传感器芯片及其工作方法与流程

本发明涉及电池管理系统技术领域，特别是涉及一种传感器芯片及其工作方法。

背景技术：

随着新能源汽车的普及，其使用的安全性受到越来越多的关注。对于电池包的安全性无疑是重中之重。bps(电池包压力传感器)在新能源汽车中的bms(电池管理系统)的热失控中扮演了重要的角色，如何能够有效可靠迅速的反馈电池包的工作状态并提供报警信号，避免造成汽车系统大面积的失控，成为一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

基于此，本发明提供了一种传感器芯片及其工作方法，以在迅速有效的反馈电池包的工作状态，避免造成汽车系统大面积失控。

本发明提供了一种传感器芯片，包括：

检测模块，用于获取电池包内的压力和/或温度，并生成采样数据；

数据处理模块，与所述检测模块电连接，用于接收所述采样数据，并对所述采样数据进行处理以生成状态信息；

通信模块，与所述数据处理模块电连接，用于将所述状态信息发送给电池管理系统，以使所述电池管理系统根据所述状态信息对所述电池包进行管理和维护。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块，还用于将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较，并在采集到所述压力超过所述预设电压，和/或采集到的所述温度超过所述预设温度时，生成第一告警信息和第二告警信息；

所述通信模块，还用于将所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以提醒所述电池管理系统及时对所述电池包进行维护；以及，将所述第二告警信息发送给上位机，以使得所述上位机在所述电池管理系统失控时根据所述第二告警信息的危险等级对异常状况进行安全处理。

在其中一个实施例中，所述通信模块采用pwm波输出所述状态信息，利用所述pwm波不同的占空比范围表示不同的工作状态。

在其中一个实施例中，当新能源车辆处于使用工况中时，采用连续采样模式对所述电池包内的压力和/或温度进行连续采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长处于预设时长内时，采用监控采样模块对所述电池包内的压力和/或温度进行采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长等于或超过所述预设时长时，所述传感器芯片进入休眠状态。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块包括数字信号处理器，串联在所述检测模块与所述通信模块之间，用于根据所述采样数据进行补偿运行和比较，生成所述状态信息、所述第一告警信息和所述第二告警信息。

在其中一个实施例中，所述通信模块包括有线传输电路和无线传输电路，通过所述有线传输电路将所述状态信息和所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以及通过所述有线传输电路或所述无线传输电路将所述第二告警信息发送给所述上位机。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片还包括存储模块，所述存储模块与所述数据处理模块电连接，用于存储所述采样数据和所述状态信息。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种传感器芯片的工作方法，包括：

获取电池包内的压力和/或温度，并生成采样数据；

对所述采样数据进行处理以生成状态信息；

将所述状态信息发送给电池管理系统，以使所述电池管理系统根据所述状态信息对所述电池包进行管理和维护。

在其中一个实施例中，传感器芯片的工作方法还包括：

将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较；当

采集到所述压力超过所述预设电压，和/或采集到的所述温度超过所述预设温度时，生成第一告警信息和第二告警信息；

将所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以提醒所述电池管理系统及时对所述电池包进行维护，以及将所述第二告警信息发送给上位机，以使得所述上位机在所述电池管理系统失控时根据所述第二告警信息的危险等级对异常状况进行安全处理。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片的工作方法还包括：

存储所述采样数据和所述状态信息。

综上，本发明实施例提供了一种传感器芯片及其工作方法。其中所述传感器芯片包括检测模块、数据处理模块和通信模块。所述检测模块用于获取电池包内的压力和/或温度，并生成采样数据；数据处理模块与所述检测模块电连接，用于接收所述采样数据，并对所述采样数据进行处理以生成状态信息；通信模块与所述数据处理模块电连接，用于将所述状态信息发送给电池管理系统，以使所述电池管理系统根据所述状态信息对所述电池包进行管理和维护。本发明中，在所述传感器芯片内通过数据处理模块对所述采样数据进行处理以生成状态信息，对电池包的工作状态实现毫秒级的测量，并通过通信模块将状态信息发送给电池管理系统，从而实现迅速有效的反馈电池包工作状态，并使得电池管理系统可使根据状态信息对所述电池包进行管理和维护，进而避免造成汽车系统大面积失控。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种传感器芯片的电气结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种传感器芯片的工作系统图；

图3为本发明实施例提供的一种传感器芯片的工作流程状态示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种传感器芯片的电气结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种传感器芯片的工作方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参见图1，本发明实施例提供了一种传感器芯片，所述传感器芯片包括检测模块100、数据处理模块200和通信模块300。

所述检测模块100用于获取电池包内的压力和/或温度，并生成采样数据。

所述数据处理模块200与所述检测模块100电连接，用于接收所述采样数据，并对所述采样数据进行处理以生成状态信息。

所述通信模块300与所述数据处理模块200电连接，用于将所述状态信息发送给电池管理系统，以使所述电池管理系统根据所述状态信息对所述电池包进行管理和维护。

可以理解，针对热失控的温度升高非常迅速的特点，本发明传感器芯片借助内置的数据处理模块200对所述采样数据进行加速运算和处理，并生成状态信息，对电池包的工作状态实现毫秒级的测量，并在电池包产生快速异常至爆炸的5-10秒内通过通信模块300将状态信息发送给电池管理系统bms，从而实现迅速有效的反馈电池包工作状态，并使得电池管理系统可使根据状态信息对所述电池包进行管理和维护，进而避免造成汽车系统大面积失控。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块200，还用于将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较，并在采集到所述压力超过所述预设电压，和/或采集到的所述温度超过所述预设温度时，生成第一告警信息和第二告警信息。

所述通信模块300，还用于将所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以提醒所述电池管理系统及时对所述电池包进行维护；以及，将所述第二告警信息发送给上位机，以使得所述上位机在所述电池管理系统失控时根据所述告警信息的危险等级对异常状况进行安全处理。

图2和图3，本实施例中新能源汽车控制系统具有两个域控制器(分别ecu1和ecu2)、bms以及至少一传感器芯片；另，本实施例中所述域控制器为所述传感器芯片和所述电池管理系统的上位机。

新能源汽车启动后，传感器芯片通过自带的采样模块(包括多个传感器，例如，压力传感器和温度传感器，其中压力传感器用于在所述电池包内采集电池模块之间的压力，所述温度传感器用于采集所述电池包内的温度。)测试周边的压力和温度，然后经过运算补偿比较后，通过通信模块300以有线传输或无线传输的方式输出采样数据给bms，以使bms根据采样数据对所述电池包进行管理和维护，如调节充/放电的电流、功率和电压等，实现快速安全充电和稳定输出。

在将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较之后，如果采集到所述压力超过所述预设电压，则表示电池包内压力异常；如果采集到的所述温度超过所述预设温度，则表示电池包内温度异常。如果压力和/或温度有异常时，则生成告警信息，同时将第一告警信息bps2bms_alarm和第二告警信息bps2ecu_alarm。然后，通过通信模块300将第一告警信息bps2bms_alarm发送给bms，提示bms对当前的异常状况进行处理；以及，通过通信模块300将第二告警信息bps2ecu_alarm发送给ecu1，ecu1根据第二告警信息bps2ecu_alarm的危险等级判断是否需要采取完全处理操作，例如，通过bms关闭电池包的输出、提醒车内人员尽快离开车辆等。

在其中一个实施例中，所述检测模块100包括采集单元110和数据放大单元120，请参见图4。

所述采集单元110用于采集所述电池包内的温度和/或温度，得到原始数据；和

所述数据放大单元120与所述采集单元110和所述数据处理模块200分别电连接，用于对所述原始数据进行放大处理，得到所述采样数据。

本实施例中，采用单元包括多个传感器，例如，压力传感器和温度传感器，其中压力传感器用于在所述电池包内采集电池模块之间的压力，所述温度传感器用于采集所述电池包内的温度。然后，通过所述数据放大单元120对所述原始数据进行放大处理，并将经过放大处理后的原始数据进行模数转换，生成所述采样数据，然后发送数据处理模块200。

在其中一个实施例中，当新能源车辆处于使用工况中时，采用连续采样模式对所述电池包内的压力和/或温度进行连续采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长处于预设时长内时，采用监控采样模块对所述电池包内的压力和/或温度进行采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长等于或超过所述预设时长时，所述传感器芯片进入休眠状态。

所述压力传感器芯片的工作模式主要分为三种类型：连续采样模式，监控采样模块和休眠模式。

本实施例中，新能源汽车启动后，域控制器ecu2通知bms进入使用工况状态(例如，对新能源车点火/行驶/充电时候的状况)时，bps启动并保持在连续采样模式下工作。工作在连续采样模式下的传感器芯片，通过自带的压力传感器和温度传感器等测试安装的周边的压力和温度，然后经过运算补偿比较后，将采集数据输出给bms，如果压力/温度有异常则同时将第一告警信息bps2bms_alarm拉高以提示bms对异常状况进行处理，同时发送第二告警信息bps2ecu_alarm信号给ecu1，ecu1会判断第二告警信息bps2ecu_alarm的危险等级，这样ecu1也可以在bms自身失控情况下，对bms进行危险等级高的安全处理，提高汽车安全性能。

熄火后的一段时间内，是电池包出问题概率较大的时间段，例如熄火后的15-30分钟内，因此即使车辆以及熄火，也会继续获取电池包内的压力和温度以确定电池包的状态。本实施例中，在所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长处于预设时长内时，采用监控采样模块对所述电池包内的压力和/或温度进行采样。

若所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长等于或超过所述预设时长时，如没有出现异常状况，所述传感器芯片可进入休眠状态，此时传感器可以保持低功耗运行尽量降低能源消耗。在此休眠工作模式下，检测模块和数据处理模块200处于休眠状态，通信模块300持续工作，一旦发现汽车启动或者充电了，接收到唤醒信号bps_wk后，则通知检测模块和数据处理模块200回到连续监控采样模块。

在其中一个实施例中，处于休眠状态的所述传感器芯片，通过所述通信模块300接收并根据所述电池管理系统发送的唤醒信号启动连续采样模式。请参见图4，本实施例新能源汽车启动后，域控制器ecu2通知bms进入使用工况状态(例如，对新能源车点火/行驶/充电时候的状况)，此时通过bms对bps发送唤醒信号bps_wk，使得bps根据唤醒信号bps_wk结束休眠状态，启动并保持在连续采样模式下工作。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块200包括数字信号处理器，串联在所述检测模块100与所述通信模块300之间，用于根据所述采样数据进行补偿运行和比较，生成所述状态信息、所述第一告警信息和所述第二告警信息。本实施例中，在芯片内部通过增设数据处理模块200(digitalsignalprocessing，dsp)，对采集数据实现毫秒级测量，从而实现迅速有效的反馈电池包工作状态，并使得电池管理系统可使根据状态信息对所述电池包进行管理和维护，进而避免造成汽车系统大面积失控。

在其中一个实施例中，所述通信模块300包括有线传输电路(未图示)和无线传输电路(未图示)，通过所述有线传输电路将所述状态信息和所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以及通过所述有线传输电路或所述无线传输电路将所述第二告警信息发送给所述上位机。

在进行通讯时，采用汽车常见专用的lin/pwm/sent等有线电路和无线ble发送组合进行通讯，以保证通讯安全和可靠性。本实施例中，有线传输电路包括bps_dataout接口、bps2bms_alarm接口、bps_wk接口和状态信息接口；其中，通过bps_dataout接口输出采集数据，通过bps2bms_alarm接口输出第一告警信息bps2bms_alarm，通过bps_wk接口接收唤醒信息bps_wk，以及通过状态信息接口输出状态信息。此外，所述无线传输电路包括蓝牙传输接口(即blepa接口，相当于所述状态信息接口),通过blepa接口以无线的方式将第二告警信息bps2bms_alarm输出给域控制器ecu1；此外，还可以通过其它无线传输方式(例如，物联网传输、移动通信传输等)输出第二告警信息bps2bms_alarm。

在其中一个实施例中，所述通信模块300采用pwm波输出所述状态信息，利用所述pwm波不同的占空比范围表示不同的工作状态。

本实施例中，通信模块300控制采集信号bps_dataout单向输出信号到bms，不仅具有输出压力功能，而且可以实现异常的诊断辅助功能。例如以pwm实现为例子，波形占空比定义在10％-90％定义为正常压力范围值。则1％-8％，91％-98％的占空比可以代表16种类的异常行为提示。这样方便的实现正常和异常的通讯切换，同时可以改善因汽车里面连线过多带来的不可靠性问题。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片还包括电源控制模块400，用于将电源电压提供稳定的提供给所述检测模块100、所述数据处理模块200和所述通信模块300。

可以理解，新能源汽车的电池包的输出电压和电流都比较大，因此在为传感器芯片供电时，需要先将电源电压转为传感器芯片的工作电压。本实施例中，通过电源控制模块400进行电压转换，如传感器芯片需要的3.8v、5v等，并分别提供给所述检测模块100、所述数据处理模块200和所述通信模块300。

在其中一个实施例中，所述电源控制模块400包括电压转换电路410和过压和欠压保护电路420。

所述电压转换电路410用于将所述电源电压转化为所述传感器芯片需要的工作电压。

所述过压和欠压保护电路420串联在电源与所述电压转换电路410之间，用于防止大电流和/或高压脉冲对所述传感器芯片产生破坏。

可以理解，在新能源汽车点火启动或熄火时，汽车内总线上可能会产生大电流和peak高压。本实施例中通过过压和欠压保护电路420对传感器芯片实现保护，适应汽车内总线上大电流和peak高压的冲击，防止对芯片产生破坏。所述电压转换电路410包括ldo模块，ldo模块主要负责为芯片内的各个模块进行供电；综合考虑汽车电子的emc特点，芯片外接器件变少可以利于emc；并且由于ldo模块具有不需要外接电容的特点，还因此可简化芯片设计；此外，因为芯片设计本身属于低功耗设计，整体平均电流在10ma以下，所以可支持选用ldo模块进行电压转换处理。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片还包括复位模块500，用于接收复位信号，并根据所述复位信号控制所述电源控制模块400的关断输出。

本实施例中，有专门的复位pin支持复位模块500对芯片进行复位，通过复位pin接收复位信号bps_rst。当这个复位信号bps_rst复位(高电平)有效时，此时芯片内部除了复位模块500其余所有模块处于关闭状态。所述芯片内自带的下拉电阻r用于在监控采样模块下拉低复位pin的电压；监控采样模块下bms已经没有电不工作，复位pin悬空，给出的复位信号bps_rst的电平是高阻状态，而此时bps芯片需要工作，此处该电阻可以防止输入floating。该下拉电阻r的特点是比一般的下拉电阻阻值大一个数量级，可达到兆欧姆级别；选用阻值在兆欧姆级别的电阻作为下拉电阻时，可使处于复位状态下的传感器芯片的管脚处的漏电较小，保证传感器芯片的电流在2ua以下。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片内具有高精度时钟模块，该时钟模块是传感器片内唯一的时钟来源，该时钟模块的主要特点是可以调整频率实现自身模块的电流减少，降低功率消耗。该时钟模块还有一个特点则是用作检测模块、数据处理模块200以及通信模块300的基础工作频率，无需为检测模块、数据处理模块200以及通信模块300单独设置外接时钟。此外，因为该时钟电路自带温度补偿功能，因此可以满足通讯控制模块的精度要求。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片还包括微控制处理器mcu，主要用于通讯协议支持和功耗模式的控制切换。本实施例中，微控制处理器mcu采用8051结构，主要负责调度事件和通讯模块的工作。对于异常事件和关键数据进行管理，实现安全存储数据，例如采用一个数据存储3次的正-反-正编码进行校验和crc16算法校验；以及在bps系统工作在休眠模式的时候自动进行降频测试，减少芯片的散热等。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片还包括存储模块600，所述存储模块600与所述数据处理模块电连接，用于存储所述采样数据和所述状态信息。本实施例中，存储模块600分为存储区和程序区两块，其中程序区属于固化区，只读属性，防止被干扰修改。考虑到需要记录数据，所以bps模块在一个新能源车上至少建议放3个或者以上，以保证具有足够大的存储空间。这样在从爆炸开始到完全爆炸会有可靠性的采用数据送出给ecu1进行辅助判断。此外，存储区还实现了一个大数据存储池的概念，可以周期性读取历史采集数据，根据历史采集数据了解新能源车辆的电池包的健康情况。

此外，本实施例中通信模块300主要负责对bms和ecu1进行通讯。考虑到可靠性。通信模块300中的看门狗时钟除了在硬件管脚或者电压异常时无法工作，其余时间都是在利用自己独立的区别于mcu模块的时钟在运行。

本发明中，结合实时性控制和安全性回溯的部分需要，传感器芯片设计支持高温175度正常工作，可以在250度以下正常保存关键数据，非易失存储器中的数据不会损坏，在从爆炸开始到完全爆炸会有可靠性的采用数据送出给ecu1进行辅助判断。另外，该传感器芯片还具有诊断功能，满足功能安全的芯片单点故障点小于10％的要求。其中，安全特性主要包含管脚安全、管脚电特性检测、采样模块短路和断路报警，电源电压的欠压和过压报警，温度的过温报警等。所有功能集成在芯片内，尽可能减少外部器件，这样可由传感器芯片同一来保证可靠性。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种传感器芯片的工作方法，请参见图5，包括：

步骤s510，获取电池包内的压力和/或温度，并生成采样数据；

步骤s520，对所述采样数据进行处理以生成状态信息；

步骤s530，将所述状态信息发送给电池管理系统，以使所述电池管理系统根据所述状态信息对所述电池包进行管理和维护。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片的工作方法还包括：

将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较；

当采集到所述压力超过所述预设电压，和/或采集到的所述温度超过所述预设温度时，生成第一告警信息和第二告警信息；

将所述第一告警信息发送给所述电池管理系统，以提醒所述电池管理系统及时对所述电池包进行维护，以及将所述第二告警信息发送给上位机，以使得所述上位机在所述电池管理系统失控时根据所述第二告警信息的危险等级对异常状况进行安全处理。

可以理解的是，将采集到所述压力与预设电压进行比较，以及将采集到的所述温度与预设温度进行比较，以生成第一告警信息和第二告警信息的步骤与步骤s520执行时没有顺序，可先执行其中任一个步骤，也可同步进行这两个步骤，本实施例并不对此进行限制。

在其中一个实施例中，采用pwm波输出所述状态信息，利用所述pwm波不同的占空比范围表示不同的工作状态，以方便的实现正常和异常的通讯切换，同时可以改善因汽车里面连线过多带来的不可靠性问题。

在其中一个实施例中，当新能源车辆处于使用工况中时，采用连续采样模式对所述电池包内的压力和/或温度进行连续采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长处于预设时长，采用监控采样模块对所述电池包内的压力和/或温度进行采样；

当所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长等于或超过所述预设时长时，所述传感器芯片进入休眠状态。

本实施例中，新能源汽车启动后，域控制器ecu2通知bms进入使用工况状态(例如，对新能源车点火/行驶/充电时候的状况)时，bps启动并保持在连续采样模式下工作。工作在连续采样模式下的传感器芯片，通过自带的压力传感器和温度传感器等测试安装的周边的压力和温度，然后经过运算补偿比较后，将采集数据输出给bms，如果压力/温度有异常则同时将第一告警信息bps2bms_alarm拉高以提示bms对异常状况进行处理，同时发送第二告警信息bps2ecu_alarm信号给ecu1，ecu1会判断第二告警信息bps2ecu_alarm的危险等级，这样ecu1也可以在bms自身失控情况下，对bms进行危险等级高的安全处理，提高汽车安全性能。

熄火后的一段时间内，是电池包出问题概率较大的时间段，例如熄火后的15-30分钟内，因此即使车辆以及熄火，也会继续获取电池包内的压力和温度以确定电池包的状态。若所述新能源车辆处于熄火状态且持续时长等于或超过所述预设时长时，如没有出现异常状况，所述传感器芯片可进入休眠状态，此时传感器可以保持低功耗运行尽量降低能源消耗。在此休眠工作模式下，检测模块和数据处理模块200处于休眠状态，通信模块300持续工作，一旦发现汽车启动或者充电了，接收到唤醒信号bps_wk后，则通知检测模块和数据处理模块200回到连续监控采样模块。

在其中一个实施例中，所述传感器芯片的工作方法还包括：存储所述采样数据和所述状态信息，以便可周期性读取历史采集数据，根据历史采集数据了解新能源车辆的电池包的健康情况。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。