CN108045232B - 一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统 - Google Patents

一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，包括动力电池组、高压动力互锁模块和电池管理模块，所述动力电池组的交换端口与电池管理模块相连接，所述电池管理模块的输出端通过无线收发器与高压动力互锁模块相连接，所述高压动力互锁模块的输出端连接有可控高压直流接触器，所述电机控制器的驱动端与电动机相连接，所述电池管理模块包括主控制器和CAN总线通信接口，所述主控制器的信号端通过CAN总线通信接口与无线收发器相连接，系统通过对纯电动汽车的高压回路进行实时监控，并利用人机交互界面提供多种反馈信息，以实现对高压回路在电池组启停过程中的有效控制以及高压回路故障的及时报警。

Description

一种设有充电高压互锁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，具体为一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统。
背景技术
现代电动汽车一般分为纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、外接式可充电混合动力汽车及增程式电动汽车。纯电动汽车是指完全由蓄电池提供电力驱动的电动汽车，工作电压高达几百伏，远远高于安全电压。且高压系统工作时放电电流有可能达到数十安，甚至高达上百安。当高压电路发生绝缘、短路及漏电等情况时，会直接对驾乘人员的人身生命财产安全造成危害，目前的电池管理系统还需要改进：
(1)相对于传统汽车而言，纯电动汽车采用了大容量、高电压的动力电池及高压电机和电驱动控制系统，并采用了大量的高压附件设备，如：电动空调、PTC电加热器及DC/DC转换器等。由此而隐藏的高压安全隐患问题和造成的高压电伤害问题完全有别于传统燃油汽车；
(2)由于纯电动汽车上存在高压交流系统，具有较强的电磁干扰性，两者之间形成接地回路共同阻抗耦合将噪声耦合至信号线，输入与输出信号线容易排在一起造成干扰。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，通过对纯电动汽车的高压回路进行实时监控，并利用人机交互界面提供多种反馈信息，以实现对纯电动汽车高压回路在车辆启停过程中的有效控制以及高压回路故障的及时报警，最后通过主控制器对电池参数进行分析，采用高压动力互锁模块检测电路状态，排出高压交流信号的干扰，实用性强，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：一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，包括动力电池组、高压动力互锁模块和电池管理模块，所述动力电池组的交换端口与电池管理模块相连接，所述电池管理模块的输出端通过无线收发器与高压动力互锁模块相连接，所述高压动力互锁模块的输出端连接有可控高压直流接触器，所述可控高压直流接触器的输出端通过总控开关分别连接有DC/DC转换器和逆变器，所述DC/DC转换器的控制端与低压电器相连接，所述逆变器的输出端连接有电机控制器，所述电机控制器的驱动端连接有电动机；
所述电池管理模块包括主控制器和CAN总线通信接口，所述主控制器的信号端通过CAN总线通信接口与无线收发器相连接，所述无线收发器的信号端通过无线网络与上位机相连接，所述主控制器的控制端与继电器开闭检测电路相连接，所述继电器开闭检测电路的控制端与高压动力互锁模块相连接，所述主控制器的信号端还连接有温度采集卡和总电压采集模块。
作为本发明一种优选的技术方案，所述高压动力互锁模块包括电源电路和高压检测模块，所述电源电路的供电端与通过低压继电器分别与连接器和高压检测模块相连接，所述高压检测模块的内部设置有阈值设定模块，所述阈值设定模块的信号端与主控制器相连接，所述阈值设定模块的控制端与报警器相连接，所述高压检测模块的输出端通过采样芯片分别与总正继电器、总负继电器和预充电继电器相连接，所述总正继电器、总负继电器和预充电继电器的控制端均与主控制器相连接，所述采样芯片的信号端与连接器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电池管理模块的内部还设置有双向均衡模块，所述双向均衡模块包括单片机控制器，所述单片机控制器的输出端通过均衡控制电路与均衡控制器相连接，所述均衡控制器的输出端与动力电池组相连接，所述动力电池组的输入端与电池组保护电路相连接，所述电池组保护电路的控制端与单片机控制器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述单片机控制器的信号端还连接有A/D转换器，所述A/D转换器的输入端分别连接有电压传感器、电流传感器和温度传感器，所述电压传感器、电流传感器和温度传感器的信号端均与动力电池组相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述电流传感器包括原边电流线圈和副边补偿线圈，所述原边电流线圈与磁芯缠绕连接，所述磁芯设置在霍尔元件的外表面，所述霍尔元件的输出端缠绕有副边补偿线圈，且在霍尔元件的输出端开设有磁性元件，所述磁性元件的输出端通过放大器与副边补偿线圈相连接，所述副边补偿线圈的输出端与测量接口相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述主控制器的数据端还连接有数据存储器，所述主控制器的信号端与USB接口芯片和RS232接口模块相连接，所述主控制器的的信号端还连接有三轴加速度传感器。
作为本发明一种优选的技术方案，所述总电压采集模块的内部设置有霍尔电压传感器，所述霍尔电压传感器的反馈信号端与主控制器相连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述上位机的内部设置有人机交互界面。
作为本发明一种优选的技术方案，所述采样芯片的控制引脚与主控制器相连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用高压动力互锁模块，通过使用电气的信号，来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时，安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光警报，直到该故障完全排除，可有效的检测高压供电回路连接的可靠性，有效的保障了电池组安全运行；
(2)本发明采用集中式检测方案来测量单体电池的电压，将每只电池的正负极连接到高压动力互锁模块，高压动力互锁模块采用电阻分压后通过继电器进行切换，再经过多路转换开关进行扫描，每次切换一个总线开关，开关网络的输出电压极性将交替变化，紧跟其后的精密整流电路完成极性变换后再送给主控制器进行处理，降低了高压回路对电池组的影响。
(3)本发明霍尔式电流传感器对动力电池充放电电流进行检测，使得低压供电方便，同时测量精度高，在测量范围内误差小于1％，并且为达到高精度测量，本设计采用的电流传感器专口设置了自动切换双通道测量，即使电流很小也可以高精度采集，有利于电池管理模块实施过流保护，并且测量精度对温度不敏感，在很宽的温度范围内温漂小，测量线性度高，有利于处理。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为本发明的电池管理模块框图；
图3为本发明的高压动力互锁模块框图；
图4为本发明的双向均衡模块框图；
图5为本发明的电流传感器结构示意图。
图中：1-动力电池组；2-电池管理模块；3-高压动力互锁模块；
100-无线收发器；101-可控高压直流接触器；102-低压电器；103-电动机；104-DC/DC转换器；105-电机控制器；106-逆变器；107-总控开关；
200-主控制器；201-上位机；202-人机交互界面；203-三轴加速度传感器；204-CAN总线通信接口；205-总电压采集模块；206-霍尔电压传感器；207-温度采集卡；208-RS232接口模块；209-继电器开闭检测电路；210-数据存储器；211-双向均衡模块；212-均衡控制器；213-均衡控制电路；214-单片机控制器；215-A/D转换器；216-电池组保护电路；217-电压传感器；218-电流传感器；219-温度传感器；220-原边电流线圈；221-磁芯；222-霍尔元件；223-副边补偿线圈；224-磁性元件；225-放大器；226-测量接口；227-USB接口芯片；
300-电源电路；301-低压继电器；302-连接器；303-报警器；304-高压检测模块；305-阈值设定模块；306-采样芯片；307-预充电继电器；308-总负继电器；309-总正继电器。
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，本发明提供了一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，包括动力电池组1、高压动力互锁模块3和电池管理模块2，所述动力电池组1的交换端口与电池管理模块2相连接，所述电池管理模块2的输出端通过无线收发器100与高压动力互锁模块3相连接，所述高压动力互锁模块3的输出端通过可控高压直流接触器101相连接，所述可控高压直流接触器101的输出端通过总控开关107分别与DC/DC转换器104和逆变器106相连接，所述DC/DC转换器104的控制端与低压电器102相连接，所述逆变器106的输出端与电机控制器105相连接，所述电机控制器105的驱动端与电动机103相连接，当电池组遇到故障时，所述电池管理模块2首先采用声光报警的形式通知车主，而后再通过无线收发器100向整车控制器发出故障信息，整车控制器应该调整控制参数，以避免电池受到更严重的危害；当电池管理模块2检测到严重故障时，先通过CAN总线向整车控制器发出断高压电请求命令，若故障持续了一定时间而整车控制器没有做出相应动作，此时电池管理模块2可以强行断开继电器组以保证人机安全；
如图2所示，所述电池管理模块2包括主控制器200和CAN总线通信接口204，所述主控制器200的信号端通过CAN总线通信接口204与无线收发器100相连接，所述CAN总线通信接口204可以连接电池管理模块2内部的各个控制器，通过主控制器200实时对其进行控制。所述无线收发器100的信号端通过无线网络与上位机201相连接，所述上位机201的内部设置有人机交互界面202，通过人机交互界面202实时的对电池组信息进行监测，便于查看以及及时维修，所述主控制器200的控制端与继电器开闭检测电路209相连接，所述继电器开闭检测电路209的控制端与高压动力互锁模块3相连接，通过继电器开闭检测电路209实时检测高压动力互锁模块3内部继电器的开关情况，可以随时控制通断，所述主控制器200的信号端还连接有温度采集卡207和总电压采集模块205，所述总电压采集模块205的内部设置有霍尔电压传感器206，所述霍尔电压传感器206的反馈信号端与主控制器200相连接，所述主控制器200的数据端还连接有数据存储器210，所述主控制器200的信号端与USB接口芯片211和RS232接口模块208相连接，所述主控制器200的信号端还连接有三轴加速度传感器203。
如图3所示，所述高压动力互锁模块3包括电源电路300和高压检测模块304，所述电源电路300的供电端与通过低压继电器301分别与连接器302和高压检测模块304相连接，所述高压检测模块304的内部设置有阈值设定模块305，所述阈值设定模块305的信号端与主控制器200相连接，所述阈值设定模块305的控制端与报警器303相连接，所述高压检测模块304的输出端通过采样芯片306分别与总正继电器309、总负继电器308和预充电继电器307相连接，所述总正继电器309、总负继电器308和预充电继电器307的控制端均与主控制器200相连接，所述采样芯片306的信号端与连接器302相连接，所述采样芯片306的控制引脚与主控制器200相连接。
所述高压动力互锁模块3主要是针对高压电路连接的可靠程度提出的。通过使用电气的信号，来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时，安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光报警，直到该故障完全排除。
所述高压动力互锁模块3在充电时，整个驱动系统都需要处于断电状态，即驱动可控高压直流接触器101需处于断开状态，当高压检测模块304接收到有效的充电信息指令后，高压检测模块304首先检测驱动系统相关接触器是否处于断开状态。若处于断开状态则闭合充电回路相关接触器。否则，充电接触器将不会闭合，高压检测模块304将发出声光报警以提示相关人员，直至故障排除。
如图4所示，所述电池管理模块2的内部还设置有双向均衡模块211，所述双向均衡模块211包括单片机控制器214，所述单片机控制器214的输出端通过均衡控制电路213与均衡控制器212相连接，所述均衡控制器212的输出端与动力电池组1相连接，所述动力电池组1的输入端与电池组保护电路216相连接，所述电池组保护电路216的控制端与单片机控制器214相连接，所述单片机控制器214的信号端还连接有A/D转换器215，所述A/D转换器215的输入端分别连接有电压传感器217、电流传感器218和温度传感器219，所述电压传感器217、电流传感器218和温度传感器219的信号端均与动力电池组1相连接；
所述双向均衡模块211的作用是在动力电池组1充放电动态过程及静态过程中，各单体电池的能量均衡，最大限度地利用各单体电池的能量，并将单体电池的端电压信号经A/D转换器215转换后送往单片机控制器214，单片机控制器214经过判断，输出PWM信号到均衡控制电路213，PWM触发信号再经过放大隔离后去触发对应的开关管，实现电池能量转移。
如图5所示，所述电流传感器218包括原边电流线圈220和副边补偿线圈223，所述原边电流线圈220与磁芯221缠绕连接，所述磁芯221设置在霍尔元件222的外表面，所述霍尔元件222的输出端缠绕有副边补偿线圈223，且在霍尔元件222的输出端开设有磁性元件224，所述磁性元件224的输出端通过放大器225与副边补偿线圈223相连接，所述副边补偿线圈223的输出端与测量接口226相连接，
所述采用霍尔电流传感器218来测量电池的充放电电流。霍尔电流传感器218与分流器相比具有的优势为如下：(1)采用霍尔感应的原理，无需直接接触高压电路，低压测量电路和高压被测电路可以隔离，避免动力电池端的干扰进入控制端，因此，达到提高采样精度，避免高压干扰的目的；(2)霍尔电流采集器输出模拟量与所用单片机控制器214内部的数模采集范围相同，输出电压正比于电流值，程序设计以及滤波简单；(3)测量发热量小，并且测量精度对温度不敏感，在很宽的温度范围内温漂小；测量线性度高，有利于处理。
综上所述，本发明的主要特点在于：
(1)本发明采用高压动力互锁模块，通过使用电气的信号，来检查整个模块、导线及连接器的电气完整性。当高压安全管理系统检测到某处连接断开或某处连接没有达到预期的可靠性时，安全管理系统将直接或通过整车控制器切断相关动力电源的输出并发出声光警报，直到该故障完全排除，可有效的检测高压供电回路连接的可靠性，有效的保障了电池组安全运行；
(2)本发明采用集中式检测方案来测量单体电池的电压，将每只电池的正负极连接到高压动力互锁模块，高压动力互锁模块采用电阻分压后通过继电器进行切换，再经过多路转换开关进行扫描，每次切换一个总线开关，开关网络的输出电压极性将交替变化，紧跟其后的精密整流电路完成极性变换后再送给主控制器进行处理，降低了高压回路对电池组的影响。
(3)本发明霍尔式电流传感器对动力电池充放电电流进行检测，使得低压供电方便，同时测量精度高，在测量范围内误差小于1％，并且为达到高精度测量，本设计采用的电流传感器专口设置了自动切换双通道测量，即使电流很小也可以高精度采集，有利于电池管理模块实施过流保护，并且测量精度对温度不敏感，在很宽的温度范围内温漂小，测量线性度高，有利于处理。
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 (8)

1.一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：包括动力电池组(1)、高压动力互锁模块(3)和电池管理模块(2)，所述动力电池组(1)的交换端口与电池管理模块(2)相连接，所述电池管理模块(2)的输出端通过无线收发器(100)与高压动力互锁模块(3)相连接，所述高压动力互锁模块(3)的输出端连接有可控高压直流接触器(101)，所述可控高压直流接触器(101)的输出端通过总控开关(107)分别连接有DC/DC转换器(104)和逆变器(106)，所述DC/DC转换器(104)的控制端与低压电器(102)相连接，所述逆变器(106)的输出端连接有电机控制器(105)，所述电机控制器(105)的驱动端连接有电动机(103)；
所述电池管理模块(2)包括主控制器(200)和CAN总线通信接口(204)，所述主控制器(200)的信号端通过CAN总线通信接口(204)与无线收发器(100)相连接，所述无线收发器(100)的信号端通过无线网络与上位机(201)相连接，所述主控制器(200)的控制端与继电器开闭检测电路(209)相连接，所述继电器开闭检测电路(209)的控制端与高压动力互锁模块(3)相连接，所述主控制器(200)的信号端还连接有温度采集卡(207)和总电压采集模块(205)；
所述高压动力互锁模块(3)包括电源电路(300)和高压检测模块(304)，所述电源电路(300)的供电端与通过低压继电器(301)分别与连接器(302)和高压检测模块(304)相连接，所述高压检测模块(304)的内部设置有阈值设定模块(305)，所述阈值设定模块(305)的信号端与主控制器(200)相连接，所述阈值设定模块(305)的控制端与报警器(303)相连接，所述高压检测模块(304)的输出端通过采样芯片(306)分别与总正继电器(309)、总负继电器(308)和预充电继电器(307)相连接，所述总正继电器(309)、总负继电器(308)和预充电继电器(307)的控制端均与主控制器(200)相连接，所述采样芯片(306)的信号端与连接器(302)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述电池管理模块(2)的内部还设置有双向均衡模块(211)，所述双向均衡模块(211)包括单片机控制器(214)，所述单片机控制器(214)的输出端通过均衡控制电路(213)与均衡控制器(212)相连接，所述均衡控制器(212)的输出端与动力电池组(1)相连接，所述动力电池组(1)的输入端与电池组保护电路(216)相连接，所述电池组保护电路(216)的控制端与单片机控制器(214)相连接。
3.根据权利要求2所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述单片机控制器(214)的信号端还连接有A/D转换器(215)，所述A/D转换器(215)的输入端分别连接有电压传感器(217)、电流传感器(218)和温度传感器(219)，所述电压传感器(217)、电流传感器(218)和温度传感器(219)的信号端均与动力电池组(1)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述电流传感器(218)包括原边电流线圈(220)和副边补偿线圈(223)，所述原边电流线圈(220)与磁芯(221)缠绕连接，所述磁芯(221)设置在霍尔元件(222)的外表面，所述霍尔元件(222)的输出端缠绕有副边补偿线圈(223)，且在霍尔元件(222)的输出端开设有磁性元件(224)，所述磁性元件(224)的输出端通过放大器(225)与副边补偿线圈(223)相连接，所述副边补偿线圈(223)的输出端与测量接口(226)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述主控制器(200)的数据端还连接有数据存储器(210)，所述主控制器(200)的信号端与USB接口芯片(211)和RS232接口模块(208)相连接，所述主控制器(200)的的信号端还连接有三轴加速度传感器(203)。
6.根据权利要求1所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述总电压采集模块(205)的内部设置有霍尔电压传感器(206)，所述霍尔电压传感器(206)的反馈信号端与主控制器(200)相连接。
7.根据权利要求1所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述上位机(201)的内部设置有人机交互界面(202)。
8.根据权利要求6所述的一种设有充电高压互锁功能的电池管理系统，其特征在于：所述采样芯片(306)的控制引脚与主控制器(200)相连接。
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