CN102064356A - 一种电池管理*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池管理***，包括内部CAN总线(2)连接的主控制器(1)和一个以上的从控制器(3)，每个从控制器与对应的一个电池模块(5)及对应的一个电池均衡器(4)二二连接，所述主控制器还与外部CAN总线(6)连接，所述内部和外部CAN总线都包括各自独立的CAN通讯模块。这种电池管理***，进一步从控制器和电池均衡器均有独立接口与电池模块连接、从控制器中独立的AD采样芯片采用隔离DC-DC电源并使用光耦隔离其与微处理器间通讯，主控制器采用具有双量程霍尔电流传感器监测电池组电流，从而使管理***结构安全可靠，避免了AD采样、微处理器和电池均衡器三者间干扰、满足了电流测量的两种不同情况下的测试需要。

Description

一种电池管理***
技术领域
本发明涉及电池和电池管理，具体涉及一种尤其应用于汽车动力管理的电池管理***。
背景技术
电池管理***是动力电池应用及新能源汽车产业发展的关键。在电动汽车、电动自行车和电动摩托车中，电池管理***负责采集电池组中单体电池 (电压、电流和温度)的数据，估计电池组的工作状态、均衡电池组间单体电池的电量、实施热管理、电池***故障诊断和报警等，并与车上其他零部件或***进行数据通信。而现有电池管理***具有以下缺陷或不足：
㈠电池管理***安全性要求尤其重要，且在实现不同类型的多种功能的基础上还要与外部通讯，同时汽车的工作环境恶劣，常处于强电磁干扰及脉冲电流的干扰下，但由于现有电池管理***内外通讯不隔离，因此安全和可靠性不够；
㈡现有的电池管理***为减少连线，一般从控制器和电池均衡器会集成后采用统一接口与电池模块连接，当电池均衡器工作时，电池管理从控制器测得的单体电池电压数据就会受到均衡电流的干扰，可能发出错误的电池电压信息。另外，单体电池电压采样（AD采样）时，微控制器往往直接与电池相连，这就造成微控制器对外连接通讯的接口都需要增加隔离电路，以满足电气安全；
㈢现有***中，采用量程满足电池组最大充放电电流的传感器，造成在电池组小电流充放电时，测量数据不准确，不能满足片上***（SOC）准确估算的要求，不利于混合动力汽车的最优控制；
㈣现有***中，采用电阻放电式的均衡模式，会将均衡电路与从控制模块集成封装在一起，一方面这会将宝贵的电能浪费掉，另一方面由于模块内散热条件不好引起温度过高监控均衡失效的可能。或者采用从电池组取电通过直流（DC）-直流（DC）变换器对容量较低电池充电的方式，结构复杂、成本较高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种电池管理***，结构更安全可靠，进一步避免或减轻AD采样、微处理器和电池均衡器三者间干扰，进一步满足电流测量的两种不同情况下的测试需要，进一步使均衡器结构简单且能效高。
本发明的技术问题这样解决：构建一种电池管理***，连接N个由一个以上单体电池依次串联组成的电池模块，包括一个主控制器和通过内部控制器局域网络(Controller Area Network, 简称CAN)总线与其通讯连接的N个从控制器，每个所述电池模块分别与相互连接的一个从控制器和一个电池均衡器对应连接，所述主控制器还与外部CAN总线通讯连接，所述内部CAN总线和外部CAN总线都包括各自独立的CAN通讯模块，N是大于1的任一自然数。
按照本发明提供的电池管理***，所述从控制器和电池均衡器通过各自接口与所述电池模块连接。
按照本发明提供的电池管理***，还包括与每个所述电池模块对应连接的各自模数(AD)采样芯片，所述采样芯片通过各自光耦通讯隔离电路与对应从控制器电连接；进一步：
所述采样芯片电源端电连接与所述主控制器和从控制器电源隔离的直流电源；
所述隔离的直流电源包括但不限制于优选的输入端连接所述主控制器和从控制器电源的直流-直流(DC-DC)电源。
按照本发明提供的电池管理***，还包括与所述主控制器电连接的采用M量程霍尔电流传感器的电池组电流采样电路，M是大于1的自然数；进一步：
所述电池组电流采样电路通过M条通道与所述主控制器电连接；
其中：M优选2。
按照本发明提供的电池管理***，N是2至14的任一自然数，不超过14，所述主控制器和每个从控制器设置不同的内部CAN总线地址；所述主控制器还设有外部CAN总线地址。
按照本发明提供的电池管理***，所述电池均衡器包括与所述电池模块中L+1个依次串联的单体电池连接配合的L个依次串联电容以及用于切换L个所述电容与前L个或后L个所述单体电池一一依次并联的控制开关，L是大于1的任一自然数。
按照本发明提供的电池管理***，所述电池管理***包括但不限制于是汽车动力电池管理***或混合动力汽车电池管理***。
本发明提供的电池管理***，采用㈠各自独立CAN总线进行内外通讯，进一步㈡从控制器和电池均衡器均有独立的接口与电池模块连接、从控制器采用独立的AD采样芯片、采用隔离DC-DC电源对其供电、AD采样芯片与从控制器微处理器之间的通讯通过光耦隔离，㈢主控制器采用了具有多测量范围的霍尔电流传感器监测电池组电流,㈣电池均衡器采用了开关电容电压均衡模式，从而使管理***结构安全可靠，进一步避免了AD采样、微处理器和电池均衡器三者间干扰，更进一步满足了电流测量的两种不同情况下的测试需要，最后还进一步使得均衡器结构简单且能效高。 
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：
图1为本发明具体实施例动力电池管理***电路结构示意图；
图2为图1所示电池管理***中主控制器和从控制器电原理框图；
图3为图1所示电池管理***中开关电容电压电池均衡器电原理示意图；
图4为图1所示电池管理***中主控制器主程序流程示意图；
图5为图1所示电池管理***中主控制器电池组电流采样程序示意流程图。
具体实施方式
首先，说明本发明具体实施例动力电池管理***硬件结构：
如图1所示，该动力电池管理***包括：主控制器1，独立的N（N最大为14）个从控制器3和独立的N（N最大为14）个电池均衡器4。每个从控制器3与一个电池均衡器4对应，监控一个电池模块5，由这个从控制器3控制对应电池均衡器4是否工作。从控制器3和电池均衡器4均有独立的接口（图中的实线粗箭头，空心箭头）与对应的电池模块5连接，当电池均衡器4工作时，通过其独立接口（图中的实线粗箭头）对对应电池模块5中的每个串联单体电池进行充放电均衡，从控制器3则通过其独立接口（图中的空心箭头）监测单体电池电压、温度，避免了相互间干扰可能导致的错误控制。主控制器1连接具有各自独立CAN通讯模块的内部CAN总线2和外部CAN总线6，主控制器1与从控制器3之间通过内部CAN总线2连接，主控制器1通过外部CAN总线6与外部***连接。其中：
㈠主控制器1和从控制器3
如图2所示，给出了主控制器1与一个从控制器3连接示意和它们的内部结构，其中：
①主控制器
主控制器是整个电池管理***的核心，本发明具体实施例中主控制器包含：主控制器微处理器，Ⅰ电池组电压采样电路，电池组电流采样电路，Ⅱ电池组主电路开关极其控制电路，Ⅲ故障报警等辅助电路和Ⅳ隔离通讯电路。其中：
Ⅰ电池组电压采样电路
电池组电压采样电路采用霍尔电压传感器将电池组与控制电路进行隔离，并把电池组端电压按比例转换为微处理器处理范围内的电压，经滤波后连接到微处理器的AD口；
电池组电流采样电路采用具有多个量程范围的霍尔电流传感器将电池组与控制电路进行隔离，电流传感器的高档（第一电流采样通道）量程范围应满足电池组最大充放电电流需求，低档（第二电流采样通道）的量程范围则可缩小为高档量程范围的十分之一左右。在电池组充放电电流较小时，选择第二电流采样通道对电池组电流采样，在电池组充放电电流超出低档量程范围时，选择第一电流采样通道对其采样，就完全能够满足电池组片上***SOC估算以及动力***控制策略对电流数据精度的要求。
Ⅱ电池组主电路开关及其控制电路
为实现对电池组供电的安全可靠控制，电池组开关包括如下器件：分别串联安装于电池组正负极的高压直流接触器2个，为满足电容预充电功能而与电池组正极接触器并联安装的限流电阻和预充电开关。当电池管理***控制电池组开关闭合时，为防止主电路中容性负载可能因此的脉冲电流，必须先闭合电池组负极的高压接触器和预充电开关通过限流电阻对容性负载充电，当负载电压和电池组电压接近后才可以闭合电池组正极的高压接触器，断开预充电开关，完成闭合电池组开关指令。
Ⅲ故障报警
故障报警等辅助电路包括发光报警电路和电池组绝缘检测电路，每次电池管理***上电启动初始化时，均需要对电池组绝缘电阻进行检测，保障***安全。当电池管理主控制器检测到电池组出现故障或接收到从控制器的故障信息时，除了在动力***CAN总线上输出故障警告信息外，还通过报警电路进行声音、发光报警。
Ⅳ隔离通讯电路
隔离通讯电路主要是满足电池管理主控制器的双路CAN总线通讯功能，包含DC-DC隔离电源，光电耦合器件，CAN通讯芯片，共模抑制器。
②从控制器3
电池组的从控制器3有多个，都通过内部CAN总线2与主控制器1连接，图2仅给出了一个从控制器电原理框图。采用这种主从集散式控制的电池管理***极大地提高了电池组布局的灵活性，在实际应用中，可将电池组根据需要分为若干包，每包包含一个以上的电池模块5，每个电池模块5对应一个从控制器3和一个电池均衡器4。从控制器包含：从控制模块微处理器，Ⅰ单体电池电压采样电路，Ⅱ温度采样电路、Ⅲ序号编码等辅助电路、CAN总线隔离通讯电路。其中：
Ⅰ单体电池电压采样电路
单体电池电压采样电路，图2中给出了对三个单体电池进行电压采样的原理图，微处理器通过控制其连接的采样开关K1、K2、K3的轮流导通，使专用的AD采样芯片依次对三个单体电池的电压进行采集，同时AD芯片通过隔离DC-DC电源供电，与微处理器之间的通讯通过光电耦合器件进行隔离，如此实现了电池组与控制电路的隔离，有效提高了***安全性。
Ⅱ温度采样电路
每个从控制模块都留有若干个温度传感器接口，将温度传感器放置于电池箱内的合适位置，其输出信号经滤波处理后输入到微处理器的AD口，按照规定协议进行转化后通过CAN总线输出给电池管理总控制器。
Ⅲ序号编码等辅助电路
在整个电池管理***中，根据统一的CAN总线的J1939通讯协议，每个从控制器都有其唯一的编码地址，通过拨动序号编码电路中的5位拨码开关可以在外部设置从控制器的地址，让其和固定位置的电池箱相对应。当从控制器检测到其对应的电池模块中的单体电池出现故障，或是对应的均衡电路出现故障时，不但要根据协议向电池管理总控制器输出故障信息，同时通过报警电路进行声音、发光报警。
㈡电池均衡器4
如图3所示，本发明具体实施例中电池均衡器4采用对四个串联电池配置三个均衡电容的电路形式，其控制开关是一个四刀双掷开关，其固定端与所述电容电连接，选择端与所述电池电连接。其工作原理是：每个均衡电容被用来转移串联充电电池中相连两电池之间的电荷，随着开关不停的前后导通，这些电容将任意个数串联的电池阵列均衡到同一电压，并且这种均衡方式不受电池串是否在充电的状态的影响，只要存在电压差，打开均衡控制电路，则电压均衡过程就会开始，趋向于最终所有电池达到电压平衡，假设电池电压                                                
Figure 201010598624X100002DEST_PATH_IMAGE001
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Figure 449591DEST_PATH_IMAGE002
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Figure 201010598624X100002DEST_PATH_IMAGE003
>
Figure 63194DEST_PATH_IMAGE004
，那么当双掷开关连到上面的时候， 
Figure 692890DEST_PATH_IMAGE001
将电荷转到上，
Figure 56000DEST_PATH_IMAGE002
将电荷转到
Figure 267801DEST_PATH_IMAGE006
上，
Figure 652907DEST_PATH_IMAGE003
将电荷转到
Figure 201010598624X100002DEST_PATH_IMAGE007
上；当双掷开关连到下面的时候，将电荷转到上，
Figure 940690DEST_PATH_IMAGE008
将电荷转到上，
Figure 625017DEST_PATH_IMAGE007
将电荷转到上，就这样，双掷开关以一定的频率上下连接，电荷也不断地被从高电压的电池转到低电压的电池中，最后达到所有电池电压基本相同的状态，并且只要开关不停的切换，电荷的转移就会消除电池之间的压差。在实际***中则使用上下互补导通的超低导通阻抗场效应MOS功率管来等效代替双掷开关，使得等效开关开通时的电阻减少，进而减少能耗。
第二，说明本发明具体实施例动力电池管理***中软件控制程序：
㈠主程序
该主程序运行在主控制器1内微处理器中，具体如图4所示，包括：***初始化，包括上电、加载程序、设置环境和启动微处理器输入/出端口；执行控制指令通过***电路检测电池组状态；根据检测结果判断电池状态是否正常，否断开电池输出开关、报警，结束；是则输出电池状态信息，接收外部***控制命令允许其闭合/断开电池输出开关；之后，判断接收的闭合/断开电池输出开关的外部控制命令，根据电池输出开关的状态执行对应动作（包括闭合/断开/不作为动作）。
㈡电池组电流采样程序
该采样程序被主程序中检测电池组状态步骤或者其他中断调用，具体如图5所示，包括以下步骤： 
501）通过采用小量程的第二电流采样通道获取霍尔电流传感器的对应电流采样值；
502）判断采样值是否超出第二电流采样通道的量程？未超出则判定该采样值为实际电流值返回该值，跳过步骤503）结束；超出则进入下一步；
503）通过使用大量程的第一电流采样通道获取电流传感器的电流采样值作为实际电流值返回该值，结束。
最后，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种电池管理***，连接N个由一个以上单体电池依次串联组成的电池模块(5)，其特征在于，包括一个主控制器(1)和通过内部CAN总线(2)与其通讯连接的N个从控制器(3)，每个所述电池模块分别与相互连接的一个从控制器和一个电池均衡器(4)对应连接，所述主控制器还与外部CAN总线(6)通讯连接，所述内部CAN总线和外部CAN总线都包括各自独立的CAN通讯模块，N是大于1的任一自然数。
2.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，所述从控制器(3)和电池均衡器(4)通过各自接口与所述电池模块(5)连接。
3.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，还包括与每个所述电池模块(5)对应连接的各自模数采样芯片，所述采样芯片通过各自光耦通讯隔离电路与对应从控制器电连接。
4.根据权利要求3所述电池管理***，其特征在于，所述采样芯片电源端电连接与所述主控制器(1)和从控制器(3)电源隔离的直流电源。
5.根据权利要求4所述电池管理***，其特征在于，所述隔离的直流电源是输入端连接所述主控制器(1)和从控制器(3)电源的直流-直流电源。
6.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，还包括与所述主控制器(1)电连接的采用M量程霍尔电流传感器的电池组电流采样电路，M是大于1的自然数。
7.根据权利要求6所述电池管理***，其特征在于，所述电池组电流采样电路通过M条通道与所述主控制器(1)电连接。
8.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，N是2至14的任一自然数，所述主控制器(1)和每个从控制器(3)设置不同的内部CAN总线地址。
9.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，所述电池均衡器(4)包括与所述电池模块(5)中L+1个依次串联的单体电池连接配合的L个依次串联电容以及用于切换L个所述电容与前L个或后L个所述单体电池一一依次并联的控制开关，L是大于1的任一自然数。
10.根据权利要求1所述电池管理***，其特征在于，所述电池管理***是汽车动力电池管理***或混合动力汽车电池管理***。
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