用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)，包括電池控制系統(tǒng)和多個(gè)電池控制單元；多個(gè)所述電池控制單元通過非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式與所述電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通信；所述電池控制單元采集所連接的電池單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送至所述電池控制系統(tǒng)；所述電池控制系統(tǒng)接收并處理各所述電池控制單元所采集的數(shù)據(jù)。本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單巧妙、裝配的復(fù)雜程度小，提高了整個(gè)電池系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)可以對(duì)多種動(dòng)力電池組通用，減少了電池控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間以及開發(fā)費(fèi)用。
【專利說明】用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種動(dòng)力電池組控制系統(tǒng)，尤其涉及一種用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)，屬于電池管理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著石油資源爭奪日益升級(jí)、全球氣候環(huán)境不斷惡化，汽車節(jié)能環(huán)保技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今全球汽車業(yè)所面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。近年來，人們對(duì)電動(dòng)汽車的期望越來越高，但由于電動(dòng)汽車的成本，尤其是動(dòng)力電池組的制造成本很高，使得電動(dòng)汽車一直未能真正進(jìn)入市場(chǎng)。如何降低動(dòng)力電池組的制造成本、減少研發(fā)上市時(shí)間、提高工作可靠性，是電動(dòng)汽車大量投入市場(chǎng)前需要解決的重要問題。
[0003]圖1為一個(gè)典型的電池控制系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)圖。動(dòng)力電池組要獲得高壓，需要由多個(gè)電池進(jìn)行串聯(lián)。通常一個(gè)動(dòng)力電池組中由1?25個(gè)電池模塊串聯(lián)而成，每個(gè)電池模塊包含多個(gè)電池單元。每個(gè)電池模塊均有電池控制電路，其包括至少有一個(gè)電壓控制器和一個(gè)均衡電路。電壓控制器對(duì)每個(gè)獨(dú)立電池單元的電壓值和溫度值進(jìn)行采樣，采樣數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線傳送到上一級(jí)電池控制系統(tǒng)(Battery Management System,簡稱為BMS)。BMS決定了電池的狀態(tài)和控制電能存儲(chǔ)的方式。它將對(duì)所有電池單元的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并推導(dǎo)出動(dòng)力電池組的整體狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果通過外部總線傳送到汽車控制系統(tǒng)中。此外，BMS還具有電池均衡、熱調(diào)整、聞壓開關(guān)、安全控制等功能。
[0004]歐洲ENIAC JUE3CAR計(jì)劃已經(jīng)完成了圖1所示電池控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證工作。其中，一個(gè)動(dòng)力電池組包含25個(gè)電池模塊，每個(gè)電池模塊包含4個(gè)電池單元。圖2顯示了 一個(gè)典型的電池模塊，其包括4個(gè)電池單元。每個(gè)電池單元單獨(dú)連接溫度傳感器、電壓連接器等器件。電池模塊的控制電路要實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電池單元電壓調(diào)整、電流均衡和溫度測(cè)量，需要進(jìn)行復(fù)雜的連線。當(dāng)每個(gè)電池模塊所含電池單元的數(shù)量較多時(shí)，整個(gè)電池控制系統(tǒng)的成本是很大的。另一方面，供電部分和信號(hào)部分要有可靠的電隔離，元器件的選取以及集成需要充分考慮。除了上述問題之外，現(xiàn)有的電池控制系統(tǒng)還存在以下幾個(gè)問題:
[0005](1)大量的連線和觸點(diǎn)容易引起電池失效；
[0006](2)大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，安裝電池單元的人工成本非常高；
[0007](3)不同的電動(dòng)汽車需要不同的動(dòng)力電池組。對(duì)于新的動(dòng)力電池組，電池控制電路不能實(shí)現(xiàn)通用，需要重新設(shè)計(jì)。這樣會(huì)延長產(chǎn)品上市時(shí)間，增加研發(fā)費(fèi)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案:
[0010]一種用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)，包括電池控制系統(tǒng)和多個(gè)電池控制單元；[0011]多個(gè)所述電池控制單元通過非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式與所述電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通?目;
[0012]所述電池控制單元采集所連接的電池單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送至所述電池控制系統(tǒng)；
[0013]所述電池控制系統(tǒng)接收并處理各所述電池控制單元所采集的數(shù)據(jù)。
[0014]其中較優(yōu)地，所述電池控制單元包括電池電壓均衡器、溫度傳感器、微控制器以及信號(hào)調(diào)整模塊；
[0015]所述電池電壓均衡器連接所述電池單元的兩極；
[0016]所述微控制器分別與所述電池單元的兩極、所述電池電壓均衡器、所述溫度傳感器以及所述信號(hào)調(diào)整模塊相連接；
[0017]所述信號(hào)調(diào)整模塊與所述電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。
[0018]其中較優(yōu)地，所述電池電壓均衡器包括晶體管和電阻；
[0019]所述晶體管的柵極與所述微控制器相連，漏極連接所述電阻，源極與所述電池單元的負(fù)極相連；
[0020]所述電阻的另 一端連接電池單元的正極。
[0021]其中較優(yōu)地，所述非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式為射頻方式、電容耦合方式、電感耦合方式或者光耦合方式中的一種。
[0022]其中較優(yōu)地，在所述電容耦合方式下，各電池控制單元之間采用差分信號(hào)串級(jí)鏈接結(jié)構(gòu)或者差分信號(hào)并行鏈接結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明所提供的動(dòng)力電池組非接觸式分布控制系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡單巧妙、裝配的復(fù)雜程度小，提高了整個(gè)電池系統(tǒng)的可靠性；同時(shí)本發(fā)明可以對(duì)多種動(dòng)力電池組通用，減少了電池控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間以及開發(fā)費(fèi)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中，一個(gè)典型的電池控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為多個(gè)電池單元組成電池模塊的原理框圖；
[0026]圖3為本發(fā)明中，采用差分信號(hào)串級(jí)鏈接結(jié)構(gòu)的非接觸式分布控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為本發(fā)明中，采用差分信號(hào)并行鏈接結(jié)構(gòu)的非接觸式分布控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5為本發(fā)明所采用的雙向信號(hào)發(fā)送電路的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0030]本發(fā)明所提供的用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)包括電池控制系統(tǒng)和多個(gè)電池控制單元；多個(gè)電池控制單元通過非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式與電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通信；電池控制單元采集所連接的電池單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送至電池控制系統(tǒng)；電池控制系統(tǒng)接收并處理各個(gè)電池控制單元所采集的數(shù)據(jù)。下面對(duì)本發(fā)明提供的非接觸式分布控制系統(tǒng)展開詳細(xì)的說明。[0031 ] 參見圖3和圖4所示，本發(fā)明中的電池控制單元采用分布式控制方式，即每個(gè)電池單元由一個(gè)電池控制單元對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)控制。該電池控制單元包括電池電壓均衡器、溫度傳感器、微控制器以及信號(hào)調(diào)整模塊。電池電壓均衡器一方面與微控制器相連，另一方面與電池單元的兩極相連；微控制器分別與電池單元的兩極、溫度傳感器以及信號(hào)調(diào)整模塊相連；信號(hào)調(diào)整模塊與電池控制系統(tǒng)進(jìn)行連接。
[0032]電池電壓均衡器用于均衡電池單元的電流。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電池電壓均衡器采用被動(dòng)式無源控制方式，包括一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻。其中，晶體管的柵極與微控制器相連接，漏極接電阻，源極與電池單元的負(fù)極相連接。電阻的另一端接電池單元的正極。溫度傳感器需用屏蔽電纜封裝，并將屏蔽地搭鐵，以便減少電磁干擾。內(nèi)部總線選用屏蔽雙絞線。溫度傳感器需要接近電池，同時(shí)與微控制器連接。微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、信息存儲(chǔ)和信號(hào)處理。它對(duì)電池單元的電壓、溫度等電池狀態(tài)信息進(jìn)行采樣處理。信號(hào)調(diào)整模塊接收微控制器的數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)容錯(cuò)、信號(hào)帶寬、電平等調(diào)整后，通過雙向信號(hào)發(fā)送電路發(fā)送至電池控制系統(tǒng)。
[0033]相對(duì)于現(xiàn)有的集中控制方式，本發(fā)明對(duì)每一個(gè)電池單元單獨(dú)進(jìn)行控制。電池控制單元對(duì)與之連接的電池單元采樣后，直接將數(shù)據(jù)發(fā)送至電池控制系統(tǒng)。因此，本發(fā)明所提供的分布式控制系統(tǒng)省去了電池控制電路，使得控制布線變得簡單，避免了因大量連線、觸點(diǎn)引起的電池失效，有效提升了動(dòng)力電池組的可靠性。
[0034]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電池控制單元與電池控制系統(tǒng)之間優(yōu)選采用非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式。圖5為實(shí)現(xiàn)該非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式的雙向信號(hào)發(fā)送電路。參見圖5所示，雙向信號(hào)發(fā)送電路的每一端都可以進(jìn)行發(fā)送和接收。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電池控制系統(tǒng)直接控制每個(gè)電池控制單元進(jìn)行雙向通信，可以保證發(fā)送與接收的速度達(dá)到1Mbps。為實(shí)現(xiàn)電池控制單元與電池控制系統(tǒng)的雙向通信，本發(fā)明采用多種不同的數(shù)據(jù)通信方式，例如歐姆接觸方式、射頻(RF)方式、光耦合方式、電感耦合方式以及電容耦合方式。由于采用歐姆接觸方式需要實(shí)現(xiàn)可靠的電接觸，成本相對(duì)較高。采用射頻方式不但需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)送器和接收器，同時(shí)電池單元內(nèi)的大電流可能會(huì)產(chǎn)生電磁兼容等問題，導(dǎo)致可靠性不高。因此在本發(fā)明中，優(yōu)選采用非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式，具體包括電容耦合方式、電感耦合方式或光耦合方式。
[0035]下面以電容耦合方式為例，對(duì)本發(fā)明的具體技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。對(duì)于電感耦合方式或者光耦合方式，可依據(jù)電容耦合方式的電路原理進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，這里不再詳細(xì)贅述。
[0036]在電容耦合方式下，電池控制單元之間的鏈接結(jié)構(gòu)可以分為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):差分信號(hào)串級(jí)鏈接、差分信號(hào)并行鏈接。
[0037]首先，介紹差分信號(hào)串級(jí)鏈接結(jié)構(gòu)。參見圖3所示的實(shí)施例，每個(gè)電池控制單元包含四個(gè)電容中每個(gè)電容的一個(gè)極板，從信號(hào)調(diào)整模塊引出。其中，兩個(gè)電容極板與雙向信號(hào)發(fā)送電路引出的兩個(gè)電容極板構(gòu)成兩個(gè)耦合電容，用于電池控制單元與電池控制系統(tǒng)之間的通信；另外兩個(gè)電容極板與相鄰的電池控制單元中的兩個(gè)電容極板也構(gòu)成兩個(gè)耦合電容，用于相鄰電池控制單元之間的通信；依次類推，最后一個(gè)電池控制單元的兩個(gè)電容極板與雙向信號(hào)發(fā)送電路中引出的兩個(gè)電容極板分別構(gòu)成兩個(gè)耦合電容。
[0038]其次，介紹差分信號(hào)并行鏈接結(jié)構(gòu)。參見圖4所示的實(shí)施例，每個(gè)電池控制單元有兩個(gè)電容中每個(gè)電容的一個(gè)極板，從信號(hào)調(diào)整模塊引出。這兩個(gè)電容極板與雙向信號(hào)發(fā)送電路引出的兩個(gè)電容極板分別構(gòu)成兩個(gè)耦合電容。每個(gè)電池控制單元通過這兩個(gè)耦合電容與電池控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并行鏈接。
[0039]在本發(fā)明中，電池控制單元和電池控制系統(tǒng)之間通過電容耦合方式傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)電容值沒有具體限定。電容的選取較為容易，例如電容極板可以采用較為簡單的銅片構(gòu)成，不需要特殊的介質(zhì)層，使得電池控制系統(tǒng)的制造成本顯著降低。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所采用的電容銅片面積為1cm2，介質(zhì)采用的是50 μ m厚的聚酰亞胺，電容值大約為25pF。另夕卜，為了減少磁場(chǎng)的耦合，減小電源線走線的有效面積等，PCB板的設(shè)計(jì)及制作應(yīng)盡量加大線間距，以降低導(dǎo)向之間的分布電容并使其導(dǎo)向垂直。
[0040]在本發(fā)明中，電池控制系統(tǒng)通過內(nèi)部總線與動(dòng)力電池組中的多個(gè)電池控制單元、電流傳感器以及安全開關(guān)板進(jìn)行通信，同時(shí)通過外部總線與汽車控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。為保證電池控制系統(tǒng)滿足一定的計(jì)算能力和安全級(jí)別要求，該電池控制系統(tǒng)優(yōu)選采用InfineonTricore (TC1797) 32位微處理器以及安全監(jiān)測(cè)芯片CIC61508，同時(shí)結(jié)合內(nèi)嵌自計(jì)算功能，使得電池控制系統(tǒng)的安全性得到有效保障。這里的內(nèi)嵌自計(jì)算功能是指不用通過總線傳輸數(shù)據(jù)，電池控制系統(tǒng)可以自行進(jìn)行計(jì)算。
[0041]電池控制系統(tǒng)接收多個(gè)電池控制單元所傳輸?shù)男畔?，通過對(duì)這些信息的處理判斷出電池的各種狀態(tài)。它的具體工作原理如下:電池控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收并采集動(dòng)力電池組中的多個(gè)電池控制單元的電池狀態(tài)信息，包括電池單元的電壓、溫度、壓力和均衡電流等電池狀態(tài)信息。首先，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過提取、分析并傳輸至過濾器；過濾器濾除測(cè)量不一致的數(shù)據(jù)或通信產(chǎn)生的誤差后，發(fā)送至內(nèi)部預(yù)置的電池單元計(jì)算模型。電池單元計(jì)算模型計(jì)算出電池狀態(tài)指標(biāo)并發(fā)送到汽車控制系統(tǒng)中。汽車控制系統(tǒng)接收電池的狀態(tài)指標(biāo)，通過人機(jī)界面通知汽車駕駛員。電池控制系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障診斷、電池充電狀態(tài)(S0C)估算、行駛里程估算、短路保護(hù)、漏電監(jiān)測(cè)、顯示報(bào)警等。另外，電池控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充放電模式的控制。為保證動(dòng)力電池組的正常使用及性能的發(fā)揮，當(dāng)電池單元的某個(gè)參數(shù)超標(biāo)，如單體電池電壓過高或過低時(shí)，電池控制系統(tǒng)將切斷繼電器，停止該電池單元的能量供給和釋放。如果電池控制系統(tǒng)檢測(cè)出動(dòng)力電池組發(fā)生安全故障等，例如電隔離失效等，同樣會(huì)盡快采取相應(yīng)的保護(hù)措施，從而保證了整個(gè)電池系統(tǒng)的安全。
[0042]綜上所述，本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:避免眾多的連線和觸點(diǎn)，提高了整個(gè)電池系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于新的動(dòng)力電池組無需重新設(shè)計(jì)電池控制電路，減少了電池控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，降低了開發(fā)費(fèi)用。另外，本發(fā)明不僅適用于棱柱型、袋狀、圓柱型等多種類型的動(dòng)力電池組，同時(shí)還適用于其他形式的儲(chǔ)能裝置如超級(jí)電容等。
[0043]以上對(duì)本發(fā)明所提供的用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對(duì)本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神的前提下對(duì)它所做的任何顯而易見的改動(dòng)，都將構(gòu)成對(duì)本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。
【權(quán)利要求】
1.一種用于動(dòng)力電池組的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于包括電池控制系統(tǒng)和多個(gè)電池控制單元；多個(gè)所述電池控制單元通過非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式與所述電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通信；所述電池控制單元采集所連接的電池單元的狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)送至所述電池控制系統(tǒng)；所述電池控制系統(tǒng)接收并處理各所述電池控制單元所采集的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電池控制單元包括電池電壓均衡器、溫度傳感器、微控制器以及信號(hào)調(diào)整模塊；所述電池電壓均衡器連接所述電池單元的兩極；所述微控制器分別與所述電池單元的兩極、所述電池電壓均衡器、所述溫度傳感器以及所述信號(hào)調(diào)整模塊相連接；所述信號(hào)調(diào)整模塊與所述電池控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。
3.如權(quán)利要求2所述的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電池電壓均衡器包括晶體管和電阻；所述晶體管的柵極與所述微控制器相連，漏極連接所述電阻，源極與所述電池單元的負(fù)極相連；所述電阻的另一端連接電池單元的正極。
4.如權(quán)利要求1所述的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于:所述非接觸式數(shù)據(jù)傳輸方式為射頻方式、電容耦合方式、電感耦合方式或者光耦合方式中的一種。
5.如權(quán)利要求4所述的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于:在所述電容耦合方式下，各電池控制單元之間采用差分信號(hào)串級(jí)鏈接結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求4所述的非接觸式分布控制系統(tǒng)，其特征在于:在所述電容耦合方式下，各電池控制單元之間采用差分信號(hào)并行鏈接結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G08C17/00GK103682485SQ201310688217
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月15日
【發(fā)明者】姜巖峰, 張東, 高劍, 于明, 李 杰, 王鑫 申請(qǐng)人:北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所