CN102738525A - 一种车载锂动力电池的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载锂动力电池的电池管理系统，包括主控制单元和从属控制单元，所述主控制单元通过数据总线与多个从属控制单元通信连接；所述主控制单元与电池组群连接，采集电池组群的总电压、总电流；所述主控制单元还与DC电源连接；所述主控制单元通过外部CAN总线与充电机连接。所述主控制单元主要包括：主微控制器模块，总电压检测模块，总电流检测模块，电池系统绝缘检测模块，电池运行环境温度检测模块，继电器驱动模块，数据存储模块，总线通讯模块，隔离电源模块，电源，数据，信号等物理接口模块；本系统结构简单，可扩展性强，适应不同的电池数量；本系统功能全面，具有温度控制，均衡处理，电池性能评估，电池组自我保护等功能。

Description

一种车载锂动力电池的电池管理系统

技术领域

本发明属于动力电池管理系统领域，特别是一种车载锂动力电池的电池管理系统。

技术背景

随着经济发展的能源问题日益突出，人们保护环境意识的逐步增强，发展新能源汽车，尤其是电动汽车，成为人们的共识，是未来主要的发展方向。动力电池最为重要的能量来源，可以被安全、稳定、长效的使用是非常重要的。然而在使用过程中，集体管理包括实际使用中电池的充放电电流，电压，温度等一系列参数的检测和电池间的均衡处理是一项世界性的技术难题。因此，一种电池管理系统，采用主从式，既可以适应少量电池的小规模应用，也可以扩展为大量动力电池的电池管理系统尚未见报道。

发明内容

为解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种采用主从式控制方法的车载锂动力电池的电池管理系统。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种车载锂动力电池的电池管理系统，包括主控制单元和从属控制单元；

所述主控制单元通过数据总线与多个从属控制单元通信连接；

所述主控制单元与电池组群连接，采集电池组群的总电压、总电流；

所述主控制单元还与DC电源连接；

所述主控制单元通过外部CAN总线与充电机连接。

所述主控制单元主要包括：主微控制器模块，总电压检测模块，总电流检测模块，电池组群绝缘检测模块，电池运行环境温度检测模块，继电器驱动模块，数据存储模块，总线通信模块，隔离电源模块，电源，数据，信号等物理接口模块；

所述主微控制器模块输入端与总电压检测模块连接，采集电池组群的总电压；

所述主微控制器模块输入端与总电流检测模块连接，电流检测模块采用电流传感器，采集电池组群的总电流；

所述主微控制器模块输入端还与多个电池环境温度检测模块连接，采集电池运行环境的温度；

所述主微控制器模块还与电池组群绝缘检测模块连接；实现电池组群的总正极和总负极的对地绝缘检测，防止意外触电事故；

所述主微控制器模块输出端通过继电器驱动模块与电池群组总输出连接；

所述主微控制器模块还与数据存储模块通信连接，实现运行参数的存储；

所述主微控制器模块还与总线通信模块连接，实现从控制器内读取数据和电池运行参数信息，以实现该信息全车共享；

所述隔离电源模块与上述各模块供电连接，实现对各个模块的供电；

所述电源、数据、信号物理接口模块，连接着蓄电池电源，电池群组总正和总负，温度传感器，电路传感器，通讯总线，外部继电器，提供内部各个模块所需的信号的物理连接。

所述从属控制单元主要包括：电池监控均衡管理模块，数据总线隔离模块，从微控制器模块，数据存储模块，电池组加热/散热模块，总线通讯模块，隔离电源模块，电源、通讯、电池组等物理接口模块；

所述从属微控制器模块通过数据总线隔离模块与电池监控均衡管理模块连接，采集电池电压和温度信息，发出控制信号来控制电池均衡；

所述从属微控制器模块与电池组加热/散热模块连接，使电池组处于最佳的工作温度；

所述从属微控制器模块与数据存储模块连接，实现实时数据存储调用；

所述从属微控制器模块通过总线通讯模块连接将电池的电压、温度、SOC信息传递给主微控制器模块；

所述从属微控制器模块与隔离电源模块连接，隔离电源模块还与上述各个模块连接，为模块供电。

所述主总线通信模块与从总线通讯模块可以采用SPI，CAN，LIN，RS485中的一种总线，实现主控制单元与从属控制单元的一对多连接；

所述电池监控均衡管理模块，具备电池组内单个电池电压检测，温度循环采集，超限报警，开路检测，以及实施电池的均衡管理。

所述主控制单元执行如下任务：

任务1，与多个从属控制单元通信；

任务2，进行对电池组的故障诊断与处理；

任务3，进行电池组荷电状态SOC值和电池健康度SOH值的估算；

任务4，进行电池组的组间电量均衡管理；

任务5，进行电池充电模式、放电模式、静置模式的判断；

任务6，与常规车载模块通信。

所述主控制单元任务1具体为：

所述主控制单元通过总线通信模块与从属控制单元通信，检测每个从控制器的通信状态，发送命令使从属控制单元执行相应操作，并解析从属控制单元发送来的各个单体电池的信息。

所述主控制单元任务2具体为：

主控制单元根据接收到的各个单体电池信息判断整个电池组的电压，电流，温度是否达到阈值，对整个电池组的进行漏电保护和短路保护，及时根据故障等级进行处理，以保证整车安全。

所述主控制单元任务3具体为：

根据接收到的各个单体电池的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值计算整个电池组群的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值。

所述主控制单元任务4具体为。

当电池组的荷电状态SOC值差异过大时，对电池组群内的电池组进行均衡管理。

所述主控制单元任务5具体为：

所述主控制单元判断充电信号和放电信号，向从属控制单元发送相应命令，使电池处于相应的工作的模式。

所述主控制单元任务6具体为：

所述主控制单元通过车载CAN网络与整车控制器，电机控制器，车载显示模块，充电机，上位机通信；使电池的信息可以直观的反应在相应的仪表或上位机上，也能通过其他模块知晓车辆的其他信息，以便管理电池协调整车的工作。

所述从属控制单元执行如下任务：

任务1，对电池组内单体电池的电压、电流、温度进行实时采集；

任务2，对单体电池故障的诊断与处理；

任务3，对单体电池荷电状态SOC值和电池健康度SOH值的估算；

任务4，对电池组内单体电池进行电量均衡；

任务5，与主控制单元通信；

任务6，对单体电池的充电模式、放电模式、静置模式的处理；

任务7，对单体电池的使用进行记录。

所述从属控制单元中任务1具体为：

主控制单元任选一监测电池组内的第1-N块单体电池，对每块电池的电压、电流、温度进行实时，精确的采集；并通过SPI或IIC总线接口发送到从属控制单元。

所述从属控制单元中任务2具体为：

根据任务1中采集到的单体电池信息与单体电池的电压、电流、温度的阈值进行比较，判断故障的等级，并对相应的故障进行处理，降低电池输出功率或断开电池输出，并发送故障标志，以保证车辆安全。

所述从属控制单元任务3具体为：

根据采集到的单体电池信息，采用开路电压法，改进的安时计量法，人工神经网络法结合的方式估算出相对精确的单体电池荷电状态SOC值，采用一种利用内电阻估算单体电池的电池健康度SOH值的方法。

所述从属控制单元任务4具体为：

由于电池组的容量取决于单体最小容量的电池，为防止容量最小的电池过充/过放，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较小阈值时，采用IC集成电路的被动均衡处理，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较大阈值时，采用均衡电路进行均衡处理。

所述从属控制单元任务5具体为：

从属控制单元通过总线通信模块与主控制单元通信，通过解析主控制单元发来的控制信息，对电池进行充放电处理以及均衡操作，并每间隔固定时间向主控制单元发送每块单体电池的状态信息。

所述从属控制单元任务6具体为：

从属控制单元根据主控制单元发来的指令，执行充电操作或放电操作，并计算不同时间段的充电电流和放电功率反馈给主控制单元。

所述从属控制单元任务7具体为：

所述从属控制单元对每块单体电池建立其档案，将电池的使用信息记录指定存储器中，以方便分析电池的使用情况和故障排除。

本发明的优点：

1、本发明系统结构简单，可扩展性强，可适应不同电池数量的系统；

2、本发明系统集成度高，功能全面，具有绝缘监测，温度控制，均衡处理，电池性能评估，电池组自我保护功能；

3、本发明采用汽车级32位高速微控制器和嵌入式实时操作系统保证系统的稳定性。

说明书附图

图1为本发明系统的整体结构框图。

图2为本发明系统的主控制单元结构框图。

图3为本发明系统的从属控制单元结构框图。

图4为本发明系统的电池控制部分流程图。

图5为本发明系统的总体流程图。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的电池管理系统的一个具体实施例。

一种车载锂动力电池的电池管理系统，包括主控制单元和从属控制单元；

所述主控制单元通过数据总线与多个从属控制单元通信连接；

所述主控制单元与电池组群连接，采集电池组群的总电压、总电流；

所述主控制单元还与DC电源连接；

所述主控制单元通过外部CAN总线与充电机连接。

所述主控制单元主要包括：主微控制器模块7，总电压检测模块1，总电流检测模块2，电池组群绝缘检测模块3，电池运行环境温度检测模块4，继电器驱动模块8，数据存储模块6，总线通信模块5，隔离电源模块9，电源，数据，信号等物理接口模块10；

所述主微控制器模块7输入端与总电压检测模块1连接，采集电池组群的总电压；

所述主微控制器模块7输入端与总电流检测模块2连接，电流检测模块采用电流传感器，采集电池组群的总电流；

所述主微控制器模块7输入端还与多个电池环境温度检测模块4连接，采集电池运行环境的温度；

所述主微控制器模块7还与电池组群绝缘检测模块3连接；实现电池组群的总正极和总负极的对地绝缘检测，防止意外触电事故；

所述主微控制器模块7输出端通过继电器驱动模块8与电池群组总输出连接；

所述主微控制器模块7还与数据存储模块6通信连接，实现运行参数的存储；

所述主微控制器模块7还与总线通信模块5连接，实现从控制器内读取数据和电池运行参数信息，以实现该信息全车共享；

所述隔离电源模块9与上述各模块供电连接，实现对各个模块的供电；

所述电源、数据、信号物理接口模块10，连接着蓄电池电源，电池群组总正和总负，温度传感器，电路传感器，通讯总线，外部继电器，提供内部各个模块所需的信号的物理连接。

所述从属控制单元主要包括：电池监控均衡管理模块12，数据总线隔离模块13，从微控制器模块15，数据存储模块16，电池组加热/散热模块17，总线通讯模块14，隔离电源模块18，电源、通讯、电池组等物理接口模块19；

所述从属微控制器模块15通过数据总线隔离模块13与电池监控均衡管理模块12连接，采集电池电压和温度信息，发出控制信号来控制电池均衡；

所述从属微控制器模块15与电池组加热/散热模块17连接，使电池组处于最佳的工作温度；

所述从属微控制器模块15与数据存储模块16连接，实现实时数据存储调用；

所述从属微控制器模块15通过总线通讯模块14连接将电池的电压、温度、SOC信息传递给主微控制器模块7；

所述从属微控制器模块15与隔离电源模块19连接，隔离电源模块19还与上述各个模块连接，为模块供电。

所述主总线通信模块5与从总线通讯模块14可以采用SPI，CAN，LIN，RS485中的一种总线，实现主控制单元与从属控制单元的一对多连接；

所述电池监控均衡管理模块12，具备电池组内单个电池电压检测，温度循环采集，超限报警，开路检测，以及实施电池的均衡管理。

所述主控制单元执行如下任务：

任务1，与多个从属控制单元通信；

任务2，进行对电池组的故障诊断与处理；

任务3，进行电池组荷电状态SOC值和电池健康度SOH值的估算；

任务4，进行电池组的组间电量均衡管理；

任务5，进行电池充电模式、放电模式、静置模式的判断；

任务6，与常规车载模块通信。

所述主控制单元任务1具体为：

所述主控制单元通过总线通信模块5与从属控制单元通信，检测每个从控制器的通信状态，发送命令使从属控制单元执行相应操作，并解析从属控制单元发送来的各个单体电池的信息。

所述主控制单元任务2具体为：

主控制单元根据接收到的各个单体电池信息判断整个电池组的电压，电流，温度是否达到阈值，对整个电池组的进行漏电保护和短路保护，及时根据故障等级进行处理，以保证整车安全。

所述主控制单元任务3具体为：

根据接收到的各个单体电池的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值计算整个电池组群的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值。

所述主控制单元任务4具体为。

当电池组的荷电状态SOC值差异过大时，对电池组群内的电池组进行均衡管理。

所述主控制单元任务5具体为：

所述主控制单元判断充电信号和放电信号，向从属控制单元发送相应命令，使电池处于相应的工作的模式。

所述主控制单元任务6具体为：

所述主控制单元通过车载CAN网络与整车控制器，电机控制器，车载显示模块，充电机，上位机通信；使电池的信息可以直观的反应在相应的仪表或上位机上，也能通过其他模块知晓车辆的其他信息，以便管理电池协调整车的工作。

所述从属控制单元执行如下任务：

任务1，对电池组内单体电池的电压、电流、温度进行实时采集；

任务2，对单体电池故障的诊断与处理；

任务3，对单体电池荷电状态SOC值和电池健康度SOH值的估算；

任务4，对电池组内单体电池进行电量均衡；

任务5，与主控制单元通信；

任务6，对单体电池的充电模式、放电模式、静置模式的处理；

任务7，对单体电池的使用进行记录。

所述从属控制单元中任务1具体为：

主控制单元任选一监测电池组内的第1-N块单体电池，对每块电池的电压、电流、温度进行实时，精确的采集；并通过SPI或IIC总线接口发送到从属控制单元。

所述从属控制单元中任务2具体为：

根据任务1中采集到的单体电池信息与单体电池的电压、电流、温度的阈值进行比较，判断故障的等级，并对相应的故障进行处理，降低电池输出功率或断开电池输出，并发送故障标志，以保证车辆安全。

所述从属控制单元任务3具体为：

根据采集到的单体电池信息，采用开路电压法，改进的安时计量法，人工神经网络法结合的方式估算出相对精确的单体电池荷电状态SOC值，采用一种利用内电阻估算单体电池的电池健康度SOH值的方法。

所述从属控制单元任务4具体为：

由于电池组的容量取决于单体最小容量的电池，为防止容量最小的电池过充/过放，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较小阈值时，采用IC集成电路的被动均衡处理，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较大阈值时，采用均衡电路进行均衡处理。

所述从属控制单元任务5具体为：

从属控制单元通过总线通信模块5与主控制单元通信，通过解析主控制单元发来的控制信息，对电池进行充放电处理以及均衡操作，并每间隔固定时间向主控制单元发送每块单体电池的状态信息。

所述从属控制单元任务6具体为：

从属控制单元根据主控制单元发来的指令，执行充电操作或放电操作，并计算不同时间段的充电电流和放电功率反馈给主控制单元。

所述从属控制单元任务7具体为：

所述从属控制单元对每块单体电池建立其档案，将电池的使用信息记录指定存储器中，以方便分析电池的使用情况和故障排除。

所述电量均衡英飞凌被动均衡方案；所述安时计量法参考清华大学学报(自然科学版)2006年第46卷第2期；所述人工神经网络法参考：张秀玲，朱春颖.基于遗传算法的Elman神经网络在镍氢电池容量预测中的应用[J].工业仪表与自动化装置.2009.4.100-102；参考：陈继光；祝令德；孙立堂；基于自适应神经模糊推理的形变数据仿真计算[J]；计算机工程与应用；2006年16期。

Claims (9)

1.一种车载锂动力电池的电池管理系统，其特征在于：包括主控制单元和从属控制单元，

所述主控制单元通过数据总线与多个从属控制单元通信连接；

所述主控制单元与电池组群连接，采集电池组群的总电压、总电流；

所述主控制单元还与DC电源连接；

所述主控制单元通过外部CAN总线与充电机连接。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：

所述主控制单元主要包括：主微控制器模块(7)，总电压检测模块(1)，总电流检测模块(2)，电池组群绝缘检测模块(3)，电池运行环境温度检测模块(4)，继电器驱动模块(8)，数据存储模块(6)，总线通信模块(5)，隔离电源模块(9)，电源、数据、信号物理接口模块(10)；

所述主微控制器模块(7)输入端与总电压检测模块(1)连接，采集电池组群的总电压；

所述主微控制器模块(7)输入端与总电流检测模块(2)连接，采集电池组群的总电流；

所述主微控制器模块(7)输入端还与电池环境温度检测模块(4)连接，采集电池运行环境的温度；

所述主微控制器模块(7)还与电池组群绝缘检测模块(3)连接；实现电池组群的总正极和总负极的对地绝缘检测，防止意外触电事故；

所述主微控制器模块(7)输出端通过继电器驱动模块(8)与电池群组总输出连接；

所述主微控制器模块(7)还与数据存储模块(6)通信连接，实现运行参数的存储；

所述主微控制器模块(7)还与总线通信模块(5)连接，实现从控制器内读取数据和电池运行参数，以实现全车共享；

所述隔离电源模块(9)与上述各模块供电连接，实现各个模块的供电；

所述电源、数据、信号物理接口模块(10)，连接着蓄电池电源，电池群组总正和总负，温度传感器，电路传感器，通讯总线，外部继电器，提供内部各个模块所需的信号的物理连接。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：

所述从属控制单元主要包括：电池监控均衡管理模块(12)，数据总线隔离模块(13)，从微控制器模块(15)，数据存储模块(16)，电池组加热/散热模块(17)，总线通讯模块(14)，隔离电源模块(18)，电源、通讯、电池组物理接口模块(19)；

所述从属微控制器模块(15)通过数据总线隔离模块(13)与电池监控均衡管理模块(12)连接，采集电池电压和温度信息，发出控制信号来控制电池均衡；

所述从属微控制器模块(15)与电池组加热/散热模块(17)连接，使电池组处于最佳的工作温度；

所述从属微控制器模块(15)与数据存储模块(16)连接，实现实时数据存储调用；

所述从属微控制器模块(15)通过总线通讯模块(14)连接将电池的电压、温度、SOC信息传递给主微控制器模块(7)；

所述从属微控制器模块(15)与隔离电源模块(19)连接，隔离电源模块(19)还与上述各个模块连接，为模块供电。

4.根据权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于：

所述主总线通信模块(5)与从总线通讯模块(14)可以采用SPI，CAN，LIN，RS485中的一种总线，实现主控制单元与从属控制单元的一对多连接；

所述电池监控均衡管理模块(12)，具备电池组内单个电池电压检测，温度循环采集，超限报警，开路检测，以及实施电池的均衡管理。

5.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：

所述主控制单元执行如下任务：

任务1，与多个从属控制单元通信；

任务2，进行对电池组的故障诊断与处理；

任务3，进行电池组荷电状态SOC值和电池健康度SOH值的估算；

任务4，进行电池组的组间电量均衡管理；

任务5，进行电池充电模式、放电模式、静置模式的判断；

任务6，与常规车载模块通信。

6.根据权利要求5所述的电池管理系统，其特征在于：

所述主控制单元任务1具体为：

所述主控制单元通过总线通信模块(5)与从属控制单元通信，检测每个从控制器的通信状态，发送命令使从属控制单元执行相应操作，并解析从属控制单元发送来的各个单体电池的信息；

所述主控制单元任务2具体为：

主控制单元根据接收到的各个单体电池信息判断整个电池组的电压，电流，温度是否达到阈值，对整个电池组的进行漏电保护和短路保护，及时根据故障等级进行处理，以保证整车安全；

所述主控制单元任务3具体为：

根据接收到的各个单体电池的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值计算整个电池组群的荷电状态SOC值和电池健康度SOH值；

所述主控制单元任务4具体为：

当电池组的荷电状态SOC值差异过大时，对电池组群内的电池组进行均衡管理；

所述主控制单元任务5具体为：

所述主控制单元判断充电信号和放电信号，向从属控制单元发送相应命令，使电池处于相应的工作的模式；

所述主控制单元任务6具体为：

所述主控制单元通过车载CAN网络与整车控制器，电机控制器，车载显示模块，充电机，上位机通信；使电池的信息可以直观的反应在相应的仪表或上位机上，也能通过其他模块知晓车辆的其他信息，以便管理电池协调整车的工作。

7.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：

所述从属控制单元执行如下任务：

任务1，对电池组内单体电池的电压、电流、温度进行实时采集；

任务2，对单体电池故障的诊断与处理；

任务3，对单体电池荷电状态(SOC)，电池健康度(SOH)的估算；

任务4，对电池组内单体电池进行电量均衡；

任务5，与主控制单元通信；

任务6，对单体电池的充电模式、放电模式、静置模式的处理；

任务7，对单体电池的使用进行记录。

8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于，所述从属控制单元中任务1具体为：

主控制单元任选一监测电池组内的第1-N块单体电池，对每块电池的电压、电流、温度进行实时，精确的采集；并通过SPI或IIC总线接口发送到从属控制单元。

9.根据权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于：

所述从属控制单元中任务2具体为：

根据任务1中采集到的单体电池信息与单体电池的电压、电流、温度的阈值进行比较，判断故障的等级，并对相应的故障进行处理，降低电池输出功率或断开电池输出，并发送故障标志，以保证车辆安全；

所述从属控制单元任务3具体为：

根据采集到的单体电池信息，采用开路电压法，改进的安时计量法，人工神经网络法结合的方式估算出相对精确的单体电池荷电状态SOC值，采用一种利用内电阻估算单体电池的电池健康度SOH值的方法；

所述从属控制单元任务4具体为：

由于电池组的容量取决于单体最小容量的电池，为防止容量最小的电池过充/过放，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较小阈值时，采用IC集成电路的被动均衡处理，当单体电池的荷电状态SOC值差异超过其较大阈值时，采用均衡电路进行均衡处理；

所述从属控制单元任务5具体为：

从属控制单元通过总线通信模块(5)与主控制单元通信，通过解析主控制单元发来的控制信息，对电池进行充放电处理以及均衡操作，并每间隔固定时间向主控制单元发送每块单体电池的状态信息；

所述从属控制单元任务6具体为：

从属控制单元根据主控制单元发来的指令，执行充电操作或放电操作，并计算不同时间段的充电电流和放电功率反馈给主控制单元；

所述从属控制单元任务7具体为：

所述从属控制单元对每块单体电池建立其档案，将电池的使用信息记录指定存储器中，以方便分析电池的使用情况和故障排除。

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