CN113771690A - 一种电池管理系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电池管理系统架构。该电池管理系统架构包括N个电芯模组；N个从控制器，与N个电芯模组一一对应连接，并集成于各自对应的电芯模组，每个从控制器包括第一电源单元、数据选择单元、数据处理和通讯单元、以及第一主控单元；主控制器，包括第二电源单元、CAN收发单元和第二主控单元，第二主控单元包括第二控制内核和第二收发天线单元；其中，第一控制内核和第二控制内核通过第一收发天线单元和第二收发天线单元进行无线通信。本发明提出了一种电池管理系统架构，能减少线束和隔离器件的使用，降低重量和成本，提高空间利用率，又可以灵活高效的使用电池系统。

Description

一种电池管理系统架构
技术领域
本发明涉及电动汽车的动力电池制造技术领域，尤其涉及一种电池管理系统架构。
背景技术
在新能源汽车的高压电池系统领域，为了监控管理电池的状态，包括电池容量，电池温度，电池寿命和电池工作边界，需要测量组成电池的每个电芯模组的电压以及相应的温度。现有技术多由电池采样控制器作为从控制器负责采集电芯电压和温度，电池管理控制器作为主控制器负责处理采集数据，计算和监控电池状态并根据整车需求进行充放电控制和安全保护处理。主、从控制器通过CAN，SPI等通讯，由线束实现信号和供电传输，同时考虑到采集电路是布置在高压侧，而处理和控制电路布置在低压侧，需要隔离电路设计。以上设计均需要额外的隔离设计，线束布置，既增加成本，又占用空间；且在核心器件失效(MCU，采样芯片)时，由于对电池系统失去监控状态，系统必须进入失效安全模式，影响驾驶性能和驾驶安全。
图1示出了现有技术的一个分布式电池管理系统架构的结构示意图。如图所示，电池管理系统架构100包括n个电芯模组101，每个电芯模组101集成一个从控制器102，从控制器102负责采集各自对应的电芯模组101的电压和温度，并通过线束将信号传递到主控制器103。图2示出了现有技术的一个集中式电池管理系统架构的结构示意图。如图所示，电池管理系统架构200包括n个电芯模组201，每个电芯模组201具有一个对应的从控制器202，n个从控制器202和一个主控制器203集中设置。每个从控制器202负责采集各自对应的电芯模组201的电压和温度，并通过线束将信号传递到主控制器203。
发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明提出了一种电池管理系统架构，能减少线束和隔离器件的使用，降低重量和成本，提高空间利用率，又可以灵活高效的使用电池系统。
具体地，本发明提出了一种电池管理系统架构，包括：
N个电芯模组；
N个从控制器，与N个所述电芯模组一一对应连接，并集成于各自对应的所述电芯模组，每个所述从控制器包括第一电源单元、数据选择单元、数据处理和通讯单元、以及第一主控单元，所述第一主控单元包括第一控制内核和第一收发天线单元，所述第一电源单元通过对应的所述电芯模组向所述从控制器供电，所述数据选择单元用于获取对应的所述电芯模组的运行信息，并转换为数字信号传送到所述数据处理和通讯单元，所述数据处理和通讯单元将数字信号转换为总线数据发送到所述第一控制内核；
主控制器，包括第二电源单元、CAN收发单元和第二主控单元，所述第二主控单元包括第二控制内核和第二收发天线单元，所述第二电源单元通过外部常电向所述主控制器供电，所述CAN收发单元用于接收外部总线数据并转换为数字信号发送到所述第二控制内核；
其中，所述第一控制内核和第二控制内核通过所述第一收发天线单元和第二收发天线单元进行无线通信，所述第一控制内核将来源于所述数据处理和通讯单元的总线数据转换为无线数据并通过所述第一收发天线单元向所述主控制器发送；所述第二控制内核通过所述第二收发天线单元接收所述第一收发天线单元发送的无线数据，所述第二控制内核通过所述第二收发天线单元向所述从控制器发送来源于所述CAN收发单元的数字信号。
根据本发明的一个实施例，所述第一主控单元还包括第一电源管理模块，分别与所述第一电源单元和第一控制内核连接，所述第一电源管理模块用于向所述第一主控单元供电。
根据本发明的一个实施例，所述从控制器还包括第三电源单元，与所述第一电源单元并联，所述第三电源单元与所述第一电源管理模块连接；
若所述第一电源单元被识别有故障时，复位所述第一电源单元，同时激活所述第三电源单元工作，所述第三电源单元向所述从控制器供电；若所述第一电源单元消除故障，则切换回所述第一电源单元工作，所述第二电源单元停止工作。
根据本发明的一个实施例，所述第一主控单元还包括第一通讯模块，分别与所述数据处理和通讯单元以及第一控制内核连接，所述第一通讯模块接收来源于所述数据处理和通讯单元的总线数据并发送到所述第一控制内核。
根据本发明的一个实施例，所述从控制器还包括第一看门狗单元，所述第一主控单元还包括第一看门狗模块，所述第一看门狗模块分别连接所述第一看门狗单元和第一控制内核；
所述第一看门狗单元通过所述第一看门狗模块监控所述第一控制内核的运行状态，若所述第一控制内核发生故障，所述第一看门狗单元复位所述第一控制内核，同时所述第一收发天线单元直接读取所述第一通讯模块的总线数据并发送到所述主控制器；若所述所述第一控制内核消除故障，则切换回所述第一控制内核工作，所述第一控制内核通过所述第一收发天线单元收发无线数据。
根据本发明的一个实施例，所述第一主控单元还包括第一模数转换模块，与所述第一控制内核连接，所述第一模数转换模块用于获取对应的所述电芯模组的运行信息，并转换为数字信号传送到所述第一控制内核；
若所述数据选择单元和/或所述数据处理和通讯单元被识别有故障时，复位所述数据选择单元和/或所述数据处理和通讯单元，同时启动所述第一模数转换模块工作；若所述数据选择单元和所述数据处理和通讯单元消除故障，则切换回所述数据选择单元和所述数据处理和通讯单元工作，所述第一模数转换模块停止工作。
根据本发明的一个实施例，若所述第一收发天线单元发生故障，则调整降低所述第一收发天线单元的发送功率、速率或频率，并将发往所述主控制器的无线数据发送到临近的从控制器，由临近的从控制器发送至所述主控制器。
根据本发明的一个实施例，所述第二主控单元还包括第二电源管理模块，分别与所述第二电源单元和第二控制内核连接，所述第二电源管理模块用于向所述第二主控单元供电；所述第二主控单元还包括第二通讯模块，分别与所述CAN收发单元以及第二控制内核连接，所述第二通讯模块接收来源于所述CAN收发单元的总线数据并发送到所述第二控制内核。
根据本发明的一个实施例，所述第二主控单元还包括第二模数转换模块，与所述第二控制内核连接，所述第二模数转换模块用于接收外部CAN数据并转换为数字信号发送到所述第二控制内核；
若所述CAN收发单元被识别有故障时，复位所述CAN收发单元，同时启动所述第二模数转换模块工作；若所述CAN收发单元消除故障，则切换回所述CAN收发单元工作，所述第二模数转换模块停止工作。
根据本发明的一个实施例，所述从控制器还包括第二看门狗单元，所述第二主控单元还包括第二看门狗模块，所述第二看门狗模块分别连接所述第二看门狗单元和第二控制内核；
所述第二看门狗单元通过所述第二看门狗模块监控所述第二控制内核的运行状态，若所述第二控制内核发生故障，所述第二看门狗单元复位所述第二控制内核，同时所述第二收发天线单元直接读取所述第二通讯模块的总线数据并发送到指定的所述从控制器。
根据本发明的一个实施例，若所述第二收发天线单元发生故障，则调整降低所述第二收发天线单元的发送功率、速率或频率，并将发往到指定的从控制器的无线数据发送到临近的从控制器，由临近的从控制器发送至指定的从控制器。
本发明提供的一种电池管理系统架构，在从控制器和主控制器之间采用无线通信，能减少线束和隔离器件的使用，降低重量和成本，提高空间利用率，又可以灵活高效的使用电池系统。
应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。
附图说明
包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：
图1示出了现有技术的一个分布式电池管理系统架构的结构示意图。
图2示出了现有技术的一个集中式电池管理系统架构的结构示意图。
图3示出了本发明的一个实施例的电池管理系统架构的结构示意图。
图4是图3中的一个从控制器的结构示意图。
图5是图3中的主控制器的结构示意图。
具体实施方式
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图3示出了本发明的一个实施例的电池管理系统架构的结构示意图。图4是图3中的一个从控制器的结构示意图。图5是图3中的主控制器的结构示意图。如图所示，一种电池管理系统架构300主要包括N个电芯模组400、N个从控制器500和一个主控制器600。
其中，N个从控制器500与N个电芯模组400一一对应连接，每个从控制器500集成于各自对应的电芯模组400。
参考图4，每个从控制器500包括第一电源单元501、数据选择单元502、数据处理和通讯单元503、以及第一主控单元504。第一主控单元504包括第一控制内核505和第一收发天线单元506。第一电源单元501通过对应的电芯模组400向从控制器500供电。数据选择单元502用于获取对应的电芯模组400的运行信息。该运行信息包括电芯模组400的电压和温度信息。数据选择单元502将获取的运行信息转换为数字信号并传送到数据处理和通讯单元503。数据处理和通讯单元503将数字信号转换为总线数据发送到第一控制内核505。
参考图5，主控制器600包括第二电源单元601、CAN收发单元602和第二主控单元603。其中，第二主控单元603包括第二控制内核604和第二收发天线单元605。第二电源单元601通过外部常电向主控制器600供电。CAN收发单元602用于接收外部总线数据并转换为数字信号发送到第二控制内核604。
进一步的，第一控制内核505和第二控制内核604通过第一收发天线单元506和第二收发天线单元605进行无线通信。在本实施例中，该无线通信采用蓝牙模式。第一控制内核505将来源于数据处理和通讯单元503的总线数据转换为无线数据并通过第一收发天线单元506向主控制器600发送。第二控制内核604通过第二收发天线单元605接收第一收发天线单元506发送的无线数据。第二控制内核604通过第二收发天线单元605向从控制器500发送来源于CAN收发单元602的数字信号。
本发明提供的一种适用于新能源车的电池管理系统架构300在从控制器500和主控制器600之间采用无线通信，与现有技术相比，能减少线束和隔离器件的使用，降低整体系统架构的重量和成本。由于不受线束约束，该电池管理系统架构300可以方便地增加电芯模组400的数量以提升系统架构的空间利用率，仅需要通过主控制器600软件升级匹配的电芯模组400数量，调整各电芯模组400的参数以及相应的电压、电流。
较佳地，参考图4，第一主控单元504还包括第一电源管理模块507。第一电源管理模块507分别与第一电源单元501和第一控制内核505连接。第一电源管理模块507用于向第一主控单元504供电。
较佳地，从控制器500还包括第三电源单元508。第三电源单元508与第一电源单元501并联，第三电源单元508与第一电源管理模块507连接。若第一电源单元501被识别有故障时，从控制器500复位第一电源单元501，同时激活第三电源单元508工作。由第三电源单元508向从控制器500供电。若第一电源单元501消除故障，则切换回第一电源单元501工作，由第一电源单元501向从控制器500供电，同时第二电源单元601停止工作。需要说明的是，第一电源单元501的故障可能是瞬态故障或永久故障，若是瞬态故障，则等待第一电源单元501恢复正常后(相当于消除故障)切换回第一电源单元501工作；若是永久故障，则从控制器500记录该故障并维持新能源车的驾驶循环直至进入安全状态，对第一电源单元501进行修理或更换。
较佳地，第一主控单元504还包括第一通讯模块509。第一通讯模块509分别与数据处理和通讯单元503以及第一控制内核505连接。第一通讯模块509接收来源于数据处理和通讯单元503的总线数据并发送到第一控制内核505。
较佳地，从控制器500还包括第一看门狗单元510，第一主控单元504还包括第一看门狗模块511，第一看门狗模块511分别连接第一看门狗单元510和第一控制内核。第一看门狗单元510通过第一看门狗模块511监控第一控制内核505的运行状态，主要是监控第一控制内核505的软件运行状态。若第一控制内核505发生故障，第一看门狗单元510复位第一控制内核505，同时第一收发天线单元506直接读取第一通讯模块509的总线数据并发送到主控制器600。在本实施例中，第一收发天线单元506以有限速率无线发送读取的总线数据。若第一控制内核505消除故障，则切换回第一控制内核505工作，第一控制内核505继续通过第一收发天线单元506收发无线数据。若第一控制内核505存在永久故障，则从控制器500记录该故障并维持新能源车的驾驶循环直至进入安全状态，对第一控制内核505进行修理或更换。
较佳地，第一主控单元504还包括第一模数转换模块512。第一模数转换模块512与第一控制内核505连接。第一模数转换模块512用于获取对应的电芯模组400的运行信息，并转换为数字信号传送到第一控制内核505。若数据选择单元502和/或数据处理和通讯单元503被识别有故障时，同时复位数据选择单元502以及数据处理和通讯单元503，启动第一模数转换模块512工作，由第一模数转换模块512获取对应的电芯模组400的运行信息并发送到第一控制内核505。若数据选择单元502以及数据处理和通讯单元503消除故障，则切换回数据选择单元502以及数据处理和通讯单元503工作，同时第一模数转换模块512停止工作。数据选择单元502和/或数据处理和通讯单元503的故障可能是瞬态故障或永久故障，若是瞬态故障，则等待其恢复正常后(相当于消除故障)切换回数据选择单元502以及数据处理和通讯单元503工作；若是永久故障，则从控制器500记录该故障并维持新能源车的驾驶循环直至进入安全状态，对存在故障的数据选择单元502和/或数据处理和通讯单元503进行修理或更换。
较佳地，若第一收发天线单元506发生故障，则调整降低第一收发天线单元506的发送功率、速率或频率，并将发往主控制器600的无线数据发送到临近的从控制器500，由临近的从控制器500发送至主控制器600。若故障恢复，则恢复第一收发天线单元506的发送功率、速率或频率；若故障无法恢复，则记录该故障并维持驾驶循环直至进入安全状态，对存在故障的第一收发天线单元506进行修理或更换。
较佳地，参考图5，第二主控单元603还包括第二电源管理模块606。第二电源管理模块606分别与第二电源单元601和第二控制内核604连接。第二电源管理模块606用于向第二主控单元603供电。第二主控单元603还包括第二通讯模块607。第二通讯模块607分别与CAN收发单元602以及第二控制内核604连接。第二通讯模块607接收来源于CAN收发单元602的总线数据并发送到第二控制内核604。
较佳地，第二主控单元603还包括第二模数转换模块608。第二模数转换模块608与第二控制内核604连接。第二模数转换模块608用于接收外部CAN数据并转换为数字信号发送到第二控制内核604。若CAN收发单元602被识别有故障时，主控制器600复位CAN收发单元602，同时启动第二模数转换模块608代替CAN收发单元602工作。若CAN收发单元602消除故障，则切换回CAN收发单元602工作，同时第二模数转换模块608停止工作。若CAN收发单元602无法消除故障，则记录该故障并维持驾驶循环直至进入安全状态，对存在故障的CAN收发单元602进行修理或更换。
较佳地，从控制器500还包括第二看门狗单元609，第二主控单元603还包括第二看门狗模块610，第二看门狗模块610分别连接第二看门狗单元609和第二控制内核604。第二看门狗单元609通过第二看门狗模块610监控第二控制内核604的运行状态，第二看门狗单元609主要监控第二控制内核604的软件运行状态。若第二控制内核604发生故障，由第二看门狗单元609复位第二控制内核604，同时第二收发天线单元605直接读取第二通讯模块607的总线数据并无线发送到指定的从控制器500。在本实施例中，第二收发天线单元605以有限速率无线发送读取的总线数据。若第二控制内核604消除故障，则切换回第二控制内核604工作，第一控制内核505继续通过第一收发天线单元506正常收发无线数据。若第二控制内核604存在永久故障，则记录该故障并维持新能源车的驾驶循环直至进入安全状态，对第二控制内核604进行修理或更换。
较佳地，若第二收发天线单元605发生故障，则调整降低第二收发天线单元605的发送功率、速率或频率，并将发往到指定的从控制器500的无线数据发送到临近的从控制器500，由临近的从控制器500发送至指定的从控制器500。若故障恢复，则恢复第二收发天线单元605的发送功率、速率或频率；若故障无法恢复，则记录该故障并维持驾驶循环直至进入安全状态，对存在故障的第二收发天线单元605进行修理或更换。
本发明提供的一种电池管理系统架构具有如下有点：
1.利用无线通讯技术实现从控制器和主控制器的相互通信；
2.在从控制器和主控制器存在单点故障的情况下，电池管理系统架构保持正常工作。
本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (11)

1.一种电池管理系统架构，包括：
N个电芯模组；
N个从控制器，与N个所述电芯模组一一对应连接，并集成于各自对应的所述电芯模组，每个所述从控制器包括第一电源单元、数据选择单元、数据处理和通讯单元、以及第一主控单元，所述第一主控单元包括第一控制内核和第一收发天线单元，所述第一电源单元通过对应的所述电芯模组向所述从控制器供电，所述数据选择单元用于获取对应的所述电芯模组的运行信息，并转换为数字信号传送到所述数据处理和通讯单元，所述数据处理和通讯单元将数字信号转换为总线数据发送到所述第一控制内核；
主控制器，包括第二电源单元、CAN收发单元和第二主控单元，所述第二主控单元包括第二控制内核和第二收发天线单元，所述第二电源单元通过外部常电向所述主控制器供电，所述CAN收发单元用于接收外部总线数据并转换为数字信号发送到所述第二控制内核；
其中，所述第一控制内核和第二控制内核通过所述第一收发天线单元和第二收发天线单元进行无线通信，所述第一控制内核将来源于所述数据处理和通讯单元的总线数据转换为无线数据并通过所述第一收发天线单元向所述主控制器发送；所述第二控制内核通过所述第二收发天线单元接收所述第一收发天线单元发送的无线数据，所述第二控制内核通过所述第二收发天线单元向所述从控制器发送来源于所述CAN收发单元的数字信号。
2.如权利要求1所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述第一主控单元还包括第一电源管理模块，分别与所述第一电源单元和第一控制内核连接，所述第一电源管理模块用于向所述第一主控单元供电。
3.如权利要求2所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述从控制器还包括第三电源单元，与所述第一电源单元并联，所述第三电源单元与所述第一电源管理模块连接；
若所述第一电源单元被识别有故障时，复位所述第一电源单元，同时激活所述第三电源单元工作，所述第三电源单元向所述从控制器供电；若所述第一电源单元消除故障，则切换回所述第一电源单元工作，所述第二电源单元停止工作。
4.如权利要求1所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述第一主控单元还包括第一通讯模块，分别与所述数据处理和通讯单元以及第一控制内核连接，所述第一通讯模块接收来源于所述数据处理和通讯单元的总线数据并发送到所述第一控制内核。
5.如权利要求4所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述从控制器还包括第一看门狗单元，所述第一主控单元还包括第一看门狗模块，所述第一看门狗模块分别连接所述第一看门狗单元和第一控制内核；
所述第一看门狗单元通过所述第一看门狗模块监控所述第一控制内核的运行状态，若所述第一控制内核发生故障，所述第一看门狗单元复位所述第一控制内核，同时所述第一收发天线单元直接读取所述第一通讯模块的总线数据并发送到所述主控制器；若所述所述第一控制内核消除故障，则切换回所述第一控制内核工作，所述第一控制内核通过所述第一收发天线单元收发无线数据。
6.如权利要求1所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述第一主控单元还包括第一模数转换模块，与所述第一控制内核连接，所述第一模数转换模块用于获取对应的所述电芯模组的运行信息，并转换为数字信号传送到所述第一控制内核；
若所述数据选择单元和/或所述数据处理和通讯单元被识别有故障时，复位所述数据选择单元和/或所述数据处理和通讯单元，同时启动所述第一模数转换模块工作；若所述数据选择单元和所述数据处理和通讯单元消除故障，则切换回所述数据选择单元和所述数据处理和通讯单元工作，所述第一模数转换模块停止工作。
7.如权利要求1所述的电池管理系统架构，其特征在于，若所述第一收发天线单元发生故障，则调整降低所述第一收发天线单元的发送功率、速率或频率，并将发往所述主控制器的无线数据发送到临近的从控制器，由临近的从控制器发送至所述主控制器。
8.如权利要求1所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述第二主控单元还包括第二电源管理模块，分别与所述第二电源单元和第二控制内核连接，所述第二电源管理模块用于向所述第二主控单元供电；所述第二主控单元还包括第二通讯模块，分别与所述CAN收发单元以及第二控制内核连接，所述第二通讯模块接收来源于所述CAN收发单元的总线数据并发送到所述第二控制内核。
9.如权利要求8所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述第二主控单元还包括第二模数转换模块，与所述第二控制内核连接，所述第二模数转换模块用于接收外部CAN数据并转换为数字信号发送到所述第二控制内核；
若所述CAN收发单元被识别有故障时，复位所述CAN收发单元，同时启动所述第二模数转换模块工作；若所述CAN收发单元消除故障，则切换回所述CAN收发单元工作，所述第二模数转换模块停止工作。
10.如权利要求8所述的电池管理系统架构，其特征在于，所述从控制器还包括第二看门狗单元，所述第二主控单元还包括第二看门狗模块，所述第二看门狗模块分别连接所述第二看门狗单元和第二控制内核；
所述第二看门狗单元通过所述第二看门狗模块监控所述第二控制内核的运行状态，若所述第二控制内核发生故障，所述第二看门狗单元复位所述第二控制内核，同时所述第二收发天线单元直接读取所述第二通讯模块的总线数据并发送到指定的所述从控制器。
11.如权利要求8所述的电池管理系统架构，其特征在于，若所述第二收发天线单元发生故障，则调整降低所述第二收发天线单元的发送功率、速率或频率，并将发往到指定的从控制器的无线数据发送到临近的从控制器，由临近的从控制器发送至指定的从控制器。
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