CN207028864U - 基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，包括电池管理控制器以及与其相互通信的若干个单体管理单元，所述单体管理单元和电池管理控制器之间通过隔离式SPI总线相互通信；所述单体管理单元将电池管理芯片和隔离式SPI转换器集成于一体，所述电池管理芯片和隔离式SPI转换器之间通过四线式SPI通讯接口相连，所述隔离式SPI转换器用于将电池管理芯片的四线式SPI通讯接口转换为差分式两线SPI挂载到隔离式SPI总线上；所述电池管理控制器为ARM内核与DSP内核配合的双核结构。
Description
技术领域
本实用新型属于电池管理领域，尤其涉及一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电管理系统。
背景技术
动力电池是影响纯电动汽车和混合动力汽车整车性能的关键因素。近年来，锂离子电池凭借其比能量高、自放电小、循环寿命高、安全性好、污染轻等众多优势，呈现出替代铅酸电池和镍镉电池的趋势，成为了最先进、已商品化的二次电池。然而，锂离子电池有其工作的限定条件，例如单体电压限制、电流限制、温度限制等，使用不慎会造成燃烧甚至爆炸。为保障锂离子电池工作的安全性与稳定性，成熟的电池管理系统(BMS)必不可缺。
BMS是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带，是监控动力电池安全性、可靠性和实时性能的保障。其主要功能包括电池物理参数实时监测、电池状态估计、能量管理、充放电与预充控制、绝缘监测与故障诊断等。
其中，BMS架构主要分为集中式与分布式两种。集中式架构将所有的单体电压、电压备份和温度的采集单元全部集中在一块BMS板上，由整车控制器直接控制。集中式架构结构的优点是相对简单，由于采集、备份在同一块板上，模块间通讯得以简化，成本较低。然而，由于单体采样的线束比较长，导致采样导线的排布设计较为复杂，整块BMS所能支持的采样通道数量受限。所以集中式架构更适用于搭载小容量电池的混合动力汽车，而搭载更高容量电池的纯电动汽车多采用分布式BMS。
分布式管理系统内部结构分为单体管理单元(CSC)、电池管理控制器(BMU)以及面向内部与外部的通讯总线。分布式管理系统的优点是可以将模组装配过程简化，采样线束固定相对容易，线束距离均匀，不存在压降不一的问题。缺点是成本较高，需要额外的从控制器支持CAN(Controller Area Network)总线进行模块间通讯。CAN是汽车环境中使用最多的一种通讯方式，其特点包括总线利用率高、传输距离长(长达10km)、传输速率高(高达1Mbps)、错误处理与检错机制可靠等。CAN总线是BMS中最为常用的通讯形式，但是尚未有方案将CAN控制器与收发器设计在电池管理芯片中，其使用需要控制器的参与，增加了控制器的数量成本。
采用主从分布式结构的电池管理系统中，从控制器(MCU)数量视电池模组数量而定，其功能较为简单。主控制器(BMU)功能较为复杂，不仅负责电池管理系统的任务管理，还要处理CSC传输而来的电池数据信息。其数据处理的任务通常包括电池剩余电量(SOC)、电池健康状态(SOH)、能量状态(SOE)以及峰值功率(SOP)的估算。具有以上功能的BMS 才能全面地监测、管理好电池，而这些电池状态的估算通常需要复杂的算法，例如滤波器、观测器或神经网络等等，可见主控制器的负担较重。相比之下，数量众多的从控制器任务却较为简单，仅仅负责通讯的控制与收发。
综上所述，随着电池管理系统BMS对电池状态信息监测要求的不断提高，其数据处理能力的需求也不断提高，主、从控制器之间任务负担和硬件资源不匹配的状况会越来越明显。主控制器既负责电池管理系统BMS众多任务的管理，又负责大批量的数据计算与分析，单核 CPU运行较为吃力；从控制器数量众多，功能需求却较为简单，CPU较为空闲。所以，亟需一种新型分布式架构的电池管理系统BMS以缓解硬件资源与需求不平衡的现状。
实用新型内容
为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电管理系统，其能够在保证较低成本的同时更能迎合电池管理系统BMS日益提高的数据处理能力需求。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电管理系统，包括：电池管理控制器以及与其相互通信的若干个单体管理单元，所述单体管理单元和电池管理控制器之间通过隔离式SPI总线相互通信；所述单体管理单元将电池管理芯片和隔离式SPI转换器集成于一体，所述电池管理芯片和隔离式SPI转换器之间通过四线式SPI通讯接口相连，所述隔离式SPI转换器用于将电池管理芯片的四线式SPI通讯接口转换为差分式两线SPI挂载到隔离式SPI总线上；所述电池管理控制器为ARM内核与DSP内核配合的双核结构。
进一步的，所述隔离式SPI总线采用单根双绞线通讯。
隔离式SPI总线通讯速率可达1Mbps，采用单根双绞线通讯，距离长达100米，其通讯速率与CAN总线相同，传输距离短于CAN，但是对于汽车应用已经足够。隔离式SPI总线与CAN总线均具有理想的电磁兼容能力以及可靠的错误处理和检错机制。可见，二者在车载应用场合可以相互替代。
进一步的，ARM内核与DSP内核两者通过共享内存的方式实现双核之间的通讯。
DSP具有硬件乘法器和高精度的浮点运算能力，其运算能力强、速度快的优势在执行数字信号处理等复杂算法时更为突出。ARM系列控制器内存大，具有内存管理单元(MMU)，可移植多种操作系统，具有较强的事物管理能力。电池管理控制器BMU综合利用两种内核的优势，利用ARM内核应对电池管理系统BMS众多的任务事件，利用DSP内核进行复杂的数据处理，计算电池各种状态信息。
进一步的，电池管理控制器与单体管理单元之间的通讯组网方式为总线形式。
总线形式中电池管理控制器BMU为单体管理单元分配唯一的地址，单体管理单元之间不会相互影响，这种通讯网络更为可靠
进一步的，电池管理控制器与单体管理单元之间的通讯组网方式为菊链形式。
菊链形式的网络设计简单。
进一步的，ARM内核为电池管理控制器的主控制器，DSP内核为电池管理控制器的从控制器。
进一步的，所述电池管理芯片至少包含八至十二路电压采集通道。
进一步的，所述电池管理芯片至少包含两路温度采集通道。
进一步的，电池管理控制器与单体管理单元之间利用网口变压器搭建隔离势垒。
进一步的，电池管理芯片与四线式SPI通讯接口集成于一体。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1)电池管理控制器BMU采用ARM与DSP配合的双核结构，电池管理控制器BMU综合利用两种内核的优势，利用ARM内核应对电池管理系统BMS众多的任务事件，利用DSP 内核进行复杂的数据处理，计算电池各种状态信息。双核之间的通讯通过共享内存的方式实现提高了电池管理控制器BMU的硬件配置，使得电池管理系统BMS具有更强的任务管理和数据处理能力；
2)隔离式SPI转换器将电池管理芯片BMIC的四线式SPI通讯转换为差分式两线SPI挂载到隔离式SPI总线上，这样便避免了模块之间通讯接口的不统一，节省了相应的硬件资源，削减了单体管理单元中的控制器成本，同时统一了电池管理芯片BMIC与电池管理控制器 BMU的通讯接口，保证产品性能的同时降低了产品设计的复杂度和生产成本。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是传统分布式电池管理系统架构图；
图2是本实用新型的基于隔离式通讯总线的分布式双核电管理系统架构图；
图3是总线结构为例展示的单体管理单元CSC与电池管理控制器BMU组成的通讯网络的组织形式。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
图1是传统分布式电池管理系统架构图。
在图1中，Vehicle Controller为整车控制，Machine Controller为电机控制器，Battery Charger为充电机，OUTER CAN BUS为外部CAN总线，INNER CAN BUS为内部CAN总线，BMU为电池管理主控制器，BMS TASKS为电池管理系统任务，CAN Isolated Transceiver为隔离式CAN收发器，CAN Controller为CAN控制器，MCU为电池管理从控制器，BMIC 为电池管理芯片，CSC为单体管理单元。
如图1所示，单体管理单元CSC直接面向电池，负责采集模组中电池单体的电压和温度信息。单体管理单元CSC由电池管理芯片BMIC、从控制器MCU和CAN收发器构成，一般选用集成了CAN控制器的MCU。单体管理单元CSC采集的电池信息通过CAN收发器发送到电池管理系统BMS内部CAN总线上与电池管理控制器BMU通讯。电池管理控制器BMU 根据收到的电池原始信息，利用相关算法推算出SOC、SOH、SOE、SOP等电池状态信息，并以此为依据进行电池管理系统BMS的任务管理，这些任务通常包括上位机通讯、数据存储、充放电控制、预充电控制、绝缘监测、安全保护、均衡和热管理等。除了与单体管理单元CSC 进行内部通讯，主控制器还通过外部CAN总线与整车控制器、电机驱动器和充电机进行数据交换。
传统分布式结构的电池管理系统BMS主要存在以下两个方面的问题：
1)电池管理控制器BMU处理所有车载电池单体的原始数据并计算电池状态信息，这个过程的数据处理量较大且算法复杂，除此之外电池管理控制器BMU还需管理电池管理系统 BMS的众多任务，负担较重；而从控制器MCU主要的任务只有CAN通讯的控制，资源占用率很低。这样便形成了主、从控制模块硬件资源分配不合理的现象。
2)市面上的电池管理芯片BMIC通讯接口多为四线式SPI通讯，电池管理芯片BMIC与电池管理控制器BMU之间的通讯需要额外的MCU和CAN收发器将四线式SPI通讯转换为CAN总线通讯。通讯接口的不统一耗费了额外的硬件资源，且复杂的通讯形式不利于产品调试；
本实用新型为解决上述问题，将电池管理系统BMS硬件资源重新进行分配与整合，提出了一种基于隔离式串行通讯总线的分布式双核电池管理系统，与传统分布式结构相比该结构在保证较低成本的同时更能迎合电池管理系统BMS日益提高的数据处理能力需求。
本实用新型采用如图2所示基于隔离式通讯总线的分布式双核电管理系统架构图的方案：
该方案中单体管理单元CSC集成了电池管理芯片BMIC和隔离式SPI转换器，单体管理单元CSC与电池管理控制器BMU之间的通讯总线由隔离式SPI总线取代传统分布式电池管理系统BMS中的CAN总线。隔离式SPI转换器将电池管理芯片BMIC的四线式SPI通讯转换为差分式两线SPI挂载到隔离式SPI总线上，这样便避免了模块之间通讯接口的不统一，节省了相应的硬件资源。隔离式SPI总线通讯速率可达1Mbps，采用单根双绞线通讯，距离长达100米，其通讯速率与CAN总线相同，传输距离短于CAN，但是对于汽车应用已经足够。隔离式SPI总线与CAN总线均具有理想的电磁兼容能力以及可靠的错误处理和检错机制。可见，二者在车载应用场合可以相互替代。
在图2中，Vehicle Controller为整车控制器，Machine Controller为电机控制器，Battery Charger为充电机，CAN BUS为CAN总线，BMU为电池管理控制器，BMS TASKS为电池管理系统任务，ARM CORE为ARM内核,SHARED RAM为共享内存,DSP CORE为DSP 内核,Isolated SPI BUS为隔离式SPI总线，Isolated SPI为隔离式SPI转换器，BMIC为电池管理芯片，CSC为单体管理单元。
另一方面，为提高主控制器性能，电池管理控制器BMU采用ARM与DSP配合的双核结构。DSP具有硬件乘法器和高精度的浮点运算能力，其运算能力强、速度快的优势在执行数字信号处理等复杂算法时更为突出。ARM系列控制器内存大，具有内存管理单元(MMU)，可移植多种操作系统，具有较强的事物管理能力。BMU综合利用两种内核的优势，利用ARM 内核应对电池管理系统BMS众多的任务事件，利用DSP内核进行复杂的数据处理，计算电池各种状态信息。双核之间的通讯通过共享内存的方式实现。
单体管理单元CSC是分布式电池管理系统BMS中直接面向电池的模块，其方案中采用的电池管理芯片BMIC应至少包含八至十二路电压采集通道和两路温度采集通道。市面上几乎所有的电池管理芯片BMIC都采用SPI通讯方式，这主要是考虑了监控电池的应用场合中数据采集的速率。选用具有差分式SPI通讯接口的电池管理芯片BMIC，如此以来一块电池管理芯片BMIC便可作为一块单体管理单元CSC使用。根据电池组的位置布置单体管理单元CSC，相邻单体管理单元CSC之间距离最大可达百米。
单体管理单元CSC与电池管理控制器BMU之间的通讯组网方式可设计为总线形式或者菊链形式。菊链形式的网络设计简单，但是菊链上一个单体管理单元CSC的故障会牵连整个通讯网络。总线形式中电池管理控制器BMU为单体管理单元CSC分配唯一的地址，单体管理单元CSC之间不会相互影响，这种通讯网络更为可靠。
图3是总线结构为例展示的单体管理单元CSC与电池管理控制器BMU组成的通讯网络的组织形式。
在图3中，BMU为电池管理主控制器，Net Port Transformer为网口变压器,Isolated SPI BUS为隔离式SPI总线，CSC为单体管理单元。
如图3所示，利用网口变压器在电池管理控制器BMU与单体管理单元CSC之间搭建隔离势垒，单体管理单元CSC沿着双绞线搭载的隔离式SPI总线进行多点连接，形成一个并行 SPI通讯网络。未被寻址的单体管理单元CSC不会在总线上传输数据脉冲，只有被寻址的单体管理单元CSC才会向电池管理控制器BMU回送数据，这就避免了总线上发生数据冲突的可能。
电池管理控制器BMU中的DSP内核负责接收下层单体管理单元CSC传送来的电池电压、电流和温度信息，然后执行相应的算法解算出电池的SOC、SOC、SOH和SOP等状态信息，并将这些信息存储在双核控制器的共享内存中等待ARM内核读取。将ARM内核设置为BMU的主控制器，DSP内核设置为从控制器，这样双核之间的通讯可以以主控制器中断的方式进行。若电池管理系统BMS管理的任务较复杂，中断这种“前后台”形式的单线程任务处理方式不能满足系统实时性需求，可在ARM内核中移植嵌入式实时操作系统，例如RTOS、μC/OS、RT-LINUX等。如此以来，电池管理系统BMS管理的事务可被抽象为实时操作系统中的线程，根据实时性要求可将这些事务设置为硬件中断线程、软件中断线程、任务线程和空闲线程，操作系统以并发多线程的方式处理各个事务，提高了BMS的实时性。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，包括：电池管理控制器以及与其相互通信的若干个单体管理单元，所述单体管理单元和电池管理控制器之间通过隔离式SPI总线相互通信；所述单体管理单元将电池管理芯片和隔离式SPI转换器集成于一体，所述电池管理芯片和隔离式SPI转换器之间通过四线式SPI通讯接口相连，所述隔离式SPI转换器用于将电池管理芯片的四线式SPI通讯接口转换为差分式两线SPI挂载到隔离式SPI总线上；所述电池管理控制器为ARM内核与DSP内核配合的双核结构。
2.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，所述隔离式SPI总线采用单根双绞线通讯。
3.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，ARM内核与DSP内核两者通过共享内存的方式实现双核之间的通讯。
4.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，电池管理控制器与单体管理单元之间的通讯组网方式为总线形式。
5.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，电池管理控制器与单体管理单元之间的通讯组网方式为菊链形式。
6.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，ARM内核为电池管理控制器的主控制器，DSP内核为电池管理控制器的从控制器。
7.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，所述电池管理芯片至少包含八至十二路电压采集通道。
8.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，所述电池管理芯片至少包含两路温度采集通道。
9.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，电池管理控制器与单体管理单元之间利用网口变压器搭建隔离势垒。
10.如权利要求1所述的一种基于隔离式通讯总线的分布式双核电池管理系统，其特征在于，电池管理芯片与四线式SPI通讯接口集成于一体。
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180223 |
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