一種純電動公交車用電池管理系統的製作方法

2023-10-16 22:01:14 2

專利名稱：一種純電動公交車用電池管理系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及電動汽車電池管理系統技術領域。
背景技術：
隨著汽車工業的快速發展和城市人口、車輛的迅速增加，城市交通系統的燃油 消耗也將隨之劇增，交通系統面臨的壓力也越來越大。節能環保的壓力推動著交通能源 動力系統的技術變革，主要趨勢是汽車能源的電氣化。由於公交線路路線固定，行駛裡 程較短、要求動力系統具有良好的經濟性和環保性要求。當前蓄電池的能量密度基本已 經滿足公交車輛運營的需要，可以根據公交線路的行駛裡程配備相應的蓄電池，因此純 電動公交車是電動公交車輛的主要發展方向之一。 由於車載電池不能滿足純電動公交車一天運行的裡程需求，當電池剩餘能量不 能滿足下一個往返需要時，車輛需要進站充電。依據公交車站車輛配置和運營情況，純 電動公交車存在整車應急和快速更換兩種充電模式。而目前的電池管理系統存在如下問 題 (l)純電動公交車電池管理系統通常只具有車載運行和整車充電兩種模式，不能 滿足公交車快速更換的運行需要； (2)純電動公交車在充電過程中，電池管理系統和充電設備相脫離，充電設備不 能及時了解電池的實時狀態，因此充電的安全性無法得到有效保障； (3)電池管理系統配備的PC機監控系統存在待機時間短以及不便於攜帶等問題 不能滿足現場調試和故障診斷的需要。

發明內容
本發明的目的是解決以上問題，提供一種適用於多種工作模式、可靠性高的純 電動公交車用電池管理系統。 本發明的目的可以通過以下技術方案來實現 一種純電動公交車用電池管理系 統，其特徵在於包括主控模塊、檢測模塊、監控計算機和車載電池組，所述主控模塊可 以通過通信接口與車輛控制器、車載儀表以及充電設備通信，主控模塊將獲取的實時電 池狀態、車載電池組的詳細信息傳輸到監控計算機、車輛控制器、車載儀表，所述檢測 模塊、主控模塊還可將充電過程所需的信息發送至充電設備，實現充電過程的安全和優 化，該電池管理系統通過集散式通信結構可實現車載運行模式、整車應急充電模式和快 速更換模式三種工作模式。 所述的主控模塊包括中央處理器MCU1、和與中央處理器MCU1連接的電源變 換模塊、指示燈、硬體看門狗、存儲器、系統時鐘，中央處理器MCU1還通過隔離電路 與絕緣檢測模塊、電流檢測模塊以及CAN1、 CAN2、 CAN、 RS-485和RS-232五種通信 接口模塊連接。 所述的檢測模塊包括中央處理器MCU2、和連接在中央處理器MCU2的電源變換模塊、指示燈、硬體看門狗、存儲器，中央處理器MCU2還通過隔離電路連接溫度檢
測模塊、電壓檢測模塊、熱管理以及CAN、 RS-485和RS-232通信接口模塊。在車載運行模式下，主控模塊通過兼容CAN和RS-485的內部總線匯總所有車載
電池組以及單體電池數據，並根據預先設定故障閾值進行數據分析和故障判斷，將包含
有實時的電池狀態、電池組的詳細信息的處理結果通過CAN接口和RS-232接口傳遞給整
車控制器、車載儀表、監控計算機，實現所有單體電池的在線檢測和智能控制； 在整車應急充電過程中，充電設備的充電線連接到電動車輛的充電插頭上進行
充電，主控模塊通過CAN與充電設備實現數據交互，並根據電池的在線狀態實時調整充
電設備的輸出電流，實現安全充電； 在快速更換模式下，電動車輛上的電池箱卸載到地面充電平臺中進行分箱充 電，充電設備的通信線連接至檢測模塊，在充電過程中充電設備與電池管理系統數據交 互，實現安全充電。 為了更好的檢測和管理純電動車輛上的電池狀態，本發明電池管理系統還配置 有手持設備，手持設備包括中央處理器MCU3、和連接在中央處理器上的電源變換模 塊、顯示設備、硬體看門狗、存儲器，報警模塊以及鍵盤，電壓檢測模塊通過隔離電路 連接至中央處理器MCU3上，中央處理器MCU3通過RS-232通信接口模塊與主控模塊、 檢測模塊信息交互，手持設備可以實現電池箱內單體電池電壓的採集、檢測模塊的參數 設置、故障診斷、電壓精度校驗、數據讀取和轉儲。 與現有技術相比，本發明的優點在於電池管理系統採用集散式多層次的網絡系 統結構，並且具有多種工作模式；在充電過程中，電池管理系統可通過CAN總線與充電 機實現數據交換，保障充電過程的安全性；電池管理系統配備手持設備，滿足現場調試 和故障診斷的需要。本發明的主要特點有 電池管理系統採用多通信總線的集散式系統結構。具備內外四條子網，其中高 速網絡段CAN1用於與整車控制器等設備通信；高速網絡段CAN2用於與車載儀表及充 電設備進行通信；內部網絡(兼容CAN和RS-485)用於主控模塊與檢測模塊進行通信； RS-232用於與監控計算機或手持設備進行通信。通過內部和外部總線實現多種車載設 備的通信，可以隔離通信量，保證數據交換的可靠性，實現整車在線監控，解決電池狀 態的實時監控、數據處理、故障分析和定位、SOC估算、數據傳輸、熱管理、充放電控 制、PC機在線監控、運行數據存儲、數據轉儲和資料庫管理功能。 電池管理系統可以實現快速更換和整車應急充電兩種模式下的安全充電。在充 電過程中，充電設備通過CAN總線與主控模塊或檢測模塊進行通信，了解電池的實時狀 態，充電設備據此改變輸出電壓和電流，確保電池組內所有電池的電壓、溫度和電流不 超限，保證充電的安全性。 為了簡化用戶的操作和增強系統的直觀性，電池管理系統設計了功能完善的手 持設備，可以實現單箱電池電壓的採集及檢測模塊的參數設置、故障診斷、電壓精度校 驗、數據讀取和轉儲，便於故障診斷和定位，大大增強了現場解決電池故障的能力。


圖1本發明電池管理系統的系統結構 圖2本發明電池管理系統主控模塊結構圖；
圖3本發明電池管理系統檢測模塊結構圖；
圖4本發明電池管理系統手持設備結構圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施對本發明作進一步詳細描述。 參見圖l， 一種純電動公交車用電池管理系統，該系統主要包括主控模塊、檢測 模塊、手持設備、監控計算機和車載電池組。純電動公交車用電池管理系統採用多通信 總線的集散式結構，可以實現三種工作模式，包括車載運行模式、整車應急充電模式和 快速更換模式。 在實際應用中為了達到一定的電壓、功率和能量必須將多個單體電池串聯成組 使用。在純電動公交車中，車載電池組由多個電池箱串聯組成，而每個電池箱中又由多 個單體電池串聯組成。每個電池箱配備l個檢測模塊。 本電池管理系統採用多通信總線的集散式系統結構。具備內外四條子網，其中 高速網絡段CAN1用於與整車控制器等設備通信；高速網絡段CAN2用於與車載儀表及 充電設備進行通信；內部網絡(兼容CAN和RS-485)用於主控模塊與檢測模塊進行通信； RS-232用於與監控計算機或手持設備進行通信。監控計算機上還可以連接伺服器和列印 機，需要時還可以把相關數據上傳、列印。 在車輛運行過程中，主控模塊通過內部總線(兼容CAN和RS-485)與各個電池 箱所對應的檢測模塊連接，獲得各個電池箱中單體電池電壓和溫度信息；並根據預先設 定故障閾值進行數據分析和故障判斷，將電池組的詳細信息通過CAN2總線傳遞給車載 儀表，完成電池狀態的顯示和故障報警功能；通過CAN1總線將實時電池狀態信息傳遞 給具有通訊接口模塊的車輛控制器和電機控制器，實現優化控制策略。主控模塊通過 RS-232接口可以與監控計算機或者手持設備連接，實現所有單體電池的在線檢測、智能 控制以及現場故障檢測。 在整車應急充電模式下，為了充分獲得各單只電池的狀態，與現有充電模式不 同，充電設備還增加了通訊接口模塊，在充電過程中除了充電設備的動力線與動力電池 相連以外，充電設備的通信線與電池管理系統主控模塊連接，電池管理系統主控模塊通 過通訊接口模塊將充電過程所需的信息發送至充電設備，充電設備據此改變輸出電壓和 電流，確保電池組內所有電池的電壓、溫度和電流不超限，實現安全充電。
在快速更換模式下，為了充分獲得各單只電池的狀態，與現有充電模式不同， 充電設備還增加了通訊接口模塊，在充電過程中除了充電設備的動力線與動力電池相連 以外，充電設備的通信線與電池管理系統檢測模塊連接，檢測模塊會將充電過程所需的 信息發送至充電設備，充電設備據此改變輸出電壓和電流，確保電池組內所有電池的電 壓、溫度和電流不超限，實現安全充電。 圖2所示是電池管理系統主控模塊的結構圖。主控模塊包括主控模塊包括中央 處理器MCU1、和與中央處理器MCU1連接的電源變換模塊、指示燈、硬體看門狗、存 儲器、系統時鐘，中央處理器MCU1還通過隔離電路與絕緣檢測模塊、電流檢測模塊以 及CAN1、 CAN2、 CAN、 RS-485和RS-232五種通信接口模塊連接。
主控模塊是電池管理系統的控制中心，完成電池組工作電流和絕緣電阻的檢 測。車輛運行過程中，主控模塊通過內部總線(兼容CAN和RS-485)匯總所有電池數據， 並根據預先設定故障閾值進行數據分析和故障判斷，將處理結果通過CAN接口和RS-232 接口傳遞給整車控制器、車載儀表、監控計算機在線監控，實現所有單體電池的在線檢 測和智能控制。在整車應急充電過程中，主控模塊通過CAN與充電設備實現數據交互， 並根據電池的在線狀態實時調整充電設備的輸出電流，實現安全充電。充電過程所需的 信息包括有限制參數和當前狀態參數。其中限制參數包括電池組的最高允許充電電壓、 單體電池最高/低允許充電電壓、最高/低允許充電溫度和最大允許充電電流；當前狀態 參數包括電池組的端電壓、單體電壓最高/低電壓、最高/低溫度。 中央處理器MCU1通過隔離電路連接5個通信埠 、電流檢測輸入和絕緣檢測 輸入。通信埠中的CAN1模塊用於與整車控制器之間通信，將電池的剩餘容量、乘U餘 能量、實際容量、SOC、當前最大允許充放電電流、電壓和功率以及電池系統故障代碼 傳遞給整車控制器和電機控制器，CAN2模塊用於將單體電池電壓、溫度、電流、剩餘 電量、剩餘能量、SOC、絕緣電阻、車輛編號、電池編號、最高/低溫度及其位置、最高 /低電池電壓及其位置、電池系統故障代碼及位置、通信正常標誌等數據傳送到車載儀表 顯示。CAN模塊和RS-485模塊是主控模塊和測控模塊之間的通信接口，兩者可以任意選 擇。RS-232模塊用於與手持設備或PC上位機連接，實現現場調試和故障診斷等功能。
電流檢測模塊通過電流傳感器、分流器進行電流採樣，完成電流的測量和AH累 計，具有較高的測量精度，並作為SOC估算的基礎。 絕緣檢測模塊主要檢測動力電池與車底盤之間的絕緣電阻，電池管理系統上電 後，定時進行絕緣檢測，並按照國家電動汽車GS/T 18384.1-18384.3-2001相關標準對絕 緣進行分級。 電源變換利用車上的24V供電得到3路隔離電源，輸出電壓均為5V，第一路輸 出的功率最大，用於CPU供電；第二路供CAN使用；第三路輸出和另外兩路的隔離按 照4000VDC設計，供電流檢測使用。 指示燈電路包括電源指示燈(6個)和運行狀態指示燈(10個)，用於指示6路相互 隔離的電源以及系統運行狀態顯示，包括CPU、時鐘晶片、絕緣、工作電流、存儲器、 CAN、 CAN1、 CAN2、 RS-232和RS-485。 存儲器包括FM24C16(2K字節)和AT45DB041(512K字節)兩部分，其中 FM24C16記錄系統參數，AT45DB041記錄運行數據。 系統時鐘電路用於提供系統記錄數據的發生時間，也可用於自放電的處理。
圖3所示是檢測模塊的系統結構圖。檢測模塊包括檢測模塊包括中央處理器 MCU2、和連接在中央處理器MCU2的電源變換模塊、指示燈、硬體看門狗、存儲器， 中央處理器MCU2還通過隔離電路連接有溫度檢測模塊、電壓檢測模塊、熱管理以及 CAN、 RS-485和RS-232通信接口模塊。 每個檢測模塊設置多路電壓檢測通道，採用多路開關切換巡檢的方式，後級電 阻分壓，通過2> A ADC對電壓信號進行採樣。電壓檢測模塊具備區分MAX110損壞、 電壓極性、電壓溢出、斷線能力。 每個電池箱設置多個溫度測量點，分布於電池的總正、總負接插件、進風口和出風口以及電池的中部電池極柱上。通過數字溫度傳感器對以上溫度採樣點進行溫度 測量，並實施必要的熱管理。溫度檢測模塊具備編號查詢、丟失自檢、溫度超高檢測功 能。 檢測模塊中的電源變換與主控模塊中的相同，利用車上的24V供電得到3路隔
離電源，輸出電壓均為5V，第一路輸出的功率最大，用於CPU供電；第二路供CAN使
用；第三路輸出和另外兩路的隔離按照4000VDC設計，供電壓檢測使用。 指示燈電路包括電源指示燈(6個)和運行狀態指示燈(7個)，用於指示6路相互
隔離的電源以及系統運行狀態顯示，包括充電、電壓檢測、溫度檢測、通信、存儲器、
風扇和調試。 存儲器採用FM24C16(2K字節)，用於記錄系統參數。CAN總線和RS-485總線用做主控模塊和測控模塊之間的通信接口 ； RS-232接 口用於與手持設備進行通信，實現在快速更換模式下電池箱的參數設置和故障診斷。
熱管理電路可依據溫度檢測結果實施冷卻和加熱控制。 圖4是手持設備的系統結構圖。手持設備包括中央處理器MCU3、和連接在中 央處理器上的電源變換、顯示設備、硬體看門狗、存儲器，報警模塊以及鍵盤，電壓檢 測模塊通過隔離電路連接至中央處理器MCU3上，中央處理器MCU3通過RS-232通信 接口模塊與主控模塊、檢測模塊信息交互，手持設備的主要功能是在沒有24V電源的時 候，對電池管理系統檢測模塊進行調試和故障診斷，可以實現單箱電池電壓的採集、電 池管理測控模塊的參數設置、故障診斷、檢測模塊電壓精度校驗、數據讀取和轉儲。
手持設備包括中央處理器MCU3、電源變換、顯示、硬體看門狗、存儲器、電 壓檢測模塊、隔離電路、RS-232通信接口模塊以及報警模塊、鍵盤。
手持設備能夠設置的參數主要包括電池編碼信息、電池廠家信息、電池控制參 數、電池管理系統配置參數(如電池組編碼信息、電壓檢測通道數、溫度傳感器數量、最 高允許充電電壓、最低允許放電電壓、電池容量、電池廠家信息、電池管理系統廠家信 息、電池類型等)。 手持設備接入電池箱上的接插件後， 一方面通過電源變換電路從動力電池獲得 系統電源，並通過電壓檢測模塊檢測各單體電池的電壓；另一方面，通過RS-232總線從 檢測模塊獲取單體電池電壓數據，並將兩組數據進行比較判斷，在手持設備上顯示校驗 結果；當精度不能滿足技術指標要求時，啟動聲光報警，完成檢測模塊電壓精度校驗。
權利要求
一種純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於包括主控模塊、檢測模塊、監控計算機和車載電池組，所述主控模塊可以通過通信接口與車輛控制器、車載儀表以及充電設備通信，主控模塊將獲取的實時電池狀態、車載電池組的詳細信息傳輸到監控計算機、車輛控制器、車載儀表，所述檢測模塊、主控模塊還可將充電過程所需的信息發送至充電設備，實現充電過程的安全和優化，該電池管理系統通過集散式通信結構可實現車載運行模式、整車應急充電模式和快速更換模式三種工作模式。
2. 根據權利要求1所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於所述的主控模塊包括中央處理器MCU1、和與中央處理器MCU1連接的電源變換模塊、指示燈、硬 件看門狗、存儲器、系統時鐘，中央處理器MCU1還通過隔離電路與絕緣檢測模塊、電 流檢測模塊以及CAN1、 CAN2、 CAN、 RS-485和RS-232五種通信接口模塊連接。
3. 根據權利要求1所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於所述的檢測 模塊包括中央處理器MCU2、和連接在中央處理器MCU2的電源變換模塊、指示燈、硬 件看門狗、存儲器，中央處理器MCU2還通過隔離電路連接溫度檢測模塊、電壓檢測模 塊、熱管理以及CAN、 RS-485和RS-232通信接口模塊。
4. 根據權利要求2或3所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於 在車載運行模式下，主控模塊通過兼容CAN和RS-485的內部總線匯總所有車載電池組以及單體電池數據，並根據預先設定故障閾值進行數據分析和故障判斷，將包含有實 時的電池狀態、電池組的詳細信息的處理結果通過CAN接口和RS-232接口傳遞給整車控 制器、車載儀表、監控計算機，實現所有單體電池的在線檢測和智能控制；在整車應急充電過程中，充電設備的充電線連接到電動車輛的充電插頭上進行充 電，主控模塊通過CAN與充電設備實現數據交互，並根據電池的在線狀態實時調整充電 設備的輸出電流，實現安全充電；在快速更換模式下，電動車輛上的電池箱卸載到地面充電平臺中進行分箱充電，充 電設備的通信線連接至檢測模塊，在充電過程中充電設備與電池管理系統數據交互，實 現安全充電。
5. 根據權利要求4所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於所述的實時 的電池狀態包括有電池的剩餘容量、剩餘能量、實際容量、SOC、當前最大允許充放電 電流、電壓和功率以及電池系統故障代碼；所述的電池組的詳細信息包括有單體電池電壓、溫度、電流、剩餘電量、剩餘能 量、SOC、絕緣電阻、車輛編號、電池編號、最高/低溫度及其位置、最高/低電池電壓 及其位置、電池系統故障代碼及位置、通信正常標誌；所述的充電過程所需的信息包括有限制參數和當前狀態參數，其中限制參數包括電 池組的最高允許充電電壓、單體電池最高/低允許充電電壓、最高/低允許充電溫度和最 大允許充電電流；當前狀態參數包括電池組的端電壓、單體電壓最高/低電壓、最高/低 溫度。
6. 根據權利要求1所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於該電池管理 系統還配置有手持設備，手持設備包括中央處理器MCU3、和連接在中央處理器上的電 源變換模塊、顯示設備、硬體看門狗、存儲器，報警模塊以及鍵盤，電壓檢測模塊通過 隔離電路連接至中央處理器MCU3上，中央處理器MCU3通過RS-232通信接口模塊與主控模塊、檢測模塊信息交互，手持設備可以實現電池箱內單體電池電壓的採集、檢測模 塊的參數設置、故障診斷、電壓精度校驗、數據讀取和轉儲。
7. 根據權利要求6所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於所述的檢測 模塊的參數設置主要包括電池編碼信息、電池廠家信息、電池控制參數和電池管理系統 配置參數，電池管理系統配置參數包括電池組編碼信息、電壓檢測通道數、溫度傳感器 數量、最高允許充電電壓、最低允許放電電壓、電池容量、電池廠家信息、電池管理系 統廠家信息、電池類型。
8. 根據權利要求6所述的純電動公交車用電池管理系統，其特徵在於所述的電壓精度校驗為手持設備通過自身電壓檢測模塊檢測各單體電池的電壓；並通過RS-232總線 從檢測模塊獲取單體電池電壓數據，然後將兩組數據進行比較判斷進行檢測模塊電壓精 度校驗，並在手持設備上顯示檢測結果，當精度不能滿足技術指標要求時，啟動聲光報
全文摘要
本發明涉及電動汽車電池管理系統技術領域。一種純電動公交車用電池管理系統，具有車載運行、整車應急充電和快速更換3種工作模式，該系統主要包括主控模塊、檢測模塊、手持設備、監控計算機和車載電池組。電池管理系統能夠將獲取處理後的實時電池狀態、車載電池組的詳細信息傳遞給整車控制器、車載儀表、監控計算機在線監控；在整車應急充電和快速更換模式下，電池管理系統能夠與充電設備進行數據交互，實現安全充電。本系統還配置了手持設備，可以實現單箱電池電壓的採集及檢測模塊的調試和故障診斷。該電池管理系統系統通信功能強大，充電管理完善，輔助設備齊全，具有較高的安全性、可靠性和穩定性。
文檔編號G01R31/36GK101692583SQ200910192570
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月21日 優先權日2009年9月21日
發明者馮大明, 劉飛, 張維戈, 文鋒, 王佔國, 阮旭松 申請人:惠州市億能電子有限公司;北京交通大學