CN104553852A - 一种电动汽车电池管理系统混合通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种汽车电池管理控制器总成混合通信系统，采用菊花链通信、串口通信和CAN通信结合，系统包括主板02、分板03、电池组04、采样线束05；所述主板02和分板03通过CAN总线连接；所述分板03和电池组04通过电池组线束05连接。分板内部采用通信方式简单的菊花链和串口进行通信，分板与主板间采用抗干扰能力强更加成熟的CAN通讯进行通信，可以提升整个系统的抗干扰能力和可靠性，降低系统的成本。

Description

一种电动汽车电池管理系统混合通信系统

技术领域

本发明属于电动汽车电池管理技术，具体涉及一种电池管理控制器总成CAN总线、菊花链和串口通信的混合通信技术。

背景技术

在全球汽车工业面临金融危机、能源危机和环境保护等问题的巨大挑战，发展电动汽车，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成广泛的共识。目前，我国已出台许多政策扶持和引导电动吃车行业的快速发展，以加速提高国内电动汽车产业的竞争力，缩短其成熟期。

动力电池组作为电动汽车的关键部件，动力电池组根据不同的整车需求，单体数从几十个到上百串不等，其对动力电池的监控和管理必须放在动力电池系统首要考虑的对象之一，其每个单体的电压等必须进行实时通信，因此对通信方式提出了较高的要求。

以目前常见的锂电池为动力的电动汽车为例，为了达到期功率要求，动力电池组由多个单体电池组串联组成，普通纯电动小客车的动力电池的总电压普遍高于300V,而目前锂电池单体电压均小于4V,所以需要监控可能多达一百个单体的电压，目前主流单体采集芯片均只能实现最多12个单体的电压采集，所以需要可能多达10个的电池管理芯片用到电池管理系统中用于对监控和管理锂电池单体。

现有技术中，电池管理系统较为成熟的通信技术方案，主要使用CAN通信电路作为电池管理系统分板与主板间的通信电路，CAN电路具有如下特点：监视与控制能力强，可靠性与故障容限高，实时响应性好，报文长度小，体系结构与协议的复杂性简单，通信速率高，对环境的要求低，抗干扰能力强，可靠性高等优点。但此种通信电路运用到电池管理系统中存在成本高，电路复杂等缺点。在单体采集芯片采集对数据进行采集后，通过串口通信与单片机进行数据交付，单片机再通过CAN通讯将数据传递到主单片机，但电池管理系统采集的是高压（动力电池的单体电压和总电压等），所以数据传递过程中需要对高压采集部分和低压处理部分电路进行隔离处理。因为在一套管理系统中可能用到多达两位数的单体采集芯片，每一个单体采样芯片均要使用一个从单片机和一套隔离电路，导致电池管理控制器总成成本高。而电路中较多的隔离电路使BMS的EMC问题更加难以控制；

菊花链电路是一种新型的基于ASIC单体采样电路，菊花链通信是简化的级联模式，采用串联通信方式，该通信模式可以传输来自主控制器的控制命令，也可以与相邻芯片进行数据传输，而且菊花链通信对于多级的电池管理芯片，具有自动识别技术，不需要对分板进行硬件编制，分板的数量可任意增减和互换，主要的优点是提供集中管理的扩展端口，电路简单，不需要额外的外围电路，成本低；但菊花链通信方式抗干扰能力差；因高低压通信未使用同一参考地，容易受到参考地电压波动的影响等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中所存在的上述缺陷，提供一种成本低，且能实现可靠通信的针对汽车电池管理控制器总成的混合通信系统，具有更大的管理能力和高扩展性。

本发明的技术方案如下：

本发明针对汽车电池管理控制器总成设计了一种CAN、菊花链及串口通信的混合通信方式，其采用菊花链通信、串口通信和CAN通信，所述菊花链通信基于ASIC单体采集芯片。

本发明所述混合通信系统包括主板、分板、电池组、电池组线束，分板内部采用通信方式简单的菊花链和串口进行通信，分板与主板间采用抗干扰能力强更加成熟的CAN通讯进行通信，提升整个系统的抗干扰能力和可靠性，降低系统的成本。

具体, 所述主板和分板通过CAN总线连接；所述分板和电池组通过电池组线束连接。

所述主板中包括CAN收发器和主板单片机；

所述分板中包括ASIC芯片、通信电容、分板单片机和隔离CAN收发器；

所述分板内部包括多个ASIC芯片，每个ASIC芯片采集对应电池组的单体电压和温度，分板内部的ASIC芯片与ASIC芯片之间的数据交付采用菊花链通信，分板内部对应采集最低单体电压的ASIC芯片与分板单片机通过串口进行数据交付，分板内部分板单片机通过隔离CAN收发器后与主板进行数据交付，隔离CAN收发器用于动力电池高压和整车低压系统进行隔离；

所述主板的命令通过第一块分板依次向下分板进行数据输出，ASIC芯片执行完命令后，由底层的一块ASIC芯片将采集到数据向上依次传输数据，传输数据通过通信电容对两个ASIC芯片的参考地进行隔离，菊花链通信具体采用两条差分通信的信号线和两条差分通信的错误信号线进行通信；

CAN总线上的数据通过主板内部的CAN转换芯片将数据传递给主板单片机，单片机对数据采集，根据采集到的数据对电池进行管理，包括电池总电压、电池单体电压和电池的环境温度等信息，用于计算电池能量SOC、允许充放电电流和是否开启均衡等功能。

采用以上技术方案，可以给本发明带来以下优点：

1、使用更加灵活：CAN总线上最多可以扩展上百个的节点，且支持上百米的传输距离，分板内菊花链通信支持上百个ASIC芯片的级联通信，整个通信网络可支持上万个ASIC芯片的输出传输，可支持上万个单体电池的监控和管理，不但适用于纯电动汽车和大型客车的应用，同样也适用于大型电池储能设备的管理和监控。

2、成本低：本发明采用板内之间的ASIC芯片采用菊花链通信方式，采用至下而上的级联传输形式，多个芯片对应一个单片机、一套隔离通信CAN电路和CAN电源；再也不需要每个ASIC芯片对应一个单片机、一套隔离通信CAN电路和CAN电源，其总体成本节约一半以上。

3、通信更加可靠：由于电动车内电池数量多，为了减少单体采样线束的长度，分板采用靠近电池组进行布置，采样线束长度短，但导致分板与分板之间产生较长的通信线束；电动车内大功率电器多，电磁兼容环境恶劣，分板与分板之间采用菊花链通信极易受到干扰，容易导致信号出错影响使用，所以分板与分板间的通信采用抗干扰能力极强的CAN通信进行通信。而分板内部由于传输距离短，且板内干扰小，所以选择结构简单低成本的菊花链进行通信。这样在降低成本和减少系统复杂程度的同时提高系统的可靠性。

附图说明

图1 本发明的电池包示意图。

图2 分板内部ASIC芯片与ASIC芯片之间菊花链通信示意图。

图3 分板内部ASIC芯片与板内单片机串口通信示意图。

图4 分板与分板外通过隔离CAN通信的示意图。

图5 电池管理系统CAN网络节点连接示意图。

图6 主板CAN通信示意图。

图中，电池包01；主板02；分板03；电池组04；采样线束05；ASIC芯片11；通信电容12；分板单片机13；隔离CAN收发器14；CAN收发器15；主板单片机16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示的电池包01，包括主板02、分板03、电池组04、采样线束05。所述主板02和分板03通过CAN总线连接，分板03和电池组04通过电池组线束05连接。

其中主板02中包括CAN收发器15；主板单片机16。主板单片机可采用飞思卡尔公司32位单片机，CAN收发器15采用NXP公司TJA系列High-speed CAN transceiver，主板通过CAN通信传输主板中MCU的命令和分板上传的信息，分板的数据通过CAN双绞线连接到整个通信CAN网络中。

其中分板03中包括ASIC芯片11、通信电容12、分板单片机13、隔离CAN收发器14。

分板03内部包括多个ASIC芯片11，每个ASIC芯片11采集对应电池组04的单体电压和温度，分板03内部的ASIC芯片11与ASIC芯片11之间的数据交付采用菊花链通信，分板03内部对应采集最低单体电压的ASIC芯片11与分板单片机13通过串口进行数据交付，分板03内部分板单片机13通过隔离CAN收发器14后与主板02进行数据交付，隔离CAN收发器14用于动力电池高压和整车低压系统进行隔离。

分板03可根据实际使用需求进行数量配置；分板03内部ASIC芯片11数量可根据项目需求结合分板03使用数量进行配置。

如图2所示，ASIC芯片11具有采集至多16路单体采集电压的能力和具备6路温度采集能力，并具备执行对过高电压单体被动均衡的能力。主板02的命令通过第一块分板依次向下分板进行数据输出，ASIC芯片11执行完命令后，由底层的一块ASIC芯片11将采集到数据向上依次传输数据，传输数据通过通信电容12对两个ASIC芯片11的参考地进行隔离，通信电容12是一种低成本的隔离通信方式，菊花链通信具体采用两条差分通信的信号线和两条差分通信的错误信号线进行通信，通常在数据线COMML+和COMML-之间加共模滤波电感滤出干扰。

如图3所示，分板中顶部ASIC芯片11与分板中单片机13通过串口进行通信，ASIC芯片11支持菊花链和串口通信两种通信方式，顶部ASIC芯片11将其他ASIC芯片11传递上来和其本身采集的数据通过串口通信传递给分板单片机13。

如图4所示，分板单片机13采用飞思卡尔公司的16位单片机，将该分板03采集所有电池单体电压份和所有温度数据传进行通信转换，转换为CAN通信进行数据传输，本发明中对为实现隔离通信，隔离CAN收发器14的电源ISO-VDD和16位单片机13的电源均使用ASIC芯片11输出的电源进行供电，隔离CAN收发器另一端供电则使用12V电动车车身电源进行供电；此12V电源可由主板02采用受控电源或直接从12V电池提供，以此保障动力电池与车身壳体的绝缘性能；

如图5所示，电池管理系统中分板03和主板02均采用双绞线连接到通信CAN网络中，CAN节点的数量可以根据需求进行增减，其中更具CAN通信的特点，需在主板和任意一块分板中加入120欧姆的CAN终端电阻。

如图6所示，CAN总线上的数据通过主板02内部的CAN转换芯片15将数据传递给主板32位单片机16，单片机16对数据采集，32位单片机16根据采集到的数据对电池进行管理，包括电池总电压、电池单体电压和电池的环境温度等信息，用于计算电池能量SOC、允许充放电电流和是否开启均衡等功能。

综上，本发明所述的系统由主板通过CAN通信传输主板中MCU的命令和分板上传的信息，分板的数据通过CAN双绞线连接到整个通信CAN网络中；分板中的通过隔离CAN收发器对CAN信号进行传输，使用隔离CAN用于隔离动力电池和车身低压（12V）系统，因单体采集电路使用每一个模组动力电池低电势点作为参考零电势点， 所以必须进行隔离；分板内通过16位单片机一方面将采集到的信号通过CAN传输出去和接收主板的命令，另一方面通过此单片机与单体电压和温度采集芯片通过串行通信进行数据传输，该ASIC单体采集芯片同时具备串行通信和菊花链通信方式，ASIC芯片通过串口通信与单片机进行数据传输，每个分板内由多个ASIC芯片，ASIC芯片与ASIC芯片之间通过菊花链进行通信，菊花链之间通过高压电容进行信号传输，高压电容既可以对不同的两个参考地进行隔离又能传输信号，是实现菊花链通信的关键器件，ASIC芯片与ASIC芯片之间可以通过此通信方式实现多芯片的级联通信。

可见，本发明设计的电池管理控制器总成的CAN、串口和菊花链混合通信方式非常高的创新性和实用性，基于此通信原理的电池管理控制器总成其通信方式灵活，分板的数量和单体采集芯片数量均可灵活配置，对电池布局设计和电池模组设计具有极强的适应能力。分板内部因通讯线路固定，干扰因素简单等特点，采用成本低且通信方式简单的菊花链和串口进行通信；分板与主板间采用抗干扰能力强更加成熟的CAN进行通信；提升了整个系统的抗干扰能力和可靠性，降低了整个系统的通信成本。

Claims (5)

1.一种汽车电池管理控制器总成混合通信系统，其特征在于，所述混合通信系统采用菊花链通信、串口通信和CAN通信结合，系统包括主板（02）、分板（03）、电池组（04）、采样线束（05）；所述主板（02）和分板（03）通过CAN总线连接；所述分板（03）和电池组（04）通过电池组线束（05）连接；

所述主板（02）中包括CAN收发器（15）和主板单片机（16）；

所述分板（03）中包括ASIC芯片（11）、通信电容（12）、分板单片机（13）和隔离CAN收发器（14）；

所述分板（03）内部包括多个ASIC芯片（11），每个ASIC芯片采集对应电池组（04）的单体电压和温度，分板（03）内部的ASIC芯片与ASIC芯片之间的数据交付采用菊花链通信，分板（03）内部对应采集最低单体电压的ASIC芯片（11）与分板单片机（13）通过串口进行数据交付，分板（03）内部分板单片机（13）通过隔离CAN收发器（14）后与主板（02）进行数据交付，隔离CAN收发器（14）用于动力电池高压和整车低压系统进行隔离；

所述主板（02）的命令通过第一块分板依次向下分板进行数据输出，ASIC芯片（11）执行完命令后，由底层的一块ASIC芯片（11）将采集到数据向上依次传输数据，传输数据通过通信电容（12）对两个ASIC芯片的参考地进行隔离，菊花链通信具体采用两条差分通信的信号线和两条差分通信的错误信号线进行通信；

CAN总线上的数据通过主板（02）内部的CAN转换芯片（16）将数据传递给主板单片机（15），单片机对数据采集，根据采集到的数据对电池进行管理，包括电池总电压、电池单体电压和电池的环境温度等信息，用于计算电池能量SOC、允许充放电电流和是否开启均衡等功能。

2.根据权利要求1所述的汽车电池管理控制器总成混合通信系统，其特征在于，所述分板中顶部ASIC芯片（11）与分板单片机（13）通过串口进行通信，ASIC芯片（11）支持菊花链和串口通信两种通信方式，顶部ASIC芯片将其他ASIC芯片传递上来和其本身采集的数据通过串口通信传递给分板单片机（13）。

3.根据权利要求1所述的汽车电池管理控制器总成混合通信系统，其特征在于，所述分板单片机（13）采用16位处理器单片机，其将分板（03）采集所有电池单体电压份和所有温度数据传进行通信转换，转换为CAN通信进行数据传输。

4.根据权利要求1所述的汽车电池管理控制器总成混合通信系统，其特征在于，所述隔离CAN收发器（14）的电源ISO-VDD和分板单片机（13）的电源均使用ASIC芯片（11）输出的电源进行供电，隔离CAN收发器（14）另一端供电则使用12V电动车车身电源进行供电，此12V电源可由主板（02）采用受控电源或直接从12V电池提供。

5.根据权利要求1所述的汽车电池管理控制器总成混合通信系统，其特征在于，所述分板（03）和主板（02）均采用双绞线连接到通信CAN网络中，CAN节点的数量可以根据需求进行增减，在主板和任意一块分板中加入120欧姆的CAN终端电阻。