專利名稱：多can的電池組管理裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種電動車輛用的動力蓄電池管理裝置，特別涉及一種多CAN的電池組管理裝置。
背景技術：
面對環(huán)境污染、全球變暖、能源短缺的壓力，各國政府、企業(yè)投入大量人力物力對電動汽車進行研究和開發(fā)。目前，在國家科技項目重點支持和市場的雙重推動下，新型鋰離子動力電池在關鍵技術、關鍵材料和產品研究上都取得了重大進展。單體動力鋰電池的性能已基本能夠滿足使用要求。雖然動力鋰電池采購成本仍高于鉛酸電池，但從全生命周期內的綜合經濟性考慮， 其成本已經遠遠低于鉛酸電池。由于前一階段動力鋰電池發(fā)展的重點集中在關鍵技術、關鍵材料和產品開發(fā)上，動力鋰電池成組應用技術并未得到相應的重視，致使動力鋰電池系統(tǒng)集成關鍵技術、關鍵零部件和產品研究嚴重滯后于電池技術的發(fā)展。當前大多仍將只能適用于鉛酸等非密封富液電池的技術和設備用于動力鋰電池，從而導致部分電池單體在充放電過程中發(fā)生過充電、過放電、過流和超溫等問題，使電池受到嚴重傷害，電池安全性大幅下降，使用壽命大幅縮短，甚至電池燃燒、爆炸等惡性事故時有發(fā)生。高性能、高可靠性的電池管理系統(tǒng)(BMS)能使電池在各種工作條件下獲得最佳的性能。電池管理系統(tǒng)不僅要監(jiān)測電動汽車電池的充放電電流、總電壓、單體電壓和剩余電量 S0C,還要進行高壓保護、電量均衡，同時還要預測電池的功率強度，以便監(jiān)控電池的使用狀況，在汽車啟動和加速時提供足夠的輸出功率，剎車時電池組能回收更多的能量，即提供足夠的輸入功率，并且不對電池組造成傷害。華南農業(yè)大學學報2009年04期“基于ARM和CAN的電動汽車電池管理系統(tǒng)”一文中，對電池電壓、電流、溫度等數據采集計算SOC并實現CAN通訊，但并未考慮串聯電池組在使用過程中的不均衡問題，以及電池匹配問題，系統(tǒng)后期使用會初步暴露存在的問題?，F代電子技術2011年第34卷第一期“基于Freescale單片機的電池管理系統(tǒng)設計”一文中，對電池基本數據電壓、電流、溫度等數據進行采集，但文章中并未考慮電池高壓對整車安全的威脅，沒有在高壓保護上采取措施，下層采集模塊采用單片機集成A/D電壓采集精度低，在計算SOC和做均衡保護時都會受到一定影響。目前其他相關文獻，很少提到絕緣保護實施方法和電池健康度估算方法，對電池組的補償的方法也缺乏實際、可行的方案。
實用新型內容本實用新型的目的是針對現有動力電池在純電動汽車中不斷增加，系統(tǒng)電壓提高，電池分不靈活，高壓安全要求較高的問題，提出一種動力電池管理裝置，該系統(tǒng)不僅能測出單體電芯的性能狀態(tài)，而且能對單體電池進行二級均衡保護、二級過充過放保護、能有效減小電動汽車系統(tǒng)電壓的波動，并通過絕緣檢測和高壓通斷控制，保證電池組的安全正常工作。本實用新型是通過以下技術方案實現的。本實用新型所述的裝置，是采用上、下層分層管理，將動力電池的管理分為上層主控模塊，下層包括電壓溫度采集模塊、電流采集模塊、均衡保護模塊、絕緣檢測模塊，每個電池組中的10串單體電池配一個電壓溫度采集模塊和一個均衡保護模塊，在整個電池組的輸出端還配一個電流采集檢測模塊和一個絕緣檢測模塊。最后一組電池是備用電池組，用來穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，也配有一個電壓溫度采集模塊和一個均衡保護模塊和補償開關。絕緣檢測模塊檢測電池組正負電極與車體的絕緣電阻，并測量電源系統(tǒng)總電壓；下層的所有模塊通過系統(tǒng)內部CAN與上層主控模塊通訊，主控模塊上還具備與外部整車控制器和充電機通訊的隔離CAN總線接口。上層主控模塊采用的嵌入式微控制器為16位單片機MC9S12DG128MPVE，其內部集成2路CAN控制器，外圍還通過IIC總線接入實時時鐘芯片和EEPROM存儲芯片，2路CAN的 RX和TX腳分別經過光耦隔離接不同收發(fā)器構成內部和外部雙CAN通訊網絡。電壓溫度采集模塊采用的嵌入式微控制器為SST89E516RD2單片機，它內置64KB的程序存儲器和256B 的數據RAM，在電壓溫度采集模塊上使用DC/DC電源。上述上層電池管理的主控模塊E⑶是由2路CAN收發(fā)器(如82C250)、2路光耦隔離電路(如6W37)、時鐘與EEPROM電路、FLASH數據存儲電路(如K9F1208)、保護執(zhí)行電路、 藍牙通訊電路和嵌入2路CAN的16位的汽車級微控制器(如MC9S12DG128)構成。其中16 位微控制器的CANO模塊的收發(fā)線與隔離模塊6W37相連，隔離模塊的電源采用不同DC-DC 隔離、并通過收發(fā)器連接到外部CAN總線；其內部的CAN4模塊通過同樣方式連接到外部 CAN總線接口。實時時鐘PCF8563T和EEPROM存儲芯片MC64都與微控制器的SPI總線相連，實時時鐘主要用于SOC計算時準確記錄掉電時間，并存儲在EEPROM中供下次系統(tǒng)上電時調用，保證SOC算法的精確性，微控制器的數據總線D0-D7和讀寫控制線分別與FLASH存儲芯片相連，用于實時保存每次采集數據，并通過藍牙模塊發(fā)送到外部數據分析平臺。上述的主控模塊的微控制器還輸出6路用于其他執(zhí)行器件的控制信號，其中第一路和第二路用于控制蓄電池的降溫系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，保證電池組工作在正常溫度范圍；第三路信號用來控制高壓通斷開關，用于在絕緣檢測故障時進行保護，也可在過充或過放中切斷主電路保護電池；第四路信號用于控制下層模塊電源通斷，保證采集模塊在系統(tǒng)出現問題時能及時硬件上電復位恢復正常工作。上述下層管理系統(tǒng)的電壓采集模塊的E⑶(電子控制單元)由一個SST89E516RD2 的8位微控制器、CAN控制器(如SJA1000)、CAN隔離器(如82C250)和AD采集電路模塊 (ILC7135)、溫度采集傳感器(如DS18B20)等主要器件構成。其中電池的十路模擬電壓信號分別與十路2通道的光耦隔離器件相連(如AQWM1E)，光耦器件通過2片并聯的138譯碼器選中，并且能保證同一時刻只選中一路，即同一時刻只有一塊單體電池的正負兩級被接入， 通過微控制器的地址總線的高四位A12-A15對138進行譯碼選擇；其中單體電池的負極于電壓采集模塊的電源地相連，正極與AD芯片的采集電壓輸入端相連。其中微控制器的數據總線D0-D7分別與CAN芯片(SJA1000)的地址/數據總線 AD0-AD7相連、同時也與旋碼開關的緩存芯片(如LVT245)的A0-A7相連，CAN芯片和緩存芯片的片選引腳也與138譯碼器相連。[0017]上述的均衡保護模塊和電壓溫度采集模塊同時配置在一組電池上，管理10串單體電池的均衡，均衡保護模塊串聯接入電池組的回路中，均衡保護模塊采用保護IC實現單體電池過充過放保護，當單體電池電壓超限可以開啟均衡電阻，實現充電均衡。上述下層管理系統(tǒng)的電流采集模塊和絕緣檢測模塊的ECU也是由微控制器 SST89E516RD2構成，電池管理系統(tǒng)配置一個電流采集模塊和絕緣檢測模塊，絕緣檢測模塊內部也配有一路電壓檢測單元，可以檢測整車電池組的總電壓，與電流檢測模塊數據同時作為SOC的計算數據。絕緣檢測模塊的內部電阻測量電路可以精確測量電池組正負極與車體外殼的絕緣電阻。電流采集模塊通過外接電流霍爾傳感器測量電池組的放電總電流。兩個模塊都是通過MCU的數據總線D0-D7與SJA1000的地址/數據總線AD0-AD7相連，采用 82C250做為CAN收發(fā)器構成CAN節(jié)點電路。本實用新型具有以下優(yōu)點本實用新型具有與外部其他E⑶通訊的CAN總線接口，主要實現兩層充電保護，兩級放電保護，兩級均衡保護、放電補償、電池健康度標定等功能。對于備用電池組，在放電過程中，當檢測到有電池過放或損壞，且當前SOC值 >60%，備用電池組可進行補償在線切換啟用備用電池組，使電源電壓不至于波動太大。起到保護電池和延長續(xù)航里程的目的。在充電過程中，當備用電池組的SOC值與電池組SOC值相同時，補償開關接通，并通過主控模塊與充電機通訊調節(jié)充電電壓與電流。管理系統(tǒng)實現二級充電保護其中均衡保護模塊通過控制MOFSET管的通斷，切斷一個電池組的充電；主控模塊則根據電池組的SOC值的大小，給非車載充電器發(fā)出控制信息(遵循國家標準協議)，發(fā)送指令到充電池實現分段充電控制，控制充電應使用的電流、電壓、(恒流、恒壓、涓流充電)。當單體電壓<2. 6 V時，采用恒流1/5C充電，當單體電壓>2. 6V 時，采用恒流1/3C充電，電壓>3. 6卷恒壓充電，電壓>3. 6 5涓流充電，電壓>3. 7停止充電，這些參數均可以根據電池性能要求通過主控模塊與外部E⑶的通訊進行設置更改。管理系統(tǒng)實現二級放電保護其中當均衡保護模塊測得電池電壓<2. 5V時，通過控制MOFSET管的通斷，切斷一個電池組的放電；主控模塊則根據電池組的SOC值的大小， 給電機控制器發(fā)出控制信號，如果S0C<10%，電池組的內阻增大發(fā)熱增加，電池管理系統(tǒng)的主控模塊發(fā)送指令到整車控制器，從而限制電機輸出功率，使電機放電電流<1/5C。如果 S0C<5%，電池管理系統(tǒng)主控模塊發(fā)指令到整車控制器，使電機涓流放電或停止放電。管理系統(tǒng)實現二級均衡充電當均衡保護模塊檢測到單體電池電壓差值> 0. 5伏 ，接入均衡電阻(30歐，5瓦)進行分流，使該塊電池充電速度放慢，當所有電池的電壓差值 <0. 5伏時(硬件比較)，斷開均衡電阻，整組進行統(tǒng)一充電。這樣可以讓電池充滿到99%以上。管理系統(tǒng)實現標定電池健康度通過在主控模塊中實現對電池老化程度、電池充放電次數、單體電池過充過放次數等關鍵數據的統(tǒng)計和分析，從而估算每塊單體電池的健康度，為電池組的一致性以及電池單體性能的優(yōu)化提出了可靠的依據。
圖1為本實用新型實施例的整體結構原理框圖。圖2為本實用新型的下層電壓溫度采集模塊的原理圖。[0028]圖3為本實用新型的下層電壓溫度采集模塊的軟件流程圖。圖4為本實用新型的下層絕緣檢測模塊的原理圖。圖5為本實用新型的上層主控模塊的原理圖。圖6為本實用新型的上層主控模塊的軟件流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，本實用新型實施例的整體結構原理框圖，它整體結構是兩層分層CAN 網絡實現數據傳輸和數據隔離，內部CAN總線連接下層的電壓溫度采集模塊、電流采集模塊、絕緣保護模塊、均衡保護模塊。采用雙絞線CAN總線網絡，從電池組采集每塊單體電池的電壓、電池組的溫度、電池組總電壓、總電流、絕緣電阻等數據通過CAN總線實時發(fā)送到上層主控模塊，主控模塊根據協議對數據接收并存儲。主控模塊可以根據控制策略將補償電路隨時接入主電路中。主控模塊外部CAN其網絡拓撲結構為星型和總線混合，所有CAN網絡均采用 CAN2. OB協議，外部與整車控制器通訊CAN接口協議滿足SAE J1939協議，與充電機通訊協議滿足國標《電動汽車電池管理系統(tǒng)與非車載充電機之間的通信協議》協議。如圖2所示，本實用新型實施例的電壓溫度采集模塊ECU所采用的嵌入式微控制器為SST89E516RD2單片機，它內置64KB的程序存儲器和256B的數據RAM，帶內部可編程的看門狗(WDT)并且支持掉電模式和外部中斷喚醒；每個電壓溫度采集模塊ECU管理10個單體電池，其功能為檢測10個單體電池的電壓和溫度信息，并將該信息通過管理系統(tǒng)的雙絞線CAN總線發(fā)送給上層主控模塊ECU，10路電池組的電壓分別經過光耦隔離和電壓調理電路后接入高精度A/D轉換模塊ICL7135的A/D輸入端；2路溫度傳感器的信號線接入嵌入式微控制器SST89E516RD2的同一路可驅動大電流的I/O 口。另外在采集模塊上使用DC/ DC電源，使采集模塊供電更穩(wěn)定，能更好適應車載環(huán)境。使用旋碼開關，使用戶可手動設定每個電壓采集模塊的通訊地址，當須更換電池模塊時，只要通過手動調節(jié)旋碼旋碼，即可加入或更換其他新加入的電池模塊，而不必更改CAN通訊地址。通過AQW214EH光耦合繼電器 (具有雙路選通功能)和138片選的組合使用，安全可靠的將電池組各端點電壓依采樣周期依次引入AD。選通時間短(μ 8級)，硬件保證同一時刻只可能連入一組電壓，不會由于程序錯誤使電池短路。(AQW214EH光耦合繼電器通過一使能信號能同時選通兩路，來線選各電池的正負極。)采用高精度4位半雙積分AD ICL7135。電壓轉換精度為0. ImV,量程0-5V， 轉換速度為40ms。溫度采集使用DB18B20數字溫度計，使用范圍-55到125攝氏度，精度 0. 1攝氏度(理論精確度為0. 0625，實際中舍入計算)。CAN通訊采用SJA1000T獨立can控制器，支持熱插拔(軟件位速率檢測)，位速率可達IMbits/s。兼容CAN2. OB協議。如圖3所示，本實用新型實施例的電壓溫度采集模塊的軟件流程圖，流程分為兩部分，一部分為順序執(zhí)行流程，另一部分為中斷執(zhí)行流程，電壓溫度采集模塊在接入CAN總線并上電工作后，首先對微控制器SST89E516RD2進行芯片初始化，包括芯片內部的中斷、 看門狗(WDT)等，以及外部CAN控制芯片(如SJA1000)和A/D轉換芯片(如ICL7135)進行初始化。由于該模塊需要支持在內部CAN總線上的熱插拔，所以要在初始化后對CAN總線的位速率進行自動檢測匹配，匹配成功后即可成為既有網絡的一個CAN節(jié)點，根據用戶對旋碼開關的設置，獲取模塊所管理電池的ID，即下層模塊在與上層主控模塊通訊的唯一標識。采集模塊在主流程中主要實現電壓和溫度數據的實時采集并發(fā)送致上層主控模塊，查詢參數配置和休眠操作的標志位，并執(zhí)行相應的操作。當主控模塊給下層模塊發(fā)出休眠指令后，采集模塊停止數據采集工作進入省電模式，當主控模塊再次通過CAN總線發(fā)出指令后，采集模塊可以繼續(xù)恢復工作。如圖4所示，本實用新型實施例的絕緣檢測模塊ECU所采用的嵌入式微控制器為 SST89E516RD2單片機，整個電池管理系統(tǒng)配一個絕緣檢測模塊，該模塊可以檢測車體外殼與電池組正負兩極的絕緣電阻，并在絕緣電阻小于設定置進行報警，以便及時排除故障，防止發(fā)生高壓觸電事故。電池組的總正極、總負極通過導線接入絕緣檢測模塊，絕緣檢測模塊的外殼采用鐵殼并與車體外殼連接，這樣車體外殼通過模塊外殼接入，然后三路線通過絕緣電阻測量電路，最后通過2路光耦選通芯片(AQW214EH)接入電壓調理電路，再通過A/D ICL7135轉換，MCU讀取電壓數據并計算出，正負電極與車體外殼的有效絕緣電阻。同時電池組的總電壓通過精密分壓電路以及電壓調理電路接入A/D進行轉換，這樣可以精確計算電池組的總電壓，可以減小由單體電壓計算總電壓的誤差，提高總電壓的測量精度，同時也提高了 SOC 的估算精度。絕緣檢測模塊也通過外接獨立CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器82C250掛入內部CAN總線。如圖5所示，本實用新型實施例的上層主控模塊ECU所采用的嵌入式微控制器為飛思卡爾的16位單片機MC9S12DG128MPVE，該芯片具有較強的數據處理能力和控制功能。 它內部集成2路CAN控制器，具有編程方便、使用靈活、功耗低、低噪聲等優(yōu)點。雙CAN通道實現電池管系統(tǒng)的主控模塊和采集模塊內部CAN總線通訊，優(yōu)化電池管理系統(tǒng)結構。在同樣的速度下所用的時鐘頻率較51系列微控制器低得多，因而使得高頻噪聲低，抗干擾能力強，更適合于工控領域及惡劣的汽車環(huán)境。S12 MCU總線頻率為25MHz，方便實現一些復雜的均衡控制算法和多總線通訊控制。在M⑶外圍還通過IIC總線接入實時時鐘芯片和EEPROM存儲芯片，2路CAN的RX 和TX腳分別經過光耦隔離接不同收發(fā)器構成內部和外部雙CAN通訊網絡。光耦的電源與系統(tǒng)電源通過2路DC/DC實現完全隔離，保證了通訊電路的穩(wěn)定可靠。主控模塊的6路控制信號也分別經過光耦隔離電路和功率驅動電路，實現對外圍執(zhí)行器件的安全控制。主控模塊的數據總線D0-D7和讀寫控制線分別與FLASH存儲芯片相連，用于實時保存每次采集數據，藍牙模塊通過SCI串行總線與MCU連接。如圖6所示，本實用新型實施例的主控模塊軟件流程簡圖。主控模塊軟件流程在圖中分為兩個部分，一部分為放電流程，一部分為充電流程，其主要是對下層模塊發(fā)送的數據進行分析計算并做出相應控制，主要工作是精確計算S0C。在上電后首先對單片機內核(總線頻率、中斷等)進行初始化，然后對DGU8的內部的2路CAN模塊控制器、IIC控制器、UART控制器等進行初始化，然后通過電池單體的過充過放數據更新電池的SOH(電池健康度)數據，開始初始化電池數據，并通過IIC讀取EEPROM 的數據，如上次剩余電量、停車時間(即電池自放電時間)、電池的溫度影響系數、循環(huán)次數等參數，通過電池健康度SOH和電池的循環(huán)使用次數計算電池的自放電系數，通過自放電時間、上次剩余電量和自放電系數等相關參數，計算出汽車再次啟動時的SOC值，并通過判斷停車時間，如果停車時間超過M小時，則可以用開路電壓與SOC的對應關系來修正當前 SOC 值。之后主控模塊判斷電池當前的狀態(tài)，進入不同狀態(tài)的流程，通過對放電或者充電電流電壓的實時積分，計算充電和放電的電量，并實時通過下層采集模塊的數據進行反饋操作，如果在充電狀態(tài)，根據SOC的值，在不同SOC下控制充電機對電池進行不同電流的充電，發(fā)送指令到充電機實現分段式充電控制，既可以在電池電量較少的情況下保證充電不對電池造成傷害，又可以在單體電池電壓超過設定限值時進行涓流充電實現單體電池電量的動態(tài)平衡，并可以給下層均衡保護模塊發(fā)送指令開啟無損能量均衡電流，最終在單體電壓超停止限時發(fā)送停止充電指令。每次充電時當主電源SOC與備用電源SOC相同時，可以接通備用電源充電。如果在放電狀態(tài)，根據SOC的值，在不同SOC下對電機控制器進行通訊控制，當SOC 小于設定值時可以通過發(fā)送指令降低電機的輸出功率，保證電池組在正常電流范圍內放電防止損壞電池，可以設置多個SOC放電控制等級，最終可以發(fā)送指令停止電機輸出功率，當放電池組S0C>50%，而電池組單體損壞電壓過低時，均衡保護模塊可以切斷所控電池組的電流輸出，同時控制器會接通補償電池組，防止系統(tǒng)電壓突降，保證汽車能平穩(wěn)運行。在接收到外部CAN中斷時，要進行報文分析，如果是主控模塊請求數據，則將電池電壓、電流、溫度、SOC等所有數據按SAE J1939協議發(fā)送，如果是主控模塊的關機指令，則要做好關機的數據存儲準備并準備關機。經過實際測試及應用證明，本實用新型實施例的電池管理系統(tǒng)能夠在純電動轎車和純電動客車中穩(wěn)定可靠運行，尤其在電池分布較散的純電動客車中可以有效節(jié)省布線空間，方便更換采集模塊，SOC的估算精度較高。
權利要求1.多CAN的電池組管理裝置，其特征是所述電池組管理裝置采用分上、下層管理，上層為主控模塊，下層包括電壓溫度采集模塊、電流采集模塊、均衡保護模塊、絕緣檢測模塊， 每個電池組中的10串單體電池配一個電壓溫度采集模塊和一個均衡保護模塊，在整個電池組的輸出端還配一個電流采集檢測模塊和一個絕緣檢測模塊；最后一組電池是備用電池組，也配有一個電壓溫度采集模塊和一個均衡保護模塊和補償開關；下層的所有模塊通過系統(tǒng)內部CAN與上層主控模塊通訊，主控模塊上還具備與外部整車控制器和充電機通訊的隔離CAN總線接口。
2.根據權利要求1所述的多CAN的電池組管理裝置，其特征在于所述上層主控模塊采用的嵌入式微控制器為16位單片機MC9S12DGU8MPVE，其內部集成2路CAN控制器，外圍還通過IIC總線接入實時時鐘芯片和EEPROM存儲芯片，2路CAN的RX和TX腳分別經過光耦隔離接不同收發(fā)器構成內部和外部雙CAN通訊網絡。
3.根據權利要求1所述的多CAN的電池組管理裝置，其特征在于所述電壓溫度采集模塊采用的嵌入式微控制器為SST89E516RD2單片機，它內置64KB的程序存儲器和256B的數據RAM，在電壓溫度采集模塊上使用DC/DC電源。
專利摘要多CAN的電池組管理裝置，基于多CAN的電池組管理系統(tǒng)，采用分上、下層管理，上層為主控模塊，下層包括電壓溫度采集模塊、電流采集模塊、均衡保護模塊、絕緣檢測模塊，每個電池組中的10串單體電池配一個電壓溫度采集模塊和一個均衡保護模塊，在整個電池組的輸出端還配一個電流采集檢測模塊和一個絕緣檢測模塊。該系統(tǒng)具有易于擴展，連接方便，數據隔離，穩(wěn)定可靠等特點。
文檔編號H02J7/00GK202142877SQ20112017398
公開日2012年2月8日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2011年5月27日
發(fā)明者曹銘, 李中立, 黃菊花 申請人:南昌大學