專利名稱：基于片上系統(tǒng)一線分布式單體鋰離子電池管理系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電動自行車和電動汽車動力電池裝置，尤其適合由鋰離子電池組成高容量、大功率的動力源。
背景技術：
隨著鋰離子電池市場的發(fā)展，電池管理系統(tǒng)變得越來越復雜和多樣化，基本上可以劃分為專用型和通用型兩個領域。專用型電池管理系統(tǒng)管理的鋰離子電池的數(shù)量有限，適合手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機以及便捷式小型電器所用小型鋰離子電池的管理系統(tǒng)，不適合電動自行車和電動汽車大型鋰離子電池管理系統(tǒng)。通用型電池管理系統(tǒng)一般采用分層或者分布式體系結構，都沒有涉及到對單體鋰離子電池的管理和監(jiān)控，由于鋰離子電池的化學特性隨著使用時間、使用環(huán)境的變化而變化，那么它的內(nèi)阻和容量也會做相應的改變，數(shù)據(jù)采樣單元對單體鋰離子電池距離太遠， 就會產(chǎn)生阻抗、寄生電容、寄生電感，對電池間的均衡和電池容量的估算不利，影響鋰離子電池的性能和使用壽命，例如，2006年6月7日公開的由中華人民共和國授權的專利號為 200410081434. 5名稱為《分布式電池管理系統(tǒng)及管理方法》的技術方案也只是談到對兩節(jié)電池的數(shù)據(jù)采樣；通用型的電池管理系統(tǒng)大多采用CAN總線作為通訊總線，CAN總線不是電池管理系統(tǒng)總線而是汽車電子的通訊總線，這兩者是有區(qū)別的，它的通訊協(xié)議和電氣特性用在電池管理系統(tǒng)是很勉強的，例如，2004年12月8日公開的由中華人民共和國授權的專利號為200310111599. 8名稱為《一種基于CAN總線多層分布式的電池管理系統(tǒng)》，2004年 12月22日公開的由中華人民共和國授權的專利號為200410013807. 5名稱為《一種用于電動汽車的動力電池管理系統(tǒng)》和2008年12月31日公開的由中華人民共和國授權的專利號為2008100211M. 3名稱為《分布式電池管理系統(tǒng)及其管理方法》的技術方案都是采用CAN 總線，CAN總線是兩根通訊線，通訊線數(shù)量太多，加上分層太多，那么電池管理系統(tǒng)就會變得錯綜復雜，而且電池管理系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡和汽車電子的通訊網(wǎng)絡處于同一個網(wǎng)絡布局，兩個網(wǎng)絡系統(tǒng)沒有隔離開來，大大削減了電池管理系統(tǒng)的抗干擾能力，而且上述四個專利技術方案的中央處理器都采用第四代集成電路(微處理器)進行設計，外圍電路復雜化，造成控制電路的體積增大，與單體鋰離子電池的體形結構不符合，無法對單體鋰離子電池進行監(jiān)控、管理，現(xiàn)在的集成電路已經(jīng)發(fā)展到了第五代，即片上系統(tǒng)，所以說，現(xiàn)在通用型電池管理系統(tǒng)的設計理念已經(jīng)過時，不能代表電池管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。
發(fā)明內(nèi)容為了拋棄過時的第四代集成電路(微處理器)為中央處理器的設計理念，摒除不合適的以CAN總線為核心的鋰離子電池網(wǎng)絡系統(tǒng)，革新最小單元以兩個或者兩個以上的鋰離子電池的管理模式，本實用新型利用片上系統(tǒng)小體積、高性能和一線式通訊總線簡單、實用的技術優(yōu)勢，精簡鋰離子電池管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構，量體裁衣地組建鋰離子電池管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡系統(tǒng)，搭建穩(wěn)定的鋰離子電池管理系統(tǒng)模塊，通過單體鋰離子電池與鋰離子電池組之間的物理網(wǎng)絡串聯(lián)和鋰離子電池組與鋰離子電池箱之間的物理網(wǎng)絡并聯(lián)，實現(xiàn)對單體鋰離子電池進行直接管理，采用單體鋰離子電池和鋰離子電池組自身電壓的優(yōu)勢，實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)內(nèi)部的通訊網(wǎng)絡和外部的汽車電子的通訊網(wǎng)絡隔離，減少電池管理系統(tǒng)網(wǎng)絡內(nèi)部的干擾，使對單體鋰離子電池和鋰離子電池組的控制力度大大增強，充分發(fā)揮單體鋰離子電池的性能，延長單體鋰離子電池的使用壽命，從而提高了動力源的整體水平。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案通過鋰離子電池管理系統(tǒng)的硬件、 軟件、元器件選擇以及抗干擾的技術特征達到一種基于片上系統(tǒng)一線分布式單體鋰離子電池管理系統(tǒng)，適合電動自行車和電動汽車動力源的分布式通用型鋰離子電池管理系統(tǒng)，其特征是采用第五代集成電路，即片上系統(tǒng)，通過一線式通訊總線，以物理網(wǎng)絡串聯(lián)和物理網(wǎng)絡并聯(lián)的形式組建能夠強化單體鋰離子電池管理的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采集單元中裝入一顆片上系統(tǒng)，然后封裝成一個整體，根據(jù)電動汽車的技術要求，對單體鋰離子電池進行硬件上的模塊劃分，單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采集單元利用單體鋰離子自身電源供電，由多顆單體鋰離子電池組成鋰離子電池組，鋰離子電池組適合用來做電動自行車的動力源，各個單體鋰離子電池固定在鋰離子電池組的底板上，各個單體鋰離子電池的數(shù)據(jù)采集單元通過一線式通訊總線與鋰離子電池組的控制板進行通訊，每個鋰離子電池組控制板各自帶有一根一線式通訊總線，與鋰離子電池箱的主控板進行通訊，單體鋰離子電池的數(shù)據(jù)采集板、鋰離子電池組的控制板、鋰離子電池箱的主控板分別由一顆片上系統(tǒng)組成，根據(jù)微電子技術發(fā)展的各個階段，也可以由一顆片上系統(tǒng)和簡單的外圍電路組成，鋰離子電池箱的主控板的充、放電接口與鋰離子電池組的控制板充、放電接口相連，對鋰離子電池組進行充、放電，鋰離子電池組控制板充、放電接口通過鋰離子電池組底板的充、放電電路對單體鋰離子電池進行充、放電，片上系統(tǒng)的外形尺寸、性能和簡單外圍電路的結構均可以不一樣，參考片上系統(tǒng)的性價比和外形尺寸可以選擇X86 系列、ARM系列、MIPS系列、SPARC系列的片上系統(tǒng)作為單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元、鋰離子電池組控制板和鋰離子電池箱的中央處理器(例如，賽普拉斯公司的PSOC系列片上系統(tǒng)、夏普公司的LH7A系列片上系統(tǒng)、三星公司的S3C44系列的片上系統(tǒng)、OKI公司的ML67系列片上系統(tǒng)等)，帶有數(shù)據(jù)采集單元的單體鋰離子電池通過一線式的通訊協(xié)議和電氣特性進行物理上的網(wǎng)絡串聯(lián)；帶有控制板的鋰離子電池組通過一線式的通訊協(xié)議和電氣特性進行物理上的網(wǎng)絡并聯(lián)，采用高速光耦對單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元、鋰離子電池組控制板和鋰離子電池箱主控板進行光電隔離，鋰離子電池組的單體鋰離子電池和鋰離子電池箱的鋰離子電池組都是通過串、并聯(lián)的形式進行機械上的連接。根據(jù)實際需要對單體鋰離子電池和鋰離子電池組需要保護、監(jiān)控的部分進行分組，由單體鋰離子數(shù)據(jù)采樣單元和鋰離子電池組控制板共同完成，單體鋰離子數(shù)據(jù)采樣單元承擔電池間的平衡、電壓測量、溫度測量，一線式通訊總線間的數(shù)據(jù)交換，鋰離子電池組控制板承擔過流保護、短路保護、過壓保護、低壓保護、反向電壓保護、高溫保護、低溫保護、電池剩余容量估算、一線式通訊總線間的數(shù)據(jù)交換，鋰離子電池箱主控板承擔對各個鋰離子電池組的監(jiān)控、管理以及與外部的數(shù)據(jù)交換。對單體鋰離子電池進行硬件上的分組，具體的計算公式如下M為單體鋰離子電池串聯(lián)數(shù)目N為單體鋰離子電池并聯(lián)數(shù)目[0011]X為鋰離子電池組串聯(lián)數(shù)目 Y為鋰離子電池組并聯(lián)數(shù)目M=電動自行車動力源電壓+單體鋰離子電池電壓N =電動自行車動力源容量+單體鋰離子電池容量X =電動汽車動力源電壓+鋰離子電池組電壓Y =電動汽車動力源容量+鋰離子電池組容量本系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)是在明確電池剩余容量與電池電壓、電池電流、電池溫度來建立電池模型，從而明確電池外部電氣特性和內(nèi)部狀態(tài)的定量關系，根據(jù)電池的電壓、電流、 溫度等外部變量計算出電池剩余容量、內(nèi)阻、電動勢等內(nèi)部狀態(tài)，電池剩余容量是電池管理系統(tǒng)中的重要參數(shù)，為電池組的管理和維護提供重要依據(jù)，因為電池的過充、過放都會降低電池的壽命，甚至會發(fā)生爆炸和燃燒，造成嚴重的后果。電池剩余容量是電池電量的直接反應，及時準確地掌握電池各項狀態(tài)信息，為安全管理系統(tǒng)提供重要參數(shù)，異常狀態(tài)出現(xiàn)時， 發(fā)出報警信號或斷開電路防止意外事故發(fā)生。電池剩余容量定義如下單體鋰離子電池剩余容量=(Qt/Q0)100%其中，Qt是電池在計算時刻的剩余容量QO是電池在計算時刻的總容量為了防止電池管理系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和準確性，在系統(tǒng)硬件設計時， 采用如下抗干擾技術元件的選擇上采樣電磁兼容性好的貼片元器件，由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點，選用電阻優(yōu)先考慮表面特裝電阻，對于有引腳的電阻，應首選碳膜電阻，其次是金屬膜電阻，最后是繞線電阻，對于上拉/下拉電阻的電路，所有的偏值電阻都盡可能靠近有源器件，以及它的電源和地，從而減少電路板連線的電感。電容的種類繁多，性能各異，選擇合適的電容可以解決許多電磁兼容問題，本系統(tǒng)主要用旁路電容和去耦電容兩種技術。旁路電容的主要功能是產(chǎn)生一個交流分路，消除進入易感區(qū)那些不需要的能量，這里選擇鋁電解電容作為旁路電容。片上系統(tǒng)有源器件在開關時產(chǎn)生的高頻開關噪聲，將沿著電源線傳播，去耦電容的主要功能就是提供一個局部的直流電源給有源器件，以減少開關噪聲在板上的傳播和將噪聲引導倒地，選擇陶瓷電容作為去耦電容，且去耦電容布置時盡可能靠近每個集成塊。RC濾波技術根據(jù)電池管理系統(tǒng)各個部分對干擾頻率的敏感度不同，針對不同的頻率采取不同的濾波技術。光電隔離技術為了防止輸入通道中干擾信號的竄入，通過高速光電耦合器隔離鋰離子電池箱與鋰離子電池組、鋰離子電池組與單體鋰離子電池的電氣聯(lián)系，印刷電路板的布線，除了元器件的選擇和電路設計之外，良好的印刷電路板(PCB)布線在系統(tǒng)抗干擾技術中也是一個非常重要的因素，這里采用如下技術 局部電源和IC間的去耦局部去耦能夠減少沿著電源干線的噪聲的傳入，在電源輸入口和 PCB之間介入大容量旁路電容，作為一個低頻脈動濾波器，同時作為一個電勢儲能器，以滿足突發(fā)功率的需求，在每個IC的電源和地之間接入去耦電容，用以濾除IC的開關噪聲。本鋰離子電池管理系統(tǒng)使用雙層板，數(shù)字地布線采用柵格形式，有效地減少接地阻抗，沒有用到的電路板區(qū)域由一個大的接地面來覆蓋，以此提供屏蔽和增加去耦能力。由于本系統(tǒng)采用電池供電的多個電源，所以采用接地技術將各個電源隔離開來。局部的布線技術采用適當?shù)夭捎眠^孔，轉動路徑時采用45度角，保持路徑的寬度不變等。本實用新型的有益效果可以總結以下四點(1)模塊化根據(jù)電動汽車動力源的需要，對單體鋰離子電池進行硬件上模塊劃分，由單體鋰離子電池組成鋰離子電池組，然后由鋰離子電池組組成鋰離子電池箱，模塊化的設計有利于鋰離子電池箱的調試和維護。(2)集成化設計中所有的主控芯片都采用第五代集成電路，即片上系統(tǒng)，電子線路集成度高，減少了硬件電路中的元器件數(shù)量，精簡了電池管理系統(tǒng)的體系結構，降低了產(chǎn)生故障的可能性。(3)簡單化通過簡單的一線式通訊方式組成通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)對單體鋰離子電池的通訊管理，管理好了單體鋰離子電池，就管理好了整個鋰離子電池箱，使復雜的問題簡單化。(4)可靠性采用單體鋰離子電池管理方式減少了阻抗，降低了寄生電容、寄生電感，保證了采集數(shù)據(jù)的準確性、可靠性；采用一線式通訊方式，對電池管理系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡進行量體裁衣，利用單體鋰離子電池和鋰離子電池組自身電壓的優(yōu)勢，將鋰離子電池箱內(nèi)部網(wǎng)絡系統(tǒng)和汽車電子外部的網(wǎng)絡系統(tǒng)隔離開來，做到了網(wǎng)絡系統(tǒng)組織的有效性、合理性， 提高了電池管理系統(tǒng)通訊穩(wěn)定性、可靠性，增強了電池管理系統(tǒng)的抗干擾能力。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明

圖1是鋰離子電池箱結構組成圖圖2是鋰離子電池箱網(wǎng)絡連接圖圖3是鋰離子電池箱主控板功能結構圖圖4是鋰離子電池組結構組成圖圖5是鋰離子電池組網(wǎng)絡連接圖圖6是鋰離子電池組控制板功能結構圖圖7是單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采集單元功能結構圖圖8是鋰離子電池管理系統(tǒng)內(nèi)部充、放電連接圖圖9是鋰離子電池管理系統(tǒng)一線式通訊協(xié)議圖10是電壓、電流測量電路圖11是溫度測量電路圖12是溫度、電壓和電流與剩余電池容量的關系圖13是電池模型圖14是電池電壓測量流程 圖15是電池電流測量流程圖16是電池溫度測量流程圖17是電池剩余容量的計算圖1中()代表鋰離子電池箱中串聯(lián)的鋰離子電池組的數(shù)目X，
.·.·..........·.. .··... ··/
表鋰離子電池組并聯(lián)依次標號，其中，Y代表鋰離子電池箱中并聯(lián)的鋰離子電池組的數(shù)目，一代表鋰離子電池箱與鋰離子電池組一線式通訊總線的物理并聯(lián)。圖2中 代表鋰離子電池箱與鋰離子電池組通過一線式通訊總線網(wǎng)絡連接， 由η = X+Y條一線式通訊總線組成的鋰離子電池箱與鋰離子電池組之間的網(wǎng)絡系統(tǒng)。[0046]圖3中 代表鋰離子電池箱主控板各個功能部分與鋰離子電池箱主控板的片上系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)交換，其中，η = X+Y個一線式通訊總線的硬件部分。圖4中I......................j代表鋰離子電池組中串聯(lián)的單體鋰離子電池的數(shù)目M，J N I
代表單體鋰離子并聯(lián)依次標號，其中，N代表鋰離子電池組中并聯(lián)的單體鋰離子電池的數(shù)目，——代表鋰離子電池組與單體鋰離子電池一線式通訊總線的物理串聯(lián)。圖5中^^代表鋰離子電池組與單體鋰離子電池通過一線式通訊總線網(wǎng)絡連接，由n = M+N條一線式通訊總線組成的鋰離子電池組與單體鋰離子電池之間的網(wǎng)絡系統(tǒng)。圖6中 代表鋰離子電池組控制板各個功能部分與鋰離子電池組控制板的片上系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)交換，其中，將單體鋰離子電池需要保護的部分進行了分組，鋰離子電池組的控制板承擔八個任務。圖7中 代表單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采樣單元各個功能部分與單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采樣單元的片上系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)交換，其中，將單體鋰離子電池需要保護的部分進行分組，單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采樣單元承擔三個任務。圖8中 代表充、放電時，電流的方向，其中，外部電流通過鋰離子電池箱的底板對鋰離子電池組進行充、放電，內(nèi)部電流通過鋰離子電池組的底板對單體鋰離子電池進行充放電，鋰離子電池箱的底板和鋰離子電池組的底板起到固定鋰離子電池組和單體鋰離子電池的作用。圖9中一代表鋰離子電池管理系統(tǒng)中一線式通訊的數(shù)據(jù)組織順序，單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采樣單元通過隔離的串行總線，以物理網(wǎng)絡串聯(lián)的形式集中到鋰離子電池組的控制板上，鋰離子電池組的控制板通過隔離的串行總線，以物理網(wǎng)絡并聯(lián)的形式集中到鋰離子電池箱的主控板上，一線式通訊總線通過光耦與單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元、鋰離子電池組控制板、鋰離子電池箱的主控板進行電氣隔離，傳輸數(shù)據(jù)由一線式通訊總線按照規(guī)定的數(shù)據(jù)組織順序串行傳輸，使數(shù)據(jù)具有保密性。
具體實施方式
在圖1、圖2和圖3中，圖1主要從機械結構來描述鋰離子電池箱和鋰離子電池組之間的關系，圖2主要是從網(wǎng)絡特性來描述鋰離子電池箱和鋰離子電池組之間的關系，根據(jù)電動汽車的技術要求，將單體鋰離子電池從硬件上進行分組，X為鋰離子電池組串聯(lián)數(shù)目，Y為鋰離子電池組并聯(lián)數(shù)目，鋰離子電池組從機械結構上進行串、并聯(lián)，所有的鋰離子電池組都是通過一線式通訊總線以物理并聯(lián)的形式組成鋰離子電池箱內(nèi)部的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在圖2和圖3中，鋰離子電池組采用單總線主從片上系統(tǒng)結構體系工作方式，鋰離子電池組的片上系統(tǒng)對整個鋰離子電池組起到主導作用，單體鋰離子電池數(shù)據(jù)采集單元面向的是單體鋰離子電池，一線式通訊通過物理串聯(lián)的形式貫穿整個鋰離子電池組，它將鋰離子電池組的各個系統(tǒng)功能貫穿起來，而鋰離子電池組的片上系統(tǒng)對整個鋰離子電池組的性能以及穩(wěn)定性起到關鍵作用。鋰離子電池組控制板的硬件電路包括一線式通訊模塊、過電流保護模塊、短路保護模塊、過電壓保護模塊、低電壓保護模塊、反向電壓保護模塊、高溫保護模塊、低溫保護模塊、電池容量電路模塊。單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元的硬件電路包括 一線式通訊模塊、電池電壓平衡模塊、電池電壓測量模塊、電池溫度測量模塊。一線式通訊總線控制各個單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元時，命令從鋰離子電池組的控制板發(fā)出，然后從第一塊單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元依次傳遞到第η塊單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元，接收命令從第 η塊單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元依次傳遞到第1塊單體鋰離子數(shù)據(jù)采集單元，然后回到鋰離子電池組的控制板。電壓采樣模塊電池電壓與電池的工作狀態(tài)及其內(nèi)部溫度及其工作環(huán)境溫度都有著很重要的關系，對其采樣的精度，抗干擾能力，零漂，溫漂和線性度的要求都很高，測量數(shù)據(jù)的準確與否，直接影響到對電池狀態(tài)的準確判斷。傳感器采樣響應速度快，具有優(yōu)良線性度的合金電阻作為電壓傳感器。電流采樣模塊電流采樣是估計電池剩余容量的主要依據(jù)，因此，對其采樣的精度、抗干擾能力、零漂、溫漂和線性度的要求都很高，和電池組模塊電壓測量相比，電流的測量比較復雜，在面對某些感性負載時，電流是脈動的，電流變化率較大，因此必須采樣響應速度快，具有優(yōu)良線性度的合金電阻作為電流采集單元。溫度采樣模塊由于充放電過程中，電池本身會產(chǎn)生一定的熱量，從而會導致電池溫度上升，溫度會影響電池的很多特性參數(shù)，故對電池組進行熱量管理是非常重要的。由于電池管理系統(tǒng)中要求多點測量溫度，各個溫度測量器分布在電池箱體內(nèi)，采用的設計要有一定的抗干擾能力，根據(jù)熱敏電阻的性價比，采用熱敏電阻對模擬信號的測量會取得很好的效果。溫度采樣點有三處即鋰離子電池組附近的空氣溫度，單體鋰離子電池外殼表面溫度，以及單體鋰離子電池內(nèi)部電解液溫度。其中，單體鋰離子電池外殼表面溫度位于單體鋰離子采樣單元上面，鋰離子電池組附近的空氣溫度位于鋰離子電池組控制板上面。
權利要求1. 一種基于片上系統(tǒng)一線分布式單體鋰離子電池管理系統(tǒng)，適合電動自行車和電動汽車動力源的分布式通用型鋰離子電池管理系統(tǒng)，其特征是采用第五代集成電路，即片上系統(tǒng)，通過一線式通訊總線，以物理網(wǎng)絡串聯(lián)和物理網(wǎng)絡并聯(lián)的形式組建能夠強化單體鋰離子電池管理的網(wǎng)絡系統(tǒng)。
專利摘要一種基于片上系統(tǒng)一線分布式單體鋰離子電池管理系統(tǒng)適合電動自行車和電動汽車組建大容量、大功率動力源的分布式通用型鋰離子電池管理系統(tǒng)，采用第五代集成電路，即片上系統(tǒng)，通過一線式通訊總線，對單體鋰離子電池的監(jiān)控、管理，以物理網(wǎng)絡串聯(lián)和物理網(wǎng)絡并聯(lián)的形式組建能夠強化單體鋰離子電池管理的網(wǎng)絡系統(tǒng)，使整個電池管理系統(tǒng)具有結構化、模塊化、簡單、實用的特點。
文檔編號H01M10/42GK202231446SQ20102068804
公開日2012年5月23日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權日2010年12月29日
發(fā)明者李鑫 申請人:李鑫