CN207683370U - 一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，包括一组BMU、一组及以上的电芯模组、一组及以上的CMU，每一组CMU分别与一组电芯模组中的单体电芯一一对应连接，所述BMU包括MCU和通讯转换芯片，所述MCU的SPI通道与通讯转换芯片的SPI通道通信连接，所述通讯转换芯片的RDTX通道与其中任意一组CMU的RDTX输入通道相连接，相邻的两组CMU之间的RDTX输入通道连接RDTX输出通道，使得相邻的两组CMU构成菊花链式级联通讯网络。该系统的成本低且通信复杂度低，同时也有效增强了通讯的可靠性。

Description

一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统
技术领域
本实用新型属于汽车电子技术领域，涉及电池管理系统数据采集及通讯传输技术领域，尤其涉及一种基于菊花链式级联通讯、带有操作系统的对时基要求很高的电动汽车电池管理系统。
背景技术
现有的电动汽车电池管理系统（BMS）主要有集中式和分布式两种电芯模组信息采集和充放电控制架构。其中，集中式BMS也称为一体机，是将电池信息采集、均衡控制、绝缘监测、热管理、继电器控制及与车载ECU通信等所有功能集中在一个模块上，因而其可扩展性差，且由于设计复杂度的提高造成可靠性降低，维护成本高，适用于电池容量较小，电芯串数较少的低速车。而分布式BMS一般包括一个主控模块和多个从控模块，每个从控模块管理电池包中的一个模组，从控模块之间相互独立，因此可根据模组的数量增减从控模块的数量，可扩展性强，多个从控模块通过传输协议分别执行对电芯模组的采集和控制任务，BMS的其他功能由主控完成。目前BMS主控模块与从控模块之间通信主要有两种：一种是主控模块和每个从控模块通过CAN通讯传输，通过ID区分不同的从控模块，该种方式的BMS系统成本高；另一种是主控模块和最高一级从控模块采用CAN通信，最高一级从控模块与下一级从控模块之间，及相邻的从控模块之间采用串口隔离通信，最高一级从控模块包含单片机模块，用于管理电池组，其他从控模块响应最高一级从控模块的指令，完成对应电芯模组电压、温度等信息采集、均衡控制及故障检测等，这种通信方式的BMS成本也较高，且通信方式复杂。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，该系统中将电池管理模块与电芯模组信息采集和执行均衡模块之间以及两个相邻的电芯模组信息采集和执行均衡模块之间均采用菊花链式级联通讯的结构，有效降低了BMS成本及通信复杂度，同时也增强了通讯的可靠性。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为，一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，包括一组电池管理模块（BMU，Battery Management Unit）、一组及以上的电芯模组、一组及以上的电芯模组信息采集和均衡执行模块（CMU，Cell MonitorUnit），每一组电芯模组信息采集和均衡执行模块分别与一组电芯模组中的单体电芯一一对应连接，所述电池管理模块包括MCU(Micro Controller Unit)和通讯转换芯片（Tranceiver），所述MCU的SPI通道与通讯转换芯片的SPI通道通信连接，所述通讯转换芯片的RDTX通道与其中任意一组电芯模组信息采集和均衡执行模块的RDTX输入通道相连接，相邻的两组电芯模组信息采集和均衡执行模块之间的RDTX输入通道连接RDTX输出通道，使得相邻的两组电芯模组信息采集和均衡执行模块构成菊花链式级联通讯网络。
作为本实用新型的一种改进，所述的电池管理系统还包括隔离变压器，所述隔离变压器联接在通讯转换芯片的RDTX通道端口以及电芯模组信息采集和均衡执行模块的RDTX通道端口。
作为本实用新型的一种改进，所述电芯模组信息采集和均衡执行模块的数量与电芯模组的数量保持一致，两者数量可根据实际使用环境进行增减，可扩展性强。
作为本实用新型的一种改进，所述电芯模组信息采集和均衡执行模块采用型号为MC33771的专用集成芯片进行设计，该集成芯片能够最大支持14路单体电芯电压采集。
作为本实用新型的一种改进，所述MCU使用2路SPI通道，所述通讯转换芯片上也设置有SPI接收通道和SPI发送通道，MCU的一路SPI通道SPI1连接通讯转换芯片的SPI发送通道，MCU的另一路SPI通道SPI2连接通讯转换芯片的SPI接收通道，这样能够实现2路SPI通道单独通讯，有效提高通讯效率，增强实时性。
作为本实用新型的一种改进，所述MCU上设有DMA模块，所述DMA模块连接MCU的一路SPI通道，该路SPI通道与通讯转换芯片的SPI接收通道相连接。DMA模块将SPI通道接收缓存中的数据读入系统内存，按照预先设定好的接收数据大小，接收完成后先处理接收的数据，使用回调函数再次触发BMU向CMU发出指令，如此循环完成所有CMU对应电芯模组信息的采集。
相对于现有技术，本实用新型所提出的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，整体结构设计巧妙，结构简单，成本低廉，非常适用于对电芯模组信息采集和管理实践要求较高的，且带有操作系统的BMS系统，由于本BMS系统中BMU的MCU与通讯转换芯片之间采用两路SPI半双工通讯，通讯转换芯片与CMU之间，相邻的CMU之间通过菊花链式级联通讯的结构，既能增强通讯的可靠性，又能降低系统的复杂度，从而节约成本，同时可以根据电芯模组的数量调整CMU的数量，可扩展性强；另外，由于在MCU中采用DMA模块接收与之相连的CMU反馈的数据，采用DMA方式对数据进行处理和回调函数触发新一轮指令请求，既不过多占用MCU资源又大大提高通讯的传输速度，有效解决通讯效率的问题。
附图说明
图1为本实用新型优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了加深对本实用新型的理解和认识，下面结合附图对本实用新型作进一步描述和介绍。
如图1所示，给出了一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，包括一组电池管理模块、一组及以上的电芯模组、一组及以上的电芯模组信息采集和均衡执行模块，每一组CMU分别与一组电芯模组中的单体电芯一一对应连接，所述电池管理模块包括MCU和通讯转换芯片，所述MCU的SPI通道与通讯转换芯片的SPI通道通信连接，所述通讯转换芯片的RDTX通道与其中任意一组CMU的RDTX输入通道相连接，相邻的两组CMU之间的RDTX输入通道连接RDTX输出通道，使得相邻的两组CMU构成菊花链式级联通讯网络。CMU用于采集电芯单体电压、电芯及PCB板温度，执行BMU的均衡指令，反馈电芯均衡状态及电芯工作过程中的故障信息等。而BMU根据自身的控制策略及整车控制单元VCU(Vehicle controlunit)发出的指令，通过通讯转换芯片将SPI信号转换成双绞线差分信号，通过与之相连的第一组CMU传递到总线上的多个CMU，与指令相匹配的CMU执行BMU指令，并将其反馈信息通过通讯转换芯片将差分信号转换成SPI信号与MCU进行通信，完成BMU到相应CMU指令的发送及相应CMU到BMU对应指令的信息回传。
所述的电池管理系统还包括隔离变压器，所述隔离变压器联接在通讯转换芯片的RDTX通道端口以及CMU的RDTX通道端口。
所述CMU的数量与电芯模组的数量保持一致，两者数量可根据实际使用环境进行增减，可扩展性强。
在CMU与电芯模组之间设有分流电阻，所述电芯模组的单体电芯正负极通过分流电阻与CMU的采样端口一一对应连接。
所述CMU采用型号为MC33771的专用集成芯片进行设计，该集成芯片能够最大支持14路单体电芯电压采集。
由于CMU采用专用集成芯片，BMU与CMU之间的通讯通过对芯片寄存器的控制及访问实现，但集成芯片响应BMU指令并去执行相应动作后反馈寄存器状态需要较长时间，且当数据流较大时通讯传输时间延长，因此对于对时间要求较高的BMS系统无法允许SPI同步通讯。为解决该不足，所述MCU使用2路SPI通道，所述通讯转换芯片上也设置有SPI接收通道和SPI发送通道，MCU的一路SPI通道SPI1连接通讯转换芯片的SPI发送通道，MCU的另一路SPI通道SPI2连接通讯转换芯片的SPI接收通道，这样能够实现2路SPI通道单独通讯，有效提高通讯效率，增强实时性。一路SPI通道SPI1用于BMU对CMU指令的发送，一路SPI通道SPI2用于CMU对BMU数据流的回传。
另外，由于BMU对CMU的控制指令和CMU对BMU指令的反馈是通过控制和访问CMU集成芯片的寄存器实现的，而且对于有多个CMU的BMS系统，从BMU指令发送开始到CMU完成指令动作回传寄存器状态信息之间需要延时等待，并且数据流比较大时延长了指令的执行到反馈时间，这种方式对带有操作系统的BMS系统有致命的影响。因此，在所述MCU上设置DMA模块，所述DMA模块连接MCU的一路SPI通道，该路SPI通道SPI2与通讯转换芯片的SPI接收通道相连接。使用DMA模块接收CMU信息的回传，使用回调函数对接收的数据进行处理，同时触发新一轮BMU向CMU指令的发送，若CMU为总线上的最后一级CMU，则DMA接收完CMU信息，回调函数处理完该信息后完成单次BMU对总线上所有CMU的控制。该种方式节省MCU资源，不执行空等指令直到接收到反馈信息，大大缩短通讯、数据处理及新指令发送时间，提升系统效率。
工作时，通讯转换芯片与第一组CMU之间，及相邻的两组CMU之间采用菊花链通讯，通讯转换芯片将BMU发送的SPI信息转换成差分信号与总线上的CMU进行通讯，CMU接收差分信号进行信息解析，执行BMU发送的指令，然后，CMU将对指令响应的信息转换成差分信号回传给通讯转换芯片，通讯转换芯片将接收的差分信号转换成SPI信号，通过SPI2发送给MCU。由于BMU与CMU之间通过菊花链式的变压器隔离的通讯连接方式，既实现了高压侧的电池信息采集单元CMU与低压侧的电池模块控制单元BMU的电器隔离，增强了通讯的可靠性和稳定性，又减少了系统线束的复杂度，降低系统成本。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本实用新型的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本实用新型权利要求所保护的范围。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件。
本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于：包括一组电池管理模块、一组及以上的电芯模组、一组及以上的电芯模组信息采集和均衡执行模块，每一组电芯模组信息采集和均衡执行模块分别与一组电芯模组中的单体电芯一一对应连接，所述电池管理模块包括MCU和通讯转换芯片，所述MCU的SPI通道与通讯转换芯片的SPI通道通信连接，所述通讯转换芯片的RDTX通道与其中任意一组电芯模组信息采集和均衡执行模块的RDTX输入通道相连接，相邻的两组电芯模组信息采集和均衡执行模块之间的RDTX输入通道连接RDTX输出通道，使得相邻的两组电芯模组信息采集和均衡执行模块构成菊花链式级联通讯网络。
2.如权利要求1所述的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于，所述的电池管理系统还包括隔离变压器，所述隔离变压器联接在通讯转换芯片的RDTX通道端口以及电芯模组信息采集和均衡执行模块的RDTX通道端口。
3.如权利要求2所述的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于，所述电芯模组信息采集和均衡执行模块的数量与电芯模组的数量保持一致。
4.如权利要求3所述的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于，所述电芯模组信息采集和均衡执行模块采用型号为MC33771的专用集成芯片进行设计，该集成芯片能够最大支持14路单体电芯电压采集。
5.如权利要求4所述的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于，所述MCU使用2路SPI通道，所述通讯转换芯片上也设置有SPI接收通道和SPI发送通道，MCU的一路SPI通道连接通讯转换芯片的SPI接收通道，MCU的另一路SPI通道连接通讯转换芯片的SPI发送通道 。
6.如权利要求5所述的一种基于菊花链式级联通讯的电动汽车电池管理系统，其特征在于，所述MCU上设有DMA模块，所述DMA模块连接MCU的一路SPI通道，该路SPI通道与通讯转换芯片的SPI接收通道相连接。
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