用于电动汽车的电池管理系统及具有它的电动汽车的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出一种用于电动汽车的电池管理系统，电动汽车包括动力电池组，动力电池组分为N个子电池组，该电池管理系统包括：N个子电池管理器，每个子电池管理器包括：用于采集对应的子电池组的状态信息的采集装置；处理器，与采集装置相连，以根据状态信息得到对应的子电池组的荷电状态以及对对应的子电池组进行监控和管理；主控制器，与N个子电池管理器相连，接收来自N个子电池管理器上传的数据，以对其进行控制以便对动力电池组进行控制和均衡管理。本实用新型具有很好的灵活性和实时数据处理能力，能够对每个电池组进行自适应控制管理，同时也能对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护和能量控制管理。本实用新型还提出一种电动汽车。
【专利说明】用于电动汽车的电池管理系统及具有它的电动汽车
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电池管理【技术领域】，特别涉及一种用于电动汽车的电池管理系统及具有它的电动汽车。
【背景技术】
[0002]电池组作为电动汽车的主要动力来源，对电池本体进行实时的管理是非常必要的，电动汽车动力电池需要一个良好的电池管理系统，包括电池监测单元(MCU)和电池控制单元(BCU)，对电池进行包括电池状态监测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理以及电池信息管理等功能，因此电池管理系统本身软硬件设计十分复杂。
[0003]目前，天津大学发表的学术论文“嵌入式电动汽车电池管理系统”中已经提出采用FPGA作为控制器设计的独立分组式SOPC嵌入电池管理系统，其采用CAN总线独立分组管理，但是由于各个分组电池管理单元采用相同FPGA结构，只适用于所有分组电池模块特性相同的情况，实际上各个电池模块特性各异，各个电池管理单元的结构应当与各自控制的电池组特性相匹配，即使所有电池模块组特性大致相似，但各个模块组由于结构的差异其老化程度肯定不同，因此其特性差异随着使用时间推移会越来越明显，因此各个分组电池管理单元结构要需根据自身控制的电池模块组自行设计，同时要根据电池模块组的老化程度对其进行自适应控制，而且FPGA主要为硬件设计，对于复杂的自适应控制和浮点数据处理能力均不如DSP，每个电池管理单元只采用FPGA不能对动力电池进行实时有效控制管理。另外该分组式电池管理系统结构中没有采用一个主控制器对将整个电池系统进行综合的状态分析、能量控制和均衡管理，不能对各个电池管理单元进行统一管理，当电池组数量较多、数据处理情况较复杂时不能满足实际要求。目前，用于电动汽车的电池管理系统采用单片机作为处理器的集中式管理系统性能和稳定性较差，能提供的管理功能也不完善，而基于CAN总线的采集板和主控板方案，相应的硬件电路要复杂很多，且存在着如下问题:不具有硬件浮点运算能力，难以实现复杂的算法，特别是对于电池SOC (State of Charge,荷电状态)的估算，许多先进算法仍然只能停留在实验与仿真阶段。采用汽车级数字信号处理器DSP芯片的BMS(Battery Management System,电池管理系统)与采用单片机的管理系统相比其软硬件配置相对于控制对象电动汽车的动力电池组来讲固定，对于不同的动力电池组种类和数量必须重新设计软硬件，不方便在现有系统上进行改动，而且增加了设计成本。
实用新型内容
[0004]本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。
[0005]为此，本实用新型的一个目的在于提出一种用于电动汽车的电池管理系统，该系统具有很好的灵活性和实时数据处理能力，能够对每个电池组进行自适应控制管理，同时也能对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护和能量控制管理。
[0006]本实用新型的另一目的在于提出一种电动汽车。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型第一方面提出了一种用于电动汽车的电池管理系统，所述电动汽车包括动力电池组，所述动力电池组分为N个子电池组，所述N为正整数，所述用于电动汽车的电池管理系统包括:与N个子电池组一一对应地相连的N个子电池管理器，每个子电池管理器包括:用于采集对应的子电池组的状态信息的采集装置；与所述采集装置相连的处理器，根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态以及对所述对应的子电池组进行监控和管理；与所述N个子电池管理器相连的主控制器，接收来自所述N个子电池管理器上传的数据，对所述N个子电池管理器进行控制以便对所述动力电池组进行控制和均衡管理。
[0008]根据本实用新型的用于电动汽车的电池管理系统，结合主控制器较高的灵活性和处理器较强的实时数据处理能力，能够对着各自控制的子电池组的特性改变进行自适应控制和处理，另外，主控制器控制N个子电池管理器，既能对每个子电池组进行自适应控制管理，同时能够根据所有子电池组的综合数据信息对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护以及能量控制管理，以便对动力电池组进行能量均衡管理。
[0009]另外，根据本实用新型上述的用于电动汽车的电池管理系统还可以具有如下附加的技术特征:
[0010]在一些示例中，所述采集装置包括:用于采集所述对应的子电池组的端电压的电压采集装置；用于采集所述对应的子电池组的输出电流的电流采集装置；用于采集所述对应的子电池组的温度的温度传感器；其中，所述电压采集装置、所述电流采集装置和所述温度传感器均与对应的处理器相连。
[0011]在一些示例中，还包括:多个子FPGA模块，所述多个子FPGA模块分别一一对应地设置在每个处理器与对应的采集装置之间。
[0012]在一些示例中，还包括:多个A/D转换器，其中，每个子FPGA模块通过一个A/D转换器与对应的采集装置相连。
[0013]在一些示例中，所述主控制器为FPGA。
[0014]在一些示例中，所述处理器为DSP。
[0015]本实用新型第二方面还提出了一种电动汽车，包括本实用新型第一方面提出的一种用于电动汽车的电池管理系统。
[0016]根据本实用新型的电动汽车，采用软核处理器FPGA和DSP相结合的独立分组管理的电动汽车电池管理系统，且其基于CAN总线独立分组管理的嵌入式电动汽车电池管理系统结构，因而能够充分结合FPGA较高的灵活性和DSP较强的实时数据处理能力，能够随着各自控制的子电池组的特性改变进行自适应控制和处理，另外，主控制器(FPGA)控制N个子电池管理器，既能对每个子电池组进行自适应控制管理，同时能够根据所有子电池组的综合数据信息对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护以及能量控制管理，以便对动力电池组进行能量均衡管理，以满足实际需求。
[0017]本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:[0019]图1为根据本实用新型一个实施例的用于电动汽车的电池管理系统的总体结构图；
[0020]图2为根据本实用新型一个实施例的用于电动汽车的电池管理系统的结构图；以及
[0021]图3为根据本实用新型一个实施例的电动汽车的结构图。
【具体实施方式】
[0022]下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0023]在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为
基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0024]在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0025]以下结合附图描述根据本实用新型实施例的用于电动汽车的电池管理系统。
[0026]图1是根据本实用新型一个实施例的用于电动汽车的电池管理系统的总体结构图。如图1所示，电动汽车包括动力电池组，动力电池组分为N个子电池组，N为正整数，N个子电池管理器分别与N个子电池组一一对应地相连。
[0027]图2是根据本实用新型一个实施例的用于电动汽车的电池管理系统的结构图，如图2所示，根据本实用新型一个实施例的用于电动汽车的电池管理系统1000包括子电池管理器100和主控制器200，其中子电池管理器100包括处理器110和采集装置120。
[0028]采集装置120用于采集对应的子电池组的状态信息，子电池组的状态信息包括:子电池组的端电压(其中也包括子电池组中的每个电池单体的电池单体电压)、输出电流和温度，采集装置120将状态信息发送至与之相连的处理器110，处理器110根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态，以及对子电池组进行安全状态分析和故障诊断，主控制器200与N个子电池管理器100通过CAN总线相连，处理器110将子电池组的荷电状态、安全状态分析结果和故障诊断结果通过CAN总线发送至主控制器200，主控制器200接收到处理器110上传的数据后，与整车控制器进行通信，将数据发送至整车控制器，并对相应的子电池管理器100进行控制以便对动力电池组进行控制和均衡管理。具体的，主控制器200根据数据对子电池组进行综合管理和状态分析，并生成控制命令，通过CAN总线发送至处理器110，处理器110接收到主控制器200的控制命令后，处理器110对对应的子电池组进行监控和管理，包括处理器110根据控制命令对子电池组进行安全保护、能量控制管理和均衡操作管理。同时需要说明的是，处理器Iio也可以控制N个子电池组之间通过CAN总线进行通信。
[0029]在这里需要说明的是，采集装置120采集对应的子电池组的端电压、输出电流和温度的采样周期不同，所以本实用新型的电池管理系统1000的每个子电池管理器100是一个多采样周期的系统设计。其中输出电流的采集，因为进行SOCXState of Charge，荷电状态)在线估算时需要实时获取，而实际过程中输出电流的变化可能非常快，因此需要较高的采样频率，端电压的采集则考虑到实际过程中端电压的变化相对缓慢，因此采样周期可选择适中，温度的采集则受到转换时间的限制，采样周期可选择较长。
[0030]根据本实用新型的用于电动汽车的电池管理系统，结合主控制器较高的灵活性和处理器较强的实时数据处理能力，能够对着各自控制的子电池组的特性改变进行自适应控制和处理，另外，主控制器控制N个子电池管理器，既能对每个子电池组进行自适应控制管理，同时能够根据所有子电池组的综合数据信息对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护以及能量控制管理，以便对动力电池组进行能量均衡管理。
[0031]继续结合图2所示，在本实用新型的一些实施例中，采集装置120包括电压采集装置121、电流采集装置122和温度传感器123，电压采集装置121、电流采集装置122和温度传感器123均与对应的处理器110相连。
[0032]采集装置120用于采集对应的子电池组的状态信息，子电池组的状态信息包括:电压采集装置121采集的子电池组的端电压(其中也包括子电池组中的每个电池单体的电池单体电压)、电流采集装置122采集的输出电流和温度传感器123采集的温度，采集装置120将状态信息发送至与之相连的处理器110，处理器110根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态，以及对子电池组进行安全状态分析和故障诊断，主控制器200与N个子电池管理器100通过CAN总线相连，处理器110将子电池组的荷电状态、安全状态分析结果和故障诊断结果通过CAN总线发送至主控制器200，主控制器200接收到处理器110上传的数据后，与整车控制器进行通信，将数据发送至整车控制器，并对相应的子电池管理器100进行控制以便对动力电池组进行控制和均衡管理。具体的，主控制器200根据数据对子电池组进行综合管理和状态分析，并生成控制命令，通过CAN总线发送至处理器110，处理器110接收到主控制器200的控制命令后，处理器110对对应的子电池组进行监控和管理，包括处理器110根据控制命令对子电池组进行安全保护、能量控制管理和均衡操作管理。同时需要说明的是，处理器110也可以控制N个子电池组之间通过CAN总线进行通信。
[0033]在这里需要说明的是，采集装置120采集对应的子电池组的端电压、输出电流和温度的采样周期不同，所以本实用新型的电池管理系统1000的每个子电池管理器100是一个多采样周期的系统设计。其中输出电流的采集，因为进行SOCXState of Charge，荷电状态)在线估算时需要实时获取，而实际过程中输出电流的变化可能非常快，因此需要较高的采样频率，端电压的采集则考虑到实际过程中端电压的变化相对缓慢，因此采样周期可选择适中，温度的采集则受到转换时间的限制，采样周期可选择较长。
[0034]继续结合图2所示，在本实用新型的一些实施例中，每个子电池管理器100还包括子FPGA模块130，子FPGA模块130分别——对应地设置在每个处理器110与对应的采集装置120之间。
[0035]处理器110通过子FPGA模块130控制采集装置120采集对应的子电池组的状态信息，子电池组的状态信息包括:电压采集装置121采集的子电池组的端电压(其中也包括子电池组中的每个电池单体的电池单体电压)、电流采集装置122采集的输出电流和温度传感器123采集的温度，采集装置120将状态信息通过子FPGA模块130发送至处理器110，处理器110根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态，以及对子电池组进行安全状态分析和故障诊断，主控制器200与N个子电池管理器100通过CAN总线相连，处理器110将子电池组的荷电状态、安全状态分析结果和故障诊断结果通过CAN总线发送至主控制器200，主控制器200接收到处理器110上传的数据后，与整车控制器进行通信，将数据发送至整车控制器，并对相应的子电池管理器100进行控制以便对动力电池组进行控制和均衡管理。具体的，主控制器200根据数据对子电池组进行综合管理和状态分析，并生成控制命令，通过CAN总线发送至处理器110，处理器110接收到主控制器200的控制命令后，处理器110通过子FPGA模块130对对应的子电池组进行监控和管理，包括处理器110根据控制命令通过子FPGA模块130对子电池组进行安全保护、能量控制管理和均衡操作管理。同时需要说明的是，处理器110也可以控制N个子电池组之间通过CAN总线进行通信。
[0036]在这里需要说明的是，采集装置120采集对应的子电池组的端电压、输出电流和温度的采样周期不同，所以本实用新型的电池管理系统1000的每个子电池管理器100是一个多采样周期的系统设计。其中输出电流的采集，因为进行SOCXState of Charge，荷电状态)在线估算时需要实时获取，而实际过程中输出电流的变化可能非常快，因此需要较高的采样频率，端电压的采集则考虑到实际过程中端电压的变化相对缓慢，因此采样周期可选择适中，温度的采集则受到转换时间的限制，采样周期可选择较长。
[0037]继续结合图2所示，在本实用新型的一些实施例中，每个子电池管理器100还包括A/D转换器140，每个子FPGA模块130通过一个A/D转换器140与对应的采集装置120相连。
[0038]处理器110通过子FPGA模块130控制采集装置120采集对应的子电池组的状态信息，子电池组的状态信息包括:电压采集装置121采集的子电池组的端电压(其中也包括子电池组中的每个电池单体的电池单体电压)、电流采集装置122采集的输出电流和温度传感器123采集的温度，A/D转换器140将端电压的模拟信号、输出电流的模拟信号和温度的模拟信号转换为端电压的数字信号、输出电流的数字信号和温度的数字信号，并通过子FPGA模块130发送至处理器110，处理器110根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态，以及对子电池组进行安全状态分析和故障诊断，主控制器200与N个子电池管理器100通过CAN总线相连，处理器110将子电池组的荷电状态、安全状态分析结果和故障诊断结果通过CAN总线发送至主控制器200，主控制器200接收到处理器110上传的数据后，与整车控制器进行通信，将数据发送至整车控制器，并对相应的子电池管理器100进行控制以便对动力电池组进行控制和均衡管理。具体的，主控制器200根据数据对子电池组进行综合管理和状态分析，并生成控制命令，通过CAN总线发送至处理器110，处理器110接收到主控制器200的控制命令后，处理器110通过子FPGA模块130对对应的子电池组进行监控和管理，包括处理器110根据控制命令通过子FPGA模块130对子电池组进行安全保护、能量控制管理和均衡操作管理。同时需要说明的是，处理器110也可以控制N个子电池组之间通过CAN总线进行通信。
[0039]在这里需要说明的是，采集装置120采集对应的子电池组的端电压、输出电流和温度的采样周期不同，所以本实用新型的电池管理系统1000的每个子电池管理器100是一个多采样周期的系统设计。其中输出电流的采集，因为进行SOCXState of Charge，荷电状态)在线估算时需要实时获取，而实际过程中输出电流的变化可能非常快，因此需要较高的采样频率，端电压的采集则考虑到实际过程中端电压的变化相对缓慢，因此采样周期可选择适中，温度的采集则受到转换时间的限制，采样周期可选择较长。
[0040]在这里需要说明的是，可以分别为电压采集装置121、电流采集装置122和温度传感器123各配置一个A/D转换器140，当配置两个以上的A/D转换器140时，子FPGA模块130可以通过自身的逻辑选通控制功能，控制A/D转换器140轮流选通电压采集装置121、电流采集装置122和温度传感器123进行工作。子FPGA模块130的逻辑选通控制功能的逻辑控制接口电路，以往采用单片机来完成，由于可用的I/O (Input/Output，输入/输出)管脚有限，需要另外的一片CPLD (Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)来实现多路辑选通控制功能，而子FPGA模块130控制采集装置120进行采集则可以利用子FPGA模块130拥有大量用户可以自定义的1/0管脚的优势，直接将逻辑选通控制功能通过软件编程来实现。
[0041]在这里需要说明的是，主控制器200为FPGA，处理器110为DSP。
[0042]根据本实用新型实施例的电池管理系统，采用FPGA结合DSP的硬件结构，充分发挥了 FPGA的配置灵活和DSP强大的实时数据处理能力，能够对动力电池组进行自适应控制和管理。同时根据本实用新型实施例的电池管理系统，采用FPGA作为主控制器与整车控制器进行通信，并对子电池管理器通过CAN总线上传的数据进行统一管理，以便对整个动力电池组进行综合管理和状态分析，并发送控制命令进行安全保护、能量控制管理和均衡管理等自适应控制管理，符合实际的需求。并且根据本实用新型实施例的电池管理系统，实现了分组式管理和控制，可以针对不同的电池单体种类和子电池组数量进行方便的扩展，在原有软硬件的基础上改动很小。
[0043]图3是根据本实用新型一个实施例的电动汽车的结构图，电动汽车2000包括电池管理系统1000，电池管理系统1000包括子电池管理器100和主控制器200，其中子电池管理器100包括处理器110、采集装置120、子FPGA模块130和A/D转换器140。采集装置120包括电压采集装置121、电流采集装置122和温度传感器123。其功能如上述用于电动汽车2000的电池管理系统1000。
[0044]根据本实用新型实施例的电动汽车，采用软核处理器FPGA和DSP相结合的独立分组管理的电动汽车电池管理系统，且其基于CAN总线独立分组管理的嵌入式电动汽车电池管理系统结构，因而能够充分结合FPGA较高的灵活性和DSP较强的实时数据处理能力，能够随着各自控制的子电池组的特性改变进行自适应控制和处理，另外，主控制器(FPGA)控制N个子电池管理器，既能对每个子电池组进行自适应控制管理，同时能够根据所有子电池组的综合数据信息对整个电池系统进行综合状态分析、安全保护以及能量控制管理，以便对动力电池组进行能量均衡管理，以满足实际需求。
[0045]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0046]尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。
【权利要求】
1.一种用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述电动汽车包括动力电池组，所述动力电池组分为N个子电池组，所述N为正整数，所述用于电动汽车的电池管理系统包括: 与N个子电池组一一对应地相连的N个子电池管理器， 每个子电池管理器包括: 用于采集对应的子电池组的状态信息的采集装置； 根据对应的子电池组的状态信息得到对应的子电池组的荷电状态以及对所述对应的子电池组进行监控和管理的处理器，所述处理器与所述采集装置相连； 接收来自所述N个子电池管理器上传的数据，对所述N个子电池管理器进行控制以便对所述动力电池组进行控制和均衡管理的主控制器，所述主控制器与所述N个子电池管理器相连。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述采集装置包括: 用于采集所述对应的子电池组的端电压的电压采集装置； 用于采集所述对应的子电池组的输出电流的电流采集装置； 用于采集所述对应的子电池组的温度的温度传感器； 其中，所述电压采集装置、所述电流采集装置和所述温度传感器均与对应的处理器相连。
3.根据权利要求1或2所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，还包括:多个子FPGA模块，所述多个子FPGA模块分别一一对应地设置在每个处理器与对应的采集装置之间。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，还包括:多个A/D转换器，其中，每个子FPGA模块通过一个A/D转换器与对应的采集装置相连。
5.根据权利要求1任一项所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述主控制器为FPGA。
6.根据权利要求1任一项所述的用于电动汽车的电池管理系统，其特征在于，所述处理器为DSP。
7.—种电动汽车,其特征在于,包括:如权利要求1-6任一项所述的用于电动汽车的电池管理系统。
【文档编号】B60L11/18GK203752922SQ201320778849
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】周述易, 张君鸿, 赵景辉, 杨重科 申请人:北汽福田汽车股份有限公司