CN108780928B - 电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池管理系统，并且涉及如下电池管理系统，在该电池管理系统中，测量电池电压的电压测量单元和基于测量到的电压值控制电池的控制单元在被包括在现有的电池管理系统中的电池管理控制器中分离，并且电压测量单元被包括电池断开单元中，由此防止电压测量单元和控制单元之间的绝缘电阻下降。

Description

电池管理系统
技术领域
本申请要求于2016年8月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2016-0109326的优先权和权益，其全部内容通过引用被合并在此。
本发明涉及电池管理系统，并且涉及如下电池管理系统，其中被连接到作为现有的电池管理控制器(BMC)的高压部的电池侧并且测量电池电压的电压测量单元与控制单元分离，该控制单元基于所测量的电压值控制开关，并且电压测量单元被包括在电池断开单元(BDU)中，并且电压测量单元和控制单元通过隔离通信(insulated communication)交换信息，从而防止电压测量单元和控制单元之间的绝缘电阻降低。
背景技术
具有根据产品组的高应用容易性和诸如高能量密度的电特性的二次电池已普遍应用于由电力驱动源驱动的电动车辆(EV)和混合动力车辆(HV)、或用于家庭或工业的使用中型和大型电池的能量存储系统(ESS)或不间断电源(UPS)系统等，以及便携式设备。
因为作为主要优点能够创新地减少化石燃料的使用，同时当使用能量时不产生副产物，所以二次电池作为一种环境友好且具有改善的能量效率的新能源而受到关注。
应用于EV或能量存储源的二次电池通常以其中组合多个单元二次电池单元的形式使用，以改善对高容量环境的适应性，然而，这基本上不被应用于二次电池被实现为便携式终端等的电池的情况。
当电池，特别地，多个二次电池交替地执行充电和放电时，有必要通过有效地控制二次电池的充电/放电来管理电池以维持适当的操作状态和性能。
为此，提供了管理电池的状态和性能的电池管理系统(BMS)。BMS可以包括电池管理控制器(BMC)和电池断开单元(BDU)，该电池管理控制器(BMC)包括测量装置和控制装置，该测量装置测量电池的电压、电流、温度等；当基于所测量的值诊断电池具有问题时，该控制装置控制电池和开关装置的操作；当基于电池的所测量的值诊断电池存在问题时，该电池断开单元(BDU)可以断开电池以保护负载。
在现有的BMC中，连接到作为高压部的电池侧的测量装置和基于所测量的值控制电池的控制单元通过一条线路连接，由此因为有必要使用其中在测量装置和控制单元之间确保隔离的电子部件，并且测量装置和控制单元之间的绝缘电阻由于高电压而通过测量装置减小，而存在问题。当绝缘电阻减小时，在测量装置和控制单元之间可能产生线路间短路故障，并且BMS的可靠性降低。
因此，有必要提供一种电池管理系统，其通过解决诸如由被定位在BMS内部的BMC引起的绝缘电阻的降低的问题来稳定地驱动电池，并且基于电池的稳定驱动具有可靠性。
发明内容
技术问题
具有根据产品组的高应用容易性和诸如高能量密度的电特性的二次电池已普遍应用于由电驱动源驱动的电动车辆(EV)和混合动力车辆(HV)、或者用于家庭或工业的使用中型和大型电池的能量存储系统(ESS)或不间断电源(UPS)系统等，以及便携式设备。
因为作为主要优点能够创新地减少化石燃料的使用，同时当使用能量时不产生副产物，所以二次电池作为一种环境友好且具有改善的能量效率的新能源而受到关注。
应用于EV或能量存储源的二次电池通常以其中组合多个单元二次电池单元的形式使用，以改善对高容量环境的适应性，然而，这基本上不被应用于二次电池被实现为便携式终端等的电池的情况。
当电池，特别地，多个二次电池交替地执行充电和放电时，有必要通过有效地控制充电/放电来管理电池以维持适当的操作状态和性能。
为此，提供了管理电池的状态和性能的电池管理系统(BMS)。BMS可以包括电池管理控制器(BMC)和电池断开单元(BDU)，该电池管理控制器(BMC)包括测量装置和控制装置，该测量装置测量电池的电压、电流、温度等；当基于所测量的值诊断电池具有问题时，该控制装置控制电池和开关装置的操作；当基于电池的所测量的值诊断电池存在问题时，该电池断开单元(BDU)可以断开电池以保护负载。
在现有的BMC中，连接到作为高压部的电池侧的测量装置和基于所测量的值控制电池的控制单元通过一条线路连接，由此因为有必要使用其中在测量装置和控制单元之间确保隔离的电子部件，并且测量装置和控制单元之间的绝缘电阻由于高电压而通过测量装置减小，而存在问题。当绝缘电阻减小时，在测量装置和控制单元之间可能产生线路间短路故障，并且BMS的可靠性降低。
因此，有必要提供一种电池管理系统，其通过解决诸如由被定位在BMS内部的BMC引起的绝缘电阻的降低的问题来稳定地驱动电池，并且基于电池的稳定驱动具有可靠性。
技术解决方案
根据本发明的示例性实施例的用于管理电池的系统包括：一个或多个开关，所述一个或多个开关连接电池和负载；电压测量单元，该电压测量单元测量电池的电压值；控制单元，该控制单元基于所测量的电压值控制所述一个或多个开关；以及通信单元，该通信单元将所测量的电压值发送到控制单元，其中所述电压测量单元、所述一个或多个开关和所述通信单元被形成为电池断开单元(BDU)，并且所述控制单元被定位在所述BDU的外部。
所述BDU可以被定位在电池侧，并且所述控制单元可以被定位在负载侧。
所述系统还可以包括参考电压产生单元，该参考电压产生单元与所述电池并联连接并且产生参考电压，其中所述参考电压产生单元可以产生第一参考电压和第二参考电压，基于该第一参考电压确定电池的过充电，基于该第二参考电压确定电池的过放电。
所述控制单元可以包括：开关控制单元，该开关控制单元控制所述开关的操作；和诊断单元，该诊断单元基于所测量的电池的电压值和所产生的参考电压来诊断电池的状态。
所述诊断单元可以包括比较单元，该比较单元将电池的电压与第一参考电压和第二参考电压进行比较，并且当电池的电压大于第一参考电压或电池电压小于第二参考电压时，诊断单元可以输出控制一个或多个开关的开关控制信号。
所述通信单元还可以包括：隔离单元，该隔离单元使所测量的电压值电隔离(electrically insulated)；和发送单元，该发送单元将所电隔离的电压值发送到控制单元。
电压测量单元、通信单元和控制单元可以被连接到控制器局域网(CAN)总线，使得电压测量单元和控制单元可以执行CAN通信。
本发明的作用
根据本发明的一个方面，能够提供一种电池管理系统，其中电压测量单元和控制单元在现有电池管理控制器中被分离，并且电压测量单元被包括在电池断开单元中，从而防止电压测量单元和控制单元之间的绝缘电阻降低。
此外，能够提供一种电池管理系统，其中由电压测量单元测量的电压被电隔离并且被提供给控制单元，从而可适用于非绝缘的低成本电子组件，并且降低噪声并且降低由噪声引起的模拟测量误差。
附图说明
图1是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统可适用的电动车辆的图。
图2是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统的图。
图3是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统中的电池断开单元的配置的图。
图4是图示通过根据本发明的示例性实施例的电池管理系统管理电池的方法的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明。这里，将省略可能使本发明的要点不必要地模糊的公知功能和配置的重复描述和详细描述。向本领域的技术人员提供本发明的示例性实施例使得更完整地解释本发明。因此，为了更清楚的解释，可能夸大附图中元件的形状、尺寸等。
在整个说明书和权利要求书中，除非明确相反地描述，否则词语“包括/包含”和诸如“包括/包含”或“包括/包含”的变体意指进一步包括其他组成元件，不排除其他组成元件。
另外，说明书中描述的术语“…单元”意指用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或软件组件及其组合来实现。
图1是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统可适用的电动车辆的图。
图1图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统100被应用于电动车辆1的示例，但是包括在本发明的示例性实施例中的电池管理系统100可适用于任何技术领域，诸如除了电动车辆之外的用于家庭或工业的能量存储系统(ESS)或者二次电池可适用的不间断电源(UPS)系统。
电动车辆1可以包括电池10、电池管理系统(BMS)20、电子控制单元(ECU)30、逆变器40和电动机50。
电池10是用于通过向电动机50提供驱动力来驱动电动车辆1的电能源。电池10可以根据电动机50和/或内燃机(未被图示)的驱动由逆变器40充电或放电。
这里，电池10的种类没有被特别限制，并且例如，电池10可以包括锂离子电池、锂聚合物电池、镍镉电池、镍氢电池和镍锌电池。
此外，电池10由电池模块形成，其中多个电池单元串联和/或并联连接，并且电池组由多个电池模块形成。此外，电池10可以包括一个或多个电池组。
BMS 20估计电池10的状态，并且通过使用关于所估计的状态的信息来管理电池10。例如，BMS 20估计和管理电池10的状态信息，诸如电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)、最大输入/输出允许功率的量、以及输出电压。此外，BMS 20通过使用状态信息来控制电池10的充电或放电，并且此外，可以估计电池10的更换时间。
BMS 20可以是根据下面将描述的本发明的示例性实施例的电池管理系统100。此外，BMS 20可以包括根据本发明的示例性实施例的电池管理系统100，或者当与电池管理系统连接时进行操作。
类似于电池管理系统100，在BMS 20中，测量电池的电流、电压、温度等的测量装置与控制单元分离，并且测量装置被包括在包括开关单元的电池断开单元中，使得能够防止测量装置和控制单元之间的绝缘电阻劣化并且降低线路间短路和噪声。
ECU 30是用于控制电动车辆1的状态的电子控制装置。例如，ECU 30基于关于加速器、制动器、速度等的信息确定扭矩水平，并且控制电动机50的输出以对应于扭矩信息。
此外，ECU 30将控制信号发送到逆变器40，使得电池10由BMS 20充电或放电。
逆变器40基于ECU 30的控制信号使电池10充电或放电。
电动机50通过使用电池10的电能基于从ECU 30发送的控制信息(例如，扭矩信息)来驱动电动车辆1。
在下文中，将参考图2和图3描述根据本发明的示例性实施例的电池管理系统。
图2是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统的图。
参考图2，根据本发明的示例性实施例的电池管理系统可以包括电压测量单元110、开关120、参考电压产生单元130、通信单元140和控制单元150。
图2中所图示的电池管理系统100根据示例性实施例，并且电池管理系统100的组成元件不限于图2中图示的示例性实施例，并且必要时可以添加、改变或删除组成元件。
电压测量单元110可以测量电池10模块的电压值。例如，电压测量单元110可以通过测量施加到与电池10串联连接的分流电阻器的两端的电压来测量电池10的电压。
这里，当多个电池10模块被串联或并联使用时，可以包括一个或多个电压测量单元使得分别测量一个或多个电池10模块，并且一个电压测量单元110可以测量多个电池模块10或全部电池10模块。
开关120可以连接电池10和负载，并且当下面将描述的控制单元150基于由电压测量单元110测量的电压值诊断电池10模块处于异常状态时，开关120可以通过将开关120断路来断开电池10和负载。
可以提供一个或多个开关120，以便于改善电池10模块和负载的连接和断开的稳定性，并且可以根据用户的需求、所需的稳定性等确定开关120的种类和数量。例如，开关120可以以一个或多个开关装置形成，诸如继电器、接触器、晶体管和晶闸管。
参考电压产生单元130可以与电池10模块并联连接，并且产生用于诊断电池10模块的状态的参考电压。
参考电压产生单元130可以产生用于诊断电池10模块的过充电的第一参考电压和用于诊断电池10模块的过放电的第二参考电压，并且下面将描述的控制单元150可以基于第一参考电压、第二参考电压和由电压测量单元110测量的电池10的电压值诊断电池10模块的状态。
通信单元140可以将由电压测量单元110测量的电压值发送到下面将描述的控制单元150，并且为此，通信单元140可以包括隔离单元141和发送单元142。
隔离单元141可以将由电压测量单元110测量的电压与由参考电压产生单元120产生的第一和第二参考电压电隔离。例如，隔离单元141可以包括多个编码器和解码器。由电压测量单元110测量的电压以及第一和第二参考电压可以通过编码器被编码，并且可以通过解码器被解码，以被电隔离(electrically insulated)。电隔离的电压值被收发，从而降低噪声并且通过噪声的降低来降低噪声引起的模拟测量误差。
发送单元142可以将由隔离单元141电隔离的电压值发送到下面将描述的控制单元150。
控制单元150可以基于从发送单元142发送的隔离的电压值以及由参考电压产生单元130产生的第一和第二参考电压来诊断电池10模块的状态。此外，控制单元150可以根据诊断结果控制一个或多个开关120的导通或截止操作，并且为此，控制单元150可以包括诊断单元151和开关控制单元152。
诊断单元151可以将由电压测量单元110测量的电池10模块的电压值与第一和第二参考电压进行比较，并且诊断电池10模块的状态。为此，诊断单元151可以包括比较单元(未被图示)，该比较单元将电池10模块的电压与第一参考电压和第二参考电压进行比较。
诊断单元151可以通过比较单元将电池10模块的电压与第一和第二参考电压进行比较，并且基于比较的结果诊断电池的状态。例如，当电池10模块的所测量的电压值等于或大于第一参考电压时，诊断单元151可以诊断电池10模块处于过充电状态，并且当电池10模块的所测量的电压值等于或小于第二参考电压时，诊断单元151可以诊断电池10模块处于过放电状态。如上所述，当诊断单元151诊断电池处于过充电或过放电状态时，诊断单元151可以输出操作下面将描述的开关控制单元152的开关控制信号。
这里，开关控制信号可以是将一个或多个开关中的每一个或多个开关接通或断路的信号。
当从诊断单元151输出开关控制信号时，开关控制单元152将一个或多个开关120断路，从而将负载与处于异常状态的电池10模块断开并且保护负载。
图3是示意性地图示根据本发明的示例性实施例的电池管理系统中的电池断开单元的配置的图。
参考图3，电压测量单元110、一个或多个开关120和通信单元140可以形成为一个电池断开单元160，并且可以被定位在向其施加高电压的电池10模块侧。此外，控制单元150可以被定位在电池断开单元160的外部，并且可以被定位在向其施加低电压的负载侧。这里，高电压可以是60V的直流电压和25V的交流电压，并且相对低于高电压的电压可以被称为低电压。
当电压测量单元110与控制单元150分离，并且通过通信单元140交换互信息时，由于诸如电压测量单元110、通信单元140以及控制单元150当中的距离、和外围组成元件的数量、以及外围组成元件的材料的各种原因可能产生噪声，并且噪声消极地影响精确的模拟测量。为了解决该问题，电压测量单元110、通信单元140和控制单元150可以通过控制器局域网(CAN)总线连接，并且可以通过连接的CAN总线通过CAN通信交换信息。
在CAN通信中，通过使用两条线路来执行通信使得具有电差异，使得CAN通信具有高度抗噪声并且能够以40kbps执行高达最大1,000m的通信的优点。因此，电压测量单元110和控制单元150可以通过CAN通信交换信息，从而减小由于噪声的模拟测量误差并且更精确地计算结果值。
在下文中，将参考图4描述根据本发明的示例性实施例的通过电池管理系统管理电池的方法。
图4是图示根据本发明的示例性实施例的通过电池管理系统管理电池的方法的流程图。
参考图4，当通过使用电池管理系统100的电池管理方法S100开始时，电压测量单元测量电池模块的电压(S110)，并且参考电压产生单元产生第一和第二参考电压(S120)。这里，根据诸如用户的需求和使用环境的各种要素，电池可以是电池单元、电池模块或电池组，并且可以根据各种要素调节第一和第二参考电压。
在操作S110中测量的电压值和在操作S120中产生的电压值通过隔离单元被电隔离(S130)，并且在操作S130中电隔离的电压值通过发送单元被发送到控制单元(S140)。操作S130和操作S140可以是CAN通信，并且电隔离的电压值可以通过CAN总线被发送到控制单元。
诊断单元基于在操作S140中发送的电压值来诊断电池的状态(S150)。当由电压测量单元所测量的电压值等于或大于第一参考电压或等于或低于第二参考值时(S160)，诊断单元输出用于断开电池和负载的开关控制信号(S170)。当诊断单元输出该开关控制信号时，开关被断路以断开电池和负载(S180)，并且当诊断单元不输出该开关控制信号时，执行正常操作(S190)。
已经参考附图中呈现的流程图描述了通过使用电池管理系统100的上述电池管理方法S100。对于简单描述，该方法在一系列块中被图示和描述，但是本发明不限于块的顺序，并且一些块可以以与在本说明书中图示和描述的其它块相同的顺序或者与其同时执行，并且可以执行实现相同或相似结果的其他各种分支、流路径和块序列。此外，可能不需要为了执行本说明书中描述的方法而图示的所有块。
在上文中，已经图示和描述本发明的特定示例性实施例，但是对于本领域的技术人员来说显然的是，本发明的技术精神不受附图和所描述的内容的限制，并且在不脱离本发明的精神的情况下，可以以各种形式对其进行修改，并且在不脱离本发明的精神的情况下，这些修改被认为属于本发明的权利要求。

Claims (5)

1.一种用于管理电池的系统，所述系统包括：
一个或多个开关，所述一个或多个开关连接电池和负载；
电压测量单元，所述电压测量单元测量所述电池的电压值；
参考电压产生单元，所述参考电压产生单元与所述电池并联连接，并且产生第一参考电压和第二参考电压，基于所述第一参考电压确定所述电池的过充电，基于所述第二参考电压确定所述电池的过放电；
通信单元，所述通信单元包括隔离单元，所述隔离单元包括多个编码器和解码器，由所述电压测量单元测量的所述电池的电压值以及所述第一参考电压和所述第二参考电压通过所述编码器被编码，并且通过所述解码器被解码，从而所述隔离单元使得所测量的所述电池的电压值以及所述参考电压产生单元所产生的第一参考电压和第二参考电压被电隔离；
控制单元，所述控制单元基于所测量的所述电池的电压值以及所述参考电压产生单元所产生的第一参考电压和第二参考电压控制所述一个或多个开关；
所述通信单元还包括发送单元，所述发送单元将所电隔离的所述电池的电压值和所述第一参考电压以及第二参考电压发送到所述控制单元，其中，所述电压测量单元、所述一个或多个开关和所述通信单元被形成为电池断开单元，并且所述控制单元被定位在所述电池断开单元的外部。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电池断开单元被定位在电池侧，并且
所述控制单元被定位在负载侧。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元包括：
开关控制单元，所述开关控制单元控制所述开关的操作；和
诊断单元，所述诊断单元基于所测量的所述电池的电压值和所产生的参考电压来诊断所述电池的状态。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述诊断单元包括比较单元，所述比较单元将所述电池的电压与所述第一参考电压和所述第二参考电压进行比较，并且
当所述电池的电压大于所述第一参考电压或电池电压小于所述第二参考电压时，所述诊断单元输出控制所述一个或多个开关的开关控制信号。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压测量单元、所述通信单元和所述控制单元被连接到控制器局域网(CAN)总线，使得所述电压测量单元和所述控制单元执行控制器局域网通信。
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