新能源汽车电池管理采集子系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种新能源汽车电池管理采集子系统，包含均衡算法识别和均衡处理算法，由MCU模块、LTC6802模块、单体电压采集/放电电路、整组和半组采集电路、温度采集模块、CAN通信模块、子采集系统顺序的地址设置模块、电源处理模块和数字光耦隔离模块组成；采用LTC6802核心技术实现电池组电压的12路单体电压多路采集，整组和半组电压采集，采用温度采集电路实现16个温度采集。电池管理系统有4路CAN节点，每个CAN节点接入4个电池管理采集子系统，可实现最多192节单体电池电压的采集，16个整组电压采集，16个半组电压采集，256个温度采集，完全满足目前新能源汽车的使用需求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新能源汽车用电池管理采集子系统装置及其控制方法。
技术介绍
电池管理采集子系统作为电池管理系统的重要组成部分，承担着新能源汽车用动力电池在线监测的重要任务。其对动力电池组各单体电压、半租/成组电压、电池箱体不同场点温度的实时精确检测是电池管理系统在线SOC估算、SOH估算、热管理、充放电控制、均衡控制、故障诊断策略实施的基础，其大量数据的快速处理能力及与中央控制器的实时交互能力对整个电池管理系统有效运行也起到关键作用。但电池管理采集子系统从属于电池管理系统是最近几年随着电池技术发展和新能源汽车利用而出现的，发展历史短，系统复杂，现有技术有许多不足之处I)电池管理采集子系统在电池电压采集方面，涉及到采集通道多，组合使用时多达几百多个的问题。目前技术多采用分立元件搭建的办法，利用光电耦合器来切换采集通道，然后通过多路A/D转换器来转换，这样，采集频率低，采集周期长，并且在切换过程中会有干扰，采集精度也低，影响到整个系统性能的提高。2)多个电池管理采集子系统组合纳入电池管理系统运行时，涉及电池数目众多，最多能到几百节，数据交换量大，需要一种快速准确的数据交换方式以满足系统运行复杂性、实时性、可靠性的要求。而RS232或RS485在此方面存在局限。3)目前电池管理系统中，往往把几个电池分为一组，几百多节电池分成若干组，一般只采集单体电压，需要半组和成组电压时候往往通过累加方式来实现，而不是直接采集半组和成组电压。这样，单体电压测量误差会被累加，导致半组和成组电压测量误差增大，当需要半组和整组电压做参考或控制策略时候，就不能实现。4)分布式电池管理系统中，一般需要多达十几个采集子系统实现对几百多节电池电压的采集。实现这十几个子采集系统方便、快捷、可靠的互换是关系到生产一致性和降低维护难度，提高生产效率的重要环节，需要一种快速设置子采集系统顺序的办法提高BMS的可维护性。5)电池管理采集子系统数量多，内含模块多，功耗大，目前系统很少考虑低功耗设计。由于电池管理系统往往使用被管理的电池作为能量系统，如果没有低功耗设计功能将减少电池使用寿命并浪费资源。6)针对电池在长期使用过程中产生的不一致性问题，其技术解决方法欠缺。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种新能源汽车用电池管理采集子系统装置及其控制方法，在总结上述现有技术不足的基础上，通过对电池管理采集子系统的设计结构、电路和控制方法做出的相应改进可以解决下述技术问题I)电池管理采集子系统采用LTC6802核心技术实现电池组电压的12路单体电压多路采集，整组和半组电压采集，采用温度采集电路实现16个温度采集。一个采集子系统带有一片TLC6802，采集精度达到O. 005V,并通过SPI数据总线传输给MCU模块。这样，如果一个电池管理系统的中央控制器有4路CAN节点，每个CAN节点接入4个电池管理采集子系统，那么该系统可以实现最多192节单体电池电压的采集，16个整组电压采集，16个半组电压采集，256个温度采集，完全满足目前新能源汽车的使用需求。而且LTC6802测量快速准确，即使在电池组电压超过IOOOV的情况下，最大测量误差在-40摄氏度至85摄氏度温度范围内保证小于O. 25%。电池组中每节电池的电压测量都可以在13ms之内完成，对每节电池均进行了欠压和过压条件监视，并提供了一个相关联的MOSFET开关，用于对过充电电池进行放电，每个LTC6802通过一个IMHz串行接口进行通信，并包括温度传感器输入、GPIO线和一个精准的电压基准。相对目前技术多采用分立元件搭建，利用光电耦合器来切换采集通道，然后通过多路A/D转换器来转换的方法，LTC6802采集频率高，采集周期短，切换过程无干扰，采集精度高。2)整组/半组采集电路拓展运用了 LTC6802芯片原本预留用作温度采集的A/D转换器，利用LTC6802芯片这两个A/D转换端口采集温度实际是采集电压信号的原理，实验测算出电压比例因子，对芯片得到的Vtempl和Vtemp2的数值逆向运算从而计算出实际整组电压和半组电压。新增加的对电池组整组/半组电压的采集功能，采集精度达到O. 05V，减少由于单体电压累加带来的误差，为整个电池管理系统控制策略提供更准确的数据支持。还可增加由6802模块将各单体电压累加与模块电压、半压的对比，并将其作为故障诊断的判断条件。3)通过拨码开关的设计，使子采集系统能动态修改CAN的通信ID，这样，就能动态修改子采集系统顺序。4)采用CAN总线通信方式实现电池管理采集子系统和中央控制器间的大容量数据交换，保证数据传输的实时性和可靠性。通过相关硬件设计，每50ms采集子系统发送一次参数采集结果，并响应上级中央控制器接收中断，进行数据分析处理和标定。5)通过中央控制器和电池管理采集子系统电源处理电路分别设计，但由中央控制器MCU的引脚控制采集子系统电源通断的方法，实现系统低功耗功能，工作模式800mA，进入低功耗模式后中央系统控制器2mA，采集子系统控制器O.1mA的极低功耗，为有限电池能量的最大利用提供了基础，具有很好的节能功能；在整组/半组采集电路中当不需要整组或半组电压测量时，断开相应测量网络，不消耗功率，也进一步实现采集子系统低功耗设计相法6 )电池管理采集子系统需要采集的整组/半组电压/单体电压，这些都是高压，系统设计高低电压分离的原则，分开设计高压和低压电路，通过隔离的SPI数据总线实现数据交换，此隔离的SPI模拟量采集功能实现了电池组高电压与控制器低电压的隔离采集。7)电池管理采集子系统控制算法中集成了 LTC6802模块控制，CAN模块数据接收/发送和处理控制，数据标定控制，均衡算法控制。尤其基于容量的放电均衡思路，满足电池组一致性需求同时，还能提高整组电池最大可用容量，提高能量平台，增加汽车续驶里程。为了解决上述技术问题，本专利技术一种新能源汽车用电池管理采集子系统装置，包括MCU模块、LTC6802模块、单体电压采集/放电电路、整组和半组采集电路、温度采集模块、CAN通信模块、子采集系统顺序的地址设置模块、电源处理模块和数字光耦隔离模块；所述LTC6802模块通过单体电压采集/放电电路、整组/半组采集电路和温度采集模块实现电池组电压的12路单体电压多路采集，整组和半组电压采集和16个温度采集；所述LTC6802模块的采集精度为O. 005V,并通过SPI数据总线传输给MCU模块；所述LTC6802模块通过SPI总线依次连接至所述数字光耦隔离模块和所述MCU模块，所述MCU模块将采集到的所有电压信号进行数据分析处理；其中，所述数字光耦隔离模块采用ADUM1401，所述数字光耦隔离模块是SPI总线的隔离器，用以电气隔离，此隔离的SPI模拟量采集功能实现了电池组高电压与控制器低电压的隔离采集；所述温度采集电路通过单总线的方式与温度传感器单元连接，所述温度采集电路通过总线方式与所述MCU模块连接；所述MCU模块通过CAN接口总线与上级电池管理系统中的中央控制器连接以实现数据交互；所述单体电压采集/放电电路通过硬线与电池组高压部分相连，以实现电池组单体电压采集前处理；所述电池组与所述整组/半组采集电路相连，通过所述整组/半组采集电路的电阻网络和电压控制功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新能源汽车电池管理采集子系统，其特征在于：包括MCU模块（2001）、LTC6802模块（2005）、单体电压采集/放电电路（2002）、整组和半组采集电路（2003）、温度采集模块（2004）、CAN通信模块（2007）、子采集系统顺序的地址设置模块（2008）、电源处理模块（2009）和数字光耦隔离模块（2006）；所述LTC6802模块（2005）通过单体电压采集/放电电路（2002）、整组/半组采集电路（2003）和温度采集模块（2004）实现电池组电压的12路单体电压多路采集，整组和半组电压采集和16个温度采集；所述LTC6802模块（2005）的采集精度为0.005V，并通过SPI数据总线传输给MCU模块（2001）；所述LTC6802模块（2005）通过SPI总线依次连接至所述数字光耦隔离模块（2006）和所述MCU模块（2001），所述MCU模块（2001）将采集到的所有电压信号进行数据分析处理；其中，所述数字光耦隔离模块采用ADUM1401，所述数字光耦隔离模块（2006）是SPI总线的隔离器，用以电气隔离，此隔离的SPI模拟量采集功能实现了电池组高电压与控制器低电压的隔离采集；所述温度采集电路（2004）通过单总线的方式与温度传感器单元（400）连接，所述温度采集电路（2004）通过总线方式与所述MCU模块（2001）连接；所述MCU模块（2001）通过CAN接口总线（2007）与上级电池管理系统中的中央控制器（100）连接以实现数据交互；所述单体电压采集/放电电路（2002）通过硬线与电池组（300）高压部分相连，以实现电池组单体电压采集前处理；所述电池组（300）与所述整组/半组采集电路（2003）相连，通过所述整组/半组采集电路（2003）的电阻网络和电压控制功能，将电池组（300）高电压分成低电压，以实现所述电池组半组/整组电压采集前处理；所述单体电压采集/放电电路（2002）和所述整组/半组采集电路（2003）的另一端均连接至所述LTC6802模块（2005），以实现所有单体电压、整组电压、半组电压信号的采集；所述MCU模块（2001）经过所述LTC6802模块（2005）的均衡控制策略，并通过采集/放电电路（2002）对单体电池实现放电均衡功能；所述电源管理模块（2009）提供整个电池管理采集子系统（200）所需要的电源管理以及所述LTC6802模块（2005）所需要的电源管理；所述电源管理模块包括12V电源处理电路和12V转5V的电源处理电路，其中，所述12V电源处理电路是：+24V电源接进POWER+、POWER?两端后经过电源转换芯片TC_506进行电压转换，所述TC_506的2、4引脚输出+12V电；如果采集子系统得到+12V供电，经过12V转5V的电源处理电路中的MC78M05ABDT稳压芯片，将+12V电源转换成+5V电源，所述电源管理模块（2009）分别为所述MCU模块（2001）、CAN通信模块（2007）和温度采集电路（2004）供电； 所述12V转5V的电源处理电路中还设有防反向击穿二极管D29、保险丝F1和由电容C19和电容C20构成的滤波电路；所述单体采集/放电电路（2002）由RC滤波器和电池均衡放电电路构成，所述RC滤波器由电阻R5和电容C2组成，所述电池均衡放电电路由电阻R4、三极管Q2、稳压二极管D3和电阻R6组成；单体电池正极连接的电池线CELL2通过RC滤波器滤波，再通过稳压二极管D4处理后输出电压采集信号C2FILTER给所述LTC6802模块（2005）的A/D转换引脚C2；当电池需要均衡时，所述LTC6802模块的放电控制端S2，对应（哪个模块中的）电路DC2有效，三极管Q2导通，电池通过电阻R4放电；所述整组和半组电压处理电路包括第一、第二组分压电阻网络，其中第一分压电阻网络包括R38~R43六个电阻，第二分压电阻网络包括R44~R49六个电阻，所述第一分压电阻网络连接有三极管Q13、三极管Q14；所述第二分压电阻网络连接有三极管Q15、三极管Q16；第一第二组分压网络并联至一三极管Q17，所述三极管Q17控制整组和半组电池测量的低电位端；当需要测试时候：IO控制口GPIO1有效，三极管Q13和三极管Q14导通，整组电压加载在电阻R42和电阻R43上，整组电压分压后输入所述LTC6802模块的A/D输入转换端Vtemp1，从而完成整组电压测量；GPIO2有效，三极管Q15和三极管Q16导通，半组电压加载在电阻R48和电阻R49上，半组电压分压后输...

【技术特征摘要】
1.一种新能源汽车电池管理采集子系统，其特征在于包括MCU模块(2001)、LTC6802模块(2005)、单体电压采集/放电电路(2002)、整组和半组采集电路(2003)、温度采集模块(2004)、CAN通信模块(2007)、子采集系统顺序的地址设置模块(2008)、电源处理模块(2009)和数字光耦隔离模块(2006)； 所述LTC6802模块(2005)通过单体电压采集/放电电路(2002)、整组/半组采集电路(2003)和温度采集模块(2004)实现电池组电压的12路单体电压多路采集，整组和半组电压采集和16个温度采集；所述LTC6802模块(2005)的采集精度为O. 005V,并通过SPI数据总线传输给MCU模块(2001);所述LTC6802模块(2005)通过SPI总线依次连接至所述数字光耦隔离模块(2006)和所述MCU模块(2001 )，所述MCU模块(2001)将采集到的所有电压信号进行数据分析处理；其中，所述数字光耦隔离模块采用ADUM1401，所述数字光耦隔离模块(2006)是SPI总线的隔离器，用以电气隔离，此隔离的SPI模拟量采集功能实现了电池组高电压与控制器低电压的隔离采集；所述温度采集电路(2004)通过单总线的方式与温度传感器单元(400)连接，所述温度采集电路(2004)通过总线方式与所述MCU模块(2001)连接；所述MCU模块(2001)通过CAN接口总线(2007)与上级电池管理系统中的中央控制器(100 )连接以实现数据交互；所述单体电压采集/放电电路(2002 )通过硬线与电池组(300)高压部分相连，以实现电池组单体电压采集前处理；所述电池组(300)与所述整组/半组采集电路(2003)相连，通过所述整组/半组采集电路(2003)的电阻网络和电压控制功能，将电池组(300 )高电压分成低电压，以实现所述电池组半组/整组电压采集前处理；所述单体电压采集/放电电路(2002)和所述整组/半组采集电路(2003)的另一端均连接至所述LTC6802模块(2005)，以实现所有单体电压、整组电压、半组电压信号的采集；所述MCU模块(2001)经过所述LTC6802模块(2005)的均衡控制策略，并通过采集/放电电路(2002)对单体电池实现放电均衡功能； 所述电源管理模块(2009)提供整个电池管理采集子系统(200)所需要的电源管理以及所述LTC6802模块(2005)所需要的电源管理；所述电源管理模块包括12V电源处理电路和12V转5V的电源处理电路，其中，所述12V电源处理电路是+24V电源接进POWER+、POWER-两端后经过电源转换芯片TC_506进行电压转换，所述TC_506的2、4引脚输出+12V电；如果采集子系统得到+12V供电，经过12V转5V的电源处理电路中的MC78M05ABDT稳压芯片，将+12V电源转换成+5V电源，所述电源管理模块(2009)分别为所述MCU模块(2001)、CAN通信模块(2007)和温度采集电路(2004)供电；所述12V转5V的电源处理电路中还设有防反向击穿二极管D29、保险丝Fl和由电容C19和电容C20构成的滤波电路； 所述单体采集/放电电路(2002 )由RC滤波器和电池均衡放电电路构成，所述RC滤波器由电阻R5和电容C2组成，所述电池均衡放电电路由电阻R4、三极管Q2、稳压二极管D3和电阻R6组成；单体电池正极连接的电池线CELL2通过RC滤波器滤波，再通过稳压二极管D4处理后输出电压采集信号C2FILTER给所述LTC6802模块(2005)的A/D转换引脚C2 ;当电池需要均衡时，所述LTC6802模块的放电控制端S2，对应(哪个模块中的)电路DC2有效，三极管Q2导通，电池通过电阻R4放电； 所述整组和半组电压处理电路包括第一、第二组分压电阻网络，其中第一分压电阻网络包括R38 R43六个电阻，第二分压电阻网络包括R44 R49六个电阻，所述第一分压电阻网络连接有三极管Q13、三极管Q14 ;所述第二分压电阻网络连接有三极管Q15、三极管Q16 ；第一第二组分压网络并联至一三极管Q17，所述三极管Q17控制整组和半组电池测量的低电位端；当需要测试时候10控制口 GPIOl有效，三极管Q13和三极管Q14导通，整组电压加载在电阻R42和电阻R43上，整组电压分压后输入所述LTC6802模块的A/D输入转换端Vtempl，从而完成整组电压测量；GPI02有效，三极管Q15和三极管Q16导通，半组电压加载在电阻R48和电阻R49上，半组电压分压后输入所述LTC6802模块的A/D输入转换端Vtemp2,从而完成半组电压测量，当不测量时，IO控制口 GPIOl无效，三极管Q13和三极管Q14截止；GPI02无效，Q15、Q16截止；当所述LTC6802模块不工作时候，IO控制口 WDIB输出为高，此时三极管Q17截止； 所述温度采集电路(2004 )由两路相同的温度采集分电路构成，两路温度采集分电路对外端口 LINl和LIN2可各挂8个温度传感器(400)，所述温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，所述DS18B20通过单总线与所述MCU模块相连接；所述DS18B20数字温度传感器的信号经过流过压保护器PRTR5V0U2X滤波后，由单总线LINlRX输出8个温度值给所述MCU模块的一 I/O控制口，由单总线LIN2RX输出另外8个温度值给所述MCU模块的另一 I/O控制口。2.根据权利要求1所述新能源汽车电池管理采集子系统，其特征在于所述MCU模块(2001)采用具有CAN接口的8位微控制器，以R8C21237芯片作为标准芯片，所述R8C21237芯片的外设包括8位多功能定时器、16位定时器、时钟同步串行接口、电压检测电路、上电复位电路、高/低速片上振荡器和检测定时器；并设有UART、IIC总线接口、芯片选择时钟同步串行接口、10位A/D转换器和振荡停止检测功能；并配备有硬件LIN模块和CAN模块；所述MCU模块(2001)的最高工作频率为20MHz，具有48个I/O引脚，并嵌入有2块数据闪存。3.一种新能源汽车电池管理系统，其特征在于包括分别与上级电池管理系统中的中央控制器(100)连接的多个电池管理采集子系统(200-215)、多个电池组单元(300-315)、多个温度传感器单元(400-415)、风扇(500)、电阻丝(600)、高压继电器(700)、显示屏(800),电机控制器(900)、充电机(1000)、分流器(1100)和车身搭铁(1200);所述中央控制器(100)具有4路CAN节点，每个CAN节点同时接入4个如权利要求1所述的电池管理采集子系统，从而实现最多192节单体电池电压的采集、16个整组电压采集、16个半组电压采集和256个温度采集； 所述电池管理采集子系统(200-215)中的MCU模块(2001)与上级电池管理系统中的中央控制器(100)之间连接有地址设定模块(2008)，通过地址设定模块(2008)的拨码开关实现所述中央控制器(100)CAN不同模块的不同ID，使电池管理采集子系统能动态修改CAN的通信ID，从而实现电池管理采集子模块的快速顺序连接。4.一种新能源汽车电池管理采集子系统控制方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述新能源汽车用电池管理采集子系统的控制方法包括以下步骤 O上电启动新能源汽车用电池管理采集子系统，包括启动电源管理模块，给LTC6802模块上电，MCU模块R8C21237芯片初始化，外围设备的初始化及其状态设定； 2)初始化16位定时器一，启动20ms定时；初始化16位定时器二，启动50ms定时； 3)在第一个20ms计时过程中MCU模块通过SPI总线向LTC6802模块发送A/D转换启动命令，使其开始采集并将12路单体电压、整组电压、半组电压模拟信号转换为数字信号；4)16位定时器一每20ms计时到，MCU模块相应寄存器标志位置位，程序自动进入20ms定时到中断响应；否则跳转到步骤10)； 5)进入20ms定时到中断响应后，首先清MCU模块相应寄存器标志位，以便程序跳出中断后重新初始化16位定时器一,开始新一轮20ms计时； 6)MCU模块通过SPI总线获取LTC6802模块转换的各类电压值，之后再次启动LTC6802模块采集和A/D转换各类电压数据的功能； 7)MCU模块通过I/O单总线顺序读取16个DS18B20数字温度传感器数值； 8)通过读取采集两次标志是否置位，判断各类电压和温度数据是否都采集了两次；是，顺序执行下步；否则跳转到步骤10)； 9)清采集两次标志位，以便新一轮采集次数标定；计算每两次采集的各类数据对应的平均值，程序跳出20ms定时到中断响应； 10)16位定时器二每50ms计时到，MCU相应寄存器标志位置位，程序自动进入50ms定时到中断响应；否则跳转到步骤13)； 11)进入50ms定时到中断响应后，首先清MCU相应寄存器标志位，以便程序跳出中断后重新初始化...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘蔚，孙文涛，汪春华，王文扬，王斌，李占旗，
申请(专利权)人：中国汽车技术研究中心，
类型：发明
国别省市：