CN103682485B - 用于动力电池组的非接触式分布控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动力电池组的非接触式分布控制系统，包括电池控制系统和多个电池控制单元；多个所述电池控制单元通过非接触式数据传输方式与所述电池控制系统进行通信；所述电池控制单元采集所连接的电池单元的状态数据，发送至所述电池控制系统；所述电池控制系统接收并处理各所述电池控制单元所采集的数据。本发明不仅结构简单巧妙、装配的复杂程度小，提高了整个电池系统的可靠性；同时可以对多种动力电池组通用，减少了电池控制系统的开发时间以及开发费用。

Description

用于动力电池组的非接触式分布控制系统

技术领域

本发明涉及一种动力电池组控制系统，尤其涉及一种用于动力电池组的非接触式分布控制系统，属于电池管理技术领域。

背景技术

随着石油资源争夺日益升级、全球气候环境不断恶化，汽车节能环保技术已经成为当今全球汽车业所面临的重大技术挑战。近年来，人们对电动汽车的期望越来越高，但由于电动汽车的成本，尤其是动力电池组的制造成本很高，使得电动汽车一直未能真正进入市场。如何降低动力电池组的制造成本、减少研发上市时间、提高工作可靠性，是电动汽车大量投入市场前需要解决的重要问题。

图1为一个典型的电池控制系统的电路结构图。动力电池组要获得高压，需要由多个电池进行串联。通常一个动力电池组中由1～25个电池模块串联而成，每个电池模块包含多个电池单元。每个电池模块均有电池控制电路，其包括至少有一个电压控制器和一个均衡电路。电压控制器对每个独立电池单元的电压值和温度值进行采样，采样数据通过内部总线传送到上一级电池控制系统（Battery Management System，简称为BMS）。BMS决定了电池的状态和控制电能存储的方式。它将对所有电池单元的采样数据进行计算，并推导出动力电池组的整体状态。计算结果通过外部总线传送到汽车控制系统中。此外，BMS还具有电池均衡、热调整、高压开关、安全控制等功能。

欧洲ENIAC JUE3CAR计划已经完成了图1所示电池控制系统的设计、测试和验证工作。其中，一个动力电池组包含25个电池模块，每个电池模块包含4个电池单元。图2显示了一个典型的电池模块，其包括4个电池单元。每个电池单元单独连接温度传感器、电压连接器等器件。电池模块的控制电路要实现对每个电池单元电压调整、电流均衡和温度测量，需要进行复杂的连线。当每个电池模块所含电池单元的数量较多时，整个电池控制系统的成本是很大的。另一方面，供电部分和信号部分要有可靠的电隔离，元器件的选取以及集成需要充分考虑。除了上述问题之外，现有的电池控制系统还存在以下几个问题：

（1）大量的连线和触点容易引起电池失效；

（2）大规模生产时，安装电池单元的人工成本非常高；

（3）不同的电动汽车需要不同的动力电池组。对于新的动力电池组，电池控制电路不能实现通用，需要重新设计。这样会延长产品上市时间，增加研发费用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于动力电池组的非接触式分布控制系统。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于动力电池组的非接触式分布控制系统，包括电池控制系统和多个电池控制单元；

多个所述电池控制单元通过非接触式数据传输方式与所述电池控制系统进行通信；

所述电池控制单元采集所连接的电池单元的状态数据，发送至所述电池控制系统；

所述电池控制系统接收并处理各所述电池控制单元所采集的数据。

其中较优地，所述电池控制单元包括电池电压均衡器、温度传感器、微控制器以及信号调整模块；

所述电池电压均衡器连接所述电池单元的两极；

所述微控制器分别与所述电池单元的两极、所述电池电压均衡器、所述温度传感器以及所述信号调整模块相连接；

所述信号调整模块与所述电池控制系统进行通信。

其中较优地，所述电池电压均衡器包括晶体管和电阻；

所述晶体管的栅极与所述微控制器相连，漏极连接所述电阻，源极与所述电池单元的负极相连；

所述电阻的另一端连接电池单元的正极。

其中较优地，所述非接触式数据传输方式为射频方式、电容耦合方式、电感耦合方式或者光耦合方式中的一种。

其中较优地，在所述电容耦合方式下，各电池控制单元之间采用差分信号串级链接结构或者差分信号并行链接结构。

本发明所提供的动力电池组非接触式分布控制系统，不仅结构简单巧妙、装配的复杂程度小，提高了整个电池系统的可靠性；同时本发明可以对多种动力电池组通用，减少了电池控制系统的开发时间以及开发费用。

附图说明

图1为现有技术中，一个典型的电池控制系统的结构示意图；

图2为多个电池单元组成电池模块的原理框图；

图3为本发明中，采用差分信号串级链接结构的非接触式分布控制系统的结构示意图；

图4为本发明中，采用差分信号并行链接结构的非接触式分布控制系统的结构示意图；

图5为本发明所采用的双向信号发送电路的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明所提供的用于动力电池组的非接触式分布控制系统包括电池控制系统和多个电池控制单元；多个电池控制单元通过非接触式数据传输方式与电池控制系统进行通信；电池控制单元采集所连接的电池单元的状态数据，发送至电池控制系统；电池控制系统接收并处理各个电池控制单元所采集的数据。下面对本发明提供的非接触式分布控制系统展开详细的说明。

参见图3和图4所示，本发明中的电池控制单元采用分布式控制方式，即每个电池单元由一个电池控制单元对其进行单独控制。该电池控制单元包括电池电压均衡器、温度传感器、微控制器以及信号调整模块。电池电压均衡器一方面与微控制器相连，另一方面与电池单元的两极相连；微控制器分别与电池单元的两极、温度传感器以及信号调整模块相连；信号调整模块与电池控制系统进行连接。

电池电压均衡器用于均衡电池单元的电流。在本发明的一个实施例中，电池电压均衡器采用被动式无源控制方式，包括一个晶体管和一个电阻。其中，晶体管的栅极与微控制器相连接，漏极接电阻，源极与电池单元的负极相连接。电阻的另一端接电池单元的正极。温度传感器需用屏蔽电缆封装，并将屏蔽地搭铁，以便减少电磁干扰。内部总线选用屏蔽双绞线。温度传感器需要接近电池，同时与微控制器连接。微控制器进行数据采样、信息存储和信号处理。它对电池单元的电压、温度等电池状态信息进行采样处理。信号调整模块接收微控制器的数据，并对该数据进行信号容错、信号带宽、电平等调整后，通过双向信号发送电路发送至电池控制系统。

相对于现有的集中控制方式，本发明对每一个电池单元单独进行控制。电池控制单元对与之连接的电池单元采样后，直接将数据发送至电池控制系统。因此，本发明所提供的分布式控制系统省去了电池控制电路，使得控制布线变得简单，避免了因大量连线、触点引起的电池失效，有效提升了动力电池组的可靠性。

在本发明的一个实施例中，电池控制单元与电池控制系统之间优选采用非接触式数据传输方式。图5为实现该非接触式数据传输方式的双向信号发送电路。参见图5所示，双向信号发送电路的每一端都可以进行发送和接收。在数据传输时，电池控制系统直接控制每个电池控制单元进行双向通信，可以保证发送与接收的速度达到1Mbps。为实现电池控制单元与电池控制系统的双向通信，本发明采用多种不同的数据通信方式，例如欧姆接触方式、射频（RF）方式、光耦合方式、电感耦合方式以及电容耦合方式。由于采用欧姆接触方式需要实现可靠的电接触，成本相对较高。采用射频方式不但需要结构复杂的发送器和接收器，同时电池单元内的大电流可能会产生电磁兼容等问题，导致可靠性不高。因此在本发明中，优选采用非接触式数据传输方式，具体包括电容耦合方式、电感耦合方式或光耦合方式。

下面以电容耦合方式为例，对本发明的具体技术方案进行详细说明。对于电感耦合方式或者光耦合方式，可依据电容耦合方式的电路原理进行适应性的调整，这里不再详细赘述。

在电容耦合方式下，电池控制单元之间的链接结构可以分为两种拓扑结构：差分信号串级链接、差分信号并行链接。

首先，介绍差分信号串级链接结构。参见图3所示的实施例，每个电池控制单元包含四个电容中每个电容的一个极板，从信号调整模块引出。其中，两个电容极板与双向信号发送电路引出的两个电容极板构成两个耦合电容，用于电池控制单元与电池控制系统之间的通信；另外两个电容极板与相邻的电池控制单元中的两个电容极板也构成两个耦合电容，用于相邻电池控制单元之间的通信；依次类推，最后一个电池控制单元的两个电容极板与双向信号发送电路中引出的两个电容极板分别构成两个耦合电容。

其次，介绍差分信号并行链接结构。参见图4所示的实施例，每个电池控制单元有两个电容中每个电容的一个极板，从信号调整模块引出。这两个电容极板与双向信号发送电路引出的两个电容极板分别构成两个耦合电容。每个电池控制单元通过这两个耦合电容与电池控制系统实现并行链接。

在本发明中，电池控制单元和电池控制系统之间通过电容耦合方式传输数据，对电容值没有具体限定。电容的选取较为容易，例如电容极板可以采用较为简单的铜片构成，不需要特殊的介质层，使得电池控制系统的制造成本显著降低。在本发明的一个实施例中，所采用的电容铜片面积为1cm²，介质采用的是50μm厚的聚酰亚胺，电容值大约为25pF。另外，为了减少磁场的耦合，减小电源线走线的有效面积等，PCB板的设计及制作应尽量加大线间距，以降低导向之间的分布电容并使其导向垂直。

在本发明中，电池控制系统通过内部总线与动力电池组中的多个电池控制单元、电流传感器以及安全开关板进行通信，同时通过外部总线与汽车控制系统进行通信。为保证电池控制系统满足一定的计算能力和安全级别要求，该电池控制系统优选采用InfineonTricore（TC1797）32位微处理器以及安全监测芯片CIC61508，同时结合内嵌自计算功能，使得电池控制系统的安全性得到有效保障。这里的内嵌自计算功能是指不用通过总线传输数据，电池控制系统可以自行进行计算。

电池控制系统接收多个电池控制单元所传输的信息，通过对这些信息的处理判断出电池的各种状态。它的具体工作原理如下：电池控制系统实时接收并采集动力电池组中的多个电池控制单元的电池状态信息，包括电池单元的电压、温度、压力和均衡电流等电池状态信息。首先，采集的数据经过提取、分析并传输至过滤器；过滤器滤除测量不一致的数据或通信产生的误差后，发送至内部预置的电池单元计算模型。电池单元计算模型计算出电池状态指标并发送到汽车控制系统中。汽车控制系统接收电池的状态指标，通过人机界面通知汽车驾驶员。电池控制系统通过实时采集电动汽车的动力电池参数，可以实现对动力电池组的实时监控、故障诊断、电池充电状态（SOC）估算、行驶里程估算、短路保护、漏电监测、显示报警等。另外，电池控制系统还可以实现对电池充放电模式的控制。为保证动力电池组的正常使用及性能的发挥，当电池单元的某个参数超标，如单体电池电压过高或过低时，电池控制系统将切断继电器，停止该电池单元的能量供给和释放。如果电池控制系统检测出动力电池组发生安全故障等，例如电隔离失效等，同样会尽快采取相应的保护措施，从而保证了整个电池系统的安全。

综上所述，本发明相对于现有技术的优点在于：避免众多的连线和触点，提高了整个电池系统的可靠性。对于新的动力电池组无需重新设计电池控制电路，减少了电池控制系统的开发时间，降低了开发费用。另外，本发明不仅适用于棱柱型、袋状、圆柱型等多种类型的动力电池组，同时还适用于其他形式的储能装置如超级电容等。

以上对本发明所提供的用于动力电池组的非接触式分布控制系统进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (4)

1.一种用于动力电池组的非接触式分布控制系统，其特征在于包括电池控制系统和多个电池控制单元；

多个所述电池控制单元采用差分信号并行链接结构，通过电容耦合方式与所述电池控制系统进行通信；其中，每个电池控制单元具有两个电容中每个电容的一个电容极板，从信号调整模块引出；这两个电容极板与双向信号发送电路引出的两个电容极板分别构成两个耦合电容，每个电池控制单元通过这两个耦合电容与电池控制系统实现并行链接；

所述电池控制单元采集所连接的每个电池单元的状态数据，直接发送至所述电池控制系统；

所述电池控制系统接收并处理各所述电池控制单元所采集的数据。

2.如权利要求1所述的非接触式分布控制系统，其特征在于：

所述电池控制单元包括电池电压均衡器、温度传感器、微控制器以及信号调整模块；

所述电池电压均衡器连接所述电池单元的两极；

所述微控制器分别与所述电池单元的两极、所述电池电压均衡器、所述温度传感器以及所述信号调整模块相连接；

所述信号调整模块与所述电池控制系统进行通信。

3.如权利要求2所述的非接触式分布控制系统，其特征在于：

所述电池电压均衡器包括晶体管和电阻；

所述晶体管的栅极与所述微控制器相连，漏极连接所述电阻，源极与所述电池单元的负极相连；

所述电阻的另一端连接电池单元的正极。

4.如权利要求1所述的非接触式分布控制系统，其特征在于：

所述电池控制系统具备内嵌自计算功能；所述内嵌自计算功能是指不用通过总线传输数据，电池控制系统可以自行进行计算。