CN108656978A - 基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统及方法 - Google Patents

基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统及其方法，包括：由若干个电芯组成的电池组和监控电池组工作的控制单元，控制单元包括从控单元和主控单元，从控单元与电池组配对，采集电压、温度等信息，并通过无线通信模块与主控模块的主控通信模块传输信息。主控通信模块还具有GPRS通信单元，GPRS单元与远程互联网平台配对通信；总线模块与车载电脑连接。通过互联网平台大大提高了数据运算能力及运算速度，当车载的主控单元或是电脑出现控制故障时，能起到冗余监控的作用，提高电池管理系统的可靠性，并且能对异常电池实现保护，实现其生命周期中的软件智能调整。

Description

基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统及方法
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统及方法。
背景技术
由于不可再生能源危机和环境污染严重，全球加速了绿色环保高性能锂电池的发展，锂电池作为新能源汽车“心脏”，其由单体电池组成电池系统的过程中需要定制开发相匹配的电池管理系统，用于对锂电池系统实现保护及管理。电池管理系统等管理能力很大程度决定了锂电池系统的可靠性、经济性、长寿命、智能维护等方面，目前锂电池的管理系统存在从控模块与主控之间均采用有线通讯的方式，使得线束连接复杂，在电池安装及售后服务的过程中存在很大的不便利性，同时每套电池系统所处为孤立状态，并未实现互联，其控制程序均为前期出厂时预设好的，在电池系统的整个较长寿命周期中，几乎不存在自学习的能力及软件程序的智能控制。
发明内容
本发明为了解决现有技术中因动力电池具有电压高、容量大，所需单体电芯数量多等情况，采用的管理系统从控与主控数量较多，电池系统中所涉及的通讯线束较为复杂，且现有的管理系统软件控制程序均为预先出厂烧录的，无法实现其生命周期中的软件智能调整或控制等不足，提供了一种连接方式简单且软件控制灵活的基于互联网及无线传输电池管理系统。
本发明的技术方案是：一种基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，包括：由若干个电芯组成的电池组和监控所述电池组工作的控制单元，控制单元包括从控单元和主控单元，从控单元与电池组配对，包括：电压采集模块、温度采集模块、无线通信模块、电池电源管理模块和从控芯片；主控模块包含主控通信模块、总线模块、控制电源管理模块和主控芯片；主控通信模块包括无线通信单元和GPRS通信单元，GPRS单元与远程互联网平台配对通信；总线模块通过CAN总线与车载电脑连接。
作为一种优选：互联网平台包括数据处理服务器，所述的数据处理服务器能实时分析数据并通过预设算法输出控制，对电动车电池管理系统实时控制。
作为一种优选：无线通信模块包含唯一的地址识别码，从控单元的无线通信模块和主控单元的无线通信单元采用多信道传输。在通信失败时，可自动进行跳频通信。无线通信模块的工作机制可实现跳频工作，以确保干扰源频率与通讯频率类似，导致无线通信在该频率下工作异常的情况下，无线通讯能够跳开干扰源频率段实现正常的数据交互。
作为一种优选：电池组包括无线充电单元，所述的无线充电单元包括RFID射频模块。可以实现电动汽车在行驶时，不间断充电，配合主控单元和互联网平台，可以实现电池充电的状态监控及费用计费。
作为一种优选：从控单元还包括电解液传感器、湿度传感器。可以实现管理系统能够对电池的电解液泄露或是进水等故障情况作出及时的监控
作为一种优选：从控单元的无线通信模块和主控单元的无线通信单元用NRF24L01。该芯片高速率、低功耗，具有125个频点，满足多点通信和跳频通信需要。
作为一种优选：无线通信模块采用433MHZ的工作频率。在满足电池信息扫描允许周期的范围内尽可能降价功耗，同时也提高无线通讯的可靠性。
基于互联网及无线传输的电动车电池管理的方法：
(1)主控单元正常工作时，互联网平台通过GPRS单元获取的车辆数据信号，并保存到数据库中，数据库中主要存放车辆电池的电压、电流输出和当前电量剩余状态，配合数据服务器，可以记录充电次数和充电时长，电池组每次充电饱和到电池耗尽所用的时间跨度和在上述的时间跨度中车辆的行驶里程；
(2)互联网平台的数据服务器通过软件程序，根据步骤(1)保存的数据信号，分析出车辆所有电池组的输出不平衡情况，对区别其他电池在充放电周期产生陡降的情况进行识别，确定故障电池；互联网平台发送指令到主控单元，通过主控单元控制从控单元将该故障电池从电池组的组网中脱离；
(3)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶中，互联网平台实时采集车载电脑的控制命令，在起步，上坡等情况下，分析得到车辆电池在整个寿命周期的不同阶段，应该以何种斜率输出工况；
(4)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶或停放时，主控单元和互联网平台检测到充电要求，能分别控制电池组的充放电工作模式的选择和记录充放电的时长，并反馈充电费用。
(5)当主控单元中对于电池组中故障电池的识别以及控制车载电池输出工况变化的软件需要更新时，互联网平台通过GPRS单元远程代替主控单元工作，并对主控单元中的程序进行更新。
本发明的有益效果是：
1、控制单元包括了具有无线通讯功能的从控单元和主控单元，解决有线线束布线复杂的问题。
2、主控通信模块包括GPRS通信单元，能与远程互联网平台配对通信，主控单元将接收到的从控单元的数据信息通过GPRS通信单元传输至互联网平台的数据处理服务器，数据处理服务器通过预设算法对数据进行分析，分析的结果通过GPRS模块回传至主控单元，主控单元根据互联网平台的分析结果进行执行控制与显示；这样设计使电池管理系统间的电气连接复杂性大大降低，同时通过互联网平台大大提高了数据运算能力及运算速度，起到了当车载的主控单元或是电脑出现控制故障时，能起到冗余监控的作用，提高电池管理系统的可靠性，并且能对异常电池实现保护，实现其生命周期中的软件智能调整。
3、具备能与远程互联网平台配对通信的电池管理系统，能在物联网环境下，使用RFID 等传输介质，实现对电动汽车电池充放电的实时管理，解决了车辆行驶中无线充电无法计费等问题。
附图说明
图1：本发明电池管理系统结构示意图。
图2：本发明包含从控单元的电池组结构示意图
具体实施方式
一种基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，包括：由若干个电芯组成的电池组 1和监控所述电池组1工作的控制单元，如图1所示：控制单元包括从控单元2和主控单元 3，从控单元2与电池组1配对，部分电池组包括无线充电单元7。
如图2进一步所示，由电芯10串并联组成的电池单体，配对有一块从控单元2，它是一块PCB基板，上面具体包括：由电压采集接口21和电压采集IC22组成的电压采集模块、温度采集模块28、无线通信模块23、电池电源管理模块24和从控芯片25；进一步的从控单元还包括电解液传感器26、湿度传感器27。可以实现管理系统能够对电池的电解液泄露或是进水等故障情况作出及时的监控。
电压采集接口与电芯串并联后的电芯组的每个电芯正负极相连接；电压采集与电压采集接口电连接后同时与从控芯片电连接，将采集到的单体电压数据传输至从控芯片。温度传感器与从控芯片电连接，以检测电池组的温度。无线通信模块与从控芯片电连接，从控芯片通过无线通信模块将采集到的电池组信息发送至主控模块。电池电源管理模块为电池管理系统从控模块提供不同工作电压。
如图1中的主控模块3包含由无线通信单元30和GPRS通信单元31组成的主控通信模块、总线模块32、控制电源管理模块33和主控芯片34。总线模块通过CAN总线4与车载电脑5连接。主控模块的无线通信单元30与主控芯片34电连接，将接收到的从控模块电池信息发送至主控芯片34。总线通信模块通过CAN总线与主控芯片34电连接，通过通信接口与车载电脑5相应接口连接进行信息交互。进一步的主控模块3还带有光耦驱动模块与主控芯片电连接，主控芯片34通过光耦驱动模块经由外设接口控制相应的继电器，实现对电池组1进行异常保护。控制电源管理模块33为电池管理系统的主控单元3提供不同工作电压的需求，此外附带有的纽扣电池可用于提供主控模块休眠状态下的供电。
每一个从控单元2的无线通信模块23包含唯一的地址识别码，从控单元的无线通信模块23和主控单元的无线通信单元30采用多信道传输。在通信失败时，可自动进行跳频通信。无线通信模块的工作机制可实现跳频工作，以确保干扰源频率与通讯频率类似，导致无线通信在该频率下工作异常的情况下，无线通讯能够跳开干扰源频率段实现正常的数据交互。
从控单元的无线通信模块23和主控单元的无线通信单元30采用NRF24L01。该芯片支持六路通道的数据接收，低工作电压：1.9～3.6V，高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象。多频点：125频点，满足多点通信和跳频通信需要，内置2.4GHz小型天线，体积小巧，当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件 SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口。由于链路层完全集成在模块上，非常便于开发。自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制自动存储未收到应答信号的数据包自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号，无须另行编程载波检测—固定频率检测内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制数据包传输错误计数器及载波检测功能可用于跳频设置可同时设置六路接收通道地址，可有选择性的打开接收通道标准插针Dip2.54MM间距接口，便于嵌入式应用。
无线通信采用433MHZ的工作频率。在满足电池信息扫描允许周期的范围内尽可能降价功耗，同时也提高无线通讯的可靠性。
主控模块与从控模块在无线收发过程中连续多次发生通信错误时，从控芯片、主控芯片则会控制无线通信进行跳频至169MHZ进行通信，以避免因外界干扰导致无法通信，提高无线通信的抗干扰性。
另外：主控通信模块的GPRS单元31与远程互联网平台6配对通信；互联网平台包括数据处理服务器，所述的数据处理服务器能实时分析数据并通过预设算法输出控制，对电动车电池管理系统实时控制。
无线充电单元的工作原理：可以参考日本丰桥技术科学大学公开的技术：使用公路沥青下的铁板，受电侧使用车辆轮胎中所含的金属部分——钢带。铁板与钢带通过轮胎中的树脂实现绝缘，在铁板中通入13.5MHz的高频电力，使两者之间产生电场，从而实现电力流动。或是中国专利号：201710329580.2的汽车行驶中的无线充电装置发明专利，利用道路路面铺设或是道路路旁架设的能量发射装置，实现电动汽车在行驶时，车辆的能量接受装置(线圈) 可以不间断对电池充电。进一步优化的无线充电单元包括RFID射频模块，RFID射频模块采用RC522芯片组成的常见电路(电路可在互联网下载获取)。在充电阶段产生的费用计算，配合主控单元发送车辆电池数据信号到互联网平台，互联网平台将计费数据传回到主控单元，车主就可以实现在车辆行驶中观察电池充电的状态及费用。
无线传输的电池管理系统在工作时，每个从控单元的无线通信模块均有一个唯一的地址码，主控单元的无线通信单元分别于从控单元中的无线通信模块进行扫描连接，通过地址码进行识别，以判定检测到的数据对应的电池组电芯位置。
主控单元在检测到电池组处于静态状态下，则主控芯片会通过无线通信单元传输休眠指令给每个从控单元中从控芯片，由从控芯片控制从控单元处于休眠侦听状态，以减少功耗，当主控单元在检测到电池组处于工作状态下，则以同样的方式唤醒从控单元以进行数据采集。
主控单元可安装不止与一个的无线通信模块，以同时分组队从控模块进行扫描检测数据，以缩短整个控制系统数据检测的时间周期。
主控模块可控制多个从控模块，以扫描检测的方式交互每个从控模块检测到的电池组数据，然后对检测到的电池数据进行判断电池组的工作情况，实现报警、保护等措施。
利用上述硬件环境，实现互联网平台和主控单元协同进行电动车电池管理的方法，如下所述：
(1)主控单元正常工作时，互联网平台通过GPRS单元获取的车辆数据信号，并保存到数据库中，数据库中主要存放车辆电池的电压、电流输出和当前电量剩余状态，配合数据服务器，可以记录充电次数和充电时长，电池组每次充电饱和到电池耗尽所用的时间跨度和在上述的时间跨度中车辆的行驶里程；
(2)互联网平台的数据服务器通过软件程序，根据步骤(1)保存的数据信号，分析出车辆所有电池组的输出不平衡情况，对区别其他电池在充放电周期产生陡降的情况进行识别，确定故障电池；互联网平台发送指令到主控单元，通过主控单元控制从控单元将该故障电池从电池组的组网中脱离；
(3)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶中，互联网平台实时采集车载电脑的控制命令，在起步，上坡等情况下，分析得到车辆电池在整个寿命周期的不同阶段，应该以何种斜率输出工况；
(4)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶或停放时，主控单元和互联网平台检测到充电要求，都分别控制电池组的充放电工作模式的选择和记录充放电的时长，并反馈充电费用。
(5)当主控单元中对于电池组中故障电池的识别以及控制车载电池输出工况变化的软件需要更新时，互联网平台通过GPRS单元远程代替主控单元工作，并对主控单元中的程序进行更新。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，包括：由若干个电芯组成的电池组和监控所述电池组工作的控制单元，其特征在于：所述的控制单元包括从控单元和主控单元，所述的从控单元与电池组配对，包括：电压采集模块、温度采集模块、无线通信模块、电池电源管理模块和从控芯片；所述主控模块包含主控通信模块、总线模块、控制电源管理模块和主控芯片；所述的主控通信模块包括无线通信单元和GPRS通信单元，所述的GPRS单元与远程互联网平台配对通信；所述的总线模块通过CAN总线与车载电脑连接。
2.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：所述的互联网平台包括数据处理服务器，所述的数据处理服务器能记录电池组的数据，实时分析数据并输出远程控制命令，对电动车电池管理系统实时控制。
3.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：所述的无线通信模块包含唯一的地址识别码，从控单元的无线通信模块和主控单元的无线通信单元采用多信道传输。
4.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：所述的电池组包括无线充电单元，所述的无线充电单元包括RFID射频模块。
5.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：所述的从控单元还包括电解液传感器、湿度传感器。
6.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：所述的从控单元的无线通信模块和主控单元的无线通信单元用NRF24L01。
7.根据权利要求1或3或6所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：无线通信模块采用433MHZ的工作频率。
8.根据权利要求1所述的基于互联网及无线传输的电动车电池管理系统，其特征在于：主控模块还带有光耦驱动模块与主控芯片电连接，主控芯片通过光耦驱动模块经由外设接口控制相应的继电器，实现对电池组进行异常保护。
9.一种使用权利要求1所述的系统实现的电动车电池管理的方法：
(1)互联网平台通过GPRS单元获取的车辆数据信号，并保存到数据库中，数据库中主要存放车辆电池的电压、电流输出和当前电量剩余状态，配合数据服务器，可以记录充电次数和充电时长，电池组每次充电饱和到电池耗尽所用的时间跨度和在上述的时间跨度中车辆的行驶里程；
(2)互联网平台的数据服务器通过软件程序，根据步骤(1)保存的数据信号，分析出车辆所有电池组的输出不平衡情况，对区别其他电池在充放电周期产生陡降的情况进行识别，确定故障电池；互联网平台发送指令到主控单元，通过主控单元控制从控单元将该故障电池从电池组的组网中脱离；
(3)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶中，互联网平台实时采集车载电脑的控制命令，在起步，上坡等情况下，分析得到车辆电池在整个寿命周期的不同阶段，应该以何种斜率输出工况；
(4)通过步骤(2)实现正常电池组投入工作后，在车辆行驶或停放时，主控单元和互联网平台检测到充电要求，都分别控制电池组的充放电工作模式的选择和记录充放电的时长，并反馈充电费用。
(5)当主控单元中对于电池组中故障电池的识别以及控制车载电池输出工况变化的软件需要更新时，互联网平台通过GPRS单元远程代替主控单元工作，并对主控单元中的程序进行更新。
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