CN107618397A - 电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池管理系统用以管理一蓄电池组，电池管理系统包括微控制单元、通讯模块、电源控制模块及系统控制模块，通讯模块包括串行数据通信接口模块、第一总线模块及第二总线模块，串行数据通信接口模块用于运行电池管理系统的状态监控、程序标定及参数修订，第一总线模块与一用电电机的一基本侦测单元和一发动机液压机械组件电性连接，第二总线模块将侦测到的蓄电池组的电池的参数实时报告给一核心电子控制单元及一电机微控制单元。本发明的电池管理系统具有实时报告蓄电池组的电池状态的第二总线模，实现对蓄电池组的实时监控与控制。
Description
【技术领域】
本发明有关一种电池管理系统，尤指一种具有实时监控功能的电池管理系统。
【背景技术】
作为储电工具的蓄电池，即通常人们所说的二次电池，无论是使用历史最悠久、应用最广泛的铅酸电池，还是近十几年才发展起来的更具有发展空间的高性能锂离子电池，在使用中最怕的就是过充电和过放电。一旦过充、过放电，电池就要损坏，容量降低，寿命减少。严重的情况下，还会发生爆裂和起火燃烧。尤其是锂离子电池，通常所发生的爆燃现象，基本上都是由于电池过充、过放电所引起来的。因此，蓄电池在使用中，那怕是一节电池，都要进行电池管理，都要配置电池管理系统。这是保障电池使用安全、使用性能和使用寿命的必不可少的措施。
电池在成组使用时，更容易发生过充、过放电的现象，其根源都在于电池的一致性误差所引起来的。蓄电池组中的单体电池，由于电池的制造和使用条件的不同，其使用特性之间存在差异性，即电池的电压、容量、内阻和自放电率，在不同温度、不同充放电倍率、不同荷电状态、不同使用历程等的使用条件下，是各有差异的。而单体电池之间存在的这些差异，如果在充、放电过程中没有得到应有的控制，将会被进一步加大，进而导致部分电池发生过充、过放电现象，造成蓄电池组的容量和寿命的急剧下降，最终引起事故的发生。这是蓄电池在使用中出现的难题。为此，近十几年来，国内外的许多专家学者，广大蓄电池的制造者和使用者，都大力开展了旨在解决电池一致性误差所带来危害的研究，开发出了各种各样的电池管理系统(BMS)。至今为止，现有技术中所见到的国内外电池管理系统(BMS)，一般都具有高低压、高低温、和过流短路等多项常规保护功能和储备电量的测量功能，有许多电池管理系统(BMS)还具有所谓电池的均衡功能。但是，从实际的使用效果看，很少有令人满意的电池管理系统(BMS)。有些电池管理系统(BMS)是在处理电子技术方面存在的问题，还有的是对电池管理系统(BMS)的理念和电池管理策略存在问题。目前电动车领域正日益快速发展，可相比之下电池的发展还是存在瓶颈，不耐用、寿命短、使用成本高等问题有待解决，而且稍不小心还会发生事故，甚至发生着火爆炸。
因此，确有必要对传统的电池管理系统(BMS)进行改良以解决现有技术中的上述缺陷。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种合乎科学理念而又实用有效的电池管理系统(BMS)以解决现有技术中的缺陷。
为了实现上述目的，本发明电池管理系统采用如下技术方案：一种电池管理系统用以管理一蓄电池组，所述电池管理系统包括微控制单元、电性连接所述微控制单元的通讯模块、电性连接所述微控制单元的电源控制模块及电性连接所述微控制单元的系统控制模块，所述通讯模块包括分别电性连接所述微控制单元的串行数据通信接口模块、第一总线模块及第二总线模块，所述串行数据通信接口模块用于运行电池管理系统的状态监控、程序标定及参数修订，所述第一总线模块与一用电电机的一基本侦测单元(BMU)和一发动机液压机械组件(HMU)电性连接，所述第二总线模块为高速总线，将侦测到的蓄电池组的电池的剩余电量、电压、电流、温度参数实时报告给一核心电子控制单元(VCU)及一电机微控制单元(MCU)。
进一步，所述通讯模块还包括第三总线模块，所述第三模块总线电性连接一车载监控系统，所述第三总线模块为高速总线，将蓄电池组的详细信息传送至车载监控系统，完成蓄电池组的状态的数据显示和故障报警等功能，为蓄电池组的维护和更换提供数据。
进一步，所述第二总线模块及所述第三总线模块均采用隔离的方式与微控制单元进行连接。
进一步，所述充电电机通过所述第一总线模块实时了解蓄电池组的电池的实时状态，并根据情况调整充电模式，所述充电模式包括恒流充电模式及恒压恒流充电模式。
进一步，所述恒流充电模式为调整充电电机的充电电压，调节蓄电池组的串联电池的电压，进而使充电过程中的电流保持不变。
进一步，所述恒压恒流充电模式为保持电压恒定，并在充电过程中将电流控制在一定范围内。
进一步，所述充电模式还包括涓流充电模式，所述涓流充电模式为保持一个相对恒压恒流充电方式的充电电流而言小的充电电流给蓄电池组的内部的化学物质一个恢复过程，当电池的端电压增大到某一数值后，然后再采用恒压恒流充电模式为蓄电池组进行充电。
进一步，所述电池管理系统采用SOC估算方式，所述SOC估算方式采用AH计量加拐点修正的方法对SOC进行估算，依赖于电池管理系统100的电流监测功能，准确地绘制SOC-OCV曲线并对SOC估算结果进行修正。
进一步，所述电池管理系统采用卡尔曼滤波法计算SOC和SOH，结合蓄电池组内的单体电池的负载电压和电流的积分值对SOC进行动态估计。
进一步，所述电源控制模块包括电性连接所述微控制单元用以提供电源转换功能的电源转换模块、用以提供指示功能的指示灯模块及用以监控复位的硬件看门狗模块，所述电源转换模块直接电性连接一输出电源模块，一外部供电电源通过电源转换模块进行电源转换，所述输出电源模块将电源输出至基本侦测单元(BMU)及发动机液压机械组件(HMU)以驱动充电电机。
与现有技术相比，本发明的电池管理系统具有第二总线模块，所述第二总线模块为高速总线，将侦测到的蓄电池组的电池的剩余电量、电压、电流、温度参数实时报告给一核心电子控制单元及一电机微控制单元，实现对蓄电池组的实时监控与控制。
【附图说明】
图1是本发明电池管理系统的系统架构图。
【具体实施方式】
请参考图1，本发明电池管理系统100用以管理一整车的蓄电池组，该蓄电池组可适用于电动交通工具(纯电动/混合动力/快充快换)、储能电站(太阳能电站/风光互补发电)及通讯基站(USP备用电源/开关电源)等。所述电池管理系统100包括微控制单元10、电性连接所述微控制单元10的通讯模块20、电性连接所述微控制单元10的电源控制模块30、电性连接所述微控制单元10的系统控制模块40及电性连接所述微控制单元10的输入模块50。
所述通讯模块20包括分别电性连接所述微控制单元10的串行数据通信接口模块21(RS-232模块)、第一总线模块22(CNA模块)、第二总线模块23(CNA1模块)及第三总线模块24(CNA2模块)。其中，所述串行数据通信接口模块21用于运行电池管理系统100的状态监控、程序标定及参数修订等。所述第一总线模块22(CNA模块)用以使电机(未显示)通过其了解电池管理系统100的电池的实时状态，所述第一总线模块22(CNA模块)与电机的基本侦测单元(BMU)和发动机液压机械组件(HMU)25电性连接，实现微控制单元10与电机的基本侦测单元(BMU)和发动机液压机械组件(HMU)25的信息交互。所述电机的基本侦测单元(BMU)具有电压监测，电流监测，温度监测，绝缘监测，继电器状态监测及SOC估算等功能。所述第二总线模块23(CNA1模块)电性连接电机的核心电子控制单元(VCU)及电机微控制单元(MCU)，所述第二总线模块23(CNA1模块)为高速总线26，可将侦测到的电池的剩余电量、电压、电流、温度等参数实时报告给核心电子控制单元(VCU)及电机微控制单元(MCU)26，以便于二者更加合理的采取控制策略。所述第三总线模块24(CNA2模块)电性连接车载监控系统27，所述第三总线模块24(CNA2模块)为高速总线，可将蓄电池组的详细信息传送至车载监控系统27，完成蓄电池组的状态的数据显示和故障报警等功能，为蓄电池组的维护和更换提供数据。所述第二总线模块23(CNA1模块)及所述第三总线模块24(CNA2模块)均采用隔离的方式与微控制单元10进行连接。
所述电源控制模块30包括电性连接所述微控制单元10的用以提供电源转换功能的电源转换模块31、用以提供指示功能的指示灯模块32及用以监控复位的硬件看门狗模块33。所述电源转换模块31直接电性连接一输出电源模块34，一外部供电电源(未标示)通过电源转换模块31的电源转换，所述输出电源模块34将电源输出至基本侦测单元(BMU)及发动机液压机械组件(HMU)25以驱动电机。
所述系统控制模块40包括电性连接所述微控制单元10的用以存储微控制单元10的内部数据的存储器模块41、系统时钟模块42及可驱动继电器的开启/关闭进而控制蓄电池组运行的继电器驱动模块43。
所述输入模块50包括2路的模拟输入模块51、4路的数字输入模块52及4路的数字输出模块53，所述模拟输入模块51、数字输入模块52及数字输出模块53用以完成模拟量及数字量的输入及输出。
本发明电池管理系统100具有较为合理的充电方案。充电机通过第一总线模块22(CNA模块)实时了解蓄电池组的电池的实时状态，并动态调整充电策略，进而实现安全充电。本发明电池管理系统的充电方案分为两个阶段，分别为恒流充电模式和恒压恒流充电模式。在蓄电池组开始充电时，采用恒流充电模式。所谓恒流充电模式，即为调整外部充电机的充电电压，调节蓄电池组的串联电池的电压，进而使充电过程中的电流不再发生变换。恒流充电模式状态下，因为电池的接受能力会因为充电过程的继续而慢慢变小，直到充电块结束时，充电电流的主要用处变成了电解水，会出现很多气泡，影响电池的使用状态和寿命，因此采取恒压恒流充电模式。所谓恒压恒流充电模式即为防止因恒压充电初始时的充电电流过大，导致温度骤增并给蓄电池组带来严重伤害，此时则需要在充电过程中将电流控制在一定范围内。还有一种补充充电模式为涓流充电模式，所谓涓流充电模式即为在给蓄电池组放电过程结束后给它内部的化学物质一个恢复过程，这个时候需要以某种程度上相对较小的电流来给电池充电，当电池的端电压增大到某一数值后，然后再采用恒压恒流充电模式采用大电流为蓄电池组进行充电。涓流充电模式状态下，电流恒定且数值较小，随着电池状态恢复，就需要使整流器的电压随着电池状态而升高，因此涓流充电模式与恒流充电模式较为相似。
本发明电池管理系统100采用SOC估算方式为整车控制提供支持，是整车判断电池是否可以充电或放电的依据。所述SOC估算采用AH计量加拐点修正的方法对SOC进行估算，依赖于电池管理系统100的电流监测功能，准确地绘制SOC-OCV曲线，进而保证SOC估算的准确性。对于混合动力汽车的蓄电池组的电池一般处于浅充浅放的状态，本发明电池管理系统100则采用卡尔曼滤波算法莱保证SOC估算的误差在一定范围内。所述SOC估算承担了电池管理系统核心的计算工作——包括蓄电池组的SOC，最高、最低温度，最大、最小充放电功率，最大、最小充放电电流，最大、最小模块电压等数据的分析计算。SOC的估算在安时计量方法的基础上，采用电池的OCV-SOC曲线对SOC估算结果进行修正。
本发明电池管理系统100采用充放电管理方案对整车进行能量管理，保证蓄电池组在安全使用的条件下为整车提供最大的能量限值。在纯电动汽车上，充放电管理方案还能加快蓄电池组的电池的能量补给。在混合动力汽车上，充放电管理能确保整车能量的最优利用。
本发明电池管理系统100采用小电阻在线均衡方法，解决温升过高，控制难度大的问题，在有效处理电池内阻和极化电压影响的情况下，能对电池起一定的均衡作用。本发明同时采用电池组热管理模式为蓄电池组的运行提供良好的运行环境。根据不同的蓄电池组的电池温度特性，通过电池管理系统100的可靠的温度监控实现对一冷风机或加热电阻的控制，进而使蓄电池组的电池的温度处于最优状态。本发明电池管理系统100还具有故障处理模式，可准确地进行故障判断并及时发现电池运行中的不安全状态，保证电池运行的安全。故障处理模式可判断故障类型，并分别针对电池管理系统100自身故障及电池运行状态故障进行分别报警提示。
本发明本发明电池管理系统100的计入电源管理设计技术，采集模块在睡眠模式下可以拥有nA级别的待机功耗。软件上采用卡尔曼滤波法计算SOC和SOH，结合单体电池的负载电压和电流的积分值对SOC进行动态估计，克服了常规开路电压法和电流积分法长期由于电池化学特性变化和累计误差造成的SOC估算误差很大的问题。
Claims (10)
1.一种电池管理系统，用以管理一蓄电池组，所述电池管理系统包括微控制单元、电性连接所述微控制单元的通讯模块、电性连接所述微控制单元的电源控制模块及电性连接所述微控制单元的系统控制模块，其特征在于：所述通讯模块包括分别电性连接所述微控制单元的串行数据通信接口模块、第一总线模块及第二总线模块，所述串行数据通信接口模块用于运行电池管理系统的状态监控、程序标定及参数修订，所述第一总线模块与一用电电机的一基本侦测单元和一发动机液压机械组件电性连接，所述第二总线模块为高速总线，将侦测到的蓄电池组的电池的剩余电量、电压、电流、温度参数实时报告给一核心电子控制单元及一电机微控制单元。
2.如权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于：所述通讯模块还包括第三总线模块，所述第三模块总线电性连接一车载监控系统，所述第三总线模块为高速总线，将蓄电池组的详细信息传送至车载监控系统，完成蓄电池组的状态的数据显示和故障报警功能，为蓄电池组的维护和更换提供数据。
3.如权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于：所述第二总线模块及所述第三总线模块均采用隔离的方式与微控制单元进行连接。
4.如权利要求3所述的电池管理系统，其特征在于：所述充电电机通过所述第一总线模块实时了解蓄电池组的电池的实时状态，并根据情况调整充电模式，所述充电模式包括恒流充电模式及恒压恒流充电模式。
5.如权利要求4所述的电池管理系统，其特征在于：所述恒流充电模式为调整充电电机的充电电压，调节蓄电池组的串联电池的电压，进而使充电过程中的电流保持不变。
6.如权利要求5所述的电池管理系统，其特征在于：所述恒压恒流充电模式为保持电压恒定，并在充电过程中将电流控制在一定范围内。
7.如权利要求6所述的电池管理系统，其特征在于：所述充电模式还包括涓流充电模式，所述涓流充电模式为保持一个相对恒压恒流充电方式的充电电流而言小的充电电流给蓄电池组的内部的化学物质一个恢复过程，当电池的端电压增大到某一数值后，然后再采用恒压恒流充电模式为蓄电池组进行充电。
8.如权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于：所述电池管理系统采用SOC估算方式，所述SOC估算方式采用AH计量加拐点修正的方法对SOC进行估算，依赖于电池管理系统100的电流监测功能，准确地绘制SOC-OCV曲线并对SOC估算结果进行修正。
9.如权利要求8所述的电池管理系统，其特征在于：所述电池管理系统采用卡尔曼滤波法计算SOC和SOH，结合蓄电池组内的单体电池的负载电压和电流的积分值对SOC进行动态估计。
10.如权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于：所述电源控制模块包括电性连接所述微控制单元用以提供电源转换功能的电源转换模块、用以提供指示功能的指示灯模块及用以监控复位的硬件看门狗模块，所述电源转换模块直接电性连接一输出电源模块，一外部供电电源通过电源转换模块进行电源转换，所述输出电源模块将电源输出至基本侦测单元及发动机液压机械组件以驱动充电电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20180123 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |