CN207542806U - 一种基于fpga的电池管理*** - Google Patents

一种基于fpga的电池管理*** Download PDF

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罗尚誉
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Abstract

本实用新型提供一种基于FPGA的电池管理***,其特征在于包括，FPGA模块、电池模块、电池管理芯片、充电管理芯片、温度传感器、湿度传感器，充电模块，其中，FPGA模块与电池管理芯片，充电管理芯片连接；电池管理芯片与温度传感器、湿度传感器、电压传感器、电流传感器、电池模块连接；充电管理芯片与充电模块连接。本实用新型有效的解决了电池管理***领域的挑战，与传统方案相比，通过FPGA板连接电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器，获取电流信息、温度信息、湿度信息、电压信息，来控制对电池进行管理，具有FPGA板结构紧凑，设计简单，成本低，功耗低，方便后期扩展及***和算法升级。

Description

一种基于FPGA的电池管理***
技术领域
本实用新型涉及一种电池管理***，具体涉及一种基于FPGA的电池管理***。
背景技术
在许多高电压场景，如电动汽车，工业应用等，电池的成本都占了整个***成本的绝大部分，而电池管理***也需要最大程度的延长电池使用寿命并优化充放电表现，传统的电池管理***存在着多种问题，而使用FPGA来设计电池管理***可以极大的改进***的性能和成本，并且从结构上讲具有灵活，可扩展，可定制的优点。
可充电电池工业正在经历一个急速增长的时期并且在今后相当长的时间内会进一步的增长，而在所有的电池应用场景里都需要一个电池管理***，电池管理的主要目的是保证***内所有的电池单元保持正常的输出，防止损坏并保证所有的电池在制造推荐的标准内使用以延长电池的使用寿命。
目前电池管理***的主要缺点在于，第一，可扩展性差，对工业领域的应用来讲，电池单元的种类和数量对于每一个具体的案例可能都不一样，对于这种应用来讲，为了保证足够的扩展性，就需要考虑三个方面，控制板的种类和数量，以及板间互联，子卡的串行连接网络，软件处理单元的数目。第二，隔离性差，在许多电池管理***中，串行连接的电池单元数目众多，这就导致了***中单元间的电压可能存在着巨大的差异，而这种巨大的电压差就使得单元间的隔离必不可少。而在每个单板之内，某些电路也需要隔离。第三，安全性差，安全是电池管理***的第一要素，尤其是在汽车及工业应用领域，由于巨大的电池容量以及能量传输，对使用者的保护就尤为重要。在这种情况下，对每个应用场景来讲，电池管理***都需要全面的考虑所有的安全标准。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于FPGA的电池管理***,其特征在于包括，FPGA模块、电池模块、电池管理芯片、充电管理芯片、温度传感器、湿度传感器，充电模块，其中，
FPGA模块与电池管理芯片，充电管理芯片连接；
电池管理芯片与温度传感器、湿度传感器、电压传感器、电流传感器、电池模块连接；充电管理芯片与充电模块连接。
进一步的，还包括报警控制芯片、闪光灯、扬声器；
所述报警控制芯片和闪光灯、扬声器、FPGA模块连接。
进一步的，还包括显示模块；
所述显示模块与FPGA模块连接。
进一步的，还包括近程通信模块，移动智能终端；
所述近程通信模块与移动智能终端和FPGA模块连接。
进一步的，所述近程通信模块为蓝牙通信模块或wifi通信模块或zigbee通信模块或NFC模块。
进一步的，所述移动智能终端为智能手机或平板电脑。
进一步的，还包括远程通信模块；
所述远程通信模块与FPGA模块连接。
进一步的，所述远程通信模块与服务器连接。
进一步的，所远程通信模块为移动通信网络或接入国际互联网的网关。
进一步的，所述FPGA模块内部设有数字滤波电路。
本实用新型的有益效果是：
1有效的解决了电池管理***领域的挑战，与传统方案相比，通过FPGA板连接电压传感器、电流传感器、温度传感器、湿度传感器，获取电流信息、温度信息、湿度信息、电压信息，来控制对电池进行管理，具有FPGA板结构紧凑，设计简单，成本低，功耗低，方便后期扩展及***和算法升级，具有极大的可扩展性，可配置型，灵活性和可升级性，提升整个电池管理***的安全性，扩展性和性能。
2提高安全性，双镜像配置及硬件失效逻辑检测，当检测到外界或本板状态异常时，采用冗余的配置镜像重新加载，保证***的稳定性和鲁棒性，FPGA还支持ISO26262,有效的保证了整个***的稳定性。
3提高可靠性，由于采用了FPGA进行设计，因此可以做到灵活应用，灵活配置，并可以进行串行协议的定制化开发从而增加***的鲁棒性并减少延时。
4减少功耗，有效的改善了电池单元的性能并卸载了相关处理器的工作，真正做到简洁高效的电路设计，改善整板的功耗
5提高扩展性及灵活性，对外扩展了相关的I/O及状态信号，给用户的***结构设计带来了更大的灵活性，此外针对更复杂***的需求，用户可以采用管脚兼容的芯片来进行后期的***升级，使用更大规模的器件来进行功能设计，从而获得更好的性能指标。
6算法升级，由于在FPGA里进行了数字滤波设计，并不像采用其他芯片实现相关的功能，后期用户可以针对场景的需求，改进相关的算法，做到整个***性能上的提升。
附图说明
图1为本实用新型一种基于FPGA的电池管理***结构图。
图2为本实用新型一实施例FPGA模块主卡框图。
具体实施方式
本实用新型解决背景技术问题的思路之一是：通过FPGA卡连接传感器依据传感器的检测到的数据来对电池4充放电进行管理。
图中1为FPGA模块，2为电流传感器2，3为近程通信模块3，4为电池4，5为充电管理芯片5，6为电池管理芯片6，7为温度传感器7，8为显示模块8，9为闪光灯9，10为报警控制芯片10，11为湿度传感器11，12为远程通信模块12，13为扬声器13，14为充电模块14，15为移动智能终端15，16为服务器16，17为电压传感器17。
实施例1：
本发明提供一种基于FPGA的电池4管理***,其特征在于包括，FPGA模块、电池4、电池管理芯片6、充电管理芯片5、温度传感器7、湿度传感器11，充电模块14，其中，
FPGA模块与电池管理芯片6，充电管理芯片5连接；
电池管理芯片6与温度传感器7、湿度传感器11、电压传感器17、电流传感器2、电池4连接；
充电管理芯片5与充电模块14连接。
通过给FPGA模块连接传感器来检测温度信息、湿度信息、电压信息、电流信息对电池4的充放电***进行控制，提高了充放电***的安全性和稳点性。
还包括报警控制芯片10、闪光灯9、扬声器13；
所述报警控制芯片10和闪光灯9、扬声器13、FPGA模块连接。
通过给FPGA模块连接闪光灯9、扬声器13当电池4充放电出现异常时可以技术发出报警，提高了充放电***的安全性。
还包括显示模块8；
所述显示模块8与FPGA模块连接。
用户可以通过显示模块8来了解充放电***的各种运行参数，各传感器探测到的数据，提高了用户体验。
还包括近程通信模块3，移动智能终端15；
所述近程通信模块3与移动智能终端15和FPGA模块连接。
所述近程通信模块3为蓝牙通信模块或wifi通信模块或zigbee通信模块或NFC模块。
所述移动智能终端15为智能手机或平板电脑。
用户可以通过智能手机或平板电脑来随时监控充放电***的各种运行参数，各传感器探测到的数据，提高了用户体验。
还包括远程通信模块12；
所述远程通信模块12与FPGA模块连接。
所述远程通信模块12与服务器16连接。
所远程通信模块12为移动通信网络或接入国际互联网的网关。
用户可以通过接入国际互联网的服务器16来随时监控充放电***的各种运行参数，各传感器探测到的数据，提高了用户体验。
所述FPGA模块内部设有数字滤波电路。
数字滤波模块主要是进行矩阵及向量乘法来监测外部电池4单元的SOC(荷电状态)及SOH(健康状态，即电池4当前的性能与正常设计指标的偏离程度)；数字滤波模块可以直接从FPGA的从卡串行网络或是Nios II 软核接收数据。
实施例2
图2为本实用新型一种基于FPGA的电池4管理***所选择的FPGA芯片结构图。
在本实施例中选择Intel Max10 FPGA芯片，其中Nios II 软核用来控制单板上的SRAM及Flash，及扩展的GPIO及单板状态信号，flash及SRAM用来存储运行的程序。
串行主卡模块用来同外部的从卡及从卡串行网络进行互联互通及数据通信，串行主卡模块的数量可以根据***的实际需求进行扩展，真正做到可配置，可扩展，以适应不同场景的需求。
数字滤波模块主要是进行矩阵及向量乘法来监测外部电池4单元的SOC(荷电状态)及SOH(健康状态，即电池4当前的性能与正常设计指标的偏离程度)；数字滤波模块可以直接从从卡串行网络或是Nios II 软核接收数据。
采用MAX 10 FPGA及Nios II 软核提供了一种与传统方案截然不同的选择，传统方案一般使用ARM Cortex M4的微控制器来进行相关的处理，与传统方案相比，Max10 在提供相似处理器性能的基础上，具有更大的灵活性，用户可以在这基础上添加相关的定制需求及硬件加速，或者是例化更多的软核来满足不同***设计的需求，而且Max 10方案可以满足大***需求下对串行外设的扩展性需求，并且在内部设计了专用的乘法器对SOC/SOH来进行数字滤波计算，除了上述的优点，在大***场景下，由于本设计只需要一片Max10来实现相关的功能，而传统方案一般需要方案ARM微处理器及数学运算处理器来实现整个***，因此具有更大的成本及功耗优势，从而真正做到了结构紧凑，易于设计。
本实用新型的有益效果是：
1有效的解决了电池4管理***领域的挑战，与传统方案相比，通过FPGA板连接电压传感器17、电流传感器2、温度传感器7、湿度传感器11，获取电流信息、温度信息、湿度信息、电压信息，来控制对电池4进行管理，具有FPGA板结构紧凑，设计简单，成本低，功耗低，方便后期扩展及***和算法升级，具有极大的可扩展性，可配置型，灵活性和可升级性，提升整个电池4管理***的安全性，扩展性和性能。
2提高安全性，双镜像配置及硬件失效逻辑检测，当检测到外界或本板状态异常时，采用冗余的配置镜像重新加载，保证***的稳定性和鲁棒性，FPGA还支持ISO26262,有效的保证了整个***的稳定性。
3提高可靠性，由于采用了FPGA进行设计，因此可以做到灵活应用，灵活配置，并可以进行串行协议的定制化开发从而增加***的鲁棒性并减少延时。
4减少功耗，在FPGA里设计了is听任何人范是开了发窘SOC/SOH的预测及控制，有效的改善了电池4单元的性能并卸载了相关处理器的工作，真正做到简洁高效的电路设计，改善整板的功耗。
5提高扩展性及灵活性，对外扩展了相关的I/O及状态信号，给用户的***结构设计带来了更大的灵活性，此外针对更复杂***的需求，用户可以采用管脚兼容的芯片来进行后期的***升级，使用更大规模的器件来进行功能设计，从而获得更好的性能指标。
6算法升级，由于在FPGA里进行了数字滤波设计，并不像采用其他芯片实现相关的功能，后期用户可以针对场景的需求，改进相关的算法，做到整个***性能上的提升。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的电池管理***,其特征在于包括，FPGA模块、电池、电池管理芯片、充电管理芯片、温度传感器、湿度传感器，充电模块，其中，
FPGA模块与电池管理芯片，充电管理芯片连接；
电池管理芯片与温度传感器、湿度传感器、电压传感器、电流传感器、电池连接；
充电管理芯片与充电模块连接。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，还包括报警控制芯片、闪光灯、扬声器；
所述报警控制芯片和闪光灯、扬声器、FPGA模块连接。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，还包括显示模块；
所述显示模块与FPGA模块连接。
4.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，还包括近程通信模块，移动智能终端；
所述近程通信模块与移动智能终端和FPGA模块连接。
5.如权利要求4所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，所述近程通信模块为蓝牙通信模块或wifi通信模块或zigbee通信模块或NFC模块。
6.如权利要求4所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，所述移动智能终端为智能手机或平板电脑。
7.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，还包括远程通信模块；
所述远程通信模块与FPGA模块连接。
8.如权利要求7所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，所述远程通信模块与服务器连接。
9.如权利要求7所述的一种基于FPGA的电池管理***，其特征在于，所远程通信模块为移动通信网络或接入国际互联网的网关。
10.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电池管理***, 其特征在于，所述FPGA模块内部设有数字滤波电路。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114006064A (zh) * 2021-11-01 2022-02-01 山东芯慧微电子科技有限公司 一种基于电动自行车锂电池温度的动态温度监控***

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