專利名稱：能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動車輛電池管理系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種能夠適 用于快速更換充電模式的電池管理系統(tǒng)。
技術(shù)背景純電動汽車使用可再生能源，實現(xiàn)了零排放行駛，成為21世紀的重要 交通工具和清潔汽車技術(shù)的最終解決方案。公交車作為城市公共交通工 具，在交通運輸中扮演重要角色。公交車運行線路固定，有專門場所停放 和充電，便于車輛的管理、維修和維護。因此，最先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大批量 使用的電動車應(yīng)該是城市公交車。目前，純電動公交車充電時通常都采用整車進行充電的工作模式，即 不將電池組從公交車上取下而在公交車上直接充電的工作模式。隨著純電 動公交車站的投入運營，逐漸出現(xiàn)整車充電占用場地多、充電時間長等問 題，嚴重降低了車輛的運營效率，制約了純電動公交車的推廣。為了解決 這一問題，在純電動公交車上采用快速更換分箱充電模式勢在必行?？焖?更換分箱充電模式指對進站車輛的電池箱進行更換，將消耗完成的電池箱 從車輛中取下，而將預(yù)先充滿電的電池箱裝入車輛中，同時將換下的電池 箱進行地面充電，以備使用，電池充電時間不再占用車輛的運營時間，達 到快速進站充電、快速出站運行的目的。純電動公交車在快速更換分箱充 電時，容易控制環(huán)境溫度，減小溫度對電池充電的影響，提高了電池的一 致性，并且還能將電動車輛的運行與電池充電和維護工作分開，提高電池 的使用壽命和減低電池充電的風(fēng)險性。然而，目前純電動公交車車用電池管理系統(tǒng)一般都作為一個整體工 作，不能滿足快速更換分箱充電模式的需要，主要存在以下問題(1)在整車充電模式下，與充電機通信的是電池管理系統(tǒng)的主控模 塊，而快速更換分箱充電模式下，充電過程脫離了電池管理系統(tǒng)主控模塊的監(jiān)控，無法保障快速更換分箱充電過程中的安全性和長壽命；(2)快速更換分箱充電模式下，可能將性能和參數(shù)差異較大的電池箱 串聯(lián)成組裝車，嚴重影響車輛的行駛里程，降低整組電池的容量和能量利 用率。所以必須解決快速更換分箱充電模式的重新裝車后電池組狀態(tài)的估 算和優(yōu)化匹配問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決以上問題，并針對快速更換分箱充電模式下原有 電池管理系統(tǒng)的功能缺陷作出改進，提出一種能夠滿足快速更換分箱充電 模式的電池管理系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案一種能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)，支持快速分箱 充電模式和整車充電模式兩種充電模式，該系統(tǒng)包括一主控模塊，用于處理電池組中各電池箱的信息，實現(xiàn)系統(tǒng)中對電池組 的在線監(jiān)測和故障診斷，通過對電池組的檢測情況控制充電機的啟停；若干檢測模塊，用于分別檢測各電池箱電壓、電流、溫度以及故障信息， 并將信息傳輸至主控模塊；一手持設(shè)備，通過數(shù)據(jù)接口與主控模塊和檢測模塊連接，用于監(jiān)控和診 斷整個系統(tǒng)的狀態(tài)；其中，所述的檢測模塊與電池組中的電池箱配對，檢測模塊的電壓、溫 度、電流檢測線以及風(fēng)機控制線分別與布置在電池箱內(nèi)的電池的電極、溫 度傳感器、電流傳感器以及冷卻風(fēng)機相連，可檢測電池箱內(nèi)電池的電壓、 溫度和電流，估算電池箱內(nèi)電池的容量、S0C和內(nèi)阻，對電池箱內(nèi)電池實 施必要的熱管理。在于快速更換分箱充電模式下，檢測模塊作為獨立系統(tǒng) 工作，具備與充電機進行通信的功能，充電機可以充分了解充電過程中電 池箱內(nèi)電池的狀態(tài)，實現(xiàn)電池分箱充電控制。其中，上述的主控模塊通過CAN總線與各檢測模塊、車輛控制器、車載 儀表和充電機連接，通過RS232數(shù)據(jù)接口與手持設(shè)備連接，主控模塊將收集的各個電池箱內(nèi)的電池數(shù)據(jù)信息進行分析判斷，通過CAN總線傳遞至車載儀表、車輛控制器以及充電機，車載儀表顯示電池組的狀態(tài)和故障報警，車載控制器根據(jù)主控模塊的數(shù)據(jù)信息優(yōu)化車輛的控制方式。
其中，上述的手持設(shè)備可在快速更換分箱充電模式下對電池組進行在線檢測、故障診斷以及電池分散儲存和放置時的初始化以及精度校驗。
充電開始前，充電機輸出總正和總負動力線與電池組連接，通過CAN總線與檢測模塊相連建立數(shù)據(jù)鏈路，充電機首先向檢測模塊提出充電請求，檢測模塊根據(jù)檢測到的電池箱內(nèi)電池的電壓、電流、溫度以及故障信息對能否充電進行判斷，確認可以充電后向充電機返回充電信息，開始充電。充電過程中，檢測模塊首先檢測各電池箱是否故障，如果電池組出現(xiàn)故障，檢測模塊控制充電機緊急停機；如果電池箱正常，檢測模塊對電池箱內(nèi)電池的當前狀態(tài)進行實時監(jiān)控，計算出電池箱內(nèi)電池的最大允許充電電流并傳輸至充電機，充電機根據(jù)檢測模塊提供的數(shù)據(jù)信息調(diào)整充電策略和輸出電流。
當檢測模塊檢測的電池組最大允許充電電流比充電機辨計的電流大時，充電機按照設(shè)計的最大輸出電流充電；當電池組的電壓、溫度超限時，充電機根據(jù)檢測模塊的數(shù)據(jù)信息及時改變電流輸出；當充電電流大于最大允許充電電流時，充電機將充電電流調(diào)整至最大允許充電電流。
電池箱重新裝車后，主控模塊通過CAN總線從檢測模塊獲取各電池箱的容量和S0C，并計算出各電池箱的最大可充電容量和最大可放電容量，最大可充電容量等于容量與S0C的乘積，最大可放電容量則為容量與1—S0C的乘積；電池箱的最大可用容量為各電池箱的最大可充電容量的最小值和最大可放電容量的最小值的和值，重新成組裝車電池組的S0C為最大可放電容量的最小值與最大可用容量的比值。
在檢測模塊、電池箱和公交車中安裝電池箱的電池箱門之間均統(tǒng)一編號，檢測模塊檢測電池箱的編號信息，主控模塊判斷檢測模塊和電池箱門的編號信息是否沖突，存在沖突時由主控模塊判斷存在沖突的檢測模塊位置。
在主控模塊中預(yù)先設(shè)定有差異閾值，電池組裝入車輛之后，主控模塊通
過CAN總線獲取各個檢測模塊計算得到的各個電池箱的電池容量、S0C和內(nèi)阻數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息與差異閾值進行比較，判斷電池組是否匹配，如果匹配失敗，主控模塊進行報警，并通過車載儀表顯示出匹配失敗的電池箱位置。
本發(fā)明在快速更換分箱充電模式下，車載電池進行地面分箱充電，電池管理系統(tǒng)能夠完成電池電量檢測、狀態(tài)估算和充電控制，保證充電過程的安全性和高效性；另外電池管理系統(tǒng)還解決了電池箱重新成組裝車后的電池組容量和SOC估算、電池組匹配以及故障快速定位問題，確保重新成組裝車的電池組能夠正常工作。電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了快速更換分箱充電模式，簡化了充電機的結(jié)構(gòu)，完善了電池管理系統(tǒng)的控制和功能，提高了成組電池的一致性和車輛的運營效率。


圖1電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2電池管理系統(tǒng)主控模塊結(jié)構(gòu)圖3電池管理系統(tǒng)檢測模塊結(jié)構(gòu)圖4電池管理手持設(shè)備結(jié)構(gòu)圖5快換模式下電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖6電池管理系統(tǒng)與充電機配合充電流程圖。
具體實施方式
為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面將結(jié)合具體實施例及附圖對本
發(fā)明結(jié)構(gòu)原理作進一步詳細描述
本實施例方案揭示的一種能夠滿足快速更換分箱充電模式的純電動公交車電池管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多通訊總線的集散式結(jié)構(gòu)，支持快速更換分箱充電模式和整車充電模式兩種充電模式。
圖1所示是電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。電池管理系統(tǒng)由主控模塊、多個檢測模塊、手持設(shè)備等部分組成。
如附圖2所示，所述的主控模塊包括主控模塊包括中央處理器MCU1、和與中央處理器MCU1連接的電源變換、指示燈、硬件看門狗、存儲器、系統(tǒng)時鐘，中央處理器MCU1還通過隔離電路與絕緣檢測模塊、電流檢測模塊以及CAN1、 CAN2、 CAN、 RS-485和RS-232五種通信接口模塊連接。主控模塊是電池管理系統(tǒng)的控制中心，在車輛運行過程中，主控模塊通過內(nèi)部CAN總線與各個電池箱所對應(yīng)的檢測模塊連接，獲得各個電池箱的電壓和溫度檢測信息；并根據(jù)預(yù)先設(shè)定故障差異閾值進行數(shù)據(jù)分析和故障判斷，將電池組的詳細信息通過CAN總線傳遞給車載儀表，完成電池狀態(tài)的顯示和故障報警功能；也通過CAN總線將實時電池組信息傳遞給車輛控制器和電機控制器，實現(xiàn)優(yōu)化控制策略。主控模塊通過RS232接口與手持設(shè)備連接，實現(xiàn)電池系統(tǒng)的在線監(jiān)測和故障診斷。車輛控制器安裝于車中，通過數(shù)據(jù)接口與主控模塊連接，用于根據(jù)主控模塊的數(shù)據(jù)信息優(yōu)化車輛的控制方式，可采用現(xiàn)有具有數(shù)據(jù)處理功能的車輛控制器，在此不作贅述。
再如附圖3所示，檢測模塊包括檢測模塊包括中央處理器MCU2、和連接在中央處理器MCU2的電源變換、指示燈、硬件看門狗、存儲器，中央處理器MCU2還通過隔離電路連接有溫度檢測模塊、電壓檢測模塊、熱管理以及CAN、 RS-485和RS-232通信接口模塊。手持設(shè)備包括中央處理器MCU3、和連接在中央處理器上的電源變換、顯示設(shè)備、硬件看門狗、存儲器，報警模塊以及鍵盤，電壓檢測模塊通過隔離電路連接至中央處理器MCU3上，中央處理器MCU3通過RS-232通信接口模塊與主控模塊、檢測模
塊信息交互，手持設(shè)備可以實現(xiàn)單箱電池電壓的采集、檢測模塊的參數(shù)設(shè)置、故障診斷、電壓精度校驗、數(shù)據(jù)讀取和轉(zhuǎn)儲。詳細如附圖4所示。
每個電池箱與一檢測模塊配對，檢測模塊主要用于在線檢測電池組中各電池箱電池電壓、溫度和電流，估算電池的容量、S0C (State Of Charge,荷電狀態(tài))和內(nèi)阻，并實施必要的熱管理，比如啟動風(fēng)扇對電池組進行風(fēng)冷散熱。在快速更換分箱充電模式下，將從整車卸載下來的電池箱及箱內(nèi)
9的檢測模塊與充電機相連。各檢測模塊通過CAN總線與充電機進行通信，將電池組內(nèi)各電池箱的電壓、溫度、故障以及最大允許充電電流告知充電機，實現(xiàn)安全優(yōu)化充電。檢測模塊通過RS232接口與手持設(shè)備連接，實現(xiàn)電池系統(tǒng)的在線監(jiān)測、故障診斷以及電池分散儲存和放置時的初始化和精度校驗。
圖5所示是快速更換分箱充電模式下電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在快速更換分箱充電模式下，從車輛卸載下來的電池分別放置于各個充電機平臺上進行充電。檢測模塊與充電機通過CAN進行通信。
在充電時采用檢測模塊和充電機配合的充電模式，具體流程參見圖6。充電開始前，充電機輸出總正和總負動力線與電池箱相連，通過CAN總線與檢測模塊相連建立數(shù)據(jù)鏈路。充電機首先向檢測模塊提出充電請求，檢測模塊依據(jù)檢測到的單體電池的電壓、溫度、電流和故障信息對能否充電進行判斷，確認可以充電后，返回允許充電信息，充電開始。
充電過程中，檢測模塊首先檢測電池箱是否有故障。如果電池箱出現(xiàn)故障，檢測模塊會立即通知充電機緊急停機，防止電池箱在故障情況下持續(xù)充電而導(dǎo)致安全隱患。如果電池正常，檢測模塊通過對電池箱的當前參數(shù)(包括溫度、電壓、工作電流、 一致性、老化程度和SOC)進行監(jiān)控，據(jù)此估算電池組的最大允許充電電流并實時地傳送到充電機，充電機根據(jù)檢測模塊提供的信息改變自己的充電策略和輸出電流。當檢測模塊提供的最大允許充電電流比充電機設(shè)計的電流容量高時，充電機按照設(shè)計的最大輸出電流充電；當電池的電壓、溫度超限時，檢測模塊能實時檢測到并及時通知充電機改變電流輸出；當當前的充電電流大于最大允許充電電流時，充電機開始跟隨最大允許充電電流，有效地防止了電池過充電,達到延長電池壽命的目的。
為了避免將容量、S0C和內(nèi)阻不一致的電池箱混用，必須判定成組裝車后各個電池箱是否匹配。電池組重新裝車后，車載電池管理系統(tǒng)主控模塊通過內(nèi)部總線獲取各電池箱檢測模塊估算得到的電池容量、S0C和內(nèi)阻信息，通過與預(yù)先設(shè)定的差異閾值進行比較，判斷成組電池是否匹配。當 電池組匹配失敗時，主控模塊進行報警，并指出不匹配電池箱位置，為重 新成組提供數(shù)據(jù)支持。
為了保證重新成組裝車的電池組能夠正常工作，并能在電池故障時實 現(xiàn)快速定位，電池管理系統(tǒng)將檢測模塊與電池箱和安裝電池箱的電池箱門 統(tǒng)一編號。當電池箱重新成組裝車時，必須嚴格按照電池箱上的編號進行 成組，且編號不能重復(fù)，并保證檢測模塊與電池箱和電池箱門編號一致。 當電池重新成組裝車后，主控模塊可以根據(jù)從檢測模塊獲取的編號信息判 斷電池箱編號是否沖突。當電池箱編號沖突時，主控模塊能夠指出存在沖 突的電池箱編號，為電池組重新成組提供數(shù)據(jù)支持。
電池組重新成組裝車以后，主控模塊通過內(nèi)部CAN總線從檢測模塊獲 取各電池箱的容量和S0C，并計算得到各電池箱的最大可充電容量(為于 容量乘以S0C的值)和最大可放電容量(為容量乘以(1 —S0C)的值)； 并將各電池箱的最大可充電容量的最小值和最大可放電容量的最小值相加 得到成組后電池組最大可用容量；最大可放電容量的最小值與最大可用容 量的比即為重新成組裝車電池組的S0C。
以上為本發(fā)明較佳的實現(xiàn)方案，除此之外還有其他實現(xiàn)方案，需要說明 的是在沒有脫離本發(fā)明發(fā)明構(gòu)思的前提下任何顯然意見的替換均在本發(fā)明 保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一主控模塊，用于處理電池組中各電池箱的信息，實現(xiàn)系統(tǒng)中對電池組的在線監(jiān)測和故障診斷，通過對電池組的檢測情況控制充電機的啟停；若干檢測模塊，用于分別檢測各電池箱電壓、電流、溫度以及故障信息，并將信息傳輸至主控模塊；一手持設(shè)備，通過數(shù)據(jù)接口與主控模塊和檢測模塊連接，用于監(jiān)控和診斷整個系統(tǒng)的狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于所述的檢測模塊與電池組中的電池箱配對，檢測模塊的 電壓、溫度、電流檢測線以及風(fēng)機控制線分別與布置在電池箱內(nèi)的電池的 電極、溫度傳感器、電流傳感器以及冷卻風(fēng)機相連，可檢測電池箱內(nèi)電池 的電壓、溫度和電流，估算電池箱內(nèi)電池的容量、S0C和內(nèi)阻，對電池箱 內(nèi)電池實施必要的熱管理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于所述的主控模塊通過CAN總線與各檢測模塊、車輛控制 器、車載儀表 和充電機連接，通過RS232數(shù)據(jù)接口與手持設(shè)備連接，主控 模塊將收集的各個電池箱內(nèi)的電池數(shù)據(jù)信息進行分析判斷，通過CAN總線 傳遞至車載儀表、車輛控制器以及充電機，車載儀表顯示電池組的狀態(tài)和 故障報警，車載控制器根據(jù)主控模塊的數(shù)據(jù)信息優(yōu)化車輛的控制方式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于所述的手持設(shè)備可在快速更換分箱充電模式下對電池組 進行在線檢測、故障診斷以及電池分散儲存和放置時的初始化以及精度校 驗。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)，其特征在于充電開始前，充電機輸出總正和總負動力線 與電池組連接，通過C認總線與檢測模塊相連建立數(shù)據(jù)鏈路，充電機首先 向檢測模塊提出充電請求，檢測模塊根據(jù)檢測到的電池箱內(nèi)電池的電壓、 電流、溫度以及故障信息對能否充電進行判斷，確認可以充電后向充電機 返回充電信息，開始充電。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)，其特征在于充電過程中，檢測模塊首先檢測各電池箱是否故障，如 果電池組出現(xiàn)故障，檢測模塊控制充電機緊急停機；如果電池箱正常，檢 測模塊對電池箱內(nèi)電池的當前狀態(tài)進行實時監(jiān)控，計算出電池箱內(nèi)電池的 最大允許充電電流并傳輸至充電機，充電機根據(jù)檢測模塊提供的數(shù)據(jù)信息 調(diào)整充電策略和輸出電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于當檢測模塊檢測的電池組最大允許充電電流比充電機設(shè) 計的電流大時，充電機按照設(shè)計的最大輸出電流充電；當電池組的電壓、 溫度超限時，充電機根據(jù)檢測模塊的數(shù)據(jù)信息及時改變電流輸出；當充電 電流大于最大允許充電電流時，充電機將充電電流調(diào)整至最大允許充電電 流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于電池箱重新裝車后，主控模塊通過CAN總線從檢測模塊 獲取各電池箱的容量和S0C，并計算出各電池箱的最大可充電容量和最大 可放電容量，最大可充電容量等于容量與S0C的乘積，最大可放電容量則 為容量與1一S0C的乘積；電池箱的最大可用容量為各電池箱的最大可充電 容量的最小值和最大可放電容量的最小值的和值，重新成組裝車電池組的 S0C為最大可放電容量的最小值與最大可用容量的比值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的 電池管理系統(tǒng)，其特征在于在檢測模塊、電池箱和公交車中安裝電池箱 的電池箱門之間均統(tǒng)一編號，檢測模塊檢測電池箱的編號信息，主控模塊判斷檢測模塊和電池箱門的編號信息是否沖突，存在沖突時由主控模塊判 斷存在沖突的檢測模塊位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系 統(tǒng)，其特征在于在主控模塊中預(yù)先設(shè)定有差異閾值，電池組裝入車輛之 后，主控模塊通過CAN總線獲取各個檢測模塊計算得到的各個電池箱的電 池容量、S0C和內(nèi)阻數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息與差異閾值進行比較，判斷電 池組是否匹配，如果匹配失敗，主控模塊進行報警，并通過車載儀表顯示 出匹配失敗的電池箱位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種能夠滿足快速更換分箱充電模式的電池管理系統(tǒng)，采用多通訊總線的集散式結(jié)構(gòu)，支持快速更換分箱充電和整車充電兩種充電模式，由主控模塊、檢測模塊、手持設(shè)備等組成。在快速更換分箱充電模式下，車載電池進行地面分箱充電，電池管理系統(tǒng)能夠完成電池電量檢測、狀態(tài)估算和充電控制，保證充電過程的安全性和高效性；另外電池管理系統(tǒng)還解決了電池組重新成組裝車后的電池組容量和SOC估算、電池組匹配以及故障快速定位問題，確保重新成組裝車的電池組能夠正常工作。電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了快速更換分箱充電模式，簡化了充電機的結(jié)構(gòu)，完善了電池管理系統(tǒng)的控制和功能，提高了成組電池的一致性和車輛的運營效率。
文檔編號H01M10/42GK101667665SQ200910192589
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月22日
發(fā)明者馮大明, 飛 劉, 張維戈, 鋒 文, 王占國, 阮旭松 申請人:惠州市億能電子有限公司;北京交通大學(xué)