温度等数据进行采集、SOC估算、实时通信、均衡、绝缘监测，与数据库中的各个标准数据进行比较，建立动态的对比模型，采取分层模式进行，控制模块负责电压、电流和温度，通过触摸屏与使用者进行交互和报警。

Description

一种智能电动车电池管理系统

技术领域

本发明涉及一种电动车电池系统，特别涉及一种智能电动车电池管理系统。

背景技术

随着电动汽车的发展，对作为动力的电池提出了更高的要求，即必须对电池(通常是电池组)的电压、电流、温度等进行管理。

在本发明之前，针对铅酸和镍氢电池和锂电池的电动车电池管理系统(简称BMS)已经应用了。它存在着不具备数据存储功能，不能将当前电池组的测量数据与之前电池的状态和标准的电池状态进行实时、动态的对比，从而判断电池是否工作正常的缺陷，导致执行效率比较低，且缺少相应的故障处理功能。之前的电动车电池管理系统对于普通使用者来说缺少一个交互的信息平台。

发明内容

本发明的目的就是要克服上述缺陷，设计一种智能电动车电池管理系统。

本发明的技术方案是：

一种智能电动车电池管理系统，其主要技术特征在于核心控制模块经K总线连接N个电池数据采集模块，核心控制模块连接充电模块、电池组监测模块和触摸屏显示系统；所述的核心控制模块有数据库管理模块、电池组监测模块、自检控制模块、异常控制模块；所述的电池数据采集模块包含有多个电池数据采集控制芯片；所述核心控制模块接车身CAN总线至车载CAN总线设备；所述核心控制模块采用usb接口或RJ45接口连接到计算机控制软件。

本发明的优点和效果在于除了实现对电池的电压、电流和温度等数据进行采集、SOC估算、实时通信、均衡、绝缘监测等功能，还实时的检测每一个电池单元的电压、电流和温度数据，并与数据库中的各个特性的标准数据进行比较，建立动态的对比模型。如果采集的数据超过了数据库中标准值的±X％(X为根据当前温度和使用次数等数据计算得出)，则通过智能异常处理系统控制相应动作。每天对数据进行一次存储，在对电池运行情况进行检查时从数据库中调出数据提供参考。由于采取了分层模式进行操作，核心控制模块主要负责进行逻辑判断，采集模块负责数据采集，控制模块负责电压、电流和温度的控制。同时通过总线模式与电池充电模块进行通信智能控制电池组的放电和充电动作，并通过触摸屏的方式与使用者进行交互和报警。

本发明的其他优点和效果将在下面继续说明。

附图说明

图1——本发明整体系统框架示意图。

图2——图1中电池数据采集模块的框架示意图。

图3——图2中电池监测总线的框架示意图。

图4——图1中电池管理系统核心控制模块的框架示意图。

图5——图4中绝缘监测模块功能示意图。

图6——图4中触摸屏示意图。

图7——本发明中电池使用寿命曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示：

本发明包括电池管理系统核心控制模块(以下简称核心控制模块)和电池数据采集模块，核心控制模块和电池数据采集模块之间通过K总线进行通信，同时有N(N＝1，2，3...)个电池数据采集模块连接到电池管理系统核心控制模块，同时对N(N＝1，2，3...)个电池组进行电压，电流，温度和内阻的检测。本发明采集M×N的电池阵列(M，N＝1，2，3...)，这里我们以一个6×8的电池阵列为例，该电池阵列有8个电池组，每组有6节电池。电池数据采集模块分4个采集板，每块采集板负责对2个电池组进行电压、电流，温度和内阻进行采集。

如图2、图3所示：

电池数据采集模块采用飞思卡尔的型号为MC9S08AW32的单片机作为电池数据采集控制芯片，对电池数据的采集和与电池管理系统核心控制模块进行通信。电池数据采集模块对单块电池数据采集方法；电池监测总线将6块电池的电压，电流和温度信息发送到电池数据采集模块，通过电池数据采集模块连接K总线，发送到电池管理系统核心控制模块。电池监测总线是以DALLAS公司生产的电池监测芯片DS2438为核心构成电池监测总线模块，通过增加隔离措施，将数据线由单线制改进为收、发两线制，并采用轮询方式与电池数据采集模块进行通信，每一个光电隔离模块都具有独立的地址码，其结构框图如图3所示。电池数据采集模块的电池数据采集控制芯片向电池检测总线发送一个地址码，则与地址码对应的电池检测芯片将电压、电流和温度数据通过电池检测总线发送到电池数据采集控制芯片。

内阻测量采用交流压降内阻测量法，通过给电池施加一个固定频率和固定电流(目前一般使用1KHZ频率，50mA小电流)，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。

电池数据采集控制芯片将由电池检测总线采集的电池电压、电流、温度和内阻数据存储在特定存储区中，当电池数据采集模块从K总线接收到电池管理系统核心控制模块的查询命令，则将存储在特定存储区中的电池参数信息通过K总线发送到电池管理系统核心控制模块。

核心控制模块主要负责实时的对4个电池数据采集模块通过K总线发送来的电池参数信息数据进行汇总分析，通过一个轻量级快速MySQL数据库，存储这些信息，并和数据库中的标准数据进行对比实时判断电池是否工作正常，通过车身CAN总线与整车系统即车载CAN总线设备进行通信(CAN为CONTROLLER AREANETWORK的缩写，指控制器局部网)，智能控制充电机工作；主控芯片采用ARM9系列微处理器，移植适体剪裁的嵌入式Linux系统。

如图4所示：

电池管理系统核心控制模块主要分为：电池组检测模块、自检控制模块、触摸屏显示模块、SOC估测模块、通信模块、异常控制模块和数据库管理模块。

如图5所示：

电池组监测模块分为电池组参数采集ADC模块(ADC为Analog-to-DigitalConverter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器)和绝缘监测模块。电池组参数采集ADC模块通过ADC转换电路获取每列电池组上电压、电流和温度值，并将这些数据送到自检控制模块和数据库管理模块。通过测量电动汽车直流母线与电底盘之间的电压，通过计算得到系统的绝缘电阻值来衡量电动车的绝缘情况。高压绝缘系统原理框。

设计动汽车的直流系统电压(即电池总电压)为u，待测的正、负母线与电底盘之间的绝缘电阻分别为Rp、Rn，正、负母线与电底盘之间的电压分别为Up、Un，则待测直流系统的等效模型，图中的虚线框内所示。图中Rc1、Rc2，为测量用的已知阻值的标准电阻。测量原理为：当开关S1、S2全部断开时，测量正、负母线与电底盘之间的电压分别为up、un由电路定律得到公式1。

\frac{U^{P 0}}{R^{P}} = \frac{U^{N 0}}{R^{N}}

公式1

当开关S1闭合、S2断开时，则在正母线与电底盘之间加入了标准偏置电阻尺测量正、负母线与电底盘之间的电压分别为Upp、Unp同样得到公式2。

\frac{U_{PP}}{R_{P}} + \frac{U_{PP}}{R_{C 1}} = \frac{U_{NP}}{R_{N}}

公式2

由上述式联合求解得到公式3和公式4。

R_{P} = R_{C 1} (\frac{U_{P 0} * U_{NP}}{U_{P 0} * U_{PP}} - 1)

公式3

R_{N} = R_{C 1} (\frac{U_{P 0} * U_{NP} - U_{NO} * U_{PP}}{U_{P 0} * U_{PP}})

公式4

同样，绝缘电阻在以下两种情况也得到：

(1)S1、S2全部断开和S1断开、S2闭合；

(2)S1闭合、S2断开和S1断开、S2闭合。

由上述计算公式得到绝缘电阻Rp或Rn，并发送到自检控制模块。

如图4所示：

SOC估测模块负责检测电池组荷电状态(State of Charge)，即电池剩余电量。SOC估测模块通过接收电池数据采集模块检测的电池电压、电流和温度等参数，采用安时法对电池的SOC进行估测，通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量，再根据充放电的起始SOC状态，并在算法中考虑对电池的温度补偿、自放电和老化等多方面因素，对电池SOC值进行估算。并将电池的剩余电量发送到触摸屏驱动模块，使电池的剩余电量显示在屏幕上。

自检控制模块负责检测数据库中的通过K总线实时接收的各个电池单元的数据，同时接收电池组参数采集ADC模块和绝缘监测模块采集的参数数据，然后将这些数据与数据库中的标准数据进行实时、动态的对比，并建立动态的分析模型，判断出是否有过压、过流、温度过高和电池组漏电等异常。如果出现异常，则自检控制模块发出故障信号到异常控制模块，使相应的故障保护装置工作。自检控制模块将这些异常的故障代码存储到数据库中。自检控制模块通过发送信号到触摸屏驱动模块，将错误信息显示在触摸屏的屏幕上，告知驾驶者，详细描述见触摸屏显示模块。

异常控制模块实现自动充电控制，均衡充电，过流、过压、过温保护和碰撞保护功能。异常控制模块接收自检控制模块发送的异常操作命令并进行相应的保护措施。其中自动充电控制和均衡充电功能实现在充电过程中，自检控制模块检测充电电压、电流和温度等数据，如果发现过压、过流和过温等信号，将错误信号发送到异常控制模块，对充电模块的充电电压或电流进行调节，对电池组的充电进行监控和保护。过流、过压、过温保护功能在电池组放电过程中发现电压，电流或者温度过高时，能自动断开出现故障的电池组或调节电池组的输出功率等操作，达到保护电源和运行安全。碰撞保护功能用于在电动汽车在发生事故时及时断开整个电池组，防止因电池组出现意外事故。

系统数据管理模块是在嵌入式Linux系统中，使用轻量级快速的小型关系型数据库管理系统MySQL。电池数据采集模块通过K线将8列电池组每个电池单元的电压、电流、温度等数据发送到电池管理系统核心控制模块，并将数据存储在MySQL数据库中；存储每列电池组的电压，电流和温度数据，记录电池的总体使用情况，为以后的电池检查维护提供参考；存储SOC估测模块每次估测的数据；存储每次自检控制模块发现故障的错误代码信息；记录每次冲电和放点的次数；记录每次过冲或过放的次数和原因。

通信模块包括CAN总线通信，K总线通信，USB通信和RJ45通信。其中CAN总线实现其他车载设备之间通信。K总线通信实现接收电池数据采集模块采集电池组的电压，电流，温度和内阻数据的功能。管理端的数据通信。USB通信和RJ45通信实现与计算机电池管理软件进行通信。

计算机控制软件实现使用USB或者RJ45等接口与计算机进行通信，通过自主研发的专用软件系统实现人机交互功能。计算机控制软件读取电池管理系统核心控制模块的数据库中存储的电池信息(包括电池性能的所有参数)和故障代码等参数，并对其进行数据备份。同时通过USB或RJ45通信方式将对充放电时间、充电电压、报警电压等参数的设置发送到电池管理系统核心控制模块。计算机软件软件采用VC编程设计友好的人机界面，可以实现设置系统运行的各种参数；实现电池组数据的监控、数据转储和电池性能分析等功能；显示报警信息，显示有问题的电池在电池组中的位置信息。在计算机软件中输入要设置的参数，点击设置后，参数通过USB通信或是RJ45通信发送至电池管理核心控制模块；读取电池管理系统核心控制模块的数据库中电池参数信息并在动态检测模块中显示出来。

计算机控制软件根据电池管理核心控制模块的数据库中的电池历史数据，对电池的性能进行分析，包括电池健康状态和快充和慢充对电池状态的影响。

如图1、图6所示：

触摸屏显示模块通过接收自检控制模块发送的电池的状态信息和SOC估测模块的电池电量信息，将这些数据通过图形界面的反映在显示屏幕上，通过声光等方式将电池组的信息告知给驾驶者。在当SOC估测模块检测到电池电量不足时，SOC检测模块发送电量不足信息发送到自检控制模块，自检控制模块根据算法计算剩余电量和行驶的里程数，并发送信息到触摸屏驱动模块，在触摸屏上显示出来(通过文字和闪烁剩余电量的提示条)。当所有工作正常的电池单元都被标记为“绿色”，如果自检控制模块接收到一个或一组电池出现异常或故障信息，则在屏幕上显示出来：通过“黄色”表示电池状态异常；“红色”表示电池运行故障。

如图7所示：

电池健康状态实现对计算每个电池组或电池单元在不同使用次数是的SOC值，参考厂家给出的标准值判定一个电池或电池组工作的好坏。3号曲线为提供的标准状态曲线，假设当电池容量降低到15％时，也就是使用大概15到16百次的时候该电池需要更换了。如果电池在运行了15或16百次的容量指示线保持在最低电池合格容量线(即2号曲线部分)则认为该电池组或电池单元为合格的电池。如果同一批电池的容量指示线都低于厂家公布的标准容量指示线，则通过使用本系统的学习功能，重新标定标准电池容量指示线和最低电池合格容量指示线。如果关闭本发明的智能控制功能，经过试验电池的健康状态曲线明显低于标准电池健康曲线，如1号曲线所示。

本发明的应用过程说明。

如图1所示：

电池数据采集模块实时检测电池的电压，电流和温度值，并将其送到电池管理系统核心控制模块中与数据库中的温度标准值进行对比，并通过核心控制模块自动对电池组进行检测和保护。

如图2、图3和图4所示：

如果电压值超过设定的标准值范围，则首先降低电动车行驶的速度，以降低电池组的输出功率。发送命令道电池数据采集模块，使其检测电池组的每个电池单元的电压、电流值，将电池数据采集模块检测的电流、电压值发送到电池管理系统核心控制模块与数据库中的设定值对比。如果超出设定值的范围，则发送信号到异常控制模块，使过压、过流保护装置工作，将出现问题的电池单元从电池组中断路，将其隔离。

如果电池出现温度过高时，首先降低电池组的输出功率，并启动电池散热装置。发送命令到电池数据采集模块，使其分别采集每一个电池单元的温度数据，并将所有温度数据发送到电池管理系统核心控制模块与数据库中的温度标准值进行对比。当电池数据采集模块检测的温度已经高于设定值时，则发送信号到异常控制模块，使过温保护装置动作，将问题电池单元从电池组中断开。

如果内阻出现异常时，则发送命令到电池数据采集模块，使其分别采集每一个电池单元的电压，电流数据，计算出内阻值并发送到电池管理系统核心控制模块与数据库中的温度标准值进行对比。当内阻值的大小高于设定值时，则发送信号到异常控制模块，使内阻异常保护模块工作，将电池与电池组进行隔离。

如图4所示：

电池组监测模块将电池组参数采集ADC模块采集的电池组每列电池的电压，电流和温度等数据发送到自检控制模块进行逻辑判断，之后自检控制模块发送信号到异常控制模块，如果电池组出现过压、过流和过温情况，则使用过压、过流、过温保护装置控制和保护电池组工作状态。

数据库管理模块实时存储通过K线发送来的电压、电流、内阻和温度数据。SOC估测模块读取数据库管理模块中的这些数据，将SOC值的计算结果发送到自检控制模块并将结果存储在数据库管理模块中。数据库管理模块记录每次自检控制模块发现异常的信息，可以在通过USB或RJ45接口与计算机进行通信。

如图5所示：

电池组监测模块中的绝缘监测模块采集检测电池组的绝缘情况，如果自检控制模块比较电池组监测模块发送的绝缘数据异常，则发送异常信号到异常控制模块，使断开电池组的装置动作，断开整个电池组。

如图6所示：

触摸屏驱动模块将出现问题的电池单元在触摸屏上显示为黄色，并发出声音提示驾驶者关注电池出现的故障。如果该电池单元无电压和电流输出，则直接标记为红色。

Claims

1.一种智能电动车电池管理系统，其特征在于核心控制模块经K总线连接N个电池数据采集模块，核心控制模块连接充电模块、电池组监测模块和触摸屏显示系统；所述的核心控制模块有数据库管理模块、电池组监测模块、自检控制模块、异常控制模块；所述的电池数据采集模块包含有多个电池数据采集控制芯片；所述核心控制模块接车身CAN总线至车载CAN总线设备；所述核心控制模块采用usb接口或RJ45接口连接到计算机控制软件。

2.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于分为电池管理系统核心控制模块和电池数据采集模块；所述核心控制模块与电池数据采集模块采用K总线连接。

3.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于电池组监测模块中有绝缘监测模块和电池组参数采集ADC模块；所述绝缘监测模块与电池组绝缘模块连接；所述电池组参数采集ADC模块与电池组参数采集模块连接。

4.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于核心控制模块连接触摸屏显示系统；所述触摸屏显示系统与触摸屏连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于核心控制模块中的有异常控制模块、SOC估测模块；所述异常控制模块连接充电模块、断开问题电路模块和断开电池组模块；所述的SOC估测模块连接自检控制模块和数据库管理模块。

6.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于核心控制模块中的数据库管理模块有小型MySQL数据库；所述小型MySQL数据库与K总线、SOC估测模块，USB通信模块和RJ45通信模块连接；所述的数据库存放标准数据，所述的MySQL数据库存放监测到的电池数据。

7.根据权利要求1所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于有计算机控制软件；所述计算机管理软件通过USB和RJ45通信模块与数据库管理模块连接。

8.根据权利要求2所述的电池管理系统核心控制模块，其特征在于有自检控制模块；所述自检控制模块连接CAN通信模块、触摸屏驱动模块、异常控制模块和数据库管理模块。

9.根据权利3所述的一种智能电动车电池管理系统，其特征在于缘监测模块中绝缘电阻测量模块是正、负母线与电底盘之间的绝缘电阻分别为Rp、Rn，Rp、Rn两端分别经开关S1、S2并联Rc1、Rc2。