CN102263303B - 模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法 - Google Patents

模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法,通过独立的两种方式将重要的电芯电压、电流参数进行采集;充放电保护开关控制模块采用独立的两条路径传输,从而通过提供冗余大大提高系统的可靠性。此外通过同时使用参数阈值和参数梯度(单位时间变化率)作为控制状态判断依据,具有一定故障预测性;根据不同参数之间的相关性对获得的参数进行分析,具有一定容错能力;CAN总线通信使用中继和动态设定通信优先级的算法,保证故障状态迅速传递至系统主控端。模块化锂动力电池的连接扩展方式包括系统间的电气连接和通信连接。

Description

模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种动力电池及其配套电源管理,尤其是指一种模块化锂动力电池及其管理系统和管理方法。背景技术
[0002] 大功率锂动力电池具有能量密度高、充放电循环次数多、使用寿命长、温度特性好、清洁无污染的特点,现已广泛应用于电动汽车、储能电站、通信备用电源等诸多领域,并在不久的将来会取代铅酸电池,成为新一代大功率储能电池的首选。
[0003] 目前,锂电池生产厂家的产品多数是所谓的电芯,而锂电芯特别是大功率锂动力电芯在生产环节和使用过程中会产生不一致性,这种不一致性会导致由多个电芯组成的电池在充放电的使用过程中性能最弱的电芯首先达到充放电的保护条件,而往往此时从外部看,电池系统的整体指标还一切正常,若不加以控制再继续对其整体进行充放电工作,该性能最弱的电芯将很快进入故障状态,轻则导致电池工作不稳定,性能下降,重则还有可能引发爆炸、起火等严重事故。综上所述,在实际应用中,生产厂商制造的电芯是不能直接拿来组合成电池进行应用的,必须还为其搭配电池管理(BMS)系统,以保证实现对每个电芯的监测管理,从而保障整个电池系统的性能指标和可靠性,其构成的整体才能应用到各种不同的储能需求场合中。
[0004] 传统电池管理系统根据应用场合的不同,选择不同类型的电池芯进行管理方法的设计,所使用的管理方法针对特定的应用环境,可移植性差,每次设计均需要较大工作量, 系统的可靠性难以保证。
[0005] 而就电力电子行业来说,其不同于信息电子的一大特点是特别强调系统工作的可靠性。举例来说,民用计算机系统如果出现软件故障甚至出现死机,可以通过重启软件或者重启操作系统来解决,通常不会造成严重后果。而大功率的电力电子系统如果出现短暂的失控就可能造成非常严重的后果。虽然任何系统的可靠性都无法达到100%,比如在电动汽车领域,某些国内外企业的产品都曾经发上过汽车起火、爆炸等严重事故。这些严重后果的发生,与过于依赖一种方法的来保证系统的可靠性有很大关系。比如在电压检测环节,一旦电压传感器失效就可能依据错误数据做出错误的控制。发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服了上述缺陷,提供一种可适应不同应用场合中各类电芯形成的模块型单元电池,通过引入冗余来提高系统可靠性,且电压测量、温度测量、保护开关系统控制,及在重要环节引入多种采样途径及控制路径从而提高系统强壮性和可靠性的锂动力电池及应用其上的管理系统和管理方法。
[0007] 本发明的目的是这样实现的:一种模块化锂动力电池管理系统,它包括多个点温度传感器,用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并将数据传输至主控制器;
[0008] 第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块,用于为主控制器提供以CAN总线中继方式对外进行信息传输通道;
[0009] 电流传感器,用于采集电芯电流数值将数据传输至主控制器;
[0010] 电压采集模块,用于将电芯电压数值送至主控制器进行采集;
[0011] 充电均衡模块,用于连接电芯,实现同容量串联电芯的充电同步,并自适应电芯衰老带来的不一致性;所述充电均衡模块包括基于负反馈的电芯充电旁路电路单元;
[0012] 充放电保护开关控制模块,用于分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号, 在外部控制信号控制失效时,独立接收主控制器的控制信号,控制切断/联通系统与外部的电气连接;
[0013] 供电模块,用于为系统运作供电;
[0014] 用于测量系统温度场的光纤温度传感器及外测温传感器;
[0015] 主控制器,用于采集电芯的温度、电流、电压信息,通过A/D转换采集电芯总电压信息,并由CAN总线中继方式对外进行信息交互,同时可通过充放电保护开关控制模块独立控制电池系统与外部的电气通/断;
[0016] 上述多个点温度传感器、电流传感器、电压采集模块、充放电保护开关控制模块、 供电模块和第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块均接入主控制器,而供电模块、电流传感器、电压采集模块、多个点温度传感器则还连接外部电芯;上述充电均衡模块连接于外部电芯上;所述主控制器通过A/D转换与外部电芯相连;
[0017] 所述主控制器包括与中央控制器相连的温度传感器接口单元、电流传感器接口单元、第一 CAN总线驱动单元、第二CAN总线驱动单元、开关保护控制接口单元、及电压传感器, 用于采集来自电压采集模块的每个电芯电压数值后传送至中央处理器;
[0018] 工作状态指示单元,用于对外显示主控制器当下的工作状态和故障信息;
[0019] RTC时钟,为系统提供准确时间信息,并可通过CAN总线提供系统在线的时钟同步更新;
[0020] 大容量非易失性存储器,用于记录中央控制器处理的模块型锂动力电池单元的电芯信息、模块型锂动力电池单元充放电过程数据,以及系统出现异常情况发生的时刻和持续时间信息;
[0021] 上述电压传感器、工作状态指示单元、RTC时钟、大容量非易失性存储器均与中央控制器相连,电压传感器还连接电压采集模块;
[0022] 所述电芯信息包括生产厂家、出厂日期、型号以及电芯维护更换信息;
[0023] 所述异常情况包括过电流、过电压、高温、低温情况;
[0024] 中央控制器,用于获取电芯的温度、电流、电压信息,并设有A/D转换口与电芯直接相连以采集其电压信息;由CAN总线中继方式对外进行信息交互;同时根据控制算法独立控制充放电保护开关控制模块通/断系统与外部的电气连接;通过控制工作状态指示单元指示工作状态和故障信息;将信息存储于大容量非易失性存储器中。中央控制器引出有JATG 在线编程接口;[〇〇25]本发明还涉及一种基于上述系统的管理方法,它包括步骤:[〇〇26] A)、初始化,为系统设定唯一的身份ID号,并预设电池电压的上、下限值,电压误差范围值,工作温度范围值及温度和电压变化梯度关系表;[〇〇27] B)、上电自检,读取系统RTC时钟及系统ID号;
[0028] C)、通过A/D转换采集电芯总电压,与预设电池电压的上、下限值进行比较是否超限,是则跳至步骤I,否则继续步骤;
[0029] D)、读取来自电压传感器的每个电芯电压,计算其总电压,与上一步采集的电芯总电压进行比较,两者电压误差范围是否在设定的电压误差范围值内,是则继续步骤,否则跳至步骤I;
[0030] E)、依次采集多个点温度传感器的温度信息,判断是否在设定的工作温度范围值内,是则继续步骤,否则跳至步骤I;[0031 ] F)、根据温度与电压监测系统状态并形成信息数据;[〇〇32]步骤F包括一下一项或多项步骤
[0033] F1)、根据相邻电芯的温度相关性算法,查找多温度点的温度是否存在可疑数据, 是则形成警告字段,而后继续步骤;
[0034] 此处需要细化说明的是,根据不同温度测量参数之间的相关性做出控制判断可以实现一定容错能力,当电芯的测温点在电极的引出端上,由于电芯的电路连接为铜导体,具有非常好的导热性,电芯之间的距离也比较近,当一个电芯发热时,会将温度传导给相邻的测温点,温度数据间有相关性。我们利用实验室获得的相关性模型可以判断测温数据的可靠性,发现可能的错误数据,比如一个测温点的数据孤立临近测温点升高或降低,此数据可能出错,此时中央处理器将做出系统维护报警。
[0035] F2)、计算温度和电压变化梯度,对比温度和电压变化梯度关系表,查找是否存在故障,是则形成警告字段,并发送预警信息而后继续步骤;[〇〇36]此处需要细化说明的是,温度和电压变化梯度(单位时间变化率)作为控制状态判断依据是非常有效的预测控制方法,以电芯电压梯度变化举例说明,在正常情况下,放电过程单位时间电芯的电压下降值是基本平稳的,当电芯接近于放电保护下限时,单位时间电芯电压下降值明显增加,此时电芯电压还未达到放电保护阈值,但通过梯度算法可以提前预知此电芯已经接近需要保护的状态,需要加强监测防止出现故障。因此梯度算法并非简单通过参数梯度做出判断,以上例说明,因为不同的放电率也会产生不同的梯度变化,需要对连续测得的数据进行处理,计算出加权相对变化梯度才能做出正确的判断。
[0037] F3)、根据温度和电压变化梯度动态形成数据记录和数据通信间隔延时,后继续步骤;
[0038] F4)、响应高优先级通信中断申请,为其它系统提供CAN总线中继通信服务;[〇〇39] F5)、组成的完整系统可以通过光纤传感器采集到系统的温度场信息,用于与多点电芯温度数据进行对比,为控制提供冗余。
[0040] G)、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,是则继续步骤,否则将需传输数据进行一级中继传输后返回本步骤;
[0041] H)、通过电流传感器接口采集电流数据,并通过CAN总线将包括电压、电流、温度的参数信息传递至系统外控制端,而后返回步骤C;
[0042] I)、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,否则继续,是则跳至步骤K;[〇〇43] J)、向CAN总线提出中继通信申请,申告系统在整体中的拓扑位置,并报告系统ID号,传递故障信息,等待主控端响应。延时后未获响应则提高通信优先级后重发信息,直至故障信息到达系统主控端并得到响应。同时记录故障数据至非易失性存储器,然后继续步骤;
[0044] K)、向外部主控端提出保护申请,延时后如未获响应,直接向充放电保护开关控制模块发送控制信号,关断电池系统与外部电气连接,并于非易失性存储器中记录故障数据。
[0045] 本发明同时还提供了一种模块化锂动力电池,它包括多组电芯,电芯间通过串/并联连接,它还包括上述的锂动力电池管理系统,且锂动力电池管理系统与每组电芯一一对应设置。[〇〇46]相比于常见的电池、管理系统及管理方法,本发明的有益效果在于同时使用参数阈值和参数梯度(单位时间变化率)作为控制状态判断依据,具有一定故障预测性;根据不同参数之间的相关性对获得的参数进行分析,具有一定容错能力;CAN总线通信使用中继和动态设定通信优先级的算法,保证故障状态迅速传递至系统主控端。模块化锂动力电池的连接扩展方式包括系统间的电气连接和通信连接。每个模块电池的两路CAN总线分别定义为第一 CAN总线和第二CAN总线。通过独立的A/D转换及电压采集模块两种方式将重要的电芯电压进行采集、通过独立的点温度传感器和红外测温传感器对温度参数进行采集,此外充放电保护开关控制模块采用独立的两条路径传输,多条路径分别是通过CAN传递保护信号,由外部主机关断电池系统与外部系统的电气连接,如延时后发现外部主机未动作,电池系统可提供控制信号直接关断电气连接,通过上述冗余的引入从而大大提高系统的可靠性。附图说明
[0047]下面结合附图详述本发明的具体结构 [0〇48]图1为本发明系统的整体构成图;
[0049] 图2为本发明系统的细节构成图;
[0050] 图3为本发明方法的流程图;
[0051] 图4为本发明充电均衡模块电路实施例1电路结构拓扑图;
[0052] 图5为本发明充电均衡模块电路实施例2电路结构拓扑图。具体实施方式
[0053] 为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果,以下结合实施方式并配合附图详予说明。[〇〇54]请参阅图1,本发明涉及一种模块化锂动力电池管理系统(BMS),它包括用于为系统运作供电的供电模块、主控制器、多个点温度传感器(通常用胶固定在各电芯电极上)、第一CAN总线模块及第二CAN总线模块、电压采集模块(此处通常采用电压采集线束进行连接)、电流传感器(组成电池系统时每列电芯只需要一个电流传感器)、充电均衡模块和充放电保护开关控制模块。上述中,[〇〇55]第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块,用于为主控制器提供以CAN总线中继方式对外进行信息传输通道,由此系统使用双CAN总线驱动,引入CAN总线中继方式进行信息传输,达到的效果是每一路CAN总线光耦隔离的电压都限制在一个模块电池的电压范围内,大大提高了系统的可靠性。模块化锂动力电池管理系统之间可自由链接,整体可扩展性强,体现了模块化、集成化的特色,大大提高了完整系统的可用性和可靠性。
[0056]多个点温度传感器,用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并传输至主控制器。大型完整系统中还可以提供基于光纤温度传感器的系统温度场实时监测,作为各个模块系统温度检测的冗余,更大系统还使用红外测温进一步增加冗余,保证系统的安全性和可靠性。[〇〇57]电流传感器,用于采集电芯电流数值传输至主控制器。
[0058] 电压采集模块,用于将每个电芯电压数值送至主控制器上的电压传感器。
[0059] 上述温度传感器、电流传感器、电压采集模块的应用使得管理系统能够有效对电芯进行电压、电流、温度等参数实时采集,使其可根据相关参数对系统控制,同时通过控制软件计算分析各参数的变化梯度和参数之间的相关性,及时发现潜在的故障状态,并有一定发现错误参数数据的容错能力。
[0060] 充电均衡模块,用于连接电芯,实现同容量串联电芯的充电同步,并具有自适应电芯的衰老产生的不一致性的能力,此处实施例中,充电均衡模块包括基于负反馈的电芯充电旁路电路单元,当电池芯的电压达到设定值,旁路电路开始工作,并随着电池芯电压的升高,不断增加旁路电流。如果串联电池芯的容量相同,而由于某种原因造成所充电量不相同 (比如更换电池芯后的不平衡状态),这种平衡电路通过若干次充放电循环即可实现各串联电池芯达到同步平衡的状态,使电池系统的性能得到充分发挥。自适应均衡充电功能也可以在系统出现较小不平衡时(通常由于电芯的衰老产生)防止这种不平衡随着充放电多次循环而累积,减少系统离线维护的工作量。当某个电池芯的容量下降时,每次充电过程在其充满电的前提下可以继续为与其串联的电池芯充电到接近满电状态,而不会损坏低容量电池芯。这样做的好处是在不得不更换低容量电池芯之前,虽然系统的性能也有所下降(因为放电保护逻辑是根据最小容量的电池芯达到放电保护电压动作的),但是性能好的电池芯在系统放电保护电路动作时的剩余电量较多,而在系统充电保护电路动作时更接近充满电状态,这样会延长性能好的电池芯的使用寿命。因此通过上述负反馈原理可使得本系统实现同容量串联电池芯的充电同步,对于电池芯的衰老有一定自适应的能力,保障安全的前提下最大限度发挥电池系统的性能。参见图4、图5为充电均衡模块的两种实施例电路拓扑结构,此处需要指出的是,本发明专利自适应均衡充电电路的拓扑结构不限于上述实施例的两种,其它符合此设计思想的电路拓扑结构也应在本专利保护范围内。
[0061] 充放电保护开关控制模块,采取双信号控制,信号分别由系统内主控制器中的开关保护控制接口单元和系统外部控制主机进行联合控制,控制信号的逻辑关系为“开通与、 关断或”。可分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号,在外部控制信号控制失效时, 独立接收主控制器的控制信号,控制切断/联通系统与外部的电气连接。这样如果电池系统已经发现故障并通过通信系统向外部报警申请关断电气连接(包括充、放电过程)时,如果发现外部控制机构未能及时响应关断电池系统与外部电路的电气连接,电池系统可单独提供控制信号至开关系统切断电池系统与外部的电气连接,保证系统的安全可靠。双信号控制的冗余引入可大大提高系统的可靠性。
[0062] 主控制器是用于完成采集电芯的温度、电流、电压信息;通过A/D转换采集电芯电压信息;由CAN总线中继方式对外进行信息交互;传递故障信息,如作为电池系统的主控机, 可在外部控制失效时独立控制充放电保护开关控制模块,实现电池系统与外部系统电气连接的通/断的工作。其具体构成参见图2,包括有:
[0063] 与多个点温度传感器对应的温度传感器接口单元;
[0064] 与电流传感器对应的电流传感器接口单元;
[0065] 与第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块对应的第一 CAN总线驱动单元、第二CAN总线驱动单元;
[0066] 及与充放电保护开关控制模块对应的开关保护控制接口单元,此外还包括:[〇〇67]电压传感器,用于采集来自电压采集模块的每个电芯电压数值后传送至中央处理器;[〇〇68]工作状态指示单元,用于对外显示主控制器当下的工作状态和故障信息;
[0069] RTC时钟,为系统提供准确时间,并可进行在线的时钟同步更新;
[0070] 大容量非易失性存储器,用于记录中央控制器处理的模块型锂动力电池单元的电芯信息(例如电芯的生产厂家、出厂日期、型号以及电芯维护更换信息等)、模块型锂动力电池单元充放电过程数据,以及系统出现异常情况(例如过电流、过电压、高温、低温情况等) 发生的时刻和持续时间信息,由此,通过大容量非易失存储器中记录的电芯在整个工作寿命中的每次充放电过程数据,以及系统出现过电流、过电压、高温、低温等情况发生的时刻和持续时间,可为系统离线分析和改进设计提供数据支撑,实现类似于“黑匣子”的功能,通过记录电池芯的健康指标,还可实现电芯寿命的预测。[0071 ]中央控制器,用于获取电芯的温度、电流、电压信息;其设有A/D转换口与电芯直接相连以采集其电压信息;其可通过CAN总线中继方式对外进行信息交互;可控制充放电保护开关控制模块实现电池系统与外部系统的电气通/断;驱动工作状态指示单元指示工作状态和故障信息,及将信息存储于大容量非易失性存储器中,此外主控制器引出有JATG在线编程接口,以方便程序的实时更新录入。[〇〇72]本发明还涉及一种基于上述模块化锂动力电池管理系统(BMS)的一种管理方法, 参见图3,它包括步骤:[〇〇73] A)、初始化,为系统设定唯一的身份ID号,并根据程序预设电池电压的上、下限值,电压误差范围值,工作温度范围值及温度和电压变化梯度关系表。[〇〇74] B)、上电自检,读取系统RTC时钟及系统ID号。
[0075] C)、通过A/D转换采集电芯总电压,与预设电池电压的上、下限值进行比较是否超限,是则跳至步骤I,否则继续步骤。
[0076] D)、读取来自电压传感器的每个电芯电压,计算电池芯总电压,与上一步采集的电芯总电压进行比较,两者电压误差范围是否在设定的电压误差范围值内,是则继续步骤,否则跳至步骤I。[〇〇77] 此上两步中,电压传感器芯片将每一串联电芯电压采集后传输给中央处理器,同时中央处理器的高精度A/D转换会采集电芯的总电压,与电压传感器提供的电芯电压的和进行比对,一旦发现数据超出规定误差范围,即通过CAN总线向主控端提出故障报警,在故障解除前,以两个数据中较不利的测量结果(充电时的较高电压值和放电时的较低电压值) 作为控制参数提供系统的保护控制。在故障排除前,这样有可能选择错误的数据作为控制依据,其结果是系统本来工作正常,但是控制信号限制了系统部分正常性能的发挥,但是也可能选择了正确的数据作为控制依据,此时则可能避免了一次严重的事故发生。显然这种控制方法对提高系统可靠性是非常有意义的,因为误报警的后果并不严重而且易于消除, 而漏报警可能产生灾难性的后果。
[0078] E)、依次采集多个点温度传感器的温度信息,判断是否在设定的工作温度范围值内,是则继续步骤,否则跳至步骤I。
[0079] 因为电芯在工作状态特别是故障及其临界状态与温度的相关性非常高,准确可靠的温度测量对保证系统的可靠性至关重要。此步骤中通过对系统每个温度采样点的实时测温来提供必要的温度阈值和温度梯度计算数据,同时在组成大系统时,还通过光纤温度传感器对整个系统的温度场进行实时测量,所获得的数据与点温度数据进行对比、分析、判另IJ,在组成电站储能等特大锂电池系统时,还会使用红外探测方式进行系统高温点测温报警,这些冗余的引入可以大大提供系统的可靠性,足以保证避免灾难性事故的发生。
[0080] F)、根据温度与电压监测系统状态并形成信息数据;包括以下一项或多项步骤:
[0081] F1)、根据相邻电芯的温度相关性算法,查找多温度点的温度是否存在可疑数据, 是则形成警告字段,而后继续步骤;
[0082] F2)、计算温度和电压变化梯度,对比温度和电压变化梯度关系表,查找是否存在故障,是则形成警告字段,并发送预警信息而后继续步骤;
[0083] F3)、根据温度和电压变化梯度动态形成数据记录和数据通信间隔延时,后继续步骤;
[0084] F4)、响应高优先级通信中断申请,为其它系统提供CAN总线中继通信服务;[〇〇85] F5)、组成的完整系统可以通过光纤传感器采集到系统的温度场信息,用于与多点电芯温度数据进行对比,为控制提供冗余。
[0086] G)、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,是则继续步骤,否则将需传输数据进行一级中继传输后返回本步骤,此时数据已传递至上一级主机,后续步骤在上一级主机内完成。
[0087] H)、通过电流传感器接口采集电流数据,并通过CAN总线将所有参数信息(如:电压、电流、温度)传递至系统外控制端,而后返回步骤C。
[0088] I)、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,否则继续,是则跳至步骤K。[〇〇89] J)、向CAN总线提出中继通信申请,申告系统在整体中的拓扑位置,并报告系统ID号,传递故障信息,等待主控端响应;延时后未获响应则提高通信优先级后重发信息,直至故障信息到达系统主控端并得到响应;同时记录故障数据至非易失性存储器,然后继续步骤。
[0090] K)、向外部主控端提出保护申请,延时后如未获响应,直接向充放电保护开关控制模块发送控制信号,关断电池系统与外部电气连接,并于非易失性存储器中记录故障数据。
[0091] 本发明还涉及一种锂动力电池,其整体包括有多个串、并联在一起组成的模块化锂动力电芯及用于控制电芯的本发明提供的模块化锂动力电池管理系统(BMS),模块化锂动力电池管理系统(BMS)与每组电芯-对应设置。
[0092] 其中每个模块化锂动力电池使用唯一ID号,不可改变,系统外部使用无源电子标签提供无线读取ID方式;每个模块化锂动力电池管理系统(BMS)自带RTC时钟,并可进行在线时钟同步更新;每个模块化锂动力电池管理系统(BMS)内部大容量非易失性存储器记录自身的电芯信息,包括生产厂家、出厂日期、型号等等,以及电池芯维护更换信息等重要运行信息。出厂后模块化锂动力电池管理系统(BMS)主控制器的中央处理器可通过JATG 口进行程序固件在线编程更新,使用新版的控制固件完善控制算法,但不可改变系统ID;系统全寿命的重要工作数据保存在大容量非易失性存储器内,可通过CAN总线进行外部读取。 [〇〇93] 一个模块化锂动力电池的电池管理系统(BMS)系统会作为系统控制主机(由其在系统中的位置唯一确定,即与外部系统CAN总线相连的为控制主机),锂动力电池模块之间的通信通过CAN总线连接完成,锂动力电池串联级间通过CAN总线中继连接,保证每一 CAN总线级间的绝对电位差控制在较小范围,大大提高系统的可靠性和安全性。[〇〇94]此外,上述对于模块化锂动力电芯的电气连接方法均适用本管理系统,常见的电气连接方式有以下几种:1、单列串联;2、单行并联;3、多列分别串联后以列为单位进行并联 (单元行间除了每列的首尾没有并联);4、行并联后以行为单位进行多行串联。具体应用方法如下:
[0095] 1、单列串联,适合较小电流、较高电压的场合,此时通信连接方式为每个串联模块化锂动力电池的两路CAN总线,其中第一CAN总线与和其串联的前一个模块化锂动力电池 (串联后电位高的一个)的第二CAN总线相连,而其第二CAN总线则与和其串联的后一个模块化锂动力电池(串联后电位低的一个)的第一CAN总线相连,这样按照规则连接下去,通过 CAN总线中继进行通信。最前面的一个模块化锂动力电池(电位最高的单元)的第一 CAN总线作为系统的输出与系统外部的CAN总线相连进行通信。这样做的目的是每一路CAN总线的光耦隔离电压都被限制在一个模块化锂动力电池的输出电压值以内,可大幅提高高电压系统的可靠性。
[0096] 2、单行并联,适合较低电压、较大电流的场合,此时通信连接方式为每个模块化锂动力电池的第二CAN总线都连到一起,第一个单元的第一 CAN总线与系统外部的CAN总线相连进行通信。
[0097] 3、多列并联,该方式可以方便的提供每个模块化锂动力电池的在线电压故障检测,多行串联方式可以得到较好的充放电均衡性,用户可根据具体要求进行评估选择合适的电气连接方式。这两种电气连接方式的通信连接方式是一样的,每行所有模块化锂动力电池的第二CAN总线都连到一起,每行第一列模块化锂动力电池的第一 CAN总线与前一行各模块化锂动力电池的第二CAN总线连到一起,最前面一行(电位最高的行)第一列模块化锂动力电池的第一 CAN总线与系统外部的CAN总线相连进行通信。
[0098] 以上多种连接方式均适用本系统,本系统的涉及伊始即考虑到了不同用户的应用需求。
[0099] 以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种模块化锂动力电池管理系统,其特征在于:它包括多个点温度传感器,用于对电芯中多处温度采样点进行实时测温并将数据传输至主控 制器;第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块,用于为主控制器提供以CAN总线中继方式对外 进行信息传输通道,模块化锂动力电池之间的通信通过CAN总线连接完成,模块化锂动力电 池串联级间通过CAN总线中继连接,使每一路CAN总线光耦隔离的电压都限制在一个模块化 锂动力电池的电压范围内;电流传感器,用于采集电芯电流数值将数据传输至主控制器;电压采集模块,用于将电芯电压数值送至主控制器进行采集;充电均衡模块,用于连接电芯,包括基于负反馈的电芯充电旁路电路单元,实现同容量 串联电芯的充电同步,并自适应电芯衰老带来的不一致性;充放电保护开关控制模块,用于分别接收来自主控制器及外部控制的控制信号,在外 部控制信号控制失效时,独立接收主控制器的控制信号,控制切断/联通系统与外部的电气 连接;供电模块,用于为系统运作供电;主控制器,用于采集电芯的温度、电流、电压信息,通过A/D转换采集电芯总电压信息, 并由CAN总线中继方式对外进行信息交互,同时通过充放电保护开关控制模块独立控制电 池系统与外部的电气通/断;上述多个点温度传感器、电流传感器、电压采集模块、充放电保护开关控制模块、供电 模块和第一 CAN总线模块及第二CAN总线模块均接入主控制器,而供电模块、电流传感器、电 压采集模块、多个点温度传感器则还连接外部电芯;上述充电均衡模块连接于外部电芯上; 所述主控制器通过A/D转换与外部电芯相连。
2.如权利要求1所述的锂动力电池管理系统,其特征在于:所述主控制器包括电压传感器,用于采集来自电压采集模块的每个电芯电压数值后传送至中央处理器;工作状态指示单元,用于对外显示主控制器当下的工作状态和故障信息;RTC时钟,为系统提供准确时间信息,并通过CAN总线提供系统在线的时钟同步更新;大容量非易失性存储器,用于记录中央控制器处理的模块化锂动力电池单元的电芯信 息、模块型锂动力电池单元充放电过程数据,以及系统出现异常情况发生的时刻和持续时 间信息;中央控制器,用于获取电芯的温度、电流、电压信息,并设有A/D转换口与电芯直接相连 以采集其电压信息;由CAN总线中继方式对外进行信息交互;同时根据控制算法独立控制充 放电保护开关控制模块通/断系统与外部的电气连接;通过控制工作状态指示单元指示工 作状态和故障信息;将信息存储于大容量非易失性存储器中;上述电压传感器、工作状态指示单元、RTC时钟、大容量非易失性存储器均与中央控制 器相连,电压传感器还连接电压采集模块。
3.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统,其特征在于:所述电芯信息包括生产厂 家、出厂日期、型号以及电芯维护更换信息。
4.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统,其特征在于:所述异常情况包括过电流、 过电压、高温或低温情况。
5.如权利要求2所述的锂动力电池管理系统,其特征在于:所述主控制器还包括与中央 控制器相连的温度传感器接口单元、电流传感器接口单元、第一 CAN总线驱动单元、第二CAN 总线驱动单元及开关保护控制接口单元,同时中央控制器引出有JATG在线编程接口。
6.如权利要求1所述的锂动力电池管理系统,其特征在于:所述系统还包括有用于测量 系统温度场的光纤温度传感器及外测温传感器。
7.—种基于权利要求1系统的管理方法,其特征在于:它包括步骤A) 、初始化,为系统设定唯一的身份ID号,并预设电池电压的上、下限值,电压误差范围 值,工作温度范围值及温度和电压变化梯度关系表;B) 、上电自检,读取系统RTC时钟及系统ID号;C) 、通过A/D转换采集电芯总电压,与预设电池电压的上、下限值进行比较是否超限,是 则跳至步骤I,否则继续步骤;D) 、读取来自电压传感器的每个电芯电压,计算其总电压,与上一步采集的电芯总电压 进行比较,两者电压误差范围是否在设定的电压误差范围值内,是则继续步骤,否则跳至步 骤I;E) 、依次采集多个点温度传感器的温度信息,判断是否在设定的工作温度范围值内,是 则继续步骤,否则跳至步骤I;F) 、根据温度与电压监测系统状态并形成信息数据;G) 、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,是则继续步骤,否则将 需传输数据进行一级中继传输后返回本步骤;H) 、通过电流传感器接口采集电流数据,并通过CAN总线将包括电压、电流、温度的参数 信息传递至系统外控制端,而后返回步骤C;I) 、判断是否为系统控制主机,即系统是否与外部CAN总线相连,否则继续,是则跳至步骤K;J) 、向CAN总线提出中继通信申请,申告系统在整体中的拓扑位置,并报告系统ID号,传 递故障信息,等待主控端响应;延时后未获响应则提高通信优先级后重发信息,直至故障信 息到达系统主控端并得到响应;同时记录故障数据至非易失性存储器,然后继续步骤;K) 、向外部主控端提出保护申请,延时后如未获响应,直接向充放电保护开关控制模块 发送控制信号,关断电池系统与外部电气连接,并于非易失性存储器中记录故障数据。
8.如权利要求7所述的管理方法,其特征在于:所述步骤F包括以下一项或多项步骤 F1)、根据相邻电芯的温度相关性算法,查找多温度点的温度是否存在可疑数据,是则形成警告字段,而后继续步骤;F2)、计算温度和电压变化梯度,对比温度和电压变化梯度关系表,查找是否存在故障, 是则形成警告字段,并发送预警信息而后继续步骤;F3)、根据温度和电压变化梯度动态形成数据记录和数据通信间隔延时,而后继续步 骤;F4)、响应高优先级通信中断申请,为其它系统提供CAN总线中继通信服务;F5)、组成的完整系统通过光纤传感器采集到系统的温度场信息,用于与多点电芯温度 数据进行对比,为控制提供冗余。
9.一种模块化锂动力电池,它包括多组电芯,电芯间通过串/并联连接,其特征在于:它还包括如权利要求1所述特征的锂动力电池管理系统,且锂动力电池管理系统与每组电芯——对应设置。
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