CN109606200B - 一种新能源汽车电池管理*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池管理***技术领域，尤其为一种新能源汽车电池管理***，包括电池管理单元和电池控制单元，所述电池管理单元用于采集电池砖信息，并将信息上传至与其通信的电池控制单元，所述电池控制单元接收与其通信连接的电池管理单元上传的电池砖信息，并进行SOC估测及均衡控制运算。本发明，通过实时在线估算法估算出电池的等效参数，从而精确地估算出电池组的SOC状态。通过实时在线估算简化电池的标定工作。使得对一致性不太好电池组状态的精确控制成为现实。实时在线估算使得无论是新电池还是老化后的电池，都能保持较高精度和较强的纠错能力。

Description

一种新能源汽车电池管理***
技术领域
本发明涉及电池管理***技术领域，具体为一种新能源汽车电池管理***。
背景技术
传统燃油汽车的核心关键离不开俗称的“三大件”：发动机、底盘以及变速箱而在新能源电动汽车上也有俗称的“三大件”：电池、电机和电控，由于新能源电动汽车在全球范围内仍是较新的行业，各国企业的起步相差并不大，这也让我国企业在汽车这个1886年发明至今的多用途动力驱动工具上拥有了与国外企业一较高下的条件。新能源电动汽车“三大件”里的电控，即业内普遍称之为电池管理***BMS。
新能源电动汽车与传统燃油汽车最大的区别是用动力电池作为动力驱动，而作为衔接电池组、整车***和电机的重要纽带，电池管理***BMS的重要性不言而喻，国内外许多新能源车企都将电池管理***作为企业最核心的技术来看待。
BMS的主要工作原理可简单归纳为:数据采集电路首先采集电池状态信息数据，再由电子控制单元（ECU）进行数据处理和分析，然后根据分析结果对***内的相关功能模块发出控制指令，并向外界传递信息。基于上述原理，美国托莱多大学提出一个典型的BMS基本结构。这个典型的***把BMS简化划分为1个ECU和1个均衡电池之间电荷水平的均衡器（EQU）两大部分。其中ECU的任务主要由4个功能组成:数据采集、数据处理、数据传送和控制。ECU也控制均衡器、车载充电器等电池维护设备。
韩国Ajou大学和先进工程研究院开发的BMS***增设热管理***、安全装置、充电***以及与PC机的通信联系。另外还增加与电动机控制器的通信联系，实现能量制动反馈和最大功率控制。
湖南大学研发的电动汽车（EV23号）采用的集中式BMS结构。该BMS***最大的优点是采用电压隔离开关矩阵提高数据采集的可靠性和***的安全性。其内部多条隔离的数字及模拟信号输入输出通道不仅可以根据要求灵活使用，而且有效增强***的抗干扰能力。
现在国外正在开展基于智能电池模块（SBM）的BMS研究，即在1个电池模块中装入1个微控制器并集成相关电路，然后封装为一个整体，多个智能电池模块再与1个主控制模块相连，加以其它辅助设备，就构成1个基于智能电池的管理***。该BMS成功实现对每个电池模块的状态监测、模块内电池电量均衡和电池保护等功能。美国Micron公司开发的军用电动车辆BMS采用的就是这种结构。
综合国内外的研究工作，目前所设计的电动汽车用BMS通常包含以下功能组成部分:数据采集、剩余容量（SOC）的估算、电气控制（充放电控制、均衡控制等）、热管理、安全管理和数据通信。
在BMS中,采集到的数据是对电池作出合理有效管理和控制的基础。因此,数据的精度、采样频率和数据过滤就非常重要。鉴于电压、电流、温度的动 态变化特征,采样频率通常应不低于1次/s。锂离子电池的安全性要求高,对电压敏感,所以必须采集每个单体电池的电压,监测到每个电池的温度。镍氢电池和铅酸电池对电压和温度的采集精度要求不像锂离子电池那样高,有时为简化BMS的结构,对电压和温度成对或成组采集。
电池剩余容量(SOC)的确定是BMS中的重点和难点。由于电动汽车电池在使用过程中表现的高度非线性,使准确估计SOC具有很大难度。传统的SOC基本估算方法有开路电压法、内阻法和安时法等。近年来又相继研发出许多对电池SOC的新型算法,例如模糊逻辑算法模型、自适应神经模糊推断模型、卡尔曼滤波估计模型算法以及线性模型法和阻抗光谱法等。
开路电压法适用于测试稳定状态下的电池SOC,在电动汽车行驶过程中不宜单独使用。开路 电压法通常用作其它算法的补充。内阻法是根据蓄电池的内阻与SOC之间的联系来预测SOC。但电池的内阻受多方面的因素影响,测量结果易受 干扰,可信度不高。再加上这种方法比较复杂,计算量大,因此在实际应用中比较困难。安时法通过对电流积分的方法记录从蓄电池输出的能量或者输入蓄电池的能量,再根据充放电的起始SOC状态,就可以计算出蓄电池的SOC。该方法最为直接明显,而且简单易行,在短时间内具有较高精度,但长时间工作时有较大的累积误差。
实际应用中,安时法是目前最常用的方法,且常与其它方法组合使用,如安时内阻法、安时-Peukert 方程法、安时-开路电压法。这些组合算法通常比单纯使用安时法精度更高，各种智能算法和新型算法由于还不是很成熟,有些复杂算法在单片机***上难以实现,所以在实际应用中还不多见,但这是未来发展的方向。
为了更准确估算SOC,在算法中还需要考虑对电池的温度补偿、自放电和老化等多方面因素。例如,韩国Ajou大学和先进工程研究院的研究人员对镍氢电池SOC的估算中考虑电池的实际可用容量(包含了对温度的考虑)、自放电率和电池老化对容量的影响,提出了SOC计算公式为：
SOC(%) = 100%x(额定容量+容量补偿因数+自放电效应+老化效应-放电量+充电量)/额定容量。
其SOC估算精确度在±3%以内。
德国Jossen A等研究人员认为电气控制需要实现的功能有:控制充电过程,包括均衡充电;根据SOC、电池健康状态(SOH)和温度来限定放电电流。电气控制中需要结合所使用的电池技术和电池类型来设定一个控制充电和放电的算法逻辑,以此作为充放电控制的标准。
在BMS中,均衡充电是非常关键的一个环节。动力电池一般由多节较大容量单体电池串联而成。但由于单体电池之间存在不一致性,这会降低电池组的使用水平,严重影响电动汽车的性能,危及电动汽车的安全 。例如,在湖南大学研发的EV23中 发现,当没有采用均衡充电时,电池经过多次的充放 电之后,10个单体电池为1组的镍氢电池组间电压差最大约为2V。
均衡充电的方案有多种,选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电,硬件设备比独立均衡简单,但效率相对较低。北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护***方案,实现均衡充电和电池保护的综合运用。
电池自身的安全问题,尤其是锂离子电池在过充电时会着火甚至***,因此电池使用的安全问题是国内外各大汽车公司和科研机构当前所面临和必须解决的难题,它直接影响电动汽车是否能够普及应用。BMS在安全方面主要侧重于对电池的保护,以及防止高电压和高电流的泄漏,其所必备的功能有:过电压和过电流控制、过放电控制、防止温度过高、在发生碰撞的情况下关闭电池。
这些功能可以与电气控制、热管理***相结合来完成。许多***都专门增加电池保护电路和电池保护芯片。安全管理***最重要的是及时准确地掌握电池各项状态信息,在异常状态出现时及时发出报警信号或断开电路,防止意外事故的发生。
电池在不同的温度下会有不同的工作性能,如铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池的最佳工作温度为25～40℃。9温度的变化会使电池的SOC、开路电压、内阻和可用能量发生变化,甚至会影响到电池的使用寿命。温度的差异也是引起电池均衡问题的原因之一。美国可再生能源国家实验室的Ahmad A. Pesaran指出热管理***的主要任务有:使电池工作在适当的温度范围内;降低各个电池模块之间的温度差异。使用车载空调器可以实现对电池温度的控制,这也是电动汽车常用的温度控制方法。
数据通信是BMS的重要组成部分之一。在BMS中,目前数据通信方式主要采用CAN总线通信方式。在厦门大学与清华大学合作开发的BMS中,其内部各模块之间使用一个内部CAN网络,在通信与显示模块中还有另外一个CAN通信接口接入到整车CAN通信网络中。而在同济大学开发的一个试验用于超越二号燃料电池电动汽车上的BMS中,内部模块采用LIN总线通信,与整车的通信则采 用CAN总线方式。
在采用智能电池模块时可以选择使用无线通信方式,或者通过电力载波的方式与主控制器通信。这2种通信方式都可以减少BMS的布线,降低电动汽车内部的电路复杂程度,但其可靠性和抗干扰能力不如CAN总线。
新能源交通运输设备，特别是纯电动车（Electric Vehicle，EV）***中，为了满足续航里程及车速的要求，需要对电池组进行串并组合使用，然而大量电池的串并联组合使用必然导致电池组的可靠性及寿命大大降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源汽车电池管理***，以解决上述背景技术中提出的问题。该新能源汽车电池管理***精确地估算出电池组的SOC状态，实现了对电池荷电状态的精确估计。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新能源汽车电池管理***，包括电池管理单元和电池控制单元，所述电池管理单元用于采集电池砖信息，并将信息上传至与其通信的电池控制单元，所述电池控制单元接收与其通信连接的电池管理单元上传的电池砖信息，并进行SOC估测及均衡控制运算。
进一步的，还包括充电机***，所述电池控制单元通信连接于充电机***。
进一步的，还包括车载电驱***，所述电池控制单元通信连接于车载电驱***。
进一步的，所述电池管理单元为多个，其包括控制芯片、多个采集芯片，该采集芯片与控制芯片SPI总线连接，所述电池控制单元为一个，其采用主控芯片MPC5744P加***芯片MC33908。
进一步的，所述电池管理单元和电池控制单元之间通过CAN总线连接。
进一步的，所述电池控制单元和充电机***之间通过CAN总线连接。
进一步的，所述电池控制单元和车载电驱***之间通过CAN总线连接。
进一步的，其特征在于：所述电池控制单元通过RS485总线连接有触屏。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过实时在线估算法估算出电池的等效参数，从而精确地估算出电池组的SOC状态。通过实时在线估算简化电池的标定工作。使得对一致性不太好电池组状态的精确控制成为现实。实时在线估算使得无论是新电池还是老化后的电池，都能保持较高精度和较强的纠错能力。
附图说明
图1为本发明的一种新能源汽车电池管理***原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上/下端”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置/套设有”、“套接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种新能源汽车电池管理***（BMS），主要由电池管理单元（Battery ManagementUnit ，BMU）和电池控制单元（Battery Control Unit，BCU）组合而成。BMS 采用分布式主从结构，由多个BMU和单个BCU组成，其中BCU负责与外界驱动***及主控***通讯，获取指令、上传并显示电池组信息，同时BCU 接收各单体BMU 上传的电池砖信息，进行SOC估测及均衡控制运算。
为了解决电池状态的观测及电池组最大利用率的问题，需要采用电池管理***（Battery Management System，BMS）对其进行监控与保护。
作为整车动力电池信息的唯一提供者及电池保护和控制的关键组件，BMS是电池组功能与性能的保障与拓展，不仅要确保动力电池组良好的输出性能，延长其循环寿命，更需提供一种有效状态监测、间接控制、管理与报警机制，为整车安全提供参考依据。
本发明：
1.采用恩智浦最新的满足ISO26262规范的硬件架构，主控芯片MPC5744P加***芯片MC33908；
2.采用AUTOSAR软件架构，使得底层软件与应用层软件能够同步独立开发，缩短开发周期，并提升软件移植性，为完成ISO26262功能安全认证奠定基础；
3.通过实时在线估算法估算出电池的等效参数，从而精确地估算出电池组的SOC状态。通过实时在线估算简化电池的标定工作。使得对一致性不太好电池组状态的精确控制成为现实。实时在线估算使得无论是新电池还是老化后的电池，都能保持较高精度和较强的纠错能力。
本发明：
1.基于迭代型最小均方误差估测对状态估计及观测估计进行更新，实现了对电池荷电状态的精确估计。
2. 基于数据驱动型融合模型的自适应Sigma 卡尔曼粒子滤波电池剩余寿命预测方法。
3. 基于 TI 公司推出的电池管理芯片，设计了可控式电阻均衡方案，通过检测各电池电压来输出控制信号的占空比，实现对单体电池的独立调节。
本发明：
1.实现电池SOC的精确估算；
2.实现健康状态估算，最大允许瞬时(5s/30s)及持续充放电功率估算；
3.实现高效的均衡管理技术，先进的散热机制，最大可支持200mA的被动均衡电流；
4.实现高精度测量技术，总流总压精度达到1%FSR。
本发明具有以下功能：
1.实现电池安全管理：具备可靠的过充/过放保护、过流/过温/低温保护、多级故障诊断保护；
2.实现高压安全管理：具备高压继电器粘连检测、高抗干扰性的高压互锁检测、先进的高压绝缘监测；
3.实现电压温度采集线断线诊断功能；
4.实现电池电压采集模块的回路过流、短路保护等安全机制。
本发明：
1.使得***能够在-40℃~85℃较高的温度范围内正常工作；
2.实现较宽的温度监控范围，监控范围达到-40~125℃。
本发明：
1.支持充电国标GB/T 20234-2015及GB/T 27930-2015；
2.支持ISO26262国际安全标准中产品功能安全生命周期管理的要求；
3.支持CCP标定协议、UDS、OBD-ii诊断协议。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种新能源汽车电池管理***，其特征在于，包括电池管理单元和电池控制单元，所述电池管理单元用于采集电池砖信息，并将信息上传至与其通信的电池控制单元，所述电池控制单元接收与其通信连接的电池管理单元上传的电池砖信息，并进行SOC估测及均衡控制运算；
所述电池管理单元为多个，其包括控制芯片、多个采集芯片，该采集芯片与控制芯片SPI总线连接，所述电池控制单元为一个，其采用主控芯片MPC5744P加***芯片MC33908；
基于迭代型最小均方误差估测对状态估计及观测估计进行更新，实现了对电池荷电状态的精确估计；基于数据驱动型融合模型的自适应Sigma卡尔曼粒子滤波电池剩余寿命预测方法；基于TI公司推出的电池管理芯片，设计了可控式电阻均衡方案，通过检测各电池电压来输出控制信号的占空比，实现对单体电池的独立调节。
2.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：还包括充电机***，所述电池控制单元通信连接于充电机***。
3.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：还包括车载电驱***，所述电池控制单元通信连接于车载电驱***。
4.根据权利要求1所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：所述电池管理单元和电池控制单元之间通过CAN总线连接。
5.根据权利要求2所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：所述电池控制单元和充电机***之间通过CAN总线连接。
6.根据权利要求3所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：所述电池控制单元和车载电驱***之间通过CAN总线连接。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的一种新能源汽车电池管理***，其特征在于：所述电池控制单元通过RS485总线连接有触屏。
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