CN104953684A - 一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法 - Google Patents

Abstract

一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法，电路包括连接在外部电源与单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，还包括连接在单体电池组与CPU的第一A/D端口之间的依次级联的电压采样开关组以及第一A/D变换器，还包括连接在双向DC-DC变换器与CPU的第二A/D端口之间的依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的冗余电压采集电路，由嵌入式控制软件检测各个单体电池电压，且对同一个单体电池所采集的两个电压进行冗余判断，以决定是否启动后续的均衡电池管理。电路简单，方法实用，可以明显提高单体电池电压检测的准确性，显著减少由单体电压采集错误导致的误均衡电池管理。

Description

一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法

技术领域

本发明涉及电池管理，特别是涉及一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法。

背景技术

包括锂离子电池在内的新型电池串联组成的电池组，由于电池单体存在不一致性，使用时会导致整个电池组的可用容量变小；电压偏高的电池单体充电时会导致充电过程提前终止，使充电容量变小；电压偏低的电池单体放电时又会导致放电过程提前终止，使放电容量减小。在电池管理系统(Battery management system，缩略词为BMS)中设置均衡器或均衡电路模块，对电池单体进行均衡，将电压高的单体进行放电，对电压低的单体进行充电，使电池组中各个单体的电压和容量及充放电特性趋于一致。本申请人的在先专利CN101917047B公告了《一种电池管理系统的动态均衡方法及其动态均衡电路》，属于能量转移型双向均衡方法，是在BMS内部控制一个双向高频开关电源变换器，将高能量单体电芯转移到低能量单体电芯，可以最大限度的降低能量损耗，且有效弥补电池的差异性，实现高效能管理。

能量转移型双向均衡电路的基本原理图如图1所示，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池B1～B4之间的依次级联的双向直流/直流(Direct Current，缩略词为DC)变换器、极性换向器，以及开关数量比顺序串联的电池B1～B4的单体电池数量多1的用于控制选通相应单体电池的电池选择开关K1～K5，还包括连接在顺序串联的单体电池B1～B4与CPU的第一A/D端口之间的依次级联的开关数量与电池选择开关数量相等用于控制选通相应单体电池的电压采样开关S1～S5，以及第一模拟/数字(Analog/Digital，缩略词为A/D)变换器，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关K2、K4的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关K2、K4的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的一端与所述第一A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关S2、S4的一端与所述第一A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关S2、S4的另一端与同一单体电池的负极连接，所述电池选择开关K1～K5和所述电压采样开关S1～S5由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制。

其动态均衡方法包括以下步骤：

1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压；

2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；

3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的电压采样开关S1～S5，依次选择每个单体电池接入到第一A/D变换器的输入端口，经过A/D变换后由CPU的端口第一A/D端口A/D1依次采集到每个单体电池的电压参数，CPU通过对比检测到某个单体电池电压与其他单体电池的电压不一致时，就启动均衡电池管理，控制选通相应的电池选择开关K1～K5中的某相邻两个闭合，将电压不一致的单体电池接入到所述极性换向器进行极性匹配，再传送至所述双向DC-DC变换器，由CPU控制双向DC/-DC变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，实现能量转移；

4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。

这种动态均衡方法可以减少电池管理系统的充放电装置器件数量和电路复杂程度，但是，上述电路有一定缺陷，当电压采样开关发生诸如导通电阻变大的故障时，将导致单体电压采集错误，而CPU自身无法识别这种错误，错误启动均衡电池管理，其后果是缩短电池的容量，缩短电池寿命，更为严重的是直接损坏电池，因此，有必要增加对单体电压进行冗余判断，以保证正确的均衡电池管理。

现有进行冗余判断的方法是增加一路独立的冗余电压采集电路，图2是增加了冗余电压采集功能的主动均衡电池管理的电路原理框图，是在图1的能量转移型双向均衡电路的基础上增加一个独立通道的冗余电压采集电路，包括一组电压采样开关S11～S51，依次选择每个单体电池到第二A/D变换器的输入端口，经过A/D变换后由CPU的第二A/D端口A/D2依次采集到每个单体电池的电压，CPU对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，对比第一电压和第二电压的数值，如果数值差大于设定的默认值为10mv的阈值，此时告警单体电池电压采样异常，启动均衡电池管理。这种方法成倍增加电压采样开关即极性选择开关的数量，电路过于复杂，有必要进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是弥补上述在先专利《一种电池管理系统的动态均衡方法及其动态均衡电路》的缺陷，提供一种改进的电池管理系统的动态均衡电路。

本发明所要解决的另一个技术问题是弥补上述在先专利《一种电池管理系统的动态均衡方法及其动态均衡电路》的缺陷，提供一种改进的电池管理系统的动态均衡方法。

本发明的电池管理系统的动态均衡电路技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向直流/直流(Direct Current，缩略词为DC)变换器、极性换向器，以及开关数量比顺序串联的电池组的单体电池数量多1的用于控制选通相应单体电池的电池选择开关组，还包括连接在顺序串联的单体电池组与CPU的第一A/D端口之间的依次级联的开关数量与电池选择开关数量相等用于控制选通相应单体电池的电压采样开关组，以及第一模拟/数字(Analog/Digital，缩略词为A/D)变换器，第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关的一端与所述第一A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述第一A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制，所述嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，由双向DC-DC变换器、极性换向器将正汇集母线、负汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向DC-DC变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。

这种电池管理系统的动态均衡电路的特点是：

还包括连接在所述双向DC-DC变换器与CPU的第二A/D端口之间的依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路，所述第二A/D变换器的一端与所述双向DC-DC变换器的正输出端即单体均衡正母线连接，所述第二A/D变换器的另一端与所述双向DC-DC变换器的负输出端即单体均衡负母线连接，由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压，包括：CPU通过连接在其第一A/D端口的由所述电压采样开关、所述第一A/D变换器采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第一电压；CPU还通过连接在其第二A/D端口的由所述电池选择开关、所述极性换向器、依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第二电压；CPU还对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，如果对比检测第一电压和第二电压的数值差大于设定的阈值，告警冗余电压采集错误，不启动后续的均衡电池管理；如果对比检测第一电压和第二电压的数值差不大于设定的阈值，就启动后续的均衡电池管理。

本发明的电池管理系统的动态均衡电路技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种，用于采集两个相互独立通道的单体电池电压，并比较差异，判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号，并控制对电压最高的单体电池进行放电，对电压最低的单体电池进行充电，通过将高能量单体电芯转移到低能量单体电芯，可以最大限度的降低能量损耗，使单体电池电压趋于一致，弥补电池的差异性，实现高效能管理。

优选的是，所述CPU是型号为MC9S08DE6的微处理器，其采集的直流电压为0～3.3V。

所述电压采样开关是耐压为400vdc的固体继电器，其寿命长，耐压高，切换速度快，用于切换需要采集通道的单体电池。

优选的是，所述电压采样开关是型号为AQY214S的固体继电器。

所述电池选择开关是型号为AON7400A的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，缩略词为MOSFET)。

所述第一A/D变换器是高精密仪表用差分运算放大器。

优选的是，所述第一A/D变换器是型号为AD620的高精密仪表用差分运算放大器。

所述第二A/D变换器是高精密仪表用运算放大器。

优选的是，所述第二A/D变换器是型号为OP07C的高精密仪表用运算放大器。

所述光耦隔离器是线性光电耦合器。

优选的是，所述光耦隔离器是型号为HCPL7800的线性光电耦合器。

所述顺序串联的单体电池组的单体电池数量依据具体应用至少为5。

本发明的电池管理系统的动态均衡方法技术问题通过以下技术方案予以解决。

这种电池管理系统的动态均衡方法，包括以下步骤：

1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压；

2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；

3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的极性选择开关组将汇集母线进行极性变换，同时控制选通相应的电池选择开关组进行极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入到汇集母线上充电或放电，实现能量转移；

4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池组中的各个单体电池电压在设定的允许误差范围内，达到动态均衡。

这种电池管理系统的动态均衡方法的特点是：

所述步骤1)由嵌入式控制软件检测各个单体电池电压，包括：

CPU通过连接在其第一A/D端口的由所述电压采样开关、所述第一A/D变换器采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第一电压；

CPU还通过连接在其第二A/D端口的由所述电池选择开关、所述极性换向器、依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第二电压；

CPU还对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，以决定是否启动后续的均衡电池管理。

通过冗余判断及时发现单体电池电压的异常，可以明显提高单体电池电压检测的正确性与可靠性，显著减少由单体电压采集错误导致的误均衡电池管理。

本发明的电池管理系统的动态均衡方法技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。

所述步骤1)进行冗余判断是，如果对比检测第一电压和第二电压的数值差大于设定的阈值，告警冗余电压采集错误，不启动后续的均衡电池管理；如果对比检测第一电压和第二电压的数值差不大于设定的阈值，就启动后续的均衡电池管理，进入步骤2)。

所述设定的阈值的默认值为10mv。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明是在本申请人的在先专利CN101917047B的基础上仅增加少量部件对单体电池的电压进行冗余判断，动态均衡电路简单，动态均衡方法实用，可以明显提高单体电池电压检测的正确性与可靠性，显著减少由单体电压采集错误导致的误均衡电池管理。

附图说明

图1是现有主动均衡电池管理的电路的原理框图；

图2是现有增加了冗余电压采集功能的主动均衡电池管理的电路原理框图；

图3是本发明具体实施方式的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。

一种如图3所示的电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池B1～B4之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器，以及用于控制选通相应单体电池的电池选择开关K1～K5，还包括连接在顺序串联的单体电池B1～B4与CPU的第一A/D端口A/D1之间的依次级联的用于控制选通相应单体电池的电压采样开关S1～S5，以及第一A/D变换器，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的一端与极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关K2、K4的一端与极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关K2、K4的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的一端与第一A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关S2、S4的一端与第一A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关S2、S4的另一端与同一单体电池的负极连接，电池选择开关组和电压采样开关组由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制，嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，由双向DC-DC变换器、极性换向器将正汇集母线、负汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向DC-DC变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。CPU是型号为MC9S08DE6的MCU，其采集的直流电压为0～3.3V，电压采样开关S1～S5是型号为AQY214S的固体继电器，电池选择开关K1～K5是型号为AON7400A的MOSFET，第一A/D变换器是型号为AD620的高精密仪表用差分运算放大器。

还包括连接在双向DC-DC变换器与CPU的第二A/D端口A/D2之间的依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路，第二A/D变换器的一端与双向DC-DC变换器的正输出端即单体均衡正母线连接，第二A/D变换器的另一端与双向DC-DC变换器的负输出端即单体均衡负母线连接。第二A/D变换器是型号为OP07的高精密仪表用运算放大器，光耦隔离器是型号为HCPL7800的线性光电耦合器。

采用本具体实施方式的电池管理系统的动态均衡电路的动态均衡方法，包括以下步骤：

1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池电压，包括：

CPU通过连接在其第一A/D端口的由所述电压采样开关、所述第一A/D变换器采集顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的第一电压；

CPU还通过连接在其第二A/D端口的由所述电池选择开关、所述极性换向器、依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路采集顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的第二电压；

CPU还对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，以决定是否启动后续的均衡电池管理；

如果对比检测第一电压和第二电压的数值差大于设定的默认值为10mv的阈值，告警冗余电压采集错误，不启动后续的均衡电池管理；

如果对比检测第一电压和第二电压的数值差不大于设定的默认值为10mv的阈值，就启动后续的均衡电池管理，进入步骤2)；

2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；

3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的极性选择开关组将汇集母线进行极性变换，同时控制选通相应的电池选择开关组进行极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入到汇集母线上充电或放电，实现能量转移；

4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池电压在设定的允许误差范围内，达到动态均衡。

本具体实施方式可以明显提高单体电池电压检测的正确性与可靠性，显著减少由单体电压采集错误导致的误均衡电池管理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器，以及开关数量比顺序串联的电池组的单体电池数量多1的用于控制选通相应单体电池的电池选择开关组，还包括连接在顺序串联的单体电池组与CPU的第一A/D端口之间的依次级联的开关数量与电池选择开关数量相等用于控制选通相应单体电池的电压采样开关组，以及第一A/D变换器，第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关的一端与所述第一A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述第一A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制，所述嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，由双向DC-DC变换器、极性换向器将正汇集母线、负汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向DC-DC变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，其特征在于：

还包括连接在所述双向DC-DC变换器与CPU的第二A/D端口之间的依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路，所述第二A/D变换器的一端与所述双向DC-DC变换器的正输出端即单体均衡正母线连接，所述第二A/D变换器的另一端与所述双向DC-DC变换器的负输出端即单体均衡负母线连接，由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压，包括：CPU通过连接在其第一A/D端口的由所述电压采样开关、所述第一A/D变换器采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第一电压；CPU还通过连接在其第二A/D端口的由所述电池选择开关、所述极性换向器、依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第二电压；CPU还对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，如果检测第一电压和第二电压的数值差大于设定的阈值，告警冗余电压采集错误，不启动后续的均衡电池管理；如果对比检测第一电压和第二电压的数值差不大于设定的阈值，就启动后续的均衡电池管理。

2.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。

3.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述电压采样开关是耐压至少为400vdc的固体继电器。

4.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述电池选择开关是型号为AON7400A的MOSFET。

5.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述第一A/D变换器是高精密仪表用差分运算放大器。

6.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述第二A/D变换器是高精密仪表用运算放大器。

7.如权利要求6所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：

所述光耦隔离器是线性光电耦合器。

8.一种如权利要求1～7中任意一项所述的电池管理系统的动态均衡电路的动态均衡方法，包括以下步骤：

1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池组中的各个单体电池电压；

2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；

3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的极性选择开关组将汇集母线进行极性变换，同时控制选通相应的电池选择开关组进行极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入到汇集母线上充电或放电，实现能量转移；

4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池组中的各个单体电池电压在设定的允许误差范围内，达到动态均衡；

其特征在于：

所述步骤1)由嵌入式控制软件检测各个单体电池电压，包括：

CPU通过连接在其第一A/D端口的由所述电压采样开关、所述第一A/D变换器采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第一电压；

CPU还通过连接在其第二A/D端口的由所述电池选择开关、所述极性换向器、依次级联的第二A/D变换器以及光电隔离器组成的用于防止电压采集错误的冗余电压采集电路采集顺序串联的电池组中的各个单体电池的第二电压；

CPU还对同一个单体电池的第一电压和第二电压进行冗余判断，以决定是否启动后续的均衡电池管理。

9.如权利要求8所述的电池管理系统的动态均衡方法，其特征在于：

所述步骤1)进行冗余判断是，如果对比检测第一电压和第二电压的数值差大于设定的阈值，告警冗余电压采集错误，不启动后续的均衡电池管理；如果对比检测第一电压和第二电压的数值差不大于设定的阈值，就启动后续的均衡电池管理，进入步骤2)。

10.如权利要求9所述的电池管理系统的动态均衡方法，其特征在于：

所述设定的阈值的默认值为10mv。