一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的製作方法

2023-05-10 01:42:56

本實用新型涉及電動汽車的電池管理系統領域，尤其涉及一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統，屬於電池管理系統的設計與優化範疇。

背景技術：

隨著能源危機和環境汙染的不斷加劇，新能源汽車逐漸成為了新的發展趨勢。電動汽車作為新能源汽車的代表，以其高效且低汙染的特點越來越受到重視。然而，電動汽車在續航能力和電池使用壽命等方面存在不足，致使如何將電動汽車動力電池有限的能源充分發揮成為電動汽車發展的重要一環。

一般情況下，電動汽車的動力電池由很多電池串聯組成，因而需要設計專門的電池管理系統來實現電池的監視與測量。傳統電動汽車電池管理系統往往只是監視以及測量電池，用以獲得電動汽車動力電池數據，卻不考慮電池管理系統自身的功耗。

電池健康狀態是表徵電池的重要指標，是更換電池的主要依據。動力電池處於非充電狀態或者非放電狀態稱為靜置狀態，測量靜置狀態電池參數的變化規律能準確估計電池健康狀態數據。因此，當電動汽車靜置時，雖然動力電池不工作，但電池管理系統要周期性地採樣每個電池數據，直至準確獲取各電池的SOH數值為止。只有準確估計了電池的SOH，才能確保電動汽車運行過程中最優地使用電池。

現有的電動汽車電池容量有限，為了能合理利用電動汽車動力電池存儲的有限能源，並同時考慮上述電池的特性，需要降低靜置時電池管理系統的功耗，減少在管理電池過程中對電量的消耗，從而提高有限電池電量的利用效率。因此，如何準確、可靠地評估電池的健康狀態，並以極低的功耗實現上述功能成為電池管理系統設計的關鍵。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題在於，提供一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統，旨在克服現有電動汽車的電池管理系統僅僅只是監視和測量電池參數的不足，充分考慮了電動汽車電池管理系統的功耗問題。在本實用新型中，根據不同需要，電池管理系統將處於不同的運行模式以降低功耗，從而實現功耗極低的目的。

為解決上述技術問題，本實用新型提供如下技術方案：一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統，包括依次相連的控制單元、電池監視保護單元以及動力電池單元，其中，所述控制單元包括依次相連的單片機以及超級電容電路模塊，所述超級電容電路模塊與電動汽車的整車電源電路連接。

進一步地，所述超級電容電路模塊包括二極體、電阻、MOS管Q1以及電容C1，所述二極體包括二極體D1、D2、D3，所述電阻包括電阻R1、R2、R3，其中：

所述二極體D1的正極連接所述整車電源電路的正電壓Vcc、負極連接所述單片機的電源接口Vin；

所述電阻R1連接電阻R2，且電阻R1一端連接所述整車電源電路的正電壓Vcc、電阻R2一端連接所述整車電源電路的負電壓GND；

所述MOS管Q1的柵極連接所述電阻R1、源極連接所述電容C1、漏極連接所述二極體D3的負極，所述二極體D3的正極連接所述整車電源電路的正電壓Vcc；

所述電容C1連接所述整車電源電路的負電壓GND；

所述電阻R3一端連接所述二極體D3的負極、另一端連接所述MOS管Q1的源極；

所述二極體D2的正極連接所述MOS管Q1的源極、負極連接所述單片機的電源接口Vin。

進一步地，所述MOS管Q1為N溝道增強型MOS管，所述電容C1為超級電容。

進一步地，所述單片機包括SPI接口、靜態存儲器FRAM以及實時時鐘RTC。

進一步地，所述單片機為單片機MSP430FR5989。

進一步地，所述電池監視保護單元包括電池監視保護晶片和數字隔離電路，所述電池監視保護晶片通過第一SPI連接所述數字隔離電路。

進一步地，所述數字隔離電路通過第二SPI連接所述單片機。

進一步地，所述數字隔離電路包括隔離晶片，所述隔離晶片為隔離晶片ISO7241C-Q1。

進一步地，所述電池監視保護晶片為電池監視保護晶片bq76PL536A-Q1。

採用上述技術方案後，本實用新型至少具有如下有益效果：

1、本實用新型採用了低功耗的MSP430FR5989作為主控單片機，使得整個系統能滿足電池管理需要的運算能力，又具備極低功耗的特點；採用了電池監視保護晶片bq76PL536A-Q1，該晶片具有高精度的模數轉換器，獨立的電池電壓和溫度保護及電池電量平衡功能電路。通過以上方式，無需額外設計複雜的電池管理專用電路，即可完成電池管理所需的功能。

2、本實用新型控制單元和電池監視保護單元能根據需要切換運行模式，以極低的功耗實現電池管理系統，從而提高電動汽車動力電池能源的利用效率。

3、本實用新型採用超級電容電路模塊作為電池管理系統的後備電源，在電動汽車靜置後，無需額外的電源降壓電路為主控單片機提供電源。

4、本實用新型的電池監視保護單元不僅可以實時監視電池的狀態，而且可以根據電池的特性，當電池靜置一段時間後其狀態穩定時，開始測量電池，以獲取準確的電池SOH數據。

5、本實用新型的單片機將根據電池狀態和運行參數的變化特點，按照主控單片機的日曆時間，將電池SOH歷史變化曲線完整記錄在超低功耗單片機自帶的非易失鐵電靜態存儲器中，以便於後期對電池的使用狀況進行分析，無需外接存儲設備。

6、本實用新型的主控單片機能根據獲取的電池數據對電池的健康狀況做出估計，可總結歸納各個電池的老化規律，提煉出更換電池的最佳規律。

7、本實用新型採用了帶隔離的SPI，保證主控單片機與電池監視保護模塊能夠安全可靠運行。

附圖說明

圖1是本實用新型的一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的整體結構框圖。

圖2是本實用新型一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的帶隔離的SPI接口電路示意圖。

圖3是本實用新型一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的數字隔離電路的電路示意圖。

圖4是本實用新型一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的超級電容電路模塊的電路示意圖。

圖5是本實用新型一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的獲取電池SOH數值的方法流程圖。

圖6是本實用新型一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的SOH的記錄示意圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互結合，下面結合附圖和具體實施例對本申請作進一步詳細說明。

如圖1所示，一種自身功耗極低的電動汽車動力電池管理系統的整體結構框圖，包括依次相連的控制單元、電池監視保護單元以及動力電池單元，控制單元包括依次相連的單片機以及超級電容電路模塊，超級電容電路模塊與電動汽車的整車電源電路連接，電池監視保護單元包括電池監視保護晶片和數字隔離電路，電池監視保護晶片通過第一SPI連接數字隔離電路，單片機包括SPI接口、靜態存儲器FRAM以及實時時鐘RTC，數字隔離電路通過第二SPI連接單片機的SPI接口。

單片機採用TI公司的超低功耗單片機MSP430FR5989，該單片機採用精簡指令集架構，具有實時控制功能和SPI、I2C等多種通訊接口。與普通的單片機相比，具有極低功耗的特點。激活模式下，功耗為100uA/MHz；待機、實時時鐘和關斷模式下功耗分別僅為0.4uA、0.35uA和0.02uA。該單片機採用了超低功耗且非易失性的鐵電靜態存儲器(FRAM)，同時具有日曆和報警功能的實時時鐘(RTC)。此外，該晶片具有激活模式、LPM0-LPM4和LPMx.5多種低功耗模式，上述模式之間的切換可通過設置狀態寄存器相應的位來實現。

保護晶片採用了TI公司的bq76PL536A-Q1，該晶片可用於對6節串聯鋰離子電池的監視與保護。電池如果垂直堆疊，至多可監視192個電池，監視垂直堆疊電池的bq76PL536A-Q1通過隔離的SPI與主控單片機進行數據通訊，無需額外增加隔離組件，主控單片機即可得到電池的狀態數據。該晶片集成了高速逐次逼近型的模數轉換器，能夠快速測得電池電壓，具備過壓、欠壓和溫度保護功能，同時帶有電池電量均衡控制的功能。晶片bq76PL536A-Q1也具有低功耗的睡眠模式，該模式下功耗僅為12uA，主控單片機可通過隔離的SPI來設置該晶片相應寄存器的狀態位來實現該晶片不同運行模式之間的切換。

如圖2所示，電池監視保護單元通過帶隔離的SPI接口電路與主控單片機進行通訊。圖中，單片機MSP430FR5989經過數字隔離電路與電池監視保護晶片的SPI接口相連。數字隔離電路上3.3V電源與單片機的3.3V相同，對應相同的地；電源Vcc-1與上述單片機的電源獨立且對應不同的地，Vcc-1對應的地與外部的SPI網絡的地相連。

如圖3所示，數字隔離電路主要採用的是隔離晶片ISO7241C-Q1。ISO7241CF-Q1是具有4個數字隔離通道且帶有使能端的高速隔離晶片，其中3個通道同向，1個通道反向，適合SPI通訊。通過該隔離方案的設計，避免了控制單元和電池監視保護單元之間互相竄擾，特別是高頻瞬態幹擾，保護控制單元免受損害；也避免了存在較大電位差的兩單元之間出現地環流，產生共模噪聲。該設計不僅不影響兩個單元正常的數據傳輸，而且提高了動力電池管理系統的安全性和可靠性。

如圖4所示，超級電容電路模塊作為電池管理系統主控單片機的後備電源以並聯的方式接入至主控單片機的電源。超級電容電路模塊包括若干個二極體、若干個電阻、MOS管Q1以及電容C1，二極體包括二極體D1、D2、D3，電阻包括電阻R1、R2、R3。其中，二極體D1的正極連接整車電源電路的正電壓Vcc、負極連接單片機的電源接口Vin；電阻R1連接電阻R2，且電阻R1一端連接整車電源電路的正電壓Vcc、電阻R2一端連接整車電源電路的負電壓GND；MOS管Q1的柵極連接電阻R1、源極連接電容C1、漏極連接二極體D3的負極；二極體D3的正極連接整車電源電路的正電壓Vcc；所述電容C1連接整車電源電路的負電壓GND；電阻R3一端連接二極體D3的負極、另一端連接MOS管Q1的源極；二極體D2的正極連接MOS管Q1的源極、負極連接單片機的電源接口Vin。

Vcc為整車電源電路的輸出電源，Vin為主控單片機的輸入電源，C1為超級電容，Q1為N溝道增強型MOS管。當汽車正常運行，也即KEY為ON時，觸點閉合，Vcc提供電源；當汽車停止運行處於靜置狀態，也即KEY為OFF時，觸點斷開，Vcc等於零，電源由超級電容提供。

超級電容電路模塊的工作原理如下：汽車上電初期，也即KEY為ON時，Vcc將提供電源，為了避免超級電容C1充電瞬間電流過大，使用了阻值較大的R3作為限流電阻。同時，為了保證超級電容具備一定充電速度，通過Q1對電容C1進行充電。選擇適當阻值的R1和R2，利用MOS管Q1的柵極和源極之間的電壓差來控制合適的電流對C1進行充電。當電容C1電壓的升高到一定值，Q1將關斷，超級電容C1通過R3進行充電，直到C1的電壓達到(Vcc-Vd)為止，其中Vd為二極體D3的導通壓降。汽車正常運行時，也即KEY為ON時，二極體D2截止，D1、D3導通，單片機電源直接由Vcc提供。當汽車處於靜置狀態，即KEY為OFF時，Vcc為零。此時，二極體D2導通，電源Vin由超級電容C1放電來提供，同時，二極體D1、D3截止，避免電流產生回流。從而，當汽車處於靜置狀態後，無需額外的降壓電路將整車12V或者24V電壓降至單片機需要的電源電壓。

所述電動汽車動力電池管理系統可以按照電動汽車的運行狀態及電池參數測量的需要切換至不同的運行模式，從而達到功耗極低的目的。本實施例將按電動汽車的運行狀態進行說明。

(a)電動汽車處於正常運行狀態或者充電狀態。該狀態下，單片機和電池監視保護單元處於正常運行模式，二者電源由整車電源電路提供，完成電池管理系統所需的功能。電池監視保護單元實時監測電池數據，包括電池電壓、溫度等，並將獲得的數據通過隔離的SPI傳輸至主控單片機。單片機基於各個電池的測量數據計算電池的狀態和運行參數。

(b)電動汽車處於靜置狀態。該狀態下，電動汽車既不運行也不進行充電。電池監視保護單元與單片機將根據需要切換運行模式，以減少對動力電池電量的消耗，達到極低功耗的目的。

在本實施例中，電池管理系統進入低功耗的睡眠模式的步驟如下：

首先，單片機通過隔離的SPI控制保護晶片bq76PL536A-Q1的IO_CONTROL[SLEEP]位，使該晶片進入睡眠模式，但仍保留SPI通訊功能。

其次，單片機在設置好喚醒方式(如採用定時中斷的喚醒方式)後，控制狀態寄存器SR的[CPUOFF]、[OSCOFF]、[SCG0]和[SCG1]位，使得自身進入低功耗模式。在本實施例中，將使得該單片機進入LPM3.5的極低功耗運行模式。

如此，電池管理系統將進入睡眠的低功耗模式。電池管理系統由睡眠模式喚醒至正常運行模式的步驟如下：

首先，通過定時中斷，單片機將被喚醒恢復至激活模式。

其次，單片機恢復至激活模式後，通過隔離的SPI控制保護晶片bq76PL536A-Q1的IO_CONTROL[SLEEP]位，使得電池監視保護單元也恢復至正常運行模式。

如此，電池管理系統恢復至正常的運行模式。

此外，電池健康狀態是表徵電池的重要指標，是更換電池的主要依據。測量靜置狀態電池參數的變化規律能準確估計電池健康狀態數據。因此，當電動汽車靜置時，雖然動力電池不工作，但電池管理系統要周期性地採樣每個電池數據，直至準確獲取各電池的SOH數值為止。只有準確估計了電池的SOH，才能確保電動汽車運行過程中最優地使用電池。在本實施例中，將採用如下的電池數據獲取方法：

首先將動力電池組靜置30分鐘。隨後，當電池開路電壓的變化速率小於5uV/s時，測量每個電池的開路電壓以準確獲取每個電池數據。在滿足上述條件後，電池管理系統每間隔200s測量一次電池開路電壓直到準確獲取各個電池的SOH數值為止。

在本實施例中，為了能準確獲取電池的SOH數值同時降低電池管理系統的功耗，採用如下實施方式：

如圖5，一種自身低功耗的電動汽車動力電池管理系統獲取電池SOH數值的實施步驟如下：

步驟S101：電動汽車的KEY處於OFF時，電池處於靜置狀態，單片機由超級電容供電，電池監視保護單元直接由動力電池供電。單片機設置定時中斷，時間為30分鐘。單片機和電池監視保護單元都切換至低功耗的睡眠模式以降低電池管理系統的功耗。動力電池靜置30分鐘後，進入步驟S102。

步驟S102：單片機由定時中斷喚醒首先恢復至激活模式，並通過隔離的SPI控制bq76PL536A-Q1使得電池監視保護單元也恢復至正常運行模式。至此，電池管理系統恢復正常運行模式。電池管理系統正常運行後，進入步驟S103。

步驟S103：當電池的開路電壓的變化速率小於5uV/s時，進入步驟S105，啟動電池參數測量，否則進入步驟S104。

步驟S104：單片機控制電池監視保護單元進入低功耗的睡眠模式，主控單片機設置定時中斷，時間設置為5分鐘，隨後亦進入極低功耗的睡眠模式。電池管理系統處於低功耗運行模式，動力電池靜置5分鐘後，進入步驟S102。

步驟S105：電池管理系統開始測量各個電池的開路電壓，每隔200秒電池管理系統甦醒一次，測量電池參數，測量完畢則進入低功耗睡眠模式。如此循環，直至測量次數到達100次為止，系統在正常運行模式和低功耗睡眠模式間切換，以極低的功耗實現電池的狀態和參數的獲取。每次完成電池開路電壓的測量，可根據既定的算法得到電池的阻抗和電池的實際容量，每次測量將不斷更新上述二者的值，直到測量完成。測量完成後，進入步驟S106。

步驟S106：電池參數測量完成，單片機首先通過隔離的SPI控制電池監視保護單元進入睡眠模式。對於獲取參數，單片機將對每個電池SOH的衰減以歷史趨勢圖的方式記錄至鐵電靜態存儲器中。完成記錄後，單片機再次進入低功耗模式。整個電池管理系統進入長時間的低功耗睡眠模式，減少電池管理系統的功耗。

在記錄時，主控單片機能對每個電池SOH的衰減以歷史趨勢圖的方式進行記錄。假設SOH的定義如下：

其中，Qact為電池的實際容量，Qr為電池的額定容量。

單片機根據實時得到的電池數據，計算出每個電池當前的SOH值，若當前SOH值與上一次記錄的SOH歷史值相比發生變化，則通過日曆時鐘獲得上一個SOH值的存續時間，把存續時間與SOH值存儲至單片機的非易失性鐵電存儲器中。如圖6所示，某電池部分SOH的記錄示意圖。假定變化閾值為1％，對於某一次測量的SOH值，單片機將讀取上一次記錄的SOH歷史值，如果本次測量的SOH與上次記錄的SOH值之差超過1％，那麼主控晶片根據日曆時鐘得到本次測量點與上次記錄點的時間差距得到存續時間，並將存續時間和當前的SOH值存儲至FRAM對應的變量或者結構體中。該方法不僅能有效利用存儲空間，而且無需外接存儲設備即可有效記錄每個電池的狀態參數。由此，可得到每個電池的衰減曲線，獲取更換電池的最佳策略。

通過上述電池管理系統不同運行模式之間的切換，電池管理系統以極低的功耗實現了所需要的功能，並以極低功耗準確測量得到每個電池SOH衰減歷史趨勢圖，減少了電池管理系統的功耗，達到了自身功耗極低的目的。

儘管已經示出和描述了本實用新型的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解的是，在不脫離本實用新型的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種等效的變化、修改、替換和變型，本實用新型的範圍由所附權利要求及其等同範圍限定。