CN218997736U - 用于电池组的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池技术领域，提供了一种用于电池组的电池管理系统，包括：多个电源模块，该多个电源模块通过连接线束连接多个电池，用于实现多个电池的能量均衡；采样模块，该采样模块复用连接线束对前述多个电池进行功率检测以及采样，获取采样数据；数字控制器，该数字控制器用于在时间周期内的第一时间段将控制指令传输给采样模块，采样模块执行控制指令完成对多个电池分别进行采样，以及在时间周期内的第二时间段控制多个电源模块执行主动均衡策略。其通过复用连接线束采用功率和信号的复合传输方式进行通信，节省了通信线束，简化了系统架构，可在不影响电池采样精度的情况下，降低系统的复杂度，同时极大地节省生产成本。

Description

用于电池组的电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种用于电池组的电池管理系统。

背景技术

随着新能源行业的发展，电池系统在汽车、储能领域得到了更广泛的应用，为了提升电池容量，电池串并联数目不断增加，系统整体总电压越来越高，系统整体单体电压的一致性严重影响到电池容量，提出了主动均衡技术。

对电池组进行均衡控制，即在循环使用过程中，以能量消耗或者转移的方式对电池组内的单体能量适时进行平衡，从而降低单体发生过充过放的概率，消除放电深度差异对电池组的不利影响。具体的，当某节电池电压过低时，将所接电源的能量转移到该节电池上，反之，将电池电压过高的能量转移到电源，完整地实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力。

主动均衡电流的大小决定了均衡速度，直接影响均衡效果，在均衡的过程中需要实时采样单体电压，线束有电流流过会影响到电池采样的准确性，常见的方式是使用两套电池连接线束，一套用于单体电压采样，一套用于主动均衡能量转移，可以同步工作，虽然可以达到效果，但是多增加了一套线束，增加了系统复杂性，提高的系统运维成本。

如图1所示为传统的电池管理系统(Battery Management System，BMS)200采用的就是分线式采样拓扑结构，该电池管理系统200一边连接电池组100，用于实现对电池组的电压采样和执行主动均衡策略，另一边连接PC机以传输控制指令。其中，该电池管理系统200包括：DC/DC电源模块A1～Am，An，模拟前端(Analog front end，AFE)采样模块、隔离模块T1～Tm，Tn和OA1，微控制单元(Micro control unit，MCU)MCU1和MCU2，电池采样连接线束L1～Ln，电池均衡控制连接线束L1＇～Ln＇。隔离模块T1～Tm，Tn和OA1用于实现高压和低压之间的隔离，两路MCU1和MCU2及其外围电路分别连接DC/DC电源模块和AFE，MCU1和MCU2之间通过通信口进行信息交互，以及将电池采样数据和均衡控制信息一起通信传输给PC机，该方案下BMS的结构复杂成本高，线束排布繁杂密集，控制策略复杂，在应用过程难以操作。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于电池组的电池管理系统，可以在不影响电池采样精度的情况下，降低系统的复杂度，同时极大地节省生产成本。

根据本实用新型提供的一种电池管理系统，所述电池组包括串联连接的多个电池，电池管理系统包括：

多个电源模块，所述多个电源模块通过连接线束连接所述多个电池，用于实现所述多个电池的能量均衡；

采样模块，所述采样模块复用所述连接线束对所述多个电池进行功率检测以及采样，获取采样数据；

数字控制器，所述数字控制器用于在时间周期内的第一时间段将控制指令传输给采样模块，所述采样模块执行所述控制指令完成对所述多个电池分别进行采样，以及在时间周期内的第二时间段控制所述多个电源模块执行主动均衡策略。

优选的，所述电池管理系统还包括：

多个第一隔离组件，所述多个第一隔离组件分别连接于所述多个电源模块和所述数字控制器之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输；

第二隔离组件，所述第二隔离组件连接于所述采样模块与所述数字控制器之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输。

优选的，所述数字控制器在所述第二时间段内还用于控制所述采样模块持续对所述电池组采样，以及获取回传的所述采样数据。

优选的，所述连接线束的第一端口顺次连接所述多个电池的正端或负端，第二端口不仅分别连接所述多个电源模块用于所述第二时间段内的能量传输，而且还连接所述采样模块用于信号传输。

优选的，所述数字控制器采用MCU、DSP、CPLD和FPGA中的任意一种。

优选的，对所述多个电池进行功率检测包括单体电池电压检测和电流检测。

优选的，所述多个电源模块的拓扑结构为选自Boost、Buck、Boost-Buck和反激拓扑结构中的一种。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的电池管理系统包括：多个电源模块，所述多个电源模块通过连接线束连接所述多个电池，用于实现所述多个电池的能量均衡；采样模块，所述采样模块复用所述连接线束对所述多个电池进行功率检测以及采样，获取采样数据；数字控制器，所述数字控制器用于在时间周期内的第一时间段将控制指令传输给采样模块，所述采样模块执行所述控制指令完成对所述多个电池分别进行采样，以及在时间周期内的第二时间段控制所述多个电源模块执行主动均衡策略。其通过复用连接线束采用功率和信号的复合传输方式进行通信，不需要配置额外的通信芯片或电路与系统架构，节省了通信线束，简化了系统架构，有利于降低系统成本。

本实用新型中的BMS可以将AFE、电源模块与其对应的单体电池在空间上紧邻布置，一定程度上减短了线束的长度，简化了接线的工作量，也减少了线束长度可能对采样带来的不利影响。

本实用新型中的BMS的电池的均衡方式为主动均衡，均衡方式简单，均衡效率高。并且，电源模块的供电电能、电池组的主动均衡能量以及电池组与AFE的通信数据均通过复用线束的时分复用进行传输，实现了功率传输、信号传输和电池组主动均衡，其控制策略简单。

附图说明

通过以下参照附图对本实用新型实施例的描述，本实用新型的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出现有技术中电池管理系统的硬件架构示意图；

图2示出本实用新型实施例提供的电池管理系统的硬件架构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以通过不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反的，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

针对现有技术存在的问题，申请人从电池管理系统(BMS)的可靠性、模块化、均衡技术等角度出发，进行了大量的研究。

在BMS的硬件架构方面，目前BMS主流的硬件架构方案是两层式结构，如图1所示，该BMS包含模块电池管理单元和成组电池管理单元，其中，成组电池管理单元是第一层结构，模块电池管理单元是第二层结构，串联电池组作为被管理对象。通常，一个模块电池管理单元(包括均衡电路，即多个电源模块A1～An，以及采样模块AFE)用于管理一个串联电池组，一个串联电池组包括12～24个或者更多串联的单体电池。模块电池管理单元中的多个电源模块A1～An通过均衡线束L1＇～Ln＇与串联电池组连接，串联电池组又通过采样线束L1～Ln与采样模块AFE连接。在这些模块电池管理单元中，采样模块一般采用前端采样芯片(Analogue front end，AFE)监控每个单体电池的电压，而监控得到的相关信息在模块电池管理单元的微控制单元(Micro controller Unit，MCU)中进行处理。传统的电池管理系统中，串联电池组是最小的管理单位(被管理对象)。而成组电池管理单元通过内部通信总线与每个模块电池管理单元进行通信，实现系统级的监控与控制。然而，申请人发现，由于一个模块电池管理单元管理一个串联电池组，当采样线束和均衡线束分开的情况下，线束排布复杂，电池管理系统的结构设计和配置也会变得复杂，以至于系统成本高，控制策略复杂，在实际应用过程难以操作。

基于此，提出了本实用新型中的电池管理系统，通过优化设计，在不影响电池采样精度的情况下，节省了成本，使系统更加简洁，同时控制检测和均衡算法策略更为方便科学，易于实现，提高了系统性能。

下面，参照附图对本实用新型进行详细说明。

图2示出本实用新型实施例提供的电池管理系统的硬件架构示意图。

参考图2，根据本实用新型实施例提供的一种电池管理系统300，该电池管理系统300一边连接电池组100，用于实现对电池组的电压采样和执行主动均衡策略，另一边连接PC机以传输控制指令。需要说明的是，这里的PC机指的是BMS里面的主控设备(BMS包括从控设备和主控设备)，例如负责对整个BMS的数据进行收集和分析判断、控制，具备完善的事件记录及历史数据存储，包括电池系统充放电、运行参数设定等。该电池组100包括串联连接的多个电池，该电池管理系统300至少包括：多个电源模块U1～Un(为方便示例说明，图2中仅示出U1～U5)，采样模块AFE，数字控制器MCU(其外围电路未示出)，以及连接线束L1～Ln(同理，图2中仅示出L1～L7)。

其中，该多个电源模块U1～U5通过连接线束L1～L7连接所述多个电池，用于实现该多个电池的能量均衡；采样模块AFE复用连接线束L1～Ln，对前述多个电池进行功率检测以及采样，获取采样数据(如：V1～V6)；数字控制器MCU用于在时间周期内的第一时间段将控制指令传输给采样模块AFE，该采样模块AFE执行所述控制指令完成对前述多个电池分别进行采样，以及在时间周期内的第二时间段控制该多个电源模块U1～U5执行主动均衡策略。

在本实施例中，该电池管理系统300还包括：多个第一隔离组件OP1～OP5和第二隔离组件OA1，其中，该多个第一隔离组件OP1～OP5分别连接于所述多个电源模块U1～U5和数字控制器MCU之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输；该第二隔离组件OA1连接于采样模块AFE与数字控制器MCU之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输。

优选的，该数字控制器可采用微控制单元(Micro controller Unit，MCU)、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Divece，CPLD)和现场可编程逻辑器件(Field Programmable Gate Array，FPGA)中的任意一种，在本实施例中，优选为微控制单元MCU，但并不以此作为对本实用新型实施例的限制，在其他实施例中可替代为以上或其他可执行数字信号控制的器件或组件。

在本实施例中，微控制单元MCU在前述第二时间段内还用于控制采样模块AFE持续对电池组100采样，以及获取回传的采样数据，这一检测和采样过程可在时间周期内持续进行，以实时监测电池组100的状态，通过反馈控制在电池组100出现能量失衡的情形下快速准确的执行主动均衡策略，提高系统的安全性和可靠性。

在本实施例中，如图2所示，前述连接线束L1～L7的第一端口顺次连接多个电池的正端或负端，第二端口不仅分别连接多个电源模块U1～U5的相应引脚，用于在第二时间段内的能量传输，而且还连接采样模块AFE的引脚，用于整个时间周期内的信号传输，这样电源模块U1～U5的供电电能、电池组100的主动均衡能量以及电池组100与采样模块AFE的通信数据均通过复用连接线束L1～L7的时分复用控制进行传输，实现了功率传输、信号传输和电池组主动均衡，提高了系统利用率，且其控制策略简单。同时本实用新型中的BMS的电池的均衡方式为主动均衡，均衡方式简单，均衡效率高。

在本实施例中，对多个电池进行的功率检测包括单体电池电压检测(如：V1～V7)和电流检测。更进一步的，还可以包括单体电池温度，这样能够更为准确的监测电池组100的状态，进一步保证系统运行的安全性。

优选的，本实施例中的多个电源模块U1～U5的拓扑结构可以为选自Boost、Buck、Boost-Buck和反激拓扑结构中的一种。对应不同的适用场景和系统要求，可灵活调整或选择其他本领域技术人员易于想到的其他组件或模块进行替换，在此不作限制。

本实用新型提供的电池管理系统300连接的电池组100中，一节电池有两个节点，N个电池串联起来有N+1个节点，将对应的每个节点通过连接线束连接到BMS中。若一个时间周期内包括第一时间段t1和第二时间段t2，PC机将指令通过通信模块传输给位于低压区的微控制单元MCU，该微控制单元MCU将数据解析后通过第二隔离器件OA1传输给位于高压区的采样模块AFE，该采样模块AFE执行相关数据解析对电池电压(V1～V7)采样，经过第一时间段t1将采样单体电压数据回传给微控制单元MCU，经过第一时间段t2后微控制单元MCU通过多个第一隔离器件OP1～OP5控制电源模块U1～U5，进行电源模块检测和均衡算法策略等，从而实现整个系统的控制。其通过复用连接线束采用功率和信号的复合传输方式进行通信，不需要配置额外的通信芯片或电路与系统架构，节省了通信线束，简化了系统架构，有利于降低系统成本。整个系统通过分时间段实现了BMS对电池组100的单体电压采样及大电流电池能量的转移，在不影响电池采样精度的情况下，节省了成本，使系统更加简洁。

本实用新型中的BMS可以将采样模块AFE、电源模块U1～U5与其对应的单体电池在空间上紧邻布置，一定程度上减短了线束的长度，简化了接线的工作量，也减少了线束长度可能对采样带来的不利影响。

在可替代的实施例中，所有电源模块均可通过独立微控制单元MCU1自主控制，采样模块AFE通过另一路微控制单元MCU2控制，微控制单元MCU1微控制单元MCU2之间通过通信进行信息交互，采用主机从机的开通方式，同样可以实现共线方案。

应当说明的是，在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，在本文中，所含术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种用于电池组的电池管理系统，所述电池组包括串联连接的多个电池，其特征在于，所述电池管理系统包括：

多个电源模块，所述多个电源模块通过连接线束连接所述多个电池，用于实现所述多个电池的能量均衡；

采样模块，所述采样模块复用所述连接线束对所述多个电池进行功率检测以及采样，获取采样数据；

数字控制器，所述数字控制器用于在时间周期内的第一时间段将控制指令传输给采样模块，所述采样模块执行所述控制指令完成对所述多个电池分别进行采样，以及在时间周期内的第二时间段控制所述多个电源模块执行主动均衡控制。

2.根据权利要求1所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，还包括：

多个第一隔离组件，所述多个第一隔离组件分别连接于所述多个电源模块和所述数字控制器之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输；

第二隔离组件，所述第二隔离组件连接于所述采样模块与所述数字控制器之间，用于实现高低压之间的隔离和信号传输。

3.根据权利要求2所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，所述数字控制器在所述第二时间段内还用于控制所述采样模块持续对所述电池组采样，以及获取回传的所述采样数据。

4.根据权利要求1所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，所述连接线束的第一端口顺次连接所述多个电池的正端或负端，第二端口不仅分别连接所述多个电源模块用于所述第二时间段内的能量传输，而且还连接所述采样模块用于信号传输。

5.根据权利要求4所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，所述数字控制器采用MCU、DSP、CPLD和FPGA中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，对所述多个电池进行功率检测包括单体电池电压检测和电流检测。

7.根据权利要求2所述的用于电池组的电池管理系统，其特征在于，所述多个电源模块的拓扑结构为选自Boost、Buck、Boost-Buck和反激拓扑结构中的一种。

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