一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的制作方法

本实用新型涉及电动汽车的电池管理系统领域，尤其涉及一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统，属于电池管理系统的设计与优化范畴。

背景技术：

随着能源危机和环境污染的不断加剧，新能源汽车逐渐成为了新的发展趋势。电动汽车作为新能源汽车的代表，以其高效且低污染的特点越来越受到重视。然而，电动汽车在续航能力和电池使用寿命等方面存在不足，致使如何将电动汽车动力电池有限的能源充分发挥成为电动汽车发展的重要一环。

一般情况下，电动汽车的动力电池由很多电池串联组成，因而需要设计专门的电池管理系统来实现电池的监视与测量。传统电动汽车电池管理系统往往只是监视以及测量电池，用以获得电动汽车动力电池数据，却不考虑电池管理系统自身的功耗。

电池健康状态是表征电池的重要指标，是更换电池的主要依据。动力电池处于非充电状态或者非放电状态称为静置状态，测量静置状态电池参数的变化规律能准确估计电池健康状态数据。因此，当电动汽车静置时，虽然动力电池不工作，但电池管理系统要周期性地采样每个电池数据，直至准确获取各电池的SOH数值为止。只有准确估计了电池的SOH，才能确保电动汽车运行过程中最优地使用电池。

现有的电动汽车电池容量有限，为了能合理利用电动汽车动力电池存储的有限能源，并同时考虑上述电池的特性，需要降低静置时电池管理系统的功耗，减少在管理电池过程中对电量的消耗，从而提高有限电池电量的利用效率。因此，如何准确、可靠地评估电池的健康状态，并以极低的功耗实现上述功能成为电池管理系统设计的关键。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统，旨在克服现有电动汽车的电池管理系统仅仅只是监视和测量电池参数的不足，充分考虑了电动汽车电池管理系统的功耗问题。在本实用新型中，根据不同需要，电池管理系统将处于不同的运行模式以降低功耗，从而实现功耗极低的目的。

为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统，包括依次相连的控制单元、电池监视保护单元以及动力电池单元，其中，所述控制单元包括依次相连的单片机以及超级电容电路模块，所述超级电容电路模块与电动汽车的整车电源电路连接。

进一步地，所述超级电容电路模块包括二极管、电阻、MOS管Q1以及电容C1，所述二极管包括二极管D1、D2、D3，所述电阻包括电阻R1、R2、R3，其中：

所述二极管D1的正极连接所述整车电源电路的正电压Vcc、负极连接所述单片机的电源接口Vin；

所述电阻R1连接电阻R2，且电阻R1一端连接所述整车电源电路的正电压Vcc、电阻R2一端连接所述整车电源电路的负电压GND；

所述MOS管Q1的栅极连接所述电阻R1、源极连接所述电容C1、漏极连接所述二极管D3的负极，所述二极管D3的正极连接所述整车电源电路的正电压Vcc；

所述电容C1连接所述整车电源电路的负电压GND；

所述电阻R3一端连接所述二极管D3的负极、另一端连接所述MOS管Q1的源极；

所述二极管D2的正极连接所述MOS管Q1的源极、负极连接所述单片机的电源接口Vin。

进一步地，所述MOS管Q1为N沟道增强型MOS管，所述电容C1为超级电容。

进一步地，所述单片机包括SPI接口、静态存储器FRAM以及实时时钟RTC。

进一步地，所述单片机为单片机MSP430FR5989。

进一步地，所述电池监视保护单元包括电池监视保护芯片和数字隔离电路，所述电池监视保护芯片通过第一SPI连接所述数字隔离电路。

进一步地，所述数字隔离电路通过第二SPI连接所述单片机。

进一步地，所述数字隔离电路包括隔离芯片，所述隔离芯片为隔离芯片ISO7241C-Q1。

进一步地，所述电池监视保护芯片为电池监视保护芯片bq76PL536A-Q1。

采用上述技术方案后，本实用新型至少具有如下有益效果：

1、本实用新型采用了低功耗的MSP430FR5989作为主控单片机，使得整个系统能满足电池管理需要的运算能力，又具备极低功耗的特点；采用了电池监视保护芯片bq76PL536A-Q1，该芯片具有高精度的模数转换器，独立的电池电压和温度保护及电池电量平衡功能电路。通过以上方式，无需额外设计复杂的电池管理专用电路，即可完成电池管理所需的功能。

2、本实用新型控制单元和电池监视保护单元能根据需要切换运行模式，以极低的功耗实现电池管理系统，从而提高电动汽车动力电池能源的利用效率。

3、本实用新型采用超级电容电路模块作为电池管理系统的后备电源，在电动汽车静置后，无需额外的电源降压电路为主控单片机提供电源。

4、本实用新型的电池监视保护单元不仅可以实时监视电池的状态，而且可以根据电池的特性，当电池静置一段时间后其状态稳定时，开始测量电池，以获取准确的电池SOH数据。

5、本实用新型的单片机将根据电池状态和运行参数的变化特点，按照主控单片机的日历时间，将电池SOH历史变化曲线完整记录在超低功耗单片机自带的非易失铁电静态存储器中，以便于后期对电池的使用状况进行分析，无需外接存储设备。

6、本实用新型的主控单片机能根据获取的电池数据对电池的健康状况做出估计，可总结归纳各个电池的老化规律，提炼出更换电池的最佳规律。

7、本实用新型采用了带隔离的SPI，保证主控单片机与电池监视保护模块能够安全可靠运行。

附图说明

图1是本实用新型的一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的整体结构框图。

图2是本实用新型一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的带隔离的SPI接口电路示意图。

图3是本实用新型一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的数字隔离电路的电路示意图。

图4是本实用新型一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的超级电容电路模块的电路示意图。

图5是本实用新型一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的获取电池SOH数值的方法流程图。

图6是本实用新型一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的SOH的记录示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，一种自身功耗极低的电动汽车动力电池管理系统的整体结构框图，包括依次相连的控制单元、电池监视保护单元以及动力电池单元，控制单元包括依次相连的单片机以及超级电容电路模块，超级电容电路模块与电动汽车的整车电源电路连接，电池监视保护单元包括电池监视保护芯片和数字隔离电路，电池监视保护芯片通过第一SPI连接数字隔离电路，单片机包括SPI接口、静态存储器FRAM以及实时时钟RTC，数字隔离电路通过第二SPI连接单片机的SPI接口。

单片机采用TI公司的超低功耗单片机MSP430FR5989，该单片机采用精简指令集架构，具有实时控制功能和SPI、I²C等多种通讯接口。与普通的单片机相比，具有极低功耗的特点。激活模式下，功耗为100uA/MHz；待机、实时时钟和关断模式下功耗分别仅为0.4uA、0.35uA和0.02uA。该单片机采用了超低功耗且非易失性的铁电静态存储器(FRAM)，同时具有日历和报警功能的实时时钟(RTC)。此外，该芯片具有激活模式、LPM0-LPM4和LPMx.5多种低功耗模式，上述模式之间的切换可通过设置状态寄存器相应的位来实现。

保护芯片采用了TI公司的bq76PL536A-Q1，该芯片可用于对6节串联锂离子电池的监视与保护。电池如果垂直堆叠，至多可监视192个电池，监视垂直堆叠电池的bq76PL536A-Q1通过隔离的SPI与主控单片机进行数据通讯，无需额外增加隔离组件，主控单片机即可得到电池的状态数据。该芯片集成了高速逐次逼近型的模数转换器，能够快速测得电池电压，具备过压、欠压和温度保护功能，同时带有电池电量均衡控制的功能。芯片bq76PL536A-Q1也具有低功耗的睡眠模式，该模式下功耗仅为12uA，主控单片机可通过隔离的SPI来设置该芯片相应寄存器的状态位来实现该芯片不同运行模式之间的切换。

如图2所示，电池监视保护单元通过带隔离的SPI接口电路与主控单片机进行通讯。图中，单片机MSP430FR5989经过数字隔离电路与电池监视保护芯片的SPI接口相连。数字隔离电路上3.3V电源与单片机的3.3V相同，对应相同的地；电源Vcc-1与上述单片机的电源独立且对应不同的地，Vcc-1对应的地与外部的SPI网络的地相连。

如图3所示，数字隔离电路主要采用的是隔离芯片ISO7241C-Q1。ISO7241CF-Q1是具有4个数字隔离通道且带有使能端的高速隔离芯片，其中3个通道同向，1个通道反向，适合SPI通讯。通过该隔离方案的设计，避免了控制单元和电池监视保护单元之间互相窜扰，特别是高频瞬态干扰，保护控制单元免受损害；也避免了存在较大电位差的两单元之间出现地环流，产生共模噪声。该设计不仅不影响两个单元正常的数据传输，而且提高了动力电池管理系统的安全性和可靠性。

如图4所示，超级电容电路模块作为电池管理系统主控单片机的后备电源以并联的方式接入至主控单片机的电源。超级电容电路模块包括若干个二极管、若干个电阻、MOS管Q1以及电容C1，二极管包括二极管D1、D2、D3，电阻包括电阻R1、R2、R3。其中，二极管D1的正极连接整车电源电路的正电压Vcc、负极连接单片机的电源接口Vin；电阻R1连接电阻R2，且电阻R1一端连接整车电源电路的正电压Vcc、电阻R2一端连接整车电源电路的负电压GND；MOS管Q1的栅极连接电阻R1、源极连接电容C1、漏极连接二极管D3的负极；二极管D3的正极连接整车电源电路的正电压Vcc；所述电容C1连接整车电源电路的负电压GND；电阻R3一端连接二极管D3的负极、另一端连接MOS管Q1的源极；二极管D2的正极连接MOS管Q1的源极、负极连接单片机的电源接口Vin。

Vcc为整车电源电路的输出电源，Vin为主控单片机的输入电源，C1为超级电容，Q1为N沟道增强型MOS管。当汽车正常运行，也即KEY为ON时，触点闭合，Vcc提供电源；当汽车停止运行处于静置状态，也即KEY为OFF时，触点断开，Vcc等于零，电源由超级电容提供。

超级电容电路模块的工作原理如下：汽车上电初期，也即KEY为ON时，Vcc将提供电源，为了避免超级电容C1充电瞬间电流过大，使用了阻值较大的R3作为限流电阻。同时，为了保证超级电容具备一定充电速度，通过Q1对电容C1进行充电。选择适当阻值的R1和R2，利用MOS管Q1的栅极和源极之间的电压差来控制合适的电流对C1进行充电。当电容C1电压的升高到一定值，Q1将关断，超级电容C1通过R3进行充电，直到C1的电压达到(Vcc-Vd)为止，其中Vd为二极管D3的导通压降。汽车正常运行时，也即KEY为ON时，二极管D2截止，D1、D3导通，单片机电源直接由Vcc提供。当汽车处于静置状态，即KEY为OFF时，Vcc为零。此时，二极管D2导通，电源Vin由超级电容C1放电来提供，同时，二极管D1、D3截止，避免电流产生回流。从而，当汽车处于静置状态后，无需额外的降压电路将整车12V或者24V电压降至单片机需要的电源电压。

所述电动汽车动力电池管理系统可以按照电动汽车的运行状态及电池参数测量的需要切换至不同的运行模式，从而达到功耗极低的目的。本实施例将按电动汽车的运行状态进行说明。

(a)电动汽车处于正常运行状态或者充电状态。该状态下，单片机和电池监视保护单元处于正常运行模式，二者电源由整车电源电路提供，完成电池管理系统所需的功能。电池监视保护单元实时监测电池数据，包括电池电压、温度等，并将获得的数据通过隔离的SPI传输至主控单片机。单片机基于各个电池的测量数据计算电池的状态和运行参数。

(b)电动汽车处于静置状态。该状态下，电动汽车既不运行也不进行充电。电池监视保护单元与单片机将根据需要切换运行模式，以减少对动力电池电量的消耗，达到极低功耗的目的。

在本实施例中，电池管理系统进入低功耗的睡眠模式的步骤如下：

首先，单片机通过隔离的SPI控制保护芯片bq76PL536A-Q1的IO_CONTROL[SLEEP]位，使该芯片进入睡眠模式，但仍保留SPI通讯功能。

其次，单片机在设置好唤醒方式(如采用定时中断的唤醒方式)后，控制状态寄存器SR的[CPUOFF]、[OSCOFF]、[SCG0]和[SCG1]位，使得自身进入低功耗模式。在本实施例中，将使得该单片机进入LPM3.5的极低功耗运行模式。

如此，电池管理系统将进入睡眠的低功耗模式。电池管理系统由睡眠模式唤醒至正常运行模式的步骤如下：

首先，通过定时中断，单片机将被唤醒恢复至激活模式。

其次，单片机恢复至激活模式后，通过隔离的SPI控制保护芯片bq76PL536A-Q1的IO_CONTROL[SLEEP]位，使得电池监视保护单元也恢复至正常运行模式。

如此，电池管理系统恢复至正常的运行模式。

此外，电池健康状态是表征电池的重要指标，是更换电池的主要依据。测量静置状态电池参数的变化规律能准确估计电池健康状态数据。因此，当电动汽车静置时，虽然动力电池不工作，但电池管理系统要周期性地采样每个电池数据，直至准确获取各电池的SOH数值为止。只有准确估计了电池的SOH，才能确保电动汽车运行过程中最优地使用电池。在本实施例中，将采用如下的电池数据获取方法：

首先将动力电池组静置30分钟。随后，当电池开路电压的变化速率小于5uV/s时，测量每个电池的开路电压以准确获取每个电池数据。在满足上述条件后，电池管理系统每间隔200s测量一次电池开路电压直到准确获取各个电池的SOH数值为止。

在本实施例中，为了能准确获取电池的SOH数值同时降低电池管理系统的功耗，采用如下实施方式：

如图5，一种自身低功耗的电动汽车动力电池管理系统获取电池SOH数值的实施步骤如下：

步骤S101：电动汽车的KEY处于OFF时，电池处于静置状态，单片机由超级电容供电，电池监视保护单元直接由动力电池供电。单片机设置定时中断，时间为30分钟。单片机和电池监视保护单元都切换至低功耗的睡眠模式以降低电池管理系统的功耗。动力电池静置30分钟后，进入步骤S102。

步骤S102：单片机由定时中断唤醒首先恢复至激活模式，并通过隔离的SPI控制bq76PL536A-Q1使得电池监视保护单元也恢复至正常运行模式。至此，电池管理系统恢复正常运行模式。电池管理系统正常运行后，进入步骤S103。

步骤S103：当电池的开路电压的变化速率小于5uV/s时，进入步骤S105，启动电池参数测量，否则进入步骤S104。

步骤S104：单片机控制电池监视保护单元进入低功耗的睡眠模式，主控单片机设置定时中断，时间设置为5分钟，随后亦进入极低功耗的睡眠模式。电池管理系统处于低功耗运行模式，动力电池静置5分钟后，进入步骤S102。

步骤S105：电池管理系统开始测量各个电池的开路电压，每隔200秒电池管理系统苏醒一次，测量电池参数，测量完毕则进入低功耗睡眠模式。如此循环，直至测量次数到达100次为止，系统在正常运行模式和低功耗睡眠模式间切换，以极低的功耗实现电池的状态和参数的获取。每次完成电池开路电压的测量，可根据既定的算法得到电池的阻抗和电池的实际容量，每次测量将不断更新上述二者的值，直到测量完成。测量完成后，进入步骤S106。

步骤S106：电池参数测量完成，单片机首先通过隔离的SPI控制电池监视保护单元进入睡眠模式。对于获取参数，单片机将对每个电池SOH的衰减以历史趋势图的方式记录至铁电静态存储器中。完成记录后，单片机再次进入低功耗模式。整个电池管理系统进入长时间的低功耗睡眠模式，减少电池管理系统的功耗。

在记录时，主控单片机能对每个电池SOH的衰减以历史趋势图的方式进行记录。假设SOH的定义如下：

其中，Q_act为电池的实际容量，Q_r为电池的额定容量。

单片机根据实时得到的电池数据，计算出每个电池当前的SOH值，若当前SOH值与上一次记录的SOH历史值相比发生变化，则通过日历时钟获得上一个SOH值的存续时间，把存续时间与SOH值存储至单片机的非易失性铁电存储器中。如图6所示，某电池部分SOH的记录示意图。假定变化阈值为1％，对于某一次测量的SOH值，单片机将读取上一次记录的SOH历史值，如果本次测量的SOH与上次记录的SOH值之差超过1％，那么主控芯片根据日历时钟得到本次测量点与上次记录点的时间差距得到存续时间，并将存续时间和当前的SOH值存储至FRAM对应的变量或者结构体中。该方法不仅能有效利用存储空间，而且无需外接存储设备即可有效记录每个电池的状态参数。由此，可得到每个电池的衰减曲线，获取更换电池的最佳策略。

通过上述电池管理系统不同运行模式之间的切换，电池管理系统以极低的功耗实现了所需要的功能，并以极低功耗准确测量得到每个电池SOH衰减历史趋势图，减少了电池管理系统的功耗，达到了自身功耗极低的目的。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。