可擴展的混合式電池管理系統的制作方法
【專利摘要】本發明提出一種可擴展的混合式電池管理系統，包括主處理單元以及可擴展子單元；所述主處理單元與所述可擴展子單元之間，以及相鄰可擴展子單元之間，通過菊花鏈通訊方式連接；所述可擴展子單元采集當前電芯模組的電壓、溫度、執行均衡功能以及故障診斷功能，并通過菊花鏈通訊方式將當前管理的電芯模組信息傳輸至所述主處理單元；所述主處理單元根據所有電芯模組的電壓、電流、溫度以及系統故障信息，運行預先設定好的系統策略并與外部設備進行通訊。本發明中提供的可擴展的混合式電池管理系統，通過對電芯模組電壓、溫度、電流以及系統故障信息進行監測與管理，保證電芯模組工作正常，具有可擴展性高、維護性高、可靠性高的優點。
【專利說明】
可擴展的混合式電池管理系統
技術領域
[0001]本發明涉及電池管理系統技術領域，特別涉及一種可擴展的混合式電池管理系統。
【背景技術】
[0002]電池管理系統是電芯模組的重要組成部分之一，它用于管理電池模組的電壓、溫度、電流等信息，并管理電芯模組的充放電過程以及與控制器、充電機、儀表、UPS等外部設備進行通訊交換，以便更好更合適的監控管理電池狀態。
[0003]在動力電芯模組中，受限于方案成本與可擴展性的影響，BMS(電池管理系統)可分為集中式BMS與分布式BMS等兩種架構。
[0004]對于集中式BMS，其成本低廉、控制簡單;但是其存在可擴展性差、維護性差、維護成本高、可靠性低等問題。比如如果客戶需求變更，對于電芯的采樣串數增加或減少，就需要對客戶需求進行定制開發，造成整個BMS方案的可擴展性差；由于電芯的電壓采樣、回路電流、回路控制、策略執行與運算單元高度集成，造成如果系統中有部分模塊功能異常時，就需要對BMS整個進行維護與更換，造成其維護性較差以及維護成本高等相關問題。而且由于系統中所有的線束都會匯聚到BMS單元，就會提高系統的布線復雜度，特別是高壓線束與低壓線束的處理以及線間串擾等問題，與此就會帶來系統可靠性的降低的問題。
[0005]與此同時，分布式BMS雖然能解決上述問題，但是分布式BMS存在成本高昂、控制管理復雜等問題，給生產管理與維護等帶來新的問題。在分布式BMS中，系統架構根據系統功能的不同可以分為S⑶(從控管理單元)、MCU(主控管理單元)、HV⑶(高壓管理單元)以及CSU(電流傳感器單元)以及其他可擴展性單元等。根據系統功能的劃分，系統存在多個模塊，每個模塊中均會存在子單元的功能重復，造成系統比較臃腫冗余，提高系統成本以及控制管理復雜度等;并且在生產中，由于存在多個SCU的問題，又會帶來SCU編寫地址復雜問題，提高生產管理投入等問題。
[0006]隨著BMS行業的日益發展，BMS技術的日漸成熟，對于BMS的開發投入成本以及物料成本越來越敏感，而對于BMS的可擴展性、穩定性要求會越來越高。特別是在儲能BMS、48V啟停BMS以及車用低壓BMS等領域。從實現BMS功能的角度來看，并沒有不可逾越的技術門檻；但從實際使用的角度來看，BMS產品的難點集中在低成本、高可靠性、高可擴展性、高可維護性等方面，而集中式管理系統和分布式管理系統都沒能很好的解決這些問題。

【發明內容】

[0007]本發明的主要目的為提供一種可擴展的混合式電池管理系統，可通過對電芯模組的電壓、溫度、電流與故障信息進行監測與管理，保證電芯模組工作正常，具有可擴展性高、維護性高、可靠性高的優點。
[0008]本發明提出一種可擴展的混合式電池管理系統，與電芯模組連接，用于管理電芯模組的使用過程，包括主處理單元以及可擴展子單元;所述主處理單元與所述可擴展子單元之間，以及相鄰可擴展子單元之間，通過菊花鏈通訊方式連接;所述可擴展子單元采集當前電芯模組的電壓、溫度、執行均衡功能以及故障診斷功能，并通過菊花鏈通訊方式將當前管理的電芯模組信息傳輸至所述主處理單元;所述主處理單元根據所有電芯模組的電壓、電流、溫度以及系統故障信息，運行預先設定好的系統策略并與外部設備進行通訊。
[0009]進一步地，所述主處理單元包括采樣芯片、通訊轉換芯片、主控管理單元以及系統基礎芯片，所述采樣芯片、通訊轉換芯片、主控管理單元以及系統基礎芯片依次連接，所述采樣芯片通過采樣端連接電芯模組采集電芯模組的電壓、溫度信息通過菊花鏈連接的通訊轉換芯片傳輸至主控管理單元，所述主控管理單元通過系統基礎芯片中的通訊模塊將電池系統信息傳輸至外部設備中。
[0010]進一步地，所述采樣芯片上集成有電壓采樣單元、模/數轉換單元、溫度采樣單元、均衡控制單元、電流采樣單元以及通訊轉換單元。
[0011]進一步地，所述采樣芯片上還集成有內部診斷單元以及電壓、溫度閾值報警單元。
[0012]進一步地，所述采樣芯片與所述主控管理單元之間通過通訊轉換芯片連接，所述通訊轉換芯片將菊花鏈通訊方式轉換成SPI通訊方式，菊花鏈通訊端與采樣芯片連接，而SPI通訊端則與主控管理單元連接。
[0013]進一步地，所述主控管理單元中集成有多種接口，用于協調電池管理系統內部的各個功能單元，包括CAN通訊接口、SPI通訊接口、I2C通訊接口、Sig信號接口、I/O驅動接口以及診斷接口中的一種或多種；
[0014]所述主控管理單元控制所述絕緣監測模塊，獲取當前系統絕緣狀況;所述主控管理單元通過1接口連接并控制風扇轉速控制、轉速檢測以及風扇電源控制；
[0015]所述主控管理單元通過I2C通訊連接RTC+EER0M，存儲系統異常信息、SOC值以及提供實時時鐘，記錄信息參考時刻;所述主控管理單元還包括對高壓端進行管理與控制，并控制與外接功能模塊的通訊以及信號管理。
[0016]進一步地，所述系統基礎芯片上集成有電源模塊、SPI接口、CAN通訊模塊以及看門狗模塊。
[0017]進一步地，所述主處理單元還包括預充回路以及接觸器驅動電路，所述預充回路為電池模組預充電并與接觸器驅動電路并聯連接，所述接觸器驅動電路連接并受控于所述主控管理單元。
[0018]進一步地，所述可擴展子單元通過菊花鏈通訊方式連接與其相鄰的單元并可根據具體設計需求進行可擴展子單元間多級級聯。
[0019]本發明中提供的可擴展的混合式電池管理系統，具有以下有益效果:
[0020]本發明中提供的可擴展的混合式電池管理系統，可對所有電芯模組的電壓、溫度、電流、故障信息進行監控與管理，并可根據實際應用進行擴展;主處理單元與可擴展子單元之間，以及相鄰可擴展子單元之間，通過菊花鏈通訊方式連接，可擴展子單元可根據需要進行多級級聯，既能增強通訊的可靠性，又能減少系統線束的復雜度與線束成本，降低系統成本，提高系統魯棒性，提高可擴展性，增強了系統通訊的可靠性;主處理單元與可擴展子單元均采用集成芯片方案，降低系統的復雜度，降低系統元器件的多樣性，提高可靠性并降低硬件成本；電芯模組電壓的采樣與回路電流的采樣基于采樣芯片完成，可以確保電芯模組電壓采樣與回路電流采樣同步;采樣芯片與主控管理單元之間通過通訊轉換芯片連接進行隔離通訊處理，可以降低復雜工況下的地環路對通訊相關信號的影響，提高系統通訊的可靠性；主處理單元中還集成有預充管理、回路接觸器驅動管理、風扇驅動、實時故障存儲管理、絕緣檢測、系統策略運算與執行、系統故障診斷、高壓管理以及與外部設備的通訊管理與信號管理功能中的一種或多種，這樣可以增強系統的可擴展性與實用性。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發明一實施例中可擴展的混合式電池管理系統結構示意圖；
[0022]圖2是本發明一實施例中主處理單元結構示意圖；
[0023]圖3是本發明一實施例中可擴展子單元結構示意圖。
[0024]本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。
【具體實施方式】
[0025]應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0026]參照圖1，為本發明一實施例中可擴展的混合式電池管理系統結構示意圖。
[0027]本發明一實施例中提出一種可擴展的混合式電池管理系統，與多個或者一個電芯模組40連接，用于監控電芯模組40的狀態信息并管理電芯模組40的使用過程。其包含有一個主處理單元10與零個或者多個(多個包含一個)可擴展子單元20。可擴展子單元20的數量可以根據實際使用條件進行增減，并根據系統配置選取合適的數目。主處理單元10與可擴展子單元20之間，或者可擴展子單元20與可擴展子單元20之間采用菊花鏈通訊連接方式。上述可擴展子單元20通過菊花鏈的通訊方式將電芯模組的電壓、溫度以及故障信息傳輸到主處理單元10中，主處理單元10根據預先設定的邏輯策略執行相關對電芯模組的安全操作。
[0028]上述可擴展的混合式電池管理系統可根據實際應用選用零個或以上數目的可擴展子單元20進行級聯連接使用，第一個可擴展子單元20與主處理單元10通過菊花鏈變壓器隔離通訊方式連接，而其他的可擴展子單元20之間依次通過菊花鏈變壓器隔離通訊方式連接。菊花鏈通訊連接方式采用雙線雙絞差分通訊，通訊模式為半雙工模式，采用此種菊花鏈變壓器隔離通訊方式，既能增強主處理單元10與可擴展子單元20、可擴展子單元20與可擴展子單元20之間通訊的可靠性與穩定性，又能減少系統線束的復雜度，降低系統成本，提高系統魯棒性;同時還具備可擴展性高、可維護性高、可靠性高的特點。
[0029]進一步地，參照圖3，為本發明一實施例中可擴展子單元結構示意圖。
[0030]上述可擴展子單元20包括采樣芯片100以及通訊隔離變壓器200兩個主要部分，上述可擴展子單元20完成當前電芯模組40電壓、溫度采集以及電芯均衡與芯片診斷功能；采樣芯片100通過芯片采樣端連接電芯模組40，并對電芯模組40的電壓、溫度進行采集以及完成采樣芯片的故障診斷與電芯模組40的電壓均衡等操作。采樣芯片100中包括電壓采樣單元、模/數轉換單元、溫度采樣單元、均衡控制單元、電流采樣單元、通訊轉換單元以及芯片內部故障診斷，在可擴展子單元20中由于不涉及到主回路電流的采集，因此關于電流采集單元功能將不會用到?？蓴U展子單元20通過內部通訊轉換單元采用通訊隔離便器200的菊花鏈通訊方式連接到相鄰可擴展子單元20或者主處理單元10中。
[0031]菊花鏈通訊物理連接采用雙線雙絞差分通訊線，通訊模式為半雙工模式。采用菊花鏈雙絞差分通訊，既能增強板級之間通訊的可靠性，又能減少連接線束的復雜性、降低系統成本、提高系統魯棒性;同時還具有可擴展性高、維護性高、可靠性高等特點。
[0032]可擴展子單元20通過菊花鏈通訊方式將當前管理的電芯模組信息以及芯片故障信息傳輸到上述主處理單元10;上述主處理單元10根據所有電芯模組的電壓、溫度與系統故障信息，運行預先設定好系統策略并與外部設備進行通訊，以便對所有電芯模組進行管理，與此同時，可擴展子單元20還可以通過主處理單元發送過來的均衡指令區完成對電芯模組40的電壓均衡操作。
[0033]進一步地，參照圖2，為本發明一實施例中主處理單元10結構示意圖。其中實線部分為主處理單元10，虛線部分為可擴展子單元20擴展級聯示意圖。
[0034]上述主處理單元10包括采樣芯片100、通訊轉換芯片103、主控管理單元101以及系統基礎芯片102;上述主處理單元10完成與可擴展子單元20的通訊管理與策略控制;部分電芯模組的電壓、溫度采集以及均衡管理；回路電流采集、菊花鏈通訊轉SPI通訊控制、預充管理、回路接觸器驅動管理、風扇驅動、系統電源管理、實時故障存儲管理、絕緣檢測、系統策略運算與執行、系統故障診斷、高壓管理以及與外部設備的通訊管理與信號管理等操作;上述采樣芯片100、通訊轉換芯片103、主控管理單元101以及系統基礎芯片102依次連接。
[0035]采樣芯片100通過芯片采樣端連接電芯模組40，對電芯模組40的電壓、溫度進行采集以及完成采樣芯片的故障診斷與電芯模組40的電壓均衡等操作。上述主處理單元10與上述可擴展子單元之間通過菊花鏈通訊變壓器隔離方式進行通訊連接。所有級聯中的可擴展子單元20將電芯模組電壓、溫度以及芯片故障信息通過通訊轉換芯片傳輸到主處理單元10中的主控管理單元101中。采樣芯片100中包括電壓采樣單元、模/數轉換單元、溫度采樣單元、均衡控制單元、電流采樣單元、通訊轉換單元、內部診斷單元以及電壓、溫度閾值報警單元，主處理單元10中的采樣芯片100還用于采集主回路的電流信息，采用如此處理方式，可以利用集成芯片的特性保證系統電壓與電流數據的同時性，提高系統策略執行的高效與可靠。采用集成芯片解決方案，既可以提高系統的集成度，降低系統的復雜度、硬件成本，也可以提高系統的可靠性與健壯性。
[0036]進一步地，采樣芯片100中的電壓采樣單元完成電芯模組電壓的采集、模/數轉換單元完成電芯模組溫度采集或者其他電壓信號的采集、均衡控制單元執行電壓被動均衡、電流采集單元用來采集主回路電流、同時采樣芯片100內部還集成有內部故障診斷單元。采樣芯片100通過其內部通訊轉換單元，將電芯模組電壓、溫度、故障信息以菊花鏈通訊方式傳輸到主處理單元10中。
[0037]通訊轉換芯片103將菊花鏈通訊方式轉換成SPI通訊方式，菊花鏈通訊端與采樣芯片100連接，中間利用變壓器進行隔離，而SPI通訊端則與主控管理單元101連接。采樣芯片100與主控管理單元101之間采用變壓器隔離的通訊方式處理，可以避免系統在回路電流較大時引起的地偏移造成系統芯片損壞，還可以降低復雜工況下地環路以及外部環境對通訊的干擾問題，提高系統的通訊可靠性。
[0038]系統基礎芯片102集成有電源管理、硬件看門狗、CAN通訊模塊、SPI通訊以及硬件信號管理等功能。在本實施例中，系統采用系統集成芯片102完成系統電源管理，并通過硬件看門狗防止軟件異常對主控制單元進行硬件復位，防止系統進入死機異常狀態;CAN通訊模塊用于主處理單元10與控制器、充電機、儀表、UPS等設備的通訊連接，SPI通訊則能保證系統基礎芯片102與主控管理單元101的通訊，保證主控制單元101能夠正常監控系統基礎芯片102的狀態。主控管理單元101通過與系統基礎芯片102中的CAN通訊部分與外部設備進行通訊，可向電子控制單元實時上報電芯模組40的相關電壓、電流、溫度、診斷等信息。外部設備再根據預先設定好的系統策略對電池管理系統進行間接監控管路，并由主控管理單元101完成。
[0039]進一步地，上述主控管理單元101需要完成通訊管理與策略控制、預充管理、回路接觸器驅動管理、風扇驅動、實時故障存儲管理、絕緣檢測、系統策略運算與執行、系統故障診斷、高壓管理以及與外部模塊的通訊管理與信號管理。本實施例中集成了大量的功能模塊，如此處理既可以兼顧大部分客戶的需求，也可以增強系統可靠性與實用性。
[0040]本實施例中，主控管理單元101集成有各種接口，用于協調電池管理系統內部的各個功能單元，如CAN通訊接口、SPI通訊接口、I2C通訊接口、Sig信號接口、I/O驅動接口以及診斷接口中的一種或多種。
[0041]上述主控管理單元101控制上述絕緣監測模塊，實時獲取當前系統絕緣狀況;主處理單元中風扇管理部分完成系統電芯模組依靠風冷散熱與加熱時，主控管理單元101通過1接口連接并控制風扇轉速控制、轉速檢測以及風扇電源控制
[0042]進一步地，上述主控管理單元101通過I2C通訊連接RTC與EEROM ATC為系統提供實時時鐘信息，為系統的故障信息提供參考時間以及為SOC的估算提供時基；而EEROM則用于系統故障信息以及SOC信息存儲。
[0043]進一步地，上述主處理單元10還包括預充回路，接觸器驅動電路。預充回路用于實現放電接觸器閉合前的預充電過程，預充回路受主控管理單元101控制。預充回路為電池模組預充電并與接觸器驅動電路并聯連接，與此同時，主控管理單元101還能控制接觸器驅動電路(包括圖2中的relay控制)，當處于放電模式且預充完成后，主控管理單元101通過控制接觸器驅動電路控制放電接觸器閉合，當系統不適宜放電時，其再通過控制接觸器驅動電路控制放電接觸器斷開。同理，在充電過程中，主控管理單元101通過控制接觸器驅動電路控制充電接觸器閉合與斷開。在其他應用場合，根據需要主控制單元101通過控制接觸器驅動電路控制相關接觸器的閉合與斷開。
[0044]本發明實施例中的主處理單元10，可作為一個獨立電池管理系統，不用擴展可擴展子單元20，可以用做于14串電池模組電池管理系統，通過CAN線以及硬件信號線與外部控制單元(例如ECU，電子控制單元)進行正常通訊，實時上報電芯模組的相關電壓、電流、溫度、診斷等信息。外部控制單元根據主處理單元10提供的當前電芯模組40的相關狀態信息，按照預先設定的策略進行相關管理控制，并通過CAN線通訊告知主控管理模塊101執行相關操作。
[0045]本實施例中的主處理單元10在系統上電后的初始狀態，通過主控管理模塊101向其他模塊發送診斷指令，進行系統的故障自檢診斷。若診斷出系統存在異常，則上報相關異常信息到外部控制單元;若無異常，則上報正常信息到外部控制單元。外部控制單元則根據預先設定的策略發送相關的處理指令到主處理單元10，主處理單元10則執行相關策略。
[0046]在一具體實施例中，汽車起步時，48V啟停系統能增強加速性能，在很短的時間內(通常為0.1s?0.2s)將內燃機加速到超過怠速轉速，然后內燃機開始點火，發動機無怠速工況。
[0047]在48V電池系統中，線控技術、行駛平順性控制裝置、電子加熱式催化器和電磁閥系統、主動懸掛和電動四輪輔助驅動裝置都能更有效使用，為車輛結構改進提供更大的可能性。
[0048]綜上所述，為本發明實施例中提供的可擴展的混合式電池管理系統，可對電芯模組40的信息進行采集與管理，可根據實際應用進行擴展;主處理單元10與可擴展子單元20之間，以及相鄰可擴展子單元20之間，通過菊花鏈通訊方式連接，可擴展子單元20可根據需要進行多級級聯，既能增強通訊的可靠性，又能減少系統線束的復雜度與線束成本，降低系統成本，提高系統魯棒性，增強了系統通訊的可靠性;采樣芯片100、主控管理單元101以及系統基礎芯片102上均集成大量芯片，降低系統的復雜度，降低系統元器件的多樣性，提高可靠性并降低硬件成本；電芯模組40電壓的采樣與回路電流的采樣基于采樣芯片完成，可以確保電芯模組40電壓采樣與回路電流采樣同步;采樣芯片100與主控管理單元101之間通過通訊轉換芯片103連接進行隔離通訊處理，可以降低復雜工況下的地環路對通訊相關信號的影響，提高系統通訊的可靠性;主控管理單元101上集成絕緣監測模塊、CAN通訊接口、SPI接口、Sig接口、1接口以及診斷接口，增強了系統的可擴展性與實用性。
[0049]以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種可擴展的混合式電池管理系統，與電芯模組連接，用于管理電芯模組的使用過程，其特征在于，包括主處理單元以及可擴展子單元;所述主處理單元與所述可擴展子單元之間，以及相鄰可擴展子單元之間，通過菊花鏈通訊方式連接;所述可擴展子單元采集當前電芯模組的電壓、溫度、執行均衡功能以及故障診斷功能，并通過菊花鏈通訊方式將當前管理的電芯模組信息傳輸至所述主處理單元;所述主處理單元根據所有電芯模組的電壓、電流、溫度以及系統故障信息，運行預先設定好的系統策略并與外部設備進行通訊。2.如權利要求1所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述主處理單元包括采樣芯片、通訊轉換芯片、主控管理單元以及系統基礎芯片，所述采樣芯片、通訊轉換芯片、主控管理單元以及系統基礎芯片依次連接，所述采樣芯片通過采樣端連接電芯模組采集電芯模組的電壓、溫度信息并通過菊花鏈連接的通訊轉換芯片傳輸至主控管理單元，所述主控管理單元通過系統基礎芯片中的通訊模塊將電池系統信息傳輸至外部設備中。3.如權利要求2所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述采樣芯片上集成有電壓采樣單元、模/數轉換單元、溫度采樣單元、均衡控制單元、電流采樣單元以及通訊轉換單元。4.如權利要求3所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述采樣芯片上還集成有內部診斷單元以及電壓、溫度閾值報警單元。5.如權利要求2所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述采樣芯片與所述主控管理單元之間通過通訊轉換芯片連接，所述通訊轉換芯片將菊花鏈通訊方式轉換成SPI通訊方式，菊花鏈通訊端與采樣芯片連接，而SPI通訊端則與主控管理單元連接。6.如權利要求2或5所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述主控管理單元上集成有多種接口，用于協調電池管理系統內部的各個功能單元，包括CAN通訊接口、SPI接口、Sig接口、1接口以及診斷接口中的一種或多種； 所述主控管理單元控制所述絕緣監測模塊，獲取當前系統絕緣狀況;所述主控管理單元通過1接口連接并控制風扇轉速控制、轉速檢測以及風扇電源控制； 所述主控管理單元通過I2C通訊連接RTC+EER0M，存儲系統異常信息、SOC值以及提供實時時鐘，記錄信息參考時刻;所述主控管理單元還包括對高壓端進行管理與控制，并控制與外接功能模塊的通訊以及信號管理。7.如權利要求2所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述系統基礎芯片上集成有電源模塊、SPI接口、CAN通訊模塊以及看門狗模塊。8.如權利要求1所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述可擴展子單元包括采樣端以及通訊端，所述采樣端對電芯模組進行采樣，并通過通訊端的菊花鏈通訊方式與下一級可擴展子單元或者主處理單元進行通訊。9.如權利要求2所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述主處理單元還包括預充回路以及接觸器驅動電路，所述預充回路為電池模組預充電并與接觸器驅動電路并聯連接，所述接觸器驅動電路連接并受控于所述主控管理單元。10.如權利要求2所述的可擴展的混合式電池管理系統，其特征在于，所述可擴展子單元通過菊花鏈通訊方式連接與其相鄰的單元并可根據具體設計需求進行可擴展子單元間多級級聯。
【文檔編號】H01M10/42GK105977558SQ201610519624
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】雷晶晶, 唐智, 徐童輝, 穆明
【申請人】欣旺達電動汽車電池有限公司, 欣旺達電子股份有限公司