专利名称：一种混合动力汽车用动力电池组管理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电池组管理系统技术领域，尤其涉及混合动力汽车用动力电池组
管理系统。
背景技术：
节能和环保已经成为当今社会的重要主题，混合动力汽车及电动汽车是未来汽车 产业的发展趋势。动力电池组是混合动力汽车的关键部件，其性能将影响整车的整体特性。 动力电池组属于二次电池，由很多个单组电池模块串联而成，因此各个单组电池间的一致 性是否良好会影响电池组的性能。此外，动力电池组在汽车的各种工况下循环进行充放电， 所以动力电池组的充放电性能、循环使用寿命，电池组温度变化、电池组容量变化等也会影 响电池组的工作特性。电池组管理系统能够实时监测电池组的总电流、总电压、单组电池模 块电压、电池组温度，并能估算电池组容量，实时传送数据给整车控制系统。电池组管理系 统对混合动力电池组的安全起着重要作用。在已有技术中，对电池组电压、电流采样精度 不高，这导致对电池组的电池容量估算不精确；对单组电池间的一致性没有有效检测，没有 检测电池组温度特性；与动力总成控制系统的通讯多采用串口通讯技术导致数据传输不可 靠，抗干扰能力差。
发明内容本实用新型为了解决以上问题，设计出一种动力电池组管理系统。 本实用新型提出的动力电池组管理系统由MCU模±央，电源模块，继电器控制模块，
电流传感器模块，电压采集模块，温度传感器模块，绝缘检测模块，HANDSHAKE收发模块，CAN
收发模块，RS232收发模块构成。该管理系统能够控制电池组的上下电和充放电，对电池组
的电流、电压、温度、S0C即荷电状态、绝缘性能进行综合监测和管理，并把数据传送给动力
总成控制系统。 所述电源模块与MCU模块相连用于给MCU模块提供5V电源，提供直流5V、 ± 15V 等多路稳定电压给电池组管理系统的附属器件。 所述电压采集模块用于测量电池组每个单组模块电压和电池组总电压，通过高共 模抑制比放大器测量电池电压，通过精密放大器构成负反馈增益电路调节增益，将采集到 的电压送入MCU用于后续的分析处理。 所述电流传感器模块用于采集电池组充放电过程中的充放电电流，送入MCU用于 后续的分析处理。 所述温度传感器模块用于检测电池组充放电过程中电池温度，防止充放电过程温 度过高。 所述绝缘检测模块用于监测动力电池组与车体之间是否可靠分离，防止电池组漏 电。各个温度传感器自带ID，把每个温度传感器的地线、数据线、电源线进行合并，采用一根 数据总线来进行通信。[0010] 电流传感器模块、电压采集模块、温度传感器模块、绝缘检测模块的输出端分别连 接至所述MCU模块的输入端口 ，实现MCU模块对检测数据的采集； 所述MCU模块的输出端口与继电器控制模块相连，通过控制继电器的吸合、断开 来控制电池组是否向外供电；继电器控制模块用来控制动力电池组是否向外面提供动力供 给。 所述MCU模块还分别与HANDSHAKE收发模块、CAN收发模块和RS232收发模块相 连，分别用于通过HANDSHAKE收发模块协调整车控制系统与MCU模块之间的通信、保证数据 传输的有序性、有效性；通过CAN收发模块进行其他控制器与MCU间的数据通信及程序的标 定与诊断；通过RS232收发模块用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、参数的修 正。 在所述MCU模块中，进行检测数据的采集和分析、收发控制信号，它能够控制电池 组的上下电过程，记录保存各模拟量(总电流、总电压、单组电池电压、温度)的转换结果， 监视镍氢动力电池组的综合状态量。如果检测的某个状态量持续超过预先设定的阀值达到 一定的时间，则设置相应的故障标志，发出警报并执行相应的继电器操作(如果有必要)。 同时，还要根据串口发送过来的数据修改对应的修正参数值，并将这些参数值存储于寄存 器中。 该系统能够提高电池组电流、电压采集精度，对电池组的多点温度进行检测，提高 在整车实际工况中系统数据传输的可靠性。
图1为本实用新型提出的动力电池组管理系统总体结构框图。 图2为本实用新型提出的动力电池组管理系统MCU外围电路原理图。 图3为本实用新型提出的动力电池组管理系统电源模块原理图。 图4为本实用新型提出的动力电池组管理系统继电器控制模块原理图。 图5为本实用新型提出的动力电池组管理系统电流传感器模块采集原理图。 图6为本实用新型提出的动力电池组管理系统电压采集模块原理图。 图7为本实用新型提出的动力电池组管理系统温度传感器模块采集原理图。 图8为本实用新型提出的动力电池组管理系统绝缘检测模块原理图。 图9为本实用新型提出的动力电池组管理系统HANDSHAKE收发模块原理图。 图10为本实用新型提出的动力电池组管理系统CAN收发模块原理图。 图11为本实用新型提出的动力电池组管理系统RS232收发模块原理图。 图12为本实用新型提出的动力电池组管理系统MCU软件整体流程图。 图13为本实用新型提出的动力电池组管理系统MCU模拟量采集流程图。 图14为本实用新型提出的动力电池组管理系统CAN收发流程图。 图15为本实用新型提出的动力电池组管理系统MCU电池组状态估算流程图。 图16为本实用新型提出的动力电池组管理系统MCU监控流程图。 图17为本实用新型提出的动力电池组管理系统RS232收发流程图。
具体实施方式以下以单组电池为10只/组、电池组为120节电池的动力电池组管理系统为例来 详细说明本实用新型。 图1给出电池组管理系统的总体结构图。该动力电池组管理系统包括MCU模块， 采集/分析数据、收发控制信号；电源模块，给各种用电器件提供稳定电源；继电器控制模 ±央，控制继电器的吸合、断开来控制电池组是否向外供电；电流传感器模±央，采集电池组充 放电过程中的充放电电流；电压采集模块，测量电池组各个模块电压和总电压；温度传感 器模块，检测电池组充放电过程中电池组温度；绝缘检测模块，监测动力电池组与车体之间 是否可靠分离；HANDSHAKE收发模块，协调整车控制系统与MCU之间的通信；CAN收发模块， 进行其他控制器与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断；RS232收发模块，用于进行电池 组管理系统状态监控、程序的标定、参数的修正。
以下结合附图对电池组管理系统的各个模块分别进行详细说明。 1 、 MCU外围电路如图2所示 为了达到本管理系统的功能要求，MCU控制器应具备以下主要参数 參最大工作频率> 40MHz ; 參1M片内FLASH, 64K片内RAM, 4K片内EEPROM ; 參5路CAN控制器； 參24路A/D ; 參144脚封装。 该MCU具有强大的功能。24路A/D转换通道使得不需另接A/D转换芯片就能够将
所有需要的模拟信号量采集。 2、电源模块原理图如图3所示 本电池组管理系统使用到的供电电源有5V， 士15V。因此考虑在本系统中使用两 片稳压管将12V电源稳压到5V输出， 一路5V输出给CPU供电， 一路5V输出给传感器供电； 用另一片稳压管输出士15V模拟电源给传感器及电池组管理系统其他辅助器件供电；并在 电源输入前端加入二极管做反向保护。这样采用多路电路分别给MCU和传感器供电，有利 于系统的抗干扰性。 3、继电器控制模块原理图如图4所示 动力总成控制系统通过安全线给继电器提供驱动电源。MCU通过一块控制芯片实 现信号驱动和负载的诊断保护，输出高低电平控制信号来控制MOS管的闭合与导通实现继 电器的吸合与开启。 4、电流传感器采集原理图如图5所示 电池组在整车的实际工况中，电流的变化范围为OA 200A之间。为了保证电流
采集的精度，采用精度较高的霍尔电流传感器检测电池组总电流的变化。传感器采集电流
信号后，经一电流充放电判断电路检测电池组的充放电状态，后将检测到的电流经一精密
放大器后输入MCU进行采样处理。 5、电压模块采集原理图如图6所示 在整车实际工况中，随着电池组充放电的进行，电池组的电压不断变化。为了防止 电池组的过充或过放，所以要实时检测电池组的总电压。此外，单组电池之间电压的一致性也会大大影响电池组的性能，所以也有必要检测每个单组电池模块的电压。为了能够测量 较宽范围的电压，将电池组两侧电压接至一高共模放大器，再经由另一放大器和精密电阻 构成的增益回路后输入给MCU进行采样。电压采集模块采用高共模抑制比放大器和负反馈 增益电路来进行电压采集。 6、温度传感器采集原理图如图7所示 电池组温度也是影响电池组性能的重要参数，电池组温度过高或过低会造成电池 组不可逆转破坏。采用数字式温度传感器，各个温度传感器自带ID，把每个温度传感器的地 线、数据线、电源线进行合并，采用一根数据总线来进行通信。 7、绝缘检测模块原理图如图8所示 绝缘检测模块用来测试判定动力电池组与车体是否可靠分离。由二极管构成的单 向电路只有一路二极管导通，工作电源12V经过稳压管和电阻分压后，与二极管导通那路 电路输入负反馈电路后输出电压，输出电压与另一路工作电源经稳压管和电阻分压后的电 压进行比较。当动力电池组与车体不可靠分离，电压比较器输出为高电平，点燃发光二极 管，报绝缘故障。 8、 HANDSHAKE收发模块原理图如图9所示 HANDSHAKE收发模块用于MCU与动力总成控制系统之间通信的协调，保证数据传
输的有序性。MCU的HANDSHAKEOUT输出一个高电平控制信号给动力总成控制系统，M0S管导
通，HANDSHAKE被拉低，此信号输入动力总成控制系统，告诉动力总成控制系统MCU已经准
备好通信。当动力总成控制系统接收数据完后，输出一个高电平控制信号给MCU，告诉MCU
动力总成控制系统已经准备好通信。 9、 CAN收发模块原理图如图10所示 采用CAN收发器来进行MCU与动力总成控制系统及其他控制器之间CAN通信。CAN 通信采用了光耦隔离等技术，通信抗干扰能力强，通信比较稳定。CAN通信能够用于动力总 成控制系统与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断。 10、 RS232收发模块原理图如图11所示 RS232收发模块采用芯片MAX232转换电平，采用标准电路进行通信。RS232收发
模块，用于进行电池组管理系统程序的标定、参数的修正。 11、电池组管理系统MCU软件整体流程图如图12所示 程序开始运行后，首先进行初始化及读取上次掉电时的各种参数，然后进行A/D 采样，采样完后，进行CAN数据收发，接着根据传送过来的数据进行电池组各种状态估算， 并启动对电池组各状态量的监测。如果此间串口接收中断，就进行串口收发，完成对各种参 数的修正及程序的标定。 12、 MCU模拟量采集流程图如图13所示 程序开始运行后，MCU首先对电池组模块电压、温度进行初始化，启动定时器准备 进行模拟量采集。第一次采样先采集电池组总电流；第二次采样采集电流及总电压、模块电 压；第三次采样采集电池组各个温度传感器感应温度。各种数据采集完后都要对其软件滤 波，将数据保存至相应的数据空间，以待后续数据处理。 13、电池组管理系统CAN收发流程图如图14所示 根据整车CAN协议，整车控制器需要电池组管理系统实时向CAN上发送周期为10ms的2帧、周期为100ms的3帧和周期为Is的1帧，共计6帧数据，每帧的数据长度均为 64bit。为了合理的分配邮箱，设计了将CAN邮箱2、邮箱3分别设置为周期为10ms的两帧 数据ID，在程序运行时保持不变；周期为100ms的三帧数据共享CAN邮箱4，在程序运行时 动态改变ID ;CAN邮箱5设置为周期为Is的一帧数据ID，在程序运行时保持不变。此外， 还设计了两个全局静态变量CtrCAN100ms和CtrCANls用来为CAN发送信息计时。 14、电池组管理系统MCU电池组状态估算流程图如图15所示 该任务是所有任务中最耗时的一项任务，承担了电池组管理系统核心的计算工 作，包括电池组的SOC，最高、最低温度，最大、最小充放电功率，最大、最小充放电电流，最 大、最小模块电压等。 15、电池组管理系统MCU监控流程图如图16所示 该任务的主要职能是根据CAN上发来的信息控制整车上下电逻辑；监视镍氢动力 电池组的各状态量，设置相应的阀值计数器，如果检测的某个状态量持续超过预先设定的 阀值达到一定的时间，则需要设置相应的故障标志位，发出警报并执行相应的继电器操作 (如果有必要)。同时，还要根据串口发送过来的数据修改对应的修正参数值，并将这些参 数值存储于寄存器中。 16、电池组管理系统MCU之RS232收发流程图如图17所示 为了减少软件系统CPU的占用时间，该任务在系统上电后自动将自身挂起，即不 执行任何操作任务流程。 该任务的挂起和恢复都是通过串口接收中断实现的当上位PC机通过RS232发送 启动或停止串口通讯的指令时，串口接收中断服务子程序将相应的请求标志位置位来恢复 和挂起串口发送接收任务。 串口发送的常规数据1 6包括总电压、总电流、模块电压和温度，以及SOC，同 时还有故障状态标志位和各继电器状态标志位。通过RS232，将这些数据上传至PC中，以便 显示和监视。 参数列表包括了该电池组管理系统的A/D采样修正参数，主要有充放电电流修正 参数、总电压修正参数以及温度修正参数等。由于每个电池组管理系统存在着个体差异，这 些参数需要经过校正实验来确定，保存在寄存器中，系统每次重新上电的时候从寄存器中 读取到RAM中使用。 系统启动后，任务挂起，待AD采样完成后，开始发送常规数据。如果有发送参数列 表请求，则发送参数数据包；否则做延时处理。
权利要求一种混合动力汽车用动力电池组管理系统，该管理系统把数据传送给动力总成控制系统；其特征在于该动力电池组管理系统包括MCU模块、电源模块、继电器控制模块、电流传感器模块、电压采集模块、温度传感器模块、绝缘检测模块、HANDSHAKE收发模块、CAN收发模块和RS232收发模块；所述电源模块与MCU模块相连用于给MCU模块提供5V电源，所述电压采集模块用于测量电池组每个单组模块电压和电池组总电压，所述电流传感器模块用于采集电池组充放电过程中的充放电电流，所述温度传感器模块用于检测电池组充放电过程中电池温度，所述绝缘检测模块用于监测动力电池组与车体之间是否可靠分离，电流传感器模块、电压采集模块、温度传感器模块、绝缘检测模块的输出端分别连接至所述MCU模块的输入端口，实现MCU模块对检测数据的采集；所述MCU模块的输出端口与继电器控制模块相连，通过控制继电器的吸合、断开来控制电池组是否向外供电；所述MCU模块还分别与HANDSHAKE收发模块、CAN收发模块和RS232收发模块相连，分别用于通过HANDSHAKE收发模块协调整车控制系统与MCU模块之间的通信、通过CAN收发模块进行其他控制器与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断、通过RS232收发模块用于进行电池组管理系统状态监控、程序的标定、参数的修正；在所述MCU模块中，进行检测数据的采集和分析、收发控制信号。
2. 根据权利要求1所述的混合动力汽车用动力电池组管理系统，其特征在于电源模 块采用分离的多路供电电路，提供5V电源分别给MCU模块及传感器供电，提供士15V模拟 电源给动力电池组管理系统其它辅助器件供电，并在电源输入前端加入二极管做反向保 护。
3. 根据权利要求1所述的混合动力汽车用动力电池组管理系统，其特征在于电压采 集模块采用高共模抑制比放大器和负反馈增益电路来进行电压采集。
4. 根据权利要求1所述的混合动力汽车用动力电池组管理系统，其特征在于各个温 度传感器自带ID，把每个温度传感器的地线、数据线、电源线进行合并，采用一根数据总线 来进行通信。
5. 根据权利要求l所述的混合动力汽车用动力电池组管理系统，其特征在于采用CAN 总线来进行MCU模块与动力总成控制系统及其他控制器之间的通信，CAN通信采用光耦隔 离技术。
专利摘要本实用新型提出了一种混合动力汽车用动力电池组管理系统，该管理系统能够控制电池组的上下电和充放电，对电池组的电流、电压、温度、SOC(荷电状态)、绝缘性能进行综合监测和管理，并把数据传送给动力总成控制系统。本实用新型的控制模块包括MCU(微控制器)模块，电源模块，继电器控制模块，电流传感器模块，电压采集模块，温度传感器模块，绝缘检测模块，HANDSHAKE(握手信号)模块，CAN收发模块，RS232收发模块。本实用新型能够提高电压、电流、温度的采集精度及采集可靠性，在整车复杂的实际工况中，保证数据发送接收的稳定性和电池组使用的安全性。
文档编号H01M10/46GK201464873SQ20092012678
公开日2010年5月12日 申请日期2009年3月26日 优先权日2009年3月26日
发明者万礼华, 于进强, 任勇, 刘波, 周安建, 张后亮, 朴昌浩, 杨辉前, 苏岭 申请人:重庆长安汽车股份有限公司