一种电动汽车电池管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及电池管理系统领域，具体涉及一种电动汽车电池管理系统。


背景技术：

2.bms(电池管理系统battery control system)是专门开发用于管理二次电池的一种系统，它不仅仅用于汽车上，还应用在很多使用二次电池的领域。对于电动汽车这样的用电设备，几节电池无论是容量还是电压等级都是远远不够的，需要通过将若干电池并联成电池包，再将电池包串联成电池组等来使用。在没有人为干预的情况下，同时充放高串数的锂电池可能会因为不可控原因引发各种问题。首先是每节电池的电压，由于电池品质不同以及木桶效应，个别电池电压过低过高都会影响到整体的性能。其次是安全问题，电动汽车将装有大量电池的电池板放置在乘员舱底部，对于三元锂电池来说一旦因为事故或其他原因导致电池发生热失控，其结果对于整车是毁灭性的。此外，剩余电量多少关系到电动汽车是否会半路抛锚，它和油量表一样必不可少。通过让电动汽车搭载bms，就可以实现对监控电池的各项参数，在必要时做出保护。它也可以给电池进行均衡、减少电池间的压差。评估电池的荷电状态，使用户可以较准确的得知电池还有多少电。
3.常用的bms有两种架构，分布式的bms与集中式的bms。集中式的 bms将采集芯片与控制芯片都集中在一块pcb板子上，因此结构紧凑，成本较低，开发难度也较小。不足之处是采集的电池数量较少，适用于一些容量低、总压低、电池系统体积小的场合。分布式的bms则由 bcu(主控单元battery control unit)与lcu(从控单元local controlunit)等构成。每一个lcu都负责监测管理一部分电池，然后将数据发送到bcu进行进一步的处理。该架构可以通过堆叠设计实现对大量电池的管理，使整个系统大为精简，也是目前在汽车领域中主流的应用架构。
4.目前，汽车级的bms均采用分布式设计，开发难度大，一个板子无法实现bms的全部功能；且分布式设计应用于高串数，高电压场合，需要几十上百节电池，电压也达到了上百伏，现阶段没有开发的条件，汽车级bms从控单元的afe芯片价格过高。因此，本实用新型选择从设计成果/要求出发，制作一款模块化的功能全面的bms。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目是提供一种电动汽车电池管理系统，该系统实现了锂电池的电压、电流、温度等信息的采集、电池的soc、热管理和电池的平衡。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
7.一种电动汽车电池管理系统，包括：串联电池、辅助电源子系统、监控子系统、驱动子系统和控制及电量计量子系统，所述串联电池分别与所述辅助电源子系统、驱动子系统串联，所述控制及电量计量子系统包括单片机mcu和电量计芯片，所述驱动子系统采用高端驱动，所述驱动子系统的驱动芯片与单片机mcu连接，所述监控子系统采用afe芯片，单片机
mcu的相关引脚分别与afe芯片和电量计芯片相连，所述辅助电源子系统包括同步降压转换器，同步降压转换器与单片机 mcu相连。
8.优选的，所述单片机mcu采用stm32f103c8t6，所述电量计芯片采用bq34z100
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g1，所述驱动芯片采用bq76200，所述afe芯片采用 bq76940。
9.优选的，所述电池连接有过压检测和保护模块，所述过压检测和保护模块采用的芯片是bq7718，所述驱动芯片的nmos晶体管构成过压检测和保护模块的开关。
10.优选的，所述电池管理系统bms利用所述驱动芯片bq76200实现高端mos驱动，在mos晶体管关断后也能稳定通讯。
11.优选的，所述电量计芯片bq34z100
‑
g1用于测量所述电池的荷电状态。
12.优选的，所述监控子系统包括bq76940的基本电路和13个采用了nmos晶体管的外部均衡电路。
13.优选的，所述控制及电量计量子系统还包含辅助电源和隔离can 模块。
14.优选的，所述单片机mcu与所述afe芯片和所述电量计都通过iic总线通信。
15.优选的，所述stm32f103c8t6自带can控制器，所述can控制器为iso1042。
16.本实用新型公开了以下有益效果：
17.本实用新型系统采用stm32f103c8t6单片机作为主控，实现了对 13节三元锂电池各项信息的监控，具备可编程的过流、短路、过压、欠压以及过热过冷保护，可进行较高电流的外部均衡；自带补偿的soc，具备最大30a的极限放电能力，在此基础上可以扩展二级硬件保护。系统还自带了电源隔离的can总线，可以向外部传递信息；此外，通过让芯片进入待机模式，本实用新型系统可以实现极低的待机功耗。本实用新型实现了锂电池的电压、电流、温度等信息的采集、电池的 soc、热管理和电池的平衡。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型系统的结构框图；
20.图2为本实用新型系统电路原理图；
21.图3为监控部分电路图；
22.图4为单个电池外部均衡电路；
23.图5为控制及电量计量电路；
24.图6为can总线用隔离电源部分电路；
25.图7为mosfet驱动电路；
26.图8为mos管高端驱动方案示意图；
27.图9为bq76200简化电路原理图；
28.图10为n mosfet外部均衡时放电回路；
29.图11为bq7718典型应用电路。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.为实现上述目的，本实用新型基于电池数量、电压等级、电池种类、功能、调试、安全性以及稳定性方面考虑，提出以下技术方案：
32.一种电动汽车电池管理系统，包括十三节串联的电池、辅助电源子系统、监控子系统、驱动子系统和控制及电量计量子系统；十三节串联电池分别与辅助电源子系统、驱动子系统串联；所述控制及电量计量子系统包括通信连接的mcu和电量计芯片；所述驱动子系统采用高端驱动，驱动芯片与mcu连接；所述监控子系统采用afe芯片， afe芯片与mcu和电量计芯片相连；所述辅助电源部分采用同步降压转换器，与mcu相连。
33.如图1所示的系统框图，mcu采用stm32f103c8t6，stm32f103c8t6 是一款非常成熟的产品，不仅功强大，而且价格相对低廉，同时由于较高的热度它的开发资料众多，在遇到问题时很容易找到应对的解决方案；该芯片属于32位的单片机，最高工作频率有72mhz，同时还有 iic，can，adc等丰富的外设功能，完全满足设计需求。
34.该系统的原理图如图2所示，由一个lm5164构成的辅助电源电路，1个冗余设计的保险电路，6个大功率n mosfet构成的充放电功率桥，1个预放电回路，两个电流采样回路(afe与电量计量用)。同时还包含三个子模块原理图：监控及平衡、控制及电量计量、mosfet 驱动。lm5164同步降压转换器可以在较宽的(6
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100v)输入电压范围内进行调节，从而最大限度地减少了对外部浪涌抑制组件的需求。 50ns的最小可控导通时间有助于实现大的降压转换比，从而能够从 48v标称输入直接降压至低压轨，从而降低了系统复杂性和解决方案成本。lm5164可在低至6v的输入电压骤降期间工作，如果需要，可在接近100％的占空比下工作，使其成为宽输入电源范围工业和高电池电量电池组应用的绝佳选择。借助集成的高端和低端功率mosfet， lm5164可提供高达1a的输出电流。恒定导通时间(cot)控制功能可以让它有几乎恒定的开关频率，同时对负载和线路瞬态响应也有很好的表现。lm5164的其他功能包括超低iq和二极管仿真模式操作，可实现高轻载效率，创新的峰值和谷值过流保护，集成的vcc偏置电源和自举二极管，精密使能和输入uvlo以及具有自动恢复功能的热关机保护。漏极开路pgood指示器提供排序，故障报告和输出电压监控。
35.如图3所示，监控部分电路包括了bq76940的基本电路以及13 个采用了nmos晶体管的外部均衡电路。这部分电路负责采集每一节电池的电压数据、三个外部ntc电阻的温度以及对每一节电池的电压进行均衡。图4为单个电池所搭配的外部均衡电路，该系统中与之相同配置的电路有13个。本实用新型选择的afe芯片为bq76940,该芯片是ti专门设计的一款afe芯片，适用于3s
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15s的电池数量，12v， 18v，24v，36v和48v电池组，同时具备非常全的功能。按照内部功能它可以细分为三个子系统：监控、保护以及其他。电池监控通过afe 来实现，这些afe在监控方面通常可以测量每节电池的电压，电包整体的电流以及一到多个热敏电阻的温度。同时有些afe也会在内部集成保护电路以及被动均衡电路。
36.控制及电量计量部分的电路如图5所示，包含mcu、电量计及辅助电源和隔离can模块等。stm32f103c8t6除了通过硬件iic与 bq76940和bq34z100
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g1通讯以外，还可以通过5
颗led显示电量。将原本不用的4个io口引出来，这样调试时使其可以通过串口向电脑发送数据或者通过模拟iic外接一个0.96寸的oled屏模块。为单片机等低压用电器供电的低压降(ldo)稳压器使用了tlv704系列，该系列的ldo最高支持24v的输入电压，静态下的功率消耗也极低。
37.图6为can总线用隔离电源部分电路，can收发器iso1042的供电部分属于隔离供电，这样整个pcb即便发生高压故障也不会影响到 can通信另一端的设备。iso1042所需的5v隔离供电是通过sn6501 电源驱动器和一个小功率贴片变压器实现的。
38.图7为实现高端驱动的驱动电路。除了控制充放电mos功率桥外还可以通过mcu使能bq76200的第七引脚“pmon_en”，使其第10引脚“packdiv”输出一个相当于pack+的电压。该电压信号通过低温漂的分压电阻对分压，再经过电容滤波后送到mcu对应的adc引脚，从而实现对pack+电压的监控。该设计将作为后续软件设计中检测负载是否存在，充电器是否接上的重要部分。
39.在本系统中，电池与外界的电气连接从原理上说是通过两个大功率mos管来实现的。当mos管放在低端时，由于在mos管关断后会出现单片机mcu与电池监控器(即afe)不共地的情况。这时mcu与监控器的通讯会发生错误，如果不通过外加手段将mcu与监控器断开， mcu对外的通讯口会进来一个高压，有损坏mcu芯片的可能。
40.当mos管放在高端时，以上问题就可以避免。不过放在高端也会导致mos管处于浮地状态，要想驱动必须通过电荷泵用更高的电压才行。为了在mos关断后也能稳定通讯，应采用高端mos的方案，如图 8所示。本实施例电池管理系统bms设计选择使用一颗bq76200来实现驱动高端mos管。
41.bq76200是一款用于驱动高侧nmos的功耗较低的驱动芯片。采用高侧保护可以避免低侧系统中接地引脚断开时电池组与主机系统间无法持续通信的情况。该器件附加的p沟道fet控制功能支持对深度耗尽型电池进行低电流预充电，其pack+电压监控控制功能支持主机测量pack+的电压。bq76200器件可以与配套的模拟前端器件搭配使用，例如bq76920/30/40系列、3节至15节电池模拟前端监控以及主机微控制器或专用的充电状态(soc)跟踪电量监测计器件。图9 为bq76200简化电路原理图。
42.常用的电池均衡有两种方法：主动均衡与被动均衡，主动均衡需要较为复杂的外部升降压电路实现能量转移，开发成本较高。被动均衡则通过大功率电阻将过剩的电量以热量的形式耗散掉。均衡电流的大小可以通过修改回路中功率电阻的阻值来改变。在本设计场合，被动方案更容易实现，且稳定可靠。故采用被动均衡方案。此处为了提高均衡电流不使用bq76940的内部电路，而是设计外部电路来实现。在外部被动均衡电路中根据使用n mos与p mos的不同又出现了两种放电回路，在进行电池热插拔的过程中，p mos容易因冲击影响导致被击穿等故障。故选择如图10所示的n mos做为外部均衡回路的开关。
43.电量估算有多种方法，为了减小开发难度可以使用ti现成的电量计芯片。ti的电量计算法可以分为cedv(comparison end ofdischarge voltage)放电截止电压补偿法与it(impedance track) 阻抗跟踪算法。cedv算法是对电池的放电截至点(edv)结合实际过程中的负载情况，温度条件，以及其他的相关的条件进行补偿从而实现对电池容量的估算。这种算法在准备好前期测试的模型数据后估算结果比较精准，上百安培的大电流场合也可以应对。但在低温环境下表现不佳，也不会对电池自然老化进行补偿。之后ti又推出了融合
开路电压法与电流积分法优点的阻抗跟踪技术。这种技术通过实时计算电池的阻抗来进行算法补偿而不是完全根据预先测定的模型来估算，因此可以提供更精确的电量估算。bq34z100
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g1电量计芯片利用了ti的阻抗跟踪技术，可以对电池的老化和自放电做出补偿。它可以用来给锂离子、lifepo4、pba、nimh、nicd化合物电池进行电量计量，支持3
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65v的电池包电压以及高达32a的充放电电流。在不扩展倍率的情况下最高可以支持29ahr的电池容量。通讯部分支持两线制的iic接口或者单线制的hdq接口。调试时可以通过上位机对它快速进行前期配置，后期只需要利用单片机发送指令采集其记录的数据即可。stm32f103c8t6自带can控制器，只需在外部接上规格匹配的can 收发器就能投入使用，本实施例选择的can收发器是iso1042。
44.iso1042器件是一款符合iso11898
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2(2016)标准规格的电隔离控制器局域网(can)收发器。可以工作在(
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40℃至+125℃)的范围内。它的直流总线故障保护范围高达
±
70v，同时具有
±
30v的共模电压范围。该器件在can fd模式下最高支持5mbps数据速率，与经典can相比可实现更为快速的载荷传输。根据不同封装型号它可以耐受1060vrms到5000vrms的工作电压。电磁兼容性得到了显著增强，可实现系统级esd、eft和浪涌并符合辐射标准。当它用隔离电源供电时，能抵御高电压的冲击同时防止总线的噪声电流进入本地接地中。
45.为了提高硬件的扩展性，要为二级保护预留接口。bq7718系列产品可以用于锂离子电池组系统的过压监测和保护。它作为硬件保护时刻都在监控每一节电池是否出现了过压状态，而且每路监控通道都是独立的，不会互相产生影响。为了实现更快速的产品线测试，bq7718 器件可提供延迟时间大幅减少的客户测试模式(ctm)。在bq7718器件正常工作时，一旦任意一节电池上检测到过压情况就会启动一个外部延迟定时器。当这个定时器计满时，输出就会被激活(根据不同的型号被激活后表现的状态也不同)。它可以级联使用，单芯片应用电路如图11所示。
46.以上所述的实施例仅是对本实用新型的优选方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。