CN110758174B - 一种分布式模块化车载电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式模块化车载电池管理系统，其特征在于，包括：快速充电电路、子模块集、集线器、主控核心单元、驱动单元、人机界面，所述驱动单元包括：主控电路、调压电路、储能模块、输出开关。本发明结构新颖，可以提高电源的输出能力和输出范围，提高电源重组过程中的稳定性，方便储能单元的在线维修与更换。

Description

一种分布式模块化车载电池管理系统
技术领域
本发明涉及智能电池领域，尤其涉及一种分布式模块化车载电池管理系统。
背景技术
锂离子电池最早是出现在20世纪90年代初期，但在短短的十几年的时间里，锂离子电池技术得到了空前的发展。许多的国家和一些厂商对锂离子电池在电动汽车储能方面都表面出了浓厚的兴趣和关注。随着之后锂离子电池的商业化，这一技术的发展也得到了加速，手持电子设备之外的一些其他新应用的开始更加速了技术开发的步骤。得益于新材料开发的进步，锂离子电池的能量密度从上世纪90年代的200W·h/L发展到了目前的600W·h/L，这种在能量密度上的稳步增长促使锂电池模块在体积和质量上均得到了极大的降低。能量密度的增长促使价格下降。事实上，市场也证明了锂电池具有令人吃惊的价格消减速度，远远超过了其在容量上的增长率。
模块化设计和分布式成组设计应用在动力电池中主要是根据汽车发动机的需要，设计电池模块的容量规格和电压、之后根据汽车本身的空间布置来确定电池模块的箱体尺寸，最后参考单体电池的性能，将单体电池模块设计成为能够满足电动汽车性能需求的动力电池系统，从而解决动力电池这一制约电动汽车规模化发展的主要因素。
可重构性是指在一个系统中,其硬件模块或软件模块均能根据变化的数据流或控制流对系统结构和算法进行重新配置,可重构系统最突出的优点就是,能够根据不同的应用需求,改变自身的体系结构,以便与具体的应用需求相匹配。
对于电池而言，无论哪种电池，其单体电池的电压和容量都无法满足电动汽车的需求，为了达到一定的电压、功率和能量等级，必须通过串并联的方式组成电池组才能为电动汽车提供能量。然而实践发现，即使电池成组经过严格的筛选，在实际使用时，电池组在容量利用、安全性及寿命等方面的性能依然不及单体电池，其核心问题在于电池组的不一致性。不一致性主要表现在剩余电量的不一致性和实际容量的不一致性。在循环使用中，这将导致电池能量利用率低等问题，甚至会已引发严重的安全问题。可重构技术可以很好地解决这一问题，因此研究基于电池动态重构的可重构电池组具有重要的意义。
可重构技术的研究主要集中在电池的均衡能量管理电路和策略上，已发展出开关阵列型、开关旁路性以及DC-DC变换器型三种电池均衡管理电路系统。近年来，可重构电池组的设计获得了越来越多的关注，相较于传统的均衡系统，其主要特点是可基于电池单体当前的荷电状态和健康状，实时动态重新配置单体电池拓扑结构，隔离相应电池而不影响其他电池的充放电进程。
目前锂离子电池的生产与封装技术都已成熟，并且出现了多种封装模式，也出现了多种模块化可重构分布式电源解决方案，但是当前的模块化可重构分布式电源主要针对单一电压与功率输出而设计，不能实现较宽电压范围的稳定输出。模块的设计与连接方式固定，一旦固化后很难再次调整，不具备动态撤出和扩充封装模块的能力。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种分布式模块化车载电池管理系统，是一种包括储能单元自动检测与恢复技术、子模块的检测、修复与重组技术、PWM大范围调压技术、不断电重组技术、重组电路逻辑控制技术的模块化可重构分布式电源。电源系统电压输出范围为1～1000V，全电压范围内实现±1％精度的连续可调；10～1000V电压范围内电流输出能力50A；分布式电能源系统串并联方式可软件重定义，重构时间小于1ms；电能源系统部分电源受损，电源系统可维持原额定功率输出，最小重构时间小于1ms；双路异参数输出；电源输出参数和串并联方式可通过触摸屏或RS232/RS485接口通过协议下发。
本发明采用的技术方案是：
一种分布式模块化车载电池管理系统，其特征在于，包括：快速充电电路、子模块集、集线器、主控核心单元、驱动单元、人机界面，所述驱动单元包括：主控电路、调压电路、储能模块、输出开关；
所述子模块集包括多个子模块，作为基本储能单元分布式安装于车辆或其他载体的各处空间内，所述各个子模块分别与主控电路相连；
所述快速充电电路分别与各个子模块相连，为各个子模块提供充电；
所述快速充电电路与主控电路相连，实现子模块充电过程中对外输出；
所述快速充电电路与集线器相连，所述集线器与主控核心单元相连，实现子模块的充电控制；
所述主控电路与主控核心单元、各个子模块相连，在主控核心单元控制下，实现子模块的串、并、断开、接入操作，快速重组出不同电压对外输出；
所述调压电路与主控核心单元、主控电路、输出开关相连，在主控核心单元控制下，进行PWM调压，把主控电路的输出电压调节到输出需求电压；
所述储能模块与输出开关相连，在电源重组的时间内，提供不间断对外输出；
所述输出开关控制对外输出；
所述人机界面与主控核心单元相连，实现人机交互操作，输入需要的电压值。
进一步地，所述的一种分布式模块化车载电池管理系统，其特征在于，所述主控核心单元包括控制核心模块、I/O集总模块、Ethernet模块，用于对整个电源系统进行控制；所述主控核心单元通过所述控制核心模块与人机界面、调压电路相连，所述主控核心单元通过所述I/O集总模块与主控电路相连，所述主控核心单元通过所述Ethernet模块与集线器相连。
进一步地，所述的一种分布式模块化车载电池管理系统，其特征在于，所述子模块集还包括I/O接口电路、嵌入式控制模块、通信接口、子模块输出开关；所述子模块为配置有开关控制单元和温度、电压传感器的储能单元；
所述每个储能单元上安装的开关控制单元用于断开与接入，实现储能单元的动态接入与撤出，以动态更换储能单元；
所述每个储能单元上安装的温度、电压传感器，用于测量储能单元温度，防止储能单元过载温度过高起火；
所述各个储能单元的温度、电压传感器和开关控制单元分别与I/O接口电路相连；
所述I/O接口电路分别与嵌入式控制模块、通信接口、子模块输出开关相连，对储能单元进行温度检测并控制储能单元的断开与接入；
所述各个储能单元的开关控制单元分别与子模块输出开关相连；
所述子模块输出开关与嵌入式控制模块相连，所述子模块输出开关上部安装有输出的正极和负极，对储能单元进行串、并重组，实现不同的电压输出。
本发明的优点是：
本发明所涉及的分布式模块化车载电池管理系统可实现双路或多路1～1000V电压输出，全电压范围内实现±1％精度的连续可调；10～1000V电压范围内电流输出能力50A，其串并联方式可软件重定义，重构时间小于1ms。电源输出参数和串并联方式可通过触摸屏或RS232/RS485接口通过协议下发。PWM调压技术降低了对重构后组合输出电压的要求，打破了重构电压等于输出电压的限制，可有效提升重构能力。子模块与总控电路的分层控制设计，提高了重构能力和电源的稳定性，子模块内的储能单元可以自动重构、子模块之间也可以自动重构，可以实现子模块的自动修复和子模块的动态撤出与扩充，有效增强了电源的适用性、可扩展性以及生存能力。
本发明结构新颖，可以提高电源的输出能力和输出范围，提高电源重组过程中的稳定性，方便储能单元的维修与更换。
附图说明
图1是本发明的一种分布式模块化车载电池管理系统的总体组成结构示意图；
图2是本发明的子模块集的结构示意图。
图中：快速充电电路1、子模块集2、集线器3、主控核心单元4、驱动单元5、人机界面6、主控电路7、调压电路8、储能模块9、输出开关10、控制核心模块11、I/O集总模块12、Ethernet模块13、子模块2.1、I/O接口电路2.2、嵌入式控制模块2.3、通信接口2.4、子模块输出开关2.5、储能单元2.1.1、开关控制单元2.1.2、温度、电压传感器2.1.3。
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。
实施例
如图1、2所示，一种分布式模块化车载电池管理系统，包括：快速充电电路1、子模块集2、集线器3、主控核心单元4、驱动单元5、人机界面6，驱动单元5包括：主控电路7、调压电路8、储能模块9、输出开关10。
子模块集2包括多个子模块2.1，作为基本储能单元分布式安装于车辆或其他载体的各处空间内，各个子模块2.1分别与主控电路7相连；快速充电电路1分别与各个子模块2.1相连，为各个子模块2.1提供充电；快速充电电路1与主控电路7相连，实现子模块2.1充电过程中对外输出；快速充电电路1与集线器3相连，集线器3与主控核心单元4相连，实现子模块2.1的充电控制；主控电路7与主控核心单元4、各个子模块2.1相连，在主控核心单元4控制下，实现子模块2.1的串、并、断开、接入操作，快速重组出不同电压对外输出；调压电路8与主控核心单元4、主控电路7、输出开关10相连，在主控核心单元4控制下，进行PWM调压，把主控电路7的输出电压调节到输出需求电压；储能模块9与输出开关10相连，在电源重组的时间内，提供不间断对外输出；输出开关10控制对外输出；人机界面6与主控核心单元4相连，实现人机交互操作，输入需要的电压值。
主控核心单元4包括控制核心模块11、I/O集总模块12、Ethernet模块13，用于对整个电源系统进行控制；主控核心单元4通过控制核心模块11与人机界面6、调压电路8相连，主控核心单元4通过I/O集总模块12与主控电路7相连，主控核心单元4通过Ethernet模块13与集线器3相连。
子模块集2还包括I/O接口电路2.2、嵌入式控制模块2.3、通信接口2.4、子模块输出开关2.5；子模块2.1为配置有开关控制单元2.1.2和温度、电压传感器2.1.3的储能单元2.1.1；每个储能单元2.1.1上安装的开关控制单元2.1.2用于断开与接入，实现储能单元2.1.1的动态接入与撤出，以动态更换储能单元；每个储能单元2.1.1上安装的温度、电压传感器2.1.3，用于测量储能单元温度，防止储能单元过载温度过高起火；各个储能单元2.1.1的温度、电压传感器2.1.3和开关控制单元2.1.2分别与I/O接口电路2.2相连；I/O接口电路2.2分别与嵌入式控制模块2.3、通信接口2.4、子模块输出开关2.5相连，对储能单元进行温度检测并控制储能单元的断开与接入；各个储能单元2.1.1的开关控制单元2.1.2分别与子模块输出开关2.5相连；子模块输出开关2.5与嵌入式控制模块2.3相连，子模块输出开关2.5上部安装有输出的正极和负极，对储能单元进行串、并重组，实现不同的电压输出。
主控电路7可采用多种开关阵列拓扑关系，并可以通过添加各级主控电路7简历子模块集，对子模块的分集管理，实现子集与子集之间的串、并、分离。电源输出参数和串并联方式可通过触摸屏或RS232/RS485接口通过协议下发，电源自动计算子模块或子集的串并联关系，并调节PWM信号的参数，从而实现不同电压值输出，并保证输出功率。主控电路通过对子模块或子集串、并操作的输出电压高于最终输出电压，通过PWM调压技术达到最终输出电压。可实现储能单元或子模块的热拔插，拔出或插入瞬间电路自动重组，不影响对外输出，方便维修与更换。
电源管理系统的总体结构组成如附图1所示，控制核心模块11采用单片机，电容式触摸屏作为人机交互接口，I/O集总模块12即为I/O接口电路。单片机通过I/O接口电路控制主控电路7的PWM调压电路的工作，并控制输出开关10开启或停止电源的对外输出。电源子模块2.1并行接入主控电路7，在主控电路7内部形成串并连关系，从而组成不同的输出电压，供给PWM调压电路进行调压。储能模块9与输出开关10并联，以在电源重组使提短时间的对外功率输出。单片机通过网线与各子模块嵌入式控制系统通信，监测子模块工作状态。
电源子模块组成如附图2所示。每个储能单元2.1.1都配备一个开关，由于单个储能单元2.1.1容量不大，所以此处开关为开关控制单元2.1.2，既满足单个储能单元2.1.1的电压输出也满足电流输出。每个储能单元2.1.1都配备温度、电压传感器2.1.3采集单元的电压和温度信号，并反馈给嵌入式控制模块2.3。当储能单元2.1.1损坏时，可定位并标记损坏的储能单元，并通过嵌入式控制模块2.3关闭该单元的输出，从而不影响整个单元的输出。由于可准确标记损坏的储能单元，在维护时可不需要检测，快速更换损坏的储能单元。嵌入式控制模块2.3通过通信接口2.5与单片机进行通信。整个子模块根据可安装需要封装成各种形状，对外提供一个正极接口、一个负极接口和一个网线端口。
控制软件核心思想：FPGA依靠其硬件逻辑单元控制IO扩展集，并构建软核，软核扫描以太网口和UART，分别解析各自通讯协议包，将子模块集及HMI信息放入共享内存区1等待ARM核心提取；同时又可以通过共享内存区2，提取ARM核心传递过来的指令。由于ARM核心作为主要控制核心CPU，实现分析子模块集及HMI信息，控制PWM及FPGA的扩展IO。由于采用FPGA、并行总线及多块共享内存等技术，实现了各个功能模块并行处理，大大缩短了控制周期，实现系统的高速准确运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种分布式模块化车载电池管理系统，其特征在于，包括：快速充电电路(1)、子模块集(2)、集线器(3)、主控核心单元(4)、驱动单元(5)、人机界面(6)，所述驱动单元(5)包括：主控电路(7)、调压电路(8)、储能模块(9)、输出开关(10)；
所述子模块集(2)包括多个子模块(2.1)，作为基本储能单元分布式安装于车辆或其他载体的各处空间内，所述各个子模块(2.1)分别与主控电路(7)相连；
所述快速充电电路(1)分别与各个子模块(2.1)相连，为各个子模块(2.1)提供充电；
所述快速充电电路(1)与主控电路(7)相连，实现子模块(2.1)充电过程中对外输出；
所述快速充电电路(1)与集线器(3)相连，所述集线器(3)与主控核心单元(4)相连，实现子模块(2.1)的充电控制；
所述主控电路(7)与主控核心单元(4)、各个子模块(2.1)相连，在主控核心单元(4)控制下，实现子模块(2.1)的串、并、断开、接入操作，快速重组出不同电压对外输出；
所述调压电路(8)与主控核心单元(4)、主控电路(7)、输出开关(10)相连，在主控核心单元(4)控制下，进行PWM调压，把主控电路(7)的输出电压调节到输出需求电压；
所述储能模块(9)与输出开关(10)相连，在电源重组的时间内，提供不间断对外输出；
所述输出开关(10)控制对外输出；
所述人机界面(6)与主控核心单元(4)相连，实现人机交互操作，输入需要的电压值；
所述主控核心单元(4)包括控制核心模块(11)、I/O集总模块(12)、Ethernet模块(13)，用于对整个电源系统进行控制；所述主控核心单元(4)通过所述控制核心模块(11)与人机界面(6)、调压电路()8相连，所述主控核心单元(4)通过所述I/O集总模块(12)与主控电路(7)相连，所述主控核心单元(4)通过所述Ethernet模块(13)与集线器(3)相连；
所述子模块集(2)还包括I/O接口电路(2.2)、嵌入式控制模块(2.3)、通信接口(2.4)、子模块输出开关(2.5)；所述子模块(2.1)为配置有开关控制单元(2.1.2)和温度、电压传感器(2.1.3)的储能单元(2.1.1)；
所述每个储能单元(2.1.1)上安装的开关控制单元(2.1.2)用于断开与接入，实现储能单元(2.1.1)的动态接入与撤出，以动态更换储能单元；
所述每个储能单元(2.1.1)上安装的温度、电压传感器(2.1.3)，用于测量储能单元温度，防止储能单元过载温度过高起火；
所述各个储能单元(2.1.1)的温度、电压传感器(2.1.3)和开关控制单元(2.1.2)分别与I/O接口电路(2.2)相连；
所述I/O接口电路(2.2)分别与嵌入式控制模块(2.3)、通信接口(2.4)、子模块输出开关(2.5)相连，对储能单元进行温度检测并控制储能单元的断开与接入；
所述各个储能单元(2.1.1)的开关控制单元(2.1.2)分别与子模块输出开关(2.5)相连；
所述子模块输出开关(2.5)与嵌入式控制模块(2.3)相连，所述子模块输出开关(2.5)上部安装有输出的正极和负极，对储能单元进行串、并重组，实现不同的电压输出。
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