CN102545292B - 基于片上系统一线通讯点对点式单体锂离子电池管理系统 - Google Patents

Abstract

一种基于片上系统一线通讯点对点式单体锂离子电池管理系统，适合电动汽车和电动自行车组建大容量、大功率动力源的点对点式通用型锂离子电池管理系统，采用第五代集成电路，即片上系统，通过一线式通讯总线，对单体锂离子电池进行监控和管理，以物理网络串联和物理网络并联的形式组建能够强化单体锂离子电池管理的网络系统，使整个电池管理系统具有结构化、模块化、简单化、实用性的特点。

Description

基于片上系统一线通讯点对点式单体锂离子电池管理系统

所属技术领域

本发明是关于电动自行车和电动汽车动力电池装置，尤其适合由锂离子电池组成高容量、大功率的动力源。

背景技术

随着锂离子电池市场的发展，电池管理系统变得越来越复杂和多样化，基本上可以划分为：专用型和通用型两个领域。

专用型电池管理系统管理的锂离子电池的数量有限，适合手机、笔记本电脑、数码相机以及便捷式小型电器所用小型锂离子电池的管理系统，不适合电动自行车和电动汽车大型锂离子电池管理系统。

通用型电池管理系统一般采用分层或者分布式体系结构，都没有涉及到对单体锂离子电池的管理和监控，由于锂离子电池的化学特性随着使用时间、使用环境的变化而变化，那么它的内阻和容量也会做相应的改变，数据采样单元对单体锂离子电池距离太远，就会产生阻抗、寄生电容、寄生电感，对电池间的均衡和电池容量的估算不利，影响锂离子电池的性能和使用寿命，例如，2006年6月7日由中华人民共和国公开和授权，专利号为200410081434.5名称为《分布式电池管理系统及管理方法》的技术方案也只是谈到对两节电池的数据采样，通用型的电池管理系统大多采用CAN总线作为通讯总线，CAN总线不是电池管理系统总线而是汽车电子的通讯总线，这两者是有区别的，它的通讯协议和电气特性用在电池管理系统是很勉强的，例如，2004年12月8日由中华人民共和国公开和授权，专利号为200310111599.8名称为《一种基于CAN总线多层分布式的电池管理系统》，2004年12月22日由中华人民共和国公开和授权，专利号为200410013807.5名称为《一种用于电动汽车的动力电池管理系统》和2008年12月31日由中华人民共和国公开和授权，专利号为200810021154.3名称为《分布式电池管理系统及其管理方法》的技术方案都是采用CAN总线，CAN总线是两根通讯线，通讯线数量太多，加上分层太多，那么电池管理系统就会变得错综复杂，影响整个网络速度，而且电池管理系统的通讯网络和汽车电子的通讯网络处于同一个网络布局，两个网络系统没有隔离开来，大大削减了电池管理系统的抗干扰能力，而且上述四个专利技术方案的中央处理器都采用第四代集成电路(微处理器)进行设计，外围电路复杂，造成控制电路的体积增大，与单体锂离子电池的体形结构不符合，无法对单体锂离子电池进行监控、管理，现在的集成电路已经发展到了第五代，即片上系统，所以说，现在通用型电池管理系统的设计理念已经过时，不能代表电池管理系统的发展方向。

发明内容

本发明的目的是为了抛弃过时的第四代集成电路(微处理器)为中央处理器的设计理念，摒除不合适的以CAN总线为核心的锂离子电池网络系统，革新最小单元以两个或者两个以上的锂离子电池的管理模式，利用片上系统小体积、高性能和一线式通讯总线简单、实用的技术优势，精简锂离子电池管理系统的网络结构，量体裁衣地组建锂离子电池管理系统点对点的网络系统，加快网络数据的传输速度，搭建稳定的锂离子电池管理系统模块，通过单体锂离子电池与锂离子电池组之间点对点异步串行通讯连接和锂离子电池组与锂离子电池箱之间点对点同步串行通讯连接，实现对单体锂离子电池进行直接管理，采用单体锂离子电池和锂离子电池组自身电压的优势，实现电池管理系统内部的通讯网络和外部的汽车电子的通讯网络隔离，减少电池管理系统网络内部的干扰，对单体锂离子电池和锂离子电池组的控制力度大大增强，充分发挥单体锂离子电池的性能，延长单体锂离子电池的使用寿命，从而提高了动力源的整体水平。

本发明的目的是通过锂离子电池管理系统的硬件设计、软件设计、抗干扰技术三个方面的措施达到：

在单体锂离子电池数据采集单元中装入一颗片上系统，然后封装成一个整体，根据电动汽车的技术要求，对单体锂离子电池进行硬件上的模块划分，单体锂离子电池数据采集单元利用单体锂离子自身电源供电，由多个单体锂离子电池组成锂离子电池组，锂离子电池组适合用做电动自行车的动力源，由多个锂离子电池组组成的锂离子电池箱适合做电动汽车的动力源，各个单体锂离子电池固定在锂离子电池组的底板上，单体锂离子电池的数据采集单元通过一线式通讯总线与锂离子电池组的控制板进行点对点的异步串行通讯，每个锂离子电池组控制板各自带有一根一线式通讯总线，与锂离子电池箱的主控板进行点对点同步串行通讯，单体锂离子电池的数据采集板、锂离子电池组的控制板、锂离子电池箱的主控板分别由一颗片上系统组成，根据微电子技术发展的各个阶段，也可以由一颗片上系统和简单的外围电路组成，单体锂离子电池数据采集板与锂离子电池组的控制板、锂离子电池组的控制板与锂离子电池箱的主控板之间的数据传输通过高速光耦进行光电隔离，锂离子电池箱的主控板的充、放电接口与锂离子电池组的控制板充、放电接口相连，对锂离子电池组进行充、放电，锂离子电池组控制板充、放电接口通过锂离子电池组底板的充、放电电路对单体锂离子电池进行充、放电，片上系统的外形尺寸、性能和简单外围电路的结构均可以不一样，参考动力源的技术参数，根据片上系统的性价比和外形尺寸可以选择X86系列、ARM系列、MIPS系列、SPARC系列的片上系统作为单体锂离子数据采集单元、锂离子电池组控制板和锂离子电池箱主控板的中央处理器。锂离子电池组的单体锂离子电池和锂离子电池箱的锂离子电池组都是通过串、并联的形式进行机械上的连接。对锂离子电池管理系统的功能结构进行分组，由单体锂离子数据采样单元和锂离子电池组控制板共同实现，单体锂离子数据采样单元承担电池间的平衡、电压测量、温度测量、点对点的异步串行通讯，锂离子电池组控制板承担过流保护、短路保护、过压保护、低压保护、反向电压保护、高温保护、低温保护、电池剩余容量估算、点对点的同步串行通讯，锂离子电池箱主控板承担对各个锂离子电池组的监控、管理以及与外部的数据交换。

基于片上系统一线点对点式单体锂离子电池管理系统的基本参数如下：

参数	最大	正常	最小	单位	注释
						电压	5.5		2.7	V	工作电压
电流	100		25	mA	工作电流
						温度	85		-40	℃	工作温度
湿度	90		10	％	工作湿度
						电阻	39	30	1	kΩ	上拉电阻
一线式总线	4000		30	KHZ	一线速度
						A/D参考电压	5.5	1.8	2.4	V	A/D参考电压
A/D工作电压	5.5		2.4	V	A/D工作电压

对单体锂离子电池进行硬件上的分组，具体的计算公式如下：

M为单体锂离子电池串联数目   N为单体锂离子电池并联数目

X为锂离子电池组串联数目   Y为锂离子电池组并联数目

M＝电动自行车动力源电压÷单体锂离子电池电压

N＝电动自行车动力源容量÷单体锂离子电池容量

X＝电动汽车动力源电压÷锂离子电池组电压

Y＝电动汽车动力源容量÷锂离子电池组容量

本发明的软件是基于单体锂离子电池剩余容量与单体锂离子电池电压、单体锂离子电池电流、单体锂离子电池温度三者之间相互关系来实现锂离子电池管理系统功能需求，从而明确电池外部电气特性和内部状态的定量关系，根据单体锂离子电池的电压、电流、温度外部变量计算出电池剩余容量、内阻、电动势等内部状态，电池剩余容量是电池管理系统中的重要参数，为电池组的管理和维护提供重要依据。单体锂离子电池剩余容量是整个锂离子电池箱电量的直接反应，及时准确地掌握单体锂离子电池各项状态信息，为安全管理系统提供重要参数，异常状态出现时，发出报警信号或断开电路防止意外事故发生。电池剩余容量定义如下：

单体锂离子电池剩余容量＝(Qt/Q0)100％

其中，Qt是电池在计算时刻的剩余容量

Q0是电池在计算时刻的总容量

因此，设计合理的基于电压、电流、温度、电池剩余容量的测量软件对整个锂离子电池管理系统很重要。

为了防止电池管理系统的干扰，提高系统的可靠性和准确性，在系统硬件设计时，采用如下抗干扰技术：元件的选择上采样电磁兼容性好的贴片元器件，由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点，选用电阻优先考虑贴片电阻，对于有引脚的电阻，应首选碳膜电阻，其次是金属膜电阻，最后是绕线电阻，对于上拉/下拉电阻的电路，所有的偏值电阻都尽可能靠近有源器件，以及它的电源和地，从而减少电路板连线的电感。电容的种类繁多，性能各异，选择合适的电容可以解决许多电磁兼容问题，本系统主要用旁路电容和去耦电容两种技术。旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，消除进入易感区那些不需要的能量，选择铝电解电容作为旁路电容。片上系统有源器件在开关时产生的高频开关噪声，将沿着电源线传播，去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导倒地，选择陶瓷电容作为去耦电容，去耦电容布置时尽可能靠近每个集成块。除了元器件的选择和电路设计之外，良好的印刷电路板(PCB)布线在系统抗干扰技术中也是一个非常重要的因素，这里采用如下技术：局部电源和集成电路间的去耦：局部去耦能够减少沿着电源干线的噪声的传入，在电源输入口和印刷电路板(PCB)之间介入大容量旁路电容，作为一个低频脉动滤波器，同时作为一个电势储能器，以满足突发功率的需求，在每个集成电路的电源和地之间接入去耦电容，用以滤除集成电路的开关噪声。本系统使用双层板，数字地布线采用栅格形式，有效地减少接地阻抗，没有用到的电路板区域由一个大的接地面来覆盖，以此提供屏蔽和增加去耦能力。由于本系统采用电池供电的多个电源，所以采用接地技术将各个电源隔离开来。局部的布线技术采用适当地采用过孔，转动路径时采用45度角，保持路径的宽度不变。

本发明的有益效果可以总结以下四点：

(1)模块化：根据电动汽车动力源的需要，对单体锂离子电池进行模块划分，由单体锂离子电池组成锂离子电池组，然后由锂离子电池组组成锂离子电池箱，模块化的设计有利于锂离子电池箱的调试和维护。

(2)集成化：设计中所有的主控芯片都采用第五代集成电路，即片上系统，电子线路集成度高，减少了硬件电路中的元器件数量，精简了电池管理系统的体系结构，降低了产生故障的可能性。

(3)简单化：通过简单的一线式点对点通讯方式组成通讯网络，实现对单体锂离子电池的直接管理，管理好了单体锂离子电池，就管理好了整个锂离子电池箱，使复杂的问题简单化。

(4)可靠性：采用单体锂离子电池管理方式减少了阻抗，降低了寄生电容、寄生电感，保证了采集数据的准确性、可靠性；采用一线式点对点通讯方式，对电池管理系统的通讯网络进行量体裁衣，利用单体锂离子电池和锂离子电池组自身电压的优势，将锂离子电池箱内部网络系统和汽车电子外部的网络系统隔离开来，做到了网络系统组织的有效性、合理性，减少了通讯线之间的信号干扰和电磁干扰，增强了电池管理系统的抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明

图1是锂离子电池箱结构组成图

图2是锂离子电池箱网络连接图

图3是锂离子电池箱主控板功能结构图

图4是锂离子电池组结构组成图

图5是锂离子电池组网络连接图

图6是锂离子电池组控制板功能结构图

图7是单体锂离子电池数据采集单元功能结构图

图8是锂离子电池管理系统内部充、放电连接图

图9是锂离子电池管理系统一线式通讯协议

图10是锂离子电池管理系统电流、电压测量电路

图11是锂离子电池管理系统温度测量电路

图12是锂离子电池管理系统电池剩余容量与电池电压、电池电流、电池温度三者之间关系

图13是锂离子电池的结构模型

图14是锂离子电池管理系统电池电压测量流程图

图15是锂离子电池管理系统电池电流测量流程图

图16是锂离子电池管理系统电池温度测量流程图

图17是锂离子电池管理系统电池剩余容量测量流程图

图1中代表锂离子电池箱中串联的锂离子电池组的数目X，代表锂离子电池组并联依次标号，其中，Y代表锂离子电池箱中同步串行连接的锂离子电池组的数目，——代表锂离子电池箱与锂离子电池组点对点同步串行连接的连接线。

图2中代表锂离子电池箱与锂离子电池组通过一线式通讯总线网络连接，由n＝X+Y条一线式通讯总线组成的锂离子电池箱与锂离子电池组之间的网络系统。

图3中代表锂离子电池箱主控板各个功能部分与锂离子电池箱主控板的片上系统进行的数据交换，其中，n＝X+Y个一线式通讯总线的硬件部分。

图4中代表锂离子电池组中串联的单体锂离子电池的数目M，代表单体锂离子并联依次标号，其中，N代表锂离子电池组中并联的单体锂离子电池的数目，——代表锂离子电池组与单体锂离子电池点对点异步串行连接的连接线。

图5中代表锂离子电池组与单体锂离子电池通过一线式通讯总线网络连接，由n＝M+N条一线式通讯总线组成的锂离子电池组与单体锂离子电池之间的网络系统。

图6中代表锂离子电池组控制板各个功能部分与锂离子电池组控制板的片上系统进行的数据交换，其中，将单体锂离子电池需要保护的部分进行了分组，锂离子电池组的控制板承担八个任务。

图7中代表单体锂离子电池数据采样单元各个功能部分与单体锂离子电池数据采样单元的片上系统进行的数据交换，其中，将单体锂离子电池需要保护的部分进行分组，单体锂离子电池数据采样单元承担三个任务。

图8中代表充、放电时，电流的方向，其中，外部电流通过锂离子电池箱的底板对锂离子电池组进行充、放电，内部电流通过锂离子电池组的底板对单体锂离子电池进行充放电，锂离子电池箱的底板和锂离子电池组的底板起到固定锂离子电池组和单体锂离子电池的作用。

图9中→代表锂离子电池管理系统中一线式通讯的数据组织顺序，单体锂离子电池数据采样单元通过点对点异步串行连接与锂离子电池组的控制板进行通讯，锂离子电池组的控制板通过点对点同步串行连接与锂离子电池箱的主控板进行通讯，一线式通讯总线通过高速光耦与单体锂离子数据采集单元、锂离子电池组控制板、锂离子电池箱的主控板进行光电隔离，传输数据由一线式通讯总线按照规定的数据组织顺序串行传输，使数据具有保密性。

图10是电流、电压采样模块，电池电压与电池的工作状态及其内部温度及其工作环境温度都有着很重要的关系，对其采样的精度，抗干扰能力，零漂，温漂和线性度的要求都很高，测量数据的准确与否，直接影响到对电池状态的准确判断。传感器采样响应速度快，具有优良线性度的合金电阻作为电压传感器。电流采样是估计电池剩余容量的主要依据，因此，对其采样的精度、抗干扰能力、零漂、温漂和线性度的要求都很高，相对电池组模块电压测量，电流的测量比较复杂，在面对某些感性负载时，电流是脉动的，电流变化率较大，因此必须采样响应速度快，具有优良线性度的合金电阻作为电流传感器。

图11是温度采样模块，由于充、放电过程中，单体锂离子电池本身会产生一定的热量，从而会导致单体锂离子电池温度上升，温度会影响单体锂离子电池的很多特性参数，故对单体锂离子电池组进行热量管理是非常重要的。由于电池管理系统中要求多点测量温度，各个温度测量器分布在电池箱体内，采用的设计要有一定的抗干扰能力，根据温度传感器的性价比，采用热敏电阻对模拟信号的测量会取得很好的效果。温度采样点有三处即：锂离子电池组附近的空气温度，单体锂离子电池外壳表面温度，以及单体锂离子电池内部电解液温度。其中，单体锂离子电池外壳表面温度位于单体锂离子采样单元上面，锂离子电池组附近的空气温度位于锂离子电池组控制板上面。

图12、图13、图14、图15、图16和图17是编写软件基于单体锂离子电池的各个参数之间的相互关系以及它们软件实现的流程图，图12是单体锂离子电池模型，单体锂离子电池的内阻包括了欧姆内阻和极化内阻，并且各个内阻产生的过程以及与电池剩余容量、电流、温度的函数关系也不尽相同，所以不同的内阻分开考虑是必要的。图13主要从单体锂离子电池的电压、电流、温度对单体锂离子电池剩余容量的影响以及它们相互之间的关系，图12是实现图12、图13、图14、图15、图16、图17的基础，图13是实现图14、图15、图16、图17的依据，图14是单体锂离子电池电压测量流程图，图15是单体锂离子电池电流测量流程图，图16是单体锂离子电池温度测量流程图，图17是单体锂离子电池剩余容量测量流程图。

具体实施方式

在图1中，根据电动汽车的技术要求，对单体锂离子电池进行模块划分，单体锂离子电池通过串、并联的形式进行机械上的连接组成锂离子电池组，锂离子电池组适合做电动自行车的动力源，锂离子电池组通过串、并联的形式进行机械上的连接组成锂离子电池箱，锂离子电池箱适合做电动汽车的动力源，在图1中，锂离子电池组控制板与单体锂离子数据采集单元的一线式通讯总线是首尾相连的顺序连接，锂离子电池箱主控板与锂离子电池组控制板的一线式通讯总线是地位平等的并行连接，在图2中，单体锂离子电池通过点对点异步串行通讯使锂离子电池组控制板和单体锂离子电池数据采集单元之间组成锂离子电池组内部的网络系统，锂离子电池组通过点对点同步串行通讯使锂离子电池箱的主控板和锂离子电池组的控制板之间组成锂离子电池箱内部的网络系统，在图3中，锂离子电池箱的片上系统与锂离子电池组的片上系统是主、从关系，锂离子电池箱主控板通过点对点同步串行通讯对各个锂离子电池组进行监控、管理，以及锂离子电池箱主控板与外部的数据交换。在对单体锂离子电池从进行模块分组中

M为单体锂离子电池串联数目  N为单体锂离子电池并联数目

X为锂离子电池组串联数目  Y为锂离子电池组并联数目

M＝电动自行车动力源电压÷单体锂离子电池电压

N＝电动自行车动力源容量÷单体锂离子电池容量

X＝电动汽车动力源电压÷锂离子电池组电压

Y＝电动汽车动力源容量÷锂离子电池组容量

在图4中，锂离子电池组与单体锂离子电池之间的结构是通过一线式通讯总线进行首尾相连的顺序连接，在图5中，一线式通讯总线控制各个单体锂离子数据采集单元时，命令从锂离子电池组的控制板发出，然后从第一块单体锂离子数据采集单元依次传递到第n块单体锂离子数据采集单元，接收命令从第n块单体锂离子数据采集单元依次传递到第1块单体锂离子数据采集单元，然后回到锂离子电池组的控制板，锂离子电池组的片上系统对整个锂离子电池组起到主导作用，单体锂离子电池数据采集单元面向的是单体锂离子电池，锂离子电池组的片上系统与单体锂离子电池数据采集单元的片上系统是主、从关系，一线式通讯通过点对点异步串行连接贯穿整个锂离子电池组，将锂离子电池组的各个系统功能贯穿起来，而锂离子电池组的片上系统对整个锂离子电池组的性能以及稳定性起到关键作用。在图6中，从锂离子电池组控制板的硬件电路划分，包括：一线式通讯模块、过电流保护模块、短路保护模块、过电压保护模块、低电压保护模块、反向电压保护模块、高温保护模块、低温保护模块、电池容量电路模块。在图7中，从单体锂离子数据采样单元功能的硬件电路上进行分组，单体锂离子数据采集单元的硬件电路包括：一线式通讯模块、电池电压平衡模块、电池电压测量模块、电池温度测量模块。一线式通讯模块包含一线式通讯的数据组织顺序，单体锂离子电池数据采样单元通过点对点异步串行连接与锂离子电池组的控制板进行通讯，锂离子电池组的控制板通过点对点同步串行连接与锂离子电池箱的主控板进行通讯，一线式通讯总线通过高速光耦与单体锂离子数据采集单元、锂离子电池组控制板、锂离子电池箱的主控板进行光电隔离，传输数据由一线式通讯总线按照规定的数据组织顺序串行传输，使数据具有保密性。电流、电压采样模块，电池电压与电池的工作状态及其内部温度及其工作环境温度都有着很重要的关系，对其采样的精度，抗干扰能力，零漂，温漂和线性度的要求都很高，测量数据的准确与否，直接影响到对电池状态的准确判断。传感器采样响应速度快，具有优良线性度的合金电阻作为电压传感器。电流采样是估计电池剩余容量的主要依据，因此，对其采样的精度、抗干扰能力、零漂、温漂和线性度的要求都很高，相对电池组模块电压测量，电流的测量比较复杂，在面对某些感性负载时，电流是脉动的，电流变化率较大，因此必须采样响应速度快，具有优良线性度的合金电阻作为电流传感器。由于充、放电过程中，单体锂离子电池本身会产生一定的热量，从而会导致单体锂离子电池温度上升，温度会影响单体锂离子电池的很多特性参数，故对单体锂离子电池组进行热量管理是非常重要的。由于电池管理系统中要求多点测量温度，各个温度测量器分布在电池箱体内，采用的设计要有一定的抗干扰能力，根据温度传感器的性价比，采用热敏电阻对模拟信号的测量会取得很好的效果。温度采样点有三处即：锂离子电池组附近的空气温度，单体锂离子电池外壳表面温度，以及单体锂离子电池内部电解液温度。其中，单体锂离子电池外壳表面温度位于单体锂离子采样单元上面，锂离子电池组附近的空气温度位于锂离子电池组控制板上面，单体锂离子电池间的平衡很重要，一颗锂离子电池的失效往往影响整个锂离子电池箱的整体性能，通过在单体锂离子数据采样单元安装两片贴片场效应管来实现单体锂离子电池间的平衡。

Claims (2)

1.一种适合电动自行车和电动汽车动力源的通用型锂离子电池管理系统，其特征是：采用第五代集成电路，即片上系统，通过单体锂离子电池的数据采集单元与锂离子电池组的控制板之间点对点异步串行连接和锂离子电池组的控制板与锂离子电池箱的主控板之间点对点同步串行连接，实现对单体锂离子电池进行直接管理的网络系统，其中，点对点异步串行连接是指单体锂离子电池的数据采集单元通过一线式通讯总线与锂离子电池组的控制板进行点对点的通讯，锂离子电池组控制板与单体锂离子数据采集单元的一线式总线是首尾相连的顺序连接，实现对单体锂离子电池的直接管理；点对点同步串行连接是指每个锂离子电池组控制板各自带有一根一线式通讯总线，与锂离子电池箱的主控板进行通讯，锂离子电池箱主控板与锂离子电池组控制板的一线式总线是地位平等的并行连接，实现对锂离子电池组的直接管理；单体锂离子电池数据采集单元是指在单体锂离子电池PCB控制板中装入一颗片上系统，然后封装成一个整体，其中，单体锂离子数据采集单元的硬件电路包括：一线式通讯模块、电池电压平衡模块、电池电压测量模块、电池温度测量模块。

2.根据权利要求1所述通用型锂离子电池管理系统，其特征是：根据权利要求1所述通用型锂离子电池管理系统，其特征是：根据电动汽车动力源的需要，对单体锂离子电池进行模块划分，由多个单体锂离子电池组成锂离子电池组，锂离子电池组适合用做电动自行车的动力源，由多个锂离子电池组组成锂离子电池箱，锂离子电池箱适合做电动汽车的动力源，具体公式如下：M为单体锂离子电池串联数目，N为单体锂离子电池并联数目，X为锂离子电池组串联数目，Y为锂离子电池组并联数目，其中，M＝电动自行车动力源电压÷单体锂离子电池电压，N＝电动自行车动力源容量÷单体锂离子电池容量，X＝电动汽车动力源电压÷锂离子电池组电压，Y＝电动汽车动力源容量÷锂离子电池组容量。