用于使用少量絕緣元件發送二次保護信號和診斷信號的電池管理系統的制作方法與工藝

本公開涉及用于發送二次保護信號和診斷信號的電池管理系統(BMS)，更具體而言，涉及用于使用少量絕緣元件發送二次保護信號和診斷信號的BMS。本申請要求于2013年10月25日在大韓民國提交的韓國專利申請第10-2013-0127905號的優先權，其公開內容通過引用包含于本文。本申請要求于2014年10月15日在大韓民國提交的韓國專利申請第10-2014-0139329號的優先權，其公開內容通過引用包含于本文。

背景技術：
由于其易于應用到各類產品的特性以及諸如高能量密度的電特性，二次電池不僅普遍應用于便攜設備，而且廣泛應用于由電機推動的電動車輛(EV)、混合動力電動車輛(HEV)或能量存儲系統。由于其顯著減少化石燃料的使用以及不產生來自于能量的使用的副產物的主要優點，二次電池正獲得關注，使其成為新的環境友好并且節能的能量源。二次電池可以通過元件之間的電化學反應來反復充電和放電，所述元件包括陰極集流體、陽極集流體、隔膜、活性材料、電解液等。舉例而言，廣泛使用的鋰聚合物二次電池具有在大約3.7V到大約4.2V的范圍內的操作電壓。因此，為了得到用于電動車輛的高功率電池組，多個單元的二次電池單體被串聯連接以構造電池組。除了基本結構，電池組進一步包括電池管理系統(BMS)，以通過將用于電源控制的算法應用到諸如電機的驅動負載、諸如電流或電壓的電特性值的測量、充電/放電控制、電壓均衡控制、電量狀態(SOC)估計等，來監視和控制二次電池的狀態。最近，隨著對于高容量結構以及作為能量存儲源的利用的需求上升，對于多模塊結構的電池組的需求也在上升，在所述多模塊結構的電池組中組裝了包括多個二次電池單體的多個電池模塊。因為多模塊結構的電池組包括多個二次電池單體，使用單個BMS控制全部二次電池單體或多個電池模塊的充電/放電狀態存在著限制。因此，已經引入了新的技術，其中電池管理單元(BMU)被設置到電池組中包括的每個電池模塊，這些BMU被指定為從單元，并且另外設置了主BMS以控制從屬單元，使得每個電池模塊的充電和放電以主-從模式得到控制。圖1是示意地示出根據現有技術的BMS100與外部設備10的連接狀態的框圖。參考圖1，設置了BMS100，其包括八個從單元210以及一個主單元211。而且，BMS100連接到了電池組110，電池組110包括多個串聯連接的二次電池單體111。BMS100控制電池組110的充電和放電，并且進一步地，測量包括在電池組110中的二次電池單體111的電壓。BMS100從外部設備10接收與充電和放電相關聯的控制信號，并發送與二次電池單體111的狀態相關聯的數據。然而，如上所述，因為電池組110包括串聯連接的多個單元的二次電池單體以獲得用于電動車輛等的高功率電池組，外部設備10需要從BMS100電氣隔開，以防止外部設備10由于高電壓而受損。為此目的，連接并使用了光耦合器，其能夠在電氣隔開外部設備10與BMS100的同時發送并接收電信號。光耦合器也稱為光電耦合器。光耦合器對應于包括光發射源(輸入)和光檢測器(輸出)的開關元件。一般而言，紅外發光二極管(LED)被用作光發射源，響應于光而接通的光電二極管或光電晶體管被用作光檢測器。從而，當電流流向輸入側時，光發射源發射光，然后輸出側，即光電二極管或光電晶體管接通。這就是說，光耦合器是設計為通過光而非電耦合來接通或斷開的開關元件。當光耦合器用于將外部設備10連接到BMS100時，優點是外部設備10可以與BMS100電氣隔開。同樣，在發送數據信號時可以防止導致高電壓電流從電池組110輸入到外部設備10側的反向電流，并且可以減少在電池組110的充電和放電期間產生的電磁波的影響。當BMS以主-從模式運行時，為了提供對于可能出現在主單元211的故障的防護，從單元210可以配置為將與二次電池單體111相關聯的信息直接遞送到外部設備10。圖1示出了每個從單元210發送到外部設備10以采取對于主單元211中的故障的防護的三種類型的數據。發送自從單元210的“2nd_PROT”信號指表示二次電池單體111被過沖超過預設電壓的信號。發送自從單元210的“低于VPROT(UnderVPROT)”信號指表示二次電池單體111被過放低于預設電壓的信號。發送自從單元210的“診斷(Diag)”信號指表示經過從單元210的自診斷是否已經出現異常的信號。如此，每個從單元210向外部設備10發送三種類型的數據，而當這樣的從單元210的數量是八個時，為將外部設備10連接到從單元210所需要的光耦合器的總數量是二十四個。光耦合器相比于其他電子或電氣元件是更加昂貴的元件，這是BMS制造成本上升的因素。因此，需要對于這樣的BMS的研究，其在保持BMS100與外部設備10的絕緣的同時，將信號從包括在BMS100中的從單元210發送到外部設備10。

技術實現要素：
技術問題設計本公開以解決現有技術的問題，并且因此本公開針對于提供一種用于使用少量絕緣元件的發送二次保護信號和診斷信號的電池管理系統(BMS)。技術方案為實現該目標，根據本公開的電池管理系統是管理電池組的系統，并且包括：N個電池管理單元，所述電池管理單元配置為管理包括在所述電池組內的二次電池，其中N是大于或等于2的自然數；N個通信線路，所述通信線路電氣連接到各自電池管理單元以向控制所述電池管理系統的外部設備發送數據；絕緣元件，所述絕緣元件配置為在電氣隔開所述外部設備和所述電池管理系統的同時發送信號；開關，所述開關配置為通過控制信號選擇性地將所述N個通信線路中的任意一個連接到所述絕緣元件；以及開關控制器，所述開關控制器配置為向所述開關輸出控制信號，其中，每個電池管理單元通過時間分割發送至少兩份數據。根據本公開的絕緣元件可以是光耦合器。根據本公開的電池管理系統可以進一步包括電平位移器，該電平位移器連接在每個電池管理單元與所述通信線路之間。根據本公開的電池管理系統，在具有開關控制器的電池管理系統中，開關控制器可以通過絕緣元件連接到外部設備，并且可以受所述外部設備控制。根據本公開的示例性實施例，每個電池管理單元可以使用ADSYNC通過時間分割發送至少兩份數據，其中ADSYNC在數據發送準備段以及數據發送段的起始點改變信號的邏輯電平。在該實例中，包括在所述ADSYNC的數據發送段中的所述至少兩份數據可以具有相同的每項數據的寬度，以及遠離所述數據發送段的起始點的數據的寬度可以寬于接近所述起始點的數據的寬度。在后一種情況下，遠離數據發送段的起始點的數據的寬度可以比接近數據發送段的起始點的數據的寬度寬5％。而且，在ADSYNC的數據發送段中可以包括指示數據之間的邊界的脈沖。根據本公開的示例性實施例，所述N個電池管理單元可以進一步包括同步線路，以建立用于與鄰近的其他電池管理單元的同步的電氣連接。在本實例中，N個電池管理單元可以通過ADSYNC執行同步。N個電池管理單元可以分別輸出自激ADSYNC并且可以被同步到輸出的自激ADSYNC中的任意一個，以及所述N個電池管理單元可以被同步到從所述N個電池管理單元輸出的自激ADSYNC之中具有最窄的數據發送準備段寬度和最窄的ADSYNC周期寬度的自激ADSYNC。有益效果根據本公開，可以使用少量絕緣元件將電池管理系統連接到外部設備。附圖說明所附附圖示出了本公開的優選實施方式，并且連同上述公開用于提供本公開的技術精神的進一步理解，從而，本公開不應解釋為限于附圖。圖1是示意地示出根據現有技術的電池管理系統(BMS)與外部設備的連接狀態的框圖。圖2至6是示意地示出根據本公開的BMS的架構的框圖。圖7是示出ADSYNC的配置的波形圖。圖8是示出根據本公開的從電池管理單元(BMU)輸出的自由運行的ADSYNC的波形圖。圖9是示出根據本公開的示例性實施例的已同步的自由運行的ADSYNC的波形圖。具體實施方式下文中，將參考所附附圖具體描述本公開的優選實施方式。在描述之前，應當理解，說明書和所附權利要求中使用的術語不應當被理解為受限于一般的和字典的含義，而是應當基于發明人為了最好的闡釋而允許適當地限定術語的原則，基于對應于本公開的技術領域的含義和概念進行解釋。因此，本文所提出的描述只是用于說明目的的優選示例，無意限制本公開的范圍，因此應當理解為，在不偏離本公開的精神和范圍的情況下可以對其作出其他等同形式或修改。圖2至6是示意地示出根據本公開的電池管理系統(BMS)101-106的架構的框圖。下文中，在參考圖2至6的根據本公開的BMS101-106的描述中，應當理解，具有相同附圖標記的元件表示執行相同功能的元件。從而，稍后將提供每個元件的具體描述，而下述描述基于每個實施例之間的差別作出。首先，描述如圖2所示的根據本公開的第一實施例。為方便理解，根據本公開的第一實施例的BMS101與圖1所示的根據現有技術的BMS100一同描述。圖2所示的每個電池管理單元(BMU)310與各自通信線路330連接。這就是說，不似現有技術，通信線路的數量不隨著待發送數據的數量增長而增長。第一實施例的特征在于，每個BMU310通過各自通信線路330向外部設備10發送數據。從而，每個BMU310通過時間分割發送至少兩份數據。同樣，每個BMU310通過絕緣體元件一對一地連接到外部設備10。在本公開中，絕緣體元件可以是光耦合器320。因為前文提供了光耦合器320的描述，所以本文省略了重復的描述。接下來，描述如圖3所示的根據本公開的第二實施例。為方便理解，根據本公開的第二實施例的BMS102與圖2所示的根據本公開的第一實施例的BMS101一起描述。當比較根據本公開的第二實施例的BMS102與根據第一實施例的BMS101時，可見，在BMU310到外部設備10的連接中使用了一個光耦合器(上方描繪的320)。同樣，可見，包括開關350和開關控制器340的選擇性連接裝置被應用，以將BMU310選擇性地連接到外部設備10。同樣，可見，添加了光耦合器(下方描繪的320)，以控制開關控制器340。從而，光耦合器320的總數量是兩個。開關350用于通過開關控制器340的控制信號將通信線路330中的任何一個選擇性地連接到光耦合器320。在本實例中，開關控制器340通過光耦合器320連接到外部設備10，并且可以通過外部設備10進行控制。具有通過開關350連接到光耦合器320的通信線路330的BMU310可以向外部設備10發送數據。接下來，描述如圖4所示的根據本公開的第三實施例。為方便理解，根據本公開的第三實施例的BMS103與圖3所示的根據本公開的第二實施例的BMS102一起描述。根據本公開的第三實施例的BMS103包括代替包括開關350和開關控制器340的選擇性連接裝置的將BMU310連接到外部設備10的計算器360。計算器360可以自由地和選擇性地將BMU310連接到光耦合器320。計算器360的部件可以實施為包括邏輯電路的電子電路模塊。電子電路模塊的示例可以包括專用集成電路(ASIC)。然而，本公開不限于此。具有通過開關360連接到光耦合器320的通信線路330的BMU310可以向外部設備10發送數據。接下來，描述如圖5所示的根據本公開的第四實施例。為方便理解，根據本公開的第四實施例的BMS104與圖4所示的根據本公開的第三實施例的BMS103一起描述。根據本公開的第四實施例的BMS104包括代替計算器360的將BMU310連接到外部設備10的信號混合器370。信號混合器370指將N個數據信號混合為一個并且輸出單一信號的設備。信號混合器370為本領域技術人員所熟知，本文將省略其詳細描述。信號混合器370電氣連接到N個通信線路330中的每一個。同樣，信號混合器370將接收自每個BMU310的信號混合為一個。從而，從N個BMU310輸出的信號混合為一個并且發送到外部設備10。接下來，描述如圖6所示的根據本公開的第五實施例。為方便理解，根據本公開的第五實施例的BMS105與圖5所示的根據本公開的第四實施例的BMS104一起描述。在根據本公開的第五實施例的BMS105中，可見，每個BMU310通過一個通信線路330電氣連接到信號混合器370。從而，信號混合器以相繼的順序接收從N個BMU310輸出的信號，將信號混合為一個，并且將單一信號發送到外部設備10。在根據本公開的示例性實施例的描述中，光耦合器320被示出為將外部設備10連接到BMS101-105的元件。光耦合器320是在發送信號的同時將外部設備10從BMS101-105電氣隔開的絕緣元件的示例。從而，本公開的范圍不限于表現為絕緣元件的示例的光耦合器320。在該實例中，根據本公開的BMS101-105可以進一步包括電平位移器390，其電氣連接在每個BMU310與通信線路330之間。電平位移器390指以期望范圍的電位值將輸入信號輸出的設備。電平位移器390為本領域技術人員所熟知，本文將省略其詳細描述。根據本公開的BMS101-105包括N個BMU310。N個BMU管理包括在電池組110中的二次電池111。通過BMU310對包括在電池組110中的二次電池111的管理代表執行各種類型的普通水平上的可應用的控制，包括充電/放電電流、包括每個二次電池111的電壓或電流的電特性值的測量、充電/放電控制、電壓均衡控制、電量狀態(SOC)估計等。在本實例中，電池組110包括至少一個二次電池111，并且二次電池111不限于特定類型。每個二次電池可以包括可再沖并且需要考慮充電或放電電壓的鋰離子電池、鋰聚合物電池、Ni-Cd電池、Ni-MH電池以及Ni-Zn電池。同樣，包括在電池組110中的二次電池111的數量可以基于所需的輸出電壓或充電/放電容量來不同地設定。然而，本公開不受限于二次電池111的類型、輸出電壓和充電容量等。同樣，盡管圖2至6顯示了二次電池串聯連接的實施例，本公開不受限于二次電池111的連接方式。不似現有技術，根據本公開的BMU310通過一個通信線路330發送至少兩份數據。從而，至少兩份數據通過時間分割輸出為數據信號。為此目的，根據本公開的BMU310可以使用ADSYNC通過時間分割發送至少兩份數據，ADSYNC在數據發送準備段以及數據發送段的起始點改變信號的邏輯電平。ADSYNC是一種用于BMU310與外部設備10之間的數據發送和接收的通信協議。這就是說，BMU310通過指定方法發送兩份數據，并且外部設備10通過指定方法接收和讀取該至少兩份數據。圖7是示出ADSYNC的配置的波形圖。ADSYNC的一個周期由數據發送準備段和數據發送段組成。為區分數據發送準備段和數據發送段，ADSYNC在數據發送準備段以及數據發送段的起始點改變信號的邏輯電平。數據發送準備段允許作為高邏輯電平信號(H)的輸出，而數據發送段允許作為低邏輯電平信號(L)的輸出。高邏輯電平可以設定為5V而低邏輯電平可以設定為0V，但是本公開不限于該示例。在本實例中，如果附圖中示出的數據發送準備段被解釋為預設最小寬度，而一個周期被解釋為ADSYNC周期的預設最小寬度，則會容易理解。通過ADSYNC同步的BMU310和外部設備10可以在數據發送段期間在預設寬度內發送和接收所收集的數據。從圖7所示的數據發送段的起始點，“2nd_PROT”、“UnderVPROT(低于VPROT)”和“Diag(診斷)”可以以相繼順序發送。顯然，數據發送順序可以不同地設定。下文中，ADSYNC周期表示由數據發送準備段和數據發送段組成的一個信號周期(ADSYNC周期＝數據發送準備段+數據發送段)。包括在ADSYNC的數據發送段中的至少兩份數據可以具有相同的寬度或彼此不同的寬度。當包括在ADSYNC的數據發送段中的至少兩份數據具有彼此不同的寬度時，遠離數據發送段的起始點的數據的寬度寬于接近數據發送段的起始點的數據的寬度。例如，遠離數據發送段的起始點的數據的寬度比接近數據發送段的起始點的數據的寬度寬5％。當數據接收側，即外部設備10側，或數據發送側102使用電阻器-電容器(RC)振蕩器來檢測或發送信號時，在發送和接收之間可能出現大約5％或更多的誤差。顯然，誤差隨著RC振蕩器性能的提升而減小，但是隨著性能變得更高，RC振蕩器的成本變高。從而，當做出發送至少兩份數據的嘗試時，考慮到可能的誤差，通過增加每項數據的寬度，例如增加5％，而在不使用高性能RC振蕩器的情況下啟用數據的通信。當誤差為-5％～+5％而且發送具有預定寬度時，可發送和可接收數據的數量限制為九個或更少。如同7所示，可見，以每項數據的漸增的寬度來發送數據。而且，在ADSYNC的數據發送段中可以包括指示數據之間的邊界的脈沖。在本實例中，當在實際要使用的系統中預期的誤差較大時，數據的增加寬度可以在寬度上增加。而且，根據本公開的BMU310可以進一步包括同步線路，以建立用于與鄰近的其他BMU同步的電氣連接。在該實例中，BMU310通過ADSYNC執行同步。當每個BMU測量電壓或進行自診斷的時刻存在差別時，電壓測量會不正確地執行或者通過電壓測量所獲得的數據可能對外部設備10沒有幫助。從而，BMS101-106需要執行全部BMU310的同步操作并發送數據。為此目的，自激ADSYNC通過在BMU310之間互聯的同步線路輸入。本文使用的自激ADSYNC指用于BMU310之間的同步的預備信號。圖8是示出根據本公開的從BMU310輸出的自激ADSYNC的波形圖。參考圖8，可見，從BMU單元1到單元8輸出的自激ADSYNC在數據發送準備段的寬度上和ADSYNC周期的寬度上不同。每個BMU310的自激ADSYNC可以用于通過同步線路來識別全部BMU310。在本實例中，根據本公開的BMU310被同步到輸出的自激ADSYNC中的任意一個。根據本公開的示例性實施例，BMU310被同步到從多個BMU310輸出的自激ADSYNC之中具有最窄的數據發送段寬度和最窄的ADSYNC周期寬度的自激ADSYNC。圖9是示出根據本公開的示例性實施例的已同步的自激ADSYNC的波形圖。一同參考圖8和9，在圖8中可見，單元8的數據發送準備段的寬度最窄而且自激ADSYNC的一個周期最早。從而，根據本公開的示例性實施例，圖9中可見，單元1和單元2的自激ADSYNC被與單元8的自激ADSYNC同步。隨后，每個BMU310根據已同步的ADSYNC周期測量二次電池111的電壓或進行故障診斷。而且，當每個BMU310向外部設備10發送數據時，BMU310可以確定其數據的發送順序。根據本公開，可以使用少量絕緣元件來連接BMS和外部設備。同時，在本公開的描述中，應當理解，圖2至6中所示的本公開的每個元件或部件是在邏輯上區分的而不是在物理上區分的。這就是說，每個元件或部件對應于實現本公開的技術精神的邏輯元件或部件，因此，應當理解，盡管每個元件或部件是整合的或分開的，如果本公開的邏輯元件或部件執行的功能可以被實現，其落入本公開的范圍，并且如果其是執行一致的或相似的功能的元件或部件，不論名稱是否一致其都落入本公開的范圍。盡管本公開是與有限數量的實施例和附圖相關地在上文描述的，但是本公開不限于此，并且應當理解，本領域技術人員可以在本發明的技術精神和所附權利要求的等同形式的范圍內做出各種修改和改變。