電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統的製作方法
2023-05-21 20:56:31 1
電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統的製作方法
【專利摘要】一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，屬於汽車用電池控制裝置領域。包括BMS系統的主控單元，其特徵在於：主控單元的數據端設置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內部的若干膠體電池分別設置採集單元和均衡單元，採集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數據端。採用膠體電池的本管理系統，採集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數進行實時監控，然後通過主控單元進行故障診斷、SOC估算、行駛裡程估算、短路保護、漏電監測、顯示報警，充放電模式選擇等，並通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保證電源輸出穩定，延長使用壽命，更能夠保障電動汽車高效、可靠、安全運行。
【專利說明】電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統
【技術領域】
[0001]本實用新型提供一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，屬於汽車用電池控制裝置領域。
【背景技術】
[0002]由於電池在製造過程中很難確保具有完全的均一性，各串聯的電池單元之間會存在充電或放電特性的差異。因此，當使用串聯電池單元的電池組時，會存在這樣的問題:充電時，同一電池組中，即使某些電池單元被過度充電，也仍然存在某些電池單元尚未達到飽和；又或放電時，同一電池組中，有些電池單元尚未完全放電，但仍有些電池單元被過度放電。此外，如果電池單元長期被過度放電/充電，在構成電池單元的材料中可能會出現顯著劣化，使得電池單元的特性變得不同，而這種劣化是加劇電池單元間差異的原因之一。
[0003]電池管理系統BMS能夠連續監控和管理電池組內電池芯的充電、放電、溫度，以及提供程序的接口。車輛是一種運行工況極其複雜的設備，同時又具有搭載乘客的安全要求，因而電池應用於車輛上必須考慮高壓安全、可靠、舒適等多種要求。目前國內汽車級蓄電池供電受到工藝及材料性能的限制，轎車用動力電池組電壓較低，控制不穩定，要獲得高電壓必須依賴於電池成組技術。
實用新型內容
[0004]根據以上現有技術中的不足，本實用新型目的在於提供一種設置功率高，輸出穩定，安全可靠，使用壽命長的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統。
[0005]本實用新型的上述技術目的主要是通過以下技術方案解決的:一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，包括BMS系統的主控單元，其特徵在於:主控單元的數據端設置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內部的若干膠體電池分別設置採集單元和均衡單元，採集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數據端。
[0006]採集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數進行實時監控，然後通過主控單元進行故障診斷、SOC估算、行駛裡程估算、短路保護、漏電監測、顯示報警，充放電模式選擇等，並通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保證電源輸出穩定，延長使用壽命，保障電動汽車高效、可靠、安全運行。主控單元完成對膠體電池組總電壓、總電流的檢測，並通過CAN總線與採集單元、均衡模塊、顯示單元或車載儀表系統及充電機等通信。
[0007]其中優選方案是:
[0008]所述的採集單元包括2-20個電壓採集裝置、2-6個溫度傳感器和風扇，電壓採集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應。全面採集整個膠體電池組內各個電池的狀態參數，並且與均衡單元配合，使得某一電池電壓不一致超過規定值時，自動對電池進行均衡。風扇可以設置在溫升較大的位置，保護膠體電池和BMS。每個採集單元可測量20節電池端電壓及6個測量點溫度和I路風扇控制，安裝在每個電池箱內。當電池箱內電池電壓不一致超過規定值時，在充電電流小於一定值後，均衡單元可自動對電池進行均衡。
[0009]所述的採集單元包括控制器、模數轉換器、溫度轉換器和CAN收發器，控制器的數據端連接分別連接模數轉換器和溫度轉換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發器，採用差分輸入，控制器採用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列晶片，CAN收發器選用MCP2551，模數轉換器採用DS18B20。
[0010]所述的主控單元的SOC估算其根據電動汽車的行駛，靜置和充電的三種工作狀態，，分別採用安時法、開路電壓法進行SOC估計，在採用安時法的基礎上，採用加權安時法進行SOC校正，消除安時法帶來的累計誤差，保證SOC精度在8%以內。
[0011]所述的顯示單元為觸控螢幕，採用SAM9263B為主晶片的ARM9方案。用於膠體電池組的狀態以及SOC等各種參數的顯示、操作設置等。
[0012]所述的膠體電池組設置充電機接口。
[0013]所述的主控單元設置存儲裝置。用於存貯各種運行數據，保證可查詢歷史數據，便於調整和維修。
[0014]本實用新型具有的有益效果是，通過在主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內部的若干膠體電池分別設置採集單元和均衡單元，採集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數據端，採集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數進行實時監控，然後通過主控單元進行故障診斷、SOC估算、行駛裡程估算、短路保護、漏電監測、顯示報警，充放電模式選擇等，並通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保證電源輸出穩定，延長使用壽命，保障電動汽車高效、可靠、安全運行。
[0015]通過整體設計優化，實用新型滿足保證電池運行安全。實現:
[0016]1、實時跟蹤電池運行狀態及參數檢測:實時採集電池充放電狀態，採集數據有電池總電壓，電池總電流,每個電池箱內電池測點溫度以及單體模塊電池電壓等。由於動力電池都是串聯使用的，所以這些參數的實時，快速，準確的測量是電池管理系統正常運行的基礎。
[0017]2、剩餘電量估算:電池剩餘能量相當於傳統車的油量。荷電狀態(SOC)的估算是了為了讓司機及時了解系統運行狀況。實時採集充放電電流、電壓等參數，並通過相應的算法進行剩餘電量的估計。
[0018]3、充放電控制:根據電池的荷電狀態控制對電池的充放電，當某個參數超標如單體電池電壓過高或過低時，為保證電池組的正常使用及性能的發揮，系統將自動調整充放電電流，首先給低電壓電池充電或高電壓電池放電至均衡以後，再給整個電池系統充電或放電，保護電池。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖一是本實用新型的原理方框圖；
【具體實施方式】
[0020]下面通過實施例，結合附圖，對本實用新型的技術方案作進一步的說明。
[0021]實施例1:[0022]如圖1所示，主控單元的數據端設置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內部的若干膠體電池分別設置採集單元和均衡單元，採集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數據端；採集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數進行實時監控，然後通過主控單元進行故障診斷、SOC估算、行駛裡程估算、短路保護、漏電監測、顯示報警，充放電模式選擇等，並通過CAN總線的方式與車輛集成控制器進行信息交互。
[0023]採集單元和均衡單元一對一分別設置在膠體電池組的各個電池內。
[0024]採集單元包括2-20個電壓採集裝置、2-6個溫度傳感器和風扇，電壓採集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應。全面採集整個膠體電池組內各個電池的狀態參數，並且與均衡單元配合，使得某一電池電壓不一致超過規定值時，自動對電池進行均衡。風扇可以設置在溫升較大的位置，保護膠體電池和BMS。
[0025]CAN通訊接口電路，採用瞬變電壓抑制二極體和自恢復保險絲組成保護電路，並加入共模電感提高抗幹擾能力。
[0026]根據需要，膠體電池組設置充電機接口。主控單元設置存儲裝置。用於存貯各種運行數據，保證可查詢歷史數據，便於調整和維修。
[0027]實施例2:
[0028]在實施例1的基礎上，採集單元包括控制器、模數轉換器、溫度轉換器和CAN收發器，控制器的數據端連接分別連接模數轉換器和溫度轉換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發器，採用差分輸入。
[0029]採集單元主要參數:·供電電源:DC96V±30%
[0030]電壓測量範圍及精度:0_+5V，( ±0.2%
[0031]最大檢測周期:< 0.2S
[0032]檢測電池只數:23節
[0033]溫度檢測路數及精度:6路，≤± I °C
[0034]風扇控制:I路(可驅動DC24V/0.15A風扇6個)
[0035]通信口: I 路 CAN，I 路 232
[0036]運行溫度:-25°C-+7O °C
[0037]控制器選用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列晶片；CAN收發器選用MCP2551，通過CAN總線與其他控制系統進行通信；電池電壓採樣選用12位精度的ADS7841進行差分取樣，消除幹擾，同時差分輸入保證了電池組與檢測電路不共地；溫度測量選用數字溫度傳感器DS18B20，採集電池箱內測試點溫度。
[0038]電池電壓採樣採用差分輸入、光耦繼電器切換，光耦隔離，電路簡單，保證測量精度。
[0039]溫度取樣部分採用總線方式設計，簡化了溫度傳感器的接入。並提供了隔離保護。
[0040]由於電動汽車用電環境複雜，有很強的電磁幹擾，從而影響信號在線檢測與控制系統的正常工作。為了減小電磁幹擾採取如下措施:在CPU和CAN收發器之間加入高速光耦隔離器，並增加瞬變二極體，共模電感，熱敏電阻等保護措施；單片機工作電源與車輛電源地線隔離，消除地線竄擾的可能；數字溫度傳感器使用屏蔽電纜封裝，並將屏蔽地搭鐵，CAN總線選用屏蔽雙絞線；PCB板製作儘量加大線間距，以降低導向間的分布電容並使其導向垂直，以減小磁場耦合，減小電源線走線有效面積及選用性價比高的器件等。
[0041]顯示單元為觸控螢幕。用於膠體電池組的狀態以及SOC等各種參數的顯示、操作設置等。顯示單元選用帶觸控螢幕真彩顯示，系統採用SAM9263B為主晶片的ARM9方案，重新設計電源；CAN總線以及與上位PC機之間通訊用485總線系統採用光耦隔離；主板和核心板分開設計，以及採用汽車級別的相關晶片，系統穩定性高，保證該系統能在汽車這樣的惡劣環境下工作。
[0042]實施例3:
[0043]在以上實施例的基礎上，主控單元的系統軟體均採用模塊化程序設計；多種軟體抗幹擾設計，如數字濾波算法，冗餘，軟體陷阱，看門狗等技術，防止程序失效，保證系統正常運行。在SOC的估算上採用現在比較成熟的方法，根據電動汽車的工作狀態(行駛，靜置，充電)，分別採用安時法、開路電壓法進行SOC估計，在採用安時法簡單有效的基礎上，在特定條件下採用加權安時法進行SOC校正，消除安時法帶來的累計誤差，保證SOC精度在8%以內；顯示監測系統使用定製的linux2.6.24作業系統，界面採用QT4.62，上位機軟體也採用QT4.62進行開發，主要實現:標定程序，SOC估算程序，故障分析子程序，信號監控與報警子程序，實時數據保存，數據和曲線顯示，各開關狀態顯示等功能。
[0044]主控單元與採集單元一樣，硬體設計增加了多種抗幹擾措施，以保證在惡劣電磁環境下可靠運行；總電流採用採樣二檔設計，以保證在小電流和大電流情況下，測量精度(0.5%。
[0045]主控單元主要技術參數:
[0046]供電電源:DC96V±30%
[0047]電壓測量範圍及精度:0-750V (可選)，≤±0.2% [0048]電流測量範圍及精度:-300A-+300A，( ±0.5%
[0049]SOC 估算精度:(土 8%
[0050]正負極對地絕緣監測:0-999.9ΚΩ[0051 ]通信口: 2 路 CAN，I 路 RS485
[0052]運行溫度:-25°C-+7CTC。
[0053]實施例4:
[0054]在以上實施例的基礎上，顯示單元選用帶觸控螢幕真彩顯示，系統採用SAM9263B為主晶片的ARM9方案，重新設計電源；CAN總線以及與上位PC機之間通訊用485總線系統採用光耦隔離；主板和核心板分開設計，以及採用汽車級別的相關晶片，系統穩定性高，保證該系統能在汽車這樣的惡劣環境下工作。CAN總線以及與上位PC機之間通訊用485總線系統採用光耦隔離，主板和核心板分開設計；顯示選用7」真彩觸控螢幕，操作簡單、明了。
[0055]主要技術參數
[0056]供電電源:DC96V±30%
[0057]顯示屏尺寸:7吋(解析度800X480 )
[0058]鍵盤:最大外擴64鍵，支持觸控螢幕輸入
[0059]語音:最大輸出功率IW
[0060]通信口: I路CAN，I路RS485，I路乙太網
[0061]運行溫度:-25°C-+70°C。[0062]工作原理:
[0063]由於本實用新型的電池組採用膠體電池，其本身具有1、使用壽命長；2、放電功率高；3、不漏液，免保養；4、可快速充電；5、大電流放電能力強；6、低溫保持高容量；7、超低的自放電率；8、膠態能防火無酸溢流等，因此採用膠體電池的本管理系統，採集單元對電動汽車的膠體電池組的電池參數進行實時監控，然後通過主控單元進行故障診斷、SOC估算、行駛裡程估算、短路保護、漏電監測、顯示報警，充放電模式選擇等，並通過CAN總線的方式與車輛集成控制器或充電機進行信息交互，保證電源輸出穩定，延長使用壽命，更能夠保障電動汽車高效、可靠、安全運行。
[0064]實驗證明:
[0065]通過整體優化設計，本實用新型可以實現:
[0066]1)採用分布式隔離檢測技術，全系統分為四個主要子系統，即採集單元、均衡模塊、主控單元、顯示單元，四個模塊之間採用CAN總線方式進行通訊；
[0067]2)鑑於汽車內工作環境惡劣，將所有測量單元儘量靠近測量源並採用單獨的測量單元。大大減少環境對各取樣點的幹擾，提高測量精度；
[0068]3)電池電壓測量採用差分輸入，光耦繼電器切換方式進行採樣，在保證電壓測量精度的基礎上，大大簡化了採樣電路，保證了其穩定性和可靠性；
[0069]4)檢測精度高。電壓測量精度< ±0.2% ；電流檢測採用二擋自動換擋霍爾傳感器，測量精度在10%Ie及以下和10%-100%Ie時，均能保證≤±0.5% ；
[0070]5)晶片選用汽車級晶片以及高速光耦隔離、瞬變二極體抑制，共模電感，熱敏電阻等保護措施，可以在強磁場環境下可靠工作；
[0071]6)顯示系統除核心板外，軟、硬體及驅動程序等都是自行開發，大大降低了成本；
[0072]7)功能完善。BMS採用分布式設計，具備對單體電池狀態如端電壓、特徵點溫度等實時監控、充放電控制、故障分析及定位、整組電池SOC估算、熱管理、實時數據存儲及資料庫管理等強大功能；
[0073]8) BMS主機、採集單元面板設置了電源、運行、過壓、過熱等指示燈，可以直觀方便的了解電池的工作狀態；
[0074]9)防水防塵設計。為了滿足車輛的惡劣運行環境的需求，BMS外殼採用鑄鋁澆鑄一次成型，具有防塵、防濺水功能；
[0075]10)模塊化設計，減少產品規格，有利於採購，生產管理，檢驗等各個環節的成本控制，有利於降低整個系統的價格。
【權利要求】
1.一種電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，包括BMS系統的主控單元，其特徵在於:主控單元的數據端設置連接顯示單元，主控單元的電源端連接膠體電池組，膠體電池組內部的若干膠體電池分別設置採集單元和均衡單元，採集單元和均衡單元分別通過CAN總線連接主控單元的數據端。
2.根據權利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，其特徵在於:所述的採集單元包括2-20個電壓採集裝置、2-6個溫度傳感器和風扇，電壓採集裝置和溫度傳感器分別與膠體電池相適應。
3.根據權利要求2所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，其特徵在於:所述的採集單元包括控制器、模數轉換器、溫度轉換器和CAN收發器，控制器的數據端連接分別連接模數轉換器和溫度轉換器，控制器的通訊端通過光耦隔離器連接CAN收發器，控制器採用集成了 CAN控制器模塊的dsPIC30F系列晶片，CAN收發器選用MCP2551，模數轉換器採用 DS18B20。
4.根據權利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，其特徵在於:所述的顯示單元為觸控螢幕，採用SAM9263B晶片。
5.根據權利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，其特徵在於:所述的膠體電池組設置充電機接口。
6.根據權利要求1所述的電動汽車主動平衡式膠體電池管理系統，其特徵在於:所述的主控單元設置存儲裝置。
【文檔編號】B60L11/18GK203460720SQ201320548545
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年9月4日 優先權日:2013年9月4日
【發明者】石光峰, 郭源生, 董義鵬, 李明賢 申請人:淄博京科電氣研究所