CN112428875A

CN112428875A - 一种基于无线多智能体的电池管理系统

Info

Publication number: CN112428875A
Application number: CN202011264131.2A
Authority: CN
Inventors: 任文举; 唐梧桐; 禄盛; 郑太雄
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2021-03-02

Abstract

本发明涉及一种基于无线多智能体的电池管理系统，属于锂离子电池管理系统领域。该系统中位机、分电池管理器和电池组；中位机包括：显示模块、第一无线通讯模块和数据库；中位机根据分电池管理器反馈的信息下达相应控制指令；分电池管理器包括：MCU、采集器、第二无线通讯模块、控制单元和Flash存储器；电池组由单体电池依次串联构成。本发明解决了现有电池管理系统中温度测量不准确、无法自动保护、无法识别不健康单体电池并将其定位、无法将不健康电池进行有效隔离、适应性差、布线繁杂、线路老化等问题。实现锂离子电池有效、完善、可靠的保护，提高电池组可维护性，保证电池组的安全性，提高电池寿命，降低电池生命周期内的使用成本。

Description

一种基于无线多智能体的电池管理系统

技术领域

本发明属于锂离子电池管理系统领域，涉及一种基于无线多智能体的电池管理系统。

背景技术

能源危机和环境污染是当今世界各国面临的两大难题。电动汽车具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修及运行成本低等优点，在环保和节能上具有不可比拟的优势，是解决人类能源和环境压力的有效途径。

众所周知，车载动力电池不仅是制约电动汽车规模发展的技术瓶颈，而且是电动汽车价格居高不下的关键因素，其成本占整车成本的30％～50％。因此，电池管理系统(Battery Management System，BMS)的性能对电动汽车使用成本、节能和安全性至关重要。

就目前电动汽车使用情况看，影响电动汽车推广应用的主要因素包括动力电池的安全性和使用成本问题，用户最大的担忧仍然是电动汽车续航能力差和动力电池组寿命短的问题，电池仍然是电动车发展的瓶颈。

BMS普遍采用有线数据传输的方式，如CAN总线、RS485、RS232等。虽然有线传输成本低，但其传输适应性较差，布线繁杂，维护不便，线束占有系统大部分体积，除存在线束故障而导致通讯瘫痪问题，还存在线缆长短不一，信号经过线缆传输时的衰减程度不同，对采样数据的精度有较大影响。同时线束极易在使用过程中产生老化，从而导致通信故障，使电池管理系统失效。对此，一种准确、高效、简便、易维护的数据传输方式渐渐成为BMS系统中数据传输方式的研究热点。

目前，绝大多数BMS均无法精确定位故障电池的位置以及其产生的故障，并将失效电池从电池组中有效隔离。由于电池之间工作状态相互影响，非独立工作。当系统中有个别电池产生故障时，如不能自动隔离故障电池，将会影响电池组甚至整个系统的工作状态，使整个电池组失效。同时，现有的电池管理系统不能测量并存储单个在电池工作过程中产生的数据，如过压、欠压、过流、短路电流、过温、欠温、充放电次数。因此由电池管理系统失效会造成重大经济损失。

此外，现有电池管理系统中采用一个采集模块采集一个电池组或电池箱内多组电池组的性能参数，无法实时精准监测单个电池的性能参数，电池管理系统的稳定性和可靠性较差。

因此，针对现有电池管理系统的缺点，亟需一种基于无线多智能体的电池管理系统来解决上述问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于无线多智能体的电池管理系统，实现单体电池的实时状态测量、温度的实时原位测量、故障电池在电池组中的自动隔离、记录电池的使用状态，荷电状态以及健康状态，实现了单体电池的自主管理与控制。同时该系统具有极低的功耗使用过程不会对电池寿命产生影响。确保电池组的使用寿命，有效保证新能源汽车的安全，降低电池整个生命周期的使用成本。另外该系统通信距离远，可靠性高，降低了生产成本，而且电池管理系统的线束结构，使系统布局更加灵活。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于无线多智能体的电池管理系统，包括：中位机、分电池管理器和电池组；

所述中位机主要包括：显示模块、第一无线通讯模块和数据库；所述中位机为该电池管理系统的核心，根据分电池管理器反馈的信息下达相应控制指令；所述显示模块用于实时动态显示每个电池的相关信息；所述第一、第二无线通讯模块用于中位机与各分电池管理器间的相互通讯；同时可以用于其他设备的查询和访问；所述数据库用于记录并存储电池工作过程中产生的所有数据；

所述分电池管理器主要包括：MCU(微控制器)、采集器、第二无线通讯模块、控制单元和Flash存储器；所述电池组由单体电池依次串联构成；所述所述分电池管理器内置于每个单体电池内；所述MCU为分电池管理器的大脑，它负责控制采集器、第二无线通讯模块、控制单元和Flash存储器，并执行中位机下达的指令；所述采集器用于采集单体电池的温度、电流和电压信号；所述控制单元用于控制单体电池充电和放电；所述Flash存储器用于存储电池ID以及工作过程中的数据，包括但不限于：电池ID码，出厂日期、充电次数、放电次数、短路次数、短路次数、欠压次数、超压次数、低温次数、高温次数、充电容量和放电容量等基本数据以及与其相对应的数据值。

进一步，所述显示模块用于实时动态显示每个电池ID下的最高电流、最低电流、平均电流、最高电压、最低电压、平均电压、最高温度、最低温度、平均温度和荷电状态。

进一步，所述中位机还包括报警模块，用于电池故障状态的实时报警和故障显示，当某个电池电压、电流、温度高于或低于预设值时，进行报警。

进一步，所述报警模块以声或光的方式报警。

进一步，所述数据库用于记录并存储电池工作过程中产生的单体电池ID、出厂日期以及工作过程中的数据，具体包括：充电次数、放电次数、短路次数、短路次数、欠压次数、超压次数、低温次数、高温次数、充电容量和放电容量等基本数据以及与其相对应的数据值；便于在计算机上对电池数据信息进行分析。电池ID便于精准定位故障与维护。

进一步，所述采集器包括温度传感器和电压传感器，通过GPIO接口与分电池管理器相连，内置于电池，实时测量每个电池的温度、电压、电流。

进一步，所述控制单元采用MOSFET开关，一端与电池的集流体连接，另外一端与电池负极连接，控制端与MCU连接用于控制单体电池充放电回路的通断。

进一步，电流信号采集通过在MOSFET开关电路上串联一个精密电阻，由欧姆定律可得单体电池的电流信号。

进一步，所述第一、第二无线通讯模块还可采用CAN总线或WIFI模块进行通讯。

本发明的有益效果在于：

1)本发明系统解决了现有电池管理系统中温度测量不准确、无法自动保护、无法识别不健康单体电池并将其定位、无法将不健康电池有效隔离、适应性差、布线繁杂、线路老化容易造成短路和通讯瘫痪、后期维护不便且成本大等问题，提高了电池寿命。

2)本发明的电池管理系统通信距离长，可靠性高，传输比较准确，避免了有线数据传输过程中，由于线缆传输时的衰减或插接不好、及由于振动造成的连接失效，使通信失效情形发生的情况，同时系统可以实时原位精准的监测每个电池的内部温度及内部状态。

3)本发明能实现失效电池的自动隔离且不影响整个电池组甚至整个系统、超低功耗、自动休眠、自动保护、能够实时存储数据等功能，且该系统省去了均衡电路，提高了成本质量。

4)本发明采用了分离式模块设计，几乎实现“零线束”，布局方式也更加灵活，增强了系统的安全性能。

5)本发明可以实现电池组的模块化设计，实现电池组的柔性、灵活、可靠的配置。

6)本发明可以实现非健康电池的准确定位，方便非健康电池的更换，有效延长电池组的使用寿命，降低电池组的使用成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明电池管理系统的结构示意图；

图2是本发明电池管理系统的分电池管理器的结构示意图；

图3是本发明电池管理系统的采集器的结构示意图；

图4是本发明电池管理系统的MOSFET开关电路的结构示意图；

图5是本发明实施例中温度信号采集电路的结构示意图；

附图标记：1-单体电池，2-分电池管理器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图5，本发明优选了一种基于无线多智能体的电池管理系统，如图1和图2所示，该系统包括中位机、若干分电池管理器2和电池组。中位机主要包括：显示模块、第一无线通讯模块、报警模块、数据库；分电池管理器主要包括：MCU、采集器、第二无线通讯模块、控制单元、Flash存储器。电池组由单体电池1通过串联和并联构成。

显示模块、第一无线通讯模块、报警模块、数据库之间电性连接；采集器、第二无线通讯模块、控制单元、Flash存储器分别与MCU电性连接，受MCU控制，MCU受中位机控制。

分电池管理器数量与单体电池数量相等，内置于电池。每一个分电池管理器与中位机无线通讯。

第一、第二无线通讯模块用于中位机与分电池管理器的相互通讯。具体的，第一无线通讯模块用于接收第二无线通讯模块传送的信息，发送中位机的指令。第二无线通讯模块用于给第一无线通讯模块发送信息，接收中位机的指令。

优选的，第一、第二无线通讯模块采用ISM频段频率范围300MHz-900 MHz进行通讯。

如图3所示，采集器通过电压传感器、温度传感器分别采集单体电池1的电压、电流、温度信号，结合如图4所示中的电阻R₂得到电流信号。电压、温度、电流信号经采集器处理，便可得到电流值，并根据设计值分别得出短路电流、过流电流等数据，最高电压、最低电压、最高温度、最低温度、平均温度、荷电状态及健康状态等电池数据。

显示模块动态实时显示第二无线通讯模块向第一无线通讯模块发送的的单体电池数据，该模块同时可以使用其他设备进行读取和查询。

数据库存储第二无线通讯模块向第一无线通讯模块发送的电池工作过程中产生的所有数据，包括以下数据但不限于以下数据，单体电池ID、出厂日期以及工作过程中的数据，如充电次数、放电次数、短路次数、短路次数、欠压次数、超压次数、低温次数、高温次数、充电容量和放电容量等基本数据以及与其相对应的数据值。便于用户在计算机上对电池数据信息进行分析。

优选的，报警模块以声或光的方式报警，比如蜂鸣器。

分电池管理器根据测量得到的电压、电流、温度信号控制控制单元，从而达到控制电池充放电回路通断的目的；

当某个电池电压高于预设值一时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池电压低于预设值二时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池电流低于预设值三时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池电流高于预设值四时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池温度高于预设值五时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池温度低于预设值六时，电池充放电回路断开，触发报警；

当某个电池失效时，电池充放电回路断开，控制单元将本电池隔离，从而使其它电池继续工作，增强电池组的可靠性。

如图4所示，控制单元的MOSFET开关电路中的电阻R₁起分压作用；电阻R₂用于采集电流信号。开关一端与单体电池1的集流体连接，另外两端分别与MCU、电池负极连接，通过控制电池充放电回路的通断，达到控制电池能否正工作的目的，从而实现故障电池的自我隔离功能。

优选的，温度传感器采用PT1000温度传感器，电压传感器采用霍尔传感器。如图5所示，温度传感器PT1000一端与MCU的A/D采样口连接，一端与电池负极连接，用于准确采集单体电池温度信号。

在本实施例中，当某个电池产生故障时，故障信号由采集器采集，依次经过采集器、MCU、第二无线通讯模块、第一无线通讯模块，传送至中位机；中位机下达指令，显示模块显示故障电池信息。同时本系统可以精确定位发生故障的电池的位置。本系统可以指示需要更换的电池。

在本实施例中，可以不用另外建立均衡系统。当单体电池发生过压或欠压时，该电池自动从系统断开，从而防止发生过充电或者过放电情况的发生。因此可以不用再单独搭建均衡系统。

在本实施例中，由于分电池管理器内置于电池中，因此可以原位的实时测量电池的内部温度，从而排除电池热阻对电池温度测量的影响，从而可以有效对电池进行热管理。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于无线多智能体的电池管理系统，其特征在于，该系统包括：中位机、分电池管理器和电池组；

所述中位机包括：显示模块、第一无线通讯模块和数据库；所述中位机根据分电池管理器反馈的信息下达相应控制指令；所述显示模块用于实时动态显示每个电池的相关信息；所述第一、第二无线通讯模块用于中位机与各分电池管理器间的相互通讯；同时用于其他设备的查询和访问；所述数据库用于记录并存储电池工作过程中产生的所有数据；

所述分电池管理器包括：MCU、采集器、第二无线通讯模块、控制单元和Flash存储器；所述电池组由单体电池依次串联构成；所述所述分电池管理器内置于每个单体电池内；所述MCU负责控制采集器、第二无线通讯模块、控制单元和Flash存储器，并执行中位机下达的指令；所述采集器用于采集单体电池的温度、电流和电压信号；所述控制单元用于控制单体电池充电和放电；所述Flash存储器用于存储电池ID以及工作过程中的数据。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述显示模块用于实时动态显示每个电池ID下的最高电流、最低电流、平均电流、最高电压、最低电压、平均电压、最高温度、最低温度、平均温度和荷电状态。

3.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述中位机还包括报警模块，用于电池故障状态的实时报警和故障显示，当某个电池电压、电流、温度高于或低于预设值时，进行报警。

4.根据权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于，所述报警模块以声或光的方式报警。

5.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述数据库用于记录并存储电池工作过程中产生的单体电池ID、出厂日期以及工作过程中的数据，具体包括：充电次数、放电次数、短路次数、短路次数、欠压次数、超压次数、低温次数、高温次数、充电容量和放电容量以及与其相对应的数据值。

6.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述采集器包括温度传感器和电压传感器。

7.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述控制单元采用MOSFET开关，一端与电池的集流体连接，另外一端与电池负极连接，控制端与MCU连接用于控制单体电池充放电回路的通断。

8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于，电流信号采集通过在MOSFET开关电路上串联一个精密电阻，由欧姆定律得单体电池的电流信号。

9.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述第一、第二无线通讯模块采用CAN总线或WIFI模块进行通讯。