CN105977558A - 可扩展的混合式电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可扩展的混合式电池管理系统，包括主处理单元以及可扩展子单元；所述主处理单元与所述可扩展子单元之间，以及相邻可扩展子单元之间，通过菊花链通讯方式连接；所述可扩展子单元采集当前电芯模组的电压、温度、执行均衡功能以及故障诊断功能，并通过菊花链通讯方式将当前管理的电芯模组信息传输至所述主处理单元；所述主处理单元根据所有电芯模组的电压、电流、温度以及系统故障信息，运行预先设定好的系统策略并与外部设备进行通讯。本发明中提供的可扩展的混合式电池管理系统，通过对电芯模组电压、温度、电流以及系统故障信息进行监测与管理，保证电芯模组工作正常，具有可扩展性高、维护性高、可靠性高的优点。

Description

可扩展的混合式电池管理系统

技术领域

本发明涉及电池管理系统技术领域，特别涉及一种可扩展的混合式电池管理系统。

背景技术

电池管理系统是电芯模组的重要组成部分之一，它用于管理电池模组的电压、温度、电流等信息，并管理电芯模组的充放电过程以及与控制器、充电机、仪表、UPS等外部设备进行通讯交换，以便更好更合适的监控管理电池状态。

在动力电芯模组中，受限于方案成本与可扩展性的影响，BMS(电池管理系统)可分为集中式BMS与分布式BMS等两种架构。

对于集中式BMS，其成本低廉、控制简单；但是其存在可扩展性差、维护性差、维护成本高、可靠性低等问题。比如如果客户需求变更，对于电芯的采样串数增加或减少，就需要对客户需求进行定制开发，造成整个BMS方案的可扩展性差；由于电芯的电压采样、回路电流、回路控制、策略执行与运算单元高度集成，造成如果系统中有部分模块功能异常时，就需要对BMS整个进行维护与更换，造成其维护性较差以及维护成本高等相关问题。而且由于系统中所有的线束都会汇聚到BMS单元，就会提高系统的布线复杂度，特别是高压线束与低压线束的处理以及线间串扰等问题，与此就会带来系统可靠性的降低的问题。

与此同时，分布式BMS虽然能解决上述问题，但是分布式BMS存在成本高昂、控制管理复杂等问题，给生产管理与维护等带来新的问题。在分布式BMS中，系统架构根据系统功能的不同可以分为SCU(从控管理单元)、MCU(主控管理单元)、HVCU(高压管理单元)以及CSU(电流传感器单元)以及其他可扩展性单元等。根据系统功能的划分，系统存在多个模块，每个模块中均会存在子单元的功能重复，造成系统比较臃肿冗余，提高系统成本以及控制管理复杂度等；并且在生产中，由于存在多个SCU的问题，又会带来SCU编写地址复杂问题，提高生产管理投入等问题。

随着BMS行业的日益发展，BMS技术的日渐成熟，对于BMS的开发投入成本以及物料成本越来越敏感，而对于BMS的可扩展性、稳定性要求会越来越高。特别是在储能BMS、48V启停BMS以及车用低压BMS等领域。从实现BMS功能的角度来看，并没有不可逾越的技术门槛；但从实际使用的角度来看，BMS产品的难点集中在低成本、高可靠性、高可扩展性、高可维护性等方面，而集中式管理系统和分布式管理系统都没能很好的解决这些问题。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种可扩展的混合式电池管理系统，可通过对电芯模组的电压、温度、电流与故障信息进行监测与管理，保证电芯模组工作正常，具有可扩展性高、维护性高、可靠性高的优点。

本发明提出一种可扩展的混合式电池管理系统，与电芯模组连接，用于管理电芯模组的使用过程，包括主处理单元以及可扩展子单元；所述主处理单元与所述可扩展子单元之间，以及相邻可扩展子单元之间，通过菊花链通讯方式连接；所述可扩展子单元采集当前电芯模组的电压、温度、执行均衡功能以及故障诊断功能，并通过菊花链通讯方式将当前管理的电芯模组信息传输至所述主处理单元；所述主处理单元根据所有电芯模组的电压、电流、温度以及系统故障信息，运行预先设定好的系统策略并与外部设备进行通讯。

进一步地，所述主处理单元包括采样芯片、通讯转换芯片、主控管理单元以及系统基础芯片，所述采样芯片、通讯转换芯片、主控管理单元以及系统基础芯片依次连接，所述采样芯片通过采样端连接电芯模组采集电芯模组的电压、温度信息通过菊花链连接的通讯转换芯片传输至主控管理单元，所述主控管理单元通过系统基础芯片中的通讯模块将电池系统信息传输至外部设备中。

进一步地，所述采样芯片上集成有电压采样单元、模/数转换单元、温度采样单元、均衡控制单元、电流采样单元以及通讯转换单元。

进一步地，所述采样芯片上还集成有内部诊断单元以及电压、温度阈值报警单元。

进一步地，所述采样芯片与所述主控管理单元之间通过通讯转换芯片连接，所述通讯转换芯片将菊花链通讯方式转换成SPI通讯方式，菊花链通讯端与采样芯片连接，而SPI通讯端则与主控管理单元连接。

进一步地，所述主控管理单元中集成有多种接口，用于协调电池管理系统内部的各个功能单元，包括CAN通讯接口、SPI通讯接口、I2C通讯接口、Sig信号接口、I/O驱动接口以及诊断接口中的一种或多种；

所述主控管理单元控制所述绝缘监测模块，获取当前系统绝缘状况；所述主控管理单元通过IO接口连接并控制风扇转速控制、转速检测以及风扇电源控制；

所述主控管理单元通过I2C通讯连接RTC+EEROM，存储系统异常信息、SOC值以及提供实时时钟，记录信息参考时刻；所述主控管理单元还包括对高压端进行管理与控制，并控制与外接功能模块的通讯以及信号管理。

进一步地，所述系统基础芯片上集成有电源模块、SPI接口、CAN通讯模块以及看门狗模块。

进一步地，所述主处理单元还包括预充回路以及接触器驱动电路，所述预充回路为电池模组预充电并与接触器驱动电路并联连接，所述接触器驱动电路连接并受控于所述主控管理单元。

进一步地，所述可扩展子单元通过菊花链通讯方式连接与其相邻的单元并可根据具体设计需求进行可扩展子单元间多级级联。

本发明中提供的可扩展的混合式电池管理系统，具有以下有益效果：

本发明中提供的可扩展的混合式电池管理系统，可对所有电芯模组的电压、温度、电流、故障信息进行监控与管理，并可根据实际应用进行扩展；主处理单元与可扩展子单元之间，以及相邻可扩展子单元之间，通过菊花链通讯方式连接，可扩展子单元可根据需要进行多级级联，既能增强通讯的可靠性，又能减少系统线束的复杂度与线束成本，降低系统成本，提高系统鲁棒性，提高可扩展性，增强了系统通讯的可靠性；主处理单元与可扩展子单元均采用集成芯片方案，降低系统的复杂度，降低系统元器件的多样性，提高可靠性并降低硬件成本；电芯模组电压的采样与回路电流的采样基于采样芯片完成，可以确保电芯模组电压采样与回路电流采样同步；采样芯片与主控管理单元之间通过通讯转换芯片连接进行隔离通讯处理，可以降低复杂工况下的地环路对通讯相关信号的影响，提高系统通讯的可靠性；主处理单元中还集成有预充管理、回路接触器驱动管理、风扇驱动、实时故障存储管理、绝缘检测、系统策略运算与执行、系统故障诊断、高压管理以及与外部设备的通讯管理与信号管理功能中的一种或多种，这样可以增强系统的可扩展性与实用性。

附图说明

图1是本发明一实施例中可扩展的混合式电池管理系统结构示意图；

图2是本发明一实施例中主处理单元结构示意图；

图3是本发明一实施例中可扩展子单元结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，为本发明一实施例中可扩展的混合式电池管理系统结构示意图。

本发明一实施例中提出一种可扩展的混合式电池管理系统，与多个或者一个电芯模组40连接，用于监控电芯模组40的状态信息并管理电芯模组40的使用过程。其包含有一个主处理单元10与零个或者多个(多个包含一个)可扩展子单元20。可扩展子单元20的数量可以根据实际使用条件进行增减，并根据系统配置选取合适的数目。主处理单元10与可扩展子单元20之间，或者可扩展子单元20与可扩展子单元20之间采用菊花链通讯连接方式。上述可扩展子单元20通过菊花链的通讯方式将电芯模组的电压、温度以及故障信息传输到主处理单元10中，主处理单元10根据预先设定的逻辑策略执行相关对电芯模组的安全操作。

上述可扩展的混合式电池管理系统可根据实际应用选用零个或以上数目的可扩展子单元20进行级联连接使用，第一个可扩展子单元20与主处理单元10通过菊花链变压器隔离通讯方式连接，而其他的可扩展子单元20之间依次通过菊花链变压器隔离通讯方式连接。菊花链通讯连接方式采用双线双绞差分通讯，通讯模式为半双工模式，采用此种菊花链变压器隔离通讯方式，既能增强主处理单元10与可扩展子单元20、可扩展子单元20与可扩展子单元20之间通讯的可靠性与稳定性，又能减少系统线束的复杂度，降低系统成本，提高系统鲁棒性；同时还具备可扩展性高、可维护性高、可靠性高的特点。

进一步地，参照图3，为本发明一实施例中可扩展子单元结构示意图。

上述可扩展子单元20包括采样芯片100以及通讯隔离变压器200两个主要部分，上述可扩展子单元20完成当前电芯模组40电压、温度采集以及电芯均衡与芯片诊断功能；采样芯片100通过芯片采样端连接电芯模组40，并对电芯模组40的电压、温度进行采集以及完成采样芯片的故障诊断与电芯模组40的电压均衡等操作。采样芯片100中包括电压采样单元、模/数转换单元、温度采样单元、均衡控制单元、电流采样单元、通讯转换单元以及芯片内部故障诊断，在可扩展子单元20中由于不涉及到主回路电流的采集，因此关于电流采集单元功能将不会用到。可扩展子单元20通过内部通讯转换单元采用通讯隔离便器200的菊花链通讯方式连接到相邻可扩展子单元20或者主处理单元10中。

菊花链通讯物理连接采用双线双绞差分通讯线，通讯模式为半双工模式。采用菊花链双绞差分通讯，既能增强板级之间通讯的可靠性，又能减少连接线束的复杂性、降低系统成本、提高系统鲁棒性；同时还具有可扩展性高、维护性高、可靠性高等特点。

可扩展子单元20通过菊花链通讯方式将当前管理的电芯模组信息以及芯片故障信息传输到上述主处理单元10；上述主处理单元10根据所有电芯模组的电压、温度与系统故障信息，运行预先设定好系统策略并与外部设备进行通讯，以便对所有电芯模组进行管理，与此同时，可扩展子单元20还可以通过主处理单元发送过来的均衡指令区完成对电芯模组40的电压均衡操作。

进一步地，参照图2，为本发明一实施例中主处理单元10结构示意图。其中实线部分为主处理单元10，虚线部分为可扩展子单元20扩展级联示意图。

上述主处理单元10包括采样芯片100、通讯转换芯片103、主控管理单元101以及系统基础芯片102；上述主处理单元10完成与可扩展子单元20的通讯管理与策略控制；部分电芯模组的电压、温度采集以及均衡管理；回路电流采集、菊花链通讯转SPI通讯控制、预充管理、回路接触器驱动管理、风扇驱动、系统电源管理、实时故障存储管理、绝缘检测、系统策略运算与执行、系统故障诊断、高压管理以及与外部设备的通讯管理与信号管理等操作；上述采样芯片100、通讯转换芯片103、主控管理单元101以及系统基础芯片102依次连接。

采样芯片100通过芯片采样端连接电芯模组40，对电芯模组40的电压、温度进行采集以及完成采样芯片的故障诊断与电芯模组40的电压均衡等操作。上述主处理单元10与上述可扩展子单元之间通过菊花链通讯变压器隔离方式进行通讯连接。所有级联中的可扩展子单元20将电芯模组电压、温度以及芯片故障信息通过通讯转换芯片传输到主处理单元10中的主控管理单元101中。采样芯片100中包括电压采样单元、模/数转换单元、温度采样单元、均衡控制单元、电流采样单元、通讯转换单元、内部诊断单元以及电压、温度阈值报警单元，主处理单元10中的采样芯片100还用于采集主回路的电流信息，采用如此处理方式，可以利用集成芯片的特性保证系统电压与电流数据的同时性，提高系统策略执行的高效与可靠。采用集成芯片解决方案，既可以提高系统的集成度，降低系统的复杂度、硬件成本，也可以提高系统的可靠性与健壮性。

进一步地，采样芯片100中的电压采样单元完成电芯模组电压的采集、模/数转换单元完成电芯模组温度采集或者其他电压信号的采集、均衡控制单元执行电压被动均衡、电流采集单元用来采集主回路电流、同时采样芯片100内部还集成有内部故障诊断单元。采样芯片100通过其内部通讯转换单元，将电芯模组电压、温度、故障信息以菊花链通讯方式传输到主处理单元10中。

通讯转换芯片103将菊花链通讯方式转换成SPI通讯方式，菊花链通讯端与采样芯片100连接，中间利用变压器进行隔离，而SPI通讯端则与主控管理单元101连接。采样芯片100与主控管理单元101之间采用变压器隔离的通讯方式处理，可以避免系统在回路电流较大时引起的地偏移造成系统芯片损坏，还可以降低复杂工况下地环路以及外部环境对通讯的干扰问题，提高系统的通讯可靠性。

系统基础芯片102集成有电源管理、硬件看门狗、CAN通讯模块、SPI通讯以及硬件信号管理等功能。在本实施例中，系统采用系统集成芯片102完成系统电源管理，并通过硬件看门狗防止软件异常对主控制单元进行硬件复位，防止系统进入死机异常状态；CAN通讯模块用于主处理单元10与控制器、充电机、仪表、UPS等设备的通讯连接，SPI通讯则能保证系统基础芯片102与主控管理单元101的通讯，保证主控制单元101能够正常监控系统基础芯片102的状态。主控管理单元101通过与系统基础芯片102中的CAN通讯部分与外部设备进行通讯，可向电子控制单元实时上报电芯模组40的相关电压、电流、温度、诊断等信息。外部设备再根据预先设定好的系统策略对电池管理系统进行间接监控管路，并由主控管理单元101完成。

进一步地，上述主控管理单元101需要完成通讯管理与策略控制、预充管理、回路接触器驱动管理、风扇驱动、实时故障存储管理、绝缘检测、系统策略运算与执行、系统故障诊断、高压管理以及与外部模块的通讯管理与信号管理。本实施例中集成了大量的功能模块，如此处理既可以兼顾大部分客户的需求，也可以增强系统可靠性与实用性。

本实施例中，主控管理单元101集成有各种接口，用于协调电池管理系统内部的各个功能单元，如CAN通讯接口、SPI通讯接口、I2C通讯接口、Sig信号接口、I/O驱动接口以及诊断接口中的一种或多种。

上述主控管理单元101控制上述绝缘监测模块，实时获取当前系统绝缘状况；主处理单元中风扇管理部分完成系统电芯模组依靠风冷散热与加热时，主控管理单元101通过IO接口连接并控制风扇转速控制、转速检测以及风扇电源控制

进一步地，上述主控管理单元101通过I2C通讯连接RTC与EEROM。RTC为系统提供实时时钟信息，为系统的故障信息提供参考时间以及为SOC的估算提供时基；而EEROM则用于系统故障信息以及SOC信息存储。

进一步地，上述主处理单元10还包括预充回路，接触器驱动电路。预充回路用于实现放电接触器闭合前的预充电过程，预充回路受主控管理单元101控制。预充回路为电池模组预充电并与接触器驱动电路并联连接，与此同时，主控管理单元101还能控制接触器驱动电路(包括图2中的relay控制)，当处于放电模式且预充完成后，主控管理单元101通过控制接触器驱动电路控制放电接触器闭合，当系统不适宜放电时，其再通过控制接触器驱动电路控制放电接触器断开。同理，在充电过程中，主控管理单元101通过控制接触器驱动电路控制充电接触器闭合与断开。在其他应用场合，根据需要主控制单元101通过控制接触器驱动电路控制相关接触器的闭合与断开。

本发明实施例中的主处理单元10，可作为一个独立电池管理系统，不用扩展可扩展子单元20，可以用做于14串电池模组电池管理系统，通过CAN线以及硬件信号线与外部控制单元(例如ECU，电子控制单元)进行正常通讯，实时上报电芯模组的相关电压、电流、温度、诊断等信息。外部控制单元根据主处理单元10提供的当前电芯模组40的相关状态信息，按照预先设定的策略进行相关管理控制，并通过CAN线通讯告知主控管理模块101执行相关操作。

本实施例中的主处理单元10在系统上电后的初始状态，通过主控管理模块101向其他模块发送诊断指令，进行系统的故障自检诊断。若诊断出系统存在异常，则上报相关异常信息到外部控制单元；若无异常，则上报正常信息到外部控制单元。外部控制单元则根据预先设定的策略发送相关的处理指令到主处理单元10，主处理单元10则执行相关策略。

在一具体实施例中，汽车起步时，48V启停系统能增强加速性能，在很短的时间内(通常为0.1s～0.2s)将内燃机加速到超过怠速转速，然后内燃机开始点火，发动机无怠速工况。

在48V电池系统中，线控技术、行驶平顺性控制装置、电子加热式催化器和电磁阀系统、主动悬挂和电动四轮辅助驱动装置都能更有效使用，为车辆结构改进提供更大的可能性。

综上所述，为本发明实施例中提供的可扩展的混合式电池管理系统，可对电芯模组40的信息进行采集与管理，可根据实际应用进行扩展；主处理单元10与可扩展子单元20之间，以及相邻可扩展子单元20之间，通过菊花链通讯方式连接，可扩展子单元20可根据需要进行多级级联，既能增强通讯的可靠性，又能减少系统线束的复杂度与线束成本，降低系统成本，提高系统鲁棒性，增强了系统通讯的可靠性；采样芯片100、主控管理单元101以及系统基础芯片102上均集成大量芯片，降低系统的复杂度，降低系统元器件的多样性，提高可靠性并降低硬件成本；电芯模组40电压的采样与回路电流的采样基于采样芯片完成，可以确保电芯模组40电压采样与回路电流采样同步；采样芯片100与主控管理单元101之间通过通讯转换芯片103连接进行隔离通讯处理，可以降低复杂工况下的地环路对通讯相关信号的影响，提高系统通讯的可靠性；主控管理单元101上集成绝缘监测模块、CAN通讯接口、SPI接口、Sig接口、IO接口以及诊断接口，增强了系统的可扩展性与实用性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种可扩展的混合式电池管理系统，与电芯模组连接，用于管理电芯模组的使用过程，其特征在于，包括主处理单元以及可扩展子单元；所述主处理单元与所述可扩展子单元之间，以及相邻可扩展子单元之间，通过菊花链通讯方式连接；所述可扩展子单元采集当前电芯模组的电压、温度、执行均衡功能以及故障诊断功能，并通过菊花链通讯方式将当前管理的电芯模组信息传输至所述主处理单元；所述主处理单元根据所有电芯模组的电压、电流、温度以及系统故障信息，运行预先设定好的系统策略并与外部设备进行通讯。

2.如权利要求1所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述主处理单元包括采样芯片、通讯转换芯片、主控管理单元以及系统基础芯片，所述采样芯片、通讯转换芯片、主控管理单元以及系统基础芯片依次连接，所述采样芯片通过采样端连接电芯模组采集电芯模组的电压、温度信息并通过菊花链连接的通讯转换芯片传输至主控管理单元，所述主控管理单元通过系统基础芯片中的通讯模块将电池系统信息传输至外部设备中。

3.如权利要求2所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述采样芯片上集成有电压采样单元、模/数转换单元、温度采样单元、均衡控制单元、电流采样单元以及通讯转换单元。

4.如权利要求3所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述采样芯片上还集成有内部诊断单元以及电压、温度阈值报警单元。

5.如权利要求2所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述采样芯片与所述主控管理单元之间通过通讯转换芯片连接，所述通讯转换芯片将菊花链通讯方式转换成SPI通讯方式，菊花链通讯端与采样芯片连接，而SPI通讯端则与主控管理单元连接。

6.如权利要求2或5所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述主控管理单元上集成有多种接口，用于协调电池管理系统内部的各个功能单元，包括CAN通讯接口、SPI接口、Sig接口、IO接口以及诊断接口中的一种或多种；

所述主控管理单元控制所述绝缘监测模块，获取当前系统绝缘状况；所述主控管理单元通过IO接口连接并控制风扇转速控制、转速检测以及风扇电源控制；

所述主控管理单元通过I2C通讯连接RTC+EEROM，存储系统异常信息、SOC值以及提供实时时钟，记录信息参考时刻；所述主控管理单元还包括对高压端进行管理与控制，并控制与外接功能模块的通讯以及信号管理。

7.如权利要求2所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述系统基础芯片上集成有电源模块、SPI接口、CAN通讯模块以及看门狗模块。

8.如权利要求1所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述可扩展子单元包括采样端以及通讯端，所述采样端对电芯模组进行采样，并通过通讯端的菊花链通讯方式与下一级可扩展子单元或者主处理单元进行通讯。

9.如权利要求2所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述主处理单元还包括预充回路以及接触器驱动电路，所述预充回路为电池模组预充电并与接触器驱动电路并联连接，所述接触器驱动电路连接并受控于所述主控管理单元。

10.如权利要求2所述的可扩展的混合式电池管理系统，其特征在于，所述可扩展子单元通过菊花链通讯方式连接与其相邻的单元并可根据具体设计需求进行可扩展子单元间多级级联。