一种轨道交通用电池管理系统技术方案

本发明专利技术涉及一种轨道交通用电池管理系统，采用四级架构，包括：主板、若干从板、若干采集板和安全监控板；主板和若干从板之间采用CAN总线通信；每块从板和采集板之间采用菊花链总线通信；安全监控板与所有的采集板级联，形成独立的硬件保护机制；主板用于管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；每块从板对应一条菊花链总线；每块采集板对应一个电池模组。本发明专利技术采用CAN总线+菊花链总线方式，减少CAN总线节点数并降低CAN总线负载率；从板、采集板电路得以简化，并省去电池模组到从板的采集线束，显著降低硬件成本；在软件保护机制的基础上，加入独立的硬件保护机制，极大提高系统的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种轨道交通用电池管理系统
本专利技术涉及轨道交通领域，具体涉及一种轨道交通用电池管理系统。
技术介绍
钛酸锂电池具有安全系数高、宽温性能好、循环寿命长等特点，目前已在轨道交通中得到广泛应用。按应用需求一般分为动力电源和辅助电源，动力电源额定电压通常为500V至1500V甚至更高，辅助电源额定电压通常为110V。钛酸锂电池需配备电池管理系统来使用，通过电池管理系统实时监测钛酸锂电池的电压、温度等参数，实现钛酸锂电池生命周期内的免维护。现有轨道交通用电池管理系统一般采用主从架构，即从板的MCU通过板级SPI信号与一颗或多颗前端采集芯片(AFE)连接，获取电池的电压、温度数据；主板和从板通过CAN总线进行信息交互。该架构存在三个问题：一是受结构空间限制，从板板级面积不能太大，通常每块从板接4颗AFE。假如动力电源额定电压为1500V，则需要从板多达14块，若电压更高则需更多从板，导致CAN总线节点数多、负载率高；二是从板都需配备DC-DC隔离电源、MCU及外围电路；另外为实现隔离耐压设计，每颗AFE都需经数字隔离器后与MCU通信，硬件成本高；三是单一由软件检测出电池故障后才切断正负极接触器，若软件失效或者MCU失效不能及时切断接触器就会导致危险发生。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术旨在解决现有轨道交通用电池管理系统主从二级架构中存在的CAN总线节点数多、负载率高，硬件成本高，单一软件保护机制等问题，具体解决方案就是采用主板、从板、采集板、安全监控板四级架构，以解决这些问题。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种轨道交通用电池管理系统，采用四级架构，包括：主板、若干从板、若干采集板和安全监控板；主板和若干从板之间采用CAN总线通信；每块从板和采集板之间采用菊花链总线通信；安全监控板与所有的采集板级联，形成独立的硬件保护机制；主板用于管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；每块从板对应一条菊花链总线，每块从板用于管理其对应菊花链总线上的若干采集板；从板通过菊花链总线获取采集板的电池参数数据，通过CAN总线与主板通信；每块采集板对应一个电池模组，每块采集板负责采集其对应电池模组的电池的电压和温度参数，并通过菊花链总线传送给从板；安全监控板用于输出PWM方波信号传送给采集板，返回信号经处理后若得到硬线故障信号，则传送给主板，用于控制正负极接触器。在上述技术方案的基础上，所述主板包括MCU模块、DC/DC电源模块、输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块和通信接口模块；DC/DC电源模块、输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块、通信接口模块均与MCU模块连接；DC/DC电源模块与输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块、通信接口模块、MCU模块均连接；输入检测模块用于通过光耦来实现电气隔离和输入信号的电平检测，所述输入信号包括：数字输入信号；输出控制模块通过继电器来实现电气隔离和输出信号的开关控制，所述输出信号包括：数字输出信号；电流采集模块用于检测母线电流，并将霍尔传感器返回的小电流信号调理至合适范围后送至MCU模块的AD通道管脚；电压采集模块用于检测母线电压，并将霍尔传感器返回的小电流信号调理至合适范围后送至MCU模块的AD通道管脚；通信接口模块包括数字隔离器、CAN收发器、isoSPI收发器、信号变压器、CAN接口和isoSPI接口，CAN接口通过数字隔离器实现电气隔离，通过CAN收发器实现信号转换，isoSPI接口通过isoSPI收发器实现信号转换，通过信号变压器实现电气隔离。在上述技术方案的基础上，DC/DC电源模块包括110V转±15V隔离型DC-DC电源模块和110V转5V隔离型DC-DC电源模块；110V转±15V隔离型DC-DC电源模块用于给电压采集模块和电流采集模块供电，110V转5V隔离型DC-DC电源模块用于给输入检测模块、输出控制模块、通信接口模块和MCU模块供电。在上述技术方案的基础上，MCU模块选用NXP公司的MPC5744单片机；光耦选用Everlight公司的EL817；继电器选用OMRON公司的G6DN，额定电流为5A；数字隔离器选用TI公司的ISOW7821；isoSPI收发器选用Linear公司的LTC6820；信号变压器选用PULSE公司的HM2102NL。在上述技术方案的基础上，所述从板包括从板MCU模块、从板DC/DC电源模块和从板通信接口模块；从板DC/DC电源模块和从板通信接口模块均与从板MCU模块连接；从板DC/DC电源模块与从板通信接口模块、从板MCU模块均连接；从板DC/DC电源模块为110V转5V隔离型DC-DC电源模块，用于给从板MCU模块和从板通信接口模块供电；从板通信接口模块包括从板数字隔离器、从板CAN收发器、从板isoSPI收发器、从板信号变压器、从板CAN接口和从板isoSPI接口；从板CAN接口通过数字隔离器实现电气隔离，通过从板CAN收发器实现信号转换；从板isoSPI接口通过从板isoSPI收发器实现信号转换，通过从板信号变压器实现电气隔离。在上述技术方案的基础上，从板MCU模块选用NXP公司的MPC5744单片机；从板数字隔离器选用TI公司的ISOW7821；从板isoSPI收发器选用Linear公司的LTC6820，从板信号变压器选用PULSE公司的HM2102NL。在上述技术方案的基础上，所述采集板包括前端采集芯片、采集板DC/DC电源模块、采集板isoSPI接口、采集板信号变压器和电池保护电路；前端采集芯片与采集板信号变压器、采集板DC/DC电源模块、电池模组均连接；采集板DC/DC电源模块与电池模组连接、电池保护电路均连接；采集板信号变压器通过菊花链总线与从板连接；AFE负责电池的电压、温度参数采集，支持菊花链通信，AFE通过采集板信号变压器连接到采集板isoSPI接口，采集板从电池模组取电，为减少电量消耗，只有在菊花链总线有通信任务时，AFE控制采集板DC/DC电源模块的上电使能EN管脚为高电平，采集板DC/DC电源模块才正常工作给采集板供电；电池保护电路包括比较电路和隔离输入输出电路。比较电路包括过温保护电路和过压和欠压保护电路。过温保护电路由12路温度与比较器电路进行比较来实现；过压和欠压保护电路由12路电压与通过分立元件组成的窗口比较电路进行比较来实现，分立元件包括TLV431、电阻、三极管；比较结果接到隔离输入输出电路的使能EN端；隔离输入输出电路由光耦和同向缓冲门实现。在上述技术方案的基础上，AFE选用Linear公司的LTC6804-1，采集板信号变压器选用PULSE公司的HM2102NL；采集板DC/DC电源模块选用Linear公司的LT3990，转换效率大于85％；比较器选用TI公司的TLV1704-Q1；光耦选用Everlight公司的EL817，同向缓冲门选用TI公司的SN74LVC1G125-Q1。在上述技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轨道交通用电池管理系统，其特征在于，采用四级架构，包括：主板、若干从板、若干采集板和安全监控板；主板和若干从板之间通过CAN总线通信；每块从板和采集板之间采用菊花链总线通信；安全监控板与所有的采集板级联，形成独立的硬件保护机制；/n主板用于管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；每块从板对应一条菊花链总线，每块从板用于管理其对应菊花链总线上的若干采集板；从板通过菊花链总线获取采集板的电池参数数据；每块采集板对应一个电池模组，每块采集板负责采集其对应电池模组的电池的电压和温度参数，并通过菊花链总线传送给从板；安全监控板用于输出PWM方波信号传送给采集板，返回信号经处理后若得到硬线故障信号，则传送给主板，用于控制正负极接触器。/n

【技术特征摘要】
1.一种轨道交通用电池管理系统，其特征在于，采用四级架构，包括：主板、若干从板、若干采集板和安全监控板；主板和若干从板之间通过CAN总线通信；每块从板和采集板之间采用菊花链总线通信；安全监控板与所有的采集板级联，形成独立的硬件保护机制；
主板用于管理若干从板，通过CAN总线获取从板的电池参数数据；每块从板对应一条菊花链总线，每块从板用于管理其对应菊花链总线上的若干采集板；从板通过菊花链总线获取采集板的电池参数数据；每块采集板对应一个电池模组，每块采集板负责采集其对应电池模组的电池的电压和温度参数，并通过菊花链总线传送给从板；安全监控板用于输出PWM方波信号传送给采集板，返回信号经处理后若得到硬线故障信号，则传送给主板，用于控制正负极接触器。


2.如权利要求1所述的轨道交通用电池管理系统，其特征在于：所述主板包括MCU模块、DC/DC电源模块、输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块和通信接口模块；
DC/DC电源模块、输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块、通信接口模块均与MCU模块连接；DC/DC电源模块与输入检测模块、输出控制模块、电流采集模块、电压采集模块、通信接口模块、MCU模块均连接；
输入检测模块用于通过光耦来实现电气隔离和输入信号的电平检测，所述输入信号包括：数字输入信号；输出控制模块通过继电器来实现电气隔离和输出信号的开关控制，所述输出信号包括：数字输出信号；
电流采集模块用于检测母线电流，并调理至合适范围后送至MCU模块的AD通道管脚；电压采集模块用于检测母线电压，并调理至合适范围后送至MCU模块的AD通道管脚；
通信接口模块包括数字隔离器、CAN收发器、isoSPI收发器、信号变压器、CAN接口和isoSPI接口，CAN接口通过数字隔离器实现电气隔离，通过CAN收发器实现信号转换，isoSPI接口通过isoSPI收发器实现信号转换，通过信号变压器实现电气隔离。


3.如权利要求2所述的轨道交通用电池管理系统，其特征在于：DC/DC电源模块包括110V转±15V隔离型DC-DC电源模块和110V转5V隔离型DC-DC电源模块；110V转±15V隔离型DC-DC电源模块用于给电压采集模块和电流采集模块供电，110V转5V隔离型DC-DC电源模块用于给输入检测模块、输出控制模块、通信接口模块和MCU模块供电。


4.如权利要求3所述的轨道交通用电池管理系统，其特征在于：MCU模块选用NXP公司的MPC5744单片机；光耦选用Everlight公司的EL817；继电器选用OMRON公司的G6DN，额定电流为5A；数字隔离器选用TI公司的ISOW7821；isoSPI收发器选用Linear公司的LTC6820；信号变压器选用PULSE公司的HM2102NL。


5.如权利要求1所述的轨道交通用电池管理系统，其特征在于：所述从板包括从板MCU模块、从板DC/DC电源模块和从板通信接口模块；从板DC/DC电源模块和从板通信接口模块均与从板MCU模块连接；从板DC/DC电源模块与从板通信接口模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：马泽宇，关炀，朱子阳，李路德，孟学东，李军，
申请(专利权)人：北京北交新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11