CN210805947U - 一种可扩展主从结构的电池管理系统电路 - Google Patents

一种可扩展主从结构的电池管理系统电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种可扩展主从结构的电池管理系统电路。所述电池管理电路为一种模块化的主从结构BMS硬件电路，包括一个主控模块和多个可扩展的从机模块即电池监测保护模块，主控模块与从机模块之间通过SPI隔离通信接口进行通信；本实用新型主从模块之间通过隔离SPI电路进行通信，二者分开设计互不干扰，提高了设计灵活性，也有利于后期的局部升级改造；采用了三核异构的微控制器，为BMS充放电控制、CAN通信、信号处理的并行运行提供保障；采用了电池管理专用芯片，利用芯片自身电压自举功能，无须设计驱动电路，简化了系统电路的设计。

Description

一种可扩展主从结构的电池管理系统电路
技术领域
本实用新型涉及电池监测与电池管理领域，属于新能源汽车控制技术范畴，具体是一种电动汽车的电池管理系统。
背景技术
以汽油和柴油为燃料的传统汽车，在行驶过程中会排放硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)和二氧化碳(CO2)等，成为雾霾天气和空气污染的污染源之一。为实现经济可持续发展，建设资源节约型社会，必须发展新能源技术以提高能源利用效率。在我国交通能源领域，近年来电动汽车发展迅速，电能在交通燃料中的比例已经在加速上升，纯电动汽车续航里程已达到普通汽油车的30％～50％，电动汽车行业得到了加速的发展。
动力电池是电动汽车的核心模块之一，如何提高动力电池的性能、使用效率一直是制约电动车快速发展的关键问题。除了突破电池技术以外，对电池的监测和管理技术也至关重要。对于电动汽车而言，电池管理的功能主要依靠电池管理系统(BatteryManagement System,BMS)实现。BMS的主要功能包括对电池电压、电流、温度参数的监测，以及充放电管理、电池均衡、直流内阻测量，为此需要专门的BMS硬件电路支持。
现有技术中，BMS的结构主要是一种集中式的结构，将所有模块集中到一块电路板上，但该设计方式的通用性和扩展性较差，不利于后期维护和改造。在设计BMS硬件电路时应充分考虑通用性，要有合适的电路接口和结构来获取外部信息进行相应控制，然后要考虑系统的扩展性，方便后续的更新和升级。
实用新型内容
针对以上问题，本实用新型的目的在于提供一种可扩展的BMS硬件电路，主要解决当前BMS电路可维护性较差的问题。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，所述电池管理电路为一种模块化的主从结构BMS硬件电路，包括一个主控模块和多个可扩展的从机模块即电池监测保护模块，主控模块与从机模块之间通过SPI隔离通信接口进行通信；
主控模块包括主控单元即主控制芯片、复位电路、晶振电路、仿真接口电路、电源电路、通信单元即隔离通信接口电路；其中，电源电路负责供电，复位电路、晶振电路和仿真接口电路构成了主控制芯片的最小系统，隔离通信接口电路实现主控制芯片和pc以及电池管理芯片的通信；
电池监测保护模块包括前端芯片即电池管理芯片、电池组、电池监测和保护电路；
主控芯片通过CAN隔离通信接口与PC连接，通过SPI隔离通信接口与电池管理芯片通信。
进一步地，主控制芯片选择的是TI的F28M35系列多核控制器，具体型号为TMS320F28M35H22C，本实用新型将其简称为F28M35。
进一步地，前端芯片即电池管理芯片选择的是TI推出的电池管理专用芯片bq76PL536A-Q1，本实用新型将其简称为bq76PL536A。
进一步地，所述电源电路包括TPS54560降压电路、TLE4274GV50降压电路和TLE8366EV33降压电路。
进一步地，所述TPS54560降压电路采用了TPS54560降压稳压芯片，连接至12V电源，将12V电压降压至8V。
进一步地，所述TLE4274GV50降压电路采用了TLE4274GV50低压差线性稳压器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至5V。
进一步地，所述TLE8366EV33降压电路采用了TLE8366EV33脉宽调制降压型DC/DC转换器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至3.3V，为隔离通信接口电路、复位电路、仿真接口电路供电。
进一步地，所述隔离通信接口电路包括隔离CAN通信接口电路和隔离SPI通信接口电路；
所述隔离CAN通信接口电路上半部分为隔离电源，下半部分为CAN隔离收发器；上半部分使用TI的变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015和线性稳压器TPS76350实现3.3V到5V的隔离电源变换；下半部分使用ISO1050作为CAN隔离收发器即隔离芯片，隔离芯片左侧的RX_CAN0和TX_CAN0连接主控制芯片的其中一路CAN的信号管脚，右侧的CAN0_L和CAN0_H连接CAN总线，且使用了2个60Ω串联电阻实现终端的阻抗匹配，以提高数据抗干扰能力；
所述隔离SPI通信接口电路，上半部分是将3.3V电压转化为5V电压的隔离电源部分，由变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015、线性稳压器TPS73650组成；下半部分是SPI隔离电路，隔离芯片为ISO7241C-Q1，隔离芯片左侧使用3.3V电源，接地信号为主控制芯片的地信号，SCLK、MOSI、FSS、MISO分别连接主控制芯片的4个SPI信号接口；隔离芯片右侧使用5V电源，SCLK_H、SDI_H、CS_H、SDO_H分别连接前端芯片的4个SPI接口。
进一步地，所述电池监测和保护电路包括被动均衡控制与电压测量电路、电池直流内阻测量电路、电池温度的测量电路；
所述电池直流内阻测量电路中，使用3个限流内阻防止电流过大损坏芯片，使用3个滤波电容抑制电路噪声，使用两个具有不同阻值的放电回路来测量直流内阻；
所述电池温度的测量电路由电阻、电容、热敏电阻组成；热敏电阻阻值随着环境温度的变化而变化，用以产生差分电压信号并输入前端芯片；当输入的信号超过设定值时，视为电池温度过高并发出报警信号。
本实用新型具有如下优点：
1.主从模块之间通过隔离SPI电路进行通信，二者分开设计互不干扰，提高了设计灵活性，也有利于后期的局部升级改造；
2.采用了三核异构的微控制器，为BMS充放电控制、CAN通信、信号处理的并行运行提供保障；
3.采用了电池管理专用芯片，利用芯片自身电压自举功能，无须设计驱动电路，简化了系统电路的设计；
4.通过消耗电阻实现有损耗的电池快速放电电路，实现电池被动均衡和高压报警保护，该方法简单有效；
5.设计了一种电池直流内阻的在线测量方式，通过两个不同放电回路测试电池伏安特性，从而估计出电池直流内阻，避免了通过电流计算电阻，而电流测量不准确的问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例的电池管理系统电路的主从式结构示意图；
图2为本实用新型实施例的硬件结构框图；
图3为本实用新型实施例的电池监测保护模块结构图；
图4为本实用新型实施例的主控模块的晶振电路图；
图5为本实用新型实施例的主控模块的复位电路；
图6为本实用新型实施例的主控模块的JTAG接口电路；
图7为本实用新型实施例的电源部分的TPS54560降压电路；
图8为本实用新型实施例的电源部分的TLE4274GV50降压电路；
图9为本实用新型实施例的电源部分的TLE8366EV33降压电路；
图10为本实用新型实施例的隔离CAN通信接口电路；
图11为本实用新型实施例的隔离SPI通信接口电路；
图12为本实用新型实施例的监测模块的直流内阻测量电路；
图13为本实用新型实施例的监测模块的电池温度测量电路。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别说明之过程或符号(如通用的电路图表示)，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
实施例：
如图1所示，一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，为一种模块化的主从结构BMS硬件电路，包括一个主控模块和多个可扩展的从机模块即电池监测保护模块，主控模块与从机模块之间通过SPI隔离通信接口进行通信。
主控模块包括了主控单元即主控制芯片、通信单元即隔离通信接口电路、电源电路、晶振电路、复位电路。从机模块实现对电池状态参数的监测，对电池电压和温度进行测量，之后将测量信息传输给主控模块。这种结构设计比较复杂，需要对主控模块和从机模块分别设计，并要对主从之间的通信、从机模块之间的通信进行设计。主从式结构设计灵活，可根据电池数量适当增减从机模块的数量。
在图2和图3中分别展示了硬件电路的整体结构和前端模块即电池监测保护模块的结构。
硬件电路分为主控模块和电池监测保护模块两大部分。主控模块提供计算、存储和通信功能；电池监测和保护模块即电池检测模块负责监测电池状态相关的参数并传输至主控模块。
主控模块包括电源电路、主控单元即主控制芯片、复位电路、晶振电路、通信单元即隔离通信接口电路。电源电路负责供电，复位电路、晶振电路和仿真接口电路构成了主控制芯片的最小系统；通过隔离通信接口电路实现主控制芯片和pc以及电池管理芯片的通信。主控制芯片是整个模块的核心，通过电池监测保护模块读取电池状态参数，并负责相关的通信任务。
电池监测保护模块由电池管理芯片、电池组、电池监测和保护电路组成。电池管理芯片作为核心部分，负责电池组电压、电阻、温度的测量，并执行电池的均衡控制。此外，电池保护模块还具有故障报警功能。
主控制芯片选择的是TI的F28M35系列多核控制器，具体型号为TMS320F28M35H22C，本实用新型将其简称为F28M35。前端芯片即电池管理芯片选择的是TI推出的电池管理专用芯片bq76PL536A-Q1，本实用新型将其简称为bq76PL536A，通过级联的方式实现对多个电池组的管理。F28M35通过CAN隔离通信接口与PC连接，通过SPI隔离通信接口与bq76PL536A通信，为此设计了两个隔离通信接口电路，隔离通信接口电路包括隔离CAN通信接口电路和隔离SPI通信接口电路。
在图4、图5和图6中分别是晶振电路、复位电路和仿真接口电路，三者与主控制芯片共同组成主控制芯片的一个最小系统。
F28M35的内部集成振荡器可输出10MHz和32KHz信号，但只用于主机系统实现低功耗模式或用于时钟丢失检测电路，不能为外部所用，因此需要外部的振荡器提供时钟信号。通过引脚X1和X2为F28M35提供基准时钟信号，通过PLL锁相环配置可为系统提供高达150MHz的工作频率。
当出现异常情况时，复位电路产生复位信号使MCU回到一个初始状态。F28M35的控制子系统由A_XRST管脚控制，模拟子系统由B_XRST管脚控制。通常将二者连接在一起，使控制子系统和模拟子系统同时复位。相应的复位电路如图5所示。
F28M35通过JTAG接口进行程序烧录和调试，相应仿真接口电路如图6所示。
在图7、图8和图9中展示了主控模块的电源电路。主控制板取电自12V的整车电源，而外部传感器和控制芯片需要5V和3.3V的电源供电，为此首先将12V电压降压至8V，再分别降至5V和3.3V。
为应对波动的整车电源，需要一种适应波动电压且保证稳压输出的电源。TI的TPS54560是一款配备集成高侧MOSFET的降压稳压芯片，输入电压范围4.5V-60V，最大输出电流可达5A。
图7中，根据下式计算反馈电阻R58和R61的大小。为获得8V输出，R58和R61的比例为9:1：
Figure BDA0002187274960000061
通过TPS54560降压电路获得8V的稳定电压后，需要再次将电压降至5V和3.3V。TLE4274GV50是Infineon公司的一款低压差线性稳压器，输出电压5V或3.3V，最大输出电流为400mA。TLE8366EV33是Infineon的一款脉宽调制降压型DC/DC转换器，输入电压4.5V-24V，输出电压3.3V，最大输出电流可达1.8A。使用TLE4274GV50和TLE8366EV33分别将8V电压降至5V和3.3V。
所述电源电路包括TPS54560降压电路、TLE4274GV50降压电路和TLE8366EV33降压电路；
如图7所示，所述TPS54560降压电路采用了TPS54560降压稳压芯片，连接至12V电源，将12V电压降压至8V。
如图8所示，所述TLE4274GV50降压电路采用了TLE4274GV50低压差线性稳压器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至5V。
如图9所示，所述TLE8366EV33降压电路采用了TLE8366EV33脉宽调制降压型DC/DC转换器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至3.3V。，将8V电压降压至3.3V，为隔离通信接口电路、复位电路、仿真接口电路供电。
隔离CAN通信接口电路如图10所示。CAN总线有CAN_H和CAN_L两个信号线，显性模式时，CAN_H和CAN_L的对地电压分别为3.5V和1.5V，隐性时则同为2.5V。F28M35只有两种电平信号，高电平为3.3V，低电平为0V，因此不能与CAN直接相连。F28M35的通信子系统ARMCortex-M3内核有CANA和CANB两路模块，每路模块有两个外接管脚分别连接隔离收发器，将CAN信号转化为总线的高电平和低电平信号。为了避免不共地电路之间的相互扰动，需设计隔离电路。CAN隔离通信接口电路如图10所示。
上半部分为隔离电源，下半部分为CAN隔离收发器。使用TI的变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015和线性稳压器TPS76350实现3.3V到5V的隔离电源变换。使用ISO1050作为CAN隔离收发器即隔离芯片，通信速率高达1Mbps。隔离芯片左侧的RX_CAN0和TX_CAN0连接F28M35的其中一路CAN的信号管脚，右侧的CAN0_L和CAN0_H连接CAN总线，且使用了2个60Ω串联电阻R1和R2实现终端的阻抗匹配，以提高数据抗干扰能力。
隔离SPI通信接口电路如图11所示。与隔离CAN通信接口电路类似，上半部分是将3.3V电压转化为5V电压的隔离电源部分，由变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015、线性稳压器TPS73650组成。下半部分是SPI隔离电路，隔离芯片为ISO7241C-Q1,其4路隔离通道正好满足SPI通信要求。隔离芯片左侧使用3.3V电源，接地信号为F28M35的地信号，SCLK、MOSI、FSS、MISO分别连接主控制芯片的4个SPI信号接口；隔离芯片右侧使用5V电源，SCLK_H、SDI_H、CS_H、SDO_H分别连接bq76PL536A的4个SPI接口。
电池直流内阻测量电路如图12中所示。
记电池直流内阻为r，与电压和电流的关系为：
Figure BDA0002187274960000071
式中，EB是电池平衡电动势，UL是电池工作状态下的两端电压，I是工作电流。
一般而言，可直接测量电池工作电流并得到直流内阻，但准确测量电流较为困难。可使用如下方式推算出直流内阻：
EB＝UL1+I1*r
EB＝UL2+I2*r
Figure BDA0002187274960000072
Figure BDA0002187274960000073
联合以上各式可得：
Figure BDA0002187274960000081
式中，UL1和UL2分别为不同放电电路所测得的电压，RL1和RL2则是相应电路的电阻。
为此可设置2个放电回路，使电池分别对2个不同阻值的电阻放电，并分别测量电池两端电压，于是只需测量两个不同电阻对应的放电电路的电压，即可得到电池的直流内阻。
图中的R3、R4、R5为限流内阻，防止电流过大损坏芯片；电容C1、C2、C3是滤波电容，用来抑制电路噪声。不同的是增加了R2和QC1组成的放电电路，通过控制Z6为高电平，从而导通MOS管QC1，使电池通过电阻R2放电，记录此时的电压。然后控制CB1为高电平，Z6位低电平，从而关断QC1并导通QA1，电池通过电阻R1放电，记录此时的电压。得到两组电压数据后，且电阻R1和R2的阻值是已知的，便可通过公式推算出电池的直流内阻。
电池温度的测量电路如图13中所示。基于bq76PL536A的电池温度测量电路由电阻、电容、热敏电阻组成。热敏电阻阻值随着环境温度的变化而变化，用以产生差分电压信号并输入芯片。当输入的信号超过设定值时，视为电池温度过高并发出报警信号。
TS1+、TS1-和TS2+、TS2-分别为芯片的两路差分电压信号输入端，REG50为5V的线性稳压输出，电容C3和C4分别跨接在热敏电阻RT1和RT2两端，用来抑制测量电路噪声。热敏电阻在温度不变环境下的阻值为固定值，而随着温度的变化而改变，因此，bq76PL536A的差分信号输入端的信号随着热敏电阻阻值的变化而变化，于是可通过A/D采样端口的差分电压来得到电池工作温度。
以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效装置或等效方法变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述电池管理电路为一种模块化的主从结构BMS硬件电路，包括一个主控模块和多个可扩展的从机模块即电池监测保护模块，主控模块与从机模块之间通过SPI隔离通信接口进行通信；
主控模块包括主控单元即主控制芯片、复位电路、晶振电路、仿真接口电路、电源电路、通信单元即隔离通信接口电路；其中，电源电路负责供电，复位电路、晶振电路和仿真接口电路构成了主控制芯片的最小系统，隔离通信接口电路实现主控制芯片和pc以及电池管理芯片的通信；
电池监测保护模块包括前端芯片即电池管理芯片、电池组、电池监测和保护电路；
主控制芯片通过CAN隔离通信接口与PC连接，通过SPI隔离通信接口与电池管理芯片通信。
2.根据权利要求1所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，主控制芯片具体型号为TMS320F28M35H22C。
3.根据权利要求1所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，前端芯片即电池管理芯片具体型号为bq76PL536A-Q1。
4.根据权利要求1所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述电源电路包括TPS54560降压电路、TLE4274GV50降压电路和TLE8366EV33降压电路。
5.根据权利要求4所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述TPS54560降压电路采用了TPS54560降压稳压芯片，连接至12V电源，将12V电压降压至8V。
6.根据权利要求4所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述TLE4274GV50降压电路采用了TLE4274GV50低压差线性稳压器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至5V。
7.根据权利要求4所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述TLE8366EV33降压电路采用了TLE8366EV33脉宽调制降压型DC/DC转换器，连接至TPS54560降压电路，将8V电压降压至3.3V，为隔离通信接口电路、复位电路、仿真接口电路供电。
8.根据权利要求1所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述隔离通信接口电路包括隔离CAN通信接口电路和隔离SPI通信接口电路；
所述隔离CAN通信接口电路上半部分为隔离电源，下半部分为CAN隔离收发器；上半部分使用TI的变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015和线性稳压器TPS76350实现3.3V到5V的隔离电源变换；下半部分使用ISO1050作为CAN隔离收发器即隔离芯片，隔离芯片左侧的RX_CAN0和TX_CAN0连接主控制芯片的其中一路CAN的信号管脚，右侧的CAN0_L和CAN0_H连接CAN总线，且使用了2个60Ω串联电阻实现终端的阻抗匹配，以提高数据抗干扰能力；
所述隔离SPI通信接口电路，上半部分是将3.3V电压转化为5V电压的隔离电源部分，由变压驱动器SN6501、变压器Tr760390015、线性稳压器TPS73650组成；下半部分是SPI隔离电路，隔离芯片为ISO7241C-Q1，隔离芯片左侧使用3.3V电源，接地信号为主控制芯片的地信号，SCLK、MOSI、FSS、MISO分别连接主控制芯片的4个SPI信号接口；隔离芯片右侧使用5V电源，SCLK_H、SDI_H、CS_H、SDO_H分别连接前端芯片的4个SPI接口。
9.根据权利要求1所述的一种可扩展主从结构的电池管理系统电路，其特征在于，所述电池监测和保护电路包括被动均衡控制与电压测量电路、电池直流内阻测量电路、电池温度的测量电路；
所述电池直流内阻测量电路中，使用3个限流内阻防止电流过大损坏芯片，使用3个滤波电容抑制电路噪声，使用两个具有不同阻值的放电回路来测量直流内阻；
所述电池温度的测量电路由电阻、电容、热敏电阻组成；热敏电阻阻值随着环境温度的变化而变化，用以产生差分电压信号并输入前端芯片；当输入的信号超过设定值时，视为电池温度过高并发出报警信号。
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