新能源汽車電池管理采集子系統及其控制方法技術方案

本發(fā)明專利技術公開了一種新能源汽車電池管理采集子系統，包含均衡算法識別和均衡處理算法，由MCU模塊、LTC6802模塊、單體電壓采集/放電電路、整組和半組采集電路、溫度采集模塊、CAN通信模塊、子采集系統順序的地址設置模塊、電源處理模塊和數字光耦隔離模塊組成；采用LTC6802核心技術實現電池組電壓的12路單體電壓多路采集，整組和半組電壓采集，采用溫度采集電路實現16個溫度采集。電池管理系統有4路CAN節(jié)點，每個CAN節(jié)點接入4個電池管理采集子系統，可實現最多192節(jié)單體電池電壓的采集，16個整組電壓采集，16個半組電壓采集，256個溫度采集，完全滿足目前新能源汽車的使用需求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種新能源汽車用電池管理采集子系統裝置及其控制方法。
技術介紹
電池管理采集子系統作為電池管理系統的重要組成部分，承擔著新能源汽車用動力電池在線監(jiān)測的重要任務。其對動力電池組各單體電壓、半租/成組電壓、電池箱體不同場點溫度的實時精確檢測是電池管理系統在線SOC估算、SOH估算、熱管理、充放電控制、均衡控制、故障診斷策略實施的基礎，其大量數據的快速處理能力及與中央控制器的實時交互能力對整個電池管理系統有效運行也起到關鍵作用。但電池管理采集子系統從屬于電池管理系統是最近幾年隨著電池技術發(fā)展和新能源汽車利用而出現的，發(fā)展歷史短，系統復雜，現有技術有許多不足之處I)電池管理采集子系統在電池電壓采集方面，涉及到采集通道多，組合使用時多達幾百多個的問題。目前技術多采用分立元件搭建的辦法，利用光電耦合器來切換采集通道，然后通過多路A/D轉換器來轉換，這樣，采集頻率低，采集周期長，并且在切換過程中會有干擾，采集精度也低，影響到整個系統性能的提高。2)多個電池管理采集子系統組合納入電池管理系統運行時，涉及電池數目眾多，最多能到幾百節(jié)，數據交換量大，需要一種快速準確的數據交換方式以滿足系統運行復雜性、實時性、可靠性的要求。而RS232或RS485在此方面存在局限。3)目前電池管理系統中，往往把幾個電池分為一組，幾百多節(jié)電池分成若干組，一般只采集單體電壓，需要半組和成組電壓時候往往通過累加方式來實現，而不是直接采集半組和成組電壓。這樣，單體電壓測量誤差會被累加，導致半組和成組電壓測量誤差增大，當需要半組和整組電壓做參考或控制策略時候，就不能實現。4)分布式電池管理系統中，一般需要多達十幾個采集子系統實現對幾百多節(jié)電池電壓的采集。實現這十幾個子采集系統方便、快捷、可靠的互換是關系到生產一致性和降低維護難度，提高生產效率的重要環(huán)節(jié)，需要一種快速設置子采集系統順序的辦法提高BMS的可維護性。5)電池管理采集子系統數量多，內含模塊多，功耗大，目前系統很少考慮低功耗設計。由于電池管理系統往往使用被管理的電池作為能量系統，如果沒有低功耗設計功能將減少電池使用壽命并浪費資源。6)針對電池在長期使用過程中產生的不一致性問題，其技術解決方法欠缺。
技術實現思路
針對上述現有技術，本專利技術提供一種新能源汽車用電池管理采集子系統裝置及其控制方法，在總結上述現有技術不足的基礎上，通過對電池管理采集子系統的設計結構、電路和控制方法做出的相應改進可以解決下述技術問題I)電池管理采集子系統采用LTC6802核心技術實現電池組電壓的12路單體電壓多路采集，整組和半組電壓采集，采用溫度采集電路實現16個溫度采集。一個采集子系統帶有一片TLC6802，采集精度達到O. 005V,并通過SPI數據總線傳輸給MCU模塊。這樣，如果一個電池管理系統的中央控制器有4路CAN節(jié)點，每個CAN節(jié)點接入4個電池管理采集子系統，那么該系統可以實現最多192節(jié)單體電池電壓的采集，16個整組電壓采集，16個半組電壓采集，256個溫度采集，完全滿足目前新能源汽車的使用需求。而且LTC6802測量快速準確，即使在電池組電壓超過IOOOV的情況下，最大測量誤差在-40攝氏度至85攝氏度溫度范圍內保證小于O. 25%。電池組中每節(jié)電池的電壓測量都可以在13ms之內完成，對每節(jié)電池均進行了欠壓和過壓條件監(jiān)視，并提供了一個相關聯的MOSFET開關，用于對過充電電池進行放電，每個LTC6802通過一個IMHz串行接口進行通信，并包括溫度傳感器輸入、GPIO線和一個精準的電壓基準。相對目前技術多采用分立元件搭建，利用光電耦合器來切換采集通道，然后通過多路A/D轉換器來轉換的方法，LTC6802采集頻率高，采集周期短，切換過程無干擾，采集精度高。2)整組/半組采集電路拓展運用了 LTC6802芯片原本預留用作溫度采集的A/D轉換器，利用LTC6802芯片這兩個A/D轉換端口采集溫度實際是采集電壓信號的原理，實驗測算出電壓比例因子，對芯片得到的Vtempl和Vtemp2的數值逆向運算從而計算出實際整組電壓和半組電壓。新增加的對電池組整組/半組電壓的采集功能，采集精度達到O. 05V，減少由于單體電壓累加帶來的誤差，為整個電池管理系統控制策略提供更準確的數據支持。還可增加由6802模塊將各單體電壓累加與模塊電壓、半壓的對比，并將其作為故障診斷的判斷條件。3)通過撥碼開關的設計，使子采集系統能動態(tài)修改CAN的通信ID，這樣，就能動態(tài)修改子采集系統順序。4)采用CAN總線通信方式實現電池管理采集子系統和中央控制器間的大容量數據交換，保證數據傳輸的實時性和可靠性。通過相關硬件設計，每50ms采集子系統發(fā)送一次參數采集結果，并響應上級中央控制器接收中斷，進行數據分析處理和標定。5)通過中央控制器和電池管理采集子系統電源處理電路分別設計，但由中央控制器MCU的引腳控制采集子系統電源通斷的方法，實現系統低功耗功能，工作模式800mA，進入低功耗模式后中央系統控制器2mA，采集子系統控制器O.1mA的極低功耗，為有限電池能量的最大利用提供了基礎，具有很好的節(jié)能功能；在整組/半組采集電路中當不需要整組或半組電壓測量時，斷開相應測量網絡，不消耗功率，也進一步實現采集子系統低功耗設計相法6 )電池管理采集子系統需要采集的整組/半組電壓/單體電壓，這些都是高壓，系統設計高低電壓分離的原則，分開設計高壓和低壓電路，通過隔離的SPI數據總線實現數據交換，此隔離的SPI模擬量采集功能實現了電池組高電壓與控制器低電壓的隔離采集。7)電池管理采集子系統控制算法中集成了 LTC6802模塊控制，CAN模塊數據接收/發(fā)送和處理控制，數據標定控制，均衡算法控制。尤其基于容量的放電均衡思路，滿足電池組一致性需求同時，還能提高整組電池最大可用容量，提高能量平臺，增加汽車續(xù)駛里程。為了解決上述技術問題，本專利技術一種新能源汽車用電池管理采集子系統裝置，包括MCU模塊、LTC6802模塊、單體電壓采集/放電電路、整組和半組采集電路、溫度采集模塊、CAN通信模塊、子采集系統順序的地址設置模塊、電源處理模塊和數字光耦隔離模塊；所述LTC6802模塊通過單體電壓采集/放電電路、整組/半組采集電路和溫度采集模塊實現電池組電壓的12路單體電壓多路采集，整組和半組電壓采集和16個溫度采集；所述LTC6802模塊的采集精度為O. 005V,并通過SPI數據總線傳輸給MCU模塊；所述LTC6802模塊通過SPI總線依次連接至所述數字光耦隔離模塊和所述MCU模塊，所述MCU模塊將采集到的所有電壓信號進行數據分析處理；其中，所述數字光耦隔離模塊采用ADUM1401，所述數字光耦隔離模塊是SPI總線的隔離器，用以電氣隔離，此隔離的SPI模擬量采集功能實現了電池組高電壓與控制器低電壓的隔離采集；所述溫度采集電路通過單總線的方式與溫度傳感器單元連接，所述溫度采集電路通過總線方式與所述MCU模塊連接；所述MCU模塊通過CAN接口總線與上級電池管理系統中的中央控制器連接以實現數據交互；所述單體電壓采集/放電電路通過硬線與電池組高壓部分相連，以實現電池組單體電壓采集前處理；所述電池組與所述整組/半組采集電路相連，通過所述整組/半組采集電路的電阻網絡和電壓控制功本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種新能源汽車電池管理采集子系統，其特征在于：包括MCU模塊（2001）、LTC6802模塊（2005）、單體電壓采集/放電電路（2002）、整組和半組采集電路（2003）、溫度采集模塊（2004）、CAN通信模塊（2007）、子采集系統順序的地址設置模塊（2008）、電源處理模塊（2009）和數字光耦隔離模塊（2006）；所述LTC6802模塊（2005）通過單體電壓采集/放電電路（2002）、整組/半組采集電路（2003）和溫度采集模塊（2004）實現電池組電壓的12路單體電壓多路采集，整組和半組電壓采集和16個溫度采集；所述LTC6802模塊（2005）的采集精度為0.005V，并通過SPI數據總線傳輸給MCU模塊（2001）；所述LTC6802模塊（2005）通過SPI總線依次連接至所述數字光耦隔離模塊（2006）和所述MCU模塊（2001），所述MCU模塊（2001）將采集到的所有電壓信號進行數據分析處理；其中，所述數字光耦隔離模塊采用ADUM1401，所述數字光耦隔離模塊（2006）是SPI總線的隔離器，用以電氣隔離，此隔離的SPI模擬量采集功能實現了電池組高電壓與控制器低電壓的隔離采集；所述溫度采集電路（2004）通過單總線的方式與溫度傳感器單元（400）連接，所述溫度采集電路（2004）通過總線方式與所述MCU模塊（2001）連接；所述MCU模塊（2001）通過CAN接口總線（2007）與上級電池管理系統中的中央控制器（100）連接以實現數據交互；所述單體電壓采集/放電電路（2002）通過硬線與電池組（300）高壓部分相連，以實現電池組單體電壓采集前處理；所述電池組（300）與所述整組/半組采集電路（2003）相連，通過所述整組/半組采集電路（2003）的電阻網絡和電壓控制功能，將電池組（300）高電壓分成低電壓，以實現所述電池組半組/整組電壓采集前處理；所述單體電壓采集/放電電路（2002）和所述整組/半組采集電路（2003）的另一端均連接至所述LTC6802模塊（2005），以實現所有單體電壓、整組電壓、半組電壓信號的采集；所述MCU模塊（2001）經過所述LTC6802模塊（2005）的均衡控制策略，并通過采集/放電電路（2002）對單體電池實現放電均衡功能；所述電源管理模塊（2009）提供整個電池管理采集子系統（200）所需要的電源管理以及所述LTC6802模塊（2005）所需要的電源管理；所述電源管理模塊包括12V電源處理電路和12V轉5V的電源處理電路，其中，所述12V電源處理電路是：+24V電源接進POWER+、POWER?兩端后經過電源轉換芯片TC_506進行電壓轉換，所述TC_506的2、4引腳輸出+12V電；如果采集子系統得到+12V供電，經過12V轉5V的電源處理電路中的MC78M05ABDT穩(wěn)壓芯片，將+12V電源轉換成+5V電源，所述電源管理模塊（2009）分別為所述MCU模塊（2001）、CAN通信模塊（2007）和溫度采集電路（2004）供電； 所述12V轉5V的電源處理電路中還設有防反向擊穿二極管D29、保險絲F1和由電容C19和電容C20構成的濾波電路；所述單體采集/放電電路（2002）由RC濾波器和電池均衡放電電路構成，所述RC濾波器由電阻R5和電容C2組成，所述電池均衡放電電路由電阻R4、三極管Q2、穩(wěn)壓二極管D3和電阻R6組成；單體電池正極連接的電池線CELL2通過RC濾波器濾波，再通過穩(wěn)壓二極管D4處理后輸出電壓采集信號C2FILTER給所述LTC6802模塊（2005）的A/D轉換引腳C2；當電池需要均衡時，所述LTC6802模塊的放電控制端S2，對應（哪個模塊中的）電路DC2有效，三極管Q2導通，電池通過電阻R4放電；所述整組和半組電壓處理電路包括第一、第二組分壓電阻網絡，其中第一分壓電阻網絡包括R38~R43六個電阻，第二分壓電阻網絡包括R44~R49六個電阻，所述第一分壓電阻網絡連接有三極管Q13、三極管Q14；所述第二分壓電阻網絡連接有三極管Q15、三極管Q16；第一第二組分壓網絡并聯至一三極管Q17，所述三極管Q17控制整組和半組電池測量的低電位端；當需要測試時候：IO控制口GPIO1有效，三極管Q13和三極管Q14導通，整組電壓加載在電阻R42和電阻R43上，整組電壓分壓后輸入所述LTC6802模塊的A/D輸入轉換端Vtemp1，從而完成整組電壓測量；GPIO2有效，三極管Q15和三極管Q16導通，半組電壓加載在電阻R48和電阻R49上，半組電壓分壓后輸...

【技術特征摘要】
1.一種新能源汽車電池管理采集子系統，其特征在于包括MCU模塊(2001)、LTC6802模塊(2005)、單體電壓采集/放電電路(2002)、整組和半組采集電路(2003)、溫度采集模塊(2004)、CAN通信模塊(2007)、子采集系統順序的地址設置模塊(2008)、電源處理模塊(2009)和數字光耦隔離模塊(2006)； 所述LTC6802模塊(2005)通過單體電壓采集/放電電路(2002)、整組/半組采集電路(2003)和溫度采集模塊(2004)實現電池組電壓的12路單體電壓多路采集，整組和半組電壓采集和16個溫度采集；所述LTC6802模塊(2005)的采集精度為O. 005V,并通過SPI數據總線傳輸給MCU模塊(2001);所述LTC6802模塊(2005)通過SPI總線依次連接至所述數字光耦隔離模塊(2006)和所述MCU模塊(2001 )，所述MCU模塊(2001)將采集到的所有電壓信號進行數據分析處理；其中，所述數字光耦隔離模塊采用ADUM1401，所述數字光耦隔離模塊(2006)是SPI總線的隔離器，用以電氣隔離，此隔離的SPI模擬量采集功能實現了電池組高電壓與控制器低電壓的隔離采集；所述溫度采集電路(2004)通過單總線的方式與溫度傳感器單元(400)連接，所述溫度采集電路(2004)通過總線方式與所述MCU模塊(2001)連接；所述MCU模塊(2001)通過CAN接口總線(2007)與上級電池管理系統中的中央控制器(100 )連接以實現數據交互；所述單體電壓采集/放電電路(2002 )通過硬線與電池組(300)高壓部分相連，以實現電池組單體電壓采集前處理；所述電池組(300)與所述整組/半組采集電路(2003)相連，通過所述整組/半組采集電路(2003)的電阻網絡和電壓控制功能，將電池組(300 )高電壓分成低電壓，以實現所述電池組半組/整組電壓采集前處理；所述單體電壓采集/放電電路(2002)和所述整組/半組采集電路(2003)的另一端均連接至所述LTC6802模塊(2005)，以實現所有單體電壓、整組電壓、半組電壓信號的采集；所述MCU模塊(2001)經過所述LTC6802模塊(2005)的均衡控制策略，并通過采集/放電電路(2002)對單體電池實現放電均衡功能； 所述電源管理模塊(2009)提供整個電池管理采集子系統(200)所需要的電源管理以及所述LTC6802模塊(2005)所需要的電源管理；所述電源管理模塊包括12V電源處理電路和12V轉5V的電源處理電路，其中，所述12V電源處理電路是+24V電源接進POWER+、POWER-兩端后經過電源轉換芯片TC_506進行電壓轉換，所述TC_506的2、4引腳輸出+12V電；如果采集子系統得到+12V供電，經過12V轉5V的電源處理電路中的MC78M05ABDT穩(wěn)壓芯片，將+12V電源轉換成+5V電源，所述電源管理模塊(2009)分別為所述MCU模塊(2001)、CAN通信模塊(2007)和溫度采集電路(2004)供電；所述12V轉5V的電源處理電路中還設有防反向擊穿二極管D29、保險絲Fl和由電容C19和電容C20構成的濾波電路； 所述單體采集/放電電路(2002 )由RC濾波器和電池均衡放電電路構成，所述RC濾波器由電阻R5和電容C2組成，所述電池均衡放電電路由電阻R4、三極管Q2、穩(wěn)壓二極管D3和電阻R6組成；單體電池正極連接的電池線CELL2通過RC濾波器濾波，再通過穩(wěn)壓二極管D4處理后輸出電壓采集信號C2FILTER給所述LTC6802模塊(2005)的A/D轉換引腳C2 ;當電池需要均衡時，所述LTC6802模塊的放電控制端S2，對應(哪個模塊中的)電路DC2有效，三極管Q2導通，電池通過電阻R4放電； 所述整組和半組電壓處理電路包括第一、第二組分壓電阻網絡，其中第一分壓電阻網絡包括R38 R43六個電阻，第二分壓電阻網絡包括R44 R49六個電阻，所述第一分壓電阻網絡連接有三極管Q13、三極管Q14 ;所述第二分壓電阻網絡連接有三極管Q15、三極管Q16 ；第一第二組分壓網絡并聯至一三極管Q17，所述三極管Q17控制整組和半組電池測量的低電位端；當需要測試時候10控制口 GPIOl有效，三極管Q13和三極管Q14導通，整組電壓加載在電阻R42和電阻R43上，整組電壓分壓后輸入所述LTC6802模塊的A/D輸入轉換端Vtempl，從而完成整組電壓測量；GPI02有效，三極管Q15和三極管Q16導通，半組電壓加載在電阻R48和電阻R49上，半組電壓分壓后輸入所述LTC6802模塊的A/D輸入轉換端Vtemp2,從而完成半組電壓測量，當不測量時，IO控制口 GPIOl無效，三極管Q13和三極管Q14截止；GPI02無效，Q15、Q16截止；當所述LTC6802模塊不工作時候，IO控制口 WDIB輸出為高，此時三極管Q17截止； 所述溫度采集電路(2004 )由兩路相同的溫度采集分電路構成，兩路溫度采集分電路對外端口 LINl和LIN2可各掛8個溫度傳感器(400)，所述溫度傳感器采用DS18B20數字溫度傳感器，所述DS18B20通過單總線與所述MCU模塊相連接；所述DS18B20數字溫度傳感器的信號經過流過壓保護器PRTR5V0U2X濾波后，由單總線LINlRX輸出8個溫度值給所述MCU模塊的一 I/O控制口，由單總線LIN2RX輸出另外8個溫度值給所述MCU模塊的另一 I/O控制口。2.根據權利要求1所述新能源汽車電池管理采集子系統，其特征在于所述MCU模塊(2001)采用具有CAN接口的8位微控制器，以R8C21237芯片作為標準芯片，所述R8C21237芯片的外設包括8位多功能定時器、16位定時器、時鐘同步串行接口、電壓檢測電路、上電復位電路、高/低速片上振蕩器和檢測定時器；并設有UART、IIC總線接口、芯片選擇時鐘同步串行接口、10位A/D轉換器和振蕩停止檢測功能；并配備有硬件LIN模塊和CAN模塊；所述MCU模塊(2001)的最高工作頻率為20MHz，具有48個I/O引腳，并嵌入有2塊數據閃存。3.一種新能源汽車電池管理系統，其特征在于包括分別與上級電池管理系統中的中央控制器(100)連接的多個電池管理采集子系統(200-215)、多個電池組單元(300-315)、多個溫度傳感器單元(400-415)、風扇(500)、電阻絲(600)、高壓繼電器(700)、顯示屏(800),電機控制器(900)、充電機(1000)、分流器(1100)和車身搭鐵(1200);所述中央控制器(100)具有4路CAN節(jié)點，每個CAN節(jié)點同時接入4個如權利要求1所述的電池管理采集子系統，從而實現最多192節(jié)單體電池電壓的采集、16個整組電壓采集、16個半組電壓采集和256個溫度采集； 所述電池管理采集子系統(200-215)中的MCU模塊(2001)與上級電池管理系統中的中央控制器(100)之間連接有地址設定模塊(2008)，通過地址設定模塊(2008)的撥碼開關實現所述中央控制器(100)CAN不同模塊的不同ID，使電池管理采集子系統能動態(tài)修改CAN的通信ID，從而實現電池管理采集子模塊的快速順序連接。4.一種新能源汽車電池管理采集子系統控制方法，其特征在于，利用如權利要求1或2所述新能源汽車用電池管理采集子系統的控制方法包括以下步驟 O上電啟動新能源汽車用電池管理采集子系統，包括啟動電源管理模塊，給LTC6802模塊上電，MCU模塊R8C21237芯片初始化，外圍設備的初始化及其狀態(tài)設定； 2)初始化16位定時器一，啟動20ms定時；初始化16位定時器二，啟動50ms定時； 3)在第一個20ms計時過程中MCU模塊通過SPI總線向LTC6802模塊發(fā)送A/D轉換啟動命令，使其開始采集并將12路單體電壓、整組電壓、半組電壓模擬信號轉換為數字信號；4)16位定時器一每20ms計時到，MCU模塊相應寄存器標志位置位，程序自動進入20ms定時到中斷響應；否則跳轉到步驟10)； 5)進入20ms定時到中斷響應后，首先清MCU模塊相應寄存器標志位，以便程序跳出中斷后重新初始化16位定時器一,開始新一輪20ms計時； 6)MCU模塊通過SPI總線獲取LTC6802模塊轉換的各類電壓值，之后再次啟動LTC6802模塊采集和A/D轉換各類電壓數據的功能； 7)MCU模塊通過I/O單總線順序讀取16個DS18B20數字溫度傳感器數值； 8)通過讀取采集兩次標志是否置位，判斷各類電壓和溫度數據是否都采集了兩次；是，順序執(zhí)行下步；否則跳轉到步驟10)； 9)清采集兩次標志位，以便新一輪采集次數標定；計算每兩次采集的各類數據對應的平均值，程序跳出20ms定時到中斷響應； 10)16位定時器二每50ms計時到，MCU相應寄存器標志位置位，程序自動進入50ms定時到中斷響應；否則跳轉到步驟13)； 11)進入50ms定時到中斷響應后，首先清MCU相應寄存器標志位，以便程序跳出中斷后重新初始化...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉蔚，孫文濤，汪春華，王文揚，王斌，李占旗，
申請(專利權)人：中國汽車技術研究中心，
類型：發(fā)明
國別省市：