CN100487970C

CN100487970C - 一种基于can总线的多层分布式的电池管理系统

Info

Publication number: CN100487970C
Application number: CNB2003101115998A
Authority: CN
Inventors: 曾春年; 程昌银; 尹叶丹; 吴友宇; 李波; 张成才; 谢长君
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2003-12-18
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: CN1553541A

Abstract

本发明涉及电动车辆蓄电池一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，包括一个上层电池管理ECU(电子控制单元)和多个下层电池组ECU，其特点是：一个上层电池管理ECU和多个下层电池组ECU之间通过CAN总线网络连接。本发明具有与车内其它ECU通信用的光纤CAN总线接口，上层电池管理ECU和下层电池组ECU均采用了嵌入式微处理器。本发明电池管理系统能对电池荷电状态(SOC)进行估算，对电池包温度实现风冷控制，对电池参数一致性实现均衡控制。本发明分布式的电池管理系统内、外连线简洁，抗干扰强，工作可靠，使得蓄电池的使用更有效、安全。

Description

一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统

技术领域

本发明属于一种电动车辆用的蓄电池管理系统，特别是一种分布式的电池管理系统，具体是一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统。

背景技术

面对环境污染、全球变暖、能源短缺的压力，各国政府、企业投入大量人力和物力对电动车进行研究和开发。当前研发的三种电动车有纯电动车、混合动力电动车、燃料电池电动车。蓄电池不可避免地成为电动车辅助能源或主能源。常用的动力蓄电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，它们具有容量大、体积小、动力性较好的特点，因而成为电动车研发的首选动力电池。通常由10个单体蓄电池串接组成1个蓄电池组，多个蓄电池组串接构成电池包(视车载高压取值而定)。在电动车使用过程中，蓄电池的过充电、过放电将造成电池性能的劣化的损坏，并大大降低电池寿命。而如何能根据所用电池的特性，对其安全有效的使用即电池管理系统BMS(Battery Management System)的设计成为关键。BMS一方面负责实时地检测和控制电池包中各电池组的温度，当电池包温度过高时，驱动风扇为电池包降温。负责实时地估测当前的电池容量，即荷电状态SOC(State of Charge)，以及对各电池组进行电压均衡，判断是否出现不正常电池单元，并发送报警信号。SOC估测方法的准确性已成为电动车研发的瓶颈之一，在世界范围内都未取得重大突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有与外部其它ECU(电子控制单元)通信的光纤CAN(Control Area Network控制器局域网)总线网络接口，系统内部采用双绞线CAN总线通信基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，以克服上述的缺陷。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：本发明包括一个上层电池管理ECU(电子控制单元)和多个下层电池组ECU，为了实现各电池组电压的检测，各电池组的电压输出端与相应下层电池组ECU的电压检测输入端连接，为了实现各电池组温度的检测，各电池组上安装了温度传感器，各电池组温度传感器的输出与相应下层电池组ECU的温度检测输入端连接，在整体电池包的输出端还连接有用于检测整体电池输出的电压传感器和电流传感器，这两个传感器的输出分别与上层电池管理ECU的电压、电流检测输入端连接，其特点是：一个上层电池管理ECU(电子控制单元)和多个下层电池组ECU(电子控制单元)之间通过CAN总线网络连接；

上述上层电池管理ECU由一个CAN1芯片(如SJA1000)、A/D(模/数)转换器、时钟与断电保护电路和一个嵌入CAN2的DSP(数字信号处理器)微控制器构成，其中DSP微控制器的数据总线D0-D7分别与CAN1芯片的地址/数据总线AD0-AD7相连、实时钟DS12887芯片也是8位地址数据总线分时复用的器件，其读写访问方式与系统中SJA1000相同，同样将其挂载于DSP的外围I/O总线，实时钟主要用于掉电保护SOC结果，以及记录时间，保证SOC算法的精确性，DSP微控制器通过内置的CAN2芯片通过光纤CAN通讯模块输出控制信号，A/D转换器的输入端与整体电池包电压传感器输出端Us和电流传感器输出端Ui相连接，CAN1芯片与下层CAN总线网络进行双向通讯；

上述DSP微控制器还输出一个用于蓄电池降温的风扇控制信号，输出一个用于蓄电池均衡控制的控制信号；

上述每个下层电池组ECU(电子控制单元)由一个嵌入CAN3的微控制器P89C591、光电隔离器构成，其中微控制器P89C591六个模拟输入端连接各电池组的电压信号，一根数据线与电池组温度测量信号相连，其输出通过嵌入的CAN3经光电隔离器与内部双绞线下层CAN总线网络进行双向通讯；

上述的上层CAN总线网络为有源光纤星形网，下层CAN总线网络为双绞线CAN总线网络。

本发明具有与外部其它ECU通信的光纤CAN总线网络接口；为实现蓄电池特性参数的采集，设置了多个模拟量输入口，它们分别是：蓄电池总电压信号、蓄电池输出电流信号、各电池组电压信号、电池体表面温度信号；为利于电池散热，实现电池风扇控制，设置了一个风扇控制的数字量输出口；为实现电池均衡控制，设置了一个均衡控制数字量输出口；电池管理系统硬件包括一个上层电池管理ECU(电子控制单元)和多个下层电池组ECU(下层ECU的个数由电池包中电池组的数量决定)；上层电池管理ECU与多个下层电池组ECU组成内部CAN网，采用底层双绞线CAN总线网络进行通信。上层电池管理ECU通过光纤CAN接口经上层光纤CAN网络与其它节点ECU通信。上层电池管理ECU和下层电池组ECU均采用了嵌入式微处理器。上层电池管理ECU中的嵌入式微处理器实现蓄电池总电压、电流信息的采集与A/D转换，电池SOC(电池荷电状态)算法；下层电池组ECU中的嵌入式处理器实现对电池组的电压与温度信号进行A/D转换。本发明基于CAN总线的多层分布式电池管理系统内、外部通信均采用CAN总线网络通信，使该系统内、外部连线均简洁，且抗干扰性强。由于本系统采用开路电压和安时积分相结合的算法，较准确的估算出蓄电池的剩余容量SOC。

附图说明

图1为本发明实施例的结构原理框图。

图2为上层电池管理ECU的电路结构图。

图3为下层电池组ECU的电路结构图。

图4光纤CAN总线通信的电路结构图。

图5数字式温度传感器接口电路图。

图6本发明实施例的SOC算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明，但该实施例不应理解为对本发明的限制。

如图1所示的本发明实施例，它具有与电动车中其它ECU通信的光纤CAN接口、为实现蓄电池特性参数的采集，设置了多个模拟量输入口，它们分别是：蓄电池总电压信号、蓄电池输出电流信号、各电池组电压信号、各电池组表面温度信号；为利于电池散热，实现电池风扇控制，设置了一个风扇控制的数字量输出口；为保证电池参数的一致性，实现电池均衡控制，设置了一个均衡控制数字量输出口。

本发明它包括一个上层电池管理ECU(电子控制单元)和4个下层电池组ECU；本发明所使用的电池包由24个电池组构成。系统对每6个电池组配置一个下层电池组ECU，实现电池组信息检测，即下层电池组ECU₁-ECU₄。4个下层电池组ECU与上层电池管理ECU组成一个双绞线CAN总线网络。上层电池管理ECU为双CAN控制器结构，一个CAN1控制器与下层电池组ECU组成电池管理系统内部的双绞线CAN网络，另一个嵌入式CAN2控制器与车内其它ECU组成整车光纤CAN总线网络，其网络拓扑结构为星形，传输介质为塑料光纤，所有CAN网络均采用CAN2.0B传输协议。

如图2所示，本发明实施例的上层电池管理ECU主要由DSP控制单元、外扩CAN控制器单元、A/D采样单元、实时钟与掉电保护单元组成。DSP采用的芯片为TMS320LF2407，外扩CAN1控制型号为SJA1000，A/D采用的12位高精度双积分A/D转换器ICL7109，实时钟和掉电保护采用芯片DS12887一并完成。在本实施例中，以上三种器件与DSP的接口均采用DSP的I/O总线访问方式。其中对于CAN1控制器SJA1000和实时钟和掉电保护采用芯片DS12887的读写均采用了通过I/O口进行时序模拟的方法。

如图3所示，本发明实施例的下层电池组ECU所采用的嵌入式微控制器为P87C591单片机，它内部硬件集成了CAN控制器和A/D模数转换模块。每个电池组ECU管理6个电池组，其功能为测量6个电池组的电压和温度信息，并将该信息通过双绞线CAN总线发送给上层电池管理ECU。6路电池组的电压分别经过电压调理电路后接至嵌入式微控制器P87C591的6路A/D输入口。6路温度传感器的信号线接至嵌入式微控制器P87C591的同一路I/O口。

如图4所示，上层电池管理ECU中DSP芯片集成的CAN2控制器与车内其它ECU组成上层光纤CAN总线网络，通信介质采用塑料光纤。该CAN2控制器的发送引脚TX端通过75451芯片增强驱动能力，然后经过电光转换模块HFBR1528与塑料光纤相连。其它ECU信号经光纤传输通过光电转换模块HFBR2528变为电信号接至CAN2控制器的接收引脚RX端。

如图5所示，本发明实施例中所采用的温度传感器为一线式数字温度传感器，型号为DS18B20。该传感器的精度为±0.5℃，其12位模式的温度转换结果分辨率为0.0625℃。该传感器连线简单，共有3根线，分别为电源线，地线和数据线。在各下层电池组ECUi中，将6个电池组上的温度传感器同时挂在1个单片机P89C591的I/O口上，通过芯片所固化的ID进行区分。采用该温度传感器使得电池与管理系统之间的连线简洁。

如图6所示的是本发明实施例的SOC算法的软件流程图。SOC算法在本实施例中分为两部分。一部分为估算SOC的初始容量值Cap，即电池开始工作时的容量。另一部分为电池工作中估算SOC值。由于所选镍氢电池容量为12Ah，12Ah就是在12安培电流下放电1小时。为计算方便，将12Ah的总容量换算成CapO＝43200安秒。由于稳态时电池的开路电压与SOC值有一定的对应关系。定义SOC值为：(1)初始容量估算法：当电池在12小时内未工作，采用开路电压估算SOC初始容量，否则采用上次断电前保存的SOC值作为电池初始容量。(2)动态容量估算法：当电池处于运行状态，以初始容量为电池容量初值，采用安时积分法(或称电量累积法)估算SOC的动态容量，每200ms进行一次电量累积，确定电池动态工作的当前容量。

经实际测试，本发明实施例的电池管理系统具有系统内、外连线简洁，工作稳定可靠，该SOC算法对SOC值的估算结果比较准确。

本说明书中未作详细描述的内容，属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1、一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，包括一个上层电池管理ECU和多个下层电池组ECU，为了实现各电池组电压的检测，各电池组的电压输出端与相应下层电池组ECU的电压检测输入端连接，为了实现各电池组温度的检测，各电池组上安装了温度传感器，各电池组温度传感器的输出与相应下层电池组ECU的温度检测输入端连接，在整体电池包的输出端还连接有用于检测整体电池输出的电压传感器和电流传感器，这两个传感器的输出分别与上层电池管理ECU的电压、电流检测输入端连接，其特征在于：一个上层电池管理ECU和多个下层电池组ECU之间通过CAN总线网络连接。

2、如权利要求1所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：上层电池管理ECU由一个CAN1芯片、A/D转换器、时钟与断电保护电路和一个嵌入CAN2的DSP微控制器构成，时钟与断电保护电路采用DS12887芯片，其中DSP微控制器的数据总线D0-D7分别与CAN1芯片的地址/数据总线AD0-AD7相连、DS12887芯片是8位地址数据总线分时复用的器件，其读写访问方式与系统中CAN1芯片相同，同样将DS12887芯片挂载于DSP的外围I/O总线，DS12887芯片主要用于掉电保护SOC结果，以及记录时间，保证SOC算法的精确性，DSP微控制器通过内置的CAN2芯片通过光纤CAN通讯模块输出控制信号，A/D转换器的输入端与整体电池包电压传感器输出端Us和电流传感器输出端Ui相连接。

3、如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：DSP微控制器还输出一个用于给蓄电池降温的风扇控制信号，输出一个用于蓄电池均衡控制的控制信号。

4、如权利要求1所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：每个下层电池组ECU由一个嵌入CAN3的微控制器和光电隔离器构成，其中微控制器的模拟输入端连接各电池组的电压信号，一根数据线与电池组温度测量信号相连，微控制器的输出通过嵌入的CAN3经光电隔离器与下层CAN总线网络进行双向通讯。

5、如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：上层ECU光纤CAN网络的CAN2芯片的发送引脚TX端通过75451芯片增强驱动能力，然后经过电光转换模块HFBR1528与塑料光纤相连，其它ECU信号经光纤传输通过光电转换模块HFBR2528变为电信号接至CAN2芯片的接收引脚RX端。

6、如权利要求4所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：温度传感器采用数字式温度传感器，上述嵌入CAN3的微控制器是嵌入式微处理器P89C591，多个温度传感器的信号端接至嵌入式微处理器P89C591的同一个I/O口。

7、如权利要求2所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：上层电池管理ECU中的微控制器DSP采用嵌入式DSP芯片TMS320LF2407，CAN1芯片采用外扩SJA1000。

8、如权利要求4所述的一种基于CAN总线的多层分布式的电池管理系统，其特征在于：所述嵌入CAN3的微控制器是P87C591单片机。