智能電動車電池管理系統的製作方法
2023-05-07 07:50:41
專利名稱：智能電動車電池管理系統的製作方法
技術領域：
智能電動車電池管理系統技術領域[0001]本實用新型涉及一種電動車電池系統，特別涉及智能電動車電池管理系統。
背景技術：
[0002]隨著電動汽車的發展，對作為動力的電池提出了更高的要求，即必須對電池(通常是電池組)的電壓、電流、溫度等進行管理。[0003]在本實用新型發明之前，針對鉛酸和鎳氫電池和鋰電池的電動車電池管理系統 (簡稱BMS)已經應用了。它存在著不具備數據存儲功能，不能將當前電池組的測量數據與之前電池的狀態和標準的電池狀態進行實時、動態的對比，從而判斷電池是否工作正常的缺陷，導致執行效率比較低，且缺少相應的故障處理功能。之前的電動車電池管理系統對於普通使用者來說缺少一個交互的信息平臺。發明內容[0004]本實用新型的目的就是要克服上述缺陷，設計一種智能電動車電池管理系統。[0005]本實用新型的技術方案是[0006]智能電動車電池管理系統，其主要技術特徵在於核心控制模塊經K總線連接N個電池數據採集模塊，核心控制模塊連接充電模塊、電池組監測模塊和觸控螢幕顯示系統；所述的核心控制模塊有資料庫管理模塊、電池組監測模塊、自檢控制模塊、異常控制模塊；所述的電池數據採集模塊包含有多個電池數據採集控制晶片；所述核心控制模塊接車身CAN總線至車載CAN總線設備；所述核心控制模塊採用usb接口或RJ45接口連接到計算機。[0007]本實用新型的優點和效果在於除了實現對電池的電壓、電流和溫度等數據進行採集、SOC估算、實時通信、均衡、絕緣監測等功能，還實時的檢測每一個電池單元的電壓、電流和溫度數據，並與資料庫中的各個特性的標準數據進行比較，建立動態的對比模型。如果採集的數據超過了資料庫中標準值的±X% (X為根據當前溫度和使用次數等數據計算得出)，則通過智能異常處理系統控制相應動作。每天對數據進行一次存儲，在對電池運行情況進行檢查時從資料庫中調出數據提供參考。由於採取了分層模式進行操作，核心控制模塊主要負責進行邏輯判斷，採集模塊負責數據採集，控制模塊負責電壓、電流和溫度的控制。同時通過總線模式與電池充電模塊進行通信智能控制電池組的放電和充電動作，並通過觸控螢幕的方式與使用者進行交互和報警。[0008]本實用新型的其他優點和效果將在下面繼續說明。
[0009]圖I-本實用新型整體系統框架示意圖。[0010]圖2——圖I中電池數據採集模塊的框架示意圖。[0011]圖3——圖2中電池監測總線的框架示意圖。[0012]圖4——圖I中電池管理系統核心控制模塊的框架示意圖。[0013]圖5——圖4中絕緣監測模塊功能示意圖。[0014]圖6——圖4中觸控螢幕示意圖。[0015]圖7——本實用新型中電池使用壽命曲線示意圖。
具體實施方式
[0016]
以下結合附圖對本實用新型作進一步描述[0017]如圖I所示[0018]本實用新型包括電池管理系統核心控制模塊(以下簡稱核心控制模塊)和電池數據採集模塊，核心控制模塊和電池數據採集模塊之間通過K總線進行通信，同時有N(N= 1，2.3...)個電池數據採集模塊連接到電池管理系統核心控制模塊，同時對N(N= 1,2,3...) 個電池組 進行電壓，電流，溫度和內阻的檢測。本發明採集MXN的電池陣列(M，N= 1,2,3...),這裡我們以一個6X 8的電池陣列為例，該電池陣列有8個電池組，每組有6節電池。 電池數據採集模塊分4個採集板，每塊採集板負責對2個電池組進行電壓、電流，溫度和內阻進行採集。[0019]如圖2、圖3所示[0020]電池數據採集模塊採用飛思卡爾的型號為MC9S08AW32的單片機作為電池數據採集控制晶片，對電池數據的採集和與電池管理系統核心控制模塊進行通信。電池數據採集模塊對單塊電池數據採集方法；電池監測總線將6塊電池的電壓，電流和溫度信息發送到電池數據採集模塊，通過電池數據採集模塊連接K總線，發送到電池管理系統核心控制模塊。電池監測總線是以DALLAS公司生產的電池監測晶片DS2438為核心構成電池監測總線模塊，通過增加隔離措施，將數據線由單線制改進為收、發兩線制，並採用輪詢方式與電池數據採集模塊進行通信，每一個光電隔離模塊都具有獨立的地址碼，其結構框圖如圖3所示。電池數據採集模塊的電池數據採集控制晶片向電池檢測總線發送一個地址碼，則與地址碼對應的電池檢測晶片將電壓、電流和溫度數據通過電池檢測總線發送到電池數據採集控制晶片。[0021]內阻測量採用交流壓降內阻測量法，通過給電池施加一個固定頻率和固定電流 (目前一般使用IKHZ頻率，50mA小電流)，然後對其電壓進行採樣，經過整流、濾波等一系列處理後通過運放電路計算出該電池的內阻值。[0022]電池數據採集控制晶片將由電池檢測總線採集的電池電壓、電流、溫度和內阻數據存儲在特定存儲區中，當電池數據採集模塊從K總線接收到電池管理系統核心控制模塊的查詢命令，則將存儲在特定存儲區中的電池參數信息通過K總線發送到電池管理系統核心控制模塊。[0023]核心控制模塊主要負責實時的對4個電池數據採集模塊通過K總線發送來的電池參數信息數據進行匯總分析，通過一個輕量級快速MySQL資料庫，存儲這些信息，並和資料庫中的標準數據進行對比實時判斷電池是否工作正常，通過車身CAN總線與整車系統即車載CAN總線設備進行通信(CAN為CONTROLLER AREANETffORK的縮寫，指控制器局部網)，智能控制充電機工作；主控晶片採用ARM9系列微處理器，移植適體剪裁的嵌入式Linux系統。[0024]如圖4所示[0025]電池管理系統核心控制模塊主要分為電池組檢測模塊、自檢控制模塊、觸控螢幕顯示模塊、SOC估測模塊、通信模塊、異常控制模塊和資料庫管理模塊。[0026]如圖5所示[0027]電池組監測模塊分為電池組參數採集ADC模塊(ADC為Analog-to-Digital Converter的縮寫，指模/數轉換器或者模擬/數字轉換器)和絕緣監測模塊。電池組參數採集ADC模塊通過ADC轉換電路獲取每列電池組上電壓、電流和溫度值，並將這些數據送到自檢控制模塊和資料庫管理模塊。通過測量電動汽車直流母線與電底盤之間的電壓，通過計算得到系統的絕緣電阻值來衡量電動車的絕緣情況。高壓絕緣系統原理框。[0028]設計動汽車的直流系統電壓(即電池總電壓)為U，待測的正、負母線與電底盤之間的絕緣電阻分別為Rp、Rn,正、負母線與電底盤之間的電壓分別為Up、Un，則待測直流系統的等效模型，圖中的虛線框內所示。圖中Rcl、Rc2，為測量用的已知阻值的標準電阻。測量原理為當開關S1、S2全部斷開時，測量正、負母線與電底盤之間的電壓分別為up、un由電路定律得到公式I。TT POTT NO[0029]^ = V公式 I[0030]當開關SI閉合、S2斷開時，則在正母線與電底盤之間加入了標準偏置電阻尺測量正、負母線與電底盤之間的電壓分別為Upp、Unp同樣得到公式2。[0031]^公式 2[0032]由上述式聯合求解得到公式3和公式4。[0033]I公式 3\ U PQ * U pp J[0034]Rn = RjUpa*Ur.NP -二 N° *Upp W 4VuPO u pp)[0035]同樣，絕緣電阻在以下兩種情況也得到[0036](I) SI、S2全部斷開和SI斷開、S2閉合；[0037](2) SI閉合、S2斷開和SI斷開、S2閉合。[0038]由上述計算公式得到絕緣電阻Rp或Rn，並發送到自檢控制模塊。[0039]如圖4所示[0040]SOC估測模塊負責檢測電池組荷電狀態(State of Charge)，即電池剩餘電量。SOC 估測模塊通過接收電池數據採集模塊檢測的電池電壓、電流和溫度等參數，採用安時法對電池的SOC進行估測，通過對電流積分的方法記錄從蓄電池輸出的能量或者輸入蓄電池的能量，再根據充放電的起始SOC狀態，並在算法中考慮對電池的溫度補償、自放電和老化等多方面因素，對電池SOC值進行估算。並將電池的剩餘電量發送到觸控螢幕驅動模塊，使電池的剩餘電量顯示在屏幕上。[0041]自檢控制模塊負責檢測資料庫中的通過K總線實時接收的各個電池單元的數據， 同時接收電池組參數採集ADC模塊和絕緣監測模塊採集的參數數據，然後將這些數據與資料庫中的標準數據進行實時、動態的對比，並建立動態的分析模型，判斷出是否有過壓、過流、溫度過高和電池組漏電等異常。如果出現異常，則自檢控制模塊發出故障信號到異常控制模塊，使相應的故障保護裝置工作。自檢控制模塊將這些異常的故障代碼存儲到資料庫中。自檢控制模塊通過發送信號到觸控螢幕驅動模塊，將錯誤信息顯示在觸控螢幕的屏幕上，告知駕駛者，詳細描述見觸控螢幕顯示模塊。[0042]異常控制模塊實現自動充電控制，均衡充電，過流、過壓、過溫保護和碰撞保護功能。異常控制模塊接收自檢控制模塊發送的異常操作命令並進行相應的保護措施。其中自動充電控制和均衡充電功能實現在充電過程中，自檢控制模塊檢測充電電壓、電流和溫度等數據，如果發現過壓、過流和過溫等信號，將錯誤信號發送到異常控制模塊，對充電模塊的充電電壓或電流進行調節，對電池組的充電進行監控和保護。過流、過壓、過溫保護功能在電池組放電過程中發現電壓，電流或者溫度過高時，能自動斷開出現故障的電池組或調節電池組的輸出功率等操作，達到保護電源和運行安全。碰撞保護功能用於在電動汽車在發生事故時及時斷開整個電池組，防止因電池組出現意外事故。[0043]系統數據管理模塊是在嵌入式Linux系統中，使用輕量級快速的小型關係型資料庫管理系統MySQL。電池數據採集模塊通過K線將8列電池組每個電池單元的電壓、電流、 溫度等數據發送到電池管理系統核心控制模塊，並將數據存儲在MySQL資料庫中；存儲每列電池組的電壓，電流和溫度數據，記錄電池的總體使用情況，為以後的電池檢查維護提供參考；存儲SOC估測模塊每次估測的數據；存儲每次自檢控制模塊發現故障的錯誤代碼信息；記錄每次衝電和放點的次數；記錄每次過衝或過放的次數和原因。[0044]通信模塊包括CAN總線通信，K總線通信，USB通信和RJ45通信。其中CAN總線實現其他車載設備之間通信。K總線通信實現接收電池數據採集模塊採集電池組的電壓，電流，溫度和內阻數據的功能。管理端的數據通信。USB通信和RJ45通信實現與計算機電池管理軟體進行通信。[0045]計算機控制軟體實現使用USB或者RJ45等接口與計算機進行通信，通過自主研發的專用軟體系統實現人機互動功能。計算機控制軟體讀取電池管理系統核心控制模塊的資料庫中存儲的電池信息(包括電池性能的所有參數)和故障代碼等參數，並對其進行數據備份。同時通過USB或RJ45通信方式將對充放電時間、充電電壓、報警電壓等參數的設置發送到電池管理系統核心控制模塊。計算機軟體軟體採用VC編程設計友好的人機界面，可以實現設置系統運行的各種參數；實現電池組數據的監控、數據轉儲和電池性能分析等功能; 顯示報警信息，顯示有問題的電池在電池組中的位置信息。在計算機軟體中輸入要設置的參數，點擊設置後，參數通過USB通信或是RJ45通信發送至電池管理核心控制模塊；讀取電池管理系統核心控制模塊的資料庫中電池參數信息並在動態檢測模塊中顯示出來。[0046]計算機控制軟體根據電池管理核心控制模塊的資料庫中的電池歷史數據，對電池的性能進行分析，包括電池健康狀態和快充和慢充對電池狀態的影響。[0047]如圖I、圖6所示[0048]觸控螢幕顯示模塊通過接收自檢控制模塊發送的電池的狀態信息和SOC估測模塊的電池電量信息，將這些數據通過圖形界面的反映在顯示屏幕上，通過聲光等方式將電池組的信息告知給駕駛者。在當SOC估測模塊檢測到電池電量不足時，SOC檢測模塊發送電量不足信息發送到自檢控制模塊，自檢控制模塊根據算法計算剩餘電量和行駛的裡程數，並發送信息到觸控螢幕驅動模塊，在觸控螢幕上顯示出來(通過文字和閃爍剩餘電量的提示條)。 當所有工作正常的電池單元都被標記為「綠色」，如果自檢控制模塊接收到一個或一組電池出現異常或故障信息，則在屏幕上顯示出來通過「黃色」表示電池狀態異常；「紅色」表示電池運行故障。[0049]如圖7所示[0050]電池健康狀態實現對計算每個電池組或電池單元在不同使用次數是的SOC值，參考廠家給出的標準值判定一個電池或電池組工作的好壞。3號曲線為提供的標準狀態曲線， 假設當電池容量降低到15%時，也就是使用大概15到16百次的時候該電池需要更換了。 如果電池在運行了 15或16百次的容量指示線保持在最低電池合格容量線(即2號曲線部分)則認為該電池組或電池單元為合格的電池。如果同一批電池的容量指示線都低於廠家公布的標準容量指示線，則通過使用本系統的學習功能，重新標定標準電池容量指示線和最低電池合格容量指示線。如果關閉本發明的智能控制功能，經過試驗電池的健康狀態曲線明顯低於標準電池健康曲線，如I號曲線所示。[0051 ] 本實用新型的應用過程說明。[0052]如圖I所示[0053]電池數據採集模塊實時檢測電池的電壓，電流和溫度值，並將其送到電池管理系統核心控制模塊中與資料庫中的溫度標準值進行對比，並通過核心控制模塊自動對電池組進行檢測和保護。[0054]如圖2、圖3和圖4所示[0055]如果電壓值超過設定的標準值範圍，則首先降低電動車行駛的速度，以降低電池組的輸出功率。發送命令道電池數據採集模塊，使其檢測電池組的每個電池單元的電壓、電流值，將電池數據採集模塊檢測的電流、電壓值發送到電池管理系統核心控制模塊與資料庫中的設定值對比。如果超出設定值的範圍，則發送信號到異常控制模塊，使過壓、過流保護裝置工作，將出現問題的電池單元從電池組中斷路，將其隔離。[0056]如果電池出現溫度過高時，首先降低電池組的輸出功率，並啟動電池散熱裝置。發送命令到電池數據採集模塊，使其分別採集每一個電池單元的溫度數據，並將所有溫度數據發送到電池管理系統核心控制模塊與資料庫中的溫度標準值進行對比。當電池數據採集模塊檢測的溫度已經高於設定值時，則發送信號到異常控制模塊，使過溫保護裝置動作，將問題電池單元從電池組中斷開。[0057]如果內阻出現異常時，則發送命令到電池數據採集模塊，使其分別採集每一個電池單元的電壓，電流數據，計算出內阻值並發送到電池管理系統核心控制模塊與資料庫中的溫度標準值進行對比。當內阻值的大小高於設定值時，則發送信號到異常控制模塊，使內阻異常保護模塊工作，將電池與電池組進行隔離。[0058]如圖4所示[0059]電池組監測模塊將電池組參數採集ADC模塊採集的電池組每列電池的電壓，電流和溫度等數據發送到自檢控制模塊進行邏輯判斷，之後自檢控制模塊發送信號到異常控制模塊，如果電池組出現過壓、過流和過溫情況，則使用過壓、過流、過溫保護裝置控制和保護電池組工作狀態。[0060]資料庫管理模塊實時存儲通過K線發送來的電壓、電流、內阻和溫度數據。SOC估測模塊讀取資料庫管理模塊中的這些數據，將SOC值的計算結果發送到自檢控制模塊並將結果存儲在資料庫管理模塊中。資料庫管理模塊記錄每次自檢控制模塊發現異常的信息， 可以在通過USB或RJ45接口與計算機進行通信。[0061]如圖5所示[0062]電池組監測模塊中的絕緣監測模塊採集檢測電池組的絕緣情況，如果自檢控制模塊比較電池組監測模塊發送的絕緣數據異常，則發送異常信號到異常控制模塊，使斷開電池組的裝置動作，斷開整個電池組。[0063]如圖6所示[0064]觸控螢幕驅動模塊將出現問題的電池單元在觸控螢幕上顯示為黃色，並發出聲音提示駕駛者關注電池出現的故障。如果該電池單元無電壓和電流輸出，則直接標記為紅色。
權利要求1.智能電動車電池管理系統，其特徵在於核心控制模塊經K總線連接N個電池數據採集模塊，核心控制模塊連接充電模塊、電池組監測模塊和觸控螢幕顯示系統；所述的核心控制模塊有資料庫管理模塊、電池組監測模塊、自檢控制模塊、異常控制模塊；所述的電池數據採集模塊包含有多個電池數據採集控制晶片；所述核心控制模塊接車身CAN總線至車載 CAN總線設備；所述核心控制模塊採用usb接口或RJ45接口連接到計算機。
2.根據權利要求I所述的智能電動車電池管理系統，其特徵在於分為電池管理系統核心控制模塊和電池數據採集模塊；所述電池管理系統核心控制模塊與電池數據採集模塊採用K總線連接。
3.根據權利要求I所述的智能電動車電池管理系統，其特徵在於電池組監測模塊中有絕緣監測模塊和電池組參數採集ADC模塊；所述絕緣監測模塊與電池組絕緣模塊連接；所述電池組參數採集ADC模塊與電池組參數採集模塊連接。
4.根據權利要求I所述的智能電動車電池管理系統，其特徵在於核心控制模塊連接觸控螢幕顯示系統；所述觸控螢幕顯示系統與觸控螢幕連接。
5.根據權利要求I所述的一種智能電動車電池管理系統，其特徵在於核心控制模塊中的有異常控制模塊、SOC估測模塊；所述異常控制模塊連接充電模塊、斷開問題電路模塊和斷開電池組模塊；所述的SOC估測模塊連接自檢控制模塊和資料庫管理模塊。
6.根據權利要求I所述的智能電動車電池管理系統，其特徵在於核心控制模塊中的資料庫管理模塊有小型MySQL資料庫；所述小型MySQL資料庫與K總線、SOC估測模塊，USB通信模塊和RJ45通信模塊連接；所述的資料庫存放標準數據，所述的MySQL資料庫存放監測到的電池數據。
7.根據權利要求5所述的電池管理系統核心控制模塊，其特徵在於有自檢控制模塊; 所述自檢控制模塊連接CAN通信模塊、觸控螢幕驅動模塊、異常控制模塊和資料庫管理模塊。
8.根據權利要求3所述的智能電動車電池管理系統，其特徵在於絕緣監測模塊中絕緣電阻測量模塊是正、負母線與電底盤之間的絕緣電阻分別為Rp、Rn，Rp、Rn兩端分別經開關 S1、S2 並聯 Rcl、Rc2。
專利摘要本實用新型涉及智能電動車電池管理系統。核心控制模塊經K總線連接N個電池數據採集模塊，且連接充電模塊、電池組監測模塊和觸控螢幕顯示系統；包括資料庫管理模塊、電池組監測模塊、自檢控制模塊、異常控制模塊；電池數據採集模塊有多個電池數據採集控制晶片；核心控制模塊採用usb接口接口連接到計算機。本實用新型解決了過去無法進行實時、動態的對比，缺少相應的故障處理功能及缺少交互信息平臺等缺陷。本實用新型實現對電池的電壓、電流和溫度等數據採集、SOC估算、通信、均衡、絕緣監測，與資料庫中各個標準數據進行比較，建立動態的對比模型，採取分層模式進行，控制模塊負責電壓、電流和溫度，通過觸控螢幕與使用者進行交互和報警。
文檔編號B60L11/18GK202749476SQ20112051058
公開日2013年2月20日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年2月25日
發明者周劍明, 時慶春, 周海峰, 趙超 申請人:南京華博科技有限公司