CN109066838A - 一种动力电池管控*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动力电池管控***,包括电池组、本地控制单元、以及通过CAN总线与本地控制单元通信连接的中央控制单元;本地控制单元用于每一组电池的信号采集、状态估计和均衡管理;所述中央控制单元用于整体电池组的电压和电流采集、充放电控制、电池保护、收集所述本地控制单元信息、数据处理和存储和实时显示。本发明可以实现对所有单体电池SOC的准确估计和基于电池SOC的高效主动均衡,均衡电路结构简单,成本较低,可以实现双向充放电均衡,均衡电流可达3‑5A,具有很好的均衡速度。本发明的均衡电路具有良好的均衡效果,可以将不同电池SOC之差均衡在1%以内,本发明的动力电池管控***对于整个电池***的安全、稳定和高效运行有着重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池的技术领域,尤其涉及一种动力电池管控***。
背景技术
电池管理***(Battery Management System,BMS)是动力电池***必不可少的一部分,广泛应用于各种电动汽车的电池管理之中。电池管理***一般主要实现以下几方面功能:
(1)实时采集电池工作时的各项数据;电池管理***需要实时采集电池组中每块单体电池的端电压、温度、电池组总电压和充放电电流等信息,为电池状态估计提供可靠数据。同时,及时给出电池组运行状况,保证电池组可靠高效地运行。
(2)准确估计电池的状态;电池的状态包括电池(组)的SOC、SOH和SOP等。SOC指当前电池的剩余电量,是电池最重要的参数。电池的SOC是电池管理***进行其他管理工作的基础。只有在获得准确SOC的前提下,***才能据此做出适当的判断,将电池管理至最佳状态。SOH是指电池的健康度,指电池当前容量与出厂容量之比,是衡量电池性能衰减程度的重要指标。SOP是描述电池最大充放电能力的参数,用于估计下个时刻电池组可以输入输出的最大功率,避免电池滥用。
(3)高效进行均衡管理;均衡管理技术是目前电池管理***中的核心技术之一。动力电池在串联使用后,由于不一致性等原因,在经过一段时间的使用之后,其电压、内阻和容量便会产生差异。并且这种差异在经过一些充放电周期之后会急剧增大,最终影响电池的使用寿命[8]。因此,选择适当的均衡方法,对有差异的电池进行高效的均衡显得十分重要。除此之外,电池在大功率情况下运行时,会产生热量,此时便需要对电池组进行适当的热管理。
(4)其他功能;除了上述功能之外,一个优秀的电池管理***还应该具备故障分析与报警、电池运行的关键数据记录和绝缘检测及保护等功能。这些功能对于保障电池安全可靠运行有着十分重要的作用。
但目前的电池管理***普遍采用电压均衡和被动均衡,导致电量损耗严重,管理效果不佳。
发明内容
基于以上现有技术的不足,本发明所解决的技术问题在于提供一种动力电池管控***,提高电池的采样精度、计算能力和估计精度,管理效果好。
为了解决上述技术问题,本发明通过以下技术方案来实现:本发明提供一种动力电池管控***,包括电池组、与所述电池组电连接的本地控制单元、以及通过CAN总线与所述本地控制单元通信连接的中央控制单元;
所述本地控制单元用于每一组电池的信号采集、状态估计和均衡管理;
所述中央控制单元用于整体电池组的电压和电流采集、充放电控制、电池保护、收集所述本地控制单元信息、数据处理和存储和实时显示。
作为上述技术方案的优选实施方式,本发明实施例提供的动力电池管控***进一步包括下列技术特征的部分或全部:
作为上述技术方案的改进,所述本地控制单元包括:
控制模块,用于估计电池状态,需要均衡时控制均衡模块工作;
采样模块,与所述控制器相连接,用于将采样到的信息传给所述控制器;
均衡模块,与所述控制器相连接;
电源模块,分别与所述控制器、采样模块和均衡模块连接并对控制器、采样模块和均衡模块进行供电。
作为上述技术方案的改进,在本发明的一个实施例中,所述采样模块包括:
电压采样电路,包括用于将单块电池的端电压转换为对地的电压的型号为INA148的差分放大器、用于将经过所述型号为INA148的差分放大器输出的电压进行降压的型号为LMV358的运算放大器;
电流采样电路,用于采集电池的均衡电流;
温度采集电路,采用型号为NTC-10K热敏电阻作为温度传感器,用于采集电池的温度。
作为上述技术方案的改进,所述控制模块采用型号为STM32F103RCT6的32位微控制器。
在本发明的一个实施例中,所述均衡模块包括开关阵列和双向隔离DC/DC,其中开关阵列采用型号为EMB1428的驱动芯片和型号为SI7938DP的双N沟道MOSTET;双向隔离DC/DC由型号为EMB1499的电源管理芯片和三个外部MOSFET组成的有源钳位双向正激变换器。
作为上述技术方案的改进,所述中央控制单元包括主控制器、分别与所述主控制器电连接的总电压采集模块、总电流采集模块、数据存储模块、通讯模块和显示模块;
所述主控制器为包括型号为STM32F767IGT6芯片的电路;
所述总电压采集模块采用型号为LV25-P的电压传感器;
所述总电流采集模块采用型号为CSNF661的电流传感器;
所述数据存储模块为包括型号为MT29F4G08芯片的电路。
作为上述技术方案的改进,在本发明的一个实施例中,所述CAN总线采用CAN隔离收发模块,用于将TTL/COMS电平转化为CAN总线的差分电平,实现信号隔离。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有如下有益效果:本发明的动力电池管控***采用分布式结构,包含一个中央控制单元和多个本地控制单元,他们之间通过CAN总线建立通讯,设计了***的整体方案,采用主从结构,即一个中央控制单元和多个本地控制单元,本地控制单元负责单组电池的电压、电流、温度等信号的采集、单体电池SOC估计和均衡功能,中央控制单元负责整体电压、电流等信号的采集和***整体控制,二者之间通过CAN总线通信。本发明可以实现对所有单体电池SOC的准确估计和基于电池SOC的高效主动均衡,均衡电路结构简单,成本较低,可以实现双向充放电均衡,均衡电流可达3-5A,具有很好的均衡速度。本发明的均衡电路具有良好的均衡效果,可以将不同电池SOC之差均衡在1%以内,本发明的动力电池管控***对于整个电池***的安全、稳定和高效运行有着重要的意义。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂,以下结合优选实施例,并配合附图,详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明优选实施例的动力电池管控***结构示意图;
图2是本发明优选实施例的动力电池管控***的本地控制单元的结构示意图;
图3是本发明优选实施例的动力电池管控***的电压采样电路的电路图;
图4是本发明优选实施例的动力电池管控***的电流采样电路的电路图;
图5是本发明优选实施例的动力电池管控***的温度采样电路的电路图;
图6是本发明优选实施例的动力电池管控***的双向隔离DC/DC的电路图;
图7是本发明优选实施例的动力电池管控***的CAN隔离收发模块的电路图;
图8是本发明优选实施例的动力电池管控***的总电压采集模块的电路图;
图9是本发明优选实施例的动力电池管控***的总电流采集模块的电路图;
图10是本发明优选实施例的动力电池管控***的数据存储模块的电路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式,其作为本说明书的一部分,通过实施例来说明本发明的原理,本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中,不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。
如图1-10所示,本发明的动力电池管控***采用两级控制结构,即中央控制单元(CMCU)和本地控制单元(LSCU),其具体硬件结构如图1所示。每个电池组都连接一个本地控制单元,所有的本地控制单元都通过CAN总线和中央控制单元通信。每个本地控制单元负责一组电池的信号采集、状态估计和电池均衡功能,各个模块之间独立工作。中央控制单元负责整体电池包的电压电流采集、充放电控制、电池保护、收集各个本地控制单元信息、数据处理和存储、实时显示功能。
本地控制单元集成了电池的信号采集、状态估计和均衡管理等功能,是整个硬件平台的重要组成部分。每个本地控制单元主要由电源、采样模块、均衡模块和控制模块组成。图2为本地控制单元的基本结构框图,采样模块将采集到的信息传给控制模块,控制模块估计电池状态,需要均衡的时候控制均衡模块工作,在必要情况下控制保护电路工作。接下来将详细介绍每一部分具体电路。在本发明所设计的硬件平台中,每组电池都会与之对应一个本地控制单元,这些单元之间相互独立,从本电池组的两端取电经适当变换后供给本地控制单元使用,每个本地控制单元均需要一个电源模块。
电源模块都从电池组取电,均衡模块需要12V和两路隔离的12V电源,其它模块还需要5V、-5V、3.3V电源,共有多级结构。本发明所设计的硬件平台,每组均衡电池数量最多为14块,总电压大概为37.8~58.8V,考虑到一些安全裕量,故选择TI公司的LM5017组成降压电路从电池组总电压降到12V,同时输出两路隔离12V电压。LM5017是TI公司一款同步降压稳压器,输入7.5V~100V,输出电流可达600mA,并且内部集成高压侧和低压侧开关,非常适合本发明电源的需求。为了输出隔离的12V电压,还加入了变比为1:1:1:1:1:1的变压器输出隔离电压+12VF1和+12VF2。
每个本地控制单元的采样模块都包含14路电压采样电路、电流采样电路和温度采集电路。每块电池的单体电压在2.7~4.2V之间,选用TI公司INA148差分运算放大器将电池的端电压转换为对地的电压。INA148是TI公司推出的高精度、低功耗、单位增益的差分放大器,输入共模电压可达±200V。经过INA148转换后,单体电池端电压被1:1转换为对地电压,此时输出电压最高可达4.2V,不能直接送入控制器的ADC中,还需经过一次放大,将最高电压限制在3.3V以内。因此,采用LMV358通用运放作为第二级放大。LMV358是TI公司推出的一款通用运算放大器,适当加上电阻组成比例放大电路如图3所示,将输入电压放大0.75倍输出,这样输出电压便被限制在2.02~3.15V之间。然后将LMV358输出接至控制器自带的ADC中,便可以实现对单体电池电压采样。
本发明设计了电流采样电路用来采集均衡电流,具体做法为在均衡主回路中加入10mΩ的采样电阻,然后使用差分运算放大器将采样电阻两端电压放大后送入ADC中。图4所示为由ADS1115组成的AD采样电路,ADS1115是TI公司推出的16位模数转换器,由四个单端输入,内部集成I2C通信接口。这里将LT1999-20的输出端直接连到ADS1115模拟输入端,转换后通过I2C接口与控制器通信,实现对电流的采样。
温度采样电路如图5所示,温度采样电路采用NTC-10K热敏电阻作为温度传感器采集电池温度,当温度变化时引起电阻阻值变化进而引起电压变化。由LMV358组成的电压跟随器将电压值实时送入ADS1115的模拟输入端,实现对热敏电阻两端电压采样,进而计算得出温度值。
本发明的均衡模块为基于双向开关变压器法的改进,均衡模块分为两个部分,每个部分包括一个开关阵列和一个双向隔离DC/DC。本发明的开关选用威士半导体的SI7938DP。SI7938DP是威士半导体推出的双N沟道MOSTET,这里将两个MOSFET“背靠背”连接使用。驱动芯片采用TI公司的EMB1428芯片,EMB1428芯片是TI公司推出的MOSFET驱动芯片,单片最多可以驱动12个MOSFET,内部集成SPI通讯接口,可以从控制器接收命令,并将开关驱动的状态反馈给控制器。在图6中,一块EMB1428芯片驱动12个MOSFET,其中8个为电池开关,负责选通电池,另外四个为极性开关负责保证电池正负极和双向DC/DC的正负极始终相连。图6为其中一个双向DC/DC的电路图,双向DC/DC是由电源管理芯片EMB1499和三个外部MOSFET组成的有源钳位双向正激变换器。EMB1499是TI公司推出的双向电流DC/DC控制器,可以提供三个MOSFET门极驱动信号构成正激变换,此外还提供一个有源钳位信号来控制外部MOSFET驱动器EMB1412驱动钳位MOSFET,实现正激变换的磁复位。
本发明所设计的每个本地控制单元都需要一个控制器,本地控制单元在整个电池管理***中大量存在,从本地控制单元的结构和功能分析,控制模块选型需要考虑以下几个方面:
(1)外设资源。控制模块要控制本地控制单元中的各个模块,需要具备多路ADC、两路DAC、两个SPI通信接口、一个I2C通信接口、一个CAN接口等外设资源。
(2)运算能力。本地控制单元中的控制模块需要根据采集到的信息估计电池的SOC等状态,需要根据电池的SOC等信息采用适当的均衡策略对电池进行均衡,因此必须要具有较强的运算能力。
(3)成本和尺寸。每个本地控制单元都需要一个控制模块,则在整个电池管理***中会存在多个控制模块,因此控制模块的成本必须慎重考虑。除此之外,本地控制单元与电池直接相连且数量较多,留给电路板的空间有限,因此必须选择尺寸较小,管脚较少的器件。
综合以上因素,最终选择采用STM32F103RCT6作为本地控制单元的控制模块。STM32F103RCT6是意法半导体推出的基于ARM的32位微控制器,64管脚,主频可达72M,片内具有48K SRAM、256K FLASH、3个SPI、5个串口、2个I2C、1个CAN、1个USB、3路12位ADC、2路12位DAC、51个通用IO口,片上外设资源十分丰富,非常适合于控制。
本发明采用分布式管理方式,本地控制单元和中央控制单元之间通过CAN总线来实现通信,本发明采用金升阳的单路高速CAN隔离收发模块TD501MCAN,其主要功能是将TTL/COMS电平转化为CAN总线的差分电平,同时实现信号隔离。TD501MCAN是业内体积最小的CAN总线收发模块,内部集成了隔离电源、CAN收发器、信号隔离电路和保护电路,符合ISO11898-2标准,波特率可达1Mbps,其电路图如图7所示。
中央控制单元负责监控整个电池组状态,并实时与本地控制单元通信了解各个电池组状况。中央控制单元主要由主控制器、总电压采集模块、总电流采集模块、数据存储模块、通讯模块、显示模块组成。中央控制单元功能复杂,既有信号采集任务,对整个电池组状态进行监控和估计,又要与多个本地控制单元通信,存储历史数据,同时还要实时显示部分内容。因此,选择运算能力强、外设资源丰富、扩展性强的控制器至关重要。在之前的本地控制单元中选择STM32F103RCT6作为控制器,为了整体上开发方便,这里也选择STM32系列的STM32F767IGT6芯片作为主控制器。STM32F767IGT6是意法半导体推出的一款高性能微控制器,基于ARM Cortex-M7内核,是STM32F103RCT6的升级版。STM32F767IGT6采用六级流水线,内部集成JPEG编码解码器、双精度硬件浮点计算单元(DPFPU)和DSP指令,并且自带指令和数据Cache。
总电压采集模块采用美国LEM公司的电压传感器LV25-P,LV25-P是基于磁补偿原理的闭环电压转换器,在原边回路(高压)和副边回路(低压)之间进行电隔离,从而实现对高压电路的电压检测。LV25-P总有五个引脚,其中两个为原边侧,分别连在被测电压两侧;另外三个在副边侧,其中两个分别接供电电源(+12~+15V),另一个作为测量端。原边侧额定电流为10mA,副边侧额定电流为25mA,副边侧与原边侧转换比KN为2500:1000。图8为LV25-P的实物图和总电压采样电路图。在原边侧,为了限制输入电流,必须串入一个限流电阻,其阻值由下式决定:
其中,Rp为限流电阻,Vp为最大输入电压,这里取500V,IPN为原边侧额定电流,RM为原边侧内阻,这里取100Ω,由此可得Rp=49.9KΩ。
根据副边侧与原边侧转换比KN为2500:1000可得副边侧电流Is为:
根据式(1)和(2)可知,副边侧电流范围为0~25mA,在副边侧电流输出端接阻值为0.2Ω的采样电阻,则采样电阻两端电压范围为0~5mV,再利用差分运放LT1999-20将其放大20倍后送入主控制器的ADC中,便可以实现对电池总电压的采样。
总电流采集模块使用的是美国Honeywell的电流传感器CSNF661。Honeywell的CSNF661是基于霍尔效应的闭环电流传感器,其原理为:使用霍尔元件检测原边电路中电流所产生的原边磁场,经过适当放大后产生副边电流,副边电流再流过反向绕制的副边线圈产生副边磁场,当原边磁场和副边磁场相对平衡后,副边电流与原边电流成正比,比值为原、副边匝数比倒数。CSNF661的输入额定电流为100A,峰值可达150A,输出额定电流为100mA(在输入为100A时),副边与原边匝数比KN为1:1000,其实物图和电路图如图9所示。
CSN F661的副边输出电流Is与原边输入电流Ip的关系为:
Is=Ip*N/1000 (3)
其中,N为导线在原边侧缠绕的匝数。输出端测量电阻的取值范围为30Ω~80Ω,这里取中间值50Ω,因此测量电阻两端电压范围为0~5V,经过通用运放LMV358组成的比例放大器,将其放大0.6倍,则输出电压范围变为0~3V,再送入主控制器ADC中,便可实现对电池总电流的测量。
数据存储模块采用美国Micron公司的NAND FLASH芯片MT29F4G08。NAND FLASH存储的概念最早是由日本东芝公司于1989年提出的,读写速度快,容量大,非常适合于大量数据的存储,本发明也是基于此选择NAND FLASH作为存储器。MT29F4G08容量大小为512M字节,采用8位并行访问,访问速度很快。该芯片挂在STM32F767IGT6的FMC接口上,读写控制都十分方便。图10为MT29F4G08芯片的电路图,Micro USB接口可以用来连接电脑作为从机(SLAVE)使用,也可以通过外接USB OTG线连接U盘使用,方便将存储的数据拷贝到其他地方。
上述实施例揭示的动力电池管控***采用分布式结构,包含一个中央控制单元和多个本地控制单元,他们之间通过CAN总线建立通讯,设计了***的整体方案,采用主从结构,即一个中央控制单元和多个本地控制单元,本地控制单元负责单组电池的电压、电流、温度等信号的采集、单体电池SOC估计和均衡功能,中央控制单元负责整体电压、电流等信号的采集和***整体控制,二者之间通过CAN总线通信。本发明可以实现对所有单体电池SOC的准确估计和基于电池SOC的高效主动均衡,均衡电路结构简单,成本较低,可以实现双向充放电均衡,均衡电流可达3-5A,具有很好的均衡速度。本发明的均衡电路具有良好的均衡效果,可以将不同电池SOC之差均衡在1%以内,本发明的动力电池管控***对于整个电池***的安全、稳定和高效运行有着重要的意义。
以上所述是本发明的优选实施方式而已,当然不能以此来限定本发明之权利范围,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和变动,这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种动力电池管控***,包括电池组、与所述电池组电连接的本地控制单元、以及通过CAN总线与所述本地控制单元通信连接的中央控制单元;
所述本地控制单元用于每一组电池的信号采集、状态估计和均衡管理;
所述中央控制单元用于整体电池组的电压和电流采集、充放电控制、电池保护、收集所述本地控制单元信息、数据处理和存储和实时显示。
2.如权利要求1所述的动力电池管控***,其特征在于:所述本地控制单元包括:
控制模块,用于估计电池状态,需要均衡时控制均衡模块工作;
采样模块,与所述控制器相连接,用于将采样到的信息传给所述控制器;
均衡模块,与所述控制器相连接;
电源模块,分别与所述控制器、采样模块和均衡模块连接并对控制器、采样模块和均衡模块进行供电。
3.如权利要求2所述的动力电池管控***,其特征在于:所述采样模块包括:
电压采样电路,包括用于将单块电池的端电压转换为对地的电压的型号为INA148的差分放大器、用于将经过所述型号为INA148的差分放大器输出的电压进行降压的型号为LMV358的运算放大器;
电流采样电路,用于采集电池的均衡电流;
温度采集电路,采用型号为NTC-10K热敏电阻作为温度传感器,用于采集电池的温度。
4.如权利要求2所述的动力电池管控***,其特征在于:所述控制模块采用型号为STM32F103RCT6的32位微控制器。
5.如权利要求1所述的动力电池管控***,其特征在于:所述均衡模块包括开关阵列和双向隔离DC/DC,其中开关阵列采用型号为EMB1428的驱动芯片和型号为SI7938DP的双N沟道MOSTET;双向隔离DC/DC由型号为EMB1499的电源管理芯片和三个外部MOSFET组成的有源钳位双向正激变换器。
6.如权利要求1所述的动力电池管控***,其特征在于:所述中央控制单元包括主控制器、分别与所述主控制器电连接的总电压采集模块、总电流采集模块、数据存储模块、通讯模块和显示模块;
所述主控制器为包括型号为STM32F767IGT6芯片的电路;
所述总电压采集模块采用型号为LV25-P的电压传感器;
所述总电流采集模块采用型号为CSNF661的电流传感器;
所述数据存储模块为包括型号为MT29F4G08芯片的电路。
7.如权利要求1所述的动力电池管控***,其特征在于:所述CAN总线采用CAN隔离收发模块,用于将TTL/COMS电平转化为CAN总线的差分电平,实现信号隔离。
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |