CN202142877U - 多can的电池组管理装置 - Google Patents

Abstract

多CAN的电池组管理装置，基于多CAN的电池组管理系统，采用分上、下层管理，上层为主控模块，下层包括电压温度采集模块、电流采集模块、均衡保护模块、绝缘检测模块，每个电池组中的10串单体电池配一个电压温度采集模块和一个均衡保护模块，在整个电池组的输出端还配一个电流采集检测模块和一个绝缘检测模块。该系统具有易于扩展，连接方便，数据隔离，稳定可靠等特点。

Description

多CAN的电池组管理装置

 技术领域

本实用新型属于一种电动车辆用的动力蓄电池管理装置，特别涉及一种多CAN的电池组管理装置。

背景技术

面对环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，各国政府、企业投入大量人力物力对电动汽车进行研究和开发。目前， 

在国家科技项目重点支持和市场的双重推动下，新型锂离子动力电池在关键技术、关键材料和产品研究上都取得了重大进展。单体动力锂电池的性能已基本能够满足使用要求。虽然动力锂电池采购成本仍高于铅酸电池，但从全生命周期内的综合经济性考虑，其成本已经远远低于铅酸电池。由于前一阶段动力锂电池发展的重点集中在关键技术、关键材料和产品开发上，动力锂电池成组应用技术并未得到相应的重视，致使动力锂电池系统集成关键技术、关键零部件和产品研究严重滞后于电池技术的发展。当前大多仍将只能适用于铅酸等非密封富液电池的技术和设备用于动力锂电池，从而导致部分电池单体在充放电过程中发生过充电、过放电、过流和超温等问题，使电池受到严重伤害，电池安全性大幅下降，使用寿命大幅缩短，甚至电池燃烧、爆炸等恶性事故时有发生。

高性能、高可靠性的电池管理系统(BMS) 能使电池在各种工作条件下获得最佳的性能。电池管理系统不仅要监测电动汽车电池的充放电电流、总电压、单体电压和剩余电量SOC, 还要进行高压保护、电量均衡，同时还要预测电池的功率强度, 以便监控电池的使用状况, 在汽车启动和加速时提供足够的输出功率, 刹车时电池组能回收更多的能量, 即提供足够的输入功率, 并且不对电池组造成伤害。

华南农业大学学报2009年04期“基于ARM和CAN的电动汽车电池管理系统”一文中，对电池电压、电流、温度等数据采集计算SOC并实现CAN通讯，但并未考虑串联电池组在使用过程中的不均衡问题，以及电池匹配问题，系统后期使用会初步暴露存在的问题。

现代电子技术2011年第34卷第一期“基于Freescale 单片机的电池管理系统设计”一文中，对电池基本数据电压、电流、温度等数据进行采集，但文章中并未考虑电池高压对整车安全的威胁，没有在高压保护上采取措施，下层采集模块采用单片机集成A/D电压采集精度低，在计算SOC和做均衡保护时都会受到一定影响。

目前其他相关文献，很少提到绝缘保护实施方法和电池健康度估算方法，对电池组的补偿的方法也缺乏实际、可行的方案。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有动力电池在纯电动汽车中不断增加，系统电压提高，电池分不灵活，高压安全要求较高的问题，提出一种动力电池管理装置，该系统不仅能测出单体电芯的性能状态，而且能对单体电池进行二级均衡保护、二级过充过放保护、能有效减小电动汽车系统电压的波动，并通过绝缘检测和高压通断控制，保证电池组的安全正常工作。

本实用新型是通过以下技术方案实现的。

本实用新型所述的装置，是采用上、下层分层管理，将动力电池的管理分为上层主控模块，下层包括电压温度采集模块、电流采集模块、均衡保护模块、绝缘检测模块，每个电池组中的10串单体电池配一个电压温度采集模块和一个均衡保护模块，在整个电池组的输出端还配一个电流采集检测模块和一个绝缘检测模块。最后一组电池是备用电池组，用来稳定系统电压，也配有一个电压温度采集模块和一个均衡保护模块和补偿开关。绝缘检测模块检测电池组正负电极与车体的绝缘电阻，并测量电源系统总电压；下层的所有模块通过系统内部CAN与上层主控模块通讯，主控模块上还具备与外部整车控制器和充电机通讯的隔离CAN总线接口。

上层主控模块采用的嵌入式微控制器为16位单片机MC9S12DG128MPVE，其内部集成2路CAN控制器，外围还通过IIC总线接入实时时钟芯片和EEPROM存储芯片，2路CAN的RX和TX脚分别经过光耦隔离接不同收发器构成内部和外部双CAN通讯网络。电压温度采集模块采用的嵌入式微控制器为SST89E516RD2单片机，它内置64KB的程序存储器和256B的数据RAM，在电压温度采集模块上使用DC/DC电源。

上述上层电池管理的主控模块ECU是由2路CAN收发器（如82C250）、2路光耦隔离电路（如6N137）、时钟与EEPROM电路、FLASH数据存储电路(如K9F1208) 、保护执行电路、蓝牙通讯电路和嵌入2路CAN的16位的汽车级微控制器（如MC9S12DG128）构成。其中16位微控制器的CAN0模块的收发线与隔离模块6N137相连，隔离模块的电源采用不同DC-DC隔离、并通过收发器连接到外部CAN总线；其内部的CAN4模块通过同样方式连接到外部CAN总线接口。实时时钟PCF8563T和EEPROM存储芯片24C64都与微控制器的SPI总线相连，实时时钟主要用于SOC计算时准确记录掉电时间，并存储在EEPROM中供下次系统上电时调用，保证SOC算法的精确性，微控制器的数据总线D0-D7和读写控制线分别与FLASH存储芯片相连，用于实时保存每次采集数据，并通过蓝牙模块发送到外部数据分析平台。

上述的主控模块的微控制器还输出6路用于其他执行器件的控制信号，其中第一路和第二路用于控制蓄电池的降温系统和加热系统，保证电池组工作在正常温度范围；第三路信号用来控制高压通断开关，用于在绝缘检测故障时进行保护，也可在过充或过放中切断主电路保护电池；第四路信号用于控制下层模块电源通断，保证采集模块在系统出现问题时能及时硬件上电复位恢复正常工作。

上述下层管理系统的电压采集模块的ECU（电子控制单元）由一个SST89E516RD2的8位微控制器、CAN控制器（如SJA1000）、CAN隔离器（如82C250）和AD采集电路模块（ILC7135）、温度采集传感器（如DS18B20）等主要器件构成。其中电池的十路模拟电压信号分别与十路2通道的光耦隔离器件相连（如AQW241E），光耦器件通过2片并联的138译码器选中，并且能保证同一时刻只选中一路，即同一时刻只有一块单体电池的正负两级被接入，通过微控制器的地址总线的高四位A12-A15对138进行译码选择；其中单体电池的负极于电压采集模块的电源地相连，正极与AD芯片的采集电压输入端相连。

其中微控制器的数据总线D0-D7分别与CAN芯片（SJA1000）的地址/数据总线AD0-AD7相连、同时也与旋码开关的缓存芯片（如LVT245）的A0-A7相连， CAN芯片和缓存芯片的片选引脚也与138译码器相连。

上述的均衡保护模块和电压温度采集模块同时配置在一组电池上，管理10串单体电池的均衡，均衡保护模块串联接入电池组的回路中，均衡保护模块采用保护IC实现单体电池过充过放保护，当单体电池电压超限可以开启均衡电阻，实现充电均衡。

上述下层管理系统的电流采集模块和绝缘检测模块的ECU也是由微控制器SST89E516RD2构成，电池管理系统配置一个电流采集模块和绝缘检测模块，绝缘检测模块内部也配有一路电压检测单元，可以检测整车电池组的总电压，与电流检测模块数据同时作为SOC的计算数据。绝缘检测模块的内部电阻测量电路可以精确测量电池组正负极与车体外壳的绝缘电阻。电流采集模块通过外接电流霍尔传感器测量电池组的放电总电流。两个模块都是通过MCU的数据总线D0-D7与SJA1000的地址/数据总线AD0-AD7相连，采用82C250做为CAN收发器构成CAN节点电路。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型具有与外部其他ECU通讯的CAN总线接口，主要实现两层充电保护，两级放电保护，两级均衡保护、放电补偿、电池健康度标定等功能。

对于备用电池组，在放电过程中，当检测到有电池过放或损坏，且当前SOC值>60%，备用电池组可进行补偿在线切换启用备用电池组，使电源电压不至于波动太大。起到保护电池和延长续航里程的目的。在充电过程中，当备用电池组的SOC值与电池组SOC值相同时，补偿开关接通，并通过主控模块与充电机通讯调节充电电压与电流。

管理系统实现二级充电保护：其中均衡保护模块通过控制MOFSET管的通断，切断一个电池组的充电；主控模块则根据电池组的SOC值的大小，给非车载充电器发出控制信息（遵循国家标准协议），发送指令到充电池实现分段充电控制，控制充电应使用的电流、电压、（恒流、恒压、涓流充电）。当单体电压<2.6 V时，采用恒流 1/5C 充电，当单体电压>2.6V 时，采用恒流 1/3C充电，电压>3.6 卷恒压充电，电压>3.6５ 涓流充电，电压>3.７ 停止充电，这些参数均可以根据电池性能要求通过主控模块与外部ECU的通讯进行设置更改。

管理系统实现二级放电保护：其中当均衡保护模块测得电池电压<2.5V时，通过控制MOFSET管的通断，切断一个电池组的放电；主控模块则根据电池组的SOC值的大小，给电机控制器发出控制信号，如果SOC<10%，电池组的内阻增大发热增加，电池管理系统的主控模块发送指令到整车控制器，从而限制电机输出功率，使电机放电电流<1/5C。如果SOC<5%，电池管理系统主控模块发指令到整车控制器，使电机涓流放电或停止放电。

管理系统实现二级均衡充电：当均衡保护模块检测到单体电池电压差值> 0.5伏 ,接入均衡电阻（30欧，5瓦）进行分流，使该块电池充电速度放慢，当所有电池的电压差值<0.5伏时（硬件比较），断开均衡电阻，整组进行统一充电。这样可以让电池充满到99%以上。

管理系统实现标定电池健康度：通过在主控模块中实现对电池老化程度、电池充放电次数、单体电池过充过放次数等关键数据的统计和分析，从而估算每块单体电池的健康度，为电池组的一致性以及电池单体性能的优化提出了可靠的依据。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体结构原理框图。

图2为本实用新型的下层电压温度采集模块的原理图。

图3为本实用新型的下层电压温度采集模块的软件流程图。

图4为本实用新型的下层绝缘检测模块的原理图。

图5为本实用新型的上层主控模块的原理图。

图6为本实用新型的上层主控模块的软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型实施例的整体结构原理框图，它整体结构是两层分层CAN网络实现数据传输和数据隔离，内部CAN总线连接下层的电压温度采集模块、电流采集模块、绝缘保护模块、均衡保护模块。采用双绞线CAN总线网络，从电池组采集每块单体电池的电压、电池组的温度、电池组总电压、总电流、绝缘电阻等数据通过CAN总线实时发送到上层主控模块，主控模块根据协议对数据接收并存储。主控模块可以根据控制策略将补偿电路随时接入主电路中。

主控模块外部CAN其网络拓扑结构为星型和总线混合，所有CAN网络均采用CAN2.0B协议，外部与整车控制器通讯CAN接口协议满足SAE J1939协议，与充电机通讯协议满足国标《电动汽车电池管理系统与非车载充电机之间的通信协议》协议。

如图2所示，本实用新型实施例的电压温度采集模块ECU所采用的嵌入式微控制器为SST89E516RD2单片机，它内置64KB的程序存储器和256B的数据RAM，带内部可编程的看门狗（WDT）并且支持掉电模式和外部中断唤醒；每个电压温度采集模块ECU管理10个单体电池，其功能为检测10个单体电池的电压和温度信息，并将该信息通过管理系统的双绞线CAN总线发送给上层主控模块ECU，10路电池组的电压分别经过光耦隔离和电压调理电路后接入高精度A/D转换模块ICL7135的A/D输入端；2路温度传感器的信号线接入嵌入式微控制器SST89E516RD2的同一路可驱动大电流的I/O口。另外在采集模块上使用DC/DC电源，使采集模块供电更稳定，能更好适应车载环境。使用旋码开关，使用户可手动设定每个电压采集模块的通讯地址，当须更换电池模块时，只要通过手动调节旋码旋码，即可加入或更换其他新加入的电池模块，而不必更改CAN通讯地址。通过AQW214EH光耦合继电器（具有双路选通功能）和138片选的组合使用，安全可靠的将电池组各端点电压依采样周期依次引入AD。选通时间短（μs级），硬件保证同一时刻只可能连入一组电压，不会由于程序错误使电池短路。（AQW214EH光耦合继电器通过一使能信号能同时选通两路，来线选各电池的正负极。）采用高精度4位半双积分AD ICL7135。电压转换精度为0.1mV，量程0-5V，转换速度为40ms。温度采集使用DB18B20数字温度计，使用范围-55到125摄氏度，精度0.1摄氏度（理论精确度为0.0625，实际中舍入计算）。CAN通讯采用SJA1000T独立can控制器，支持热插拔（软件位速率检测），位速率可达1Mbits/s。兼容CAN2.0B协议。

如图3所示，本实用新型实施例的电压温度采集模块的软件流程图，流程分为两部分，一部分为顺序执行流程，另一部分为中断执行流程，电压温度采集模块在接入CAN总线并上电工作后，首先对微控制器SST89E516RD2进行芯片初始化，包括芯片内部的中断、看门狗（WDT）等，以及外部CAN控制芯片（如SJA1000）和A/D 转换芯片（如ICL7135）进行初始化。由于该模块需要支持在内部CAN总线上的热插拔，所以要在初始化后对CAN总线的位速率进行自动检测匹配，匹配成功后即可成为既有网络的一个CAN节点，根据用户对旋码开关的设置，获取模块所管理电池的ID，即下层模块在与上层主控模块通讯的唯一标识。采集模块在主流程中主要实现电压和温度数据的实时采集并发送致上层主控模块，查询参数配置和休眠操作的标志位，并执行相应的操作。当主控模块给下层模块发出休眠指令后，采集模块停止数据采集工作进入省电模式，当主控模块再次通过CAN总线发出指令后，采集模块可以继续恢复工作。

如图4所示，本实用新型实施例的绝缘检测模块ECU所采用的嵌入式微控制器为SST89E516RD2单片机，整个电池管理系统配一个绝缘检测模块，该模块可以检测车体外壳与电池组正负两极的绝缘电阻，并在绝缘电阻小于设定置进行报警，以便及时排除故障，防止发生高压触电事故。

电池组的总正极、总负极通过导线接入绝缘检测模块，绝缘检测模块的外壳采用铁壳并与车体外壳连接，这样车体外壳通过模块外壳接入，然后三路线通过绝缘电阻测量电路，最后通过2路光耦选通芯片（AQW214EH）接入电压调理电路，再通过A/D ICL7135 转换，MCU读取电压数据并计算出，正负电极与车体外壳的有效绝缘电阻。同时电池组的总电压通过精密分压电路以及电压调理电路接入A/D进行转换，这样可以精确计算电池组的总电压，可以减小由单体电压计算总电压的误差，提高总电压的测量精度，同时也提高了SOC的估算精度。绝缘检测模块也通过外接独立CAN控制器SJA1000和CAN收发器82C250挂入内部CAN总线。

如图5所示，本实用新型实施例的上层主控模块ECU所采用的嵌入式微控制器为飞思卡尔的16位单片机MC9S12DG128MPVE，该芯片具有较强的数据处理能力和控制功能。它内部集成2路CAN控制器，具有编程方便、使用灵活、功耗低、低噪声等优点。双CAN通道实现电池管系统的主控模块和采集模块内部CAN总线通讯，优化电池管理系统结构。在同样的速度下所用的时钟频率较51 系列微控制器低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的汽车环境。S12 MCU 总线频率为25MHz，方便实现一些复杂的均衡控制算法和多总线通讯控制。

在MCU外围还通过IIC总线接入实时时钟芯片和EEPROM存储芯片，2路CAN的RX和TX脚分别经过光耦隔离接不同收发器构成内部和外部双CAN通讯网络。光耦的电源与系统电源通过2路DC/DC实现完全隔离，保证了通讯电路的稳定可靠。主控模块的6路控制信号也分别经过光耦隔离电路和功率驱动电路，实现对外围执行器件的安全控制。主控模块的数据总线D0-D7和读写控制线分别与FLASH存储芯片相连，用于实时保存每次采集数据，蓝牙模块通过SCI串行总线与MCU连接。

如图6所示，本实用新型实施例的主控模块软件流程简图。主控模块软件流程在图中分为两个部分，一部分为放电流程，一部分为充电流程，其主要是对下层模块发送的数据进行分析计算并做出相应控制，主要工作是精确计算SOC。

在上电后首先对单片机内核（总线频率、中断等）进行初始化，然后对DG128的内部的2路CAN模块控制器、IIC控制器、UART控制器等进行初始化，然后通过电池单体的过充过放数据更新电池的SOH（电池健康度）数据，开始初始化电池数据，并通过IIC读取EEPROM的数据，如上次剩余电量、停车时间（即电池自放电时间）、电池的温度影响系数、循环次数等参数，通过电池健康度SOH和电池的循环使用次数计算电池的自放电系数，通过自放电时间、上次剩余电量和自放电系数等相关参数，计算出汽车再次启动时的SOC值，并通过判断停车时间，如果停车时间超过24小时，则可以用开路电压与SOC的对应关系来修正当前SOC值。

之后主控模块判断电池当前的状态，进入不同状态的流程，通过对放电或者充电电流电压的实时积分，计算充电和放电的电量，并实时通过下层采集模块的数据进行反馈操作，

如果在充电状态，根据SOC的值，在不同SOC下控制充电机对电池进行不同电流的充电，发送指令到充电机实现分段式充电控制，既可以在电池电量较少的情况下保证充电不对电池造成伤害，又可以在单体电池电压超过设定限值时进行涓流充电实现单体电池电量的动态平衡，并可以给下层均衡保护模块发送指令开启无损能量均衡电流，最终在单体电压超停止限时发送停止充电指令。每次充电时当主电源SOC与备用电源SOC相同时，可以接通备用电源充电。

如果在放电状态，根据SOC的值，在不同SOC下对电机控制器进行通讯控制，当SOC小于设定值时可以通过发送指令降低电机的输出功率，保证电池组在正常电流范围内放电防止损坏电池，可以设置多个SOC放电控制等级，最终可以发送指令停止电机输出功率，当放电池组SOC>50%，而电池组单体损坏电压过低时，均衡保护模块可以切断所控电池组的电流输出，同时控制器会接通补偿电池组，防止系统电压突降，保证汽车能平稳运行。

在接收到外部CAN中断时，要进行报文分析，如果是主控模块请求数据，则将电池电压、电流、温度、SOC等所有数据按SAE J1939协议发送，如果是主控模块的关机指令，则要做好关机的数据存储准备并准备关机。

经过实际测试及应用证明，本实用新型实施例的电池管理系统能够在纯电动轿车和纯电动客车中稳定可靠运行，尤其在电池分布较散的纯电动客车中可以有效节省布线空间，方便更换采集模块，SOC的估算精度较高。

Claims (3)

1.多CAN的电池组管理装置，其特征是：所述电池组管理装置采用分上、下层管理，上层为主控模块，下层包括电压温度采集模块、电流采集模块、均衡保护模块、绝缘检测模块，每个电池组中的10串单体电池配一个电压温度采集模块和一个均衡保护模块，在整个电池组的输出端还配一个电流采集检测模块和一个绝缘检测模块；最后一组电池是备用电池组，也配有一个电压温度采集模块和一个均衡保护模块和补偿开关；下层的所有模块通过系统内部CAN与上层主控模块通讯，主控模块上还具备与外部整车控制器和充电机通讯的隔离CAN总线接口。

2.根据权利要求1所述的多CAN的电池组管理装置，其特征在于：所述上层主控模块采用的嵌入式微控制器为16位单片机MC9S12DG128MPVE，其内部集成2路CAN控制器，外围还通过IIC总线接入实时时钟芯片和EEPROM存储芯片，2路CAN的RX和TX脚分别经过光耦隔离接不同收发器构成内部和外部双CAN通讯网络。

3.根据权利要求1所述的多CAN的电池组管理装置，其特征在于：所述电压温度采集模块采用的嵌入式微控制器为SST89E516RD2单片机，它内置64KB的程序存储器和256B的数据RAM，在电压温度采集模块上使用DC/DC电源。

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