CN102263428A - 基于三层can网络及自供电特征的分布式电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统，该系统主要包括BMS主控模块、电压-温度检测模块、高压管理模块、绝缘检测模块、电流检测模块、1套BMS外部接口，其特点是：BMS主控模块中的主控制器内置有三层CAN通讯模块是由BMS主控模块中的主控制器通过总线控制扩展而来，BMS主控模块分别通过三层CAN通讯模块与整车控制器、电压-温度检测模块、充电机进行数据通讯。本发明采用三层CAN网络结构，提高了电池管理系统通讯的可靠性和稳定性，从而提高了电池管理系统的效率；采用电压-电流采集板的自供电技术，降低了电池管理系统的功耗并简化了系统布线；高压管理模块采用预上电方法，减少了对车载负载和电池包的冲击。

Description

基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种用于电动汽车电池管理系统。具体的说是一种基于三层CAN网络及自供电的分布式电池管理系统。
背景技术
面对传统燃油汽车尾气排放的污染所引发的环境问题，电动汽车以其良好的环保、节能特性，成为当今国际汽车发展的潮流和热点之一，电池是电动汽车的重要组成部份，而作为对电池性能起着关键作用的电池管理系统已经被许多政府、汽车企业及相关行业的科研机构重视并进行研究开发和推广应用。
目前，人们在增加电池使用寿命，提高电池效率，充分发挥电池性能方面都做出了重要努力，逐步完善并提高了电池管理系统稳定性和实用性。检测方面，提高了电压、温度及电流的测量精度；数据通讯方面，配备了齐全的通信接口，可以将电池的信息发送给整车控制器，显示界面；可靠性方面，结合现代大规模集成电路技术，提高系统运行的抗干扰能力。安全保护方面，在电池组过压、过流、过冲、过放等情况下了采取了各种保护措施，提高了电池管理系统的使用安全性。
总体来讲，在近些年来，电池管理系统技术有了很大的提高，许多方面已经进入实际应用阶段，但有些部分仍然不够完善，还不是很成熟，尤其是在整个通讯网络大量数据的收发的可靠性和稳定性、高压管理的安全性等方面都有待进一步改进和提高，自供电技术实现的低功耗采集板在电池管理系统中的设计及应用没有涉及。
发明内容：
本发明的目的是提供一种通讯稳定性高、高压管理可靠性高、采用自供电实现低功耗的基于三层CAN网络分布式及自供电特征的电池管理系统，以克服现有技术的不足。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统，该系统主要包括BMS主控模块、电压-温度检测模块、高压管理模块、绝缘检测模块、电流检测模块、标准充电接口，高压输出接口、整车通讯接口、车载低压电源接口，1套BMS外部接口(标准充电接口：高压充电接口08、充电通讯接口11、低压辅助电源接口12、充电连接确认和底盘地接口14；高压输出接口09；整车通讯接口10；车载低压电源接口13)。其特点是：BMS主控模块中的主控制器内置有第一CAN通讯模块CAN1和第二CAN通讯模块CAN2，还有一个第三CAN通讯模块CAN3是由BMS主控模块中的主控制器通过总线控制扩展而来，BMS主控模块分别通过第一CAN通讯模块CAN1、第二CAN通讯模块CAN2和第三CAN通讯模块CAN3与整车控制器、电压-温度检测模块、充电机进行数据通讯。
所述高压管理模块在电池充电、上电和下电三种不同工作模式下，采用不同的控制策略，通过I/O输出单元控制电池充电、上电和断电，具体为：
在充电模式下，标准充电接口与充电机的对应接口相连接，当BMS主控模块与充电机握手成功后，首先进行充电参数的配置，然后向高压管理模块发出充电执行指令，高压管理模块启动I/O输出单元控制充电机给电池进行充电；
在上电模式下，电池输出接口、整车通讯接口、车载低压电源接口与整车对应的接口相连接，BMS主控模块接入车载低压电源且自检无故障后，当BMS主控模块接收到第一CAN通讯模块CAN1网上的高压电上电指令后，高压管理模块启动I/O输出单元完成上电过程；
在断电模式下，当BMS主控模块接收到第一CAN通讯模块CAN1网上的高压电断电指令后，首先检测高压母线电流，当高压母线电流小于可断电安全电流值1A时，向高压管理模块发出断电执行指令，高压管理模块启动I/O输出单元完成断电过程。
所述电压-温度检测模块由M块电压-温度采集板组成，每块电压-温度采集板由单片机、电压采集单元、温度采集单元、自供电单元、CAN通信单元五部分组成，其中：
电压采集单元由单片机、译码器、光耦继电器组、差分放大电路、滤波及保护电路、A/D转换芯片、A/D电压基准组成，单片机通过I/O口控制译码器选通和译码，译码器的输出作为光耦继电器的选通信号，电压采集单元具有15路电压采集通道；
电压-温度采集板的初始状态为低功耗模式，该模式下单片机处于休眠状态，电压采集单元和温度采集单元处于关闭不工作状态。当单片机接收到第三CAN通讯模块CAN3网上的激活指令后，单片机被唤醒，电压-温度采集板进入工作模式；
自供电单元由宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器、继电器S、二极管D、5V纽扣电池组成，在低功耗模式下，单片机通过I/O口控制自供电单元的继电器S断开，宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器不工作，自供电单元接入5V纽扣电池给电压-温度采集板供电；在工作模式下，单片机通过I/O口控制继电器S闭合，启动宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器给电压-温度采集板供电。
本发明与现有的电池管理系统相比具有以下优点：
(1)采用三层CAN网络结构，整个电池管理系统在大量数据的收发的可靠性、稳定性上有了很大的提高，从而提高了电池管理系统的效率。
(2)采用电压-电流采集模块的自供电方法，提高了系统的集成度，减少了低压电源布线的繁琐，降低了电池管理系统的功耗。
(3)高压管理模块在高压上电过程中采用预上电方法，降低了高压接入瞬间产生的极大的峰值电流，减少了对车载负载和电池包的冲击。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明的主控制器与外围电路的结构示意图。
图3是本发明的系统工作状态切换图。
图4是本发明的电压-电流采集模块结构示意图。
图5是本发明的自供电单元的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明和阐述。
如图1所示，一种基于三层CAN网络分布式的电池管理系统，系统主要由三层CAN网络、BMS主控模块01、电压-温度检测模块02、高压管理模块03、绝缘检测模块04、电流检测模块05、1套BMS外部接口(标准充电接口：高压充电接口08、充电通讯接口11、低压辅助电源接口12、充电连接确认和底盘地接口14；高压输出接口09；整车通讯接口10；车载低压电源接口13)。
本发明绝缘检测模块04检测高压正负极与车底盘的绝缘电阻，在电池管理系统上电后，定时进行绝缘电阻的检测，并将绝缘等级分为三个级别：低于100Ω/V表示绝缘等级差，介于100Ω/V和500Ω/V之间表示绝缘等级良，大于500Ω/V表示绝缘等级优。从而，可以得出电池组的绝缘状况等级，并将绝缘等级状况放在控制策略中。
如图2所示，本发明BMS主控模块包括：中央控制器MCU1，与中央控制器MCU1相连接的有：通信模块CAN1、CAN2、CAN3；RS-485及RS-232；报警电路；时钟电路；FRAM存储单元；LCD显示电路；开关量输出等。
如图3所示，本发明高压管理模块在电池充电、上电和下电三种不同工作模式下，采用不同的控制策略，通过I/O输出单元控制充电接触器KM1、负极接触器KM2、负载接触器KM3、预上电接触器KM4的通断。
在充电模式下，标准充电接口与充电机的对应接口相连接，当BMS主控模块与充电机握手成功后，首先进行充电参数的配置，然后向高压管理模块发出充电执行指令，高压管理模块启动I/O输出单元控制负极接触器KM2、充电接触器KM1闭合，充电机给电池进行充电。在充电过程中，BMS主控模块主控制器通过CAN2实时地和充电机进行信息交互，控制充电电流、充电电压的大小，并通过CAN 3将底层检测模块发上来的单片电池电压、高压母线电流、电池温度、绝缘等级状况等数据进行处理并在LCD上显示出来，保证充电过程的安全。
若在充电过程中，若单片电池电压、高压母线电流、电池温度不正常或检测到高压母线与车底盘的绝缘电阻低于100Ω/V，BMS主控模块主控制器通过高压管理模块立即切断充电接触器KM1及负极接触器KM2并发出报警，并将报警信息通过CAN1发至整车控制器。
在充电时，为了不使充电机的低压辅助电源对车载低压电源产生影响，车载低压电源接口和低压辅助电源之间接一个二极管D1。
在上电模式下，高压输出接口9、整车通讯接口10、车载低压电源接口13与整车对应的接口相连接，BMS主控模块接入车载低压电源且自检无故障后，当BMS主控模块接收到CAN1网上的高压电上电指令后，高压管理模块启动I/O输出单元先接通负极接触器KM2，延时100mS接通预上电接触器KM4，在500mS秒内完成预充电过程后，接通负载接触器KM3，延时100mS断开预充电接触器KM4，完成上电过程。
若在上电过程中，预上电时间过长，或检测到高压母线与车底盘的绝缘电阻低于100Ω/V，BMS主控制器立即切断充电接触器KM1及负极接触器KM2并发出报警，BMS主控制器将报警信息通过CAN1发至整车，从而保证整个上电过程的安全。
在断电模式下，当BMS主控模块接收到CAN1网上的高压电断电指令后，首先检测高压母线电流，当高压母线电流小于可断电安全电流值1A时，向高压管理模块发出断电执行指令关断负载接触器KM3及负极接触器KM2；如果超过10秒，高压母线电流仍然大于1A，BMS主控模块通过高压管理模块主动切断负载接触器KM3及负极接触器KM2，并记录故障。同时保持车载低压电源接通，完成相关数据存储后，电池管理系统退出电源自保持模式。
如图4和图5所示，本发明电压-温度检测模块由M块电压-温度采集板组成，每块电压-温度采集板由单片机、电压采集单元、温度采集单元、自供电单元、CAN通信单元五部分组成。
电压采集单元由单片机MCU2(201)、译码器(202)、差分放大电路(203)、滤波及保护电路(204)、A/D转换电路(205)、A/D基准电压(206)、光耦继电器组(209)等组成。电压采集板采用巡检的方式进行电压采集，MCU2通过I/O口控制译码器的选通及译码，译码器的输出作为光耦继电器的选通信号，电压采集单元可采集15路电压数据。
温度采集单元选用DS18B20(312)作为温度检测元件，该温度传感器不需要额外的A/D转换电路，直接将温度值转换成数字量输出给中央控制芯片MCU2(301)。将每15路电池组作为温度检测的区域，当检测到的温度高于设定值时，BMS主控制器启动风扇对电池进行降温，直到该区域的温度低于设定值时，停止风机。
电压、温度数据通过CAN3发送给BMS主控模块并在LCD显示出来。
自供电单元由宽范围输入DC/DC电源变换器(210)、继电器S、二极管D、备用电源(211)等组成。
电压-温度采集板的初始状态为低功耗模式。在低功耗模式下，单片机发出I/O控制指令使自供电单元的继电器S断开，宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器不工作，自供电单元接入5V纽扣电池给电压-温度采集板供电。单片机处于休眠状态，电压采集单元和温度采集单元处于关闭不工作状态。当单片机接收到CAN3网上的激活指令后，单片机被唤醒，单片机发出I/O控制指令使自供电单元的继电器S闭合，启动宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器给电压-温度采集板供电。电压-温度采集板进入工作模式。电压-温度采集板通过CAN3的进行数据发送。
在备用电源的正极端接接了一个二极管D2，避免继电器S闭合时，对备用电源产生冲击。
CAN通讯单元由光电隔离及总线驱动器PCA82C250(305)、拨码开关(306)等组成。每块电压-温度采集板都有自己的ID号，ID号通过拨码开关来设置。
最后说明，本发明的上述实施仅用于说明本发明的技术方案，一切不脱离本发明的精神与原理的情形下进行的修改和替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统，该系统主要包括BMS主控模块、电压-温度检测模块、高压管理模块、绝缘检测模块、电流检测模块、1套BMS外部接口，其中BMS外部接口包括
标准充电接口：高压充电接口08、充电通讯接口11、低压辅助电源接口12、充电连接确认和底盘地接口14；
高压输出接口09；整车通讯接口10；车载低压电源接口13，
其特征在于：BMS主控模块中的主控制器内置有第一CAN通讯模块CAN1和第二CAN通讯模块CAN2，还有一个第三CAN通讯模块CAN3是由BMS主控模块中的主控制器通过总线控制扩展而来，BMS主控模块分别通过第一CAN通讯模块CAN1、第二CAN通讯模块CAN2和第三CAN通讯模块CAN3与整车控制器、电压-温度检测模块、充电机进行数据通讯。
2.根据权利要求1所述的一种基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统，其特征在于：所述高压管理模块在电池充电、上电和下电三种不同工作模式下，采用不同的控制策略，通过I/O输出单元控制电池充电、上电和断电，具体为：
在充电模式下，标准充电接口与充电机的对应接口相连接，当BMS主控模块与充电机握手成功后，首先进行充电参数的配置，然后向高压管理模块发出充电执行指令，高压管理模块启动I/O输出单元控制充电机给电池进行充电；
在上电模式下，电池输出接口、整车通讯接口、车载低压电源接口与整车对应的接口相连接，BMS主控模块接入车载低压电源且自检无故障后，当BMS主控模块接收到第一CAN通讯模块CAN1网上的高压电上电指令后，高压管理模块启动I/O输出单元完成上电过程；
在断电模式下，当BMS主控模块接收到第一CAN通讯模块CAN1网上的高压电断电指令后，首先检测高压母线电流，当高压母线电流小于可断电安全电流值1A时，向高压管理模块发出断电执行指令，高压管理模块启动I/O输出单元完成断电过程。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于三层CAN网络及自供电特征的分布式电池管理系统，其特征在于：所述电压-温度检测模块由M块电压-温度采集板组成，每块电压-温度采集板由单片机、电压采集单元、温度采集单元、自供电单元、CAN通信单元五部分组成，其中：
电压采集单元由单片机、译码器、光耦继电器组、差分放大电路、滤波及保护电路、A/D转换芯片、A/D电压基准组成，单片机通过I/O口控制译码器选通和译码，译码器的输出作为光耦继电器的选通信号，电压采集单元具有15路电压采集通道；
电压-温度采集板的初始状态为低功耗模式，该模式下单片机处于休眠状态，电压采集单元和温度采集单元处于关闭不工作状态。当单片机接收到第三CAN通讯模块CAN3网上的激活指令后，单片机被唤醒，电压-温度采集板进入工作模式；
自供电单元由宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器、继电器S、二极管D、5V纽扣电池组成。在低功耗模式下，单片机通过I/O口控制自供电单元的继电器S断开，宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器不工作，自供电单元接入5V纽扣电池给电压-温度采集板供电；在工作模式下，单片机通过I/O口控制继电器S闭合，启动宽范围输入5V输出DC/DC电源变换器给电压-温度采集板供电。
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