CN1193382A - 射频能量管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的射频能量管理系统包括若干个电池控制模块(18)和一个控制单元(22),分别配置成发送和接收包含有关一个电池箱内各电池(10)的工作参量的信息的射频信号和调整这些电池(10)的工作参量的控制命令。每个电池控制模块(18)配置成可监视各自电池(10)的一个或多个工作参量和按照控制单元(22)内的控制系统程序调整一个或多个工作参量。每个电池控制模块(18)都包括一个或多个测量一个相应电池(10)的一个或多个工作参量的传感器、一个射频接收器和一个射频发送器。

Description

射频能量管理系统
本发明涉及监控各电源的能量管理系统。具体地说，本发明涉及一种利用传输射频数据和控制信号对为电动运载工具提供能量的电池组中的各电池或电池元进行监控的能量管理系统。
在传统的以碳氢化合物为能源的运载工具中，有一些对电气装置进行监控的能量管理系统。这种系统可以包括一个或多个配置在需监控的具体电气装置附近的装置。这些装置根据中央控制单元或“中枢”提供的控制信号进行监控。中央控制单元通常安装在运载工具内的远离这些装置的地方，通过导线与这些装置电连接。控制单元可以包括一个处理从各装置接收到的任何输入信号和向各装置发送输出信号以执行特定控制功能的处理系统。这个处理系统可以按照具体控制系统程度得出。
在传统的以碳氢化合物为能源的运载工具中，能量管理起着使诸如加热和冷却旅客舱室之类的运载工具的电气功能可以执行得更为有效或更为舒适的辅助性作用，这种能量管理系统也可以使动力装置在特定条件下运行状态最佳化，改善动力装置的效率或性能。
然而，在以电为能源的运载工具中，能量管理就不是起辅助性作用了，而是起着监控电源本身性能的主要作用。为了使以电为能源的运载工具运行效率最大，要求对特定电源进行控制，使它在各种不同的运行条件下提供最大的输出容量。因此，希望在以电为能源的运载工具中所使用的能量管理系统不是起着对像加热和冷却客舱那样的辅助性电气功能进行监控的作用，而是主要用来监控电源本身的工作参量，如电池或电池元的电压等。
在本技术领域中已经知道的一些与电动运载工具配合使用对用来为电动运载工具提供电能的电池或电池中各个电池元进行监控的能量管理系统与上面所述的用于以碳氢化合物为能源的运载工具的那些类似，通常包括一个或多个监测装置和一个中央控制单元。这些监测装置配置在具体的电池或电池元附近，而中央控制单元配置在运载工具内较远处。每个监测装置都通过导线接至中央控制单元，以使在监测模块和中央控制单元之间传输信息。中央控制单元设计成可以接收来自监测装置的数据，对所接收的数据进行处理，产生控制信号发送给监测装置，以使电池或电池元的工作发生改变，满足要求。在这种系统中，通过配置在运载工具内的将各监测装置与中央控制单元相连的这些导线，控制信号从中央控制单元送至监测装置；而信息从监测装置送至中央控制单元。这些导线可以捆扎在一起，顺着运载工具电气系统主配电线束布置，也可以与主配电线束分开布置。
这种有线型监控电动运载工具能源工作参量的能量管理系统在一些方面并不理想。由于用的是导线，因此除了运载工具电气系统中的原有布线外，还要使运载工具的重量增大50磅之多。这个附加的重量会降低运载工具的加速度和增大电池的充电频率。采用有线型能量管理系统由于需要铺设附加的线路，除了线路本身的成本外，还要花费时间，因此增大了运载工具的生产成本。采用有线型能量管理系统还增大了系统的维护费用，因为连接监测装置的导线靠近电池，往往会造成受到腐蚀而损坏。这种腐蚀损坏对有线型能量管理系统的可靠性和寿命都有不良影响。
此外，采用有线型能量管理系统需要使用高压隔离部件，以降低由于运载工具电气系统中通常所具有的电动运载工具电池箱的高电压引线而可能在信号导线中引起的系统干扰或噪声。使用高压隔离部件既增大了电动运载工具的生产成本，也增大了运载工具的重量。有线型能量管理系统在将来的部件升级上也受到限制，因为对于每个新的升级部件而言，都需要铺设附加的线路。
因此，所希望的是，与电动运载工具配合使用的能量管理系统结构成具有多个能以无线方式与一个中央控制单元通信的系统装置，这样既不增大运载工具的重量，又不易受电池腐蚀，安装方便、迅速，不需要使用高压隔离件，而且不需要加以修改就能进行升级或增添新的装置。希望这种能量管理系统配置成具有多个能用来对一个或多个电池或每个这种电池的各电池元进行监控的装置，提供电池均衡，从而使由这些电池构成的电池箱的性能达到最佳。具体地说，希望这种能量管理系统配置成可以检测电池或电池元的变化和可以跟踪各个电池的特性。
因此，本发明提供了一种用于具有一个电池动力源的诸如电动运载工具之类的电动设备的无线射频能量管理系统。这种能量管理系统包括若干个电池控制模块和一个控制单元。每个电池控制模块配置成可发送载有有关一个电源(例如一个电池箱、一个电池箱中的各个电池或构成一个电池箱的各电池中的各电池元)的工作参量的信息的射频信号。控制单元配置成可接收这种信号和向电池控制模块发送调整这样的电源的工作参量的控制信号。
每个电池控制模块配置成可监视电源的一个或多个指定的工作参量和按照从控制单元接收到的一个指定的控制信号控制或调整一个或多个工作参量。每个电池控制模块包括一个或多个监视器或传感器，每个配置成可测量电源的一个指定的工作参量。每个电池控制模块也包括一个射频接收器和一个射频发送器。每个电池控制模块配置成可响应一个控制信号向控制单元发送电池工作参量信息。
控制单元配置成可监视每个电池控制模块中的传感器测得的电源工作能量，控制电池控制模块对这种工作参量进行调整。控制单元包括一个配置成接收每个电池控制模块中的射频发送器发送的射频信号的射频接收器。控制单元还包括一个配置成发送能被每个电池控制模块中的射频接收器接收的射频控制信号的射频发送器。
控制单元对每个电池控制模块发送的有关电源工作参量的数据进行鉴定，按照一个预定的控制系统程序对数据进行鉴定后，产生一个预定的控制命令，作为一个控制信号发送给相应的电池控制模块。控制单元对需由一个或多个指定的电池控制模块识别的控制信号进行编址。在所监视的电源包括一个电池箱内的各个电池的情况下，控制单元编程成对各个电池的工作参量进行估计，产生一个或多个控制信号以实现电池充电均衡，从而延长了电池箱的使用寿命。
通过利用现有电气系统的铺设在一个电池箱内各电池之间，经电池箱接至功率调整装置的一个主导电通路，射频信号可在控制单元和每个电池控制模块之间传输，而不需要使用附加的线路。主导电通路起着射频信号的传输媒体的作用。由于不需要使用附加的线路、线束之类实现信号传输和将能量管理系统设计成模块化结构，因此与现有的有线型系统相比所得到的系统重量轻、不易受到电池腐蚀、安装简单迅速、便于升级或附加新模块而不需要多大的改动、有利于方便地掉换或代替电池或整个电池箱，并且不需要使用高压隔离件。
本发明的这些和其他一些的特点和优点通过参照以下说明、权利要求和附图就可以清楚看出，得到更深的理解。在附图中：
图1为按照本发明的原理可构成的、包括一个控制单元和若干个电池控制模块的能量管理系统的原理图；
图2为图1中所示的电池控制模块的原理图；以及
图3为图1中所示的控制单元的原理图。
按照本发明所构成的能量管理系统(EMS)包括一个控制单元和若干个电池控制模块。这个系统可以用来对电池箱内的电池、电池元或电池组的性能进行监视，对它们的工作参量进行测量和控制。本发明的这个系统可以与诸如电气运载工具和混合电气运载工具之类具有电池动力源的电动设备(如军用运载工具、列车、轮椅、高尔夫车和其他游乐车、载料车、铲车、工业用车、大轿车、小轿车、三轮驱动车等)的电池箱配合作用，也可以用于各种蓄电应用(如家庭应急、商务、船舶、飞机或卫星等的供电)和各种耗电电器。
图1示出了按本发明所提出的EMS安装在电动设备的电气系统中的情况。这个电气系统包括若干个串联连接成一个电池箱的电池10。在所示出的这个实施例中，各电池控制模块示为分别与五个电池10相配合。对于电动运载工具电气系统来说，每个电池10都是电压在10至15伏左右的直流铅酸性电池。应当指出的是，本发明的EMS可与许多不同类型的电池配合使用，也就是说，也可以与非铅酸结构型电池，如镍镉，银锌，锂聚合物，锌-空气，钠硫之类电池，配合使用。可以理解，本发明的EMS也能与在电池箱内除图1所示这些具体配置以外其他不同的(如串联连接、串并联连接或并联连接的)电池配置配合使用。此外，本发明的EMS能配合由同一种类电池构成的电池箱使用，也能配合由不同种类电池(如铅酸性电池和镍镉电池，铅酸性电池和锌-空气电池，锂聚合物电池和铅酸性电池，锌-空气电池和镍隔电池)混合构成的电池箱使用。
这种设备的电气系统还包括一个功率调整装置12。在电动运载工具中，功率调整装置是一个马达控制器12，它可以是一个用来控制加到一个或几个使运载工具的相应轴或车轮旋转驱动马达14上的电压的大小和极性的常用马达控制器。
这种设备的电气系统包括由一根或多根导线形成的主导电通路或主导体16，用来将各电池10连接在一起，形成电池箱，和将电池箱与设备中的其他主要电器相连。在电动运载工具中，主导体16用来将各电池串联成电池箱，和使电池箱与马达控制器12电连接。因此，在电动运载工具中，功率从电池箱通过主导体16送至马达控制器12，再加到一个或几个驱动马达14上，
按本发明原理构成的AES包括若干个分别用来测量一个或几个电源工作参量的电池控制模块(BCM)18。在用于电动运载工具的主电气系统的情况下，每个BCM可以用来对电池箱、电池箱中的电池或构成电池箱的电池中的电池元的一个或多个工作参量进行监视。在安装在电动运载工具中的情况下，每个BCM通过分别与各自的电池10的正、负端连接的电源引线20得到直流12伏的供电。或者，不用各自电池供电，每个BCM由内部电源、运载工具上不是各自电池的电源、用交流电产生的电源、太阳能等供电。
图1这个实施例中的每个BCM 18用来监视电池箱中各自的电池10的一个或多个工作参数。因此，在图1所示的EMS中所用的BCM的数量与用来构成电池箱的电池10的数量相同，也就是说有五个BCM。或者，BCM可以用来监视构成电池箱的这些电池中的每个电池元的一个或多个工作参量。在这种情况下，BCM的数量可能大于电池的数量。因此，可以理解，这些BCM能以与图1所示和上面具体说明不同的方式加以使用。
此外，虽然每个BCM18都示为与各自的电池分开的，但可以理解，每个BCM也可以结构成电池本身的一个部件或者作为电池的一个集成件。例如，BCM可以做在电池机壳内与电解质舱隔离的隔舱中。在这种实施例中。BCM的所有输出端和输入端可以接到各自电池的接线端上，或者接到这个电池机壳内的其他电池的输入端或输出端上。或者，将BCM做成与电池箱中各自电池可拆接的形式，以便在将电池从电池箱中卸下时拆下，而在装上代替卸下的电池的新电池时再接上。此外，如果每个BCM是用来监视各个电池元的工作参量的话，那径BCM可以做成与各自电池元可拆接的形式。
每个BCM18设计成用来监测各自电池10的一个或多个指定的工作参量。每个BCM所监测的具体工作参量视具体应用而定，可以包括电池电压、电池电流、电池元电解质浓度或比重、比重梯度、电解质液面、电池温度、电池压强以及这些参量的组合。在一个实施例中，每个BCM18用监视各自电池的电压输出和温度。每个BCM对控制信号进行响应，向控制单元发送工作参量信息。每个BCM18还用来根据控制信号控制各自电池的一些指定的工作参量，如电池电压、电阻、温度、电流之类。在一个实施例中，每个BCM用来控制在电池箱内各自电池的电压、电流或有效电阻。
每个BCM的关键特点是它不是用传统的传输装置(如用导线)而是用射频信号发送有关一个或多个受监测的电池工作参量的信息。每个BCM用来接收来自各自电池的一个或多个监测器件或传感器的模拟输入信号，将模拟信号变换成数字信号，以及用指定的射频将信号发送给EMS控制单元22，情况将在下面作详细说明。为了便于在运载工具内传输射频信号，主导体16用作传输媒体，每个BCM18和控制单元22的射频输入端和输出端都接在这上面，主导体16起着传输媒体的作用，将射频信号从每个BCM发送给EMS控制单元，而不需要再铺设额外的线路。
按本发明原理所构成的EMS包括一个EMS控制单元22，它有一个接至主导体16的信号导体，用来接收来自每个BCM18的射频信号和将射频信号发送给每个BCM18。控制单元22位于设备或运载工具上。控制单元的位置可能取决于若干不同的因素，如可用空间、电池箱类型等。在有些实施例中，控制单元22可以做成功率调整装置或马达控制器12有一部分，控制单元22用来接收来自一个或多个指定的BCM的电池工作参量信息，按预定的控制系统程序对这信息进行处理，以及将监视、测量和/或控制指令发送给一个或多个指定的BCM18。
控制单元22的关键特点是像BCM 18那样结构成通过主导体16接收各BCM18发送的射频信号。控制单元22用来接收来自每个BCM的输入射频信号，将它变换成数字信号，送至处理器。处理器按控制系统程序对数字信号进行鉴定，产生一个数字输出控制信号。控制单元22得到这数字输出信号后，将它变换成射频信号，发送给一个或多个指定的BCM 18。
为了在控制单元22与一个或多个指定的BCM 18之间可以进行通信，控制模块包括对每个需由一个或多个指定的BCM 18识别的输出控制信号进行编码或编址的装置，而每个BCM包括读出控制信号以确定是否这个控制信号是发送给本BCM的互补装置。这样，控制单元22就能根据从BCM接收到的信息将控制信号发送给特定的BCM。此外，在另一些实施例中，每个BCM配置成可以识别几个编址的控制信号，而这些控制信号也可以被多个BCM识别，从而使控制单元可以同时控制多个BCM。这在一定的工作情况下是所希望的，例如在能源或电池箱温度不够高时，希望对一些BCM进行控制，以加热电池箱中的相应一些电池，提供增强的性能。
如图1所示，按本发明的原理构成的EMS包括保证控制单元与每个BCM之间的射频信号即使在电池开路的情况下也不至中断或断开的装置。在一个实施例中，这种装置就是横跨在每个电池10的正、负端之间与相应BCM并联的电容器24。
这个电容器在开路情况下提供了一条横跨电池的射频信号通路。如果不用这种电容器24，那么在电池箱中有一个电池开路时将会切断控制单元与处在开路下游处的那些BCM之间的射频传输。需要提出的是，各电容器24配置在各自的BCM内，而图1示为配置在各BCM外只是为了说明和标示方便。
按本发明的原理构成的EMS还包括保护控制单元22适应主导体16与控制单元之间的高电压差和滤除BCM发送的射频信号以外的信号的装置。在一个实施例中，这种装置是一个串接在控制单元22与主导体16之间的线路中的电容器26。这个电容器主要用来使控制单元22与可能发生的任何高电压差隔离。电容器26也具有高通滤波特性，可以提供控制单元收发的射频信号通路。这个高通滤波器的低频截止频率由射频通信所用的频率值确定，在这个实施例中设置为30KHz左右。
按本发明的原理构成的EMS还包括防止来自其他由主导体16接至电气系统的电器的高频信号通过和防止射频信号从EMS泄漏到功率调整装置或马达控制器的装置。这种装置用来保证使每个BCM产生的射频信号都发送给控制单元，保证使控制单元产生的每个射频控制信号发送给相应的BCM，而没有高频干扰或信号泄漏。在一个实施例中，这种装置用来阻止马达控制器12产生的高频信号进入主导体16和防止射频信号从主导体进入马达控制器。在一个优选实施例中，这种防止来自马达控制器的高频信号通过和消除马达控制器受到的射频泄漏影响的装置包括一些用滤波材料制成的隔离带28。这些隔离带28分别包在主导体16上邻近与马达控制器12的各连接处。
在一个优选实施例中，隔离带28是用铁氧体磁珠制成的，设计成滤除或阻止马达控制器12产生的高于100KHz的高频信号，使这些信号不能进入主导体16。铁氧体磁珠还防止EMS的射频信号进入马达控制器，从而消除了信号的泄漏。
再参见图1，电动设备或运载工具的电气系统包括一个电池充电器29。图中示出的是EMS适合与电池充电器29连接的情况。在一个实施例中，电池充电器29可以配置在电动运载工具上，包括直流输电线30，经主导体16接至电池箱。与上面所述的完全相同的隔离带28包在输电线30上邻近与充电器29的连接处，用途与上面所讨论的相同。充电器29还包括适合与外部交流电源连接的供电线31。在一些实施例中，控制单元22做成电池充电器29的一部分。
在另一个实施例中，电池充电器29配置在电动运载工具外，包括直流输电线30，在对电池箱充电时可方便地与主导体16暂时连接。这种暂时性的电连接可采用传统的连接技术(如可拆接的硬线型连接、电感耦合之类)实现。像充电器安装在运载工具上的实施例那样，隔离带28包在输电线30上邻近与运载工具外充电器的连接处。运载工具外充电器可以是保存在运载工具维修7、公共或专用停车场等地的电池箱充电系统的一部分。
EMS包括一个不是安装在运载工具上的第二控制单元33。第二控制单元或运载工具外控制单元接在运载工具上或运载工具外充电器29的供电线30上。运载工具外控制单元33以与上面和下面说明的控制单元22相同的方式配置，可以通过有线。无线或电感信号耦合方式的射频传输与运载工具上控制单元22和/或BCM通信。具体地说，运载工具外控制单元33用来在电池箱充电时监测电池工作参量和控制一个或多个BCM，调整一个或多个电池或电池元的工作。此外，如下面将要详细说明的那样，运载工具外控制单元在电池箱充电或其他类型的维修期间可以检索出存储在运载工具上控制单元22内的电池工作性能信息。在从运载工具外控制单元引出的射频传输线和供电线30之间的线路中串有一个与前面所述的电容器26完全相同的电容器35。
运载工具外控制单元33可以与一个用户接口37连接，以便对运载工具上控制单元编程和接入存储在运载工具上控制单元内的信息。在一些实施例中，运载工具外控制单元做成运载工具外充电器的一部分，设计成在电池箱充电期间可以接收从BCM或控制单元下装的电池性能信息和调整电池2作参量。
下面参见图2，每个BCM 18包括用来测量或监视一个指定的电源或电池的工作参量的监测器或传感器。在一个实施例中，每个BCM 18包括两个分别测量一个相应电池的电压和温度的监测器34和36。每个监测器32配置成可在直流12伏的电压下工作，产生在直流0伏至5伏左右范围内的模拟信号输出。在一个BCM包括多个监测器32的实施例中，配有一个多路复用器38，以满足从各监测器(如电压监测器34和温度监测器36)输出相应模拟信号的需要。一种优选模拟多路复用器38是一个单刀双掷型开关。多路复用器38的工作由BCM中的控制器控制这将在下面详细说明。
每个BCM 18包括一个电压频率变换器40，用来接收来自模拟多路复用器38的输入模拟信号和将模拟信号变换成表现为一个特定的电压脉冲序列之类的数字信号。在一个实施例中，变换器40配置成接收直流。至5伏的输入模拟信号和将输入信号变换成或者无输出(也称为逻辑。)或者是一个5伏左右的输出(也称为逻辑1)构成的脉冲信号，从而将电压信息编码成一个脉冲串的频率。
每个BCM 18包括一个射频(RF)发送器42，用来对从变换器40输出的脉冲信号进行调制。射频发送器42可以是一个宽带发送器，如频移键控(FSK)发送器。RF发送器42的输出接至主导体16。这样，射频信号就通过主导体16发送给控制单元22。在一个实施例中，RF发送器配置成用来发送5.5MHz左右的宽带射频信号。每个RF发送器的工作由相应BCM的控制器中的定时电路控制。
每个BCM 18包括阻止在EMS发送的射频信号范围以外的高频信号通过的装置。在一个实施例中，这种装置表现为一个串接在主导体16与BCM中的RF解调器之间的线路中的输入滤波器44。在一个实施例中，输入滤波器44配置成一个4.5MHz的带通滤波器，禁止高于或低于4.5MHz的射频信号通过，从而成为一个共模抑制滤波器，减小或消除了可能再现的信号干扰。
控制单元22根据具体数字控制信号输出的射频信号以近似为45.MHz的宽带无线电频率经主导体16发送给每个BCM。控制单元发送的每个射频控制信号由一个标识一个或多个BCM的地址串和一个具体的命令串组成。每个BCM 18包括一个RF解调器46之类，用来接收从控制单元22发来的射频控制信号和将它解调为一个数字信号。在一个实施例中，RF解调器46能接收4.5MHz的宽带射频控制信号，并将它变换成一个0或5伏的数字信号。
每个BCM 18包括一个对从RF解调器46接收到的数字控制信号进行解码的装置。在一个实施例中，这个解码装置是一个邮政编码标准化咨询组(POCSAG)解码器，也称为国际无线电咨询委员会(CCIR)寻呼No.1。POCSAG解码器48能识别所接收到的数字控制信号(即编址的命令串)是否针对一个或多个具体的BCM 18。如果识别出的是一个正确编址的代码，POCSAG解码器就将信号的其余部分(即命令串)传送给控制器50。如果POCSAG解码器接收到的是一个不正确编址的代码，就不将剩余的命令串送给控制器50。如前面所述，每个BCM18都能配置成可以识别一个或多个编址的代码，因此如果需要的话可以同时控制一些由多于一个BCM所组成的组。
在一个实施例中，控制器50配置成可以接收输入的数字控制信号(即命令串)，并鉴定它是否与一个预定的命令匹配。在一个优选实施例中，控制器50执行简单的模式匹配，确定所接收的命令串是否与下列6个预定命令之一相应：(1)分流并发送电压值；(2)分流并发送温度值；(3)分流而不发送；(4)发送温度值；(5)发送电压值；(6)不分流也不发送。一旦控制器50识别出一个具体的命令串，它就输出一个控制信号，去激活相应的装置。在一个实施例中，可以输出控制信号像下面将要说明的那样激活一个或多个包括RF发送器42、模拟多路复用器38和一个或多个控制装置在内的装置。控制器50也能设计成可使电池控制模块根据内部准则而不是根据来自控制单元22的控制信号执行电池监控功能。
如图2所示，控制器50的一个输出接至RF发送器42，以根据控制单元22发来的相应命令串(如上面所列的命令1-2和4-5)控制发送器。控制器50的输出也接至模拟多路复用器38，以根据控制单元22发来的相应命令串(如上列命令1-2和4-5)接通电压或温度监测器34或36。
控制器50的输出还可以接至一个或多个控制器件或装置，以对BCM 18所监测的相应电池或电池元的一个或多个工作参量作某些改变。在一个实施例中，控制装置是一个旁路分流开关(BSS)52。BSS52跨接在相应电池的接线端上，可以使电池箱内的这个电池通过一个分流电阻放电。在一个优选实施例中，BSS 52配置成可由控制器根据控制单元发来的命令(如命令1-3)激活，使一个相应电池放电。BSS通过利用一个或多个电阻之类从电池中分流电流来达到这一目的。例如，为了控制电池箱中各个电池的电压输出以获得电池均衡，或者为了防止一个电池受到过充电的不良影响，可以激活一个或多个BCM中的BSS，使电池箱中的一个或多个电池放电。
下面参见图3，EMS控制单元22包括一个RF接收器56，它的输入端如图1所示通过一个串接在线内的电容器26接至主导体16。RF接收器56是一个宽带接收器，用来接收各BCM的RF发送器发送的宽带射频信号。在一个实施例中，RF接收器56配置成接收近似5.5MHz的宽带射频信号。RF接收器56还将所接收的射频信号解调成一个数字电压信号，例如在一个实施例中为直流0至5伏。
RF接收器56的输出可以直接接至微控制器单元58，也可以通过一个数字多路复用器60或其他数字开关接至微控制器单元58。多路复用器60受微控制器单元58的控制，从多个不同的输入信号中选择一个需由微控制器单元处理的信号。在一个实施例中，多路复用器60用来在RF接收器56的输出信号和来自运载工具其他电器的各个输入信号(例如来自马达控制器的提供电压、电流、温度和充电状态的信息的各输入信号)之间进行选择。
微控制器单元58配置成可脱离可用电源(例如在用于电动运载工具时为12伏直流电源)进行工作的，其中包括一个微处理器板(未示出)。或者，微控制器单元可以利用内部电池、电池箱以外的运载工具电源、太阳电源等进行工作。微处理器板配置成可适合多个不同的输入信号，包括从RF接收器56输出的数字电压信号。微处理器板编程成可接收从RF接收器输出的信号，并将所接收的信息存储在SRAM或EEPROM内，控制单元22可与一个用户接口相连，以便对微处理器板进行编程和获得存储在微处理器的SRAM内的信息。存储在微控制单元58内的信息以后可以检索出来作诊断鉴定用。这种所存储的信息包括在电池或电池箱的整个使用寿命内或在其保养间隔内电池箱中的每个电池或电池箱中各电池的每个电池元的性能历史。在本发明的一些实施例中，这种电池性能历史在运载工具维护或电池箱保养期间由运载工具外控制单元33检索出来，以提供可以指示具体与电池有关的故障的重要信息。
RF接收器56输出的信号，即各BCM发送的电池工作参量信息由微处理器按照一个或多个控制系统程序加以鉴定。在各种实施例中，微处理器利用控制、模式识别、人工智能、模糊逻辑、神经网络或其他分析和控制技术来判读从每个BCM接收到的信息和/或产生相应控制响应。鉴定了所接收的信息后，微处理器执行一个或多个处理步骤，包括产生一个或多个相应地命令。
在一个优选实施例中，微处理器单元58产生前面所列的六个命令中的一个或多个命令。每个命令配置成一个包括一系列0或5伏的比特的串行数字控制信号。每个命令串附有一个或多个配置成与一个或多个相应BCM的地址相应的附加串行数字信号的地址，这样，控制单元22就能将控制信号发送给一个或多个相应BCM。虽然已经特意揭示了为一个或多个指定的BCM对命令串加标或编址的具体方法，但需要指出的是也可以采用其他对命令串加标或编址的技术，诸如采用模拟加标技术、其他数字加标技术，或者使用多个射频信号信道。
微控制器单元22的输出信号，即编址的命令脉冲信号，送至RF发送器62。RF发送器62最好是一个与每个BCM中的RF发送器类似的宽带发送器。RF发送器62接收串行数字信号，根据接收到的是一个1或0的信号分别发送一个近似为4.5MHz的宽带射频信号。RF发送器62的输出通过一个串接在线路内的电容器26接至主导体16。
除了为各BCM提供控制信号外，微处理器单元22还执行其他一些功能，诸如：(1)监测电池箱的当前充电状态，并将这状态发送给一个燃料表指示器；(2)控制运载工具电池舱内的通风机的工作；(3)控制辅助电器的工作，例如控制客舱的加热或冷却，在要求节约电池的情况下减小送至这类电器的功率或断开负载；(4)激励维护警示灯，指示什么时候电池箱内的一个或多个电池或电池元需要更换或保养。
在一个优选实施例中，按本发明原理构成的EMS用来监视电池箱内各个电池的性能或组成电池箱的那些电池内各个电池元的性能，以均衔电池充电。电池充电均衡是指控制电池箱内每个电池的充电情况，使得电池箱内的各个电池都充到相同的程度。例如，如果电池箱内有一个电池比其他电池更弱一些，就有选择地对这个弱电池比其他电池充电充得更长一些或更经常一些，使得它不会减弱电池箱的总体性能。作为另一个例子，如果电池箱内有一个电池比其他电池更强一些，就有选择地使这个强电池放电，使得它不会减少对其他电池的充电时间或频率。因此，电池充电均衡增大了电池箱的使用奉命，因为电池箱内的每个电池分别都受到监视和控制，起着同样的作用。
按本发明构成的EMS与现有的有线型系统相比具有几个优点。一个优点是由于取消了额外的导线、线束和对这些导线布线安装，因此降低了EMS系统的材料成本。另一个优点是使用这种EMS不需要高压隔离器件来满足基本电压相当不同的监视和控制信号的要求。再一个优点是由于这种EMS取消了额外的导线、线束和高压隔离器件，因此节约了重量。又一个优点是由于它不包括任何接至直流12伏以上电压的器件或模块，因此安装非常安全。又一个优点是由于这种EMS没有很易损的器件(即暴露在电池附近的导线)，因此与有线型相比，它更为可靠，可能具有更长的使用寿命。
本发明的EMS的另一个优点是器件具有模块化结构，这使系统工作更为灵活和可靠。例如，一个电池中只是一个BCM发生故障或开路并不会使整个系统不能工作，因为其他BCM仍然能通过射频传输将信息发送给控制单元和从控制单元接收控制信号。模块化结构还便于从系统中拆下工作不正常的BCM而用一个修复的、新的或性能更好的BCM来代替。此外，模块化结构有利于通过简单地对控制单元重新编程或加以控制在系统中引入更多的BCM或其他系统模块。
EMS的模块化结构可以使系统器件安装在现有的系统器件内，例如将一个BCM安装在电池机壳内，从而可使这些器件在制造这类电气系统器件的过程中制造。例如，控制单元可以做在马达控制器内或运载工具上的电池充电器内。将EMS器件加入现有的电气系统器件内是很有利的，因为这样便能进一步降低EMS的成本、提高EMS的可靠性、降低EMS的空间要求、增大EMS的灵活性和使EMS直接与马达控制器或电池充电器配合工作。
虽然以上对这种EMS的具体实施例作了说明，但熟悉本技术领域的人员显然可以据此而看到有许多修改和变动的类型。例如，本发明范围内的EMS可以包括便于通过诸如非传导型方法而不是经主导电通路(如主导体)的传导型射频传输在控制单元和各BCM之间进行射频传输的装置，例如离开主导体的天线系统。作为另一个例子，这种EMS可以使用与以上具体标明的不同的射频发送BCM的信息和控制单元的控制信号。此外，也可以不用数字而用模拟传输方法来发送EMS所产生的信息和控制信号。
因此，可以理解，在所附权利要求的范围内，按照本发明的原理构成的EMS可以以与上面所述不同的形式实现。

Claims (48)

1.一种与电动设备配合使用的能量管理系统，所述系统包括：
若干个安装在所述设备上的电池控制模块，每个电池控制模块包括：
一个监视所述设备的从包括一个电池箱、一个电池箱内的至少一个电池、一个电池内的至少一个元以及它们的组合的组中选出的一个电源的工作参量的装置；
一个接收射频信号的装置；
一个发送射频信号的装置；以及
一个安装在所述设备上配置成对所述电池控制模块进行监控的控制单元，所述控制单元包括：
一个接收每个电池控制模块发送的射频信号的装置；以及
一个向每个电池控制模块发送射频控制信号的装置。
2.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元还包括一个对每个电池控制模块发送的射频信号进行鉴定并提供一个发送给至少一个指定的电池控制模块的控制信号的装置。
3.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元还包括一个为一个或多个指定的电池控制模块对控制信号进行编址的装置。
4.一种如在权利要求3中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块还包括一个识别控制信号是否为本电池控制模块编址的装置。
5.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块和控制单元的发送和接收装置都接至接在所述电源和所述电动设备中的一个功率调整装置之间的导电传输媒体。
6.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块和控制单元的发送射频信号的装置都是一个射频发送器，而每个电池控制模块中的射频发送器配置成发送与控制单元中的射频发送器不同的射频。
7.一种如在权利要求6中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块和控制单元的接收射频信号的装置都是一个射频接收器，每个电池控制模块中的射频接收器配置成接收控制单元发送的射频控制信号，而控制单元中的射频接收器配置成接收每个电池控制模块发送的射频信号。
8.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括各自接至电源的一个电池电压监视器和一个电池温度监视器。
9.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块配置成可响应一个指定的控制信号发送电源工作参量信息。
10.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块还包括一个响应一个指定的控制信号而激活的控制至少一个电源工作参量的装置。
11.一种如在权利要示1中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个使每个电池控制模块和控制单元发送和接收的射频信号与电动设备中的其他电器隔离的装置。
12.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个位于电动设备外的第二控制单元，所述第二控制单元包括一个接收来自控制单元和电池控制模块的射频信号的装置，以及一个向控制单元和电池控制模块发送射频控制信号的装置。
13.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述第二控制单元可与一个用户接口连接。
14.一种如在权利要求1中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元包括一个存储每个电池控制模块发送的电源工作参量信息的装置。
15.一种与具有一个电池动力源的电动运载工具配合使用的能量管理系统，所述系统包括：
若干个电池控制模块，每个电池控制模块包括：
至少一个安装在运载工具上的监视器，配置成可测量从包括一个电池箱、一个电池箱内的至少一个电池、一个电池内的至少一个元以及它们的组合的组中选出的一个电源的工作参量；
一个射频接收器；
一个射频发送器；以及
一个安装在运载工具上、配置成对所述电池控制模块进行监控的控制单元，所述控制单元包括：
一个配置成接收每个电池控制模块中的射频发送器发送的射频信号的射频接收器；
一个配置成发送能被每个电池控制模块中的射频接收器接收的射频信号的射频发送器；以及
一个对从每个电池控制模块接收到的射频信号进行鉴定并提供一个发送给至少一个指定的电池控制模块的控制信号的装置。
16.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元包括一个对需由至少一个指定的电池控制模块识别的控制信号进行编址的装置。
17.一种如在权利要求16中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括一个识别控制信号是否为本电池控制模块编址的装置。
18.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块和控制单元的射频发送器和接收器都接至接在所述电源和所述运载工具中的一个功率调整装置之间的导电通路。
19.一种如在权利要求18中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个使每个电池控制模块和控制单元通过导电通路发送和接收的射频信号与运载工具中的其他装置隔离的装置。
20.一种如在权利要求18中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个配置在导电通路和控制单元之间、用来使控制单元与导电通路和控制单元之间的高电压差隔离的装置。
21.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括一个电池电压监视器和一个电池温度监视器。
22.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块配置成可响应一个指定的控制信号发送电源工作参量信息。
23.一种如在权利要求22中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块还包括一个响应一个指定的控制信号改变至少一个电源工作参量的装置。
24.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个使每个电池控制模块和控制单元发送和接收的射频信号与电动设备中其他电器隔离的装置。
25.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个位于运载工具外的第二控制单元，所述第二控制单元包括配置成可与控制单元和每个电池控制模块通信的一个射频发送器和一个射频接收器。
26.一种如在权利要求25中所提出的能量管理系统，其中所述第二控制单元可与一个用户接口连接。
27.一种如在权利要求15中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元包括一个存储每个电池控制模块发送的电源工作参量信息的装置。
28.一种与具有一个电池动力源的电动运载工具配合使用的能量管理系统，所述能量管理系统包括：
若干个安装在所述运载工具上的电池控制模块，每个电池控制模块配置成可响应控制信号发送能源工作参量信息，每个电池控制模块包括：
至少一个测量一个各自的电池或电池元的工作参量的监视器；
一个发送电池控制模块的每个监视器测得的工作参量的射频发送器；
一个接收控制信号的射频接收器；以及
一个安装在电动设备上、用来对所述电池控制模块进行监控的控制单元，所述控制单元包括：
一个可接收每个电池控制模块发送的信号的射频接收器；
一个对从每个电池控制模块发送的信号进行鉴定并提供一个控制信号的控制器；
一个对需由一个或多个指定的电池控制模块识别的控制信号进行编址的装置；以及
一个向每个电池控制模块发送控制信号的射频发送器。
29.一种如在权利要求28中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个位于运载工具外的第二控制单元，所述第二控制单元包括：
一个配置成接收来自每个电池控制模块和控制单元的射频信号的射频接收器；
一个对每个电池控制模块和控制单元发送的信号进行鉴定并提供一个控制信号的控制器；以及
一个配置成向控制单元和电池控制模块发送控制信号的射频发送器。
30.一种如在权利要求29中所提出的能量管理系统，其中所述第二控制单元可与一个用户接口连接。
31.一种如在权利要求28中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括一个响应一个指定的控制信号改变能源工作参量的装置。
32.一种如在权利要求28中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括一个鉴定控制信号是否为本电池控制模块编址的装置。
33.一种如在权利要求28中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元和每个电池控制模块中的射频发送器和射频接收器都接至运载工具的电气系统中铺设在电池箱的各电池之间和将电池箱接至功率调整装置的主导电通路。
34.一种如在权利要求33中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个将各电池控制模块和控制单元发送和接收的射频信号与接至主导电通路的其他电器隔离的装置。
35.一种如在权利要求34中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个配置在主导电通路和控制单元之间、用来将控制单元与导电通路和控制单元之间的高电压差隔离的装置。
36.一种与具有一个电池动力源的电动运载工具配合使用的能量管理系统，所述系统包括：
若干个监控一个电池箱中各电池的至少一个工作参量的电池控制模块，每个电池控制模块都安装在运载工具上，各包括：
至少一个监视电池的一个工作参量的监视器；
一个射频发送器，所述射频发送器配置成可响应一个控制信号发送电池工作参量信息；
一个接收射频控制信号的射频接收器；
一个对射频控制信号进行鉴定、确定这个控制信号是否为本电池控制模块编程的装置；以及
一个响应一个指定的控制信号改变电池的至少一个参量的控制器；
一个对每个电池控制模块发送的电池工作参量信息进行鉴定、产生一个控制电池控制模块的指定的控制信号的控制单元，所述控制单元包括：
一个配置成接收每个电池控制模块发送的射频信号的射频接收器；
一个对从每个电池控制模块接收的信息进行鉴定、产生一个指定的控制信号的装置；
一个对需由一个或多个指定的电池控制模块识别的控制信号进行编址的装置；以及
一个向电池控制模块发送控制信号的射频发送器。
37.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块包括一个电池电压监视器和一个电池温度监视器。
38.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述控制器是一个可响应一个指定的控制信号使一个相应的电池通过一个分流电阻放电的开关。
39.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块和控制单元的射频发送器和接收器各自接至运载工具的电气系统中使电池箱中的电池与一个功率调整装置电连接的主导电通路。
40.一种如在权利要求39中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个配置在主导电通路和控制单元之间、用来使控制单元与主导电通路和控制单元之间的高电压差隔离的装置。
41.一种如在权利要求39中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个配置在主导电通路和电动运载工具中的其他电器之间、用来使能量管理系统的射频信号与这些其他电器隔离的装置。
42.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，所述系统还包括一个位于运载工具外的第二控制单元，所述第二控制单元包括配置成可与控制单元和每个电池控制模块通信的一个射频发送器和一个射频接收器。
43.一种如在权利要求42中所提出的能量管理系统，其中所述第二控制单元可与一个用户接口连接。
44.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元包括一个存储每个电池控制模块发送的电池工作参量信息的装置。
45.一种如在权利要求43中所提出的能量管理系统，其中所述第二控制单元做成位于运载工具外的电池充电器的一部分。
46.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元做成位于运载工具上的电池充电器的一部分。
47.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述控制单元做成运载工具上的一个马达控制器的一部分。
48.一种如在权利要求36中所提出的能量管理系统，其中所述每个电池控制模块做成电池动力源的一部分。
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