CN105762895A - 电池管理系统及电池管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池管理系统及电池管理方法，所述电池管理系统包括电池组控制器、N个单体电池控制器、N个隔离变压器以及1对复用总线，所述电池组控制器连接至所述复用总线并用于管理一电池组，每个单体电池控制器通过一个隔离变压器连接至所述复用总线，所述电池组包括N个串联的单体电池，每个单体电池控制器管理一个单体电池，所述复用总线时分复用，使所述电池组控制器与N个单体电池控制器利用复用总线进行功率传输和信号传输，降低了系统设计和实现的难度，且有利于降低成本。进一步的，所述单体电池控制器与对应的单体电池在空间上紧邻布置，可以在结构上与单体电池结合在一起，存储电池的历史数据，便于电池二次使用。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种电池管理系统及电池管理方法。
背景技术
锂离子动力电池在生活、生产的方方面面都得到了大规模的应用。无论是日常生活中常见的电动汽车、电动工具、电动自行车，或是新兴技术例如新能源发电、智能电网中，锂离子动力电池都是其重要组成部分，为系统提供能源或存储多余能量。在大功率应用领域，相对于其他类型的储能电池，锂离子电池有一些显著的优势，具有高能量密度、高功率密度、循环寿命长、环保等特点。和同样能作为动力电池的镍氢电池相比，其单体电芯电压更高(约为镍氢电池的3倍)，功率密度更高(约为镍氢电池的2倍)，自放电率更低(约为镍氢电池的1/2)，且无记忆效应。
但是，在大多数系统中，锂离子电池是其性能瓶颈。锂离子电池对应用环境更为苛刻，不可过充电、过放电，热稳定性差，一致性差，放电电压曲线平坦等。在电动汽车应用中，为了获得较高的电池电压，一般有几十节甚至数百节电池串联。电池成组后，由于组内电池材料、工艺以及后期使用环境的差异，导致电池的电压、容量等参数不一致情况较其他应用更为严重，若不采取任何措施，不一致性会在后期的使用过程中进一步扩大，导致部分电池长期工作于极限状态，使得容量急剧减小，降低整组电池性能。因此，在锂电池应用场合一般配备电池管理系统(BatteryManagementSystem,BMS)，对电池进行合理有效的管理和控制，确保电池安全，延长电池寿命，提升系统性能。然而，现有的电池管理系统存在设计和实现复杂的问题。另外，电池二次使用时，还需要对电芯重新分拣。
发明内容
本发明的目的在于解决传统的电池管理系统设计和实现复杂的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种电池管理系统，包括：电池组控制器、N个单体电池控制器、N个隔离变压器以及1对复用总线，所述电池组控制器连接至所述复用总线并用于管理一电池组，每个单体电池控制器通过一个隔离变压器连接至所述复用总线，所述电池组包括N个串联的单体电池，其中，N为正整数，每个单体电池控制器管理一个单体电池，所述复用总线时分复用，所述电池组控制器与所述N个单体电池控制器利用所述复用总线进行功率传输和信号传输。
可选的，在所述的电池管理系统中，还包括一DC-DC变换器，所述DC-DC变换器连接在所述电池组以及所述电池组控制器之间，用于将所述电池组总电压转变为直流母线电压。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述电池组控制器包括电池组信号采样调理电路、第一数字控制器以及第一开关变换器；所述电池组信号采样调理电路用于采集所述电池组的信息；所述第一数字控制器用于对所述电池组进行管理与监测，并生成控制所述第一开关变换器的第一控制信号；所述第一开关变换器用于根据所述第一控制信号将所述DC-DC变换器输出的电压按一定的时序进行开关斩波，以实现功率传输和信号传输。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述电池组的信息包括电池组总电压以及电池组总电流。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述电池组控制器还包括第一功率驱动电路，连接在所述第一数字控制器和第一开关变换器之间，用于将所述第一控制信号进行功率放大。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第一数字控制器对所述电池组进行管理与监测，包括：对所述电池组信号采样调理电路采集的电池组的信息进行处理、与所述单体电池控制器进行信号传输以及生成单体电池控制器的电池均衡指令。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第一数字控制器对所述电池组进行管理与监测，还包括：对所述电池组进行安全保护。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第一数字控制器包括第一采样信号处理模块、第一控制信号生成模块、第一接收解码模块以及电池组主动均衡模块；
所述第一采样信号处理模块用于对所述电池组的信息进行处理；
所述第一控制信号生成模块用于在所述电池组控制器向所述单体电池控制器发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成所述第一控制信号；
所述第一接收解码模块用于在所述电池组控制器接收数据的时隙内，对复用总线上的电平进行解码，得到所述单体电池控制器发送的信息；
所述电池组主动均衡模块用于根据所述电池组的信息以及所述单体电池控制器发送的单体电池的信息，生成电池均衡指令。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述单体电池控制器包括单体电池信号采样调理电路、第二数字控制器、第二开关变换器以及电池主动均衡电路；所述单体电池信号采样调理电路用于采集对应的单体电池的信息；所述第二数字控制器用于对对应的单体电池进行管理与监测，并生成控制所述第二开关变换器的第二控制信号；所述第二开关变换器与所述第一开关变换器相配合，实现单体电池控制器的供电以及第一数字控制器和第二数字控制器之间的信号传输；所述电池主动均衡电路用于抽取所述电池组中的能量对对应的单体电池进行主动均衡，以使不同的单体电池电压恢复一致。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述对应的单体电池的信息包括单体电池电压以及单体电池温度。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述电池组控制器还包括第二功率驱动电路，连接在所述第二数字控制器于第二开关变换器之间，用于将所述第二控制信号进行功率放大。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第二数字控制器对对应的单体电池进行管理与监测，包括：对所述单体电池信号采样调理电路采集的单体电池的信息进行处理、与所述电池组控制器进行信号传输以及控制所述电池主动均衡电路对对应的单体电池进行主动均衡。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第二数字控制器对对应的单体电池进行管理与监测，还包括：对所述单体电池进行安全保护。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第二数字控制器包括第二采样信号处理模块、第二控制信号生成模块、第二接收解码模块以及电池荷电状态估计模块；所述第二采样信号处理模块用于对所述对应的单体电池的信息进行处理；所述第二控制信号生成模块根据所述电池组控制器发送的电池均衡指令控制电池主动均衡电路进行主动均衡，并在所述单体电池控制器向所述电池组控制器发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成所述第二控制信号；所述第二接收解码模块用于在所述单体电池控制器接收数据的时隙内，对复用总线上的电平进行解码，得到所述电池组控制器发送的信息；所述电池荷电状态估计模块根据所述电池组的信息以及对应的单体电池的信息，估算出对应的单体电池的荷电状态。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第二数字控制器还包括一电池历史信息存储模块，用于每隔预定时间保存所述对应的单体电池的信息。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第一开关变换器和第二开关变换器通过隔离变压器连接。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第一开关变换器采用全桥电路，包括：反并联第一二极管的第一开关管、反并联第二二极管的第二开关管、反并联第三二极管的第三开关管以及反并联第四二极管的第四开关管，所述第一开关管与第三开关管组成第一桥臂，所述第二开关管与第四开关管组成第二桥臂，所述第一桥臂与第二桥臂并联在母线两端，所述第一桥臂与第二桥臂的中点引出作为复用总线。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述第二开关变换器包括电容以及反并联第五二极管的第五开关管，所述电容与隔离变压器的副边并联，所述第五开关管和电容构成半波整流电路。
可选的，在所述的电池管理系统中，所述电池主动均衡电路采用Buck电路。所述第一数字控制器和第二数字控制器采用MCU、DSP、CPLD或FPGA。所述DC-DC变换器采用Boost升压电路。
可选的，在所述的电池管理系统中，每个单体电池控制器与对应的单体电池在空间上紧邻布置。
本发明还提供一种电池管理方法，采用如上所述的电池管理系统，每个单体电池控制器管理一个单体电池，1对复用总线时分复用，使电池组控制器与N个单体电池控制器利用所述复用总线进行功率传输和信号传输。
可选的，在所述的电池管理方法中，所述电池组控制器发送数据与所述单体电池控制器发送数据在不同的时隙内进行。
可选的，在所述的电池管理方法中，所述功率传输的过程包括：电池组总电压经过第一开关变换器开关斩波后转变为具有一定时序的矩形波，并经隔离变压器传输至第二开关变换器，第二开关变换器将矩形波转变为直流电压，以向单体电池控制器供电。
可选的，在所述的电池管理方法中，所述直流电压还用于电池主动均衡电路进行主动均衡。
可选的，在所述的电池管理方法中，所述信号传输的过程包括：在电池组通信时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送数据，‘1’和‘0’通过不同的占空比来实现；在单体电池控制器通信时隙内，单体电池控制器向电池组控制器发送数据，当发送‘0’时复用总线上电压被拉高，当发送‘1’时复用总线上为低电平。
可选的，在所述的电池管理方法中，在1个位周期内，包括t1时隙、t2时隙、t3时隙以及t4时隙；t1时隙内，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关闭；t2时隙内，第二开关管和第四开关管导通，第一开关管和第三开关管关闭；t3时隙与t4时隙内，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均关闭；在t1时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送数据，‘1’和‘0’通过不同的占空比来实现；在t4时隙内，单体电池控制器向电池组控制器发送数据，当发送‘0’时，第五开关管导通，使复用总线上电压被拉高，当发送‘1’时，第五开关管关闭，使复用总线上为低电平。
可选的，在所述的电池管理方法中，在t1时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送电池均衡指令以及电池组的信息，所述电池组的信息包括电池组总电压和电池组总电流，还可以包括电池组温度信息。
可选的，在所述的电池管理方法中，电池主动均衡电路进行主动均衡时，控制策略为电感电流平均值单环控制，将实际电感电流值经过采样处理后与参考电感电流值进行比较得到误差信号，经过PI调节后控制电池主动均衡电路工作，以使电池主动均衡电路的输出电感电流平均值恒定。
与现有技术相比，本发明的电池管理系统及管理方法具有如下优点：
1、本发明采用单体电池控制器作为最小的控制单元，将单体电池作为最小的被管理对象，这样彻底的模块化设计提高了控制的简便性，当串联电池数量变化或应用领域改变时，方便配置系统，最大程度上降低硬件和软件的修改工作，设计和实现便捷。
2、本发明采用功率信号复合传输的方式进行通信，不需要配置额外的通信芯片或电路与系统架构，节省了通信线束，简化了系统架构，有利于降低系统成本。
3、本发明中电池的均衡方式为主动均衡，抽取整个电池组的能量传递给需要进行充电的单体电池，均衡方式简单，均衡效率高。并且，单体电池控制器的供电电能、电池组的主动均衡能量以及单体电池控制器与电池组控制器的通信数据均通过1对复用总线进行传输，同时实现功率传输、信号传输和电池组主动均衡。
4、本发明将单体电池控制器与对应的单体电池在空间上紧邻布置，即在空间位置上一一对应排布，减少了采样线束的长度，简化了接线的工作量，也减少了线束长度可能对采样带来的不利影响。
5、本发明将单体电池控制器和单体电池邻近布置，并且通过第二数字控制器的电池历史信息存储模块记录单体电池所有的历史信息，这样单体电池控制器和对应的单体电池一起换掉后，第二数字控制器也记录了电池所有的历史信息，此类信息不仅可以用于诊断电池本身状态，亦使得电池厂商可获得大量同类型号电池的海量数据，便于工艺提升和产品优化，此时存储的历史信息会是电池性能评估的重要依据。
6、本发明利用一个单体电池控制器管理和监控一个单体电池，对于单体电池控制器的第二数字控制器中的第二采样信号处理模块来说，所需的共模耐压及芯片工作电压均大幅度下降，这样的硬件架构有助于第二采样信号处理模块的设计、实现以及降低成本。
附图说明
图1所示为现有技术中电池管理系统的硬件架构示意图；
图2所示为现有技术中电池组被动均衡的拓扑示意图；
图3所示为本发明一实施例中电池管理系统的模块示意图；
图4所示为本发明一实施例中电池管理系统的详细结构示意图；
图5所示为本发明一实施例中电池管理系统的第一数字控制器的模块示意图；
图6所示为本发明一实施例中电池管理系统的第二数字控制器的模块示意图；
图7所示为本发明一实施例中电池管理系统的第一开关变换器的拓扑示意图；
图8所示为本发明一实施例中电池管理系统的第二开关变换器的拓扑示意图；
图9所示为本发明一实施例中功率信号复合传输一个位周期总线电平变化的示意图；
图10所示为本发明一实施例中从机要发送的数据为“10111010”时的开关管信号与复用总线电平波形示意图；
图11所示为本发明一实施例中电池均衡功能工作时单体电池电流波形示意图。
具体实施方式
针对现有技术存在的问题，申请人从电池管理系统(BMS)的可靠性、模块化、均衡技术等角度出发，进行了大量的研究。
在BMS的硬件架构方面，目前BMS主流的硬件架构方案是两层式结构，如图1所示，该BMS包含模块电池管理单元和成组电池管理单元，其中，成组电池管理单元是第一层结构，模块电池管理单元是第二层结构，串联电池组作为被管理对象。通常，一个模块电池管理单元用于管理一个串联电池组，一个串联电池组包括12～24个或者更多串联的单体电池。模块电池管理单元通过采样线束与串联电池组连接，串联电池组通过均衡线束与均衡电路连接。在这些模块电池管理单元中，一般采用前端采样芯片(Analoguefrontend,AFE)监控每个单体电池的电压，而监控得到的相关信息在模块电池管理单元的微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)中进行处理。传统的电池管理系统中，模块电池(串联电池组)是最小的管理单位(被管理对象)。而成组电池管理单元通过内部通信总线与每个模块电池管理单元进行通信，实现系统级的监控与控制。然而，申请人发现，由于一个模块电池管理单元管理一个串连电池组，当串联的单体电池数量发生变化或应用领域改变等情况下，电池管理系统的结构设计和配置需重新设计。为此，本发明提供一种基于单体电池的电池管理系统，利用一个单体电池控制器独立地管理一个单体电池，再通过复用总线使单体电池控制器和电池组控制器进行功率传输和通信，实现系统级的监控和控制，这样彻底的模块化设计提高了控制的简便性。当串联电池数量变化时或应用领域改变时，方便配置系统，最大程度上降低硬件和软件的修改工作，降低了系统本身的设计复杂程度。
在BMS的通信方面，通常采用有线通信方式，有线通信又可分为独立布线方式和电源线载波通信方式。独立布线的有线通信技术较为成熟，通信速率可达1Mbps，如配以CAN(ControlledAreaNetwork)收发芯片的CAN现场总线技术，目前被广泛应用。但是与电源线载波通信方式相比，其接线复杂，且增加了安装成本。由于电池管理系统中主要传输的是电池电压和电池电流信息，这些信息变化的时间尺度较大，通信速率要求不高，基于成本考虑，本发明的电池管理系统采用电源线载波通信方式，即通过一对复用总线实现功率信号复合传输，不需要配置额外的通信芯片或电路与系统架构，节省了通信线束，简化了系统架构，在满足电源管理系统需求的前提下降低了系统成本。
在BMS的电池均衡方面，电池均衡技术可分为被动均衡和主动均衡。被动均衡通过控制开关，使得多余电量通过电阻泄放，达到均衡目的，该方法的拓扑一般如图2所示。电阻与控制开关串联，再与所均衡的电池并联，当不开启均衡时，所有控制开关的默认状态为关闭。例如，当电池1的电压过高，需要开启均衡时，控制开关1开启，控制开关2和控制开关3仍然关闭，电池1的多余电量通过电阻1进行耗散，以使电池1的电压下降速度更快，达到使单体电池之间电量均衡的目的。但是，该方法均衡效率低、发热量大。为此，本发明的电池管理方法中，采用主动均衡替代被动均衡，在单体电池控制器中设置电池主动均衡电路，抽取整个电池组的能量传递给需要进行均衡的单体电池，均衡方式简单，且能达到较好的均衡效果和速度。
综上，本发明提供了一种基于单体电池控制器和功率信号复合传输技术的电池管理系统及电池管理方法，所述电池管理系统及电池管理方法将单体电池作为最小的被管理对象，使用单体电池控制器监控单节单体电池，同时采用电源线载波与数据传输时分复用的通信方案，不需要采用专门的CAN总线或其他有线通信方案进行单体电池控制器与电池组控制器的互联，简化了系统硬件架构，降低了系统设计和实现的难度，且通过主动均衡技术实现较佳的均衡效果。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的电池管理系统及电池管理方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图3所示，本实施例提供一种基于单体电池控制器与功率信号复合传输技术的电池管理系统，例如是锂电池管理系统，其包括1个电池组控制器200，N个单体电池控制器3001、3002…300N，N个隔离变压器T1、T2…TN以及1对复用总线(复用总线1和复用总线2)，所述电池组控制器200与一电池组连接，所述电池组控制器200用于管理一电池组，所述电池组包括N个串联的单体电池4001、4002…400N，每个单体电池由M个并联电池组成，其中，N和M均为正整数。每个单体电池控制器用于管理1个单体电池。每个单体电池控制器通过一个隔离变压器连接至复用总线，即，N个单体电池控制器3001、3002…300N分别通过N个隔离变压器T1、T2…TN连接到1对复用总线上。所述复用总线时分复用，使所述电池组控制器200与N个单体电池控制器3001、3002…300N进行功率传输和信号传输，由此，所述电池管理系统的供电、通信、均衡均可通过复用总线实现。
优选方案中，每个单体电池控制器与对应的单体电池紧邻布置(空间位置一一对应)，以减少线束的长度，简化接线的工作量，也减少线束长度可能对采样带来的影响。
继续参考图3，所述电池管理系统还可以包括1个DC-DC变换器100，所述电池组通过所述DC-DC变换器100与电池组控制器200连接，所述DC-DC变换器100用于将电池组总电压(即N个单体电池的总电压)转变为直流母线电压。所述DC-DC变换器100可以是升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器或升降压型DC/DC转换器。本实施例中，所述DC-DC变换器100采用Boost升压电路。
如图4所示，所述电池组控制器200包括电池组信号采样调理电路210、第一数字控制器220、第一功率驱动电路230以及第一开关变换器240。
所述电池组信号采样调理电路210，用于采集电池组的信息，并将所述电池组的信息输出至第一数字控制器220。所述电池组的信息包括电池组总电压以及电池组总电流，当然，所述电池组信号采样调理电路210还可用于采集其它管理和监测所需的信息，比如电池组的温度等。
所述的第一数字控制器220，用于对电池组进行管理与监测，并生成控制所述第一开关变换器240的第一控制信号，再将第一控制信号输出至第一功率驱动电路230。本实施例中，所述第一数字控制器220对所述电池组进行管理与监测，具体包括如下功能：对所述电池组信号采样调理电路210采集的电池组的信息进行处理、与单体电池控制器进行信号传输以及生成单体电池控制器的电池均衡指令(比如选择哪个单体电池控制器进行主动均衡)。进一步的，所述第一数字控制器220还可用于对所述电池组进行安全保护，此处并不限制第一数字控制器220的功能。
所述的第一功率驱动电路230，连接在所述第一数字控制器220与第一开关变换器240之间，用于将第一数字控制器220的第一控制信号进行功率放大，以驱动第一开关变换器240。应当理解，所述的第一功率驱动电路230并非是必不可少的，在第一控制信号足以驱动第一开关变换器240的情况下，就无需通过第一功率驱动电路230进行功率放大。
所述的第一开关变换器240用于将所述DC-DC变换器100输出电压按一定的时序进行开关斩波，以实现功率传输以及主动均衡指令的传输。本实施例中是通过DC-DC变换器100将电池组总电压转变为直流母线电压后，第一开关变换器240将所述直流母线电压进行开关斩波，并将矩形波转变为直流电压，以向单体电池控制器供电。
继续参考图4所示，所述的单体电池控制器3001包括单体电池信号采样调理电路310、第二数字控制器320、第二功率驱动电路330、第二开关变换器340以及电池主动均衡电路350。为简化，图4中仅示出了1个单体电池控制器3001以及1个隔离变压器T1，但实际上，所述电池管理系统可以包括多个的单体电池控制器。
所述的单体电池信号采样调理电路310，用于采集对应的单体电池的信息，并将所述对应的单体电池的信息输出至第二数字控制器320。所述对应的单体电池的信息包括单体电池电压以及单体电池温度，当然，所述单体电池信号采样调理电路310还可以用于采集其它管理和监测所需的单体电池的信息。
所述的第二数字控制器320，用于对单体电池进行管理与监测，并生成控制所述第二开关变换器340的第二控制信号，再将第二控制信号输出至第二功率驱动电路330。本实施例中，所述第二数字控制器320对单体电池进行管理与监测，具体包括以下功能：对单体电池信号采样调理电路310采集的单体电池的信息进行处理、与电池组控制器200的第一数字控制器220进行信号传输以及控制单体电池主动均衡电路350对单体电池进行主动均衡。进一步的，所述第二数字控制器320还可用于对所述单体电池进行安全保护。
所述的第二功率驱动电路330，连接在所述第二数字控制器320与第二开关变换器340之间，用于将第二数字控制器320的第二控制信号进行功率放大，以驱动第二开关变换器340。应当理解，所述的第二功率驱动电路330并非是必不可少的，在第二控制信号足以驱动第二开关变换器340的情况下，就无需通过第二功率驱动电路330进行功率放大。
所述的第二开关变换器340，用于与第一开关变换器240相配合，以实现功率传输、主机发送数据(电池组控制器200向单体电池控制器发送数据)和从机发送数据(单体电池控制器向电池组控制器200发送数据)。
所述的电池主动均衡电路350，收到电池组控制器200的第一数字控制器220的主动均衡指令后，对对应的单体电池进行主动均衡。所述主动均衡方式例如是抽取整个电池组中的能量，对单体电池进行恒流充电，以使不同的单体电池电压尽快恢复到一致。
本实施例中，所述第一开关变换器240和第二开关变换器340通过隔离变压器T1相连，以进行功率-信号复合传输控制，也就是说，在实现功率变换对单体电池控制器供电的同时，将复用总线进行时分复用，用于单体电池控制器与电池组控制器200的双向通信，从而实现数据传输功能。
如图5所示，所述的第一数字控制器220包括第一采样信号处理模块221、第一控制信号生成模块222、第一接收解码模块223以及电池组主动均衡模块224。所述第一采样信号处理模块221用于对电池组的信息(如电池组总电压与电池组总电流)进行处理。所述第一控制信号生成模块222用于在电池组控制器200向单体电池控制器发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成控制第一开关变换器240的第一控制信号。所述第一接收解码模块223用于在电池组控制器200接收单体电池控制器发送的数据的时隙内，对复用总线上的电平(这里是指对应的隔离变压器原边上的电平)进行解码，得到单体电池控制器发送的信息(如单体电池电压和单体电池温度信息)。所述电池组主动均衡模块224根据所述电池组的信息以及所述单体电池控制器发送的单体电池的信息，利用电池组主动均衡算法，生成电池均衡指令，以选择需要进行主动均衡的单体电池。
如图6所示，所述的第二数字控制器320包括第二采样信号处理模块321、第二控制信号生成模块322、第二接收解码模块323以及电池荷电状态估计模块324。所述第二采样信号处理模块321用于对对应的单体电池的信息(如单体电池电压与单体电池温度)进行处理。所述第二控制信号生成模块322根据电池组控制器200发送的电池均衡指令生成电池主动均衡电路350的控制信号，即控制电池主动均衡电路对单体电池进行主动均衡，并在单体电池控制器向所述电池组控制器200发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成控制第二开关变换器340的第二控制信号。所述第二接收解码模块323在单体电池控制器接收数据的时隙内，对复用总线上的电平(这里是指对应的隔离变压器副边的总线电平)进行解码，得到电池组控制器200发送的信息(如电池组总电压和电池组总电流)。所述电池荷电状态估计模块324根据所述电池组的信息以及对应的单体电池的信息估算出对应的单体电池的荷电状态，例如，根据单体电池电压和电池组总电流，利用电池荷电状态(StateofCharge，SoC)估计算法，估算出当前单体电池的荷电状态。
优选的，所述的第二数字控制器320还包括一电池历史信息存储模块325，用于每隔一段确定的时间保存所述对应的单体电池的信息，比如保存单体电池电压，还可以用于保存电池组总电流等信息。在单体电池控制器和单体电池结合在一起(空间上邻近布置)的情况下，通过第二数字控制器的电池历史信息存储模块325记录单体电池所有的历史信息，一方面，此类信息不仅可以用于诊断电池本身状态，亦使得电池厂商可获得大量同类型号电池的海量数据，便于工艺提升和产品优化；另一方面，电动汽车锂离子电池在达到使用寿命后，一般会再次投放于市场，二次利用，例如应用于储能电站等，此时存储的历史信息会是电池性能评估的重要依据。随着锂离子电池市场的不断扩大，电池厂商有对电池植入身份信息的需求，例如序列号等，本发明的方案可很好的兼顾该需求，避免不合格或仿冒的锂离子电池混入市场。
所述的第一数字控制器220和第二数字控制器320可采用MCU(微控制单元)、DSP(数字信号处理器)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)或FPGA(现场可编辑门阵列)。
所述的第一开关变换240可采用如图7所示的全桥拓扑，包括第一开关管Q1、反并联于所述第一开关管Q1的第一二极管D1、第二开关管Q2、反并联于所述第二开关管Q2的第二二极管D2、第三开关管Q3、反并联于所述第三开关管Q3的第三二极管D3、第四开关管Q4以及反并联于所述第四开关管Q4的第四二极管D4，第一开关管Q1与第三开关管Q3串联组成第一桥臂，第二开关管Q2与第四开关管Q4串联组成第二桥臂，第一桥臂与第二桥臂并联在母线两端，复用总线1连接在所述第一开关管Q1与第四开关管Q4之间的结点A，复用总线2连接在所述第二开关管Q2与第三开关管Q3之间的结点B。所述的第二开关变换器340可采用如图8所示的拓扑，包括第五开关管Q5、第五二极管D5以及电容C1，第五开关管Q5反并联于第五二极管D5，电容C1与隔离变压器T1的副边并联，构成半波整流电路。第一开关变换器240和第二开关变换器340通过隔离变压器T1相连，用于实现功率信号的复合传输。电池组总电压经过DC-DC变换器100转变为直流母线电压，直流母线电压经过第一开关变换器240的开关斩波后变为具有一定时序的矩形波，经过隔离变压器T1隔离后，采用二极管不控整流的方式，将矩形波变为直流电压，此直流电压用于给单体电池控制器供电，并作为电池主动均衡电路350的输入电压。
作为一个非限制性的例子，所述的电池主动均衡电路350，均衡拓扑采用Buck电路，电感电流作为输出给单体电池恒流充电。控制策略为电感电流平均值单环控制，控制方法为模拟或是数字PI，将实际电感电流与参考值相比，得到误差信号，经过PI调节后控制Buck电路的开关管工作，最终使Buck电路的输出电感电流平均值恒定。
本实施例还提供一种电池管理方法，结合图3和图4所示，电池组控制器200利用1对复用总线对单体电池控制器进行供电(功率传输)，同时，单体电池控制器与电池组控制器200利用1对复用总线进行双向通信(信号传输)，从而实现数据传输功能。其中，在数据通信上，复用总线进行时分复用，电池组控制器200发送数据与单体电池控制器发送数据分别在不同的时隙内进行。
本实施例中，采用时分复用的方式进行功率信号复合传输，如图9所示，在一个位周期(1cycle)中，包括t1时隙、t2时隙、t3时隙、t4时隙。t1时隙内，第一开关管Q1和第三开关管Q3导通，第二开关管Q2和第四开关管Q4关闭。t2时隙内，第二开关管Q2和第四开关管Q4导通，第一开关管Q1和第三开关管Q3关闭。t3与t4时隙内，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4均关闭。t1时隙和t2时隙占空比均小于50％，且t1＝t2，t3为磁复位时隙，t4为单体电池控制器通信时隙，t1时隙还作为电池组通信时隙，主动均衡指令在t1时隙内传送。
具体的，在t1时隙内，电池组控制器(主机)向单体电池控制器(从机)发送数据，‘1’和‘0’通过t1时隙不同的占空比来实现。在单体电池控制器通信时隙即从机通信时隙t4内，单体电池控制器(从机)向电池组控制器(主机)发送数据；当从机发送‘0’时，第五开关管Q5导通，电容C1与隔离变压器T1的副边并联，复用总线上的电压被拉高；当从机发送‘1’时，第五开关管Q5关闭，复用总线上为低电平。
本实施例中，t1时隙和t2时隙作为功率传输时隙，功率传输的实现过程如下：电池组总电压由DC-DC变换器100转变为直流母线电压，直流母线电压经过第一开关变换器240开关斩波后变为具有一定时序的矩形波，经过隔离变压器T1传输至副边后，采用二极管不控整流的方式，将矩形波变为直流电压，此直流电压用于给单体电池控制器供电，并作为电池主动均衡电路350的输入电压。
详细的，t4时隙为单体电池控制器通信时隙，t1时隙作为电池组通信时隙，主动均衡指令在t1时隙内传送，信号传输的实现过程如下：在t1时隙内，电池组控制器200向单体电池控制器发送数据，‘1’和‘0’通过t1时隙不同的占空比来实现；在t4时隙内，单体电池控制器向电池组控制器200发送数据；当单体电池控制器发送‘0’时：第五开关管Q5导通，电容C1与隔离变压器的副边并联，电容电压将复用总线上的电压拉高；当单体电池控制器发‘1’时，第五开关管Q5关闭，复用总线上为低电平。例如，单体电池控制器(从机)要发送的数据为“10111010”，则开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5的信号G1、G2、G3、G4、G5与复用总线电平VBUS如图10所示。
本实施例中，电池组主动均衡的实现方式如下：电池主动均衡电路的拓扑为Buck电路，t1时隙，电感电流作为输出给单体电池恒流充电。控制策略为电感电流平均值单环控制，将实际电感电流值经过采样处理后与参考电感电流值相比，得到误差信号，经过PI调节后控制电池主动均衡电路350(本实施例中是Buck电路)的开关管工作，最终使Buck电路的输出电感电流平均值恒定。例如，一个有3个单体电池控制器的锂电池管理系统，设定主动均衡电流为2A，对第一个单体电池进行恒流充电均衡，得到的三个电池波形如图11所示，可知，第一个单体电池的电流Ibattery1为负，代表正在充电，第二个单体电池的电流Ibattery2和第三个单体电池的电流Ibattery3为正，代表正在放电，这样便实现了第二个单体电池和第三个单体电池的能量向第一个单体电池转移的主动均衡，SoC较小的第一个单体电池能量得到了补充。
综上所述，本发明提供的电池管理系统及管理方法，具有如下优点：
一、采用单体电池控制器作为最小的控制单元，将单体电池作为最小的被管理对象，这样彻底的模块化设计提高了控制的简便性。当串联电池数量变化或应用领域改变时，方便配置系统，最大程度上降低硬件和软件的修改工作。
二、采用功率信号复合传输的方式进行通信，不需要配置额外的通信芯片或电路与系统架构，节省了通信线束，简化了系统架构，有利于降低系统成本。
三、本发明的电池管理系统中电池的均衡方式为主动均衡，抽取整个电池组的能量传递给需要进行充电的单体电池，均衡方式简单，均衡效率高。并且，单体电池控制器的供电电能、电池组的主动均衡能量以及单体电池控制器与电池组控制器的通信数据均通过1对复用总线进行传输，同时实现功率传输、信号传输和电池组主动均衡。
四、将单体电池控制器与单体电池紧邻布置，即在空间位置上一一对应排布，减少了采样线束的长度，简化了接线的工作量，也减少了线束长度可能对采样带来的不利影响。
五、将单体电池控制器和单体电池邻近布置，并且通过第二数字控制器的电池历史信息存储模块记录单体电池所有的历史信息，这样单体电池控制器和对应的单体电池一起换掉后，单体电池除了可以在其他场合继续提供和存储能量以外，第二数字控制器也记录了电池所有的历史信息，此类信息不仅可以用于诊断电池本身状态，亦使得电池厂商可获得大量同类型号电池的海量数据，便于工艺提升和产品优化。并且，电动汽车锂离子电池在达到使用寿命后，一般会再次投放于市场，二次利用，例如应用于储能电站等，此时存储的历史信息会是电池性能评估的重要依据。
六、相对于传统的电池管理系统中利用一个模块电池管理单元管理一个串联电池组，即单颗芯片的AFE同时监控数节串联的单体电池，本发明中利用一个单体电池控制器仅用于管理和监控一个单体电池，对于单体电池控制器的第二数字控制器中的第二采样信号处理模块(通常为模数转换器(ADC))来说，所需的共模耐压及芯片工作电压均大幅度下降(例如从60V降低至5V)。由于电池管理系统对ADC的采样精度要求是较高的，一般要达到0.1％甚至更高，这样的硬件架构有助于ADC的设计、实现以及降低成本。并且，由于ADC不再需要复用，在同样性能的ADC的情况下，单体电池电压、单体电池温度等采样速率大幅度提升，满足复杂算法的SoC算法需求。由于汽车工业对可靠性、安全性的高度要求，芯片本身需要符合一系列标准要求，低复杂度的芯片设计，有助于符合此类标准，提高可靠性。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (30)
1.一种电池管理系统，其特征在于，包括：电池组控制器、N个单体电池控制器、N个隔离变压器以及1对复用总线，所述电池组控制器连接至所述复用总线并用于管理一电池组，每个单体电池控制器通过一个隔离变压器连接至所述复用总线，所述电池组包括N个串联的单体电池，其中，N为正整数，每个单体电池控制器管理一个单体电池，所述复用总线时分复用，所述电池组控制器与所述N个单体电池控制器利用所述复用总线进行功率传输和信号传输。
2.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括一DC-DC变换器，所述DC-DC变换器连接在所述电池组以及所述电池组控制器之间，用于将所述电池组总电压转变为直流母线电压。
3.如权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组控制器包括电池组信号采样调理电路、第一数字控制器以及第一开关变换器；
所述电池组信号采样调理电路用于采集所述电池组的信息；
所述第一数字控制器用于对所述电池组进行管理与监测，并生成控制所述第一开关变换器的第一控制信号；
所述第一开关变换器用于根据所述第一控制信号将所述DC-DC变换器输出的电压按一定的时序进行开关斩波，以实现功率传输和信号传输。
4.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组的信息包括电池组总电压以及电池组总电流。
5.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组控制器还包括第一功率驱动电路，连接在所述第一数字控制器和第一开关变换器之间，用于将所述第一控制信号进行功率放大。
6.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一数字控制器对所述电池组进行管理与监测，包括：对所述电池组信号采样调理电路采集的电池组的信息进行处理、与所述单体电池控制器进行信号传输以及生成单体电池控制器的电池均衡指令。
7.如权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一数字控制器对所述电池组进行管理与监测，还包括：对所述电池组进行安全保护。
8.如权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一数字控制器包括第一采样信号处理模块、第一控制信号生成模块、第一接收解码模块以及电池组主动均衡模块；
所述第一采样信号处理模块用于对所述电池组的信息进行处理；
所述第一控制信号生成模块用于在所述电池组控制器向所述单体电池控制器发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成所述第一控制信号；
所述第一接收解码模块用于在所述电池组控制器接收数据的时隙内，对复用总线上的电平进行解码，得到所述单体电池控制器发送的信息；
所述电池组主动均衡模块用于根据所述电池组的信息以及所述单体电池控制器发送的单体电池的信息，生成电池均衡指令。
9.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于，所述单体电池控制器包括单体电池信号采样调理电路、第二数字控制器、第二开关变换器以及电池主动均衡电路；
所述单体电池信号采样调理电路用于采集对应的单体电池的信息；
所述第二数字控制器用于对对应的单体电池进行管理与监测，并生成控制所述第二开关变换器的第二控制信号；
所述第二开关变换器与所述第一开关变换器相配合，实现单体电池控制器的供电以及第一数字控制器和第二数字控制器之间的信号传输；
所述电池主动均衡电路用于抽取所述电池组中的能量对对应的单体电池进行主动均衡，以使不同的单体电池电压恢复一致。
10.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述对应的单体电池的信息包括单体电池电压以及单体电池温度。
11.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组控制器还包括第二功率驱动电路，连接在所述第二数字控制器于第二开关变换器之间，用于将所述第二控制信号进行功率放大。
12.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述第二数字控制器对对应的单体电池进行管理与监测，包括：对所述单体电池信号采样调理电路采集的单体电池的信息进行处理、与所述电池组控制器进行信号传输以及控制所述电池主动均衡电路对对应的单体电池进行主动均衡。
13.如权利要求12所述的电池管理系统，其特征在于，所述第二数字控制器对对应的单体电池进行管理与监测，还包括：对所述单体电池进行安全保护。
14.如权利要求13所述的电池管理系统，其特征在于，所述第二数字控制器包括第二采样信号处理模块、第二控制信号生成模块、第二接收解码模块以及电池荷电状态估计模块；
所述第二采样信号处理模块用于对所述对应的单体电池的信息进行处理；
所述第二控制信号生成模块根据所述电池组控制器发送的电池均衡指令控制电池主动均衡电路进行主动均衡，并在所述单体电池控制器向所述电池组控制器发送数据的时隙内，根据要发送的数据生成所述第二控制信号；
所述第二接收解码模块用于在所述单体电池控制器接收数据的时隙内，对复用总线上的电平进行解码，得到所述电池组控制器发送的信息；
所述电池荷电状态估计模块根据所述电池组的信息以及对应的单体电池的信息，估算出对应的单体电池的荷电状态。
15.如权利要求14所述的电池管理系统，其特征在于，所述第二数字控制器还包括一电池历史信息存储模块，用于每隔预定时间保存所述对应的单体电池的信息。
16.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一开关变换器和第二开关变换器通过隔离变压器连接。
17.如权利要求16所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一开关变换器采用全桥电路，包括：反并联第一二极管的第一开关管、反并联第二二极管的第二开关管、反并联第三二极管的第三开关管以及反并联第四二极管的第四开关管，所述第一开关管与第三开关管组成第一桥臂，所述第二开关管与第四开关管组成第二桥臂，所述第一桥臂与第二桥臂并联在母线两端，所述第一桥臂与第二桥臂的中点引出作为复用总线。
18.如权利要求17所述的电池管理系统，其特征在于，所述第二开关变换器包括电容以及反并联第五二极管的第五开关管，所述电容与隔离变压器的副边并联，所述第五开关管和电容构成半波整流电路。
19.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池主动均衡电路采用Buck电路。
20.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一数字控制器和第二数字控制器采用MCU、DSP、CPLD或FPGA。
21.如权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于，所述DC-DC变换器采用Boost升压电路。
22.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，每个单体电池控制器与对应的单体电池在空间上紧邻布置。
23.一种电池管理方法，采用如权利要求1至22中任一项所述的电池管理系统，其特征在于，每个单体电池控制器管理一个单体电池，1对复用总线时分复用，使电池组控制器与N个单体电池控制器利用所述复用总线进行功率传输和信号传输。
24.如权利要求23所述的电池管理方法，其特征在于，所述电池组控制器发送数据与所述单体电池控制器发送数据在不同的时隙内进行。
25.如权利要求24所述的电池管理方法，其特征在于，所述功率传输的过程包括：
电池组总电压经过第一开关变换器开关斩波后转变为具有一定时序的矩形波，并经隔离变压器传输至第二开关变换器，第二开关变换器将矩形波转变为直流电压，以向单体电池控制器供电。
26.如权利要求25所述的电池管理方法，其特征在于，所述直流电压还用于电池主动均衡电路进行主动均衡。
27.如权利要求26所述的电池管理方法，其特征在于，所述信号传输的过程包括：
在电池组通信时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送数据，‘1’和‘0’通过不同的占空比来实现；
在单体电池控制器通信时隙内，单体电池控制器向电池组控制器发送数据，当发送‘0’时复用总线上电压被拉高，当发送‘1’时复用总线上为低电平。
28.如权利要求27所述的电池管理方法，其特征在于，在1个位周期内，包括t1时隙、t2时隙、t3时隙以及t4时隙；t1时隙内，第一开关管和第三开关管导通，第二开关管和第四开关管关闭；t2时隙内，第二开关管和第四开关管导通，第一开关管和第三开关管关闭；t3时隙与t4时隙内，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均关闭；
在t1时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送数据，‘1’和‘0’通过不同的占空比来实现；
在t4时隙内，单体电池控制器向电池组控制器发送数据，当发送‘0’时，第五开关管导通，使复用总线上电压被拉高，当发送‘1’时，第五开关管关闭，使复用总线上为低电平。
29.如权利要求28所述的电池管理方法，其特征在于，在t1时隙内，电池组控制器向单体电池控制器发送电池均衡指令以及电池组的信息。
30.如权利要求29所述的电池管理方法，其特征在于，电池主动均衡电路进行主动均衡时，控制策略为电感电流平均值单环控制，将实际电感电流值经过采样处理后与参考电感电流值进行比较得到误差信号，经过PI调节后控制电池主动均衡电路工作，以使电池主动均衡电路的输出电感电流平均值恒定。
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