CN104816813A - 一种船用锂电池组电池管理冗余控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的是提供一种船用锂电池组电池管理冗余控制系统，包括主控设备、从控设备、备用主控设备、电池组模块、ZIGBEE无线冗余模块、上位机后台监控模块、独立线路冗余模块；主控设备与从控备在总线无故障时，通过总线通信；主控设备与备用主控设备在运行时通过生命信号进行联络；备用主控设备与从控设备在总线无故障时，通过总线通信；ZIGBEE无线冗余模块在总线故障时,采集电池组模块状态关键参数，并将采集的数据上传主控设备或备用主控设备；上位机后台监控模块用于电池参数的监视和控制指令的下传，独立线路冗余模块用于上位机后台监控模块对电池组模块的直接控制或应急控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池管理系统，具体涉及一种船用锂电池组电池管理系统控制系统。
背景技术
近年来，随着电动汽车的兴起，电池管理系统（BMS）也取得了长足进步。虽然电池管理系统没有非常成熟统一的整套技术方案及标准，但目前技术上较成熟的BMS已经能对电池的电压、电流、温度进行实时检测，同时还可进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒功能，计算剩余容量(SOC)、电功率等状态，还能根据电池的电压、电流及温度利用算法来控制最大输出功率（电流）以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电，并且可以通过CAN网络协议通信接口进行总线互联、实时通讯。国外的通用、奔驰和丰田等著名汽车企业研发的 BMS 已经配备在电动汽车上。我国在BMS领域内研究水平正在快速上升。例如比亚迪股份有限公司于 2008 年推出 BMS 成功应用于双模 F3 混合动力车以及纯电动汽车上；春兰公司研发的基于总线 CAN的 BMS 系统，具有较好的保护功能和自诊断能力等。哈尔滨冠拓电源采用模块化设计动力电池管理系统，北理工为某型号的混合动力车上的镍氢电池组设计的 BMS 取得较好的电池均衡和保护功能。清华大学为轻型电动客车设计的 BMS，其最大的特点是设计了一套电池诊断及均衡方案。北京交通大学其设计的车载 BMS加入了绝缘检测和故障诊断功能，保证了系统的稳定运行。北京航空航天大学针对纯电动汽车的镍氢电池 BMS，其主要特点是将总线CAN应用于电动汽车的 BMS。
目前针对新能源（特别是纯电力推进）船舶的能量管理系统，大多数情况是，直接将车载BMS应用于船舶来实现对电池能量的管理。国内外文献目前并没有详细区别车载和船载BMS的不同。
目前的车载电池管理系统（车载BMS），由主控BCU和从控LECU两部分组成，两者之间通过CAN总线通信互联。结合图1，从控LECU实现电池参数（电压、温度、电流等）的采集，以及根据电池模型的状态计算（如SOC计算）和均衡控制策略的制定，故障报警及充放电管理，整个从控LECU以低功耗模式运行，继电器开关在不安全的使用工况下切断电池组总正总负电缆，起到保护电池组的作用。主控BMS模块以RS485-Modbus或工业以太网等方式实现从控LECU信息的外发，集中监控、管理整个CAN网络的信息交换。应用到电动汽车上，主控BCU实现与整车控制器及车载仪表盘的互联，同时通过GRRS、3G及WIFI等技术将电动汽车实时参数上传云端服务器，通过JAVA、C#等上位机软件，开发跨平台集中管控界面，实现与云端信息的同步，支持后台界面的管理及维护。
目前的车载电池管理系统（车载BMS）安装空间狭小，考虑到成本问题，整个系统的设备及线路没有实现双冗余。这在电动汽车上是可行的，在电池管理系统（BMS）发生故障时，电动汽车以较小放电电流工作到维修地点，甚至可以在电池管理系统（BMS）切断全车动力电池供电的情况下，通过外力牵引，容易到达指定地点进行维修。
针对船舶，其舱室结构复杂，空间不规则。加之高湿度、高盐度、易发霉等恶劣气候因素对BMS通信线路的腐蚀，以及电缆穿舱过室方式的合理性，检修、维护、保养的便捷性等各种因素都与电动汽车锂电池管理系统有较大的差异。
同时，船舶海况比较复杂，不定因素大，风、浪、流干扰因素具有明显的随机不确定性，并且船舶负荷波动频繁且变化范围大，动力电池一旦故障，会引发灾难性后果。
因此，直接将车载BMS应用于船舶来实现对电池能量的管理，存在明显的缺点：电池管理系统（BMS）没有做到双冗余，可靠性能低，发生故障难以及时修复。
发明内容
本发明旨在低成本下提高船舶电池管理系统（船舶BMS）的可靠性能。实现某些通信线路及关键节点设备发生故障时，船舶电池管理系统仍能以较高可靠性实时监视电池组使用状态，保证全船低故障率，并提高船舶设备安全性。
本发明采用以下技术方案实现：一种船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：包括主控BCU设备、从控LECU设备、备用主控BCU设备、电池组模块、ZIGBEE无线冗余模块、上位机后台监控模块、独立线路冗余模块；所述主控BCU设备与从控LECU设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述主控BCU设备用于总线CAN的监控管理、从控LECU设备信息流的调度、电池组模块相关数据的分析处理及上位机接口的扩展；所述从控LECU设备用于电池组模块状态参数采集、电池组模块报警指示、电池组模块参数计算、电池组模块充放电管理及总线CAN通信实现；所述主控BCU设备与备用主控BCU设备在运行时通过生命信号进行联络；所述备用主控BCU设备与从控LECU设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述ZIGBEE无线冗余模块在总线CAN故障时，采集所述电池组模块状态关键参数，并将采集的数据上传到主控BCU设备或备用主控BCU设备；所述上位机后台监控模块用于电池参数的监视和控制指令的下传，同时对历史数据进行存盘；所述独立线路冗余模块用于上位机后台监控模块对电池组模块的直接控制或应急控制。
在本发明一实施例中，当主控BCU设备正常运行过程中，其通过总线CAN实时采集从控LECU设备上传的电池参数，并每隔3-5秒，向上位机后台监控模块发送诸如电池组模块关键状态参数，上位机后台监控模块对历史数据进行存盘,此时备用主控BCU设备只对来自运行中的主控BCU设备生命信号进行监听，处于低功耗模式；当检测到运行中的主控BCU设备生命信号异常时，备用主控BCU设备复位异常运行的主控设备BCU，并从上位机后台监控模块回传断点处电池组模块的关键状态参数，在下个指令周期，备用主控BCU设备从断点进程中继续执行，实现主控BCU设备和备用主控BCU设备之间的热切换，并由上位机后台监控模块给出切换指示。
在本发明一实施例中，所述ZIGBEE模块独立于总线CAN；所述ZIGBEE模块采用星形拓扑结构。
进一步的，所述系统包括四种工作模式：从控LECU设备故障或CAN总线故障模式；主控BCU设备故障之后切换到备用BCU设备模式；从控LECU设备故障且主控BCU设备故障之后切换到备用BCU设备模式；应急模式。
在本发明一实施例中，还包括一报警故障指示灯和一网关设备；现场测试和系统升级时，所述报警故障指示灯用于指示提醒；所述网关设备实现与驾驶台相关协议转换及路由选择。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：具有线路冗余和设备冗余，在船舶海况比较复杂及负荷波动频繁的情况下，大大提高电池管理系统的可靠性能，降低全船故障率。
附图说明
图1为现有技术中汽车BMS的结构框图。
图2为本发明结构示意图。
图3为本发明四种故障模式下冗余技术实现示意图。
图4为本发明一具体实施例的工作示意图。
图5为本发明一实施例中ZIGBEE终端节点设备结构框图。
图6为本发明一实施例中ZIGBEE协调器节点设备工作流程图。
图7为本发明一实施例中ZIGBEE终端节点设备工作流程图。
图8为本发明设备冗余的控制流程图。
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说明。
本发明采用以下技术方案实现：一种船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：包括主控BCU设备、从控LECU设备、备用主控BCU设备、电池组模块、ZIGBEE无线冗余模块、上位机后台监控模块、独立线路冗余模块；所述主控设备与从控设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述主控BCU设备用于总线CAN的监控管理、从控LECU设备信息流的调度、电池组模块相关数据的分析处理及上位机接口的扩展，所述从控LECU设备用于电池组模块状态参数采集、电池组模块报警指示、电池组模块参数计算、电池组模块充放电管理及总线CAN通信实现；所述主控BCU设备与备用主控BCU设备在运行时通过生命信号进行联络；所述备用主控BCU设备与从控LECU设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述ZIGBEE无线冗余模块在总线CAN故障时，采集所述电池组模块状态关键参数，并将采集的数据上传到主控BCU设备或备用主控BCU设备；所述上位机后台监控模块用于电池参数的监视和控制指令的下传，同时对历史数据进行存盘；所述独立线路冗余模块用于上位机后台监控模块对电池组模块的直接控制，也可以作为紧急情况下的应急控制。本发明的结构示意图参见图2。
在本发明一实施例中, 当主控BCU设备正常运行过程中，其通过总线CAN实时采集从控LECU设备上传的电池参数，并每隔3-5秒，向上位机后台监控模块发送诸如电池组模块关键状态参数，后台模块对历史数据进行存盘,此时备用主控BCU设备只对来自运行中的主控设备生命信号进行监听，处于低功耗模式；当检测到运行中的主控BCU设备生命信号异常时，备用主控BCU设备复位异常运行的主控设备，并从上位机后台监控模块回传断点处的电池组模块的关键状态参数，在下个指令周期，备用主控BCU设备从断点进程中继续执行，实现主控BCU设备和备用主控BCU设备之间的热切换，并在上位机后台监控模块给出切换指示，从而实现主控BCU设备的主从热备份。
较佳的，所述ZIGBEE模块独立于总线CAN，实现电池关键参数的ZIGBEE无线冗余；所述ZIGBEE模块采用星形拓扑结构。
较佳的，还包括一报警故障指示灯和一网关设备；现场测试和系统升级时，所述报警故障指示灯用于指示提醒；所述网关设备实现与驾驶台相关协议转换及路由选择。
本发明中船用锂电池组电池管理系统可以实现4种模式下的冗余技术方案：①仅线路冗余技术；②仅设备冗余技术；③线路冗余和设备冗余同时作用的冗余技术；④仅独立线路冗余技术。分别对应于以下4种模式：①从控LECU故障或CAN总线故障模式；②BCU故障之后切换到备用BCU设备模式；③LECU故障且BCU故障之后切换到备用BCU设备模式；④应急模式。具体参见图3。
从控LECU故障或CAN总线故障时，本发明的船用锂电池组电池管理系统（BMS）工作于①模式。该模式下电池状态关键参数（电压、温度、电流）的采集通过ZIGBEE终端设备节点上传至BCU主控设备，再上传至后台监控模块，后台监控模块将操作电池组关键继电器的控制指令通过独立的RS485总线进行下传。本发明的电池组管理系统通过冗余技术方案①，保证了上述故障模式①下的可靠运行。
运行中的BCU主控设备故障时，本发明的船用锂电池组电池管理系统（BMS）工作于②模式。该模式下电池组状态关键参数（电压、温度、电流）通过LECU从控设备进行采集上传，备用的BCU主控设备通过检测到的生命信号，复位运行中的BCU主控设备，同时从上位机后台监控模块恢复状态参数，实现主控BCU备用设备在下一个执行周期从故障断点处继续向下执行。备用BCU主控设备正常运行后，后台监控模块将控制指令通过备用BCU主控设备下传至从控LECU设备，实现对电池组关键继电器的操作。本发明的电池管理系统通过冗余技术方案②，保证了上述故障模式②下的可靠运行。
LECU故障且运行中的BCU主控设备同时故障时，本发明的船用锂电池组电池管理系统（BMS）工作于③模式。该模式下电池组状态关键参数（电压、温度、电流）通过ZIGBEE终端设备节点进行采集；备用的BCU主控设备实现在下一个执行周期从故障断点处继续向下执行，将从控LECU采集的参数上传至上位机后台监控模块，然后后台监控模块将操作电池组关键继电器的控制指令通过独立的RS485总线进行下传。本发明的电池管理系统通过冗余技术方案③，保证了上述故障模式③下的可靠运行。
当LECU故障、运行中的BCU主控设备故障同时备用BCU主控设备不能启动时，整个电池组电池关键参数（电压、温度、电流）无法正常上传，本发明的船用锂电池组电池管理系统（BMS）工作于④模式。此时，后台监控模块将控制指令通过独立总线进行下传，实现对电池组关键继电器的应急操作，保证船舶安全性和可靠性。本发明的电池管理系统通过冗余技术方案④，保证了上述故障模式④下的可靠运行。
本发明一具体实施例的工作示意图参见图4。整个系统采用CAN现场总线技术，实现BCU（主控BMS设备）和LECU（从控BMS设备）之间通信互联，且主控BMS设备和从控BMS设备支持总线模块的在线拔插及扩展升级。DSP（TMS320F2812）设备实现BCU主控功能：总线监控和信息流的调度、整船电池组相关数据（如SOC、DOH等）的处理和与上位机接口的扩展。报警故障指示灯设备用来进行现场测试和系统升级使用。预留的网关设备主要用来和驾驶台相关协议的转换和路由选择（如NEMA2000等）。LECU为BMS从控设备，它包括：电池状态参数（电压、电流、温度）采集、电池报警指示、均衡策略和驱动电路、相关电池SOC/SOH等参数计算、充放电管理、CAN通信控制。
在本发明的具体实施方式中，纯电动船舶锂电池组BMS系统冗余设计由两大部分组成：线路冗余和设备冗余。
线路冗余包括ZIGBEE无线冗余及独立线路冗余。
ZIGBEE无线冗余包括ZIGBEE 终端节点设备和协调器设备。由于本发明中的ZIGBEE无线冗余不需要ZIGBEE终端节点之间互相通信，因此网络采用星形拓扑结构，外围节点直接和中心节点无线连接，结构简单，设备成本低。协调器作为星型网络的中心，完成网络信标的发送、整个网络的建立、网络节点的管理及网络节点信息的存储，当整个网络启动和配置成功之后，它退化成一个普通的路由器。终端设备节点实现电池关键参数（电压、电流、温度）的采集，并通过ZIGBEE发送至协调器设备。
ZIGBEE终端节点设备包括：电池温度和电压采集模块、隔离电源模块、ZIGBEE无线网络上传模块三部分。具体结构框图参见图5。
在本发明一具体实施例中，电池温度和电压采集采用LINEAR TECHNOLOGY的LTC6804-1 Multicell Battery Monitors(多节电池组监视器芯片)。LTC6804-1芯片从电池总正极和总负极之间取电，可以测量12串电池电压并具有低于1.2mV的总测量误差。所有12节电池电压可以在290us之内完成测量，并可选择较低的数据采集速率以实现高噪声一致。3路温度采集使用NTC-10K热敏电阻，并通过LTC6804-1的GPIO口进行A/D采样，热敏电阻两端电压的变化就反应了测量温度的变化。
隔离电源模块采用LTC6802芯片，该芯片和LTC6804-1配合使用，实现电参数采集芯片LTC6804-1和ZIGBEE发射端CC2530的SPI总线隔离，防止电池组充放电过程中电压波动对整个电路板的影响。
ZIGBEE无线网络上传模块采用CC2530芯片，实现入网申请和数据上传的功能。为了与ZIGBEE协调器建立连接，终端节点设备需要向协调器提出请求，协调器在接收到请求后根据具体情况确定是否允许其入网连接并对请求连接做出响应。节点与协调器建立连接后，就可以实现数据的发送。节点入网流程可以分为以下几个步骤：主动扫描周围网络协调器信标，向协调器发出连接申请；等待协调器处理，准备接受协调器的连接响应；发送数据请求命令，提取协调器信标帧中的关联响应命令；若终端节点设备入网成功，保存协调器指定的短地址和扩展地址；若无法入网，责终端节点设备重新发送请求信息，直到入网成功。
ZIGBEE协调器设备负责构建网络，并对入网申请的终端设备进行响应和管理。协调器设备将终端ZIGBEE设备上传的数据通过串口发送至BCU。协调器工作流程如图6、7所示。
整个ZIGBEE线路冗余通过协调器以广播的方式组建网络，终端设备在识别协调器建立的网络信标后，以单播方式加入网络，并以1.5S周期通过LTC6804-1采集电池组的温度和电压信号，并将数据无线发送，协调器收到数据后，将其通过串口送给BCU（主控）设备。
整个ZIGBEE线路冗余可以在CAN通信线路及LECU（从控）设备发生故障时，实现对电池组状态参数的监控，实现电池管理系统的冗余。
在本发明一具体实施例中，将后台监控模块的控制命令经输出模块转换成I/O信号，直接控制电池组总开关、加热器、风扇等保护、报警继电器，来实现本发明中的电池组管理系统独立线路冗余。独立线路冗余也可以作为紧急情况下的应急控制。当BCU(主控BMS设备)、BCU主控备用设备、LECU从控设备、ZIGBEE设备（终端节点设备和协调器设备）及其相互之间连线发生故障时，独立线路冗余实现后台监控模块对电池组继电器的控制，实现电池组管理系统的可靠性运行，同时保证船舶动力性能的连续性和船舶设备的安全性。独立线路冗余中的输出模块实现Modbus协议解析并输出驱动功能，市场上较为常见，这里不再赘述。
本发明结合纯电动船舶锂电池组BMS系统架构和软硬件资源，在保证系统进程不丢失甚至少丢失的情况下，实现BCU主控设备的双机主从热备模式，实现BCU主控备用设备在下一个执行周期从断点进程处重新开始执行。设备冗余的流程如图8示。BCU主控设备和BCU备用主控BCU设备在运行时，通过生命信号进行联络。当BCU主控设备正常运行过程中，其通过CAN总线实时采集LECU上传的电池参数，并每隔3-5秒，向上位机后台监控模块发送诸如电池组SOC、SOH、总压、程序指针、寄存器堆栈等关键状态参数，后台监控模块对历史数据进行存盘。此过程中，BCU备用主控BCU设备只对来自运行中的BCU主控设备生命信号进行监听，此时BCU备用设备处于低功耗模式。当检测到运行中的BCU主控设备生命信号异常时，BCU备用主控BCU设备复位运行的BCU主控设备，并从上位机回传断点处的电池组和程序指针等关键状态参数，在下个指令周期，BCU备用主控BCU设备从断点进程中继续执行，实现BCU主控设备到BCU备用主控BCU设备之间的热切换，并在上位机后台监控模块给出切换指示。由于整个电池组充放电过程在一个小时以上，切换过程中丢失的3-5秒数据相对电池组的正常使用是可以忽略不计的。因此，本发明的BCU设备冗余可以实现在误差精度范围内对的电池组的安全监测和管理。
以上所述仅为本发明的一较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1. 一种船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：包括主控BCU设备、从控LECU设备、备用主控BCU设备、电池组模块、ZIGBEE无线冗余模块、上位机后台监控模块、独立线路冗余模块；所述主控BCU设备与从控LECU设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述主控BCU设备用于总线CAN的监控管理、从控LECU设备信息流的调度、电池组模块相关数据的分析处理及上位机接口的扩展；所述从控LECU设备用于电池组模块状态参数采集、电池组模块报警指示、电池组模块参数计算、电池组模块充放电管理及总线CAN通信实现；所述主控BCU设备与备用主控BCU设备在运行时通过生命信号进行联络；所述备用主控BCU设备与从控LECU设备在总线CAN无故障时，通过总线CAN通信；所述ZIGBEE无线冗余模块在总线CAN故障时，采集所述电池组模块关键状态参数，并将采集的数据上传到主控BCU设备或备用主控BCU设备；所述上位机后台监控模块用于电池参数的监视和控制指令的下传，同时对历史数据进行存盘；所述独立线路冗余模块用于上位机后台监控模块对电池组模块的直接控制或应急控制。
2.根据权利要求1所述的船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：当主控BCU设备正常运行过程中，其通过总线CAN实时采集从控LECU设备上传的电池参数，并每隔3-5秒，向上位机后台监控模块发送诸如电池组模块关键状态参数，上位机后台监控模块对历史数据进行存盘,此时备用主控BCU设备只对来自运行中的主控BCU设备生命信号进行监听，处于低功耗模式；当检测到运行中的主控BCU设备生命信号异常时，备用主控BCU设备复位异常运行的主控设备BCU，并从上位机后台监控模块回传断点处电池组模块的关键状态参数，在下个指令周期，备用主控BCU设备从断点进程中继续执行，实现主控BCU设备和备用主控BCU设备之间的热切换，并由上位机后台监控模块给出切换指示。
3.根据权利要求1所述的船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：所述ZIGBEE模块独立于总线CAN；所述ZIGBEE模块采用星形拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：所述系统包括四种工作模式：从控LECU设备故障或CAN总线故障模式；主控BCU设备故障之后切换到备用BCU设备模式；从控LECU设备故障且主控BCU设备故障之后切换到备用BCU设备模式；应急模式。
5.根据权利要求1所述的船用锂电池组电池管理冗余控制系统，其特征在于：还包括一报警故障指示灯和一网关设备；现场测试和系统升级时，所述报警故障指示灯用于指示提醒；所述网关设备实现与驾驶台相关协议转换及路由选择。
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