CN109638369B - 具有一体化bms控制板的电池组、控制板布置和工作方法 - Google Patents

具有一体化bms控制板的电池组、控制板布置和工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：其包括电池组和一体化BMS控制板，所述一体化BMS控制板包括电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元。以及一体化BMS控制板的布置和具有一体化BMS控制板的电池组的工作方法。本发明将电池控制板上的功能模块分为相互独立的电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元四个模块，使得待机时各个单元可以单独工作，从而降低了能耗。另外通过电池控制板上的各个单元的位置布置，使得无线通讯模块、定位模块和近距离通讯模块之间的信号干扰小，利于控制板的集成化和小型化。通过不同工作模式的设置，达到降低功耗的目的。

Description

具有一体化BMS控制板的电池组、控制板布置和工作方法
技术领域
本发明属于储能设备技术领域，特别是涉及一种具有一体化BMS控制板的电池组、控制板布置和工作方法。
背景技术
在储能和备电使用的锂电池中，一般是锂电池管理系统是独立的板子系统，本身只对锂电池进行短路的控制和信息采集，将其监控的信息传递或接收远程控制，都是采用传统的RS485或RS232和上位机进行连接。
在现在储能和备电日益小型化的要求下，并有需求电池在从出厂后的整个生命周期都需要进行监控，需要一种针对小型化的电池带通信的功能，可随时采集电池信息以及在异常情况下可随时介入对电池的控制。
在这个需求背景下，我们将传统的电池管理功能和无线通信功能都集成到一个电路板上，高度的集成化是板子更小型化，使得每个电池管理系统都自带通信功能，以达到随时监控电池的效果。由于电路板上设置有无线通讯模块、定位模块和近距离通讯模块，高度集成化和板子的小型化带来的问题之一就是各个模块之间的信号干扰。另外，在电池组增加物联网功能后，其功耗也随之增加，造成能量的损失和待机时间的缩短。
发明内容
本发明目的在于针对现有具有物联网功能的锂电池组BMS控制板信号相互干扰，待机能耗大的缺陷，提供一种减少信号干扰，可以远程实时监控电池状态，待机能耗低的具有一体化BMS控制板的电池组、控制板布置和工作方法。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：其包括电池组和一体化BMS控制板，所述一体化BMS控制板包括电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元；
所述电池组，由单体电池串并联而成；
所述电池控制单元，用于采集所述电池组状态信息，控制所述电池组的输出，与所述中央控制单元通信，计算电池的SOC、SOH、SOP，根据所述中央控制单元设定的模型预测和评估可放电时长，充电的被动均衡；
所述中央控制单元，用于接收所述电池控制单元采集的电池组状态信息；将电池组状态信息上报所述数据控制单元；转发所述数据控制单元指令给所述电池控制单元执行；判断并监控所述电池控制单元和数据控制单元的工作状态，并对供电情况进行控制；作为所述电池控制单元和数据控制单元的看门狗；存储数据；感知所述具有一体化BMS控制板的电池组的状态；
所述数据控制单元，将所述电池组状态信息上报服务器，接收服务器指令转发给所述中央控制单元，计算位置信息并上报服务器；
所述电源控制单元，将所述电池组的电压通过DC/DC降压后为所述电池控制单元、中央控制单元供电。
其进一步特征在于：所述数据控制单元包括近距离传输子单元、定位子单元和移动通讯子单元。
进一步的：所述电池控制单元采集的电池组状态信息包括电池电压、电流、电池组的温度；对所述电池组的输出控制包括功率管温度控制，电池组的短路、过温、过流、过压、欠压的保护；对所述电池组进行充电的被动均衡。
所述中央控制单元感知的所述具有一体化BMS控制板的电池组的状态包括是否在省电模式、是否在工作，是否有异常。
所述数据控制单元接收的服务器指令包括电池组开启或关闭输出。
一种上述一体化BMS控制板的布置，其特征在于：所述一体化BMS控制板为2层PCB板；所述中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元位于PCB板左侧，所述电池控制单元位于远离所述电源控制单元的右侧；所述定位子单元的天线与所述近距离传输子单元的天线对角设置在左侧所述PCB板的两角；所述电源控制单元和所述移动通讯子单元的天线对角设置在左侧所述PCB板的另外两角；所述数据控制单元位于所述移动通讯子单元的天线和所述定位子单元的天线之间；所述中央控制单元位于所述电源控制单元和所述近距离传输子单元的天线之间。
其进一步特征在于：所述定位子单元的天线为GPS天线；所述移动通讯子单元的天线为GSM天线；所述近距离传输子单元的天线为BLE天线。
进一步的：所述电源控制单元不铺地；所述电源控制单元的供电线路远离所述电池控制单元的ADC信号线；所述电源控制单元的供电线路上设置滤波电容；所述数据控制单元预留禁止铺底层；所述GPS天线和所述GSM天线均为贴板设置；所述BLE天线做铺地隔离处理并双面挖空。
一种上述具有一体化BMS控制板的电池组的工作方法，其特征在于：包括工作模式、待机模式和休眠模式；
所述工作模式下，所述电池组在给负载进行放电或充电，所述电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元都工作；
所述待机模式下，所述中央控制单元、数据控制单元定时工作，所述电池控制单元进行降频处理；
所述休眠模式下，所述电池控制单元、中央控制单元休眠；所述数据控制单元进入休眠后，定时唤醒，间歇工作。
当所述电池组和一体化BMS控制板组成在一起时，激活物联网系统，并将初始的电池校准信息和初始电芯状态信息上报到服务器，并可通过设置为待机模式或休眠模式出厂；
当通过充电方式或按键方式激活为工作模式，物联网功能则启动，实时上报电池组相关信息；
当所述电池组使用后在设定时间内不使用，电池组会自动进入到待机模式或休眠模式；
当所述电池组在使用过程中，发生故障时，物联网功能则启动，会上报电池组的故障信息。
本发明将电池控制板上的功能模块分为相互独立的电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元四个模块，使得待机时各个单元可以单独工作，从而降低了能耗。另外通过电池控制板上的各个单元的位置布置，使得无线通讯模块、定位模块和近距离通讯模块之间的信号干扰小，利于控制板的集成化和小型化。
本发明具有以下技术效果：
1）使每个电池数据都可以实时监控；
2）降低电池的异常风险，对于电池的异常，后台可随时监控，并采取远程关断的措施；
3）保证电池的安全，如果电池被破坏或盗取，可随时监控到；
4）全环节监控到电池的充放电情况，对于电池的梯次利用提供有力依据；
5）对于采用该类型的电池组合应用提供了一致性保证；
6）对于售后维修电池提供了方便和精准问题定位。
附图说明
图 1 为本发明结构原理示意图。
图 2 为本发明BMS控制板布置示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种具有一体化BMS控制板的电池组，其包括电池组PACK和一体化BMS控制板。一体化BMS控制板包括电池控制单元BCU、中央控制单元CCU、数据控制单元DCU和电源控制单元PCU。
电池组PACK，由单体电池串并联而成。
电池控制单元BCU，实现对电池组PACK的电压采集和电流采集，电池温度采集，控制电池组PACK的输出控制，并和中央控制单元CCU进行通信。
其具体作用为：
a．采集电池组PACK的电池电压、电流、电池组PACK的温度，控制功率管温度；
b．对电池组PACK的短路、过温、过流、过压、欠压以及各种异常的保护；
c．计算电池组PACK的SOC，SOH，SOP；
d．根据中央控制单元CCU设定的模型，预测和评估可放电时长；
e．充电的被动均衡功能。
中央控制单元CCU，用于接收电池控制单元BCU采集的电池组PACK状态信息；将电池组PACK状态信息上报数据控制单元DCU；转发数据控制单元DCU指令给电池控制单元BCU执行；判断并监控电池控制单元BCU和数据控制单元DCU的工作状态，并对供电情况进行控制；作为电池控制单元BCU和数据控制单元DCU的看门狗；存储数据；感知具有一体化BMS控制板的电池组的是否在省电模式、是否在工作，是否有异常。
数据控制单元DCU，将电池组PACK状态信息上报服务器，接收服务器指令转发给中央控制单元CCU，计算位置信息并上报服务器。数据控制单元DCU包括近距离传输子单元、定位子单元和移动通讯子单元。数据控制单元接收的服务器指令包括电池组开启或关闭输出。
电源控制单元PCU，将电池组PACK的电压通过DC/DC降压后为电池控制单元BCU、中央控制单元CCU供电。
在一个两层PCB板上同时容纳中央控制单元CCU、电池控制单元BCU、数据控制单元DCU、电源控制单元PCU需克服以下几个问题：
1）电源控制单元PCU的DC/DC转换对ADC采样的干扰；
2）数据控制单元的2G/3G/4G以及BLE的射频发射对ADC采样的干扰；
3）如何确保在一个板上保障2G/3G/4G以及GPS，BLE的接收灵敏度；
4）增加系统的鲁棒性，设计了互为看门狗的设计；
5）同时要求具备可扩展性。
如图2所示，一种一体化BMS控制板的布置，该一体化BMS控制板为2层PCB板。中央控制单元CCU、数据控制单元DCU和电源控制单元PCU位于PCB板左侧；电池控制单元BCU位于远离电源控制单元PCU的右侧。如需增加支持的单体电池数量，电池控制单元BCU可向一边扩展。定位子单元的GPS天线与近距离传输子单元的BLE天线对角设置在左侧PCB板的两角。电源控制单元PCU和移动通讯子单元的GSM天线对角设置在左侧PCB板的另外两角。数据控制单元DCU位于移动通讯子单元的GSM天线和定位子单元的GPS天线之间。中央控制单元CCU位于电源控制单元PCU和近距离传输子单元的BLE天线之间。
电源控制单元PCU不铺地，减少电源部分对电池控制单元的ADC的传导干扰。电源控制单元PCU的供电线路远离所述电池控制单元BCU的ADC信号线。电源控制单元的PCU供电线路上设置滤波电容，减少电源上对ADC的干扰。数据控制单元DCU预留禁止铺底层。SIM卡采用贴片SIM卡，靠近数据控制单元DCU模块减少干扰。GPS天线和GSM天线均为贴板设置，将置于数据控制单元DCU部分两端，且远离BLE天线，以减少相互干扰。因BLE天线是layout天线，将其置于板边并双面挖空，且远离GPS天线和GSM天线。
在传统的BMS控制板上，都是采用LDO的方式给BMS控制板供电，因此，这部分功能为确定的。一般情况下，电池组本身的自耗电在2mA以内，BMS控制板耗电在500nA以内。本发明在现有的电池组BMS控制板上增加了中央控制单元CCU、数据控制单元DCU、电源控制单元PCU部分，因此，如何在待机状态下，不增加功耗是一个重要课题。
一种上述具有一体化BMS控制板的电池组的工作方法，其包括工作模式、待机模式和休眠模式三种模式。
在工作模式下，电池组在给负载进行放电或充电，电池控制单元BCU、中央控制单元CCU、数据控制单元DCU和电源控制单元PCU都工作。由于负载功耗远大于本身消耗，所以这些单元的工作损耗可忽略。
在待机模式下，中央控制单元CCU、数据控制单元DCU定时工作，电池控制单元BCU进行降频处理，可将功耗控制在4mA左右。
在休眠模式下，电池控制单元BCU、中央控制单元CCU、数据控制DCU单元休眠，而数据控制单元DCU定时唤醒，以达到降低功耗的目的。
本发明具有一体化BMS控制板的电池组的应用场景如下：
第一种场景：当电池组PACK和一体化BMS控制板组成在一起时，激活物联网系统，并将初始的电池校准信息和初始电芯状态信息上报到服务器，并可通过设置为待机模式或休眠模式出厂。
第二种场景：当通过充电方式或按键方式激活为工作模式，物联网功能则启动，实时上报电池组PACK相关信息。或当电池组在使用过程中，发生故障时，物联网功能则启动，会上报电池组PACK的故障信息。
第三种场景：当电池组PACK使用后长时间不使用（时间可配置），电池组PACK会自动进入到待机模式或休眠模式。
此后，电池一直在第二种场景和第三种场景之间流转，一直到该电池回收。

Claims (10)

1.一种具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：其包括电池组和一体化BMS控制板，所述一体化BMS控制板包括电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元；其中
所述电池组，由单体电池串并联而成；
所述电池控制单元，用于采集所述电池组状态信息，控制所述电池组的输出，与所述中央控制单元通信，计算电池的SOC、SOH、SOP，根据所述中央控制单元设定的模型预测和评估可放电时长，充电的被动均衡；
所述中央控制单元，用于接收所述电池控制单元采集的电池组状态信息；将电池组状态信息上报所述数据控制单元；转发所述数据控制单元指令给所述电池控制单元执行；判断并监控所述电池控制单元和数据控制单元的工作状态，并对供电情况进行控制；作为所述电池控制单元和数据控制单元的看门狗；存储数据；感知所述具有一体化BMS控制板的电池组的状态；
所述数据控制单元，将所述电池组状态信息上报服务器，接收服务器指令转发给所述中央控制单元，计算位置信息并上报服务器；
所述电源控制单元，将所述电池组的电压通过DC/DC降压后为所述电池控制单元、中央控制单元供电；
所述具有一体化BMS控制板的电池组包括工作模式、待机模式和休眠模式；
所述工作模式下，所述电池组在给负载进行放电或充电，所述电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元都工作；
所述待机模式下，所述中央控制单元、数据控制单元定时工作，所述电池控制单元进行降频处理；
所述休眠模式下，所述电池控制单元、中央控制单元休眠；所述数据控制单元进入休眠后，定时唤醒，间歇工作。
2.如权利要求1所述的具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：所述数据控制单元包括近距离传输子单元、定位子单元和移动通讯子单元。
3.如权利要求1或2所述的具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：所述电池控制单元采集的电池组状态信息包括电池电压、电流、电池组的温度；对所述电池组的输出控制包括功率管温度控制，电池组的短路、过温、过流、过压、欠压的保护；对所述电池组进行充电的被动均衡。
4.如权利要求1或2所述的具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：所述中央控制单元感知的所述具有一体化BMS控制板的电池组的状态包括是否在省电模式、是否在工作、是否有异常。
5.如权利要求1或2所述的具有一体化BMS控制板的电池组，其特征在于：所述数据控制单元接收的服务器指令包括电池组开启或关闭输出。
6.一种一体化BMS控制板的布置，其用于对权利要求2所述的具有一体化BMS控制板的电池组进行控制；其特征在于：所述一体化BMS控制板为2层PCB板；所述中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元位于PCB板左侧，所述电池控制单元位于远离所述电源控制单元的右侧；所述定位子单元的天线与所述近距离传输子单元的天线对角设置在左侧所述PCB板的两角；所述电源控制单元和所述移动通讯子单元的天线对角设置在左侧所述PCB板的另外两角；所述数据控制单元位于所述移动通讯子单元的天线和所述定位子单元的天线之间；所述中央控制单元位于所述电源控制单元和所述近距离传输子单元的天线之间。
7.如权利要求6所述一体化BMS控制板的布置，其特征在于：所述定位子单元的天线为GPS天线；所述移动通讯子单元的天线为GSM天线；所述近距离传输子单元的天线为BLE天线。
8.如权利要求7所述一体化BMS控制板的布置，其特征在于：所述电源控制单元不铺地；所述电源控制单元的供电线路远离所述电池控制单元的ADC信号线；所述电源控制单元的供电线路上设置滤波电容；所述数据控制单元预留禁止铺底层；所述GPS天线和所述GSM天线均为贴板设置；所述BLE天线做铺地隔离处理并双面挖空。
9.一种权利要求1-5任一项所述具有一体化BMS控制板的电池组的工作方法，其特征在于：包括工作模式、待机模式和休眠模式；
所述工作模式下，所述电池组在给负载进行放电或充电，所述电池控制单元、中央控制单元、数据控制单元和电源控制单元都工作；
所述待机模式下，所述中央控制单元、数据控制单元定时工作，所述电池控制单元进行降频处理；
所述休眠模式下，所述电池控制单元、中央控制单元休眠；所述数据控制单元进入休眠后，定时唤醒，间歇工作。
10.如权利要求9所述具有一体化BMS控制板的电池组的工作方法，其特征在于：当所述电池组和一体化BMS控制板组成在一起时，激活物联网系统，并将初始的电池校准信息和初始电芯状态信息上报到服务器，并可通过设置为待机模式或休眠模式出厂；
当通过充电方式或按键方式激活为工作模式，物联网功能则启动，实时上报电池组相关信息；
当所述电池组使用后在设定时间内不使用，电池组会自动进入到待机模式或休眠模式；
当所述电池组在使用过程中，发生故障时，物联网功能则启动，会上报电池组的故障信息。
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