CN111660963A - 应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电动车控制器技术领域，公开了一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，包括模拟量采集模块、遥信量采集模块、控制输出模块以及通信模块，模拟量采集模块与锂电池组电连接，控制输出模块和通信模块均分别与模拟量采集模块和遥信量采集模块电连接，通信模块包括CAN总线和RS485总线，CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线，第一CAN总线分别与车载充电机电和程序升级接口电连接，第二CAN总线分别与电机控制器和组合仪表盘电连接，RS485总线与超级终端电连接。本发明的技术方案能够将电池管理系统的功能集成到整车控制器中，减少控制器数量，简化整车线束，缩短开发周期和降低成本，具有较高的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及电动车控制器技术领域，特别涉及一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器。
背景技术
自2016年新能源汽车领域“骗补”事件发生后，新能源汽车补贴额度处于逐年“退坡”的状态，特别是从2019年6月25日起开始实施的补贴新政，显示出补贴呈断崖式的下跌，退坡幅度高达50％，创历年之最。与此相反，低速电动车，因其不在新能源汽车补贴政策支持范围内，不享受补贴，完全由市场主导，所以不受国家补贴政策的影响，相反其产销量近年来一直保持着高速增长的趋势。
低速电动车在这里主要是指以锂离子电池作为能量来源的低速电动三轮、四轮小汽车，电度数一般在5～10KWh，工作电压平台主要有48Vdc、60Vdc、72Vdc以及96Vdc等几种。图1为目前低速电动车电气系统典型的拓扑结构，它主要由电池管理系统(BMS)、车载充电机(OBC)、整车控制器(VCU)、锂离子电池组(Li-Ion)、直流转换器(DC/DC)、电机控制器(MCU)、电机(MOTOR)、组合仪表盘(INS)以及铅酸蓄电池(VRLA)组成，图1中实线表示电气连接关系，虚线表示通信链接关系；图2为BMS内部拓扑结构关系，BMS包括主控单元(BCU)、采集单元(BMU)、绝缘监测单元(HVU)以及上位机/触摸屏(BDU)等部分；BMS的作用是实时采样电池的电压、电流、温度、绝缘电阻等外特性参数，并采用适当的算法以实现电池剩余电量(SOC)、健康状况(SOH)、功率承受能力(SOP)等内部状态的估算与监控，在正确获取电池的状态后进行有效的热管理、均衡管理、充放电管理、漏电监测和故障报警等操作；VCU主要用于车辆动力系统的协调与控制，实时采样油门踏板、刹车踏板、开关档位信号，并根据电机转速、车速以及电池SOC值等控制域参数计算总需求驱动力或进行制动能量回馈策略调控，并给MCU发送转矩或转速指令，有效改善驾驶员感受，降低油耗和排放。
新能源电动汽车因为技术要求高、内部总成系统复杂，同时要满足功能安全标准ISO26262的条件，所以在其电控单元中BMS和VCU的功能性结构都很复杂且分开设计。然而，目前市面上的低速电动车的电气架构大多是沿用了传统电动汽车的电气结构和工作模式，BMS负责采集电池参数信息，做逻辑保护动作，并上报给VCU，VCU根据电池状态从整车的角度进行扭矩和转速的控制。如果直接沿用到低速电动车上会造成硬件资源的大量浪费，同时也使整车线束变得复杂，软件开发周期和成本费用都会极大上升。
针对BMS和VCU两种控制单元分开设计，协同工作的弊端，国内许多研究人员和学者在设计方案上做了一些尝试，提出了多种各式各样的整合方案。例如专利CN102390331B将BMS中的大部分功能，主要是BCU部分的功能集成到了VCU中，由VCU来计算SOC，进行数据运算处理，并执行过压、欠压、过温、过流等逻辑保护判断，直接进行继电器控制，该方案一定程度上减少了车载控制单元的数量，降低了整车系统的开发成本，但没有将BMU规划进去，集成度不够高；另外，充电CAN和整车CAN也没有分开，CAN波特率固定，整车CAN速率被限制且易受干扰；专利CN108688511A在专利CN102390331B的基础上增加了数据传输装置(DTU)和云端服务器，通过无线数据远传，实现了在后台远程进行数据监控和诊断维护的功能，提高了故障分析与解决问题的效率，以及售后服务的响应速度；专利CN205450766U不仅实现了整车控制的逻辑功能，还集成了BMS的大部分功能以及车灯、车门、车窗等车身控制器的功能，降低了系统的复杂度，达到了高效节能的效果；专利CN104802658A提出了一种集成电机控制和BCU功能的整车控制器，将原本整车控制功能、BCU功能与MCU功能全部集中到VCU中实现，从而不再需要专门的BCU与MCU；另外，在软件结构上整合了整车控制算法、电机控制算法、电池主控算法，减少了各个控制器之间协调匹配的工作量，缩短了整个开发周期，且便于售后服务；专利CN103682484A从整车控制角度出发，根据整车的工况需求进行全面性的综合评估，在软件上将BMS的核心算法和保护策略等功能移植到VCU上，BMS只负责简单的数据采样和数据上送，并执行VCU的控制指令。
上述专利所述的几种整合方案效果表述如图3所示，它们虽然减少了电控单元的数量，在一定程度上也提高了电控系统的兼容性，但均是针对新能源电动汽车(补贴车)的应用所做的改进，并没有考虑到低速电动车电池串数少的具体情况，虽然将BCU的硬件或软件部分集成到了VCU中，但却没有将BMU部分集成进去，集成度仍然不够高，不够彻底，况且也并非是针对低速电动车所做的优化和整合，具有较大的局限性，需要进一步的改进。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，旨在解决现有的新能源电动汽车的整车控制器虽然将BCU的硬件或软件部分集成到了VCU中，但却没有将BMU部分集成进去，集成度仍然不够高，不够彻底，况且也并非是针对低速电动车所做的优化和整合，具有较大的局限性的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出的应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，包括互相电连接的模拟量采集模块、遥信量采集模块、控制输出模块以及通信模块，所述模拟量采集模块与锂电池组电连接，所述控制输出模块和通信模块均分别与所述模拟量采集模块和遥信量采集模块电连接，所述通信模块包括CAN总线和RS485总线，所述CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线，所述第一CAN总线分别与车载充电机电和程序升级接口电连接，所述第二CAN总线分别与电机控制器和组合仪表盘电连接，所述RS485总线与超级终端电连接。
进一步地，所述模拟量采集模块包括单体电芯电压检测模块、电芯温度检测模块、电池组总电压检测模块、充/放电电流检测模块、油门踏板开度检测模块、刹车踏板开度检测模块、充电连接确认信号CC检测模块、充电枪温度检测模块以及铅酸蓄电池电压检测模块。
进一步地，所述遥信量采集模块包括常火信号检测模块、ON档唤醒信号检测模块、充电唤醒信号检测模块、充电控制导引信号CP检测模块、手刹信号检测模块、档位开关信号检测模块、车速脉冲信号检测模块、继电器辅助触点信号检测模块、MSD维修开关辅助触点信号检测模块以及HVIL高压互锁信号检测模块。
进一步地，所述控制输出模块包括总正继电器、总负继电器、预充继电器、充电继电器、DC/DC继电器、PTC继电器、电暖风继电器、电空调继电器、水箱继电器、油泵气泵使能以及均衡控制开关。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：有效克服了现有整合方案中只将BCU的硬件或软件部分集成到VCU中，但却没有将BMU部分集成进去的不足之处，同时去掉了绝缘监测部分，极大地降低了整车电控系统的复杂程度，缩短了软件开发周期，本发明的技术方案整合了电池管理系统(BMS)全部功能和电动整车控制器(EVCU)，通过将二者优化统一，去除多余重复部分，从而达到了精简控制器数量，节省了整车的空间，优化整车线束，降低了故障点，提高整车控制可靠性，缩短开发周期和降低成本费用的目的；同时也克服了现有整合方案中没有将BMU部分集成进去，集成度不够高，存在较大局限性的弊端，具有较高的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为低速电动车电气系统典型拓扑结构图；
图2为BMS内部拓扑结构图；
图3为应用于新能源电动汽车并集成BCU功能的电动整车控制器(EVCU)功能效果图；
图4为本发明一实施例的一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器的框架结构示意图；
图5为本发明一实施例的一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器在园林景区低速环卫电动车上应用的电气框图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器。
如图4所示，在本发明一实施例中，该应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，包括互相电连接的模拟量采集模块100、遥信量采集模块200、控制输出模块300以及通信模块500，所述模拟量采集模块100与锂电池组400电连接，所述控制输出模块300和通信模块500均分别与所述模拟量采集模块100和遥信量采集模块200电连接，所述通信模块500包括CAN总线501和RS485总线502，所述CAN总线501包括第一CAN总线5011和第二CAN总线5012，所述第一CAN总线5011分别与车载充电机电和程序升级接口电连接，所述第二CAN总线5012分别与电机控制器和组合仪表盘电连接，所述RS485总线502与超级终端电连接。
具体地，所述模拟量采集模块100包括单体电芯电压检测模块、电芯温度检测模块、电池组总电压检测模块、充/放电电流检测模块、油门踏板开度检测模块、刹车踏板开度检测模块、充电连接确认信号CC检测模块、充电枪温度检测模块以及铅酸蓄电池电压检测模块。
具体地，所述遥信量采集模块200包括常火信号检测模块、ON档唤醒信号检测模块、充电唤醒信号检测模块、充电控制导引信号CP检测模块、手刹信号检测模块、档位开关信号检测模块、车速脉冲信号检测模块、继电器辅助触点信号检测模块、MSD维修开关辅助触点信号检测模块以及HVIL高压互锁信号检测模块。
具体地，所述控制输出模块300包括总正继电器、总负继电器、预充继电器、充电继电器、DC/DC继电器、PTC继电器、电暖风继电器、电空调继电器、水箱继电器、油泵气泵使能以及均衡控制开关。
具体地，本发明提出的EVCU(整车控制器)能够实时采样电池的电压、电流、温度等外特性参数，并采用适当的算法以实现电池剩余电量(SOC)、健康状况(SOH)、功率承受能力(SOP)等内部状态的估算与监控，在正确获取电池的状态后进行有效的热管理、均衡管理、充放电管理和故障报警等操作。
具体地，本发明提出的EVCU(整车控制器)能够用于车辆动力系统的协调与控制，实时采样油门踏板、刹车踏板、开关档位信号，并根据电机转速、车速以及电池SOC值等控制域参数计算总需求驱动力或进行制动能量回馈策略调控，并给MCU发送转矩或转速指令，有效改善驾驶员感受，降低油耗和排放。
图5为本发明应用于园林景区的低速环卫电动车的一实施例，采用30串磷酸铁锂电池，工作电压平台为96Vdc，低速电动车整车控制器(EVCU)从功能上包含九个方面：充电管理、放电管理、均衡管理、逻辑保护判断、核心算法、通信交互、数据存储、低功耗管理及程序升级，结合本发明EVCU的结构图及其外部控制关系，功能实现过程描述如下：
①充电管理：EVCU支持车载传导充电国标《GB/T 18487.1—2015电动汽车传导充电系统—第1部分：通用要求》和《GB/T 20234.2—2015电动汽车传导充电用连接装置—第2部分：交流充电接口》；当接上充电枪后，EVCU将被充电辅助电源和CP信号唤醒，继而检测CC和CP信号，与OBC建立握手连接，控制电子锁卡紧充电枪，闭合充电继电器，通过CAN总线和OBC交互通信，请求充电电流和电压，开始充电。
②放电管理：当钥匙开关拧到ON档(或VCC档)后，EVCU上电工作，系统自检，自动读取存储器上的定值参数，闭合总负继电器和预充继电器，开始预充，预充成功后，闭合总正继电器，同时断开预充继电器；当EVCU检测到油门踏板信号和开关档位信号后，锂离子电池组开始放电，电机运转，进入行车模式。
③均衡管理：锂离子电池组由于生产工艺的差异、PACK技术水平以及在长期使用过程中因老化等原因会导致各个单体电芯之间容量出现不一致或不均衡现象，这种不均衡现象不但影响整个电池组的使用效能，还将影响电池组的寿命和安全性，因此就有必要对电池组进行均衡管理；EVCU在充电过程中将对电池组里电压偏高的单体电芯通过电阻回路进行被动放电，延缓其容量上升速率，以此来减小单体电芯之间的容量差异。
④逻辑保护判断：EVCU对锂离子电池的保护是基于“极端单体电池”保护的原理，即在充电过程中以充电电压最高、充电电流最大、温度最高的单体电池为判据，在放电过程中以放电电压最低、放电电流最大、温度最高的单体电池为判据；当电压、电流和温度超过相应保护阈值时就会启动逻辑保护程序，断开相关高压继电器，停止充电或放电进程。
⑤核心算法：EVCU根据采集的电池电压、电流和温度等模拟量数据实时估算SOC、SOH和SOP，从而最大化的发挥电池的效能而不伤害电池；低速电动车因为工作电压平台低，所以不需要进行直流母线绝缘漏电的监测。
⑥通信交互：EVCU具有两路CAN总线和一路RS485总线，一路CAN用于和OBC通信，同时可用作程序升级，另一路CAN用于和整车通信，链接MCU和INS。充电CAN和整车CAN分开，整车CAN速率不受充电CAN限制，抗干扰能力强。
⑦数据存储：EVCU可以存储三方面的数据，分别是故障报告、事件顺序记录(SOE)和实时数据。故障报告指的是电池状况的异常以及车载装置的异常，比如单体欠压告警或跳闸、过温告警或跳闸、通信异常、定值/配置校验异常等等；SOE指的是车载装置或器件发生遥信变位如开关变位时，EVCU会自动记录下变位时间、变位原因、开关跳闸时相应的遥测量值，如相应的电池电压、充放电电流、温度等，形成SOE记录，以便于事后分析；实时数据指的是电池遥测数据以及继电器的开关状态，为了便于事后分析EVCU因未知原因而导致的异常下电，需要实时保存电池测量数据以及继电器开关状态信息。
⑧低功耗管理：为了延长电池组的使用时间，增加电动车的续航里程，EVCU的运行模式实行了低功耗管理。在既不充电也不放电的静置模式下，EVCU会将CPU切换到睡眠模式(Sleep Mode)或待机模式(Standby Mode)，并降低主频，通过定时器定时唤醒CPU后对外部模拟量进行间歇性采样，采样处理完成后再次进入睡眠模式或待机模式。
⑨程序升级：由于EVCU安装于电池箱体内，电池箱体上留有程序维护口，为了方便软件更新和程序升级，EVCU需要支持CAN总线Bootloader。
具体地，本发明的技术方案有效克服了现有整合方案中只将BCU的硬件或软件部分集成到VCU中，但却没有将BMU部分集成进去的不足之处，同时去掉了绝缘监测部分，极大地降低了整车电控系统的复杂程度，缩短了软件开发周期，本发明的技术方案整合了电池管理系统(BMS)全部功能和电动整车控制器(EVCU)，通过将二者优化统一，去除多余重复部分，从而达到了精简控制器数量，节省了整车的空间，优化整车线束，降低了故障点，提高整车控制可靠性，缩短开发周期和降低成本费用的目的；同时也克服了现有整合方案中没有将BMU部分集成进去，集成度不够高，存在较大局限性的弊端，具有较高的推广应用价值。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，其特征在于，包括互相电连接的模拟量采集模块、遥信量采集模块、控制输出模块以及通信模块，所述模拟量采集模块与锂电池组电连接，所述控制输出模块和通信模块均分别与所述模拟量采集模块和遥信量采集模块电连接，所述通信模块包括CAN总线和RS485总线，所述CAN总线包括第一CAN总线和第二CAN总线，所述第一CAN总线分别与车载充电机电和程序升级接口电连接，所述第二CAN总线分别与电机控制器和组合仪表盘电连接，所述RS485总线与超级终端电连接。
2.根据权利要求1所述的应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，其特征在于，所述模拟量采集模块包括单体电芯电压检测模块、电芯温度检测模块、电池组总电压检测模块、充/放电电流检测模块、油门踏板开度检测模块、刹车踏板开度检测模块、充电连接确认信号CC检测模块、充电枪温度检测模块以及铅酸蓄电池电压检测模块。
3.根据权利要求1所述的应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，其特征在于，所述遥信量采集模块包括常火信号检测模块、ON档唤醒信号检测模块、充电唤醒信号检测模块、充电控制导引信号CP检测模块、手刹信号检测模块、档位开关信号检测模块、车速脉冲信号检测模块、继电器辅助触点信号检测模块、MSD维修开关辅助触点信号检测模块以及HVIL高压互锁信号检测模块。
4.根据权利要求1所述的应用于低速电动车的集成电池管理系统功能的整车控制器，其特征在于，所述控制输出模块包括总正继电器、总负继电器、预充继电器、充电继电器、DC/DC继电器、PTC继电器、电暖风继电器、电空调继电器、水箱继电器、油泵气泵使能以及均衡控制开关。
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