CN107819164A - 一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统 - Google Patents

一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统 Download PDF

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陈庆捷
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Abstract

本发明公开了一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，包括集中控制器和电池管理系统，所述集中控制器的正负极端口分别通过正极主继电器和负极主继电器与电池管理系统相连接，所述电池管理系统的控制端与电池组监控模块相连接，所述电流传感器的信号端通过SCI通信接口与电池组监控模块相连接，所述电池组监控模块的控制端与电池管理系统相连接；所述电池管理系统内部设置有主控制器，所述主控制器的信号端与电压采集单元相连接，所述主控制器的通讯端口还连接有CAN总线接口，整个系统对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，达到增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本的目的。

Description

一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统
技术领域
本发明涉及电池管理系统技术领域，具体为一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统。
背景技术
现代电动汽车是一台全新的机器，它完全不同于传统的电动汽车，它不仅仅是运输车辆，而且是一台全新的电气设备。现代电动汽车由电动机、功率变换器和电池组成其核心部分，其动力部分的特性与内燃机有本质的不同。现代电动车学是研究现代电动车的新兴交叉学科，它的核心是如何最有效和环保地利用电能驱动车辆，实现系统的集成和优化，动力电池作为电动车的能源组件，目前的使用情况并不理想，很大程度上影响了电动车的研究进程，已成为实现电动车市场化的瓶颈。主要原因有：
(1)现有的电池管理系统大多通过设计电池模糊诊断系统，通过模糊判断确定电池的运行状态，找出失效的单元电池。但是由于模糊系统判断过程缓慢，且需要大量实验数据组成专家系统；
(2)现有的故障管理系统都缺少电池均衡系统。有些电池管理系统能完成数据采集并实现了电池均衡，但其均衡功能采用被动均衡，能量耗散较大。近年来电池管理系统研究有较大发展，但仍有很多技术有待完善。尤其在数据采集的可靠性、安全管理以及均衡技术等方面有待进一步改进和提高；
(3)电池组尤其是电动汽车用动力电池都是由几十个上百个单体电池串联起来为电池汽车提供能量的，由于单体电池之间存在个体差异，且在运行中可能由于运行状态的不一样，导致单电池的性能不一致，即会出现有些电池变成落后电池而有些电池状态还比较好的现象。这种情况下，这些落后的单体电池或模块电池的性能决定着整个电池组的性能，即整个电池组的性能也下降，而且由于落后电池与健康电池是串联使用，进一步加速缩短了使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，对电池组进行安全监控及有效管理，提高电池的使用效率，达到增加续驶里程，延长其使用寿命，降低运行成本的目的，进一步提高电池组的可靠性，能够有效地减少电池出现问题，并收集相关电池状态信息，确定电池正常工作的条件和电池何时需要更换，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，包括集中控制器、电池管理系统和电池组监控模块，所述集中控制器的正负极端口分别通过正极主继电器和负极主继电器与电池管理系统相连接，所述电池管理系统的控制端与电池组监控模块相连接，所述集中控制器的内部设置有电流传感器，所述电流传感器的信号端通过SCI通信接口与电池组监控模块相连接，所述电池组监控模块的控制端与电池管理系统相连接；
所述电池管理系统内部设置有主控制器，所述主控制器的信号端连接有电压采集单元，所述电压采集单元的控制端连接有电子开关矩阵，所述电子开关矩阵的控制端连接有电池组，所述电池组的信号端分别连接有电池组电压采集单元和高压电安全管理单元，所述高压电安全管理单元的信号端与主控制器交互连接，所述电池组电压采集单元的信号端与主控制器的控制端相连接，所述主控制器的通讯端口还连接有CAN总线接口。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电压采集单元包括ARM控制器和电池检测芯片，所述电池检测芯片的信号端连接有电压传感器，所述电池检测芯片的控制端通过SPI总线与ARM控制器相连接，所述ARM控制器的输入端连接有温度传感器，所述ARM控制器的输出端连接有阈值设定模块，所述阈值设定模块的信号端连接有电池负荷状态监测模块。
作为本发明一种优选的技术方案，所述ARM控制器的交互端口连接有CAN隔离收发器，所述CAN隔离收发器的信号端通过CAN总线连接有集中控制器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述集中控制器内部设置有信号处理器，所述信号处理器的信号端接收电流传感器的反馈信号，所述电流传感器的控制端与总线开关相连接，所述信号处理器的信号端还通过USB接口芯片连接有上位机，所述信号处理器的输出端连接有报警器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主控制器的电源端连接有电源电路，所述主控制器的输入端分别连接有绝缘电阻测量模块和继电器开关检测电路，所述主控制器的输入端还设置有电流采集接口，所述电流采集接口的信号端接收LEM传感器的反馈信号，所述主控制器的信号端连接有温度采集卡，所述主控制器的通讯端口还连接有RS接口，所述主控制器的数据端连接有数据存储器，所述主控制器的输出端连接有外部继电器控制电路，所述主控制器的信号端还连接有无线收发器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述继电器开关检测电路的控制端分别连接有正极主继电器和负极主继电器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电池组监控模块包括电池单体电压测量电路，所述电池单体电压测量电路的数据端与电池组相连接，所述电池单体电压测量电路的内部设置有电压采集线束，所述电压采集线束分段采集电池组信号，所述电压采集线束的输出端连接有采样芯片，所述采样芯片的输出端通过SPI通信隔离电路与主控制器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述无线收发器的信号端通过无线信号与上位机相连接，所述上位机的内部设置有LABVIEW控制模块，所述LABVIEW控制模块的交互端口连接有人机交互界面。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电池单体电压测量电路的输出端连接有模数转换器，所述模数转换器的信号端通过控制线路连接有单片机控制器，所述模数转换器的信号输入端连接有电压测量调理电路，所述单片机控制器的输入端连接有温度测量调理电路，所述单片机控制器的信号端连接有电池管理系统。
作为本发明一种优选的技术方案，所述模数转换器的输入端连接有电流测量调理电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用分布式与集中式结构结合的模式，设计了具有均衡功能的电池管理系统。采用纯电动汽车电池管理专用芯片，避免使用较多电子元器件，实现电池温度、电流、电压数据的采集和绝缘检测等功能，在此基础上实现电池管理系统和上位机软件通讯，同时利用变压器的能量传递设计均衡系统，实现集中式双向主动均衡功能，提升电池使用效率；
(2)本发明通过安装电池管理系统内部的CAN总线通讯，电池管理模块对外提供CAN总线接口，上位机监控通过CAN总线接收测得的电压、电流、温度等数据并直接显示或曲线显示，根据预先设置的阈值条件实现故障提示，同时可以将所需的数据存入文件中。因为电脑一般没有CAN总线接口，所以通过CAN卡扩展出CAN接口，用于连接到CAN总线。在本设计中采用了双路智能CAN卡作为监控计算机端的接口，可以方便地连接到CAN总线上；
(3)本发明的电压信号采集是电池管理系统信号采集技术的关键。电压信号的准确性直接影响着电池负荷状态的估算精度和均衡控制。电压采集单元的主要功能包括：测量电池组中每个单体电池和电池包的电压信号，并存储在寄存器中；再将电压信号传输到ARM控制器内部，监控每个单体电池的欠压和过压状态，当某个电池电压超过设置的欠压/过压点时，发送信息到ARM控制器内进行处理，提高了信息处理效率，实现了实时监控的作用。
附图说明
图1为本发明的整体模块流程示意图；
图2为本发明的电压采集单元流程框图；
图3为本发明的主控制器工作流程框图；
图4为本发明的电池组监控模块流程框图。
图中：1-集中控制器；2-电池管理系统；3-电池组监控模块；4-上位机；
100-正极主继电器；101-负极主继电器；102-USB接口芯片；103-SCI通信接口；104-电流传感器；105-信号处理器；106-报警器；107-总线开关；108-电流传感器；
200-主控制器；201-电池组；202-CAN总线接口；203-高压电安全管理单元；204-电压采集单元；205-电子开关矩阵；206-电池组电压采集单元；207-CAN隔离收发器；208-电压传感器；209-电池检测芯片；210-SPI总线；211-温度传感器；212-ARM控制器；213-阈值设定模块；214-电池负荷状态监测模块；215-数据存储器；216-RS232接口；217-温度采集卡；218-电流采集接口；219-LEM传感器；220-无线收发器；221-绝缘电阻测量模块；222-继电器开关检测电路；223-外部继电器控制电路；224-电源电路；
300-电池单体电压测量电路；301-电压采集线束；302-采样芯片；303-模数转换器；304-单片机控制器；305-温度测量调理电路；306-电压测量调理电路；307-电流测量调理电路；308-SPI通信隔离电路；
400-LABVIEW控制模块；401-人机交互界面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「中」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「侧面」等，仅是参考附加图式的方向和位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。
实施例：
如图1所示，本发明提供了一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，包括集中控制器1、电池管理系统2和和电池组监控模块3，所述集中控制器1的正负极端口分别通过正极主继电器100和负极主继电器101与电池管理系统2相连接，所述电池管理系统2的控制端与电池组监控模块3相连接，所述集中控制器1的内部设置有电流传感器104，所述电流传感器104的信号端通过SCI通信接口103与电池组监控模块3相连接，所述电池组监控模块3的控制端与电池管理系统2相连接，所述集中控制器1实时监测储能系统中所有单体电池和电池包的状态，经过处理的数据存储在集中控制器1的寄存器中，通过通信模块传输到上位机4。集中控制器1同时控制电池储能系统的总线开关107和报警器106。多个电池包和集中控制器1之间的通信通过隔离的CAN总线进行，提高了传输速度和系统的可靠性。以电池包为基础，实现对大容量成组电池系统的信号采集和处理；
如图1所示，所述电池管理系统2内部设置有主控制器200，所述主控制器200的信号端与电压采集单元204相连接，所述电压采集单元204的控制端与电子开关矩阵205相连接，使用STM32系列的控制器作为主控制器200，利用主控制器200检测电压采集单元204检测到的电压信号，并根据程序设定相应的执行命令，所述电子开关矩阵205的控制端与电池组201相连接，所述电池组201的信号端分别与电池组电压采集单元206和高压电安全管理单元203相连接，所述高压电安全管理单元203的信号端与主控制器200交互连接，使用电池组电压采集单元206和高压电安全管理单元203监测电池组201的电压信号，提高电池组201的管理效率，所述电池组电压采集单元206的信号端与主控制器200的控制端相连接，所述主控制器200的通讯端口还连接有CAN总线接口202。
针对上述的整个系统可分为上层的主控模块和下层的监控模块。监控模块主要为电池组监控模块3和电池单体电压测量电路300。监控模块和主控模块通过SCI通信接口103进行内部通讯，主控模块通过CAN总线和外部进行通讯。
如图2所示，所述电压采集单元204包括ARM控制器212和电池检测芯片209，所述电池检测芯片209采用LTC6803型号的监控芯片，可以同时采集12节串联电池的电压信号。多个电池检测芯片209能够级联使用，通过CAN隔离收发器207，同时监控串联电池组中所有单体电池的电压信号，并且电池检测芯片209采用单独寻址的串行接口通信，16个电池检测芯片209能够由一个ARM控制器212同时控制，采用隔离型电源供电，抗EMI能力更好，所述电池检测芯片209的信号端与电压传感器208相连接，所述电池检测芯片209的控制端通过SPI总线210与ARM控制器212相连接，所述ARM控制器212的输入端与温度传感器211相连接，所述ARM控制器212的输出端与阈值设定模块213相连接，所述阈值设定模块213的信号端与电池负荷状态监测模块214相连接，所述ARM控制器212的交互端口与CAN隔离收发器207相连接，所述CAN隔离收发器207的信号端通过CAN总线与集中控制器1相连接，所述集中控制器1内部设置有信号处理器105，所述信号处理器105的信号端接收电流传感器108的反馈信号，所述电流传感器108的控制端与总线开关107相连接，所述信号处理器105的信号端还通过USB接口芯片102与上位机4相连接，所述信号处理器105的输出端与报警器106相连接。
本系统在LTC6803型号的电池检测芯片209引脚输入端采用100Ω电阻和0.1uF瓷片电容组成RC滤波电路，滤除高频干扰。采用STM32F103型号的ARM控制器212作为微控制器，电池检测芯片209通过SPI总线与ARM控制器212通信，SPI总线4个引脚通过上拉电阻连接到电池检测芯片209内置稳压源。电池检测芯片209通过单独的隔离电源供电，而不用串联电池组供电，保证了电池组在掉电保护期间信号采集模块的正常运行。通过设置4个寻址端口区分整个系统中各个电压采集模块。
所述电压采集单元204是电池管理系统信号采集技术的关键。电压信号的准确性直接影响着电池负荷状态的估算精度和均衡控制。电压采集单元204的主要功能包括：测量电池组中每个单体电池和电池包的电压信号，并存储在寄存器中；再将电压信号传输到ARM控制器内部，监控每个单体电池的欠压和过压状态，当某个电池电压超过设置的欠压/过压点时，发送信息到ARM控制器内进行处理，提高了信息处理效率，实现了实时监控的作用
如图3所示，所述主控制器200的电源端与电源电路224相连接，所述主控制器200的输入端与绝缘电阻测量模块221和继电器开关检测电路222相连接，所述绝缘电阻测量模块221对电池组测量动力电池高压线路对底盘的绝缘电阻，检测电池和车体之间是否是绝缘状态，所述主控制器200通过继电器开关检测电路222对总电压测量，采集点放在放电主继电器后，精度满足要求，采集值将作为电池组总电压的备用值，程序中总电压首先通过对单体电压累加得到，在单体电压采样有异常或者通讯有异常时，累加值会出现异常，此时系统启用总电压备用值。同时，这个总电压也被用来判断主继电器是否打开；所述主控制器200的输入端还设置有电流采集接口218，所述电流采集接口218外接LEM传感器219，得到母线电流值，电流传感器采用双量程，提高了测量精度；所述电流采集接口218的信号端接收LEM传感器219的反馈信号，所述主控制器200的信号端与温度采集卡217相连接，所述主控制器200的通讯端口还连接有RS232接口216，所述RS232接口216可实现控制器直接与人机交互系统进行通讯，所述主控制器200的数据端与数据存储器215相连接，所述数据存储器215主要根据电池管理系统的功能需求，对电池状态信息以及故障数据进行存储，所述主控制器200的输出端与外部继电器控制电路223相连接，所述主控制器200的信号端还连接有无线收发器220，所述继电器开关检测电路222的控制端分别与正极主继电器100和负极主继电器101相连接，所述无线收发器220的信号端通过无线信号与上位机4相连接，所述上位机4的内部设置有LABVIEW控制模块400，所述LABVIEW控制模块400的交互端口与人机交互界面401相连接，通过无线收发器220连接上位机4，能够通过LABVIEW控制模块400检测执行器的状态，在人机交互界面401上观察其是否处于响应电池管理系统的控制命令，能够实时了解所控制每一个电路的控制结果。
如图4所示，所述电池组监控模块3包括电池单体电压测量电路300，所述电池单体电压测量电路300的数据端与电池组201相连接，所述电池单体电压测量电路300的内部设置有电压采集线束301，所述电压采集线束301分段采集电池组信号，所述电压采集线束301的输出端与采样芯片302相连接，所述采样芯片302的输出端通过SPI通信隔离电路308与主控制器200相连接，采用光电隔离的方式，完成电池单体电压测量电路300与电池管理系统2之间的数字信号传输，实现了由电压与电流的采集调理电路及电池单体电压测量电路300构成的现场数据采集系统与电池管理系统2电气上的完全隔离，同时可满足电池管理系统2与各控制器之间的大量数据的实时交换与共享。
如图4所示，所述电池单体电压测量电路300的输出端与模数转换器303相连接，所述模数转换器303的信号端通过控制线路与单片机控制器304相连接，所述模数转换器303的信号输入端与电压测量调理电路306相连接，所述单片机控制器304的输入端与温度测量调理电路305相连接，所述单片机控制器304的信号端与电池管理系统2相连接，所述模数转换器303的输入端与电流测量调理电路307相连接，采用具有多路信号处理通道的模数转换器303对电池的电压、电流信号进行检测，实现了对电池单体结构的监控。
综上所述，本发明的主要特点在于：
(1)本发明采用分布式与集中式结构结合的模式，设计了具有均衡功能的电池管理系统。采用纯电动汽车电池管理专用芯片，避免使用较多电子元器件，实现电池温度、电流、电压数据的采集和绝缘检测等功能，在此基础上实现电池管理系统和上位机软件通讯，同时利用变压器的能量传递设计均衡系统，实现集中式双向主动均衡功能，提升电池使用效率；
(2)本发明通过安装电池管理系统内部的CAN总线通讯，电池管理模块对外提供CAN总线接口，上位机监控通过CAN总线接收测得的电压、电流、温度等数据并直接显示或曲线显示，根据预先设置的阈值条件实现故障提示，同时可以将所需的数据存入文件中。因为电脑一般没有CAN总线接口，所以通过CAN卡扩展出CAN接口，用于连接到CAN总线。在本设计中采用了双路智能CAN卡作为监控计算机端的接口，可以方便地连接到CAN总线上；
(3)本发明的电压信号采集是电池管理系统信号采集技术的关键。电压信号的准确性直接影响着电池负荷状态的估算精度和均衡控制。电压采集单元的主要功能包括：测量电池组中每个单体电池和电池包的电压信号，并存储在寄存器中；再将电压信号传输到ARM控制器内部，监控每个单体电池的欠压和过压状态，当某个电池电压超过设置的欠压/过压点时，发送信息到ARM控制器内进行处理，提高了信息处理效率，实现了实时监控的作用。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：包括集中控制器(1)、电池管理系统(2)和电池组监控模块(3)，所述集中控制器(1)的正负极端口分别通过正极主继电器(100)和负极主继电器(101)与电池管理系统(2)相连接，所述电池管理系统(2)的控制端与电池组监控模块(3)相连接，所述集中控制器(1)的内部设置有电流传感器(104)，所述电流传感器(104)的信号端通过SCI通信接口(103)与电池组监控模块(3)相连接，所述电池组监控模块(3)的控制端与电池管理系统(2)相连接；
所述电池管理系统(2)内部设置有主控制器(200)，所述主控制器(200)的信号端连接有电压采集单元(204)，所述电压采集单元(204)的控制端连接有电子开关矩阵(205)，所述电子开关矩阵(205)的控制端连接有电池组(201)，所述电池组(201)的信号端分别连接有电池组电压采集单元(206)和高压电安全管理单元(203)，所述高压电安全管理单元(203)的信号端与主控制器(200)交互连接，所述电池组电压采集单元(206)的信号端与主控制器(200)的控制端相连接，所述主控制器(200)的通讯端口还连接有CAN总线接口(202)。
2.根据权利要求1所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述电压采集单元(204)包括ARM控制器(212)和电池检测芯片(209)，所述电池检测芯片(209)的信号端连接有电压传感器(208)，所述电池检测芯片(209)的控制端通过SPI总线(210)与ARM控制器(212)相连接，所述ARM控制器(212)的输入端连接有温度传感器(211)，所述ARM控制器(212)的输出端连接有阈值设定模块(213)，所述阈值设定模块(213)的信号端连接有电池负荷状态监测模块(214)。
3.根据权利要求2所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述ARM控制器(212)的交互端口连接有CAN隔离收发器(207)，所述CAN隔离收发器(207)的信号端通过CAN总线连接有集中控制器(1)相连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述集中控制器(1)内部设置有信号处理器(105)，所述信号处理器(105)的信号端接收电流传感器(108)的反馈信号，所述电流传感器(108)的控制端与总线开关(107)相连接，所述信号处理器(105)的信号端还通过USB接口芯片(102)连接有上位机(4)，所述信号处理器(105)的输出端连接有报警器(106)。
5.根据权利要求1所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述主控制器(200)的电源端连接有电源电路(224)，所述主控制器(200)的输入端分别连接有绝缘电阻测量模块(221)和继电器开关检测电路(222)，所述主控制器(200)的输入端还设置有电流采集接口(218)，所述电流采集接口(218)的信号端接收LEM传感器(219)的反馈信号，所述主控制器(200)的信号端连接有温度采集卡(217)，所述主控制器(200)的通讯端口还连接有RS232接口(216)，所述主控制器(200)的数据端连接有数据存储器(215)，所述主控制器(200)的输出端连接有外部继电器控制电路(223)，所述主控制器(200)的信号端还连接有无线收发器(220)。
6.根据权利要求5所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述继电器开关检测电路(222)的控制端分别连接有正极主继电器(100)和负极主继电器(101)。
7.根据权利要求1所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述电池组监控模块(3)包括电池单体电压测量电路(300)，所述电池单体电压测量电路(300)的数据端与电池组(201)相连接，所述电池单体电压测量电路(300)的内部设置有电压采集线束(301)，所述电压采集线束(301)分段采集电池组信号，所述电压采集线束(301)的输出端连接有采样芯片(302)，所述采样芯片(302)的输出端通过SPI通信隔离电路(308)与主控制器(200)相连接。
8.根据权利要求5所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述无线收发器(220)的信号端通过无线信号与上位机(4)相连接，所述上位机(4)的内部设置有LABVIEW控制模块(400)，所述LABVIEW控制模块(400)的交互端口连接有人机交互界面(401)。
9.根据权利要求7所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述电池单体电压测量电路(300)的输出端连接有模数转换器(303)，所述模数转换器(303)的信号端通过控制线路连接有单片机控制器(304)，所述模数转换器(303)的信号输入端连接有电压测量调理电路(306)，所述单片机控制器(304)的输入端连接有温度测量调理电路(305)，所述单片机控制器(304)的信号端连接有电池管理系统(2)。
10.根据权利要求9所述的一种具有潜在故障分析诊断功能的电池管理系统，其特征在于：所述模数转换器(303)的输入端连接有电流测量调理电路(307)。
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