CN104834235B - 用于参数测量的电池控制器模块之间的时间同步 - Google Patents

Abstract

电动车辆内的多单元电池组通过多个感测模块监控。主控制器耦接到第一多个单元来测量每个单元的预定参数。主控器确定用于采样每个第一多个单元的预定参数以固定频率重现的采样时刻。主控制器在每个采样时刻产生同步脉冲。辅助控制器耦接到第二多个单元来测量每个单元的预定参数。辅助控制器接收脉冲信号来启动以主控制器固定频率的预定倍数的频率操作的脉冲发生器。辅助控制器计数通过脉冲发生器产生的脉冲和根据预定的脉冲计数安排同步的二次采样时刻。

Description

用于参数测量的电池控制器模块之间的时间同步

相关申请的交叉引用

不适用。

关于联邦政府赞助研究的声明

不适用。

背景技术

本发明总体上涉及电动车辆内的电池监控，且更具体地，涉及通过使多单元电池或电池组内的不同单元的模块分离进行的同步测量。

直流(DC)电源(例如，电池)和用于全电动车辆或混合动力电动车辆的电力驱动的其它元件需要监控，从而最大限度地提高效率和性能以及检测潜在的故障。常用电池的类型——比如锂离子(Li-Ion)——使用大量堆叠在一起成为电池组的单独的电池单元。除了监控通过电池组输出的总电压以外，每个单元被典型地单独监控来确定它们的电压生产，电流和其它参数。每个电池单元的温度也被监控，从而防止过热。

由于所涉及的高电压水平，在堆叠内操作各自单元的中间电压的范围，以及所要求的精确度的高水平，所以可靠地监控各种电池条件是非常具有挑战性的。各种电池监控的集成电路设备已经在商业上开发用于车辆环境中的使用。商业上可用的电池监控IC设备的示例包括可向马萨诸塞州诺伍德的亚德诺半导体(Analog Devices,Inc.)购买的AD7280A设备，可向加利福尼亚州米尔皮塔斯的凌力尔特公司(Linear TechnologyCorporation)购买的LTC6804设备和可向加利福尼亚州米尔皮塔斯的英特矽尔公司(Intersil Corporation)购买的ISL94212多单元锂离子电池管理器。

典型的电池能量控制器模块(BECM)使用IC设备，其包括或可被编程为包括各种电池管理和除了监控功能以外的通信功能。然而，由于空间的限制，BECM设备典型地包括用于监控至多大约一百个单独电池单元的输入。单个电池组可以具有超过一百个单元，并且一些车辆可以包括一个以上的电池组。因此，电池组感测模块(BPSM)通常与额外的监控IC一起使用来测量其它单元的参数，并且将它们报告给BECM。

为了精确地测量和评估与单独电池单元相关联的各种参数，同步对多个单元所进行的测量变得很重要。由于负载变化，例如，单独单元电压和电流会非常快地变化以致于在不同的采样时间进行的测量减少了准确比较一个单元和另一个单元性能的能力。每个监控IC对其所有单元同时平行采样，被称为采样时刻(sampling moment)。

由于每个BPSM包含内部时间基准，所以其单元的测量很容易地同步。然而，由于电池组内大量的单元，当需要多个IC时，在分离的BPSM之间的协调信号可能是必要的。正如美国专利申请公布说明书2010/0161260 A1中所提出的，外部产生的定时脉冲可以被分配到每个BPSM以致于电池单元参数的采样可以同时被触发。这种同步的方式具有不能够提供测量的预先通知来允许任何预备的步骤在IC内将被采用的缺点，以及产生或检测定时信号的任何失败可能未被察觉并且可能导致缺少测量。

另一个解决方案已经允许BECM内部地产生其采样时刻，然后根据采样时刻的发生发送多路复用消息给BPSM。然而，多路复用消息包括会在BECM的初次采样时刻和BPSM的二次采样时刻之间造成不良延迟的消息仲裁和传输内的固有延迟。

发明内容

在本发明的一个方面，提供装置用于具有至少一个多单元电池组的电动车辆。主控制器耦接到第一多个单元来测量第一多个单元中的每个单元的预定参数。主控制器确定用于采样每个第一多个单元的预定参数以固定的频率重现的采样时刻。主控制器在每个采样时刻产生同步脉冲。辅助控制器被耦接到第二多个单元来测量第二多个单元中的每个单元的预定参数。辅助控制器接收同步脉冲来启动以主控制器固定频率的预定倍数操作的脉冲发生器。辅助控制器计数通过脉冲发生器产生的脉冲和根据预定的脉冲计数安排二次采样时刻。

根据本发明的一个实施例，其中脉冲计数在达到计数等于预定倍数减一之后停止，并且二次采样时刻在最后计数脉冲之后以固定延迟发生。

根据本发明的一个实施例，其中主控制器和辅助控制器通过多路复用总线连接，其中主控制器在每个采样时刻发送多路复用消息到辅助控制器，并且如果脉冲发生器没有已经启动，则一旦收到每个多路复用消息时辅助控制器启动脉冲发生器。

根据本发明的一个实施例，其中辅助控制器测量同步信号的预定特性，将测量的特性与预定的限制进行比较来检测有效性，且当比较检测到无效时，则响应于多路复用消息仅仅启动脉冲发生器。

根据本发明的一个实施例，其中预定参数由单元电压组成。

根据本发明的一个实施例，其中辅助控制器在另一个脉冲计数处安排用于另一个参数的另一个采样时刻。

根据本发明的一个实施例，其中另一个参数由单元电流组成。

根据本发明的一个实施例，其中另一个参数由穿过多个单元的电压组成。

根据本发明的一个实施例，其中主控制器由电池能量控制器模块组成，且辅助控制器由电池组感测模块组成。

根据本发明的一个实施例，其中第一多个单元设置在第一电池组内并且第二多个单元设置在第二电池组内。

根据本发明，提供一种同步电动车辆内的多单元电池的参数测量的方法，包含：

耦接到第一多个单元的主控制器确定以固定频率重现的初次采样时刻；

在初次采样时刻，主控制器产生同步脉冲和采样每个第一多个单元的预定参数；

耦接到第二多个单元的辅助控制器响应于同步脉冲启动以主控制器固定频率的预定倍数的频率操作的脉冲发生器；

辅助控制器计数通过脉冲发生器产生的脉冲和根据预定的脉冲计数安排二次采样时刻；以及

辅助控制器在二次采样时刻采样每个单元的预定参数。

根据本发明的一个实施例，其中脉冲计数在达到计数等于预定倍数减一之后停止，并且二次采样时刻在最后计数脉冲之后以固定延迟安排。

根据本发明的一个实施例，其中主控制器和辅助控制器通过多路复用总线连接，且本发明的方法进一步包含以下步骤：

主控制器在每个初次采样时刻发送多路复用消息到辅助控制器；以及

如果脉冲发生器没有已经启动，则一旦收到每个多路复用消息时辅助控制器启动脉冲发生器。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包含以下步骤：

辅助控制器测量同步信号的预定特性；

将测量的特性与预定的限制进行比较来检测有效性；以及

当比较检测到无效时，则响应于同步信号抑制脉冲发生器的启动。

根据本发明的一个实施例，其中预定参数由单元电压组成。

根据本发明的一个实施例，本发明的方法进一步包含辅助控制器在另一个脉冲计数处安排用于另一个参数的另一个采样时刻的步骤。

根据本发明的一个实施例，其中另一个参数由单元电流组成。

根据本发明的一个实施例，其中另一个参数由穿过多个单元的电压组成。

根据本发明，提供一种用于同步电池单元测量的装置，包含：

产生以固定频率重现的初次采样时刻的主控制器；以及

具有以固定频率的倍数操作的脉冲发生器的辅助控制器；

其中主控制器发送立即的同步信号和多路复用消息给辅助控制器用于启动脉冲发生器，脉冲发生器脉冲的计数确定与初次采样时刻同步的二次采样时刻。

附图说明

图1是显示了一种类型的具有主电池组和电池能量控制模块的电动车辆的框图。

图2是显示了多单元电池组和用于感测电池单元电压和电流的相关联的模块的示意图。

图3是更详细地显示了本发明的模块的一个实施例的框图。

图4是显示了本发明的一个实施例中主控制器内采样时刻的计时的流程图。

图5是显示了用于确定与初次采样时刻同步的辅助控制器内的二次采样时刻的一个优选方法的流程图。

图6是显示了任务信号和通过主控制器的初次采样时刻的安排的计时图。

图7是显示了通过主控制器产生的同步信号在与图6相同的时间尺度上的计时图。

图8显示了在通过响应于同步信号触发辅助控制器内的脉冲发生器产生的一系列脉冲。

具体实施方式

如本文所使用的术语“电动车辆”包括具有用于车辆推进的电动马达的车辆，比如纯电动车辆(BEV)，混合动力电动车辆(HEV)和插电式混合动力电动车辆(PHEV)。BEV包括电动马达，其中，用于马达的能量源是从外部电网可重新充电的电池。在BEV中，电池是用于车辆推进的能量的来源。HEV包括内燃发动机和电动马达，其中用于发动机的能量源是燃料并且用于马达的能量源是电池。在HEV中，发动机是用于车辆推进的能量的主要来源，电池提供用于车辆推进的补充能量(例如，电池缓冲燃料能量和以电的形式恢复动能)。PHEV类似于HEV，但是PHEV具有从外部电网可重新充电的较大容量电池。在PHEV中，电池是用于车辆推进的主要来源，直至电池耗尽到低能级的能量，此时，PHEV类似于HEV操作用于车辆推进。

举例来说，图1将车辆10描述为通过电动马达11推进而没有来自内燃发动机的帮助的纯电动车辆(BEV)。马达11接收电力，并且提供驱动转矩用于车辆推进。马达11也可以起到发电机的作用用于通过再生制动将机械能转变成电能。马达11是动力传动系统12的一部分，在动力传动系统12中，变速箱13使马达11耦接到从动轮14。变速箱13通过预定的齿轮比调节马达11的驱动转矩和速度。

车辆10包括含有主电池组16和电池能量控制器模块(BECM)17的电池系统15。电池组16的输出连接到逆变器18，其将通过电池供应的直流(DC)电源转变成用于根据来自牵引控制模块(TCM)20的命令操作马达11的交流(AC)电源。TCM 20除了其他方面以外监控马达11的位置，速度和功耗，并且提供对应于该信息的输出信号给其它包括主车辆控制器21的车辆系统(例如，其可以是动力传动系统控制模块，或PCM)。

提供AC充电器22用于从比如交流电网这样的外部供给电源(未示出)为主电池16充电。尽管车辆10被显示为BEV，但是本发明适用于使用多单元电池组的任何电动车辆，包括HEV和PHEV。

图2更详细地显示了本发明的实施例，其中第一电池组25包括与电池能量控制器模块(BECM)27包装在一起的多单元电池26。电池26的每个单独单元被耦接到BECM 27的各自采样输入。第二电池组30包括多单元电池31，单独单元耦接到电池组感测模块(BPSM)32的各自采样输入。BECM 27充当主控制器并且充当针对BPSM 32的主导装置，BPSM 32充当提供电池31的预定单元参数的测量给BECM 27的辅助控制器。尽管BECM 27和BPSM 32在分离的电池组内被显示，但是在相同的具有BECM 27的电池组内当辅助BPSM连接到各自单独单元时，本发明也可以被使用。

BECM 27和BPSM 32之间的相互连接更详细地在图3中被显示。BECM 27具有包括系统计时器36和程序执行块37的主微控制器35。通过程序块37控制的输出驱动器38可以由用于产生将要发送到BPSM 32的同步信号的外围电路设备组成。

BPSM 32包括具有触发周期计时器41和程序执行块42的微控制器40。输入接收器43是用于接收来自输出驱动器38的同步脉冲和转发接收到的同步脉冲到触发周期计时器41的外围电路。多路复用总线45(比如CAN总线)通过在BECM 27内的CAN节点46和在BPSM 32内的CAN节点47相互连接BECM 27和BPSM 32。本发明与来自BECM的同步脉冲的接收同时启动周期计时器41，并且然后测量对应于BECM 27的脉搏周期的时间，从而使BPSM 32创造与在BECM 27内使用的时间基准同步的内部时间基准。这允许BPSM 32提前知道何时采样时刻被预期且能够检测何时同步脉冲的接收会被中断。

BECM 27充当主控制器，并且确定触发所有连接到BECM 27的单独电池单元的采样的初次采样时刻。初次采样时刻以通过来源于系统计时器36的主脉搏信号限定的固定频率重现。例如，在本示例中，系统计时器36每1毫秒(ms)产生时钟节拍。基于1毫秒的时钟节拍，预定的任务信号(即，脉搏)根据特定的周期——比如100毫秒——产生，从而提供重复执行作为BECM 27的功能的一部分的预定任务的安排。这些预定任务中的一个是连接到BECM 27的比如电池单元电压这样的单独电池单元的预定参数的采样。类似于脉搏信号，采样时刻以100毫秒的重复周期发生，但不一定与主脉搏同步。通过安排脉搏信号之间的初次采样时刻，测量结果和相关的计算可以在下一次脉搏信号之前完成，因为它们可以通过在脉搏信号上发生的其它过程或功能使用。

BECM 27内的操作更详细地在图4中被显示。因此，如框50中所示的每100ms产生主任务信号(即，脉搏)。在框51中，指数延迟产生作为来自主任务脉搏的固定偏移(例如，每次脉搏之后80毫秒)。在指数延迟之后，当框52中所示的功能立刻被执行时，初次采样时刻发生，这些功能最好包括i)同步脉冲的产生，ii)多路复用消息的产生，以及iii)用于连接到主控制器BECM 27的第一多个单元的预定参数(例如，电压或电流)的样品的捕获。

BPSM 32内的操作是根据图5中的一个优选的方法被显示。在步骤55中，执行核对来确定同步脉冲是否已经从主控制器中被接收。如果没有，则在步骤56中执行核对来确定表明二次采样时刻发生的多路复用消息是否在步骤56中发生。如果没有，则返回到步骤55中用于进一步监控同步脉冲。因此，在根据同步脉冲的操作失败的情况下，通过多路复用消息接收的初次采样时刻发生的通知操作作为备份来确保测量仍然通过利用相对接近于主控制器的计时的计时的辅助控制器进行。

在通过步骤55中同步脉冲的接收或步骤56中多路复用消息的接收触发后，辅助BPSM控制器在步骤57中启动脉冲发生器(即触发的周期性计时器)，并且设置计数值C等于零。脉冲发生器以与主控制器内的系统计时器相同的节拍率(例如，1毫秒)计数，经受在两个分离的IC中的计时基准之间的任何差异。步骤58代表在通过脉冲发生器产生的脉冲之间出现的1毫秒的延迟。在步骤60中，计数值C被增加1，并且当前计数值C与步骤61中的值99进行比较。如果99的计数值没有达到，则返回到步骤58来等待下一个1毫秒延迟的完成和用于随后脉冲的在步骤60中的计数值的进一步增加。一旦计数值已增加到99，则计数在步骤62中被停止(和/或脉冲发生器被停止)。在步骤63中，安排二次采样时刻使得其将在最后计数脉冲之后发生1毫秒。

正如前述示例所示，通过辅助BPSM内的触发周期计时器形成的脉冲发生器以主BECM内产生的采样时刻的固定频率的预定倍数的频率产生脉冲。通过以固定频率的预定倍数操作，辅助控制器可以预测同步脉冲即将到来的发生，因此它可以准备即将到来的测量和安排相对于与主BECM内发生的事件同步的二次采样时刻的其它事件。在本示例中，每100毫秒产生主任务脉搏，导致初次采样时刻以每秒10个的频率产生。采用配置为以每秒1000个脉冲操作的脉冲发生器(以便预定倍数等于100)和采用通过先前的同步脉冲最初同步启动的脉冲发生器，来自脉冲发生器的每第100个脉冲通常将会与下一个后续的同步脉冲实质上同时产生。因此，在辅助控制器内产生的二次采样时刻的计时通过计数来自脉冲发生器的等于预定倍数减一的脉冲得到，并且然后等待对应于相同脉冲周期(例如，1毫秒)的固定延迟，从而识别用于二次采样时刻的同步计时。

所期望的计时更详细地在图6-8中被显示。在图6中，每100毫秒产生多个主任务脉搏或任务信号65。初次采样时刻的安排被设置为在每个任务脉搏之后跟随80毫秒的延迟，导致初次采样时刻66。图7将通过BECM产生的同步脉冲显示为一系列脉冲67。每个同步脉冲67具有与各自初次采样时刻66一致的前沿68。每个同步脉冲最好具有预定的脉冲宽度(即，占空比)，比如大约20毫秒。基于通过主控制器使用来产生标称同步脉冲的目标特性，辅助控制器可以测量从主控制器中接收的同步信号的实际特性。然后辅助控制器可以将测量的特性与目标特性周围预定的限制进行比较，从而检测同步信号的有效性，并且当比较检测到无效时，辅助控制器可以进入响应于多路复用消息仅启动脉冲发生器的模式中。

图8显示了通过触发周期性计时器产生的脉冲的计数(例如，通过BPSM微控制器的程序执行块所计数的)。在0毫秒的时间，同步脉冲被接收并且脉冲发生器被启动，以便第一脉冲与同步脉冲几乎同时产生(例如，在20微秒内)。计数通过同步脉冲重置，以便第一脉冲具有零计数。在1毫秒以后，脉冲序列的下一个脉冲被产生且计数增加到1。在2毫秒以后，导致计数被递增到2的脉冲产生。在99毫秒以后，计数等于预定倍数(即，100)减一。当99的计数被检测到时，计数被停止。因此，下一个将是第100次脉冲的计数脉冲不进行计算。相反，二次采样时刻在脉冲99之后以1毫秒实施。同时，下一个同步脉冲应该在大约第100次脉冲已经内部产生的时候被接收。因此，下一个脉冲0被显示为在100毫秒的时间发生。假设同步脉冲的生成和接收被正确地执行，那么脉冲0将会非常接近脉冲100会发生的时间发生——仅分开与在两个IC的计时基准之间的任何误差成比例的量。因为每个新的脉冲计数通过来自主控制器的精确同步信号触发，所以误差不会积聚在辅助控制器使用的计时内。

如本文所使用的，在采样时刻测量的预定参数可以是单独单元电压。可选择地，预定参数可以是电流或任何其它期望的参数。另外，一些参数可以在其它时间或以除了脉搏率以外的其它的重复频率测量。例如，电流测量可以采取2毫秒的间隔。电池组电压的测量(例如，穿过不同的多个单元的电压)可以采取每10毫秒。这些和其它的采样时间可以基于进行中的脉冲计数很容易地确定。

Claims (10)

1.一种用于具有至少一个多单元电池组的电动车辆的装置，包含：

耦接到第一多个单元来测量第一多个单元中的每个单元的预定参数的主控制器，主控制器确定用于采样每个第一多个单元的预定参数以固定频率重现的采样时刻，其中主控制器在每个采样时刻产生同步脉冲；

耦接到第二多个单元来测量第二多个单元中的每个单元的预定参数的辅助控制器，辅助控制器接收同步脉冲来启动以主控制器固定频率的预定倍数的频率操作的脉冲发生器，辅助控制器计数通过脉冲发生器产生的脉冲和根据预定的脉冲计数安排二次采样时刻。

2.根据权利要求1所述的装置，其中脉冲计数在达到计数等于预定倍数减一之后停止，并且其中二次采样时刻在最后计数脉冲之后以固定延迟发生。

3.根据权利要求1所述的装置，其中主控制器和辅助控制器通过多路复用总线连接，其中主控制器在每个采样时刻发送多路复用消息到辅助控制器，并且其中如果脉冲发生器尚未启动，则一旦收到每个多路复用消息时辅助控制器启动脉冲发生器。

4.根据权利要求3所述的装置，其中辅助控制器测量同步信号的预定特性，将测量的特性与预定的限制进行比较来检测有效性，且当比较检测到无效时，则响应于多路复用消息仅仅启动脉冲发生器。

5.根据权利要求1所述的装置，其中预定参数由单元电压组成。

6.根据权利要求1所述的装置，其中辅助控制器在另一个脉冲计数处安排用于另一个参数的另一个采样时刻。

7.根据权利要求6所述的装置，其中另一个参数由单元电流组成。

8.根据权利要求6所述的装置，其中另一个参数由穿过多个单元的电压组成。

9.根据权利要求1所述的装置，其中主控制器由电池能量控制器模块组成，且其中辅助控制器由电池组感测模块组成。

10.根据权利要求1所述的装置，其中第一多个单元设置在第一电池组内并且第二多个单元设置在第二电池组内。