CN115027324A - 一种智能运载车辆的电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能运载车辆的电池管理系统，包括BMU子系统、BCU子系统、通讯子系统、电源子系统与软件控制系统构成；所述BMU子系统由单体电压检测模块、单体温度检测模块、总电压检测模块、数模转换模块与数据传输模块组成，用于管理系统前端数据采集；所述BCU子系统由微控制器、外围电路与继电器控制电路组成，用于承担数据分析、电池状态参数估算、继电器控制与VCU控制命令执行等任务；所述通讯子系统由CAN总线硬件电路与CAN通讯程序组成，用于实现BMS与VCU的信息交互。本发明能够对高压继电器粘连、过温、过压等可能导致危害发生的故障具有较好的诊断和识别能力，能够有效避免违背安全目标的事件发生。
Description
技术领域
本发明涉及汽车安全技术领域，尤其涉及一种智能运载车辆的电池管理系统。
背景技术
汽车安全对于车辆来说分为主动安全和被动安全两大方面，主动安全就是尽量自如的操纵控制汽车，无论是直线上的制动与加速还是左右打方向都应该尽量平稳，不至于偏离既定的行进路线，而且不影响司机的视野与舒适性，这样的汽车，当然就有着比较高的避免事故能力，犹其在突发情况的条件下保证汽车安全，被动安全是指汽车在发生事故以后对车内乘员的保护；随着多年的发展和技术积累，电动汽车电池管理系统(BMS)技术整体趋于成熟，但其面向功能安全的设计还相对匮乏，尚处于探索阶段，2011年11月，国际标准化组织颁布了针对乘用车辆的《道路车辆功能安全标准ISO26262:2011》，标准推荐了一整套功能安全开发流程，规定了整个安全生命周期内各个开发阶段为了达到相应的汽车安全完整性等级(ASIL)应进行的工作，旨在尽量减少汽车电子电气系统因功能故障导致危害事件发生的可能。
自2010年被国务院确定为战略性新兴产业以来，中国新能源汽车产业发展迅猛，2018年，中国新能源汽车产销量双双突破125万辆，分别达到127.0万辆和125.6万辆，较2017年分别增长59.9％和61.7％；其中,纯电动产销量分别为98.6万辆和98.4万辆,分别占比77.6％和78.3％，但是，随着保有量的持续增加，近几年电动汽车安全事件频频发生，市场监管总局数据显示，仅2018年前10个月，全国发生新能源汽车起火燃烧事件累计40余起，电动汽车安全事故频发，主要的原因在于电池系统故障，电池过充电、过放电和过温度、过电流等会诱发动力电池热失控，BMS的核心功能是要实时、准确监测电池电压、温度等信息并使电池工作于安全状态，BMS是保障电动汽车电池系统安全乃至整车安全的核心部件，安全可靠的电池管理系统，对于延长车载动力电池使用寿命，提高车辆安全性能，优化驾乘人员使用体验具有重要意义。
所以，需要设计一种智能运载车辆的电池管理系统来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种智能运载车辆的电池管理系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种智能运载车辆的电池管理系统，包括BMU子系统、BCU子系统、通讯子系统、电源子系统与软件控制系统构成；
所述BMU子系统由单体电压检测模块、单体温度检测模块、总电压检测模块、数模转换模块与数据传输模块组成，用于管理系统前端数据采集；
所述BCU子系统由微控制器、外围电路与继电器控制电路组成，用于承担数据分析、电池状态参数估算、继电器控制与VCU控制命令执行等任务；
所述通讯子系统由CAN总线硬件电路与CAN通讯程序组成，用于实现BMS与VCU的信息交互；
所述电源子系统由FS4500自诊断芯片以及外围电路组成，用于实现高质量供电。
作为本发明的一种优选技术方案，所述单体电压检测电路由模拟信号滤波电路、保护电路和电池监测IC构成，模拟信号滤波电路，主要是为了滤除连接管理系统接线端子和电池组的线束上耦合的噪声，以保证测量准确；
所述单体温度检测电路通过温度传感器选用负温度系数热敏电阻，将温度值直接转化为NTC的电阻值，再通过高精度电阻对高精度基准源串联分压，将电阻值转化为易于被电池监测C处理电压信号；
所述总电压检测电路采用电压传感器或分压电路进行电压采样，对采样得到的小电压进行直接测量。
作为本发明的一种优选技术方案，所述CAN通讯程序采用两种不同的位速率:CAN帧的帧头和帧尾用总线速率，以实现总线仲裁和报文收发；CAN帧的中间部分采用高于总线位速率的另一速率，从而实现了传输速率可变，提高了通讯效率，采用CANFD通讯，CAN控制器集成在微控制器S32K144中，CAN收发器集成在电源芯片MC33FS4500中。
作为本发明的一种优选技术方案，所述继电器控制电路主要用于加热控制、风机控制和高压回路控制，采用电磁继电器，通过微控制器S32K144发送继电器动作指令，使开关管导通，从而使继电器输入回路通电，进而动静触点接触，输出回路导通，由于电池管理系统电路板通过电流能力有限，为避免加热器、风机等功率设备的负载电流直接流过，所述继电器控制电路采取加设中间继电器的方法，用电池管理系统的继电器驱动位于电池箱的中间继电器，再由中间继电器驱动加热器和风机，控制高压回路。
作为本发明的一种优选技术方案，所述软件控制系统包括顶层主程序、中间层处理程序与底层硬件驱动程序组成；
主程序的核心功能是使系统在完成初始化后进入主循环，主循环由中间层处理程序组成，中间处理层程序沟通主程序和硬件驱动程序，包括初始化程序、测量程序、状态估计程序、诊断程序、控制程序、通讯程序等等，硬件驱动程序直接面向系统的硬件接口，主要由电源监视程序、电池检测芯片驱动程序、总电压检测程序、总电流检测程序、CAN驱动程序、继电器控制程序等组成。
作为本发明的一种优选技术方案，所述FS4500自诊断芯片FS4500包括自诊断、冗余、故障检测等等，在芯片内部，专门设计了功能安全区块用以探测芯片自身故障和外部故障，如输入电压异常、SPI通讯异常等等，为了保证芯片本身从外部电源可靠获取能量输入，FS4500专门设计了3个供电引脚，以降低电源引脚故障引起的失效发生的概率，输出电压有3.3V和5.0V两档，可根据需要通过偏置电阻进行配置成三种不同的组合。
本发明具有以下有益效果：
(1)明确了电动汽车电池管理系统的功能、接口、运行环境、可能的危害和失效模式，通过FMEA分析和FTA分析对系统进行危害分析和风险评估，制定了系统安全目标,并为之分配了相应的ASIL等级，制定系统的功能安全要求,完成了系统的功能安全概念设计。
(2)在概念设计的基础上，分别在系统层面、硬件层面、软件层面对系统进行设计。根据功能安全需求，制定技术安全需求(TSR)，确定了“主系统+安全系统”的系统架构，并对各子系统进行详细设计，完成了系统设计，根据技术安全要求，导出硬件安全要求(HSR)，确定了硬件总体架构，详细设计了硬件电路的各个模块，对安全相关的硬件电路专门做了故障诊断和冗余设计，完成了硬件设计，根据技术安全要求，导出软件安全要求(SSR)，进行软件件架构设计和软件单元设计，绘制安全相关软件单元的程序流程图，完成软件设计。
(3)在完成系统架构设计的基础上，对所设计系统的安全完整性等级进行评估。重点通过计算单点故障度量和潜伏故障度量两个指标，定量评估了系统硬件的ASIL等级，计算表明，所设计系统的硬件，其安全完整性等级达到了ASILC，达到了设计目标。
(4)对所作设计进行系统实现和测试验证。制作了BMS样机，借助计算机，对系统进行了基本功能测试和基于功能安全的故障注入测试。基本功能测试主要包括测量精度测试和CAN通讯测试，基于功能安全的测试包括高压继电器测试、过温测试、单体过压测试、电池组过压测试、电源故障测试。测试结果表明，系统的测量精度良好，CAN通讯正常，对高压继电器粘连、过温、过压等可能导致危害发生的故障具有较好的诊断和识别能力，能够有效避免违背安全目标的事件发生。
附图说明
图1为本发明提出的一种智能运载车辆的电池管理系统的结构示意图。
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。
参照图1，一种智能运载车辆的电池管理系统，包括BMU子系统、BCU子系统、通讯子系统、电源子系统与软件控制系统构成；
BMU子系统由单体电压检测模块、单体温度检测模块、总电压检测模块、数模转换模块与数据传输模块组成，用于管理系统前端数据采集；
BCU子系统由微控制器、外围电路与继电器控制电路组成，用于承担数据分析、电池状态参数估算、继电器控制与VCU控制命令执行等任务；
通讯子系统由CAN总线硬件电路与CAN通讯程序组成，用于实现BMS与VCU的信息交互；
电源子系统由FS4500自诊断芯片以及外围电路组成，用于实现高质量供电。
参照图1，单体电压检测电路由模拟信号滤波电路、保护电路和电池监测IC构成，模拟信号滤波电路，主要是为了滤除连接管理系统接线端子和电池组的线束上耦合的噪声，以保证测量准确；
单体温度检测电路通过温度传感器选用负温度系数热敏电阻，将温度值直接转化为NTC的电阻值，再通过高精度电阻对高精度基准源串联分压，将电阻值转化为易于被电池监测C处理电压信号；考虑到噪声对检测准确度的影响，以及脉冲功率对电路可能造成的损害，与单体电压检测电路相似,单体温度检测电路也做了电容滤波和TVS防瞬态电压冲击设计。
总电压检测电路采用电压传感器或分压电路进行电压采样，对采样得到的小电压进行直接测量。为简化设计，同时提高系统集成度，本设计采用分压电路采样的方案，首先通过高精度分压电阻对总电压采样得到总电压信号，然后将总电压信号经电压跟随器接入S32K144。设计中还将总电压信号接入迟滞比较器，目的是在总电压过压时使比较器的输出电平翻转，控制继电器动作，从而形成过电压的硬件保护，以确保主控制器S32K144无法正常工作时系统仍能可靠地响应电池组过电压故障。
参照图1，CAN通讯程序采用两种不同的位速率:CAN帧的帧头和帧尾用总线速率，以实现总线仲裁和报文收发；CAN帧的中间部分采用高于总线位速率的另一速率，从而实现了传输速率可变，提高了通讯效率，采用CANFD通讯，CAN控制器集成在微控制器S32K144中，CAN收发器集成在电源芯片MC33FS4500中。
参照图1，继电器控制电路主要用于加热控制、风机控制和高压回路控制，采用电磁继电器，通过微控制器S32K144发送继电器动作指令，使开关管导通，从而使继电器输入回路通电，进而动静触点接触，输出回路导通，由于电池管理系统电路板通过电流能力有限，为避免加热器、风机等功率设备的负载电流直接流过，继电器控制电路采取加设中间继电器的方法，用电池管理系统的继电器驱动位于电池箱的中间继电器，再由中间继电器驱动加热器和风机，控制高压回路。此外，通过TstateSignal将开关管状态以模拟信号返回MCU，实现对继电器控制电路的状态诊断。
参照图1，软件控制系统包括顶层主程序、中间层处理程序与底层硬件驱动程序组成；
主程序的核心功能是使系统在完成初始化后进入主循环，主循环由中间层处理程序组成，中间处理层程序沟通主程序和硬件驱动程序，包括初始化程序、测量程序、状态估计程序、诊断程序、控制程序、通讯程序等等，硬件驱动程序直接面向系统的硬件接口，主要由电源监视程序、电池检测芯片驱动程序、总电压检测程序、总电流检测程序、CAN驱动程序、继电器控制程序等组成。
参照图1，FS4500自诊断芯片FS4500包括自诊断、冗余、故障检测等等，在芯片内部，专门设计了功能安全区块用以探测芯片自身故障和外部故障，如输入电压异常、SPI通讯异常等等，为了保证芯片本身从外部电源可靠获取能量输入，FS4500专门设计了3个供电引脚，以降低电源引脚故障引起的失效发生的概率，输出电压有3.3V和5.0V两档，可根据需要通过偏置电阻进行配置成三种不同的组合。
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 (6)
1.一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，包括BMU子系统、BCU子系统、通讯子系统、电源子系统与软件控制系统构成；
所述BMU子系统由单体电压检测模块、单体温度检测模块、总电压检测模块、数模转换模块与数据传输模块组成，用于管理系统前端数据采集；
所述BCU子系统由微控制器、外围电路与继电器控制电路组成，用于承担数据分析、电池状态参数估算、继电器控制与VCU控制命令执行等任务；
所述通讯子系统由CAN总线硬件电路与CAN通讯程序组成，用于实现BMS与VCU的信息交互；
所述电源子系统由FS4500自诊断芯片以及外围电路组成，用于实现高质量供电。
2.根据权利要求1所述的一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，所述单体电压检测电路由模拟信号滤波电路、保护电路和电池监测IC构成，模拟信号滤波电路，主要是为了滤除连接管理系统接线端子和电池组的线束上耦合的噪声，以保证测量准确；
所述单体温度检测电路通过温度传感器选用负温度系数热敏电阻，将温度值直接转化为NTC的电阻值，再通过高精度电阻对高精度基准源串联分压，将电阻值转化为易于被电池监测C处理电压信号；
所述总电压检测电路采用电压传感器或分压电路进行电压采样，对采样得到的小电压进行直接测量。
3.根据权利要求1所述的一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，所述CAN通讯程序采用两种不同的位速率:CAN帧的帧头和帧尾用总线速率，以实现总线仲裁和报文收发；CAN帧的中间部分采用高于总线位速率的另一速率，从而实现了传输速率可变，提高了通讯效率，采用CANFD通讯，CAN控制器集成在微控制器S32K144中，CAN收发器集成在电源芯片MC33FS4500中。
4.根据权利要求1所述的一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，所述继电器控制电路主要用于加热控制、风机控制和高压回路控制，采用电磁继电器，通过微控制器S32K144发送继电器动作指令，使开关管导通，从而使继电器输入回路通电，进而动静触点接触，输出回路导通，由于电池管理系统电路板通过电流能力有限，为避免加热器、风机等功率设备的负载电流直接流过，所述继电器控制电路采取加设中间继电器的方法，用电池管理系统的继电器驱动位于电池箱的中间继电器，再由中间继电器驱动加热器和风机，控制高压回路。
5.根据权利要求1所述的一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，所述软件控制系统包括顶层主程序、中间层处理程序与底层硬件驱动程序组成；
主程序的核心功能是使系统在完成初始化后进入主循环，主循环由中间层处理程序组成，中间处理层程序沟通主程序和硬件驱动程序，包括初始化程序、测量程序、状态估计程序、诊断程序、控制程序、通讯程序等等，硬件驱动程序直接面向系统的硬件接口，主要由电源监视程序、电池检测芯片驱动程序、总电压检测程序、总电流检测程序、CAN驱动程序、继电器控制程序等组成。
6.根据权利要求1所述的一种智能运载车辆的电池管理系统，其特征在于，所述FS4500自诊断芯片FS4500包括自诊断、冗余、故障检测等等，在芯片内部，专门设计了功能安全区块用以探测芯片自身故障和外部故障，如输入电压异常、SPI通讯异常等等，为了保证芯片本身从外部电源可靠获取能量输入，FS4500专门设计了3个供电引脚，以降低电源引脚故障引起的失效发生的概率，输出电压有3.3V和5.0V两档，可根据需要通过偏置电阻进行配置成三种不同的组合。
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| CN117040146A (zh) * | 2023-10-10 | 2023-11-10 | 深圳市索菱通信技术有限公司 | 基于无线充电的agv智能充电系统 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20220909 |