用于使用少量绝缘元件发送二次保护信号和诊断信号的电池管理系统的制作方法与工艺

本公开涉及用于发送二次保护信号和诊断信号的电池管理系统(BMS)，更具体而言，涉及用于使用少量绝缘元件发送二次保护信号和诊断信号的BMS。本申请要求于2013年10月25日在大韩民国提交的韩国专利申请第10-2013-0127905号的优先权，其公开内容通过引用包含于本文。本申请要求于2014年10月15日在大韩民国提交的韩国专利申请第10-2014-0139329号的优先权，其公开内容通过引用包含于本文。

背景技术：
由于其易于应用到各类产品的特性以及诸如高能量密度的电特性，二次电池不仅普遍应用于便携设备，而且广泛应用于由电机推动的电动车辆(EV)、混合动力电动车辆(HEV)或能量存储系统。由于其显著减少化石燃料的使用以及不产生来自于能量的使用的副产物的主要优点，二次电池正获得关注，使其成为新的环境友好并且节能的能量源。二次电池可以通过元件之间的电化学反应来反复充电和放电，所述元件包括阴极集流体、阳极集流体、隔膜、活性材料、电解液等。举例而言，广泛使用的锂聚合物二次电池具有在大约3.7V到大约4.2V的范围内的操作电压。因此，为了得到用于电动车辆的高功率电池组，多个单元的二次电池单体被串联连接以构造电池组。除了基本结构，电池组进一步包括电池管理系统(BMS)，以通过将用于电源控制的算法应用到诸如电机的驱动负载、诸如电流或电压的电特性值的测量、充电/放电控制、电压均衡控制、电量状态(SOC)估计等，来监视和控制二次电池的状态。最近，随着对于高容量结构以及作为能量存储源的利用的需求上升，对于多模块结构的电池组的需求也在上升，在所述多模块结构的电池组中组装了包括多个二次电池单体的多个电池模块。因为多模块结构的电池组包括多个二次电池单体，使用单个BMS控制全部二次电池单体或多个电池模块的充电/放电状态存在着限制。因此，已经引入了新的技术，其中电池管理单元(BMU)被设置到电池组中包括的每个电池模块，这些BMU被指定为从单元，并且另外设置了主BMS以控制从属单元，使得每个电池模块的充电和放电以主-从模式得到控制。图1是示意地示出根据现有技术的BMS100与外部设备10的连接状态的框图。参考图1，设置了BMS100，其包括八个从单元210以及一个主单元211。而且，BMS100连接到了电池组110，电池组110包括多个串联连接的二次电池单体111。BMS100控制电池组110的充电和放电，并且进一步地，测量包括在电池组110中的二次电池单体111的电压。BMS100从外部设备10接收与充电和放电相关联的控制信号，并发送与二次电池单体111的状态相关联的数据。然而，如上所述，因为电池组110包括串联连接的多个单元的二次电池单体以获得用于电动车辆等的高功率电池组，外部设备10需要从BMS100电气隔开，以防止外部设备10由于高电压而受损。为此目的，连接并使用了光耦合器，其能够在电气隔开外部设备10与BMS100的同时发送并接收电信号。光耦合器也称为光电耦合器。光耦合器对应于包括光发射源(输入)和光检测器(输出)的开关元件。一般而言，红外发光二极管(LED)被用作光发射源，响应于光而接通的光电二极管或光电晶体管被用作光检测器。从而，当电流流向输入侧时，光发射源发射光，然后输出侧，即光电二极管或光电晶体管接通。这就是说，光耦合器是设计为通过光而非电耦合来接通或断开的开关元件。当光耦合器用于将外部设备10连接到BMS100时，优点是外部设备10可以与BMS100电气隔开。同样，在发送数据信号时可以防止导致高电压电流从电池组110输入到外部设备10侧的反向电流，并且可以减少在电池组110的充电和放电期间产生的电磁波的影响。当BMS以主-从模式运行时，为了提供对于可能出现在主单元211的故障的防护，从单元210可以配置为将与二次电池单体111相关联的信息直接递送到外部设备10。图1示出了每个从单元210发送到外部设备10以采取对于主单元211中的故障的防护的三种类型的数据。发送自从单元210的“2nd_PROT”信号指表示二次电池单体111被过冲超过预设电压的信号。发送自从单元210的“低于VPROT(UnderVPROT)”信号指表示二次电池单体111被过放低于预设电压的信号。发送自从单元210的“诊断(Diag)”信号指表示经过从单元210的自诊断是否已经出现异常的信号。如此，每个从单元210向外部设备10发送三种类型的数据，而当这样的从单元210的数量是八个时，为将外部设备10连接到从单元210所需要的光耦合器的总数量是二十四个。光耦合器相比于其他电子或电气元件是更加昂贵的元件，这是BMS制造成本上升的因素。因此，需要对于这样的BMS的研究，其在保持BMS100与外部设备10的绝缘的同时，将信号从包括在BMS100中的从单元210发送到外部设备10。

技术实现要素：
技术问题设计本公开以解决现有技术的问题，并且因此本公开针对于提供一种用于使用少量绝缘元件的发送二次保护信号和诊断信号的电池管理系统(BMS)。技术方案为实现该目标，根据本公开的电池管理系统是管理电池组的系统，并且包括：N个电池管理单元，所述电池管理单元配置为管理包括在所述电池组内的二次电池，其中N是大于或等于2的自然数；N个通信线路，所述通信线路电气连接到各自电池管理单元以向控制所述电池管理系统的外部设备发送数据；绝缘元件，所述绝缘元件配置为在电气隔开所述外部设备和所述电池管理系统的同时发送信号；开关，所述开关配置为通过控制信号选择性地将所述N个通信线路中的任意一个连接到所述绝缘元件；以及开关控制器，所述开关控制器配置为向所述开关输出控制信号，其中，每个电池管理单元通过时间分割发送至少两份数据。根据本公开的绝缘元件可以是光耦合器。根据本公开的电池管理系统可以进一步包括电平位移器，该电平位移器连接在每个电池管理单元与所述通信线路之间。根据本公开的电池管理系统，在具有开关控制器的电池管理系统中，开关控制器可以通过绝缘元件连接到外部设备，并且可以受所述外部设备控制。根据本公开的示例性实施例，每个电池管理单元可以使用ADSYNC通过时间分割发送至少两份数据，其中ADSYNC在数据发送准备段以及数据发送段的起始点改变信号的逻辑电平。在该实例中，包括在所述ADSYNC的数据发送段中的所述至少两份数据可以具有相同的每项数据的宽度，以及远离所述数据发送段的起始点的数据的宽度可以宽于接近所述起始点的数据的宽度。在后一种情况下，远离数据发送段的起始点的数据的宽度可以比接近数据发送段的起始点的数据的宽度宽5％。而且，在ADSYNC的数据发送段中可以包括指示数据之间的边界的脉冲。根据本公开的示例性实施例，所述N个电池管理单元可以进一步包括同步线路，以建立用于与邻近的其他电池管理单元的同步的电气连接。在本实例中，N个电池管理单元可以通过ADSYNC执行同步。N个电池管理单元可以分别输出自激ADSYNC并且可以被同步到输出的自激ADSYNC中的任意一个，以及所述N个电池管理单元可以被同步到从所述N个电池管理单元输出的自激ADSYNC之中具有最窄的数据发送准备段宽度和最窄的ADSYNC周期宽度的自激ADSYNC。有益效果根据本公开，可以使用少量绝缘元件将电池管理系统连接到外部设备。附图说明所附附图示出了本公开的优选实施方式，并且连同上述公开用于提供本公开的技术精神的进一步理解，从而，本公开不应解释为限于附图。图1是示意地示出根据现有技术的电池管理系统(BMS)与外部设备的连接状态的框图。图2至6是示意地示出根据本公开的BMS的架构的框图。图7是示出ADSYNC的配置的波形图。图8是示出根据本公开的从电池管理单元(BMU)输出的自由运行的ADSYNC的波形图。图9是示出根据本公开的示例性实施例的已同步的自由运行的ADSYNC的波形图。具体实施方式下文中，将参考所附附图具体描述本公开的优选实施方式。在描述之前，应当理解，说明书和所附权利要求中使用的术语不应当被理解为受限于一般的和字典的含义，而是应当基于发明人为了最好的阐释而允许适当地限定术语的原则，基于对应于本公开的技术领域的含义和概念进行解释。因此，本文所提出的描述只是用于说明目的的优选示例，无意限制本公开的范围，因此应当理解为，在不偏离本公开的精神和范围的情况下可以对其作出其他等同形式或修改。图2至6是示意地示出根据本公开的电池管理系统(BMS)101-106的架构的框图。下文中，在参考图2至6的根据本公开的BMS101-106的描述中，应当理解，具有相同附图标记的元件表示执行相同功能的元件。从而，稍后将提供每个元件的具体描述，而下述描述基于每个实施例之间的差别作出。首先，描述如图2所示的根据本公开的第一实施例。为方便理解，根据本公开的第一实施例的BMS101与图1所示的根据现有技术的BMS100一同描述。图2所示的每个电池管理单元(BMU)310与各自通信线路330连接。这就是说，不似现有技术，通信线路的数量不随着待发送数据的数量增长而增长。第一实施例的特征在于，每个BMU310通过各自通信线路330向外部设备10发送数据。从而，每个BMU310通过时间分割发送至少两份数据。同样，每个BMU310通过绝缘体元件一对一地连接到外部设备10。在本公开中，绝缘体元件可以是光耦合器320。因为前文提供了光耦合器320的描述，所以本文省略了重复的描述。接下来，描述如图3所示的根据本公开的第二实施例。为方便理解，根据本公开的第二实施例的BMS102与图2所示的根据本公开的第一实施例的BMS101一起描述。当比较根据本公开的第二实施例的BMS102与根据第一实施例的BMS101时，可见，在BMU310到外部设备10的连接中使用了一个光耦合器(上方描绘的320)。同样，可见，包括开关350和开关控制器340的选择性连接装置被应用，以将BMU310选择性地连接到外部设备10。同样，可见，添加了光耦合器(下方描绘的320)，以控制开关控制器340。从而，光耦合器320的总数量是两个。开关350用于通过开关控制器340的控制信号将通信线路330中的任何一个选择性地连接到光耦合器320。在本实例中，开关控制器340通过光耦合器320连接到外部设备10，并且可以通过外部设备10进行控制。具有通过开关350连接到光耦合器320的通信线路330的BMU310可以向外部设备10发送数据。接下来，描述如图4所示的根据本公开的第三实施例。为方便理解，根据本公开的第三实施例的BMS103与图3所示的根据本公开的第二实施例的BMS102一起描述。根据本公开的第三实施例的BMS103包括代替包括开关350和开关控制器340的选择性连接装置的将BMU310连接到外部设备10的计算器360。计算器360可以自由地和选择性地将BMU310连接到光耦合器320。计算器360的部件可以实施为包括逻辑电路的电子电路模块。电子电路模块的示例可以包括专用集成电路(ASIC)。然而，本公开不限于此。具有通过开关360连接到光耦合器320的通信线路330的BMU310可以向外部设备10发送数据。接下来，描述如图5所示的根据本公开的第四实施例。为方便理解，根据本公开的第四实施例的BMS104与图4所示的根据本公开的第三实施例的BMS103一起描述。根据本公开的第四实施例的BMS104包括代替计算器360的将BMU310连接到外部设备10的信号混合器370。信号混合器370指将N个数据信号混合为一个并且输出单一信号的设备。信号混合器370为本领域技术人员所熟知，本文将省略其详细描述。信号混合器370电气连接到N个通信线路330中的每一个。同样，信号混合器370将接收自每个BMU310的信号混合为一个。从而，从N个BMU310输出的信号混合为一个并且发送到外部设备10。接下来，描述如图6所示的根据本公开的第五实施例。为方便理解，根据本公开的第五实施例的BMS105与图5所示的根据本公开的第四实施例的BMS104一起描述。在根据本公开的第五实施例的BMS105中，可见，每个BMU310通过一个通信线路330电气连接到信号混合器370。从而，信号混合器以相继的顺序接收从N个BMU310输出的信号，将信号混合为一个，并且将单一信号发送到外部设备10。在根据本公开的示例性实施例的描述中，光耦合器320被示出为将外部设备10连接到BMS101-105的元件。光耦合器320是在发送信号的同时将外部设备10从BMS101-105电气隔开的绝缘元件的示例。从而，本公开的范围不限于表现为绝缘元件的示例的光耦合器320。在该实例中，根据本公开的BMS101-105可以进一步包括电平位移器390，其电气连接在每个BMU310与通信线路330之间。电平位移器390指以期望范围的电位值将输入信号输出的设备。电平位移器390为本领域技术人员所熟知，本文将省略其详细描述。根据本公开的BMS101-105包括N个BMU310。N个BMU管理包括在电池组110中的二次电池111。通过BMU310对包括在电池组110中的二次电池111的管理代表执行各种类型的普通水平上的可应用的控制，包括充电/放电电流、包括每个二次电池111的电压或电流的电特性值的测量、充电/放电控制、电压均衡控制、电量状态(SOC)估计等。在本实例中，电池组110包括至少一个二次电池111，并且二次电池111不限于特定类型。每个二次电池可以包括可再冲并且需要考虑充电或放电电压的锂离子电池、锂聚合物电池、Ni-Cd电池、Ni-MH电池以及Ni-Zn电池。同样，包括在电池组110中的二次电池111的数量可以基于所需的输出电压或充电/放电容量来不同地设定。然而，本公开不受限于二次电池111的类型、输出电压和充电容量等。同样，尽管图2至6显示了二次电池串联连接的实施例，本公开不受限于二次电池111的连接方式。不似现有技术，根据本公开的BMU310通过一个通信线路330发送至少两份数据。从而，至少两份数据通过时间分割输出为数据信号。为此目的，根据本公开的BMU310可以使用ADSYNC通过时间分割发送至少两份数据，ADSYNC在数据发送准备段以及数据发送段的起始点改变信号的逻辑电平。ADSYNC是一种用于BMU310与外部设备10之间的数据发送和接收的通信协议。这就是说，BMU310通过指定方法发送两份数据，并且外部设备10通过指定方法接收和读取该至少两份数据。图7是示出ADSYNC的配置的波形图。ADSYNC的一个周期由数据发送准备段和数据发送段组成。为区分数据发送准备段和数据发送段，ADSYNC在数据发送准备段以及数据发送段的起始点改变信号的逻辑电平。数据发送准备段允许作为高逻辑电平信号(H)的输出，而数据发送段允许作为低逻辑电平信号(L)的输出。高逻辑电平可以设定为5V而低逻辑电平可以设定为0V，但是本公开不限于该示例。在本实例中，如果附图中示出的数据发送准备段被解释为预设最小宽度，而一个周期被解释为ADSYNC周期的预设最小宽度，则会容易理解。通过ADSYNC同步的BMU310和外部设备10可以在数据发送段期间在预设宽度内发送和接收所收集的数据。从图7所示的数据发送段的起始点，“2nd_PROT”、“UnderVPROT(低于VPROT)”和“Diag(诊断)”可以以相继顺序发送。显然，数据发送顺序可以不同地设定。下文中，ADSYNC周期表示由数据发送准备段和数据发送段组成的一个信号周期(ADSYNC周期＝数据发送准备段+数据发送段)。包括在ADSYNC的数据发送段中的至少两份数据可以具有相同的宽度或彼此不同的宽度。当包括在ADSYNC的数据发送段中的至少两份数据具有彼此不同的宽度时，远离数据发送段的起始点的数据的宽度宽于接近数据发送段的起始点的数据的宽度。例如，远离数据发送段的起始点的数据的宽度比接近数据发送段的起始点的数据的宽度宽5％。当数据接收侧，即外部设备10侧，或数据发送侧102使用电阻器-电容器(RC)振荡器来检测或发送信号时，在发送和接收之间可能出现大约5％或更多的误差。显然，误差随着RC振荡器性能的提升而减小，但是随着性能变得更高，RC振荡器的成本变高。从而，当做出发送至少两份数据的尝试时，考虑到可能的误差，通过增加每项数据的宽度，例如增加5％，而在不使用高性能RC振荡器的情况下启用数据的通信。当误差为-5％～+5％而且发送具有预定宽度时，可发送和可接收数据的数量限制为九个或更少。如同7所示，可见，以每项数据的渐增的宽度来发送数据。而且，在ADSYNC的数据发送段中可以包括指示数据之间的边界的脉冲。在本实例中，当在实际要使用的系统中预期的误差较大时，数据的增加宽度可以在宽度上增加。而且，根据本公开的BMU310可以进一步包括同步线路，以建立用于与邻近的其他BMU同步的电气连接。在该实例中，BMU310通过ADSYNC执行同步。当每个BMU测量电压或进行自诊断的时刻存在差别时，电压测量会不正确地执行或者通过电压测量所获得的数据可能对外部设备10没有帮助。从而，BMS101-106需要执行全部BMU310的同步操作并发送数据。为此目的，自激ADSYNC通过在BMU310之间互联的同步线路输入。本文使用的自激ADSYNC指用于BMU310之间的同步的预备信号。图8是示出根据本公开的从BMU310输出的自激ADSYNC的波形图。参考图8，可见，从BMU单元1到单元8输出的自激ADSYNC在数据发送准备段的宽度上和ADSYNC周期的宽度上不同。每个BMU310的自激ADSYNC可以用于通过同步线路来识别全部BMU310。在本实例中，根据本公开的BMU310被同步到输出的自激ADSYNC中的任意一个。根据本公开的示例性实施例，BMU310被同步到从多个BMU310输出的自激ADSYNC之中具有最窄的数据发送段宽度和最窄的ADSYNC周期宽度的自激ADSYNC。图9是示出根据本公开的示例性实施例的已同步的自激ADSYNC的波形图。一同参考图8和9，在图8中可见，单元8的数据发送准备段的宽度最窄而且自激ADSYNC的一个周期最早。从而，根据本公开的示例性实施例，图9中可见，单元1和单元2的自激ADSYNC被与单元8的自激ADSYNC同步。随后，每个BMU310根据已同步的ADSYNC周期测量二次电池111的电压或进行故障诊断。而且，当每个BMU310向外部设备10发送数据时，BMU310可以确定其数据的发送顺序。根据本公开，可以使用少量绝缘元件来连接BMS和外部设备。同时，在本公开的描述中，应当理解，图2至6中所示的本公开的每个元件或部件是在逻辑上区分的而不是在物理上区分的。这就是说，每个元件或部件对应于实现本公开的技术精神的逻辑元件或部件，因此，应当理解，尽管每个元件或部件是整合的或分开的，如果本公开的逻辑元件或部件执行的功能可以被实现，其落入本公开的范围，并且如果其是执行一致的或相似的功能的元件或部件，不论名称是否一致其都落入本公开的范围。尽管本公开是与有限数量的实施例和附图相关地在上文描述的，但是本公开不限于此，并且应当理解，本领域技术人员可以在本发明的技术精神和所附权利要求的等同形式的范围内做出各种修改和改变。