CN105356560A - 一种两级分布式电池组主动均衡控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种两级分布式电池组主动均衡控制系统及其方法通过电池主控单元统一管理，各电池管理单元分模块采集并与主控单元通信，并由均衡单元执行充放电均衡命令，实现高电压大容量电池组的均衡控制，减少系统复杂性，增强系统设计性并提高了系统可靠性。

Description

一种两级分布式电池组主动均衡控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池组和锂离子电堆的电池主动均衡控制系统。特别涉及高压大容量的电池组和电池堆的主动均衡管理系统及其方法。

背景技术

离子电池，特别是锂离子动力电池，单体电芯容量大，所以每个电芯的差异性也是相差很大。电池的一致性的问题是制约电池组寿命的主要原因，电池在使用一段时间后电池组中每一单体电池容量出现差异，容量偏小的电池在长时间使用中会经常出现过充电及过放电，使其内阻增大，充放电产生的热量增多，加速了电池的损坏，最终由于电池组中某一单体电芯损坏而造成整组电池的报废。为了解决这个问题，通常是通过各个电芯之间的均衡操作来弥补电池一致性的问题。

在目前市场上所见的电池管理系统中，被动均衡是最常见的方法。其基本原理为每节电池都通过一个开关(一般是MOSFET)与一个功率电阻并联。同时电池单元的电压信息再经过差分测量，多路开关等电路被单片机或者专用芯片测得。被动均衡方式的优点是电路结构简单，成本较低。但是其缺点也很明显，它只能做充电均衡。同时，在充电均衡过程中，多余的能量是作为热量释放掉的，当整个电池组仅有几节电池电压很低时则将非常低效而且费时。使得整个系统的效率低、功耗高。目前，国际上主要的IC供应商所提供的方案基本上是采用这种均衡方案。被动均衡模式已经不能代表动力锂电池均衡技术的主流发展方向。

主动均衡是近年来发展迅速地一种电池均衡技术，主动均衡采用了进行了能量的转移的策略，即将电量最多的电池的电量转移到其它电池，或者是将其它电池的电量转移给电量最少的电池。主要原理是将高电压电池的一部分电量通过转换装置回送到电池电路或直接转送到低电压电池中，用到的储能元件主要为电容或电感，通过电容或电感的反复充放电实现电池组内各电池电压的基本平衡。与被动均衡方案相比，主动均衡方案的电池能量利用率更高。所谓双向主动均衡模式是指当个别电池电压过高或者过低时，过高电池的电压可以把能量转移给整组电池，整组电池的电压又可以给个别电压很低的电池充电。这样整个电池组的能量没有被消耗掉，它只是能量转移。在

综上所述,现有的技术大多基于低电压平台的被动均衡设计,由于电芯的数量不是很多,而且所需的均衡电流不需要很大，所以通常采用的是集中式电池被动均衡管理，一个微处理器(μC)收集所有电池电芯信息,然后根据均衡策略发出均衡指令,让所有电芯进行电压比较，让其中过高电压的电芯把能量在电阻上消耗掉。这种电池均衡的控制方法,适用在电池的数量相对比较少,所需要的均衡电流不是很大的系统中。但当电池堆电压比较高的时候,所需要的电池组比较多，而每个电池组里面串联的电芯的数量比较多。这就需要收集大量的电池电芯信息,然后通过通讯总线，对每个电芯进行均衡操作。这样的一对多的操作，会导致由于电芯数量信息过多，主控软件的负担过重，增加程序的复杂性以及减少了系统可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两级分布式电池组主动均衡控制系统,用来解决成百上千甚至上万的电芯主动均衡管理可靠性的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种两级分布式电池组主动均衡控制系统，包括：

一种两级分布式电池组主动均衡控制系统，包括：

电池主控单元，用于收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；

电池管理单元，用于采集电芯电压信息，与电池主控单元进行通讯,接收本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令；

主动均衡单元，用于执行电池管理单元的微处理器通过串行通讯发出的充放电均衡命令。

优选地，所述主动均衡单元包括多个主动均衡子单元,用于分散管理多个电池模块。

优选地，所述主动均衡子单元包括双向同步反激式控制器及双绕组变压器，通过双绕组变压器，每个芯片包括6个独立的同步反激式控制器，能够对个别电池直接进行充电和放电。

优选地，所述主动均衡单元由3个主动均衡子单元级联而成。

优选地，所述电池管理单元包括一微处理器，用于独立采样电池的电压，控制电芯的均衡。

优选地，所述电池管理单位和所述主动均衡单位均为复数个，其中所述电池组的电压大于等于100伏特。

优选地，所述多个主动均衡单元之间通过电池组和组之间的接口端子将相邻两电池组之间的能量进行传递。这样可以让能量在整个电池堆中进行交换。。

本发明的另一个目的在于提供一种两级分布式电池组主动均衡控制方法，包括如下步骤：

A.电池管理单元采集电芯电压信息，反馈给电池主控单元；

B.电池主控单元收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；

C.电池管理单元接收电池管理单元发出的本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令，并将均衡控制命令发送给主动均衡单元；

D.主动均衡单元执行电池管理单元发出的充放电均衡命令。

优选地，所述步骤D包括多个主动均衡单元之间根据充放电均衡命令进行能量传输。

优选地，所述步骤A还包括电池管理单元采集电芯电压信息后，独立执行均衡策略，直接向本组内电池均衡单元发出均衡控制命令。

与现有技术相比，通过电池主控单元统一管理，各电池管理单元分模块采集并与主控单元通信，并由均衡单元执行充放电均衡命令，实现高电压大容量电池组的均衡控制，减少系统复杂性，增强系统设计性并提高了系统可靠性。另外，本发明是将主动均衡技术模块化，分成两级进行组内和组间的均衡操作。电池模块可以根据实际的需求灵活扩展，设计简单。两级分布式的均衡管理可以不受一级主控资源所限制，一级主控的可以调度电池组与组之间的能量均衡转移。二级电池管理单元可以独立完成组内电芯的的均衡操作。

附图说明

图1是本发明两级分布式电池组主动均衡控制系统的架构图。

图2是本发明两级分布式电池组主动均衡控制系统的功能图。

图3是本发明各主动均衡单元间的能量转移图。

其中，10-电池主控单元；11～1N-电池管理单元；21～2N-主动均衡单元；1～N-电池模块。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，两级分布式电池组主动均衡控制系统，即包括一级电池主控单元10，二级电池管理单元11和主动均衡单元21。一级的电池主控单元与各个电池管理单元之间可用CAN总线或者是其它的通讯总线进行通讯。各电池模块的监控系统包括二级电池管理单元和主动均衡单元。具体为：

电池主控单元10，用于收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；所述电池管理单元包括一微处理器，用于独立采样电池的电压，控制电芯的均衡。

电池管理单元11，用于采集电芯电压信息，与电池主控单元10进行通讯,接收本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令；

主动均衡单元21，用于执行电池管理单元11的微处理器通过串行通讯发出的充放电均衡命令。

进一步地，如图2所示，所述主动均衡单元21包括多个主动均衡子单元,用于分散管理多个电池模块1～N。所述主动均衡单元由3个主动均衡子单元级联而成。本领域技术人员可知，主动均衡单元可以包括几个主动均衡的子模块。具体的数量也可以根据实际产品的需求来选择。所述主动均衡子单元包括双向同步反激式控制器及双绕组变压器，通过双绕组变压器，每个芯片包括6个独立的同步反激式控制器，能够对个别电池直接进行充电和放电。

具体地，本实施例中每个主动均衡子单元采用一个反激式控制器作为核心，通过磁场与电场的转换，实现能量在单个电池单元与整个电池组间双向传递。通过变压器原边和副边的开关的通断，让电荷可以在连接在次级的顶端和底端之间的电芯，由此对每个电芯进行充放电。电池充电和放电均衡的具体过程具体分析如下：当某电芯电压过高时，可以通过在该电池上的副边绕组将多余的能量转移到相邻电池组的电芯去。当某个电芯电压过低时，通过变压器副边绕组可以把相邻电池组整组的能量转移到该电芯上。因此，本实施例可以完整地实现对电芯的充电和放电的均衡，发挥每个电芯的潜力。保证充电时每个电池模块都能够充满，放电时每个电池模块都能放至最低的极限，充放电过程中每个电池模块也能够保持基本相同的电压。另外，在电池模块中的绕组上留出均衡配置端子，，以实现更多组电池的串联。

本实施例的一个较佳实施例，假设主动均衡芯片选择的是双向同步反激式控制器IC，通过双绕组变压器，每个芯片包括6个独立的同步反激式控制器，能够对个别电池直接进行充电和放电。如图3所示，通过变压器原边和副边的开关的通断，让电荷可以在连接在次级的顶端和底端之间的电芯，由此对相邻的电芯进行充放电。假设选择3个芯片级联成一个主动均衡单元。那每个主动均衡单元可以给18个电芯进行均衡操作。变压器的副边总是和下一个芯片的最高位电压相连。通过这种方式，实现在主动均衡单元内部的一个能量流动。为了实现组和组之间的能量流动，在每块电池模块的对外接口处，留下3个可配置的接口端子，每个电池模块的主动均衡单元的最高位的变压器的副边Ctop和下一个电池模块最低位的电芯C6连接，最后一个电池模块的的C18和Ctop连接，用此连接方式可以灵活配置电池组的数量，并能实现能量在各个组的整个电池堆之间转移。

进一步优选地，所述电池管理单位11～1N和所述主动均衡单位21～2N均为复数个，其中所述电池组的电压大于等于100伏特。

本发明的另一个实施例，提供一种两级分布式电池组主动均衡控制方法，包括如下步骤：

A.电池管理单元采集电芯电压信息，反馈给电池主控单元；

B.电池主控单元收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；

C.电池管理单元接收电池管理单元发出的本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令，并将均衡控制命令发送给主动均衡单元；

D.主动均衡单元执行电池管理单元发出的充放电均衡命令。

进一步地，所述步骤D包括多个主动均衡单元之间根据充放电均衡命令进行能量传输。

本发明的另一个实施例中，电池管理单元采集电芯电压信息，直接对主动均衡单元发出均衡策略和均衡命令，主动均衡单元下的多个主动均衡子单元接收到相应的均衡命令，执行各自的充放电均衡指令，实现各个电池模块内部的均衡管理。

与现有技术相比，本发明通过电池主控单元统一管理，各电池管理单元分模块采集并与主控单元通信，并由均衡单元执行充放电均衡命令，实现高电压大容量电池组的均衡控制，减少系统复杂性，增强系统设计性并提高了系统可靠性。另外，本发明是将主动均衡技术模块化，分成两级进行组内和组间的均衡操作。电池模块可以根据实际的需求灵活扩展，设计简单。两级分布式的均衡管理可以不受一级主控资源所限制，一级主控的可以调度电池组与组之间的能量均衡转移。二级电池管理单元可以独立完成组内电芯的的均衡操作。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种两级分布式电池组主动均衡控制系统，其特征在于，包括：

电池主控单元，用于收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；

电池管理单元，用于采集电芯电压信息，与电池主控单元进行通讯,接收本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令；

主动均衡单元，用于执行电池管理单元的微处理器通过串行通讯发出的充放电均衡命令。

2.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述主动均衡单元包括多个主动均衡子单元,用于分散管理多个电池模块。

3.如权利要求2所述的控制系统，其特征在于，所述主动均衡子单元包括双向同步反激式控制器及双绕组变压器，通过双绕组变压器，每个芯片包括6个独立的同步反激式控制器，能够对个别电池直接进行充电和放电。

4.如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述主动均衡单元由3个主动均衡子单元级联而成。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电池管理单元包括一微处理器，用于独立采样电池的电压，控制电芯的均衡。

6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述电池管理单位和所述主动均衡单位均为复数个，其中所述电池组的电压大于等于100伏特。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述多个主动均衡单元之间通过电池组和组之间的接口端子将相邻两电池组之间的能量进行传递,从而使能量在整个电池堆中进行交换。

8.一种两级分布式电池组主动均衡控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

A.电池管理单元采集电芯电压信息，反馈给电池主控单元；

B.电池主控单元收集各电池管理单元的相关数据，对所有挂在总线上的电池管理单元进行比较，发出均衡命令；

C.电池管理单元接收电池管理单元发出的本组组内各个电芯的主动均衡策略和均衡控制命令，并将均衡控制命令发送给主动均衡单元；

D.主动均衡单元执行电池管理单元发出的充放电均衡命令。

9.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述步骤D包括多个主动均衡单元之间根据充放电均衡命令进行能量传输。

10.如权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述步骤A还包括电池管理单元采集电芯电压信息后，独立执行均衡策略，直接向本组内电池均衡单元发出均衡控制命令。