CN103481791A - 电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
一种电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，属于汽车用电池控制装置领域。包括BMS系统的主控单元，其特征在于：主控单元的数据端设置连接显示单元，主控单元的电源端连接胶体电池组，胶体电池组内部的若干胶体电池分别设置采集单元和均衡单元，采集单元和均衡单元分别通过CAN总线连接主控单元的数据端。采用胶体电池的本管理系统，采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保证电源输出稳定，延长使用寿命，更能够保障电动汽车高效、可靠、安全运行。
Description
技术领域
本发明提供一种电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，属于汽车用电池控制装置领域。
背景技术
由于电池在制造过程中很难确保具有完全的均一性，各串联的电池单元之间会存在充电或放电特性的差异。因此，当使用串联电池单元的电池组时，会存在这样的问题：充电时，同一电池组中，即使某些电池单元被过度充电，也仍然存在某些电池单元尚未达到饱和；又或放电时，同一电池组中，有些电池单元尚未完全放电，但仍有些电池单元被过度放电。此外，如果电池单元长期被过度放电/充电，在构成电池单元的材料中可能会出现显著劣化，使得电池单元的特性变得不同，而这种劣化是加剧电池单元间差异的原因之一。
电池管理系统BMS能够连续监控和管理电池组内电池芯的充电、放电、温度，以及提供程序的接口。车辆是一种运行工况极其复杂的设备，同时又具有搭载乘客的安全要求，因而电池应用于车辆上必须考虑高压安全、可靠、舒适等多种要求。目前国内汽车级蓄电池供电受到工艺及材料性能的限制，轿车用动力电池组电压较低，控制不稳定，要获得高电压必须依赖于电池成组技术。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明目的在于提供一种设置功率高，输出稳定，安全可靠，使用寿命长的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统。
本发明的上述技术目的主要是通过以下技术方案解决的：一种电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，包括BMS系统的主控单元，其特征在于：主控单元的数据端设置连接显示单元，主控单元的电源端连接胶体电池组，胶体电池组内部的若干胶体电池分别设置采集单元和均衡单元，采集单元和均衡单元分别通过CAN总线连接主控单元的数据端，采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保证电源输出稳定，延长使用寿命，保障电动汽车高效、可靠、安全运行。主控单元完成对胶体电池组总电压、总电流的检测，并通过CAN总线与采集单元、均衡模块、显示单元或车载仪表系统及充电机等通信。
其中优选方案是：
所述的采集单元包括2-20个电压采集装置、2-6个温度传感器和风扇，电压采集装置和温度传感器分别与胶体电池相适应。全面采集整个胶体电池组内各个电池的状态参数， 并且与均衡单元配合，使得某一电池电压不一致超过规定值时，自动对电池进行均衡。风扇可以设置在温升较大的位置，保护胶体电池和BMS。每个采集单元可测量20节电池端电压及6个测量点温度和1路风扇控制，安装在每个电池箱内。当电池箱内电池电压不一致超过规定值时，在充电电流小于一定值后，均衡单元可自动对电池进行均衡。
所述的采集单元包括控制器、模数转换器、温度转换器和CAN收发器，控制器的数据端连接分别连接模数转换器和温度转换器，控制器的通讯端通过光耦隔离器连接CAN收发器，采用差分输入，控制器采用集成了CAN控制器模块的dsPIC30F系列芯片，CAN收发器选用MCP2551，模数转换器采用DS18B20。
所述的主控单元的SOC估算其根据电动汽车的行驶，静置和充电的三种工作状态，，分别采用安时法、开路电压法进行SOC估计，在采用安时法的基础上，采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差，保证SOC精度在8%以内。
所述的显示单元为触摸屏，采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案。用于胶体电池组的状态以及SOC等各种参数的显示、操作设置等。
所述的胶体电池组设置充电机接口。
所述的主控单元设置存储装置。用于存贮各种运行数据，保证可查询历史数据，便于调整和维修。
本发明具有的有益效果是，通过在主控单元的电源端连接胶体电池组，胶体电池组内部的若干胶体电池分别设置采集单元和均衡单元，采集单元和均衡单元分别通过CAN总线连接主控单元的数据端，采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保证电源输出稳定，延长使用寿命，保障电动汽车高效、可靠、安全运行。
通过整体设计优化，发明满足保证电池运行安全。实现：
1、实时跟踪电池运行状态及参数检测：实时采集电池充放电状态，采集数据有电池总电压，电池总电流，每个电池箱内电池测点温度以及单体模块电池电压等。由于动力电池都是串联使用的，所以这些参数的实时，快速，准确的测量是电池管理系统正常运行的基础。
2、剩余电量估算：电池剩余能量相当于传统车的油量。荷电状态（SOC）的估算是了为了让司机及时了解系统运行状况。实时采集充放电电流、电压等参数，并通过相应的算法进行剩余电量的估计。
3、充放电控制：根据电池的荷电状态控制对电池的充放电，当某个参数超标如单体电 池电压过高或过低时，为保证电池组的正常使用及性能的发挥，系统将自动调整充放电电流，首先给低电压电池充电或高电压电池放电至均衡以后，再给整个电池系统充电或放电，保护电池。
附图说明
图1是本发明的原理方框图；
具体实施方式
下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1：
如图1所示，主控单元的数据端设置连接显示单元，主控单元的电源端连接胶体电池组，胶体电池组内部的若干胶体电池分别设置采集单元和均衡单元，采集单元和均衡单元分别通过CAN总线连接主控单元的数据端；采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器进行信息交互。
采集单元和均衡单元一对一分别设置在胶体电池组的各个电池内。
采集单元包括2-20个电压采集装置、2-6个温度传感器和风扇，电压采集装置和温度传感器分别与胶体电池相适应。全面采集整个胶体电池组内各个电池的状态参数，并且与均衡单元配合，使得某一电池电压不一致超过规定值时，自动对电池进行均衡。风扇可以设置在温升较大的位置，保护胶体电池和BMS。
CAN通讯接口电路，采用瞬变电压抑制二极管和自恢复保险丝组成保护电路，并加入共模电感提高抗干扰能力。
根据需要，胶体电池组设置充电机接口。主控单元设置存储装置。用于存贮各种运行数据，保证可查询历史数据，便于调整和维修。
实施例2：
在实施例1的基础上，采集单元包括控制器、模数转换器、温度转换器和CAN收发器，控制器的数据端连接分别连接模数转换器和温度转换器，控制器的通讯端通过光耦隔离器连接CAN收发器，采用差分输入。
采集单元主要参数：供电电源：DC96V±30%
电压测量范围及精度：0-+5V，≤±0.2%
最大检测周期：≤0.2S
检测电池只数：23节
温度检测路数及精度：6路，≤±1℃
风扇控制：1路（可驱动DC24V/0.15A风扇6个）
通信口：1路CAN，1路232
运行温度：-25℃-+70℃
控制器选用集成了CAN控制器模块的dsPIC30F系列芯片；CAN收发器选用MCP2551，通过CAN总线与其他控制系统进行通信；电池电压采样选用12位精度的ADS7841进行差分取样，消除干扰，同时差分输入保证了电池组与检测电路不共地；温度测量选用数字温度传感器DS18B20，采集电池箱内测试点温度。
电池电压采样采用差分输入、光耦继电器切换，光耦隔离，电路简单，保证测量精度。
温度取样部分采用总线方式设计，简化了温度传感器的接入。并提供了隔离保护。
由于电动汽车用电环境复杂，有很强的电磁干扰，从而影响信号在线检测与控制系统的正常工作。为了减小电磁干扰采取如下措施：在CPU和CAN收发器之间加入高速光耦隔离器，并增加瞬变二极管，共模电感，热敏电阻等保护措施；单片机工作电源与车辆电源地线隔离，消除地线窜扰的可能；数字温度传感器使用屏蔽电缆封装，并将屏蔽地搭铁，CAN总线选用屏蔽双绞线；PCB板制作尽量加大线间距，以降低导向间的分布电容并使其导向垂直，以减小磁场耦合，减小电源线走线有效面积及选用性价比高的器件等。
显示单元为触摸屏。用于胶体电池组的状态以及SOC等各种参数的显示、操作设置等。显示单元选用带触摸屏真彩显示，系统采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案，重新设计电源；CAN总线以及与上位PC机之间通讯用485总线系统采用光耦隔离；主板和核心板分开设计，以及采用汽车级别的相关芯片，系统稳定性高，保证该系统能在汽车这样的恶劣环境下工作。
实施例3：
在以上实施例的基础上，主控单元的系统软件均采用模块化程序设计；多种软件抗干扰设计，如数字滤波算法，冗余，软件陷阱，看门狗等技术，防止程序失效，保证系统正常运行。在SOC的估算上采用现在比较成熟的方法，根据电动汽车的工作状态（行驶，静置，充电），分别采用安时法、开路电压法进行SOC估计，在采用安时法简单有效的基础上，在特定条件下采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差，保证SOC精度在8%以内；显示监测系统使用定制的linux2.6.24操作系统，界面采用QT4.62，上位机软件也采用QT4.62进行开发，主要实现：标定程序，SOC估算程序，故障分析子程序，信号监控与报警子程序，实时数据保存，数据和曲线显示，各开关状态显示等功能。
主控单元与采集单元一样，硬件设计增加了多种抗干扰措施，以保证在恶劣电磁环境 下可靠运行；总电流采用采样二档设计，以保证在小电流和大电流情况下，测量精度≤0.5%。
主控单元主要技术参数：
供电电源：DC96V±30%
电压测量范围及精度：0-750V（可选），≤±0.2%
电流测量范围及精度：-300A-+300A，≤±0.5%
SOC估算精度：≤±8%
正负极对地绝缘监测：0-999.9KΩ
通信口：2路CAN，1路RS485
运行温度：-25℃-+70℃。
实施例4：
在以上实施例的基础上，显示单元选用带触摸屏真彩显示，系统采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案，重新设计电源；CAN总线以及与上位PC机之间通讯用485总线系统采用光耦隔离；主板和核心板分开设计，以及采用汽车级别的相关芯片，系统稳定性高，保证该系统能在汽车这样的恶劣环境下工作。CAN总线以及与上位PC机之间通讯用485总线系统采用光耦隔离，主板和核心板分开设计；显示选用7”真彩触摸屏，操作简单、明了。
主要技术参数
供电电源：DC96V±30%
显示屏尺寸：7吋（分辨率800X480）
键盘：最大外扩64键，支持触摸屏输入
语音：最大输出功率1W
通信口：1路CAN，1路RS485，1路以太网
运行温度：-25℃-+70℃。
工作原理：
由于本发明的电池组采用胶体电池，其本身具有1、使用寿命长；2、放电功率高；3、不漏液，免保养；4、可快速充电；5、大电流放电能力强；6、低温保持高容量；7、超低的自放电率；8、胶态能防火无酸溢流等，因此采用胶体电池的本管理系统，采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器或充电机进行信息交互，保证电源输出稳定，延长使用寿命，更能够保障电动汽车高效、可靠、安全运行。
实验证明：
通过整体优化设计，本发明可以实现：
1）采用分布式隔离检测技术，全系统分为四个主要子系统，即采集单元、均衡模块、主控单元、显示单元，四个模块之间采用CAN总线方式进行通讯；
2）鉴于汽车内工作环境恶劣，将所有测量单元尽量靠近测量源并采用单独的测量单元。大大减少环境对各取样点的干扰，提高测量精度；
3）电池电压测量采用差分输入，光耦继电器切换方式进行采样，在保证电压测量精度的基础上，大大简化了采样电路，保证了其稳定性和可靠性；
4）检测精度高。电压测量精度≤±0.2%；电流检测采用二挡自动换挡霍尔传感器，测量精度在10%Ie及以下和10%-100%Ie时，均能保证≤±0.5%；
5）芯片选用汽车级芯片以及高速光耦隔离、瞬变二极管抑制，共模电感，热敏电阻等保护措施，可以在强磁场环境下可靠工作；
6）显示系统除核心板外，软、硬件及驱动程序等都是自行开发，大大降低了成本；
7）功能完善。BMS采用分布式设计，具备对单体电池状态如端电压、特征点温度等实时监控、充放电控制、故障分析及定位、整组电池SOC估算、热管理、实时数据存储及数据库管理等强大功能；
8）BMS主机、采集单元面板设置了电源、运行、过压、过热等指示灯，可以直观方便的了解电池的工作状态；
9）防水防尘设计。为了满足车辆的恶劣运行环境的需求，BMS外壳采用铸铝浇铸一次成型，具有防尘、防溅水功能；
10）模块化设计，减少产品规格，有利于采购，生产管理，检验等各个环节的成本控制，有利于降低整个系统的价格。
Claims (7)
1.一种电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，包括BMS系统的主控单元，其特征在于：主控单元的数据端设置连接显示单元，主控单元的电源端连接胶体电池组，胶体电池组内部的若干胶体电池分别设置采集单元和均衡单元，采集单元和均衡单元分别通过CAN总线连接主控单元的数据端；采集单元对电动汽车的胶体电池组的电池参数进行实时监控，然后通过主控单元进行故障诊断、SOC估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警，充放电模式选择等，并通过CAN总线的方式与车辆集成控制器进行信息交互。
2.根据权利要求1所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的采集单元包括2-20个电压采集装置、2-6个温度传感器和风扇，电压采集装置和温度传感器分别与胶体电池相适应。
3.根据权利要求2所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的采集单元包括控制器、模数转换器、温度转换器和CAN收发器，控制器的数据端连接分别连接模数转换器和温度转换器，控制器的通讯端通过光耦隔离器连接CAN收发器，采用差分输入，控制器采用集成了CAN控制器模块的dsPIC30F系列芯片，CAN收发器选用MCP2551，模数转换器采用DS18B20。
4.根据权利要求1所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的主控单元的SOC估算其根据电动汽车的行驶，静置和充电的三种工作状态，分别采用安时法、开路电压法进行SOC估计，在采用安时法的基础上，采用加权安时法进行SOC校正，消除安时法带来的累计误差，保证SOC精度在8%以内。
5.根据权利要求1所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的显示单元为触摸屏，采用SAM9263B为主芯片的ARM9方案。
6.根据权利要求1所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的胶体电池组设置充电机接口，采集单元通过CAN总线的方式与充电机进行信息交互。
7.根据权利要求1所述的电动汽车主动平衡式胶体电池管理系统，其特征在于：所述的主控单元设置存储装置。
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