CN102355015A - 一种电动汽车分布式电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种分布式电池管理系统，由以下两个子系统组成：主控制系统和电池监控系统。主控制系统模块组成为：微处理模块、继电器控制及诊断模块、握手信号收发模块、CAN收发器模块、非挥发记忆模块及无线通信模块。电池监控系统包括电池组和电池监测模块。该系统能通过分布各个电池上的电池监控模块对电池进行电压、温度等状态采集，又能够对状态差异大的电池组进行均衡控制，提高整个电池系统的一致性和安全性，系统中的无线通信功能有效隔离了高压系统与低压系统的物理连接，同时提高主控系统的可靠性。电池系统状态可以得到精确监控并充分发挥电池系统的性能，并保障电池系统安全可靠的运行。

Description

一种电动汽车分布式电池管理系统

技术领域

本发明属于新能源汽车电池系统领域，尤其涉及一种分布式电池管理架构。

背景技术

进入21世纪，能源急剧下降，汽车作为石油消耗大户，电池成为替代燃料最为有效的方式之一。目前运用在汽车上的电池各式各样（铅酸、锂、镍氢电池等），更好运用电池就需要优秀的电池管理系统，目前，电池管理系统应用广泛，它能够实时掌握电池运行状态信息，并进行控制调节，使得电池放电安全得到保证。同时，电池管理系统能够检测电压电流和温度等指标，计算其容量，并实时传输给其他控制系统，配合其他系统安全可靠运行。

在已有专利中也有很多对于电池管理方面的发明，例如名为“一种纯电动汽车用动力电池管理系统”的专利（专利号为200820215954.4），通过单体电池箱采集到的温度、电压数据传输到主控制单元中，总体电池箱主用计算相互串联电池的充放电总电流和总电压，并传输到主控制单元。通过对于预先设定的相关参数，然后将各个单体电池状态信息通过内部CAN总线通信输出到汽车显示仪表上。

在名为“电池管理系统及电池管理方法”的专利（专利号为200710147761.X）中，利用多个电池组串联，并在每个单体电池串联一个继电器开关，在至少一个电池供电时产生的电池电压和通过3触点继电器与辅助电源产生的第一电压，同时电压检测器产生与第一电压相应的第二电压进行对比得到有效增益。在下一次电池供电将启动和停车时计算的有效增益与先前停止时计算的有效增益作比较，通过判断两个数的一致性，得出电池系统是否正常工作。

在已有的技术中，关于电池管理系统的技术仍存在以下几方面的缺点：

一： 对电池管理系统高压和低压部分的绝缘设计不够完善，车载电池电压较高，能否做到真正意义上的绝缘对于整体运行具有十分重要的意义：

二:  目前在电池与主控芯片的通信大多采取物理直接相连方式，这将引入高压安全和高压电磁干扰等设计问题，影响电池状态监控。

发明内容

本发明为了解决以上问题，提出一种分布式电池管理系统，对系统内电池实时进行检测控制。

本发明具体采用以下技术方案。

一种电动汽车分布式电池管理系统，所述电池管理系统由主控制系统和电池监控系统组成；其特征在于：

所述电池监控系统由各个电池组及相应的监控模块组成，其中各电池组相互串联组成整车的用电电源；每一监控模块由相应的电池组直接供电，完成对相应电池组的电压、温度检测，并通过无线通信传输将采集的相应电池组的电压、温度信号传输到主控制系统；

主控制系统主要由电源模块、微处理模块、继电器控制及诊断模块、握手收发模块、主控系统的无线通信模块、非挥发记忆模块和CAN收发器模块组成；

所述电源模块与主控制系统中的其它模块相连，为所述的其它模块提供工作电压；

继电器控制及诊断模块与微处理模块相连，接收微处理模块的控制信号，通过控制高压继电器关断来决定是否允许电池组对外供电，并将电池组充放电关合信号上传至所述微处理模块；

非挥发性记忆模块与微处理模块相连，用于记录所述主控制系统的状态信息进行非易失性存储，所述状态信息包括电池电压、电流、温度、SOC\SOH（荷电状态\健康状态）状态等；

主控制系统的无线通信模块与微处理模块相连，负责接收从每一电池监控模块发送的相应电池组的电压和温度信号；

所述主控制系统还通过CAN收发器与其它整车电控模块进行信息交换；

所述微处理模块根据所述整车用电电源的总电压、电流、每个电池组的电压和温度信号以及通过继电器控制及诊断模块传输的电池充放电关合信号进行分析处理，传输控制信号到所述继电器控制及诊断模块中；

所述握手收发模块与微处理模块相连，用于当主控制系统发生故障时，显示其状态信息，并能紧急关闭所述主控制系统系统。

当主控制系统通过所述主控系统无线通信模块接收的电池组电压和其他电池组电压不一致或过高时（即差值超过预定阈值时），所述主控制系统通过所述主控系统无线通信模块向相应的电池监控模块发送均衡控制指令，电池监控模块得到所述均衡控制指令后，对相应的电池组进行电阻耗能放电。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

一： 本发明省去了高压与低压之间的物理线束连接，但又实现了电池电流、电压、绝缘三种功能，在此基础上简化电路板空间，节约空间成本，提高了整体系统的可靠性和可控性；

二：本发明在系统中添加电池均衡功能以保证各个单体电池较小的差异，这样更加便于管理和控制电池系统，同时增加了电池系统稳定性；

三：本发明增加主控无线通信收发模块对电池监控系统与主控系统的微处理器进行通信，实现电池组与微控制器的物理隔离，极大化减小电磁干扰对于电路的影响，同时，省去了总电压、电流、绝缘检测模块，做到了节省空间和成本的目的；

四：采用继电器控制及诊断模块，通过微处理器给出信号有效控制高压继电器的关合状态，同时对高压继电器诊断信息实时反馈给微处理器进行处理，确保电池安全供电； 

采用本发明的电池管理系统采用电源统一供电，能够实时对电池系统的动态采集，对其电压、电流、温度、绝缘状态、故障状态精确采集并计算电池SOC，通过通信网络与整车通讯，控制继电器控制及诊断模块工作，从而对锂电池系统进行均衡、功率评估和电池供电通断等处理措施来管理锂电池系统。

附图说明     

图1为本发明提出的电池管理系统总体结构框图；

图2为本发明提出的电池管理系统继电器控制及诊断模块的原理示意图；

图3为本发明提出的电池管理系统电池模块监控系统工作原理示意图；

图4为本发明提出主控制系统与电池监控系统无线通信原理图；

图5为电池监控系统的均衡功能的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本锂电池管理系统部分模块作进一步说明。

图1为电池管理系统总体结构框图。该电池管理系统包括主控制系统和电池监控系统。

所述电池监控系统由各个电池组及相应的监控模块组成，其中各电池组相互串联组成整车的用电电源；每一监控模块由相应的电池组直接供电，完成对相应电池组的电压、温度检测，并通过无线通信传输将采集的相应电池组的电压、温度信号传输到主控制系统.主控制系统主要由电源模块、微处理模块、继电器控制及诊断模块、握手收发模块、主控系统的无线通信模块、非挥发记忆模块和CAN收发器模块组成.。所述电源模块与主控制系统中的其它模块相连，为所述的其它模块提供工作电压。继电器控制及诊断模块与微处理模块相连，接收微处理模块的控制信号，通过控制高压继电器关断来决定是否允许电池组对外供电，并将电池组充放电关合信号上传至所述微处理模块。非挥发性记忆模块与微处理模块相连，用于记录所述主控制系统的状态信息进行非易失性存储，所述状态信息包括电池电压、电流、温度、SOC\SOH（荷电状态\健康状态）状态等。主控制系统的无线通信模块与微处理模块相连，负责接收从每一电池监控模块发送的相应电池组的电压和温度信号。所述主控制系统还通过CAN收发器与其它整车电控模块进行信息交换。所述微处理模块根据所述整车用电电源的总电压、电流、每个电池组的电压和温度信号以及通过继电器控制及诊断模块传输的电池充放电关合信号进行分析处理，传输控制信号到所述继电器控制及诊断模块中。所述握手收发模块（技术名称应和说明书附图一致）与主控制器相连，用于当主控制系统发生故障时，显示其状态信息，并能紧急关闭所述主控制系统系统。

图2为继电器控制及诊断模块原理示意图，该模块通过场效应管预驱动芯片V1输入端IN0、IN1、IN2、IN3接收微处理器I/O口发出的控制信号，场效应管预驱动芯片V1输出OUT0、OUT1、OUT2、OUT3分别与场效应管Q1、Q2、Q3、Q4栅极相连，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4源极与电路地相连，场效应管Q1、Q2、Q3、Q4漏极分别与场效应管预驱动芯片V1的DRAIN0、DRAIN1、DRAIN2、DRAIN3相连。二极管D1、D2、D3、D4的正向偏置分别与场效应管Q1、Q2、Q3、Q4漏极相连，二极管D1、D2、D3、D4的反向偏置分别与电源VCC相连，保护场效应管的正常工作。该驱动芯片每个驱动通道分别检测继电器的开关状态、继电器开路短路以及电源短路情况，并且将数据信息反馈给微处理器，使其进行双向传输，可以对继电器进行控制以及对继电器状态进行检测。

图3为电池模块监控系统工作原理示意图，该功能由电池各个监控单元所用芯片内部完成，电压进入芯片后经过R1和R2得到原电压的1/24，通过多路复用器MUX进入到缓冲发达器BUF，最后到模数转换器ADC中得到其值，当需要传输到显示器件时，需要对寄存器中的值乘以24。电池温度VTEMP通过外接热敏电路，与片上引脚连接，同电压一样通过MUX和BUF进入模数转换器最后得到其值。同时芯片内部集成一个温度传感器可以对芯片工作和非工作状态机进行温度检测，这样使芯片处于安全稳定工作状态。

图4为无线通信模块工作原理图，此模块内部集成电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，同时采用曼切斯特编码/解码实现精确的同步数据传输。模块芯片串行外围设备接口SPI与主控系统通信，具有2种工作模式和2种节能模式，工作模式分为收、发模式，节能模式分为关机模式和节能模式。

当主控制系统无线通信模块处于发送模式时，通过SPI与通信芯片配置连接，将时序和接收器地址和要发送的数据传给芯片，然后通过匹配确定，在主控系统端通信芯片PWR_UP、TRX_EN和TX_EN接口配置成发送模式然后射频寄存器自动开启开始进行传输数据包（包括字头和CRC校验码）等一系列工作，当一个数据包传递完后，才能进行下一个数据包的传输，当所有数据包完成后，拉低TRX_EN端口，通信芯片进入空闲模式，等待下一次主控芯片操作指令。

当主控制器处于接送状态，通信芯片不断检测等待接受数据，当检测到同一频段信号，载波引脚拉高然后比较其地址如果正确则置高地址匹配引脚，开始接收数据到其寄存器直到数据传输完毕，然后通过SPI接口以一定速率传输到主控制器中。

图5为电池监控系统的均衡功能，根据需要，电池组由十几节电池串联组成，该电池监控单元可以对每个电池单元信息（电池电压、电流、温度等）进行采集。为了提高整体用电安全性和稳定性，需要保持各个单体电池与其他电池电压相对一致，对于某些电压过高的电池，可以串联一个MOSFET和电阻，当单体电池电压过高时，监控单元Sn发出均衡处理信号，驱动MOS管导通实现电阻耗能降压。MOS漏极与R1相连源极和电池正极连接，R1另一端连接电池负极；同时加入稳压管与MOS管源极和栅极相连，保护MOS管正常工作。

Claims (2)

1.一种电动汽车分布式电池管理系统，所述电池管理系统由主控制系统和电池监控系统组成；其特征在于：

所述电池监控系统由各个电池组及相应的监控模块组成，其中各电池组相互串联组成整车的用电电源；每一监控模块由相应的电池组直接供电，完成对相应电池组的电压、温度检测，并通过无线通信传输将采集的相应电池组的电压、温度信号传输到主控制系统；

主控制系统主要由电源模块、微处理模块、继电器控制及诊断模块、握手收发模块、主控系统的无线通信模块、非挥发记忆模块和CAN收发器模块组成；

所述电源模块与主控制系统中的其它模块相连，为所述的其它模块提供工作电压；

继电器控制及诊断模块与微处理模块相连，接收微处理模块的控制信号，通过控制高压继电器关断来决定是否允许电池组对外供电，并将电池组充放电关合信号上传至所述微处理模块；

非挥发性记忆模块与微处理模块相连，用于记录所述主控制系统的状态信息进行非易失性存储，所述状态信息包括电池电压、电流、温度、荷电状态SOC、健康状态SOH等；

主控制系统的无线通信模块与微处理模块相连，负责接收从每一电池监控模块发送的相应电池组的电压和温度信号；

所述主控制系统还通过CAN收发器与其它整车电控模块进行信息交换；

所述微处理模块根据所述整车用电电源的总电压、电流、每个电池组的电压和温度信号以及通过继电器控制及诊断模块传输的电池充放电关合信号进行分析处理，传输控制信号到所述继电器控制及诊断模块中；

所述握手收发模块与微处理模块相连，用于当主控制系统发生故障时，显示其状态信息，并能紧急关闭所述主控制系统。

2.根据权利要求1所述的电动汽车分布式电池管理系统，其特征在于：

当主控制系统通过所述主控系统无线通信模块接收的电池组电压和其它电池组电压不一致或过高而超过预定值时，所述主控制系统通过所述主控系统无线通信模块向相应的电池监控模块发送均衡控制指令，电池监控模块得到所述均衡控制指令后，对相应的电池组进行电阻耗能放电。

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