CN110649678B - 一种高压电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高电压电池系统，包括高压电池包、高压电池管理系统、其中高压电池包由数个电池包串联而成，高压电池管理系统由与电池包数量对应的低压从控单元、与电池正负极总线连接的高压转换控制单元、及与低压从控单元和高压转换控制单元分别连接的高压主控单元构成，高电压电池系统上还设置有扩展单元，高压主控制单元通过获取低压从控制单元上报的电芯数据，主动对电芯进行充放电均衡控制，以保证电芯达到均衡的效果，增加电池系统的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，涉及一种多层级的电池管理系统中集成低压电池而成的高压电池模块。
背景技术
能满足不间断电源、储能设备、电动车在能支配的能量与能调用的电压方面要求的电池系统。通常采用多模块电池的形式，而多层级电池管理系统中常采用的由数个低电压电池包及相应电气系统集成而成的高压电池模块。
发明内容
本发明提供了一种集成低压电池而成的高压电池模块，可以通过总线对不同低压电池包进行监测管理，进而集成为高压电池。
一种高电压电池系统，包括高压电池包、高压电池管理系统、其中高压电池包由数个电池包串联而成，高压电池管理系统由与电池包数量对应的低压从控单元、与电池正负极总线连接的高压转换控制单元、及与低压从控单元和高压转换控制单元分别连接的高压主控单元构成。
高电压电池系统上还设置有扩展单元，扩展单元为高压采集单元、电流采集单元、绝缘控制单元、存储控制单元或显示终端控制单元中的部分或者全部。若采用上述单元，所采用的单元则按照下述方式连接：高压采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元；电流采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过电流采集线束连接至高压转换控制单元；绝缘控制单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元；存储控制单元连接12V电源和CAN2总线，同时通过CAN2总线连接至高压主控制单元；显示终端控制单元连接12V电源和串口线，同时通过串口线连接至高压主控制单元。
低压从控制单元通过信号采集线束连接对应电池包，所述采集线束为电压和温度采集线束。
所述数个低压从控单元对低压电池包进行电压和温度数据采集监控的监控信号通过ID识别和CAN1总线传输至高压主控单元。
所述高压主控单元通过通信总线与上位系统连接。
所述高压主控单元通过CAN3总线连接CAN转USB接口，连接上位系统，功率控制单元还同时通过485总线连接485转USB接口，连接上位系统。
高压转换控制单元主要由开关电源、熔断器、功率二极管、分流器、功率继电器及电流传感器等组成，其中开关电源将输入的高电压进行降压隔离处理以提供12V电源，熔断器和二极管对高压主回路进行过流及防反接保护，继电器执行充放电及告警开关处理。
高压主控制单元主要由电压转换稳压电路、继电器驱动电路、PWM风扇驱动电路、ID识别隔离电路、485通信隔离电路、232通信隔离电路、单片机MC9S12XEP100接口电路及CAN通信隔离电路等组成，其中电压转换稳压电路输出正负12V和5V等电压，为与之相连的各类控制模块提供稳定精准的电源。
低压从控制单元31主要由采集滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中电压和温度的采集芯片BQ76PL455的模拟电路采用电池电源供电，通信数字电路采用与单片机相同的隔离电源供电，支持6至16节串联单体电池电压采集，支持4路差分温度采集。
各电池包通过单独的电压和温度采集线束28分别连接低压从控单元31，各低压从控单元31通过ID识别和CAN1总线连接至传输至高压主控制单元35，低压从控制单元31通过电压和温度采集线束28连接低压电池包，对低压电池包进行电压和温度数据采集监控，并将监控信号通过ID识别和CAN1总线传输至高压主控制单元35。
一个高压主控制单元35可以最多搭配三十个低压从控制单元31，低压从控制单元31通过连接器和线缆进行链式串接，最末端的低压从控制单元31通过连接器和线缆与高压主控制单元35直连。
高电压电池管理系统可以至少包含四个低压从控制单元、一个高压主控制单元，所述组合策略描述了高电压电池系统所需的电池管理系统的最小应用形式。
高压主控制单元35会通过获取低压从控制单元31上报的电芯数据，主动对电芯进行充放电均衡控制，以保证电芯达到均衡的效果，增加电池系统的使用寿命。
所述数个低压从控单元、高压采集单元、电流采集单元、绝缘控制单元、存储控制单元、显示终端控制单元、高压转换控制单元和高压主控单元均连接12V电源，可以共同从12V电源获取工作供电输入。
本发明高电压电池系统，可以的满足低压电池包集成为高压电池的需求，可以实现电池系统中的不同电压的组合实现需求，可根据实际应用情况进行组合来实现具体的电池系统。并通过各个模块间相互的硬件连接接口、软件通信协议、运行控制参量进行协同工作，来完成更复杂的电池管理逻辑和应用，实现不同电压需要的电池系统。
附图说明
图1 是高电压电池系统基本配置示意图；
图2 是高电压电池系统的扩展配置中高压采集单元配置示意图；
图3 是高电压电池系统的扩展配置中电流采集单元配置示意图；
图4 是高电压电池系统的扩展配置中绝缘控制单元配置示意图；
图5 是高电压电池系统的扩展配置中存储控制单元配置示意图；
图6 是高电压电池系统的扩展配置中显示终端控制单元配置示意图；
图7 是高电压电池系统的扩展配置中存储、显示终端、电流采集、高压采集、绝缘控制集成配置示意图；
附图标记：11、低电压电池系统；12、高电压电池系统；13、联高电压电池系统；20、电池管理系统；21、低电压电池管理系统；22、高电压电池管理系统；23、级联电池管理系统；31、低压从控制单元；32、功率控制单元；33、高压采集单元；34、电流采集单元；35、高压主控制单元；36、系统控制单元；37、绝缘控制单元；2、通信总线；5、高压采集线束；6、12V电源和串口线束；9、电源和控制线束；10、低压从控单元级联线束；28、电压和温度采集线束；38、存储控制单元；39、显示终端控制单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过附图说明和具体实施实例对本发明进行进一步详细说明。
高电压电池系统12通过高电压电池管理系统22对高压主控制单元35及至少四个低压从控制单元31进行管理，并结合相应的外围电气元件和锂电池电芯单元共同组成。
高压转换控制单元主要由开关电源、熔断器、功率二极管、分流器、功率继电器及电流传感器等组成。其中开关电源将输入的高电压进行降压隔离处理以提供12V电源，熔断器和二极管对高压主回路进行过流及防反接保护，继电器执行充放电及告警开关处理。
高压主控制单元主要由电压转换稳压电路、继电器驱动电路、PWM风扇驱动电路、ID识别隔离电路、485通信隔离电路、232通信隔离电路、单片机MC9S12XEP100接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中电压转换稳压电路输出正负12V和5V等电压，为与之相连的各类控制模块提供稳定精准的电源。
低压从控制单元31主要由采集滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中采集芯片BQ76PL455的模拟电路（电压和温度的采集）采用电池电源供电，数字电路（通信）采用与单片机相同的隔离电源供电，这种处理方式使得采集精度更高数值更稳定，同时隔离的CAN总线通信使得数据上传更可靠。支持6至16节串联单体电池电压采集，支持4路差分温度采集。
各电池包串联后的电池总正、电池总负两端连接高压转换控制单元，高压转换控制单元通过电流采样和继电器控制线束连接高压主控制单元35。
高压主控制单元35通过CAN3总线连接CAN转USB接口，连接上位系统，高压主控制单元35还可同时通过485总线连接485转USB接口，连接上位系统，所述上位系统可以具体为上位机。
各电池包通过单独的电压和温度采集线束28分别连接低压从控单元31，各低压从控单元31通过ID识别和CAN1总线连接至传输至高压主控制单元35，低压从控制单元31通过电压和温度采集线束28连接低压电池包，对低压电池包进行电压和温度数据采集监控，并将监控信号通过ID识别和CAN1总线传输至高压主控制单元35。
一个高压主控制单元35可以最多搭配三十个低压从控制单元31，低压从控制单元31通过连接器和线缆进行链式串接，最末端的低压从控制单元31通过连接器和线缆与高压主控制单元35直连，可以支持目前UPS、储能系统、电动车等主流应用电池系统的电压需要，可以实现相应电压需要的高电压电池系统。
高电压电池管理系统可以至少包含四个低压从控制单元、一个高压主控制单元，所述组合策略描述了高电压电池系统所需的电池管理系统的最小应用形式。
高压主控制单元35会通过获取低压从控制单元31上报的电芯数据，主动对电芯进行充放电均衡控制，以保证电芯达到均衡的效果，增加电池系统的使用寿命。
当数据总线上包含有系统控制单元36时，所挂载的高压主控制单元35将不再负责控制低压从控制单元31对电池系统电芯进行充放电均衡控制，控制权交由系统控制单元36统一处理，以达到整体电池系统能够实现电芯均衡的效果，增加电池系统的使用寿命。
高电压电池系统12在前述基础上还可以扩展高压采集单元33、电流采集单元34、绝缘控制单元37、存储控制单元38、显示终端控制单元39分别实现高精度电压采集、高精度电流采集、电路绝缘监测、运行数据日志存储、数字式外界显示屏控制等扩展功能。
高电压电池系统12在前述中所扩展的各个单元可以根据实际应用需要进行选择，可以选择其中的一个单元或多个单元，也可以选择全部单元。
高压转换控制单元主要由开关电源、熔断器、功率二极管、分流器、功率继电器及电流传感器等组成。其中开关电源将输入的高电压进行降压隔离处理以提供12V电源，熔断器和二极管对高压主回路进行过流及防反接保护，继电器执行充放电及告警开关处理。
高压主控制单元主要由电压转换稳压电路、继电器驱动电路、PWM风扇驱动电路、ID识别隔离电路、485通信隔离电路、232通信隔离电路、单片机MC9S12XEP100接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中电压转换稳压电路输出正负12V和5V等电压，为与之相连的各类控制模块提供稳定精准的电源。
高压采集单元主要由采样滤波隔离电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中三路电压即电池电压、充电机电压和放电电压采样模拟部分应用差分加法负反馈运算电路，数字部分采用超小型、低功耗、16位模数转换器ADS1115，同时采用隔离通信上传数据，最终获得高精度的电压值。高压采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元。
电流采集单元主要由采样滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中电流采样采用双向零漂移、具有增强型PWM抑制功能、四种可用的固定增益电流检测放大器INA240，使得各种应用场景所采的电流依然精准。电流采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过电流采集线束连接至高压转换控制单元。
绝缘控制单元主要由MOS互锁切换电路、采样滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。其中MOS互锁切换电路利用N沟道和P沟道导通电压互斥性从硬件上实现电池正极和负极不会同时对地导通，增加硬件电路可靠性。电压采样模拟部分应用差分负反馈运算电路，数字部分采用超小型、低功耗、16位模数转换器ADS1115，正负对地电压采用不平衡电桥法。绝缘控制单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元。
存储控制单元主要由CH376扩展电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路等组成。支持最大32G容量的SD卡。存储控制单元连接12V电源和CAN2总线，同时通过CAN2总线连接至高压主控制单元。
显示终端控制单元采用串口彩色液晶屏，通过Modbus协议可以实时显示电压、电流、温度、实时告警和历史记录等数据，同时解锁可以设置充放电电流等一些参数值。显示终端控制单元连接12V电源和串口线，同时通过串口线连接至高压主控制单元。
所述数个低压从控单元31、高压采集单元33、电流采集单元34、绝缘控制单元37、存储控制单元38、显示终端控制单元39、高压转换控制单元和高压主控单元35均连接12V电源，可以共同从12V电源获取工作供电输入。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种高电压电池系统，包括高压电池包、高压电池管理系统，其特征在于：高压电池包由数个电池包串联而成，高压电池管理系统由与电池包数量对应的低压从控单元、与电池正负极总线连接的高压转换控制单元、及与低压从控单元和高压转换控制单元分别连接的高压主控单元构成，低压从控制单元包含采集滤波电路，
高压转换控制单元主要由开关电源、熔断器、功率二极管、分流器、功率继电器及电流传感器组成，开关电源将输入的高电压进行降压隔离处理以提供12V电源，熔断器和二极管对高压主回路进行过流及防反接保护，继电器执行充放电及告警开关处理，
高电压电池系统上还设置有高压采集单元、电流采集单元和绝缘控制单元，
高压采集单元主要由采样滤波隔离电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路组成,
高压采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元；
电流采集单元主要由采样滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路组成,
电流采集单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过电流采集线束连接至高压转换控制单元；绝缘控制单元连接ID识别和CAN1总线，同时通过高压采集线束连接至高压转换控制单元，
绝缘控制单元主要由MOS互锁切换电路、采样滤波电路、ID识别隔离电路、单片机接口电路及CAN通信隔离电路组成，MOS互锁切换电路利用N沟道和P沟道导通电压互斥性从硬件上实现电池正极和负极不会同时对地导通；
各电池包通过单独的电压和温度采集线束分别连接低压从控单元，各低压从控单元通过ID识别和CAN1总线连接至传输至高压主控制单元，低压从控制单元通过电压和温度采集线束连接低压电池包，对低压电池包进行电压和温度数据采集监控，并将监控信号通过ID识别和CAN1总线传输至高压主控制单元，
高压主控制单元会通过获取低压从控制单元上报的电芯数据，主动对电芯进行充放电均衡控制，
当数据总线上包含有系统控制单元时，所挂载的高压主控制单元将不再负责控制低压从控制单元对电池系统电芯进行充放电均衡控制，控制权交由系统控制单元统一处理，以保证电芯达到均衡的效果，增加电池系统的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种高电压电池系统，其特征在于：高电压电池系统上还设置有存储控制单元或显示终端控制单元。
3.根据权利要求1所述的一种高电压电池系统，其特征在于：所述高压电池管理系统至少包含四个低压从控制单元、一个高压主控制单元，所述高压主控单元通过通信总线与上位系统连接。
4.根据权利要求1所述的一种高电压电池系统，其特征在于：高压主控制单元主要由电压转换稳压电路、继电器驱动电路、PWM风扇驱动电路、ID识别隔离电路、485通信隔离电路、232通信隔离电路、单片机MC9S12XEP100接口电路及CAN通信隔离电路组成，电压转换稳压电路输出正负12V和5V电压，为与之相连的各类控制模块提供电源。
5.根据权利要求1所述的一种高电压电池系统，其特征在于：低压从控制单元主要由采集滤波电路、ID识别隔离电路、单片机MC9S08DZ60接口电路及CAN通信隔离电路组成，其中电压和温度的采集芯片BQ76PL455的模拟电路采用电池电源供电，通信数字电路采用与单片机相同的隔离电源供电，支持6至16节串联单体电池电压采集，支持4路差分温度采集。
6.根据权利要求1所述的一种高电压电池系统，其特征在于：一个高压主控制单元最多搭配三十个低压从控制单元，低压从控制单元通过连接器和线缆进行链式串接，最末端的低压从控制单元通过连接器和线缆与高压主控制单元直连。
7.根据权利要求2所述的一种高电压电池系统，其特征在于：存储控制单元连接12V电源和CAN2总线，同时通过CAN2总线连接至高压主控制单元；显示终端控制单元连接12V电源和串口线，同时通过串口线连接至高压主控制单元，数个低压从控单元、高压采集单元、电流采集单元、绝缘控制单元、存储控制单元、显示终端控制单元、高压转换控制单元和高压主控单元均连接12V电源，共同从12V电源获取工作供电输入。
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