電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，屬于汽車用電池控制裝置領(lǐng)域。包括BMS系統(tǒng)的主控單元，其特征在于：主控單元的數(shù)據(jù)端設(shè)置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內(nèi)部的若干膠體電池分別設(shè)置采集單元和均衡單元，采集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數(shù)據(jù)端。采用膠體電池的本管理系統(tǒng)，采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機(jī)進(jìn)行信息交互，保證電源輸出穩(wěn)定，延長使用壽命，更能夠保障電動汽車高效、可靠、安全運(yùn)行。
【專利說明】電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，屬于汽車用電池控制裝置領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于電池在制造過程中很難確保具有完全的均一性，各串聯(lián)的電池單元之間會存在充電或放電特性的差異。因此，當(dāng)使用串聯(lián)電池單元的電池組時，會存在這樣的問題:充電時，同一電池組中，即使某些電池單元被過度充電，也仍然存在某些電池單元尚未達(dá)到飽和；又或放電時，同一電池組中，有些電池單元尚未完全放電，但仍有些電池單元被過度放電。此外，如果電池單元長期被過度放電/充電，在構(gòu)成電池單元的材料中可能會出現(xiàn)顯著劣化，使得電池單元的特性變得不同，而這種劣化是加劇電池單元間差異的原因之一。
[0003]電池管理系統(tǒng)BMS能夠連續(xù)監(jiān)控和管理電池組內(nèi)電池芯的充電、放電、溫度，以及提供程序的接口。車輛是一種運(yùn)行工況極其復(fù)雜的設(shè)備，同時又具有搭載乘客的安全要求，因而電池應(yīng)用于車輛上必須考慮高壓安全、可靠、舒適等多種要求。目前國內(nèi)汽車級蓄電池供電受到工藝及材料性能的限制，轎車用動力電池組電壓較低，控制不穩(wěn)定，要獲得高電壓必須依賴于電池成組技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明目的在于提供一種設(shè)置功率高，輸出穩(wěn)定，安全可靠，使用壽命長的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的上述技術(shù)目的主要是通過以下技術(shù)方案解決的:一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，包括BMS系統(tǒng)的主控單元，其特征在于:主控單元的數(shù)據(jù)端設(shè)置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內(nèi)部的若干膠體電池分別設(shè)置采集單元和均衡單元，采集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數(shù)據(jù)端，采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機(jī)進(jìn)行信息交互，保證電源輸出穩(wěn)定，延長使用壽命，保障電動汽車高效、可靠、安全運(yùn)行。主控單元完成對膠體電池組總電壓、總電流的檢測，并通過CAN總線與采集單元、均衡模塊、顯示單元或車載儀表系統(tǒng)及充電機(jī)等通信。
[0006]其中優(yōu)選方案是:
[0007]所述的采集單元包括2-20個電壓采集裝置、2-6個溫度傳感器和風(fēng)扇，電壓采集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應(yīng)。全面采集整個膠體電池組內(nèi)各個電池的狀態(tài)參數(shù)，并且與均衡單元配合，使得某一電池電壓不一致超過規(guī)定值時，自動對電池進(jìn)行均衡。風(fēng)扇可以設(shè)置在溫升較大的位置，保護(hù)膠體電池和BMS。每個采集單元可測量20節(jié)電池端電壓及6個測量點溫度和I路風(fēng)扇控制，安裝在每個電池箱內(nèi)。當(dāng)電池箱內(nèi)電池電壓不一致超過規(guī)定值時，在充電電流小于一定值后，均衡單元可自動對電池進(jìn)行均衡。[0008]所述的采集單元包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度轉(zhuǎn)換器和CAN收發(fā)器，控制器的數(shù)據(jù)端連接分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度轉(zhuǎn)換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發(fā)器，采用差分輸入，控制器采用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列芯片，CAN收發(fā)器選用MCP2551，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用DS18B20。
[0009]所述的主控單元的SOC估算其根據(jù)電動汽車的行駛，靜置和充電的三種工作狀態(tài)，，分別采用安時法、開路電壓法進(jìn)行SOC估計，在采用安時法的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)安時法進(jìn)行SOC校正，消除安時法帶來的累計誤差，保證SOC精度在8%以內(nèi)。
[0010]所述的顯示單元為觸摸屏，采用SAM9263B為主芯片的ARM9方案。用于膠體電池組的狀態(tài)以及SOC等各種參數(shù)的顯示、操作設(shè)置等。
[0011 ] 所述的膠體電池組設(shè)置充電機(jī)接口。
[0012]所述的主控單元設(shè)置存儲裝置。用于存貯各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證可查詢歷史數(shù)據(jù)，便于調(diào)整和維修。
[0013]本發(fā)明具有的有益效果是，通過在主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內(nèi)部的若干膠體電池分別設(shè)置采集單元和均衡單元，采集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數(shù)據(jù)端，采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機(jī)進(jìn)行信息交互，保證電源輸出穩(wěn)定，延長使用壽命，保障電動汽車高效、可靠、安全運(yùn)行。
[0014]通過整體設(shè)計優(yōu)化，發(fā)明滿足保證電池運(yùn)行安全。實現(xiàn):
[0015]1、實時跟蹤電池運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)檢測:實時采集電池充放電狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)有電池總電壓，電池總電流,每個電池箱內(nèi)電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等。由于動力電池都是串聯(lián)使用的，所以這些參數(shù)的實時，快速，準(zhǔn)確的測量是電池管理系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。
[0016]2、剩余電量估算:電池剩余能量相當(dāng)于傳統(tǒng)車的油量。荷電狀態(tài)(SOC)的估算是了為了讓司機(jī)及時了解系統(tǒng)運(yùn)行狀況。實時采集充放電電流、電壓等參數(shù)，并通過相應(yīng)的算法進(jìn)行剩余電量的估計。
[0017]3、充放電控制:根據(jù)電池的荷電狀態(tài)控制對電池的充放電，當(dāng)某個參數(shù)超標(biāo)如單體電池電壓過高或過低時，為保證電池組的正常使用及性能的發(fā)揮，系統(tǒng)將自動調(diào)整充放電電流，首先給低電壓電池充電或高電壓電池放電至均衡以后，再給整個電池系統(tǒng)充電或放電，保護(hù)電池。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的原理方框圖；
【具體實施方式】
[0019]下面通過實施例，結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。
[0020]實施例1:
[0021]如圖1所示，主控單元的數(shù)據(jù)端設(shè)置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內(nèi)部的若干膠體電池分別設(shè)置采集單元和均衡單元，采集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數(shù)據(jù)端；采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器進(jìn)行信息交互。
[0022]采集單元和均衡單元一對一分別設(shè)置在膠體電池組的各個電池內(nèi)。
[0023]采集單元包括2-20個電壓采集裝置、2-6個溫度傳感器和風(fēng)扇，電壓采集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應(yīng)。全面采集整個膠體電池組內(nèi)各個電池的狀態(tài)參數(shù)，并且與均衡單元配合，使得某一電池電壓不一致超過規(guī)定值時，自動對電池進(jìn)行均衡。風(fēng)扇可以設(shè)置在溫升較大的位置，保護(hù)膠體電池和BMS。
[0024]CAN通訊接口電路，采用瞬變電壓抑制二極管和自恢復(fù)保險絲組成保護(hù)電路，并加入共模電感提高抗干擾能力。
[0025]根據(jù)需要，膠體電池組設(shè)置充電機(jī)接口。主控單元設(shè)置存儲裝置。用于存貯各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，保證可查詢歷史數(shù)據(jù)，便于調(diào)整和維修。
[0026]實施例2:
[0027]在實施例1的基礎(chǔ)上，采集單元包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度轉(zhuǎn)換器和CAN收發(fā)器，控制器的數(shù)據(jù)端連接分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度轉(zhuǎn)換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發(fā)器，采用差分輸入。
[0028]采集單元主要參數(shù):供電電源:DC96V±30%
[0029]電壓測量范圍及精度:0_+5V，≤ ±0.2%
[0030]最大檢測周期:≤0.2S
[0031]檢測電池只數(shù):23節(jié)
[0032]溫度檢測路數(shù)及精度:6路，≤± I °C
[0033]風(fēng)扇控制:I路(可驅(qū)動DC24V/0.15A風(fēng)扇6個)
[0034]通信口: I 路 CAN，I 路 232
[0035]運(yùn)行溫度:-25°C-+7O °C
[0036]控制器選用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列芯片；CAN收發(fā)器選用MCP2551，通過CAN總線與其他控制系統(tǒng)進(jìn)行通信；電池電壓采樣選用12位精度的ADS7841進(jìn)行差分取樣，消除干擾，同時差分輸入保證了電池組與檢測電路不共地；溫度測量選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，采集電池箱內(nèi)測試點溫度。
[0037]電池電壓采樣采用差分輸入、光耦繼電器切換，光耦隔離，電路簡單，保證測量精度。
[0038]溫度取樣部分采用總線方式設(shè)計，簡化了溫度傳感器的接入。并提供了隔離保護(hù)。
[0039]由于電動汽車用電環(huán)境復(fù)雜，有很強(qiáng)的電磁干擾，從而影響信號在線檢測與控制系統(tǒng)的正常工作。為了減小電磁干擾采取如下措施:在CPU和CAN收發(fā)器之間加入高速光耦隔離器，并增加瞬變二極管，共模電感，熱敏電阻等保護(hù)措施；單片機(jī)工作電源與車輛電源地線隔離，消除地線竄擾的可能；數(shù)字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝，并將屏蔽地搭鐵，CAN總線選用屏蔽雙絞線；PCB板制作盡量加大線間距，以降低導(dǎo)向間的分布電容并使其導(dǎo)向垂直，以減小磁場耦合，減小電源線走線有效面積及選用性價比高的器件等。
[0040]顯示單元為觸摸屏。用于膠體電池組的狀態(tài)以及SOC等各種參數(shù)的顯示、操作設(shè)置等。顯示單元選用帶觸摸屏真彩顯示，系統(tǒng)采用SAM9263B為主芯片的ARM9方案，重新設(shè)計電源；CAN總線以及與上位PC機(jī)之間通訊用485總線系統(tǒng)采用光耦隔離；主板和核心板分開設(shè)計，以及采用汽車級別的相關(guān)芯片，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，保證該系統(tǒng)能在汽車這樣的惡劣環(huán)境下工作。
[0041]實施例3:
[0042]在以上實施例的基礎(chǔ)上，主控單元的系統(tǒng)軟件均采用模塊化程序設(shè)計；多種軟件抗干擾設(shè)計，如數(shù)字濾波算法，冗余，軟件陷阱，看門狗等技術(shù)，防止程序失效，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。在SOC的估算上采用現(xiàn)在比較成熟的方法，根據(jù)電動汽車的工作狀態(tài)(行駛，靜置，充電)，分別采用安時法、開路電壓法進(jìn)行SOC估計，在采用安時法簡單有效的基礎(chǔ)上，在特定條件下采用加權(quán)安時法進(jìn)行SOC校正，消除安時法帶來的累計誤差，保證SOC精度在8%以內(nèi)；顯示監(jiān)測系統(tǒng)使用定制的linux2.6.24操作系統(tǒng)，界面采用QT4.62，上位機(jī)軟件也采用QT4.62進(jìn)行開發(fā)，主要實現(xiàn):標(biāo)定程序，SOC估算程序，故障分析子程序，信號監(jiān)控與報警子程序，實時數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)和曲線顯示，各開關(guān)狀態(tài)顯示等功能。
[0043]主控單元與采集單元一樣，硬件設(shè)計增加了多種抗干擾措施，以保證在惡劣電磁環(huán)境下可靠運(yùn)行；總電流采用采樣二檔設(shè)計，以保證在小電流和大電流情況下，測量精度(0.5%。
[0044]主控單元主要技術(shù)參數(shù):
[0045]供電電源:DC96V±30%
[0046]電壓測量范圍及精度:0-750V (可選 ±0.2%
[0047]電流測量范圍及精度:-300A-+300A，( ±0.5% [0048]SOC 估算精度:(土 8%
[0049]正負(fù)極對地絕緣監(jiān)測:0-999.9ΚΩ
[0050]通信口:2 路 CAN，I 路 RS485
[0051]運(yùn)行溫度:-25°C-+7CTC。
[0052]實施例4:
[0053]在以上實施例的基礎(chǔ)上，顯示單元選用帶觸摸屏真彩顯示，系統(tǒng)采用SAM9263B為主芯片的ARM9方案，重新設(shè)計電源；CAN總線以及與上位PC機(jī)之間通訊用485總線系統(tǒng)采用光耦隔離；主板和核心板分開設(shè)計，以及采用汽車級別的相關(guān)芯片，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，保證該系統(tǒng)能在汽車這樣的惡劣環(huán)境下工作。CAN總線以及與上位PC機(jī)之間通訊用485總線系統(tǒng)采用光耦隔離，主板和核心板分開設(shè)計；顯示選用7”真彩觸摸屏，操作簡單、明了。
[0054]主要技術(shù)參數(shù)
[0055]供電電源:DC96V±30%
[0056]顯示屏尺寸:7吋(分辨率800X480 )
[0057]鍵盤:最大外擴(kuò)64鍵，支持觸摸屏輸入
[0058]語音:最大輸出功率IW
[0059]通信口:1路CAN，I路RS485，I路以太網(wǎng)
[0060]運(yùn)行溫度:-25°C-+7CTC。
[0061]工作原理:
[0062]由于本發(fā)明的電池組采用膠體電池，其本身具有1、使用壽命長；2、放電功率高；3、不漏液，免保養(yǎng)；4、可快速充電；5、大電流放電能力強(qiáng)；6、低溫保持高容量；7、超低的自放電率；8、膠態(tài)能防火無酸溢流等，因此采用膠體電池的本管理系統(tǒng)，采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機(jī)進(jìn)行信息交互，保證電源輸出穩(wěn)定，延長使用壽命，更能夠保障電動汽車高效、可靠、安全運(yùn)行。
[0063]實驗證明:
[0064]通過整體優(yōu)化設(shè)計，本發(fā)明可以實現(xiàn):
[0065]I)采用分布式隔離檢測技術(shù)，全系統(tǒng)分為四個主要子系統(tǒng)，即采集單元、均衡模塊、主控單元、顯示單元，四個模塊之間采用CAN總線方式進(jìn)行通訊；
[0066]2)鑒于汽車內(nèi)工作環(huán)境惡劣，將所有測量單元盡量靠近測量源并采用單獨(dú)的測量單元。大大減少環(huán)境對各取樣點的干擾，提高測量精度；
[0067]3)電池電壓測量采用差分輸入，光耦繼電器切換方式進(jìn)行采樣，在保證電壓測量精度的基礎(chǔ)上，大大簡化了采樣電路，保證了其穩(wěn)定性和可靠性；
[0068]4)檢測精度高。電壓測量精度< ±0.2% ；電流檢測采用二擋自動換擋霍爾傳感器，測量精度在10%Ie及以下和10%-100%Ie時，均能保證≤±0.5% ；
[0069]5)芯片選用汽車級芯片以及高速光耦隔離、瞬變二極管抑制，共模電感，熱敏電阻等保護(hù)措施，可以在強(qiáng)磁場環(huán)境下可靠工作；
[0070]6)顯示系統(tǒng)除核心板外，軟、硬件及驅(qū)動程序等都是自行開發(fā)，大大降低了成本；
[0071]7)功能完善。BMS采用分布式設(shè)計，具備對單體電池狀態(tài)如端電壓、特征點溫度等實時監(jiān)控、充放電控制、故障分析及定位、整組電池SOC估算、熱管理、實時數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)庫管理等強(qiáng)大功能；
[0072]8) BMS主機(jī)、采集單元面板設(shè)置了電源、運(yùn)行、過壓、過熱等指示燈，可以直觀方便的了解電池的工作狀態(tài)；
[0073]9)防水防塵設(shè)計。為了滿足車輛的惡劣運(yùn)行環(huán)境的需求，BMS外殼采用鑄鋁澆鑄一次成型，具有防塵、防濺水功能；
[0074]10)模塊化設(shè)計，減少產(chǎn)品規(guī)格，有利于采購，生產(chǎn)管理，檢驗等各個環(huán)節(jié)的成本控制，有利于降低整個系統(tǒng)的價格。
【權(quán)利要求】
1.一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，包括BMS系統(tǒng)的主控單元，其特征在于:主控單元的數(shù)據(jù)端設(shè)置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內(nèi)部的若干膠體電池分別設(shè)置采集單元和均衡單元，采集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數(shù)據(jù)端；采集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過主控單元進(jìn)行故障診斷、SOC估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測、顯示報警，充放電模式選擇等，并通過CAN總線的方式與車輛集成控制器進(jìn)行信息交互。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的采集單元包括2-20個電壓采集裝置、2-6個溫度傳感器和風(fēng)扇，電壓采集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的采集單元包括控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、溫度轉(zhuǎn)換器和CAN收發(fā)器，控制器的數(shù)據(jù)端連接分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度轉(zhuǎn)換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發(fā)器，采用差分輸入，控制器采用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列芯片，CAN收發(fā)器選用MCP2551，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用DS18B20。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的主控單元的SOC估算其根據(jù)電動汽車的行駛，靜置和充電的三種工作狀態(tài)，分別采用安時法、開路電壓法進(jìn)行SOC估計，在采用安時法的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)安時法進(jìn)行SOC校正，消除安時法帶來的累計誤差，保證SOC精度在8%以內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的顯示單元為觸摸屏，采用SAM9263B為主芯片的ARM9方案。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的膠體電池組設(shè)置充電機(jī)接口，采集單元通過CAN總線的方式與充電機(jī)進(jìn)行信息交互。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統(tǒng)，其特征在于:所述的主控單元設(shè)置存儲裝置。
【文檔編號】B60L11/18GK103481791SQ201310398598
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】石光峰, 郭源生, 董義鵬, 李明賢 申請人:淄博京科電氣研究所