无人车电池管理系统的制作方法

1.本公开涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种无人车电池管理系统。


背景技术：

2.无人车，也称自动驾驶车辆、无人驾驶车辆或轮式移动机器人，是融合环境感知、路径规划、状态识别和车辆控制等多元一体的集成化、智能化的新时代技术产物，无人车的动力通常是由驱动电机提供，能量来源于锂电池。目前受充电桩的限制，无人车的车载充电非常不便，同时车载充电时间较长，影响运营时间。
3.目前，为了延长无人车的工作时间，通常将无人车电池系统的体积和重量设计的比较大，然而当电池系统的电量不足需要更换电池时，由于电池系统的体积及重量较大，需要借助机械设备并在固定的场地进行更换，因此增加了换电成本，并且换电耗时较长，影响车辆运营时间；另外，现有技术中虽然将体积及重量较大的电池系统拆分成若干个小的电池组，使单组电池的重量减少，从而达到人工换电的目的，但是体积小、重量轻的电池组的电量通常不足，为了提升电量，需要增加电池组的数量，随着电池组数量的增加，对电池系统的上电管理和切换管理造成了困难，导致电池管理系统在面对多电池组进行电池切换管理时，增加了换电耗时，换电效率比较低，也会影响车辆的运营时间。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开实施例提供了一种无人车电池管理系统，以解决现有技术存在的电池切换管理的成本高，换电耗时长，换电效率低，影响自动驾驶的安全性以及车辆运营时间的问题。
5.本公开实施例提供了一种无人车电池管理系统，包括：两个电池系统、电池控制单元和控制器，两个电池系统中的每个电池系统轮流向无人车供电，每个电池系统均包括一个或多个模块化的电池组，电池组的重量小于重量阈值；电池控制单元用于检测当前供电的电池系统需要换电时，通过电路分别断开预充继电器、主负继电器以及当前供电的电池系统的bmu继电器，此时无人车下电；控制器用于在无人车下电之后，通过can总线将上电信号传输给电池控制单元，由电池控制单元闭合另一电池系统的bmu继电器，之后电池控制单元通过电路控制预充继电器闭合，并且在满足预设条件后，闭合主负继电器，并断开预充继电器，此时无人车上电。
6.本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
7.通过两个电池系统中的每个电池系统轮流向无人车供电，每个电池系统均包括一个或多个模块化的电池组，电池组的重量小于重量阈值；电池控制单元用于检测当前供电的电池系统需要换电时，通过电路分别断开预充继电器、主负继电器以及当前供电的电池系统的bmu继电器，此时无人车下电；控制器用于在无人车下电之后，通过can总线将上电信号传输给电池控制单元，由电池控制单元闭合另一电池系统的bmu继电器，之后电池控制单元通过电路控制预充继电器闭合，并且在满足预设条件后，闭合主负继电器，并断开预充继
电器，此时无人车上电。本公开不仅将电量多、体积大的电池组进行模块化设计，使单个电池组的重量减少，便于人工实现电池快换，降低换电设施成本，同时，对于多个电池组，能够实现科学的换电管理，不仅降低了换电成本及换电耗时，极大提升了换电效率，还降低换电过程对车辆运营时间的影响。
附图说明
8.为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
9.图1是现有技术中的无人车电池系统的整体结构示意图；
10.图2是本公开实施例提供的无人车电池管理系统的产品整体结构示意图；
11.图3是本公开实施例提供的无人车电池管理系统的内部组成结构示意图。
具体实施方式
12.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本公开实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本公开。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本公开的描述。
13.如前文背景技术中的内容，随着自动驾驶技术和新能源汽车技术的发展，无人车技术越发成熟，无人车的应用场景和使用范围也逐渐扩大，例如以应用场景对无人车进行划分，包括但不限于无人配送车、无人零售车、无人清扫车、无人巡逻车等等，无人车也可以称为自动驾驶车辆。
14.自动驾驶通常以新能源汽车为载体，因此无人车的动力通常是由驱动电机提供，能量来源于电池系统中的锂电池。目前受充电桩的限制，无人车可以采用车载充电的方式，车载充电是指通过充电桩或车载充电机对装在车上的锂电池进行充电，它需要外界的充电桩提供电源并且无人车停放在固定地点进行充电，因此无人车的车载充电也非常不便，同时车载充电时间较长，影响运营时间。
15.现有技术中，可以采用切换电池系统的方式来解决无人车的能量供应问题，电池系统之间的切换过程也称为换电过程，换电是指从一个电池组(或电池系统)切换到另一个电池组(或电池系统)的过程，换电之前需要先将电池单独进行充电，将充满电后的电池组替换无人车上电量耗尽的电池组。换电虽然可以解决无人车的能量供应问题，但是现有的换电模式仍存在以下问题：
16.在第一种换电模式中，将无人车内电量不足的完整电池系统更换为电量充足的电池系统，但是由于车辆完整电池系统的体积及重量均比较大，因此需要借助机器设备并在固定的场地进行换电，这种换电模式适合锂电池比较重，人工无法换电的场合；例如，假设无人车经过一天的运营需要10kwh以上的电量，按照目前的电池技术，所需电池系统的重量最少在50kg以上，但是对50kg电池系统的换电需要借助机械设备进行更换，并且需要在固定场地进行换电，换电场所的建设投入大，而且在固定场所内进行换电的耗时较长，影响无
人车的运营时间。
17.在第二种换电模式中，通过将完整的电池系统拆分成若干个小的电池组，使单个电池组的重量减少，从而达到人工换电的目的，换言之，将重量比较大的电池进行分块设计，使单个电池组的重量减少，通过将各个电池组进行串并联组成新的电池系统。这种人工进行换电的模式，虽然不受场地和设备的限制，适用于锂电池体积小、重量轻且易操作的车型；但是由于体积小、重量轻的电池的电量较低，为了提高电量上限需要增加电池组的数量，随着电池组数量的增加，对电池系统的上电管理和切换管理造成了困难，导致电池管理系统在面对多电池组进行电池切换管理时，增加了换电耗时，换电效率比较低，也会影响车辆的运营时间。
18.为了对现有电池管理系统所存在的问题做进一步说明，下面将结合附图对现有技术中的电池系统的结构以及基于该结构的换电方式进行详细介绍。图1是现有技术中的无人车电池系统的整体结构示意图，如图1所示，现有技术在基于该电池系统进行换电管理时，具体可以包括以下内容：
19.在现有技术中，假设电池系统所用电池的电芯容量为3.2ah，电压平台为3.6v时，需要设计一个电压平台为72v、电量为12.9kwh的电池系统，一般将该电池系统设计为整包20串56并的电池系统。但是按照最高能量密度200wh/kg进行计算，该电池系统的重量将达到65kg，在更换整个电池系统时，需要借助机械设备并将无人车行驶到固定的场所才能进行换电，这不仅延长了换电耗时，而且需要投入较大的换电设施成本，也给无人车的实际运营带来了很大的不便。
20.虽然，现有技术中可以将重量较大的电池系统拆分成多个电池组，单个电池组的重量变轻，使人工换电变得方便。例如，将上述重量为65kg的电池系统拆分成四个小的电池组，通过将各电池组进行并联设计组成新的电池系统，当某一个电池组的电量无法满足供电需求时，通过人工换电方式将低电量电池组更换为高电量电池组。
21.但是，由于单个电池组的体积变小、重量变轻，使单个电池组的电量降低，为了提高电池系统的电量上限，需要增加电池组的数量，然而随着电池组数量的增加，对电池系统的上电管理和切换管理造成了困难，导致电池管理系统在面对多电池组进行电池切换管理时，不仅增加换电耗时，降低换电效率，还会影响车辆的运营时间。
22.鉴于现有技术中的问题，本公开实施例提供一种改进后的无人车电池管理系统，通过对现有的电池系统进行模块化设计，将电量多、体积大、重量沉的电池系统进行模块化设计，将一个电量多的电池系统拆分为多个小的电池组，每个电池组的重量将减轻至纯人工可以实现换电的重量，从而达到人工更换电池组的目的；当电池组的数量增加时，为了实现换电管理，在电池控制单元检测当前供电的电池系统需要换电时，首先控制无人车停靠在安全位置，并通过电路分别断开预充继电器、主负继电器以及当前供电的电池系统的bmu继电器，使无人车下电；之后，控制器将上电信号传输给电池控制单元，电池控制单元闭合另一电池系统的bmu继电器，电池控制单元通过电路控制预充继电器闭合，并且在满足预设条件后，闭合主负继电器，并断开预充继电器，完成电池系统的切换。
23.下面结合附图对本公开实施例所涉及无人车电池管理系统在实际应用中的产品整体结构进行说明。图2是本公开实施例提供的无人车电池管理系统的产品整体结构示意图，如图2所示，该无人车电池管理系统的产品整体结构中具体可以包括以下内容：
24.本公开根据锂电池的特性以及电池管理系统的技术特点，对无人车的电池系统进行重新模块化分包设计，将一个电量多、重量大的电池系统拆分为多个电池组，使单个电池组的重量变轻，其中将每两个或多个电池组进行串联组成一套电池系统，从而将整体电池系统划分成多套规模较小的电池系统，每套电池系统中的电池组均可以达到人工可以实现换电的重量。
25.在一种具体场景中，如图2所示，将之前完整的大电池系统拆分为4个小的电池组，其中每2个电池组进行串联组成一套电池系统，例如每个无人车上可以装有4个电池组，共形成两个相互并联的电池系统，即电池系统甲和电池系统乙。以电压平台为72v、电量为12.9kwh的完整大电池系统为例，具体采取的拆分方法可以是，将12.9kwh的大电池组拆分成4个小的电池组，比如拆分为电池组a、电池组b、电池组c和电池组d；每个电池组的电量为3.2kwh，可以采用10串28并的电池组合方式，因此每个电池组对应的电压平台为36v，重量为17.5kg。将电池组a和电池组b通过串联组成电池系统甲，将电池组c和电池组d通过串联组成电池系统乙，电池系统甲和电池系统乙对应的电压平台均为72v，电量均为6.45kwh。
26.本公开实施例所提供的无人车电池管理系统的产品整体结构中，由一个vcu(vehicle control unit，整车控制单元)、一个bcu(battery control unit，电池控制单元)和两个电池系统组成，其中整车控制单元vcu是无人车的电控系统，也可以称为控制单元、整车控制器或者电子控制单元，是无人车内实现整车控制决策的核心电子控制单元，可用于采集车辆信息、控制车辆运行、诊断车辆故障等。本公开实施例的vcu中集成了bms电池系统，电池控制单元bcu可以根据bmu(battery management unit，电池管理单元)的反馈信息来控制主负继电器、预充继电器的断开和闭合实现电池系统的切换。
27.进一步地，每个电池组里包含一个电池管理单元bmu，bmu负责检测单体电池的电压和温度，控制bmu继电器的通断以及检测各个电池组的soc，并将电池组的信息通过can总线反馈给bcu。bcu负责整个电池系统的智能管理，bcu通过激活信号可以控制bmu的唤醒和休眠，这里的激活信号是指通过bcu与bmu之间的电路所传递的供电信号，比如利用12v供电信号控制bmu唤醒或休眠。图2中的can1和can2分别用于传输电池系统甲和电池系统乙内的电池组的bmu所采集的信息，再由bcu对四组电池的信息进行统一管理。
28.需要说明的是，在本公开实施例提供的无人车电池管理系统的产品整体结构中，是以四个电池组所组成的两套并联电池系统为例进行说明的，因此，以下具体实施例是以两套电池系统之间的换电管理为例进行描述的。但是应当理解的是，本公开实施例的无人车电池管理系统不限于两套电池系统的管理，电池系统以及电池组的数量不构成对本公开技术方案的限定。下面结合具体实施例对本公开技术方案进行详细说明。
29.图3是本公开实施例提供的无人车电池管理系统的内部组成结构示意图。如图3所示，该无人车电池管理系统的内部组成结构具体可以包括：
30.两个电池系统，即第一电池系统301和第二电池系统302，以及电池控制单元303和控制器304，两个电池系统中的每个电池系统轮流向无人车供电，每个电池系统均包括一个或多个模块化的电池组，电池组的重量小于重量阈值；电池控制单元303用于检测当前供电的电池系统需要换电时，通过电路分别断开预充继电器305、主负继电器306以及当前供电的电池系统的bmu继电器，此时无人车下电；控制器304用于在无人车下电之后，通过can总线将上电信号传输给电池控制单元303，由电池控制单元303闭合另一电池系统的bmu继电
器，之后电池控制单元303通过电路控制预充继电器305闭合，并且在满足预设条件后，闭合主负继电器306，并断开预充继电器305，此时无人车上电。
31.具体地，当前供电的电池系统也可以称为第一电池系统，另一电池系统也可以称为第二电池系统，名词上的替换不构成对本公开技术方案的限定。第一电池系统301中包含至少一个电池组以及与电池组连接的第一继电器307，以及用于控制第一继电器307断开和闭合的第一电池管理单元308；第二电池系统302中也包含至少一个电池组以及与电池组连接的第二继电器309，以及用于控制第二继电器309断开和闭合的第二电池管理单元310。预充继电器305上串联一个预充电阻311。
32.进一步地，本公开实施例的下电可以认为是下高压，上电可以认为是上高压，通过关闭当前供电的电池系统(即第一电池系统)，并将所有的继电器断开，使无人车进入下高压状态；随后，电池控制单元bcu将激活信号传递给各个电池系统的bmu，使bmu激活，之后控制器通过can总线向电池控制单元传递上电信号，电池控制单元开启另一电池系统(即第二电池系统)，并控制预充继电器闭合，在满足预设条件后，再闭合主负继电器，并断开预充继电器，无人车从下高压状态变为上高压状态，无人车供电电池系统从第一电池系统切换为第二电池系统，完成电池系统的换电管理。
33.进一步地，在电池换电管理过程中，本公开实施例需要先将无人车停靠在合适的位置，再断开所有继电器(包括预充继电器、主负继电器和第一bmu继电器)，将无人车下电；在无人车下电之后，再闭合第二bmu继电器，从而开启第二电池系统，之后再控制预充继电器闭合，在满足预设条件后，闭合主负继电器，并断开预充继电器，将无人车上电。由于本公开实施例在对电池系统进行换电管理时，先将当前供电的电池系统下电，在下电状态下完成电池系统的切换，因此，本公开实施例不会出现两个电池系统的继电器同时闭合的情形，也不会发生高压电池系统向低压电池系统充电，导致电池和继电器造成损害的问题。
34.在一些实施例中，电池系统之间为并联关系，每个电池系统内设置有两个相互串联的电池组，每个电池组内设置一个bmu继电器和一个bmu，bmu为电池管理单元，重量阈值为20kg。
35.具体地，每个电池系统内可以包含两组串联的电池组，比如图2中的电池系统甲内设有电池组a和电池组b，同一电池系统内的电池组之间为串联关系，不同电池系统之间为并联关系，每个电池组内包含一个电池管理单元继电器(bmu继电器)和一个电池管理单元。
36.进一步地，为了使拆分后的模块化的电池组能够便于人工换电，需要将每个电池组的重量设置在合理区间内，例如本公开实施例中电池组的重量区间为15～20kg，每个电池组的重量不大于20kg，这样既能达到人工换电的目的，也能避免单个电池组的电量太小，导致电池组的数量过多，电池系统的设备冗余，也能降低人工更换电池时需要更换的数量。
37.在一些实施例中，电池控制单元用于在无人车的运行过程中，通过与电池系统连接的can总线，检测到当前供电的电池系统需要换电时，通过can总线向无人车的自动驾驶模块发送停车信号，利用自动驾驶模块控制无人车停靠在安全位置。
38.具体地，电池系统内的电池管理单元bmu通过can总线，将检测到的各个电池组对应的剩余电量信息传递给电池控制单元bcu，电池控制单元bcu根据各个电池组的剩余电量信息确定当前供电的电池系统的剩余电量，在当前供电的电池系统的剩余电量低于电量阈值时，对当前供电的电池系统进行换电。
39.进一步地，剩余电量是指电池系统的soc，soc是指荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上被定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示；电池soc可以通过电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算数值。在实际应用中，可以将电量阈值设置为20％，当前供电的电池系统的soc＜20％时，对该电池系统进行换电。
40.进一步地，在进行换电之前，需要先将无人车停靠在安全位置或者合适的位置，电池控制单元bcu通过与自动驾驶模块连接的can总线，将停车信号传递给自动驾驶模块，自动驾驶模块在接收停车信号后，控制无人车停靠在安全位置。
41.在一些实施例中，预充继电器和主负继电器通过电路与电池控制单元连接，当前供电的电池系统的bmu继电器通过can总线与电池控制单元连接，主负继电器并联在预充继电器上，预充继电器串联一个预充电阻，控制器与电池控制单元之间通过can总线进行信号传输。
42.具体地，在自动驾驶模块控制无人车停靠在合适位置后，首先电池控制单元bcu通过电路控制所有的继电器断开，整车下高压，随后，人工开始对电池系统进行更换，先手动打开无人车的电池箱，将关闭后的第一电池系统的电源线拔掉，然后再将第二电池系统的电源线插到第二电池系统的正极，电源线的一端与电池系统的正极连接，电源线的另一端与整车的供电电路连接。
43.在一些实施例中，本公开系统还包括高压回路，高压回路的一端分别与每个电池系统内的电池组的正极连接，高压回路的另一端连接无人车的供电电路，高压回路用于向无人车的驱动电机控制器以及其他用电器输送电能；主负继电器、预充继电器以及预充电阻均设置在供电电路上，主负继电器用于控制供电电路的电压。
44.具体地，电池系统通过高压回路轮流向无人车的驱动电机控制器及其他用电器供电，即两个电池系统可以交替工作，无人车的供电电路连接驱动电机控制器以及安装在无人车上的各个用电设备，驱动电机控制器用于控制驱动电机工作，驱动无人车行驶，无人车上的用电设备包括但不限于摄像头、激光雷达、液晶显示屏等等。在实际应用中，主负继电器也称为总负继电器，主负继电器用于控制供电电路的电压，只有当主负继电器闭合之后，供电电路才会有电压。
45.在一些实施例中，电池控制单元用于通过与当前供电的电池系统连接的can总线，将断开信号传递至当前供电的电池系统的bmu，当前供电的电池系统的bmu接收断开信号后，控制当前供电的电池系统的bmu继电器断开。
46.具体地，电池控制单元bcu通过与电池系统连接的can总线，将断开信号或者闭合信号传递给电池系统内的各个电池管理单元bmu，电池管理单元bmu根据断开信号或者闭合信号控制bmu继电器的断开和闭合，从而实现对电池系统的开启和关闭管理。断开信号和闭合信号是通过can总线传递的can信号。
47.在一些实施例中，电池控制单元还用于在控制器通过can总线将上电信号传输给电池控制单元之前，电池控制单元通过与bmu连接的激活电路，将激活信号传递给电池系统的bmu，利用激活信号唤醒bmu，激活电路为12v的电信号。
48.具体地，在利用电池控制单元bcu控制无人车上电之前，电池控制单元bcu通过分别与第一电池系统和第二电池系统内的各个电池管理单元bmu连接的激活电路，将激活信号传递给各个电池系统内的电池管理单元bmu，从而激活各个电池管理单元bmu，使全部电
池系统内的bmu进入工作状态。
49.在一些实施例中，电池控制单元用于通过can总线向另一电池系统的bmu发送闭合信号，另一电池系统的bmu接收闭合信号后，控制另一电池系统的bmu继电器闭合。
50.具体地，在无人车下电并且全部电池系统内的电池管理单元bmu被重新激活之后，电池控制单元bcu通过与另一电池系统连接的can总线，将闭合信号传递给另一电池系统内的电池管理单元bmu，电池管理单元bmu根据闭合信号控制bmu继电器闭合，从而开始另一电池系统。
51.进一步地，本公开实施例的另一电池系统是指除当前供电的电池系统外，需要作为切换对象的目标电池系统，将第一电池系统作为当前供电的电池系统，那么另一电池系统就是第二电池系统。
52.在一些实施例中，电池控制单元还用于通过电路控制预充继电器闭合，并且在满足预设条件后，闭合主负继电器，包括：电池控制单元在闭合预充继电器之后，预充继电器对无人车的驱动电机控制器的电容进行预充电，当电容的电压与另一电池系统的电压相同时，闭合主负继电器。
53.具体地，本公开实施例的预设条件是指，在闭合预充继电器之后，预充继电器为预充电容进行预充电，当预充电容的电压达到一定值之后，才能闭合主负继电器，例如当预充电容的电压与第二电池系统的电压值相近的时候，再闭合主负继电器。
54.进一步地，预充继电器和预充电阻共同组成了预充电路，在无人车上高压时通过预充电路对预充电容进行预充的目的在于：电池系统与驱动电机控制器相连，驱动电机控制器中有容量较大的电容，如果上电之前电容处于零状态，即电容内没有能量，那么在电路闭合瞬间，电流会非常大，如果不对电流加以限制，那么将对电池和继电器造成巨大冲击。因此，预充过程是无人车上高压时必要的环节之一，通过给驱动电机控制器的预充电容进行充电，以减少高压继电器闭合时的火花拉弧，避免高压冲击损坏高压零部件，提升高压系统的安全性。
55.在一些实施例中，电池控制单元为bcu单元，控制器中包含整车控制器vcu，bmu继电器为电池管理单元继电器，电池组内的电池为锂电池。
56.具体地，本公开实施例的电池控制单元采用bcu单元，电池控制单元bcu用于负责蓄电池组的充电、放电控制以及蓄电池组环境温度的控制和管理，并通过内部can总线与整车控制器vcu实现接收数据和反馈断路状态等功能，控制器中集成了整车控制器vcu和bms电池系统；电池管理单元采用bmu单元，通过bmu可以获取电池组中每颗电池对应的各种参数及状态信息。
57.上述实施例对本公开无人车电池管理系统的内部结构及连接关系做了说明，下面结合以上实施例中的无人车电池管理系统的结构对无人车的换电管理过程进行详细介绍。无人车的换电管理过程具体可以包括以下内容：
58.将大电池组拆分成4个小的电池组，使单个电池组的重量变轻，便于人工换电，每两个电池组进行串联组成一套电池系统，因此可以组成两套电池系统，即第一电池系统和第二电池系统，每套电池系统的电量为6.45kwh，电压平台为72v。bcu主控对两组电池系统进行智能上电管理和切换管理，可以使两套电池系统交替使用。首先将无人车下电，bcu断开所有的继电器，在无人车下电之后，对无人车进行上电流程管理，bcu通过激活信号将所
有的bmu激活，vcu将上电信号发送给bcu，然后bcu通过can2向第二bmu发送闭合第二电池系统的bmu继电器的指令，第二bmu收到指令后立即闭合bmu继电器，从而开启第二电池系统；随后，bcu控制预充继电器闭合，在达到一定条件后再闭合主负继电器，并断开预充继电器，上电操作完成。第二电池系统开始正常工作，同理当第二电池系统的电量用完的时候，可以使用人工更换电池组后的第一电池系统进行工作，两组电池系统可以交替工作，单组电池重量较轻便于人工更换。
59.此外，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。