一种轨道交通锂电池管理系统及电池系统的制作方法

本发明主要涉及锂电池管理
技术领域：
，特指一种轨道交通锂电池管理系统及电池系统。
背景技术：
：近年来，随着锂电池技术的研究突破，其拥有良好的优点如：能量密度高、循环寿命长、轻便污染小等，在电动工具、自行车、摩托车、ups、便携式电器等设备中广泛应用。在轨道交通领域，已慢慢替代原有的镍镉及铅酸等蓄电池，成为主流的储能电池，不同于汽车电子等领域，轨道交通领域蓄电池容量更大，电池串更多，总电压高达1800v，工况环境更加复杂。所以，配备一套具有针对性的电池管理系统，对电池组进行有效监控、保护、能量均衡、预报警等，进而提高电池组的工作效率和使用寿命，很有必要；同时，作为整车储能系统，将电池系统融入整车网络，实现与信息系统的集成，对推动列的智能化发展是必不可少的，而目前并无相应的轨道交通锂电池管理系统。技术实现要素：本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠、智能化的轨道交通锂电池管理系统及电池系统。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种轨道交通锂电池管理系统，包括通讯相连的信号采集控制单元和网络接口单元，所述信号采集控制单元包括控制模块、电源电路、多路模拟量输入电路、数字量输入电路、数字量输出电路和多路通信接口，所述控制模块分别与电源电路、多路模拟量输入电路、数字量输入电路、数字量输出电路和多路通信接口相连；所述网络接口单元包括存储模块和列车网络接口，所述存储模块用于数据的存储，所述列车网络接口用于与列车网络通讯相连。作为上述技术方案的进一步改进：所述模拟量输入电路包括接口防护单元、比例调整单元、a/d转换单元和数字隔离单元；所述接口防护单元、比例调整单元、a/d转换单元和数字隔离单元依次相连。所述接口防护单元包括瞬态二极管和钳位电路，所述瞬态二极管的正极接地，另一端与所述模拟量输入电路的输入端相连，所述钳位电路包括恒压电源、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的正极与所述输入端相连，另一端与所述恒压电源相连，所述第二二极管的负极与输出端相连，正极接地。多路所述模拟量输入电路分别为电池组电压输入电路、电池组电流输入电路和电池组温度输入电路。所述电源电路包括一个以上的dc/dc模块，当dc/dc模块为多个时，各所述dc/dc模块相互串联以形成多重隔离防护并输出不同大小的电压。所述列车网络接口包括mvb接口和实时以太网接口，所述控制模块通过mvb接口与列车mvb网络通讯连接，所述控制模块通过实时以太网接口与列车实时以太网通讯连接。本发明还公开了一种轨道交通锂电池系统，包括电池组和充电机模块，还包括如上所述的轨道交通锂电池管理系统；所述电池组的输出端经dc/dc电源模块与所述信号采集控制单元的电源电路相连；所述信号采集控制单元中的多路模拟量输入电路与所述电池组相连，用于采集所述电池组的状态信息；所述信号采集控制单元的控制模块通过接口与充电机模块相连，用于根据电池组的状态信息进行充放电控制。作为上述技术方案的进一步改进：还包括绝缘监测装置、电池状态数据记录仪和单体电池控制单元；所述控制模块通过接口与绝缘监测装置相连，用于监测电池组的对地状态信息和绝缘状态信息；所述控制模块通过接口与单体电池控制单元相连，用于采集单体电池的状态信息；所述控制模块通过接口与电池状态数据记录仪相连，用于记录电池组的实时状态信息。还包括用于采集电池组电压的电压传感器、用于采集电池组电流的电流传感器和用于采集电池组温度的温度传感器，所述电压传感器、电流传感器和温度传感器分别与对应的所述模拟量输入电路相连，所述电压传感器、电流传感器和温度传感器的电源端与所述电源电路相连。还包括远程监控单元和显示单元，所述网络接口单元通过列车实时以太网与远程监控单元相连，用于远程监控；所述网络接口单元通过列车mvb网络与显示单元相连，用于对电池组的状态信息进行显示。与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的电池管理系统及电池系统，应用于目前的轨道交通电池组中，整体结构简单；通过网络接口单元与列车网络进行通讯，使得电池管理系统与轨道交通信息系统融为一体，提高管理系统运行的可靠性和智能化。通过对信息采集控制单元中各个电路进行隔离设计，使得整个管理系统抗干扰性强。拥有丰富的采集接口，能够采集电压、电流、温度等多种类型传感器信号且可为传感器提供各种供电电源；能够驱动多种类型负载的继电器/接触器；拥有多种通信接口，可根据现场实际需求进行选择，实用性强。附图说明图1为本发明的管理系统在实施例的方框结构图。图2为本发明的信号采集控制单元在实施例的方框图。图3为本发明的网络接口单元在实施例的方框结构图。图4为本发明的模拟量输入电路在实施例的方框结构图。图5为本发明的数字量输出电路在实施例的电路原理图。图6为本发明的数字量输入电路在实施例的电路原理图。图7为本发明的电池系统在实施例的结构示意图。图中标号表示：1、信号采集控制单元；2、网络接口单元。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。如图1所示，本实施例的轨道交通锂电池管理系统，包括通讯相连的信号采集控制单元1和网络接口单元2，信号采集控制单元1包括控制模块、电源电路、多路模拟量输入电路、数字量输入电路、数字量输出电路和多路通信接口，控制模块分别与电源电路、多路模拟量输入电路、数字量输入电路、数字量输出电路和多路通信接口相连；网络接口单元2包括存储模块和列车网络接口，存储模块用于数据的存储，列车网络接口用于与列车网络通讯相连。本实施例的轨道交通锂电池管理系统，具体应用于轨道交通
技术领域：
，由于电池组容量大、属于高压系统，需要与机车控制弱电系统进行隔离，故对电源电路、模拟量输入电路、数字量输入电路、数字量输出电路和通信接口等均进行了相应的隔离设计，从而解决隔离耐压问题，使得整个管理系统抗干扰能力强，下面分别就各个电路的相关隔离设计做如下说明：1)电源电路：如图2和图7所示，电源电路的输入端连接至电池组，电池组的输出电压经dc/dc电源转化为dc24v，完成一次高压至24v的隔离变换，然后再通过电源电路中的dc/dc模块进行隔离变换为5v，从而实现至少二次隔离。当然，上述电源可根据实际情况在9～36v中进行选择。2)多路模拟量输入电路，分别为电池组电压输入电路、电池组电流输入电路和电池组温度输入电路；如图4所示，各模拟量输入电路均包括依次相连的接口防护单元、比例调整单元、a/d转换单元和数字隔离单元。其中接口防护单元包括瞬态二极管和钳位电路，瞬态二极管的正极接地，另一端与模拟量输入电路的输入端相连，钳位电路包括恒压电源、第一二极管和第二二极管，第一二极管的正极与输入端相连，另一端与恒压电源相连，第二二极管的负极与输出端相连，正极接地。如在采集电流时，通过精密电阻采集电流(0～200ma)，完成流/压转换，再通过比例调整单元进行信号调整，将信号调整为0～10v/0～5v，再由a/d转换单元进行数模转换，再通过数字隔离单元进行隔离后，再发送至控制模块。在上述模拟量输入电路中，通过瞬态二极管和钳位电路进行接口防护，同时配合数字隔离芯片的隔离，从而实现双重隔离。当然，各信号的采集均通过对应的传感器进行采集，传感器本身自带高压隔离功能。3)数字量输出电路：如图5所示，包括有mosfet驱动输出电路和继电器驱动输出电路，由控制模块(如图2中的mcu)根据电池组的在线状态控制对应的接触器/继电器负载输出，到达对电池的控制。具体地，mosfet驱动输出电路包括光耦隔离单元、mosfet管和两个瞬态二极管，其中一个瞬态二极的负极与mosfet管的栅极相连，负极与地相连，另一个瞬态二极管的负极与mosfet管的漏极相连，另一端与mosfet管的源极相连。通过上述瞬态二极管和光耦隔离单元的设置，同样也能够输出的隔离。其中继电器驱动输出电路通过三极管来驱动继电器线圈，也能够进行输出隔离。数字量输出电路的各参数如表1所示：表1：开关量输出参数4)数字量输入电路如图6所示，采集电池组控制组件的反馈触点状态、各相关部件电源工作状态等，送入mcu来完成相应的保护及控制，其中数字量输入电路中也设置有光耦隔离单元，同样实现输入隔离，电路参数如表2所示：表2：开关量输入电路参数序号参数数据单位1逻辑0＜8v2逻辑1＞15v3输入输出隔离电压1000v4实际工作电流≤10ma(常规+电容)ma6输入接通延迟≤10msms7输入断开延迟≤2.5ms8浪涌(斩波)线线500(1.25/25μs)v(标准)通过上述对各电路的输入输出进行隔离设计，从而使得整个管理系统抗干扰能力强，适用于轨道交通车辆中。本实施例中，信号采集控制单元1中的存储模块对关键数据进行记录与存储，拥有2gb的存储容量，存储时间可达1个月；列车网络接口包括mvb接口和实时以太网接口，控制模块通过mvb接口与列车mvb网络通讯连接，控制模块通过实时以太网接口与列车实时以太网通讯连接，将数据定时传送到地面服务器，通过车载tpu软件进行数据分析、能够分析故障时刻前后段数据的波形、记录电池系统全生命周期的状态，对动力电池系统技术的研究具有重要意义。本实施例中，信号采集控制单元1和网络接口单元2均采用独立的单板结构，如图1中的采集控制单板和通信接口单板，具体在安装时可又叠放安装，其中采集控制单板用于信息的采集及状态控制，实时性要求较高，选用单独的处理器，如选用nxp的s32单片机作为控制模块，其功耗低、拥有多种通信接口(如can接口、rs485等)以及强大的处理能力，能够达到安全asilb的认证，当然，也可以采用其它类似的单片机或者处理器来代替；通信接口单板主要是关键信息的记录、存储、上传网络等功能，可采用powerpc芯片mpc5125或者其它类似芯片。本发明的管理系统拥有丰富的采集接口，能够采集电压、电流、温度等多种类型传感器信号且可为传感器提供±15v/+5v等各种供电电源；能够驱动多种类型负载的继电器/接触器；拥有多种通信接口(包括1路can总线、1路rs485总线、1路mvb总线、2路实时以太网等)，可根据现场实际需求进行选择，实用性强。如图7所示，本发明还公开了一种轨道交通锂电池系统，包括电池组和充电机模块，还包括如上所述的轨道交通锂电池管理系统；电池组的输出端经dc/dc电源模块与信号采集控制单元1的电源电路相连；信号采集控制单元1中的多路模拟量输入电路与电池组相连，用于采集电池组的状态信息；信号采集控制单元1的控制模块通过接口与充电机模块相连，用于根据电池组的状态信息进行充放电控制。本实施例中，轨道交通锂电池管理系统中的通信接口包括can1-4和rs485接口，其中通过can1接口与单体电池控制单元相连，采集单体电池的状态信息，如单电池的电压、电流、温度、soc状态等；通过can2接口与绝缘监测装置相连，监测电池组对地状态信息、绝缘状态，做好安全防护；通过can3接口与电池状态数据记录仪相连，记录电池组的实时状态信息，定期下载分析；通过can4接口与整车can网络相连，作为备份can网络；通过rs485接口与充电机模块相连，根据采集到的电池组的状态信息，按照既定控制策略，完成充/放电控制。本实施例中，还包括用于采集电池组电压的电压传感器、用于采集电池组电流的电流传感器和用于采集电池组温度的温度传感器，电压传感器、电流传感器和温度传感器分别与对应的模拟量输入电路相连，电压传感器、电流传感器和温度传感器的电源端与电源电路相连，即通过上述隔离后的电源为各传感器提供隔离电源。本实施例中，通过mvb接口与列车mvb网络相连，将整个电池系统融入整车mvb网络，上传电池组的各项信息，将其融入至轨道交通信息系统，用于idu显示、预报警等；通过以太网接口接入列车实时以太网络，传输trdp协议，作为mvb网络的备份、冗余，用于ptu、远程监控等。另外，实时以太网络至少为两路，支持trdp协议，可通过以太网接口将数据定时传送到地面服务器，通过车载tpu软件进行数据分析、能够记录故障时刻前后段数据的波形、记录电池系统全生命周期的状态，对动力电池系统技术的研究具有重要意义。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。当前第1页12