CN102593541A

CN102593541A - 基于arm微处理器的电动汽车动力电池管理***

Info

Publication number: CN102593541A
Application number: CN2012100376561A
Authority: CN
Inventors: 王佳; 邹宜才; 聂岁兵
Original assignee: Shanghai Yiruitaike Science & Technology Co Ltd; SHANGHAI EV-TECH NEW ENERGY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI YIRUITAIKE SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-20

Abstract

本发明公开了一种电动汽车动力电池管理技术领域的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，包括主控模块、若干个从控模块、诊断设备、监控设备和若干节电池，所述主控模块分别与诊断设备、监控设备、电动汽车和若干个从控模块电连接，每个从控模块与相同节数的电池电连接。本***是一种更合理可靠、管理完善且特别适用于电动汽车的动力电池管理***。

Description

基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***

技术领域

本发明涉及一种电动汽车动力电池管理技术领域的***，具体地说，涉及一种基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***。

背景技术

随着汽车工业的发展和进步，人们对汽车的动力性、经济性、安全性及排放方面的要求越来越高，新能源汽车逐渐成为当前乃至今后一段时间的发展方向，而新能源汽车用的动力电池由于其自身的特殊性，没有一个合理可靠的管理***，动力电池很容易出现过充、过放、温度过高等问题，轻则出现电池自身性能下降、寿命缩短甚至出现严重故障，重则影响动力电池自身安全及人员、车辆的安全。一个性能可靠的电池管理***对于防止电池过充过放，提高电池的利用率，延长电池寿命具有重要意义，对于新能源汽车来说就显得尤为重要。

目前的动力电池管理***存在以下问题：(1)电压检测精度不高；(2)剩余容量(SOC，State Of Charge)估算误差较大；SOC对于车辆的整车控制和加速性能都有很大影响；(3)发生故障后，故障点前后一段时间内电池的实际状态和变化趋势无法追溯，不便于问题的查找。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ARM(Advanced RISC Machines)微处理器的电动汽车动力电池管理***，该***是一种更合理可靠、管理完善且特别适用于电动汽车的动力电池管理***。

为了达到上述目的，本发明提供一种基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，包括主控模块、若干个从控模块、诊断设备、监控设备和若干节电池，该主控模块分别与诊断设备、监控设备、电动汽车和若干个从控模块电连接，每个从控模块与相同节数的电池电连接。

所述主控模块采用基于ARM的32位微处理器作为主控CPU。

所述主控模块与主从CAN总线电连接，主从CAN总线与若干个从控模块电连接。

所述主控模块对各从控模块数据统一运算处理，该主控模块对电池充放电电流进行采集、对SOC进行估算，该主控模块同时向电动汽车CAN网络发送当前电池的重要状态信息及报警信息，供仪表显示和整车控制的参考，主控模块可以记录和存储故障发生点特定时间内电池工作状态及参数信息，便于问题追溯及原因分析。

所述监控设备可以在车辆行驶、充电或空闲时间监控全部动力电池组内总电压、总电流、各单体电压、电池温度、剩余容量、电池健康指数(SOH，State ofHealth)、绝缘电阻、工作状态和故障信息。

所述诊断设备可以和电池管理***进行通讯，将发生故障前后特定时间内动力电池的状态及变化趋势信息存储下来，作为专业人员分析判断、排除故障的最原始资料。

所述主控CPU内部包括CAN转换器、AD转换器和RS232接口。该主控CPU运算速度快，片内最高可达60MHz的操作频率，片内自带10位AD转换器，转换时间低至2.44us。

所述主控模块包括主控CPU、电流检测单元、总电压检测模块、绝缘监控模块、热管理单元、***时钟、故障信息及数据存储单元、车体CAN总线收发模块、诊断CAN总线收发模块、RS232通讯接口、充电设备、SOC估算模块、SOH监测模块和充电控制模块，该主控CPU分别与电流检测单元、总电压检测模块、绝缘监控模块、热管理单元、***时钟和故障信息及数据存储单元电连接，所述主控CPU通过诊断CAN总线收发模块与诊断设备连接，主控CPU与车体CAN总线收发模块连接，车体CAN总线收发模块分别与电动汽车和充电设备连接，所述主控CPU分别与SOC估算模块、SOH监测模块和充电控制模块耦合连接。

所述电流检测单元依次通过电流传感器和信号调理电路与主控CPU连接。

所述故障信息及数据存储单元通过I2C通讯总线与主控CPU连接。

所述监控设备通过电平转换模块与RS232通讯接口连接。

所述热管理单元与继电器控制模块连接，继电器控制模块分别与加热膜和风扇连接。

所述车体CAN总线收发模块和诊断CAN总线收发模块均采用芯片为CTM1050。

所述电平转换模块采用芯片为SP3232E。

所述主控模块中的总电压检测模块可以采集总电压，电流检测单元可以采集充放电电流，绝缘监控模块可以监控绝缘电阻、热管理单元用于动力电池的热管理、该主控模块通过车体CAN总线收发模块与整车进行通讯、SOC估算模块进行电池剩余容量(SOC)估算、SOH监测模块进行电池健康指数估算、充电控制模块控制充电。

所述故障信息及数据存储单元具有大容量的铁电存储器，掉电后数据可以保存，百亿次甚至是亿亿次的擦写次数基本等于是无限次。

由于绝缘电阻的实时监测对动力电池组自身、电动汽车乃至人员的人身安全都有着很大的关系，所述的绝缘监控模块可以通过实时监控绝缘情况来分级报警，轻微漏电时报警提醒要停车检修，若没有及时停车检修达到严重报警时自动切断充放电继电器，能够保证动力电池组及人员的安全。

所述电流检测单元能够采集充放电电流，能够作为SOC安时累积估算的基础，电流的精度直接影响SOC的精度。

所述电流检测单元采用霍尔传感器采集电流，该传感器采集精度高、响应时间短。SOC的精确估算为车辆的整车控制、加减速等提供准确的依据。同时可以让驾驶员大致估算可行驶的剩余里程。SOH的估算直接关系到动力电池的寿命，动力电池管理***通过完善的管理机制可以极大的延长动力电池的使用寿命，尽可能的使动力电池的健康指数维持在一个较高水平。

所述从控模块包括从控CPU、第一采集单元、第二采集单元和I2C总线，从控CPU的控制端与主从CAN总线电连接，从控CPU的通讯端与I2C总线的控制端电连接，两个采集单元的通讯端分别与I2C总线的两个采样端电连接，第一采集单元的电压采样端和温度采样端分别与第一至第八节电池的输出端和第一温度监查设备电连接，第二采集单元的电压采样端和温度采样端分别与第九至第十六节电池的输出端和第二温度监查设备电连接。

所述采集单元包括电池监控芯片、电压采集模块、均衡控制模块和温度采集模块，电池监控芯片的输入端分别与电压采集模块、均衡控制模块和温度采集模块的输出端耦合连接，电压采集模块和均衡控制模块的输入端均与第一至第八节电池耦合连接，温度采集模块的输入端与第一温度监查设备耦合连接，电池监控芯片的输出端与I2C总线耦合连接。

所述从控CPU采用芯片为LPC2194。

所述从控CPU通过主从CAN收发模块与主从CAN总线的CAN接口连接。

所述从控模块可以采集电池电压和电池温度。所述从控模块采集单体电压，精度高、时间段。同时将采集的电压、温度信号通过串行I2C总线发送给从控模块的单片机。

所述采集单元的电压采样端和温度采样端分别与电池和温度监查设备电连接。所述采集单元对电池电压进行采集、对电池温度进行实时监测、同时与单片机通过串行I2C总线进行通讯，而从控模块的单片机与主控模块通过主从CAN总线实时进行数据交换和信息传输。

由于动力电池在低温和高温的环境下放电能力大大降低，本发明可以根据实时采集的温度信号来控制冷却风扇或者加热模块工作状态，从而使动力电池维持在一个较佳的环境中，这样对于电池的充放电能力的提高和寿命的延长都起着至关重要的作用。

充电控制对于动力电池组来说尤为重要，合理的充电控制策略对于电池来说同样重要，因为既要保证电池完全充满，使其能放出的电量最多，同时又要保证所有电池不会因过充而损坏或降低寿命，同时要对充电过程中的电池温度、充电电流等参数进行监控和调整，使其始终处于最佳的充电状态。

本***可以与车载充电机或充电站进行通讯，对整个充电过程进行全程监控，保证了动力电池及充电设备的安全工作。本***具有继电器控制信号输出，以控制充放电继电器及其它车载电器等。

本***主要完成对动力电池组在实车运行时的状态监测和信息传输，状态监测包括电池电压、电池组总电压、充放电电流、电池温度、绝缘监测等，同时将电池组各种报警信号通过主从CAN总线发送给整车控制单元，供整车控制作为参考。同时实时估算电池剩余容量SOC和电池健康指数SOH。另外根据整车控制策略完成对高压继电器的控制，并根据电池箱内环境温度对电池组进行热管理。

本***可以通过精确的采集各单体电池电压、总电压、充放电电流、电池温度、电池的绝缘性能的实时监测以及剩余容量估算，来有效防止电池过充、过放、过热等，提高电池利用率、延长电池寿命、保证电池的使用安全，从而保证人身和车辆的安全。

本***一方面对电池各种参数、状态进行采集、监测，同时可以依据电池的保护要求及整车控制需要进行综合判断后，通过主从CAN总线向整车提供动力电池的实时状态及各种故障信息，另外可以通过诊断设备和监控设备对动力电池当前详细信息进行查看以及参数标定，极大的方便了对动力电池的诊断和维护。

附图说明

图1为本发明***的原理框图。

图2为本发明的主控模块的原理框图。

图3为本发明的从控模块的原理框图。

图4为本发明的从控模块的采集单元的原理框图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的基于ARM微处理器的动力电池管理***，包括主控模块1、主从CAN总线2、若干个从控模块3、诊断设备4、监控设备5和若干节电池6，该主控模块1分别与诊断设备4、监控设备5和电动汽车7电连接，主控模块1与主从CAN总线2电连接，主从CAN总线2与若干个从控模块3电连接，每个从控模块3与相同节数的电池6电连接。

所述主控模块1对各从控模块3数据统一运算处理，该主控模块1对电池6充放电电流进行采集、对SOC进行估算，该主控模块1同时向电动汽车CAN网络发送当前电池6的重要状态信息及报警信息，供仪表显示和整车控制的参考，主控模块1可以记录和存储故障发生点前后5分钟电池6工作状态及参数信息，便于问题追溯及原因分析。

所述监控设备5可以在车辆行驶、充电、空闲等任意时刻监控全部动力电池组内总电压、总电流、各单体电压、电池6温度、SOC、SOH、绝缘电阻、工作状态、故障信息等。

所述诊断设备4可以和电池6管理***进行通讯，将发生故障前后5分钟内动力电池的状态及变化趋势信息存储下来，作为专业人员分析判断、排除故障的最原始资料。

所述主控模块1采用基于ARM的32位微处理器作为主控CPU11，该主控CPU11内部包括CAN转换器、AD转换器和RS232接口。所述主控CPU11的型号为LPC2294。该主控CPU11运算速度快，片内最高可达60MHz的操作频率，片内自带10位AD转换器，转换时间低至2.44us。

如图2所示，所述主控模块1包括主控CPU11、电流检测单元12、总电压检测模块13、绝缘监控模块14、热管理单元15、***时钟16、故障信息及数据存储单元17、车体CAN总线收发模块19、诊断CAN总线收发模块18、RS232通讯接口20、充电设备10、SOC估算模块21、SOH监测模块22和充电控制模块29，该主控CPU11分别与电流检测单元12、总电压检测模块13、绝缘监控模块14、热管理单元15、***时钟16和故障信息及数据存储单元17电连接，所述主控CPU11通过诊断CAN总线收发模块18与诊断设备4连接，主控CPU11与车体CAN总线收发模块19连接，车体CAN总线收发模块19分别与电动汽车7和充电设备10连接，所述主控CPU11分别与SOC估算模块21、SOH监测模块22和充电控制模块29耦合连接。

所述电流检测单元12依次通过电流传感器24和信号调理电路23与主控CPU11连接。

所述故障信息及数据存储单元17通过I2C通讯总线与主控CPU11连接。

所述监控设备5通过电平转换模块28与RS232通讯接口20连接。

所述热管理单元15与继电器控制模块25连接，继电器控制模块25分别与加热膜26和风扇27连接。

所述车体CAN总线收发模块19和诊断CAN总线收发模块18均采用芯片为CTM1050。

所述电平转换模块28采用芯片为SP3232E。

所述主控模块1中的总电压检测模块13可以采集总电压，电流检测单元12可以采集充放电电流，绝缘监控模块14可以监控绝缘电阻、热管理单元15用于动力电池的热管理、该主控模块1通过车体CAN总线收发模块19与整车进行通讯、SOC估算模块进行电池6剩余容量(SOC)估算、SOH监测模块进行电池6健康指数估算、充电控制模块控制充电。

所述故障信息及数据存储单元17具有大容量的铁电存储器，掉电后数据可以保存，百亿次甚至是亿亿次的擦写次数基本等于是无限次。

所述铁电存储器的型号为FM24V10。

由于绝缘电阻的实时监测对动力电池组自身、电动汽车乃至人员的人身安全都有着很大的关系，所述的绝缘监控模块14可以通过实时监控绝缘情况来分级报警，轻微漏电时报警提醒要停车检修，若没有及时停车检修达到严重报警时自动切断充放电继电器，能够保证动力电池组及人员的安全。

所述电流检测单元12能够采集充放电电流，能够作为SOC安时累积估算的基础，电流的精度直接影响SOC的精度。

所述电流检测单元12采用霍尔传感器采集电流，该传感器采集精度高、响应时间短。SOC的精确估算为车辆的整车控制、加减速等提供准确的依据。同时可以让驾驶员大致估算可行驶的剩余里程。SOH的估算直接关系到动力电池的寿命，动力电池管理***通过完善的管理机制可以极大的延长动力电池的使用寿命，尽可能的使动力电池的健康指数维持在一个较高水平。

如图3所示，所述从控模块3包括从控CPU31、第一采集单元32、第二采集单元33和I2C总线34，从控CPU31的控制端与主从CAN总线2电连接，从控CPU31的通讯端与I2C总线34的控制端电连接，两个采集单元32、33的通讯端分别与I2C总线34的两个采样端电连接，第一采集单元32的电压采样端和温度采样端分别与第一至第八节电池61的输出端和第一温度监查设备35电连接，第二采集单元33的电压采样端和温度采样端分别与第九至第十六节电池62的输出端和第二温度监查设备36电连接。

所述温度监查设备35、36包括三个温度传感器。

所述采集单元32或33包括电池监控芯片321、电压采集模块322、均衡控制模块323和温度采集模块324，电池监控芯片321的输入端分别与电压采集模块322、均衡控制模块323和温度采集模块324的输出端耦合连接，电压采集模块322和均衡控制模块323的输入端均与第一至第八节电池61耦合连接，温度采集模块324的输入端与第一温度监查设备35耦合连接，电池监控芯片321的输出端与I2C总线34耦合连接。

所述从控CPU31采用芯片为LPC2194。

所述从控CPU31通过主从CAN收发模块37与主从CAN总线2的CAN接口连接。

所述从控模块3可以采集电池6电压和电池6温度。所述从控模块3采集单体电压，精度高、时间段。同时将采集的电压、温度信号通过串行I2C总线34发送给从控模块3的从控CPU31。

所述采集单元32、33的电压采样端和温度采样端分别与电池6和温度监查设备电连接。所述采集单元对电池6电压进行采集、对电池6温度进行实时监测、同时与从控CPU31通过串行I2C总线34进行通讯，而从控模块3的从控CPU31与主控模块1通过主从CAN总线2实时进行数据交换和信息传输。

如图1所示，由于动力电池在低温和高温的环境下放电能力大大降低，本发明可以根据实时采集的温度信号来控制冷却风扇或者加热模块工作状态，从而使动力电池维持在一个较佳的环境中，这样对于电池6的充放电能力的提高和寿命的延长都起着至关重要的作用。

充电控制对于动力电池组来说尤为重要，合理的充电控制策略对于电池6来说同样重要，因为既要保证电池6完全充满，使其能放出的电量最多，同时又要保证所有电池6不会因过充而损坏或降低寿命，同时要对充电过程中的电池6温度、充电电流等参数进行监控和调整，使其始终处于最佳的充电状态。

本***可以与车载充电机或充电站进行通讯，对整个充电过程进行全程监控，保证了动力电池及充电设备10的安全工作。本***具有继电器控制信号输出，以控制充放电继电器及其它车载电器等。

本***主要完成对动力电池组在实车运行时的状态监测和信息传输，状态监测包括电池6电压、电池组总电压、充放电电流、电池6温度、绝缘监测等，同时将电池6组各种报警信号通过车体CAN总线收发模块19发送给整车控制单元，供整车控制作为参考。同时实时估算电池6剩余容量SOC和电池6健康指数SOH。另外根据整车控制策略完成对高压继电器的控制，并根据电池6箱内环境温度对电池6组进行热管理。

本***可以通过精确的采集各单体电池6电压、总电压、充放电电流、电池6温度、电池6的绝缘性能的实时监测以及剩余容量估算，来有效防止电池6过充、过放、过热等，提高电池6利用率、延长电池6寿命、保证电池6的使用安全，从而保证人身和车辆的安全。

本***一方面对电池6各种参数、状态进行采集、监测，同时可以依据电池6的保护要求及整车控制需要进行综合判断后，通过主从CAN总线2向整车提供动力电池的实时状态及各种故障信息，另外可以通过诊断设备4和监控设备5对动力电池当前详细信息进行查看以及参数标定，极大的方便了对动力电池的诊断和维护。

Claims

1.一种基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，包括主控模块、若干个从控模块、诊断设备、监控设备和若干节电池，其特征在于，所述主控模块分别与诊断设备、监控设备、电动汽车和若干个从控模块电连接，每个从控模块与相同节数的电池电连接；

所述主控模块采用基于ARM的32位微处理器作为主控CPU。

2.根据权利要求1所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述主控模块与主从CAN总线电连接，主从CAN总线与若干个从控模块电连接。

3.根据权利要求1所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述主控模块包括主控CPU、电流检测单元、总电压检测模块、绝缘监控模块、热管理单元、***时钟、故障信息及数据存储单元、车体CAN总线收发模块、诊断CAN总线收发模块、RS232通讯接口、充电设备、SOC估算模块、SOH监测模块和充电控制模块，该主控CPU分别与电流检测单元、总电压检测模块、绝缘监控模块、热管理单元、***时钟和故障信息及数据存储单元电连接，所述主控CPU通过诊断CAN总线收发模块与诊断设备连接，主控CPU与车体CAN总线收发模块连接，车体CAN总线收发模块分别与电动汽车和充电设备连接，所述主控CPU分别与SOC估算模块、SOH监测模块和充电控制模块耦合连接。

4.根据权利要求3所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述电流检测单元依次通过电流传感器和信号调理电路与主控CPU连接；

所述故障信息及数据存储单元通过I2C通讯总线与主控CPU连接；

所述监控设备通过电平转换模块与RS232通讯接口连接；

所述热管理单元与继电器控制模块连接，继电器控制模块分别与加热膜和风扇连接；

所述车体CAN总线收发模块和诊断CAN总线收发模块均采用芯片为CTM1050；

所述电平转换模块采用芯片为SP3232E。

5.根据权利要求3所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述电流检测单元采用霍尔传感器采集电流。

6.根据权利要求1所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述从控模块包括从控CPU、第一采集单元、第二采集单元和I2C总线，从控CPU的控制端与主从CAN总线电连接，从控CPU的通讯端与I2C总线的控制端电连接，两个采集单元的通讯端分别与I2C总线的两个采样端电连接，第一采集单元的电压采样端和温度采样端分别与第一至第八节电池的输出端和第一温度监查设备电连接，第二采集单元的电压采样端和温度采样端分别与第九至第十六节电池的输出端和第二温度监查设备电连接。

7.根据权利要求6所述的基于ARM微处理器的电动汽车动力电池管理***，其特征在于，所述采集单元包括电池监控芯片、电压采集模块、均衡控制模块和温度采集模块，电池监控芯片的输入端分别与电压采集模块、均衡控制模块和温度采集模块的输出端耦合连接，电压采集模块和均衡控制模块的输入端均与第一至第八节电池耦合连接，温度采集模块的输入端与第一温度监查设备耦合连接，电池监控芯片的输出端与I2C总线耦合连接。