CN103529401A - 基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，属于储能技术领域。包括一个以上的电池信息采集设备、一个中央电池管理设备和用于上述电池信息采集设备和中央电池管理设备通信的FlexRay总线，电池信息采集设备根据FlexRay总线的静态时隙为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号，用于实现各采集电路的同步采样。本发明利用FlexRay总线本身的自同步机制，可以实现多个电池单体信息包括电压、电流和温度的同步采集，可以提高整个电池组的SOC和内阻模型的计算精度，从而获得电池组的更合理的运行状态，进而提高电池组的寿命和安全性。

Description

基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置

技术领域

本发明涉及一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，属于储能技术领域。

背景技术

很多与储能相关的对象，比如电动汽车、储能电站等，其整体性能经常很大程度上决定于电池的性能。而由于受电池单体容量、电压的限制，很多储能装备都是以电池组的形式，也即很多单体电池进行串、并联后共同工作的，此时电池管理所需要获取的参数除了电压、电流之外，计算电池组的SOC（State Of Charge，荷电状态）以及内阻估算也很重要。

对于需要更为精确地计算电池内阻模型以及SOC的情况下，电池组内各单体的电压同步采集以及电压和电流的同步采集是非常重要的。目前多采用CAN总线为通信手段的分布式采集方式，虽然此方案可以实现多个电池单体信息的采集与交互，但是在同步采集的问题上不够理想。

尽管目前严格意义上的精确同步无法实现，但可以通过技术手段来对各单体信息采集的时间差缩短，从而实现理论意义上的同步采集。本发明利用了FlexRay总线本身的自同步机制，可以实现多个电池单体信息的同步采集。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，用以实现对多个单体电池电压、温度等信息的同步采集，以提高电池组SOC估算的精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，其外部设备为多个串联连接的被测电池单体，所述装置包括一个以上的电池信息采集设备、一个中央电池管理设备和用于上述电池信息采集设备和中央电池管理设备通信的FlexRay总线；

上述电池信息采集设备用于多个串联电池的电流采集以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、单体温度的采集，所述电池信息采集设备包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路、实时时钟电路、电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路；

上述电池信息采集设备中，中央处理器电路用于为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号；电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路在收到中央处理器电路发出的启动控制信号后，电池单体电压采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体电压信息并将采集结果送至中央处理器电路，电池单体温度采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体温度信息并将采集结果送至中央处理器电路，串联电池电流采集电路开始采集多个串联电池的电流信息并将采集结果送至中央处理器电路；中央处理器电路将获取的多个串联电池的电流信息以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、单体温度信息按照FlexRay通信协议中数据帧的格式整理后通过FlexRay总线接口电路发送至中央电池管理设备；

上述中央电池管理设备包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路和图像显示电路，其中中央处理器电路通过FlexRay总线接口电路接收各电池信息采集设备发送来的电池信息数据，对数据按照电池信息采集设备整理的数据帧格式进行提取后将数据结果由图像显示电路进行显示；

上述FlexRay总线用于连接所述多个电池信息采集设备和中央电池管理设备，为其提供通信介质。

上述电池信息采集设备中，中央处理器电路根据FlexRay总线的静态时隙为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号，用于实现各采集电路的同步采样，FlexRay总线的静态段中静态时隙分配方法如下：

1）在FlexRay总线的每个通信循环的静态段中划分出N+2个以上的静态时隙，其中N为所述电池信息同步采集装置中包含的电池信息采集设备的数量；

2）在每个通信循环中第1个静态时隙到来的时刻，电池信息采集设备中的中央处理器电路会产生中断并捕获该时刻，此时中央处理器电路执行两种操作：一是将该时刻作为同步采样起始时间点，并在该时刻发出启动控制信号，控制电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路开始各自的信息采集任务，二是读取实时时钟以获取当前时间；

3）从第2个静态时隙开始，为每个电池信息采集设备分配至少1个静态时隙，用于中央处理器电路将采集到的电池信息数据以及当前时间发送至FlexRay总线并由中央电池管理设备读取；

4）将最后1个静态时隙分配给中央电池管理设备，中央电池管理设备对此前收到的电池信息采集设备发送的信息进行确认，确认信息在该时隙发送至FlexRay总线并由每个电池信息采集设备进行读取；

FlexRay总线每个通信循环的静态时隙的长度取值要高于t1、t2和t3中的最大值，其中t1为电池信息采集设备完成本次采样的时间，t2为电池信息采集设备完成将采集到的信息数据整理并发送至FlexRay总线的时间，t3为中央电池管理设备完成对电池信息采集设备发送信息的确认的时间。

所述FlexRay总线的物理层可采用双通道冗余或者单通道工作的方式。

有益效果

利用FlexRay总线本身的自同步机制，可以实现多个电池单体信息包括电压、电流和温度的同步采集，可以提高整个电池组的SOC和内阻模型的计算精度，从而获得电池组的更合理的运行状态，进而提高电池组的寿命和安全性。

附图说明

图1为本发明实施例中电池信息同步采集装置的原理框图；

图2为本发明实施例中电池信息采集设备的原理框图；

图3为本发明实施例中中央电池管理设备的原理框图；

图4为本发明实施例中FlexRay总线的调度机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，如图1所示，其外部设备为96个被测电池单体，所述装置包括8个电池信息采集设备、1个中央电池管理设备和用于上述电池信息采集设备和中央电池管理设备通信的FlexRay总线；

上述电池信息采集设备用于12路串联电池的电流采集以及所述12路串联电池中各个电池单体电压、单体温度的采集，所述电池信息采集设备如图2所示，包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路、实时时钟电路、电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路；

上述电池信息采集设备中，中央处理器电路用于为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号；电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路在收到中央处理器电路发出的启动控制信号后，电池单体电压采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体电压信息并将采集结果送至中央处理器电路，电池单体温度采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体温度信息并将采集结果送至中央处理器电路，串联电池电流采集电路开始采集多个串联电池的电流信息并将采集结果送至中央处理器电路；中央处理器电路将获取的多个串联电池的电流信息以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、单体温度信息按照FlexRay通信协议中数据帧的格式整理后通过FlexRay总线接口电路发送至中央电池管理设备，所述按照FlexRay通信协议中数据帧的格式进行整理的过程包括如下两个步骤：

1）设定各信息的比例和偏移量，如单体电压信息的比例为1000，偏移量为0，以一个3.005V的单体电压为例，其在FlexRay数据帧中即体现为3005，占2个字节，这样数据精度可以精确到0.001V，且覆盖范围为0～65V；单体温度信息的比例为1，偏移量为40，以一个27摄氏度的单体温度为例，其在FlexRay数据帧中即体现为67，占1个字节，这样数据精度可以精确到1摄氏度，且覆盖范围为-40～215摄氏度；串联电池的电流信息的比例为10，偏移量为-300，以一个100A的电流为例，其在FlexRay数据帧中即体现为4000，占2个字节，这样数据精度可以精确到0.1A，且覆盖范围为-300～300A；

2）按照先后顺序依次在FlexRay的数据帧中放入串联电池的电流、各电池单体电压和各电池单体温度，也即数据帧中第1～2个字节为串联电池的电流，3～26个字节为各电池单体电压，27～38个字节为各电池单体温度；

上述中央电池管理设备如图3所示，包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路和图像显示电路，其中中央处理器电路通过FlexRay总线接口电路接收各电池信息采集设备发送来的电池信息数据，对数据进行提取后将数据结果由图像显示电路进行显示，所述提取过程为上述整理的过程的逆过程，包括如下两个步骤：

1）先按照字节分别数据帧中的数据将数据进行划分，也即数据帧中第1～2个字节为串联电池的电流，3～26个字节为各电池单体电压，27～38个字节为各电池单体温度；

2）将划分好的数据按照比例和偏移进行逆运算得出实际的电流、电压和温度实际数值；

上述FlexRay总线用于连接所述多个电池信息采集设备和中央电池管理设备，为其提供通信介质。

上述电池信息采集设备中，中央处理器电路根据FlexRay总线的静态时隙为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号，用于实现各采集电路的同步采样，FlexRay总线的调度机制如图4所示，每个通信循环中包含了静态段、动态段、符号窗口段和闲置时间段，其中FlexRay总线的静态段中静态时隙分配方法如下：

1）在FlexRay总线的每个通信循环的静态段中划分出16个静态时隙；

2）在每个通信循环中第1个静态时隙到来的时刻，电池信息采集设备中的中央处理器电路会产生中断并捕获该时刻，此时中央处理器电路执行两种操作：一是将该时刻作为同步采样起始时间点，并在该时刻发出启动控制信号，控制电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路开始各自的信息采集任务，二是读取实时时钟以获取当前时间；

3）将第2至第9个静态时隙分别分配给8个电池信息采集设备，用于中央处理器电路将采集到的电池信息数据以及当前时间发送至FlexRay总线并由中央电池管理设备读取；

4）将第13个静态时隙分配给中央电池管理设备，中央电池管理设备对此前收到的电池信息采集设备发送的信息进行确认，确认信息在该时隙发送至FlexRay总线并由每个电池信息采集设备进行读取；

5）将第10个静态时隙分配给中央电池管理设备，用于在中央电池管理设备分析到电池单体存在异常的情况下将报警数据发送至FlexRay总线，其他静态时隙可按照其他功能需求分配；

FlexRay总线每个通信循环长度为10ms，静态时隙的长度取值为150us；

所述FlexRay总线的物理层采用单通道也即只有A通道工作的方式。

FlexRay总线的通信机制中，时钟同步校正机制(MTG)和时钟同步计算机制(CSP)保证了FlexRay总线的同步性能，也即保证了各电池信息采集设备对电池数据的同步采样。

以上对本发明所提供的一种基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置进行了详细介绍，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，外围设备为多个被测电池单体，所述多个电池单体为串联连接，其特征在于，包括一个以上的电池信息采集设备、一个中央电池管理设备和用于上述电池信息采集设备和中央电池管理设备通信的FlexRay总线； 

上述电池信息采集设备用于多个串联电池的电流采集以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、温度的采集，所述电池信息采集设备包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路、实时时钟电路、电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路； 

上述电池信息采集设备中，中央处理器电路用于为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号；电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路在收到中央处理器电路发出的启动控制信号后，电池单体电压采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体电压信息并将采集结果送至中央处理器电路，电池单体温度采集电路开始采集多个串联电池中各个电池单体温度信息并将采集结果送至中央处理器电路，串联电池电流采集电路开始采集多个串联电池的电流信息并将采集结果送至中央处理器电路；中央处理器电路将获取的多个串联电池的电流信息以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、单体温度信息按照FlexRay通信协议中数据帧的格式整理后通过FlexRay总线接口电路发送至中央电池管理设备； 

上述中央电池管理设备包括中央处理器电路、FlexRay总线接口电路和图像显示电路，其中中央处理器电路通过FlexRay总线接口电路接收各电池信息采集设备发送来的电池信息数据，对数据按照电池信息采集设备整理的数据帧格式进行提取后将数据结果由图像显示电路进行显示。 

2.根据权利要求1所述的基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，其特征在于，所述中央处理器电路将获取的多个串联电池的电流信息以及所述多个串联电池中各个电池单体电压、单体温度信息按照FlexRay通信协议中数据帧的格式整理的过程包括如下两个步骤： 

1）设定各信息的比例和偏移量并由此确定各信息所占的字节数； 

2）按照先后顺序依次在FlexRay的数据帧中放入串联电池的电流、各电池单体电压和各电池单体温度。 

3.根据权利要求2所述的基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，其特征在于，所述设定各信息的比例和偏移量并由此确定各信息所占的字节数的过程为：设定单体电压信息的比例为1000，偏移量为0，由此确定每个单体电压占2个字节，设定单体温度信息的比例为1，偏移量为40，由此确定每个单体温度占1个字节，设定串联电池的电流信息的比例为10，偏移量为-300，由此确定串联电池电流占2个字节。 

4.根据权利要求1、2或3所述的基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，其特征在于，所述电池信息采集设备中，中央处理器电路根据FlexRay总线的静态段中静态时隙为电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路提供同步采样起始时间点并发出启动控制信号，用于实现各采集电路的同步采样。 

5.根据权利要求4所述的基于FlexRay总线的电池信息同步采集装置，其特征在于，所述FlexRay总线的静态段中静态时隙分配方法如下： 

1）在FlexRay总线的每个通信循环的静态段中划分出N+2个以上的静态时隙，其中N为所述电池信息同步采集装置中包含的电池信息采集设备的数量； 

2）在每个通信循环中第1个静态时隙到来的时刻，电池信息采集设备中的中央处理器电路会产生中断并捕获该时刻，此时中央处理器电路执行两种操作：一是将该时刻作为同步采样起始时间点，并在该时刻发出启动控制信号，控制电池单体电压采集电路、电池单体温度采集电路和串联电池电流采集电路开始各自的信息采集任务，二是读取实时时钟以获取当前时间； 

3）从第2个静态时隙开始，为每个电池信息采集设备分配至少1个静态时隙，用于中央处理器电路将采集到的电池信息数据以及当前时间发送至FlexRay总线并由中央电池管理设备读取； 

4）将最后1个静态时隙分配给中央电池管理设备，中央电池管理设备对此前收到的电池信息采集设备发送的信息进行确认，确认信息在该时隙发送至FlexRay总线并由每个电池信息采集设备进行读取； 

FlexRay总线每个通信循环的静态时隙的长度取值要高于t1、t2和t3中的最大值，其中t1为电池信息采集设备完成本次采样的时间，t2为电池信息采集设备完成将采集到的信息数据整理并发送至FlexRay总线的时间，t3为中央电池管理设备完成对电 池信息采集设备发送信息的确认的时间。 

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