專利名稱：一種電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池和電池管理，具體涉及一種尤其應(yīng)用于汽車動(dòng)力管理的電池管理 系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電池管理系統(tǒng)是動(dòng)力電池應(yīng)用及新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。在電動(dòng)汽車、電動(dòng) 自行車和電動(dòng)摩托車中，電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集電池組中單體電池(電壓、電流和溫度) 的數(shù)據(jù)，估計(jì)電池組的工作狀態(tài)、均衡電池組間單體電池的電量、實(shí)施熱管理、電池系統(tǒng)故 障診斷和報(bào)警等，并與車上其他零部件或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)具有以 下缺陷或不足
(-)電池管理系統(tǒng)安全性要求尤其重要，且在實(shí)現(xiàn)不同類型的多種功能的基礎(chǔ)上還要與 外部通訊，同時(shí)汽車的工作環(huán)境惡劣，常處于強(qiáng)電磁干擾及脈沖電流的干擾下，但由于現(xiàn)有 電池管理系統(tǒng)內(nèi)外通訊不隔離，因此安全和可靠性不夠；
㈡現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)為減少連線，一般從控制器和電池均衡器會(huì)集成后采用統(tǒng)一接 口與電池模塊連接，當(dāng)電池均衡器工作時(shí)，電池管理從控制器測(cè)得的單體電池電壓數(shù)據(jù)就 會(huì)受到均衡電流的干擾，可能發(fā)出錯(cuò)誤的電池電壓信息。另外，單體電池電壓采樣(AD采 樣)時(shí)，微控制器往往直接與電池相連，這就造成微控制器對(duì)外連接通訊的接口都需要增加 隔離電路，以滿足電氣安全；
㈢現(xiàn)有系統(tǒng)中，采用量程滿足電池組最大充放電電流的傳感器，造成在電池組小電流 充放電時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，不能滿足片上系統(tǒng)(SOC)準(zhǔn)確估算的要求，不利于混合動(dòng)力汽 車的最優(yōu)控制；
_現(xiàn)有系統(tǒng)中，采用電阻放電式的均衡模式，會(huì)將均衡電路與從控制模塊集成封裝在 一起，一方面這會(huì)將寶貴的電能浪費(fèi)掉，另一方面由于模塊內(nèi)散熱條件不好引起溫度過高 監(jiān)控均衡失效的可能。或者采用從電池組取電通過直流(DC)-直流(DC)變換器對(duì)容量較 低電池充電的方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是，如何提供一種電池管理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更安全可靠，進(jìn) 一步避免或減輕AD采樣、微處理器和電池均衡器三者間干擾，進(jìn)一步滿足電流測(cè)量的兩種 不同情況下的測(cè)試需要，進(jìn)一步使均衡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能效高。本發(fā)明的技術(shù)問題這樣解決構(gòu)建一種電池管理系統(tǒng)，連接N個(gè)由一個(gè)以上 單體電池依次串聯(lián)組成的電池模塊，包括一個(gè)主控制器和通過內(nèi)部控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network,簡(jiǎn)稱CAN)總線與其通訊連接的N個(gè)從控制器，每個(gè)所述電池 模塊分別與相互連接的一個(gè)從控制器和一個(gè)電池均衡器對(duì)應(yīng)連接，所述主控制器還與外部 CAN總線通訊連接，所述內(nèi)部CAN總線和外部CAN總線都包括各自獨(dú)立的CAN通訊模塊，N 是大于1的任一自然數(shù)。
按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，所述從控制器和電池均衡器通過各自接口與所 述電池模塊連接。按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，還包括與每個(gè)所述電池模塊對(duì)應(yīng)連接的各自模 數(shù)(AD)采樣芯片，所述采樣芯片通過各自光耦通訊隔離電路與對(duì)應(yīng)從控制器電連接；進(jìn)一
步
所述采樣芯片電源端電連接與所述主控制器和從控制器電源隔離的直流電源； 所述隔離的直流電源包括但不限制于優(yōu)選的輸入端連接所述主控制器和從控制器電 源的直流-直流(DC-DC)電源。按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，還包括與所述主控制器電連接的采用M量程霍 爾電流傳感器的電池組電流采樣電路，M是大于1的自然數(shù)；進(jìn)一步
所述電池組電流采樣電路通過M條通道與所述主控制器電連接； 其中M優(yōu)選2。按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，N是2至14的任一自然數(shù)，不超過14，所述主控 制器和每個(gè)從控制器設(shè)置不同的內(nèi)部CAN總線地址；所述主控制器還設(shè)有外部CAN總線地址。按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，所述電池均衡器包括與所述電池模塊中L+1個(gè) 依次串聯(lián)的單體電池連接配合的L個(gè)依次串聯(lián)電容以及用于切換L個(gè)所述電容與前L個(gè)或 后L個(gè)所述單體電池一一依次并聯(lián)的控制開關(guān)，L是大于1的任一自然數(shù)。按照本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，所述電池管理系統(tǒng)包括但不限制于是汽車動(dòng)力 電池管理系統(tǒng)或混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)。本發(fā)明提供的電池管理系統(tǒng)，采用㈠各自獨(dú)立CAN總線進(jìn)行內(nèi)外通訊，進(jìn)一步㈡ 從控制器和電池均衡器均有獨(dú)立的接口與電池模塊連接、從控制器采用獨(dú)立的AD采樣芯 片、采用隔離DC-DC電源對(duì)其供電、AD采樣芯片與從控制器微處理器之間的通訊通過光耦 隔離，㈢主控制器采用了具有多測(cè)量范圍的霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)電池組電流，㈣電池均衡 器采用了開關(guān)電容電壓均衡模式，從而使管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全可靠，進(jìn)一步避免了 AD采樣、 微處理器和電池均衡器三者間干擾，更進(jìn)一步滿足了電流測(cè)量的兩種不同情況下的測(cè)試需 要，最后還進(jìn)一步使得均衡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能效高。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例動(dòng)力電池管理系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1所示電池管理系統(tǒng)中主控制器和從控制器電原理框圖； 圖3為圖1所示電池管理系統(tǒng)中開關(guān)電容電壓電池均衡器電原理示意圖； 圖4為圖1所示電池管理系統(tǒng)中主控制器主程序流程示意圖； 圖5為圖1所示電池管理系統(tǒng)中主控制器電池組電流采樣程序示意流程圖。
具體實(shí)施例方式首先，說明本發(fā)明具體實(shí)施例動(dòng)力電池管理系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
如圖1所示，該動(dòng)力電池管理系統(tǒng)包括主控制器1，獨(dú)立的N (N最大為14)個(gè)從控制器3和獨(dú)立的N (N最大為14)個(gè)電池均衡器4。每個(gè)從控制器3與一個(gè)電池均衡器4對(duì) 應(yīng)，監(jiān)控一個(gè)電池模塊5，由這個(gè)從控制器3控制對(duì)應(yīng)電池均衡器4是否工作。從控制器3 和電池均衡器4均有獨(dú)立的接口(圖中的實(shí)線粗箭頭，空心箭頭)與對(duì)應(yīng)的電池模塊5連接， 當(dāng)電池均衡器4工作時(shí)，通過其獨(dú)立接口(圖中的實(shí)線粗箭頭)對(duì)對(duì)應(yīng)電池模塊5中的每個(gè) 串聯(lián)單體電池進(jìn)行充放電均衡，從控制器3則通過其獨(dú)立接口(圖中的空心箭頭)監(jiān)測(cè)單體 電池電壓、溫度，避免了相互間干擾可能導(dǎo)致的錯(cuò)誤控制。主控制器1連接具有各自獨(dú)立 CAN通訊模塊的內(nèi)部CAN總線2和外部CAN總線6，主控制器1與從控制器3之間通過內(nèi)部 CAN總線2連接，主控制器1通過外部CAN總線6與外部系統(tǒng)連接。其中 ㈠主控制器1和從控制器3
如圖2所示，給出了主控制器1與一個(gè)從控制器3連接示意和它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中 ①主控制器
主控制器是整個(gè)電池管理系統(tǒng)的核心，本發(fā)明具體實(shí)施例中主控制器包含主控制器 微處理器，I電池組電壓采樣電路，電池組電流采樣電路，II電池組主電路開關(guān)極其控制電 路，III故障報(bào)警等輔助電路和IV隔離通訊電路。其中 I電池組電壓采樣電路
電池組電壓采樣電路采用霍爾電壓傳感器將電池組與控制電路進(jìn)行隔離，并把電池組 端電壓按比例轉(zhuǎn)換為微處理器處理范圍內(nèi)的電壓，經(jīng)濾波后連接到微處理器的AD 口 ；
電池組電流采樣電路采用具有多個(gè)量程范圍的霍爾電流傳感器將電池組與控制電路 進(jìn)行隔離，電流傳感器的高檔(第一電流采樣通道)量程范圍應(yīng)滿足電池組最大充放電電流 需求，低檔(第二電流采樣通道)的量程范圍則可縮小為高檔量程范圍的十分之一左右。在 電池組充放電電流較小時(shí)，選擇第二電流采樣通道對(duì)電池組電流采樣，在電池組充放電電 流超出低檔量程范圍時(shí)，選擇第一電流采樣通道對(duì)其采樣，就完全能夠滿足電池組片上系 統(tǒng)SOC估算以及動(dòng)力系統(tǒng)控制策略對(duì)電流數(shù)據(jù)精度的要求。II電池組主電路開關(guān)及其控制電路
為實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組供電的安全可靠控制，電池組開關(guān)包括如下器件分別串聯(lián)安裝于電 池組正負(fù)極的高壓直流接觸器2個(gè)，為滿足電容預(yù)充電功能而與電池組正極接觸器并聯(lián)安 裝的限流電阻和預(yù)充電開關(guān)。當(dāng)電池管理系統(tǒng)控制電池組開關(guān)閉合時(shí)，為防止主電路中容 性負(fù)載可能因此的脈沖電流，必須先閉合電池組負(fù)極的高壓接觸器和預(yù)充電開關(guān)通過限流 電阻對(duì)容性負(fù)載充電，當(dāng)負(fù)載電壓和電池組電壓接近后才可以閉合電池組正極的高壓接觸 器，斷開預(yù)充電開關(guān)，完成閉合電池組開關(guān)指令。III故障報(bào)警
故障報(bào)警等輔助電路包括發(fā)光報(bào)警電路和電池組絕緣檢測(cè)電路，每次電池管理系統(tǒng)上 電啟動(dòng)初始化時(shí)，均需要對(duì)電池組絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，保障系統(tǒng)安全。當(dāng)電池管理主控制器 檢測(cè)到電池組出現(xiàn)故障或接收到從控制器的故障信息時(shí)，除了在動(dòng)力系統(tǒng)CAN總線上輸出 故障警告信息外，還通過報(bào)警電路進(jìn)行聲音、發(fā)光報(bào)警。IV隔離通訊電路
隔離通訊電路主要是滿足電池管理主控制器的雙路CAN總線通訊功能，包含DC-DC隔 離電源，光電耦合器件，CAN通訊芯片，共模抑制器。②從控制器3電池組的從控制器3有多個(gè)，都通過內(nèi)部CAN總線2與主控制器1連接，圖2僅給出了 一個(gè)從控制器電原理框圖。采用這種主從集散式控制的電池管理系統(tǒng)極大地提高了電池組 布局的靈活性，在實(shí)際應(yīng)用中，可將電池組根據(jù)需要分為若干包，每包包含一個(gè)以上的電池 模塊5，每個(gè)電池模塊5對(duì)應(yīng)一個(gè)從控制器3和一個(gè)電池均衡器4。從控制器包含從控制 模塊微處理器，I單體電池電壓采樣電路，II溫度采樣電路、III序號(hào)編碼等輔助電路、CAN總 線隔離通訊電路。其中
I單體電池電壓采樣電路
單體電池電壓采樣電路，圖2中給出了對(duì)三個(gè)單體電池進(jìn)行電壓采樣的原理圖，微處 理器通過控制其連接的采樣開關(guān)ΚΙ、K2、K3的輪流導(dǎo)通，使專用的AD采樣芯片依次對(duì)三個(gè) 單體電池的電壓進(jìn)行采集，同時(shí)AD芯片通過隔離DC-DC電源供電，與微處理器之間的通訊 通過光電耦合器件進(jìn)行隔離，如此實(shí)現(xiàn)了電池組與控制電路的隔離，有效提高了系統(tǒng)安全 性。II溫度采樣電路
每個(gè)從控制模塊都留有若干個(gè)溫度傳感器接口，將溫度傳感器放置于電池箱內(nèi)的合 適位置，其輸出信號(hào)經(jīng)濾波處理后輸入到微處理器的AD 口，按照規(guī)定協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)化后通過 CAN總線輸出給電池管理總控制器。III序號(hào)編碼等輔助電路
在整個(gè)電池管理系統(tǒng)中，根據(jù)統(tǒng)一的CAN總線的J1939通訊協(xié)議，每個(gè)從控制器都有其 唯一的編碼地址，通過撥動(dòng)序號(hào)編碼電路中的5位撥碼開關(guān)可以在外部設(shè)置從控制器的地 址，讓其和固定位置的電池箱相對(duì)應(yīng)。當(dāng)從控制器檢測(cè)到其對(duì)應(yīng)的電池模塊中的單體電池 出現(xiàn)故障，或是對(duì)應(yīng)的均衡電路出現(xiàn)故障時(shí)，不但要根據(jù)協(xié)議向電池管理總控制器輸出故 障信息，同時(shí)通過報(bào)警電路進(jìn)行聲音、發(fā)光報(bào)警。㈡電池均衡器4
如圖3所示，本發(fā)明具體實(shí)施例中電池均衡器4采用對(duì)四個(gè)串聯(lián)電池配置三個(gè)均衡 電容的電路形式，其控制開關(guān)是一個(gè)四刀雙擲開關(guān)，其固定端與所述電容電連接，選擇端與 所述電池電連接。其工作原理是每個(gè)均衡電容被用來轉(zhuǎn)移串聯(lián)充電電池中相連兩電池 之間的電荷，隨著開關(guān)不停的前后導(dǎo)通，這些電容將任意個(gè)數(shù)串聯(lián)的電池陣列均衡到同一 電壓，并且這種均衡方式不受電池串是否在充電的狀態(tài)的影響，只要存在電壓差，打開均衡 控制電路，則電壓均衡過程就會(huì)開始，趨向于最終所有電池達(dá)到電壓平衡，假設(shè)電池電壓
^r1 > F2 > fS > F4 ,那么當(dāng)雙擲開關(guān)連到上面的時(shí)候，巧將電荷轉(zhuǎn)到Cf1上，F(xiàn)2將電荷轉(zhuǎn)到 Cf2上，G將電荷轉(zhuǎn)到C3上；當(dāng)雙擲開關(guān)連到下面的時(shí)候，C1將電荷轉(zhuǎn)到廠2上，0^將電荷轉(zhuǎn)
到G上，Q將電荷轉(zhuǎn)到G上，就這樣，雙擲開關(guān)以一定的頻率上下連接，電荷也不斷地被
從高電壓的電池轉(zhuǎn)到低電壓的電池中，最后達(dá)到所有電池電壓基本相同的狀態(tài)，并且只要 開關(guān)不停的切換，電荷的轉(zhuǎn)移就會(huì)消除電池之間的壓差。在實(shí)際系統(tǒng)中則使用上下互補(bǔ)導(dǎo) 通的超低導(dǎo)通阻抗場(chǎng)效應(yīng)MOS功率管來等效代替雙擲開關(guān)，使得等效開關(guān)開通時(shí)的電阻減 少，進(jìn)而減少能耗。第二，說明本發(fā)明具體實(shí)施例動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中軟件控制程序 ㈠主程序該主程序運(yùn)行在主控制器1內(nèi)微處理器中，具體如圖4所示，包括系統(tǒng)初始化，包括 上電、加載程序、設(shè)置環(huán)境和啟動(dòng)微處理器輸入/出端口 ；執(zhí)行控制指令通過外圍電路檢測(cè) 電池組狀態(tài)；根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷電池狀態(tài)是否正常，否斷開電池輸出開關(guān)、報(bào)警，結(jié)束；是 則輸出電池狀態(tài)信息，接收外部系統(tǒng)控制命令允許其閉合/斷開電池輸出開關(guān)；之后，判斷 接收的閉合/斷開電池輸出開關(guān)的外部控制命令，根據(jù)電池輸出開關(guān)的狀態(tài)執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作 (包括閉合/斷開/不作為動(dòng)作)。㈡電池組電流采樣程序
該采樣程序被主程序中檢測(cè)電池組狀態(tài)步驟或者其他中斷調(diào)用，具體如圖5所示，包 括以下步驟
501)通過采用小量程的第二電流采樣通道獲取霍爾電流傳感器的對(duì)應(yīng)電流采樣值；
502)判斷采樣值是否超出第二電流采樣通道的量程？未超出則判定該采樣值為實(shí)際 電流值返回該值，跳過步驟503)結(jié)束；超出則進(jìn)入下一步；
503)通過使用大量程的第一電流采樣通道獲取電流傳感器的電流采樣值作為實(shí)際電 流值返回該值，結(jié)束。最后，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等 變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種電池管理系統(tǒng)，連接N個(gè)由一個(gè)以上單體電池依次串聯(lián)組成的電池模塊(5)，其 特征在于，包括一個(gè)主控制器(1)和通過內(nèi)部CAN總線( 與其通訊連接的N個(gè)從控制器 (3)，每個(gè)所述電池模塊分別與相互連接的一個(gè)從控制器和一個(gè)電池均衡器(4)對(duì)應(yīng)連接， 所述主控制器還與外部CAN總線(6)通訊連接，所述內(nèi)部CAN總線和外部CAN總線都包括 各自獨(dú)立的CAN通訊模塊，N是大于1的任一自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述從控制器(3)和電池均衡器 ⑷通過各自接口與所述電池模塊(5)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，還包括與每個(gè)所述電池模塊(5)對(duì) 應(yīng)連接的各自模數(shù)采樣芯片，所述采樣芯片通過各自光耦通訊隔離電路與對(duì)應(yīng)從控制器電 連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述采樣芯片電源端電連接與所 述主控制器(1)和從控制器(3)電源隔離的直流電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述隔離的直流電源是輸入端連 接所述主控制器(1)和從控制器(3)電源的直流-直流電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述主控制器(1)電連接 的采用M量程霍爾電流傳感器的電池組電流采樣電路，M是大于1的自然數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池組電流采樣電路通過M條 通道與所述主控制器(1)電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，N是2至14的任一自然數(shù)，所述主 控制器(1)和每個(gè)從控制器C3)設(shè)置不同的內(nèi)部CAN總線地址。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池均衡器(4)包括與所述 電池模塊(5)中L+1個(gè)依次串聯(lián)的單體電池連接配合的L個(gè)依次串聯(lián)電容以及用于切換L 個(gè)所述電容與前L個(gè)或后L個(gè)所述單體電池一一依次并聯(lián)的控制開關(guān)，L是大于1的任一 自然數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述電池管理系統(tǒng)，其特征在于，所述電池管理系統(tǒng)是汽車動(dòng)力電 池管理系統(tǒng)或混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電池管理系統(tǒng)，包括內(nèi)部CAN總線(2)連接的主控制器(1)和一個(gè)以上的從控制器(3)，每個(gè)從控制器與對(duì)應(yīng)的一個(gè)電池模塊(5)及對(duì)應(yīng)的一個(gè)電池均衡器(4)二二連接，所述主控制器還與外部CAN總線(6)連接，所述內(nèi)部和外部CAN總線都包括各自獨(dú)立的CAN通訊模塊。這種電池管理系統(tǒng)，進(jìn)一步從控制器和電池均衡器均有獨(dú)立接口與電池模塊連接、從控制器中獨(dú)立的AD采樣芯片采用隔離DC-DC電源并使用光耦隔離其與微處理器間通訊，主控制器采用具有雙量程霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)電池組電流，從而使管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全可靠，避免了AD采樣、微處理器和電池均衡器三者間干擾、滿足了電流測(cè)量的兩種不同情況下的測(cè)試需要。
文檔編號(hào)H01M10/42GK102064356SQ20101059862
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者劉洋成, 洛志宏, 韋凱 申請(qǐng)人:深圳市佳華利道新技術(shù)開發(fā)有限公司