CN105633491A - 一种电池管理系统的被动均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于电池管理，提供了一种电池管理系统的被动均衡电路，包括中央控制单元、若干电压采集单元和若干电子开关单元；电压采集单元用于采集单体电池的电压信息并传输至中央控制单元；中央控制单元根据电压信息进行分析，在判断某一单体电池的电压高于其他单体电池的电压时，生成一放电指令用以控制电子开关单元对该单体电池进行放电；并在监测到该单体电池的电压与其他单体电池的电压一致时，停止放电。通过本发明，能够实时监测单体电池的电压信息，在某一单体电池电压异常的时候，能够实现放电处理，使所有的单体电池电压趋于一致，进一步地，加入了电子开关的实时监测诊断功能，能够及时发现损坏的开关器件并报警，避免电池的过放损坏。

Description

一种电池管理系统的被动均衡电路
技术领域
本发明属于电池管理领域，尤其涉及电动汽车电池管理系统的被动均衡电路。
背景技术
随着全球能源紧缺以及大气污染的日益严重，为应对这一问题各发达国家积极调整产业结构，电动汽车作为发达国家，新兴国家刺激经济的重要领域，得到了有关国家政府的高度重视。
在电动汽车业界广泛使用锂电池作为动力电池。锂电池能量密度高，但化学性质活泼，不同于传统铅酸蓄电池。使用时必须使用电池管理系统对其进行实时监测和保护。由于串联的各个单体锂电池在生产过程中工艺的差异性所导致容量和性能不匹配，并且随着使用时间的加长，电池之间容量差异会越来越大，最后导致电池效率低下直至不能工作。因此必须在电池管理系统中加入均衡电路，补偿因电池差异而造成的容量差异。
目前，电池管理系统中主要有主动均衡和被动均衡两种方式。主动均衡电流大，损耗小，但其体积大，电路复杂，成本高，不利于当前电池管理系统小型化、集成化的发展趋势。被动均衡因其体积小，成本低而得到广泛应用。目前常用被动均衡方式仅通过一个电子开关来控制放电，无法实现闭环的控制。并且，由于均衡电路总是直接连接在电池组上，一旦电子开关出现击穿损坏，将使电池不断放电，一段时间后将会对电池造成不可逆的过放电而损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种电池管理系统的被动均衡电路，旨在解决现有技术无法对均衡功能实现闭环控制，一旦电子开关出现击穿损坏，将使电池不断放电，一段时间后将会对电池造成不可逆的过放损坏的问题。
本发明是这样实现的，一种电池管理系统的被动均衡电路，包括中央控制单元、及分别与所述中央控制单元相连接的若干电压采集单元和若干电子开关单元；
所述若干电压采集单元，与车载电池组的各单体电池一一对应连接，各电压采集单元用于采集对应单体电池的电压信息并传输至所述中央控制单元；
所述若干电子开关单元，与车载电池组的各单体电池一一对应连接，各电子开关单元的通断状态决定对应单体电池是否放电；
所述中央控制单元，根据所述各单体电池的电压信息进行分析，在判断某一单体电池的电压高于其他单体电池的电压时，将该单体电池设置为待放电电池，然后生成一放电指令用以通过控制对应电子开关单元的状态来使所述待放电电池进行放电；并在监测到所述待放电电池的电压与其他单体电池的电压一致时，生成一关闭指令用以通过控制对应电子开关单元的状态来使处于放电状态的单体电池停止放电。
进一步地，所述被动均衡电路还包括若干失效检测单元和告警单元；
所述若干失效检测单元，分别与所述电子开关单元和所述电压采集单元一一对应连接，用于监测对应电子开关单元的放电电流，然后将监测到的放电电流转换成放电电压信息后，通过所述电压采集单元传输至所述中央控制单元；
所述中央控制单元，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断为放电电压异常时，生成一告警指令传输至所述告警单元，用以控制所述告警单元进行报警。
进一步地，所述被动均衡电路还包括若干失效检测单元和显示单元；
所述若干失效检测单元，分别与所述电子开关单元和所述电压采集单元一一对应连接，用于监测对应电子开关单元的放电电流，然后将监测到的放电电流转换成放电电压信息后，通过所述电压采集单元传输至所述中央控制单元；
所述中央控制单元，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断所述放电电压异常时，生成一显示信息传输至所述显示单元，用以控制所述显示单元显示异常的电子开关单元信息。
进一步地，所述电子开关单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、稳压二极管、电容和场效应管；
所述场效应管的漏极依次通过所述第四电阻和所述第三电阻连接所述单体电池的正极，所述场效应管的源极连接所述单体电池的负极，所述场效应管的栅极通过所述第二电阻连接所述中央控制单元的第一输出端；所述中央控制单元的第二输出端连接所述单体电池的负极；所述第一电阻连接于所述中央控制单元的第一输出端和第二输出端之间；所述稳压二极管的阴极连接所述场效应管的栅极，所述稳压二极管的阳极连接所述场效应管的源极；所述电容的连接于所述场效应管的栅极和源极之间。
进一步地，所述第三电阻与第四电阻的串联处连接至对应的失效检测单元。
进一步地，所述第一电阻的阻值为47KΩ，所述第二电阻的阻值为9.1KΩ，所述第三电阻的阻值为1Ω，所述第四电阻的阻值为33Ω。
进一步地，所述电容的容量为10nF。
进一步地，所述场效应管为N沟道MOS管。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：通过本发明，能够实时监测单体电池的电压信息，在某一单体电池电压异常的时候，能够实现放电处理，使所有的单体电池电压趋于一致，进一步地，本发明加入了电子开关的实时监测诊断功能，能够及时发现损坏的开关器件并报警，避免电池的过放损坏。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种电池管理系统的被动均衡电路的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的电子开关单元的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的中央控制单元实现电子开关单元失效检测的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种电池管理系统的被动均衡电路，包括中央控制单元1、及分别与中央控制单元1相连接的若干电压采集单元2和若干电子开关单元3；
若干电压采集单元2，与车载电池组的单体电池4一一对应连接，各电压采集单元2用于采集对应单体电池的电压信息并传输至中央控制单元1；
若干电子开关单元3，与车载电池组的各单体电池一一对应连接，各电子开关单元3的通断状态决定对应单体电池是否放电；
中央控制单元1，根据所述各单体电池的电压信息进行分析，在判断某一单体电池的电压高于其他单体电池的电压时，将该单体电池设置为待放电电池，然后生成一放电指令用以通过控制对应电子开关单元3的状态来使所述待放电电池进行放电；并在监测到所述待放电电池的电压与其他单体电池的电压一致时，生成一关闭指令用以通过控制对应电子开关单元3的状态来使处于放电状态的单体电池停止放电。
为了能够在单体电池的电压出现异常，同时监控在电子开关单元3在对单体电池进行放电过程中是否出现异常，如电子开关出现异常等情况，进一步地，所述被动均衡电路还包括失效检测单元5和告警单元6；
若干失效检测单元5，分别与电子开关单元3和电压采集单元2一一对应相连接，用于监测对应电子开关单元3的放电电流，然后将监测到的放电电流转换成放电电压信息后，通过电压采集单元2传输至中央控制单元3；
中央控制单元3，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断为放电电压异常时，生成一告警指令传输至告警单元6，用于控制告警单元6进行报警。
在上述的系统中，加入了告警单元能够在电子开关单元出现异常时进行报警，促使驾驶员或者检测人员对电子开关单元进行确认或更换，或者对待放电电池进行处理，而进一步地，为了能够帮助驾驶员或者技术人员定位失效的电子开关单元，本系统还包括与中央控制单元1相连接的显示单元7；
中央控制单元1，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断所述放电电压异常时，生成一显示信息传输至显示单元7，用以控制显示单元7显示异常的电子开关单元信息。在实际应用中，中央控制单元对均衡前后的电压进行比较，以均衡前的放电电压为V1，均衡后的电压为V2，中央控制单元1判断均衡前后对的电压差(V2-V1)，若电压差小于预设的阈值，则认为电子开关单元失效，则启动报警程序，报警程序包括控制告警单元进行报警和显示单元报警，告警单元的报警形式包括闪光报警或蜂鸣报警或其他能够迅速引起驾驶员或者检测人员注意的报警形式，显示单元的报警主要包括显示失效的电子开关单元的信息，如几号电子开关单元等(本实施例中默认系统对电子开关单元进行了编号)。
详细地，如图2所示，电子开关单元3包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、稳压二极管D1、电容C1和场效应管Q1；
场效应管Q1的漏极依次通过第四电阻R4和第三电阻R3连接所述单体电池的正极，场效应管Q1的源极连接所述单体电池的负极，场效应管Q1的栅极通过第二电阻R2连接中央控制单元1的第一输出端；中央控制单元1的第二输出端连接所述单体电池的负极；第一电阻R1连接于中央控制单元1的第一输出端和第二输出端之间；稳压二极管D1的阴极连接场效应管Q1的栅极，稳压二极管D1的阳极连接场效应管Q1的源极；电容C1的连接于场效应管Q1的栅极和源极之间。
具体的，在本实施例中，第一电阻R1的阻值为47KΩ，第二电阻R2的阻值为9.1KΩ，第三电阻R3的阻值为1Ω，第四电阻R4的阻值为33Ω，电容C1的容量为10nF，场效应管Q1为N沟道MOS管。
下面，对每一单元进行详细的解释：
1.电压采集单元：
电压采集单元，用于采集单体电池的电压信息并传输给中央控制单元进行分析处理。具体的，在电动汽车的锂电池组中，每一单体电池对应一电压采集单元和一电子开关单元，每一电压采集单元独立采集对应的单体电池，并将采集到的电压信息传输至中央控制单元进行汇总分析。
2.电子开关单元：
电子开关单元接收中央控制单元的放电指令，打开的场效应管，对电压偏高的单体电池进行放电，当电池电压一致后，接收中央控制单元的指令关闭场效应管，停止放电，从而使所有的单体电池电压趋于一致。具体的，中央控制单元将接收到的电压信息进行汇总分析处理后，分析出某一单体电池的电压异常，这里的异常指的是电压相较于其他的单体电池的电压要高，如一个锂电池组有6组单体电池，其中编号为1至5号的单体电池电压均为3.2V，而编号为6的单体电池的电压为3.3V，此时，编号为6的单体电池的电压需降至3.2V，所以需要对6号单体电池进行单独放电，中央控制单元就会生成一放电指令传输至6号单体电池对应的电子开关单元。6号单体电池对应的电子开关单元接收到放电指令后，就会打开场效应管进行放电，此时电压采集单元实时将6号单体电池的电压信息传输至中央控制单元，在6号单体电池的电压降至3.2V时，中央控制单元会生成一关闭指令，用以控制6号单体电池的电子开关单元关闭场效应管，停止放电。此时锂电池组所有的单体电池的电压均为3.2V，达到了保护的作用。
3.失效检测单元：
失效检测单元检测电子开关单元的场效应管的放电电流，并将其转换为一个小压差，传输到电压采集单元，与单体电压叠加后传入中央控制单元。
4.中央控制单元：
中央控制单元接收电压采集单元返回的单体电池的电压数据，分析找出需要进行均衡的单体电池然后通过电子开关单元开启对应的均衡电路。同时，分析单体电压数据，监测电子开关的放电电流是否正常。如果不正常则停止均衡功能并向告警单元发出报警信号。
5.告警电路单元：
告警电路单元(在本实施例中，将告警单元和显示单元整合至同一电路中)接收中央控制单元发出的告警指令和显示指令后，通过蜂鸣器报警和显示屏进行显示。在本实施例中，考虑到在行车过程中能够快速引起驾驶员的注意，告警单元的报警模式为使用蜂鸣器进行报警。但是在实际应用中可以根据不同的需求进行报警，如灯光闪烁报警等。
下面，结合图2和图3对中央控制单元的的均衡和诊断功能进行进一步的解释，在图2中，单体电池以Bn表示：
a.均衡实现原理
当中央控制单元通过在CTRLn与REFn之间施加一个高电平时，通过R2、C1构成的低通滤波器，在场效应管Q1的栅极与源极间形成一个电压。随着C1的不断充电，当Q1栅极与源极电压大于Q1的开启电压时，Q1导通。电池Bn通过R3、R4、Q1放电，实现均衡功能。
b.诊断功能的实现
当均衡没有开启时，没有放电电流，电阻R3上没有压降；当均衡开启后，均衡放电电流通过R3会产生一个压降。
其中：ΔVR3为电阻R3上产生的压降，
VBn为单体电池电压。
如图3所示，中央控制单元通过分别采集两次VOLTn与REFn之间的电压，判断均衡功能是否能正常开启或者关闭，从而判断出均衡电子开关单元中的场效应管Q1是否损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池管理系统的被动均衡电路，其特征在于，所述被动均衡电路包括中央控制单元、及分别与所述中央控制单元相连接的若干电压采集单元和若干电子开关单元；
所述若干电压采集单元，与车载电池组的各单体电池一一对应连接，各电压采集单元用于采集对应单体电池的电压信息并传输至所述中央控制单元；
所述若干电子开关单元，与车载电池组的各单体电池一一对应连接，各电子开关单元的通断状态决定对应单体电池是否放电；
所述中央控制单元，根据所述各单体电池的电压信息进行分析，在判断某一单体电池的电压高于其他单体电池的电压时，将该单体电池设置为待放电电池，然后生成一放电指令用以通过控制对应电子开关单元的状态来使所述待放电电池进行放电；并在监测到所述待放电电池的电压与其他单体电池的电压一致时，生成一关闭指令用以通过控制对应电子开关单元的状态来使处于放电状态的单体电池停止放电。
2.如权利要求1所述的被动均衡电路，其特征在于，所述被动均衡电路还包括若干失效检测单元和告警单元；
所述若干失效检测单元，分别与所述电子开关单元和所述电压采集单元一一对应连接，用于监测对应电子开关单元的放电电流，然后将监测到的放电电流转换成放电电压信息后，通过所述电压采集单元传输至所述中央控制单元；
所述中央控制单元，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断为放电电压异常时，生成一告警指令传输至所述告警单元，用以控制所述告警单元进行报警。
3.如权利要求2所述的被动均衡电路，其特征在于，所述被动均衡电路还包括若干失效检测单元和显示单元；
所述若干失效检测单元，分别与所述电子开关单元和所述电压采集单元一一对应连接，用于监测对应电子开关单元的放电电流，然后将监测到的放电电流转换成放电电压信息后，通过所述电压采集单元传输至所述中央控制单元；
所述中央控制单元，用于根据所述放电电压信息进行判断，在判断所述放电电压异常时，生成一显示信息传输至所述显示单元，用以控制所述显示单元显示异常的电子开关单元信息。
4.如权利要求1所述的被动均衡电路，其特征在于，所述电子开关单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、稳压二极管、电容和场效应管；
所述场效应管的漏极依次通过所述第四电阻和所述第三电阻连接所述单体电池的正极，所述场效应管的源极连接所述单体电池的负极，所述场效应管的栅极通过所述第二电阻连接所述中央控制单元的第一输出端；所述中央控制单元的第二输出端连接所述单体电池的负极；所述第一电阻连接于所述中央控制单元的第一输出端和第二输出端之间；所述稳压二极管的阴极连接所述场效应管的栅极，所述稳压二极管的阳极连接所述场效应管的源极；所述电容的连接于所述场效应管的栅极和源极之间。
5.如权利要求4所述的被动均衡电路，其特征在于，所述第三电阻与第四电阻的串联处连接至对应的失效检测单元。
6.如权利要求4所述的被动均衡电路，其特征在于，所述第一电阻的阻值为47KΩ，所述第二电阻的阻值为9.1KΩ，所述第三电阻的阻值为1Ω，所述第四电阻的阻值为33Ω。
7.如权利要求4所述的被动均衡电路，其特征在于，所述电容的容量为10nF。
8.如权利要求4所述的被动均衡电路，其特征在于，所述场效应管为N沟道MOS管。
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