CN216929625U - 电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电池管理系统。所述系统包括：动能发电模块；动能发电模块设置于铁路车辆的车体上，用于将铁路车辆的动能转换为电能并输出；电池组件；电池组件包括一级放电模块、二级放电模块和三级放电模块；一级放电模块、二级放电模块均连接动能发电模块；其中，一级放电模块用于不间断输出动能发电模块传输的电能；二级放电模块用于存储动能发电模块传输的电能；铁路车辆定位装置；铁路车辆定位装置设置于铁路车辆的车体上，用于监测铁路车辆的运行状态，以选取从一级放电模块、二级放电模块或三级放电模块中取电。采用本方法能够提高电池的续航能力，降低铁路车辆设备的功耗，实现铁路车辆设备在有限电池容量下更长时间的工作。

Description

电池管理系统

技术领域

本申请涉及车用电池领域，特别是涉及一种电池管理系统。

背景技术

随着能源问题的日趋紧迫，电池作为最常见的储能设备不断发展，对电池管理系统(Battery Management System，BMS)也提出新的挑战。当前车用BMS主要针对新能源车辆的电池健康监测、充放电安全管理等相关功能，而针对不同类型的电池，不同容量的电池都需要适应的BMS系统，目前的车用BMS无法直接应用于铁路车辆，特别是铁路车辆定位装置。

传统技术中，需要定期为铁路车辆设备(例如，铁路车辆定位装置)更换电池或为电池充电，人力成本高，且不易于管理。同时，铁路车辆设备的功耗决定了系统工作时间，进一步影响了电池容量大小。一方面，需要提高电池的续航能力，另一方面，需要降低铁路车辆设备的功耗，实现在有限电池容量下铁路车辆设备更长时间的工作。

目前的铁路车辆电池管理方式或者传统方法，存在功耗高的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低功耗的电池管理系统。

本申请提供了一种电池管理系统，包括：

动能发电模块；动能发电模块设置于铁路车辆的车体上，用于将铁路车辆的动能转换为电能并输出；

电池组件；电池组件包括一级放电模块、二级放电模块和三级放电模块；一级放电模块、二级放电模块均连接动能发电模块；其中，一级放电模块用于不间断输出动能发电模块传输的电能；二级放电模块用于存储动能发电模块传输的电能；

铁路车辆定位装置；铁路车辆定位装置设置于铁路车辆的车体上，用于监测铁路车辆的运行状态，以选取从一级放电模块、二级放电模块或三级放电模块中取电。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置包括控制设备；控制设备包括控制器和电源管理芯片；控制器通过电源管理芯片与一级放电模块、二级放电模块和三级放电模块分别连接。

在其中一个实施例中，电池组件还包括与二级放电模块、三级放电模块和控制器分别连接的库仑计；库仑计用于输出二级放电模块的电量、三级放电模块的电量至电源管理芯片。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置还包括北斗定位模块和通信模块；北斗定位模块和通信模块均与控制器连接。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置还包括动静传感器；动静传感器包括用于接入铁路车辆的运动数据的数据采集端口，以及用于输出通信周期的输出端口；动静传感器与控制器连接。动静传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为运动状态的情况下，通过输出端口输出第一周期至通信模块；动静传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，通过输出端口输出第二周期至通信模块；第二周期大于第一周期。

在其中一个实施例中，动静传感器包括加速度传感器。

在其中一个实施例中，一级放电模块包括电容；二级放电模块包括充放电电池；三级放电模块包括备用电池；在铁路车辆处于运动状态的情况下，铁路车辆定位装置通过电容从动能发电模块中取电；在铁路车辆处于静止状态的情况下，铁路车辆定位装置从充放电电池中取电；在铁路车辆处于停放状态的情况下，铁路车辆定位装置从备用电池中取电。

在其中一个实施例中，电容为超级电容；充放电电池为磷酸铁锂电池；备用电池为一次性电池；一次性电池包括锂亚电池。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置包括采用固定件相连的第一壳体和第二壳体；铁路车辆定位装置还包括天线盖。

在其中一个实施例中，固定件包括盘头螺丝；第一壳体和第二壳体均采用铸铝合金压铸而成；第一壳体和第二壳体的连接处采用止口加密封圈；天线盖采用ABS注塑而成。

上述电池管理系统，能够提高电池的续航能力，降低铁路车辆设备的功耗，实现在有限电池容量下铁路车辆设备更长时间的工作。

附图说明

图1为一个实施例中电池管理系统的结构框图；

图2为另一个实施例中电池管理系统的结构框图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

需要说明的是，目前的BMS无法直接应用于铁路车辆以满足低功耗电源管理的需要，若采用一次性锂亚电池对铁路车辆设备(例如，铁路车辆定位装置)供电，通过加大电池容量，并延长通信信号发包频率保证铁路车辆设备正常运行，具有结构简单，电池耐高、低温性能较好的优势，但一次性锂亚电池放电能力较弱，不支持高功率放电，而增加复合电容虽然可以提高瞬间放电能力，但是连续工作的情况下仍然存在电池利用率低的问题，同时高功率放电对电池寿命影响较大，需要高频率地更换电池，带来施工、维护等大量相关的工作量；此外，加大电池容量大大增加了电池的体积，不便于增设在铁路车辆上。为了解决铁路车辆设备的长期供电问题，本申请提供了一种电池管理系统，能够实现在有限电池容量下更长时间的正常工作。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供了一种电池管理系统，如图1所示，包括：

动能发电模块110；动能发电模块110设置于铁路车辆的车体上，用于将铁路车辆的动能转换为电能并输出；

具体的，在铁路车辆的车体运动的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并输出，无需使用电池供电，可以提高续航时间；

在一些示例中，在铁路车辆的车体运动的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并输出以向铁路车辆设备(例如，铁路车辆定位装置)供电；

电池组件120；电池组件120包括一级放电模块122、二级放电模块124和三级放电模块126；一级放电模块122、二级放电模块124均连接动能发电模块110；其中，一级放电模块122用于不间断输出动能发电模块110传输的电能；二级放电模块124用于存储动能发电模块110传输的电能；

具体的，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并经一级放电模块122不间断输出，无需使用电池供电，可以提高续航时间；在动能发电模块110输出的电能过剩的情况下，二级放电模块124可以存储动能发电模块110传输的电能；在动能发电模块110输出的电能不足的情况下，例如，铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，二级放电模块124可以输出存储的电能；三级放电模块126可以为一级放电模块122或二级放电模块124，也可以为备用电源；

在一些示例中，在二级放电模块124可输出的电能不足的情况下，三级放电模块126可以输出电能进行供电。

铁路车辆定位装置130；铁路车辆定位装置130设置于铁路车辆的车体上，用于监测铁路车辆的运行状态，以选取从一级放电模块122、二级放电模块124或三级放电模块126中取电。

具体的，铁路车辆定位装置130包括控制器、动静传感器、通信模块和扩展接口；铁路车辆定位装置130可以从电池组件120中取得两类工作电压，包括动静传感器(例如，加速度传感器、振动传感器)、温湿度传感器、电平转换电路所需的第一工作电压，以及通信模块所需的第二工作电压；

在一些示例中，一级放电模块122、二级放电模块124和三级放电模块126均可以通过电平转换电路分别输出第一工作电压和第二工作电压；第一工作电压可以为1.7V～3.6V；第二工作电压可以为3.8V～4.2V；扩展接口可以用于接入NB-IoT(Narrow BandInternet of Things，窄带物联网)模块，还可以用于接入采集铁路车辆实时运行数据(例如，轴温、载重量等数据)；

在其中一个实施例中，如图2所示，铁路车辆定位装置130包括控制设备；控制设备包括控制器132和电源管理芯片134；控制器132通过电源管理芯片134与一级放电模块122、二级放电模块124和三级放电模块126分别连接。

具体的，控制器132可以通过电源管理芯片134以选取从一级放电模块122、二级放电模块124或三级放电模块126中取电；控制器132可以为单片机；

在一些示例中，单片机可以采用Atmel L系列；二级放电模块124和三级放电模块126可以为电池；电源管理芯片134可以将二级放电模块124和三级放电模块126的电量输出至控制器132。

在其中一个实施例中，电池组件120还包括与二级放电模块124、三级放电模块126和控制器132分别连接的库仑计；库仑计用于输出二级放电模块124的电量、三级放电模块126的电量至电源管理芯片134。

具体的，库仑计可以用于电量监测和放电结束监测；在一些示例中，库仑计可以包括锂原电池电量监测计和放电结束监测计，例如，BQ35100锂原电池电量监测计和放电结束监测计。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置130还包括北斗定位模块和通信模块；北斗定位模块和通信模块均与控制器132连接。

具体的，通信模块可以为4G和/或5G模块，用于数据传输；

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置130还包括动静传感器；动静传感器包括用于接入铁路车辆的运动数据的数据采集端口，以及用于输出通信周期的输出端口；动静传感器与控制器132连接。动静传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为运动状态的情况下，通过输出端口输出第一周期至通信模块；动静传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，通过输出端口输出第二周期至通信模块；第二周期大于第一周期。

具体的，通信模块可以通过动静传感器确定的铁路车辆状态的不同，以采用不同的模式和通信周期(即数据传输时间间隔)；例如，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，采用睡眠模式和第一周期；在铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，采用休眠节电模式和第二周期。

在一些示例中，第一周期可以为10分钟；第二周期可以为2小时。在铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下降低通信周期，能够进一步降低铁路车辆定位装置130的电池消耗。

在其中一个实施例中，动静传感器包括加速度传感器。

具体的，加速度传感器可以检测铁路列车的加速度及其方向以确定铁路货车状态；加速度传感器包括用于接入铁路车辆的运动数据的数据采集端口，以及用于输出通信周期的输出端口；加速度传感器与控制器132连接。加速度传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为运动状态的情况下，通过输出端口输出第一周期至通信模块；加速度传感器在基于运动数据确定铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，通过输出端口输出第二周期至通信模块；

在一些示例中，第一周期可以为10分钟；第二周期可以为2小时；动静传感器还包括振动传感器。

在一些示例中，铁路车辆定位装置130还包括温湿度传感器，用于监测铁路车辆定位装置130的内部温度和湿度；温湿度传感器可以为低功耗数字温湿度传感器。

在其中一个实施例中，一级放电模块122包括电容；二级放电模块124包括充放电电池；三级放电模块126包括备用电池；在铁路车辆处于运动状态的情况下，铁路车辆定位装置130通过电容从动能发电模块110中取电；在铁路车辆处于静止状态的情况下，铁路车辆定位装置130从充放电电池中取电；在铁路车辆处于停放状态的情况下，铁路车辆定位装置130从备用电池中取电。

具体的，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并经电容不间断输出，无需使用电池供电，可以提高续航时间；在动能发电模块110输出的电能过剩的情况下，充放电电池可以存储动能发电模块110传输的电能；在动能发电模块110输出的电能不足的情况下，例如，铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，充放电电池可以输出存储的电能；在充放电电池可输出的电能不足的情况下，备用电池可以输出电能进行供电。

在一些示例中，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并经电容不间断向铁路车辆定位装置130供电，无需使用电池供电，可以提高续航时间；在动能发电模块110输出的电能不足的情况下，例如，铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，充放电电池可以向铁路车辆定位装置130输出存储的电能；备用电池为不可充电电池(即一次性电池)，在充放电电池可输出的电能不足的情况下，例如，充放电电池的电量过低的情况下，不可充电电池可以向铁路车辆定位装置130进行供电，能够最小化使用不可充电电池的次数，进而减少电池维护，提高使用时长。

在其中一个实施例中，电容为超级电容；充放电电池为磷酸铁锂电池；备用电池为一次性电池；一次性电池包括锂亚电池。

具体的，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并经超级电容不间断输出，无需使用电池供电，可以提高续航时间；此外，超级电容能够降低通信模块工作的峰值电压对磷酸铁锂电池和锂亚电池的冲击，以提高电池寿命及有效容量；磷酸铁锂电池具有可充电性，在动能发电模块110输出的电能过剩的情况下，磷酸铁锂电池可以存储动能发电模块110传输的电能，以能够提高电池组件120的电池容量；在动能发电模块110输出的电能不足的情况下，例如，铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，磷酸铁锂电池可以输出存储的电能；锂亚电池的能量密度高、能够适应高低温且自放电系数小，可以作为备用电池，在磷酸铁锂电池可输出的电能不足的情况下输出电能进行供电。

在一些示例中，在铁路车辆状态为运动状态的情况下，动能发电模块110可以将铁路车辆的动能转换为电能并经超级电容不间断向铁路车辆定位装置130供电；在动能发电模块110输出的电能不足的情况下，例如，铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，磷酸铁锂电池可以向铁路车辆定位装置130输出存储的电能；在磷酸铁锂电池可输出的电能不足的情况下，锂亚电池可以向铁路车辆定位装置130供电。

在一些示例中，磷酸铁锂电池可以采用一组10Ah的磷酸铁锂电池；锂亚电池可以采用4节19Ah的锂亚电池并联。

在一些示例中，在不具备充电功能的情况下，96Ah的电池可供铁路车辆定位装置130正常工作6个月，而本申请中的电池管理系统可以通过动能发电模块110在铁路车辆运动过程中对磷酸铁锂电池进行充电，按照铁路车辆的振动频率为1Hz，每日平均工作时长的50％看作铁路车辆的运动状态进行推算，其产生的电能可使铁路车辆定位装置130的工作时长提高到8～10个月，即最少能够提供2个月的额外电能供应。

在一些示例中，电池管理系统的各元器件、各模块可以选用工业级电子元器件，正常工作温度为范围可以在-40℃～+80℃之间，以满足铁路车辆的实际使用环境；电池组件120均采用耐高低温电池，可以在极端温度下保证正常工作并减少电池电量的损失。

在一些示例中，电池管理系统采用隔热及散热结构，避免在强烈的日晒情况下电池管理系统的各模块随机出现快速升温的现象；电池管理系统的控制器132和通信模块可以采用过热保护，以避免高温损坏。

在一些示例中，电池管理系统在样机模块通过100％环境应力筛选试验，保证电池管理系统的各元器件、各模块在投入使用前已消除早期性能缺陷。

在一些示例中，电池管理系统的热设计根据其热产生机理与传播方式、热场分布情况确定，例如，铁路车辆定位装置130通过CAE(Computer Aided Engineering，计算机辅助工程)辅助分析软件通过模型建立、模型求解和结果解释三方面进行热效应分析以确定关键元件、关键模块的参数。

在一些示例中，电池管理系统的各元器件、各模块工作温度范围大于系统的工作温度范围；铁路车辆定位装置130的各元器件、各模块工作温度范围大于整机的工作温度范围；电池管理系统中的电阻、电容等元器件的耐压值大于额定工作电压的2倍；电池组件120的实际功耗不超过额定功耗的60％。

在其中一个实施例中，铁路车辆定位装置130包括采用固定件相连的第一壳体和第二壳体；铁路车辆定位装置130还包括天线盖。

具体的，铁路车辆定位装置130还包括硬件PCB板，铁路车辆定位装置130的各元器件、各模块可以集成在硬件PCB板上；硬件PCB板能够采集铁路车辆的位置数据、铁路车辆定位装置130内的温湿度数据、识读拓展接口、采集铁路车辆的加速度数据、采集各元器件和各模块的工作电压、传输数据等；动能发电模块110可以收集铁路车辆的动能，并转换为电能输出至电池组件120，以供铁路车辆定位装置130使用，最大程度地减少了电能的消耗。

在一些示例中，硬件PCB板设置于第一壳体和第二壳体的腔体内。

在其中一个实施例中，固定件包括盘头螺丝；第一壳体和第二壳体均采用铸铝合金压铸而成；第一壳体和第二壳体的连接处采用止口加密封圈；天线盖采用ABS注塑而成。

具体的，铸铝合金压铸而成的第一壳体质量较轻且强度较高；在一些示例中，铁路车辆定位装置130的整体防护等级可以为IP67标准(即整体防止接触，防护灰尘渗透)。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电池管理系统，其特征在于，包括：

动能发电模块；所述动能发电模块设置于铁路车辆的车体上，用于将所述铁路车辆的动能转换为电能并输出；

电池组件；所述电池组件包括一级放电模块、二级放电模块和三级放电模块；所述一级放电模块、所述二级放电模块均连接所述动能发电模块；其中，所述一级放电模块用于不间断输出所述动能发电模块传输的电能；所述二级放电模块用于存储所述动能发电模块传输的电能；

铁路车辆定位装置；所述铁路车辆定位装置设置于铁路车辆的车体上，用于监测所述铁路车辆的运行状态，以选取从所述一级放电模块、所述二级放电模块或所述三级放电模块中取电。

2.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述铁路车辆定位装置包括控制设备；

所述控制设备包括控制器和电源管理芯片；所述控制器通过所述电源管理芯片与所述一级放电模块、所述二级放电模块和所述三级放电模块分别连接。

3.根据权利要求2所述的电池管理系统，其特征在于，所述电池组件还包括与所述二级放电模块、所述三级放电模块和所述控制器分别连接的库仑计；

所述库仑计用于输出所述二级放电模块的电量、所述三级放电模块的电量至所述电源管理芯片。

4.根据权利要求2或3所述的电池管理系统，其特征在于，所述铁路车辆定位装置还包括北斗定位模块和通信模块；所述北斗定位模块和所述通信模块均与所述控制器连接。

5.根据权利要求4所述的电池管理系统，其特征在于，所述铁路车辆定位装置还包括动静传感器；所述动静传感器包括用于接入所述铁路车辆的运动数据的数据采集端口，以及用于输出通信周期的输出端口；所述动静传感器与所述控制器连接；

所述动静传感器在基于所述运动数据确定所述铁路车辆状态为运动状态的情况下，通过所述输出端口输出第一周期至所述通信模块；所述动静传感器在基于所述运动数据确定所述铁路车辆状态为静止状态或停放状态的情况下，通过所述输出端口输出第二周期至所述通信模块；所述第二周期大于所述第一周期。

6.根据权利要求5所述的电池管理系统，其特征在于，所述动静传感器包括加速度传感器。

7.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述一级放电模块包括电容；所述二级放电模块包括充放电电池；所述三级放电模块包括备用电池；

在所述铁路车辆处于运动状态的情况下，所述铁路车辆定位装置通过所述电容从所述动能发电模块中取电；在所述铁路车辆处于静止状态的情况下，所述铁路车辆定位装置从所述充放电电池中取电；在所述铁路车辆处于停放状态的情况下，所述铁路车辆定位装置从所述备用电池中取电。

8.根据权利要求7所述的电池管理系统，其特征在于，所述电容为超级电容；所述充放电电池为磷酸铁锂电池；所述备用电池为一次性电池；所述一次性电池包括锂亚电池。

9.根据权利要求1所述的电池管理系统，其特征在于，所述铁路车辆定位装置包括采用固定件相连的第一壳体和第二壳体；所述铁路车辆定位装置还包括天线盖。

10.根据权利要求9所述的电池管理系统，其特征在于，所述固定件包括盘头螺丝；所述第一壳体和所述第二壳体均采用铸铝合金压铸而成；所述第一壳体和所述第二壳体的连接处采用止口加密封圈；所述天线盖采用ABS注塑而成。

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