CN106505661A - 一种电池均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池均衡系统,包括电池组、充电机、负载和电池均衡控制板,所述电池均衡控制板上集成有电池均衡电路模块、电池电压检测模块、温度采集模块、剩余容量检测模块、液晶模块、加热膜驱动模块、推挽驱动模块、反接保护模块、充电开关、放电开关、短路保护模块、电源模块、单周期控制模块、主控模块和采样电阻,其中电源模块由主电源、接入主电源的可调参考电压电源构成。本发明通过控制模块中的控制门实现对任意指定的一节电池进行均衡;本发明采用同步整流方式进行能量转移,降低了电池均衡过程中的能量损耗;本发明采用单周期控制器实现均衡回路输入电流恒定,提高了均衡的可控性。

Description

一种电池均衡系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电池均衡系统技术领域,尤其涉及一种电池均衡系统。
背景技术
[0002] 在电动汽车的产业化工程中,动力电池的性能是影响整车性能的关键因素之一, 同时在整车成本中占有较高的比例,甚至可以说动力电池对整个电动汽车产业起着决定性 作用。但单体电池在制造过程中产生的体质差异和使用过程中所处的不同内、外部环境,导 致单体电池的一致性逐渐变差。根据"短板效应原理",电池组在容量利用率、循环使用寿命 等方面较单体电池严重下降,并且在使用过程中,如果不对单体电压进行监测和对充、放电 进行开关控制,则单体易发生过充、过放,严重损伤电池性能,极端情况下,甚至会导致电池 燃烧或者爆炸安全性问题。
[0003] 电池不能承受过充过放,并且当电池串并联数目较多时,会出现电池不均衡等新 问题,必须对电池组进行均衡。电池均衡技术是提升串联电池的能量冲入率和利用率的必 要手段。均衡过程需要对电池的剩余容量检测,温度检测,电流电压检测等等。因此电池均 衡需要电池均衡系统,完善的电池均衡系统可以提高电池组的容量利用率,从而延长纯电 动汽车的续驶里程,保证应用的安全。
发明内容
[0004] 本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种电池均衡系统。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006] -种电池均衡系统,包括电池组、充电机、负载和电池均衡控制板,所述电池均衡 控制板上集成有电池均衡电路模块、电池电压检测模块、温度采集模块、剩余容量检测模 块、液晶模块、加热膜驱动模块、推挽驱动模块、反接保护模块、充电开关、放电开关、短路保 护模块、电源模块、单周期控制模块、主控模块和采样电阻,其中电源模块由主电源、接入主 电源的可调参考电压电源构成;
[0007] 所述的电池组负极依次经过电池均衡控制板上采样电阻、充电开关、反接保护模 块与充电机负极相连,充电机负极与电池组正极相连,同时电池组负极依次经过电池均衡 控制板上采样电阻、放电开关、负载,再与电池组正极相连,电池组以及额外存储单元均与 电池均衡电路模块相连,实现电池组均衡,电池组中单体电池的电压信号、温度信号、剩余 容量信号通过接插件引到电池均衡控制板上的电池电压采集模块、温度采集模块、剩余容 量检测模块;
[0008] 所述的电池均衡控制板中的主控模块、电池均衡电路模块和单周期控制模块三者 互相连接,主控模块根据单体电池剩余容量判断电池组的均衡状态,选择需要均衡的单体 电池,确定均衡输入输出回路并激活相应的单周期控制器,导通输入回路上的M0SFET,单周 期控制器实时检测该均衡回路的输入电流和输出电压信号,当输入电流数值达到参考数值 后,单周期控制器将信号传输给主控模块,主控模块利用其内部的比较捕捉模块控制相应 的MOSFET导通或关断,实现具有死区时间的同步整流方式的电池组均衡;
[0009] 所述的电池均衡控制板中的主控模块与电源模块中主电源相连,单周期控制模块 与主电源、可调参考电压电源相连,可调参考电源提供单周期控制器参考电压,从而使得均 衡电路模块中所有输入回路的输入电流恒定;
[0010] 所述的电池均衡控制板中的主控模块与液晶模块相连,液晶模块显示电池组的单 体剩余容量、单节电压、电池组总电压、散热片温度和电池包温度,液晶模块上设有一个查 询按键,通过查询按键可翻页查看各单体电池状态;
[0011] 所述的电池均衡控制板中,主控模块与电池电压检测模块相连,获取多串电池组 总电压和单体电池电压,实现电池组和单体电池的过压、欠压保护功能;
[0012] 所述电池均衡控制板中,主控模块与加热膜驱动模块相连,主控模块与温度采集 模块相连,获取电池组温度,在环境温度过低时加热膜驱动模块自动启动加热膜,使电池在 低温下正常工作,在电池组温度过高时断电实现高温保护功能;
[0013] 所述的主控模块还与推挽驱动模块连接,推挽驱动模块还分别与充电开关和放电 开关连接;
[0014] 所述的电池均衡控制板中,主控模块与短路保护模块相连,获知当前充电电流,实 现短路保护功能。
[0015] 根据剩余容量条件判断电池组的均衡状态,确定失衡单体,在充放电过程中,抽取 剩余容量较高的失衡单体电池的能量转移给额外存储单元,剩余容量较低的失衡单体电池 从额外存储单元中补充能量。
[0016] 所述单周期控制模块、均衡电路模块以及电源模块中的可调参考电源三者相互连 接,单周期控制模块包含12个单周期控制器,即单周期控制器1.1、1.2……6.1、6.2,均衡电 路模块是由6个原边线圈和1个副边线圈构成的反激式变压器,单周期控制器1.1、1.2与原 边线圈1相连、……、单周期控制器6.1、6.2与原边线圈6相连,所有单周期控制器均与副边 线圈相连,从而形成6个均衡回路,由于均衡能量的双向流动性,每个均衡回路包含2个输入 回路和2个输出回路,单周期控制器接收的参考电压与所有输出回路电压比较确定参考电 流值,从而使得均衡电路模块中所有输入回路的电流恒定。
[0017] 所述电池均衡电路模块由变压器和MOSFET开关构成,采用同步整流方式进行能量 转移,单体电池正极经由变压器原边线圈、MOSFET连接到单体电池负极,额外存储单元正极 经由变压器副边线圈和MOSFET连接到单体电池负极,在进行能量转移过程中,均衡回路中 输入回路的MOSFET导通、输出回路MOSFET关断,输入回路线圈储能,储能完成后输出回路的 MOSFET导通、输入回路MOSFET关断,输出回路线圈释放能量,从而实现同步整流方式的电池 组均衡。
[0018] 主控模块中的捕捉比较模块采用死区时间控制器,引入了死区时间可以防止由于 MOSFET不能瞬间导通和关断所带来的均衡回路中两个开关同时导通的情况,从而实现具有 死区时间的同步整流。
[0019] 所述的主控模块包括有(XU捕捉比较模块、死区时间控制器和预驱动器。
[0020] 本发明的优点是:(1)本发明通过控制模块中的控制门实现对任意指定的一节电 池进行均衡;(2)本发明采用同步整流方式进行能量转移,降低了电池均衡过程中的能量损 耗;(3)本发明采用单周期控制器实现均衡回路输入电流恒定,提高了均衡的可控性;(4)本 发明通过修改相关的参数,可以实现对不同性能电池的均衡控制,对于电池系统的保护具 有一定的通用性。
附图说明
[0021]图1是本发明的典型应用结构框图。
[0022]图2是本发明均衡电路结构框图。
[0023] 图3是本发明一种电池均衡系统的系统状态判断图。
[0024] 图4是本发明一种电池均衡系统的均衡算法流程图。
具体实施方式
[0025] 如图1所示,一种电池均衡系统,包括电池组1、充电机2、负载3和电池均衡控制板 4,所述电池均衡控制板4上集成有电池均衡电路模块5、电池电压检测模块6、温度采集模块 7、剩余容量检测模块8、液晶模块9、加热膜驱动模块10、推挽驱动模块11、反接保护模块12、 充电开关13、放电开关14、短路保护模块15、电源模块16、单周期控制模块17、主控模块18和 采样电阻24,其中电源模块16由主电源19、接入主电源的可调参考电压电源20构成;
[0026] 所述的电池组1负极依次经过电池均衡控制板4上采样电阻24、充电开关13、反接 保护模块12与充电机2负极相连,充电机2负极与电池组1正极相连,同时电池组1负极依次 经过电池均衡控制板4上采样电阻24、放电开关14、负载3,再与电池组1正极相连,电池组1 以及额外存储单元均与电池均衡电路模块5相连,实现电池组均衡,电池组1中单体电池的 电压信号、温度信号、剩余容量信号通过接插件引到电池均衡控制板4上的电池电压采集模 块6、温度采集模块7、剩余容量检测模块8;
[0027] 所述的电池均衡控制板4中的主控模块18、电池均衡电路模块5和单周期控制模块 17三者互相连接,主控模块18根据单体电池剩余容量判断电池组的均衡状态,选择需要均 衡的单体电池,确定均衡输入输出回路并激活相应的单周期控制器,导通输入回路上的 M0SFET,单周期控制器实时检测该均衡回路的输入电流和输出电压信号,当输入电流数值 达到参考数值后,单周期控制器将信号传输给主控模块,主控模块利用其内部的比较捕捉 模块控制相应的M0SFET导通或关断,实现具有死区时间的同步整流方式的电池组均衡;
[0028] 所述的电池均衡控制板4中的主控模块18与电源模块16中主电源19相连,单周期 控制模块17与主电源19、可调参考电压电源20相连,可调参考电源提供单周期控制器参考 电压,从而使得均衡电路模块中所有输入回路的输入电流恒定;
[0029] 所述的电池均衡控制板4中的主控模块18与液晶模块9相连,液晶模块9显示电池 组的单体剩余容量、单节电压、电池组总电压、散热片温度和电池包温度,液晶模块上设有 一个查询按键,通过查询按键可翻页查看各单体电池状态;
[0030] 所述的电池均衡控制板4中,主控模块18与电池电压检测模块6相连,获取多串电 池组总电压和单体电池电压,实现电池组和单体电池的过压、欠压保护功能;
[0031] 所述电池均衡控制板4中,主控模块18与加热膜驱动模块10相连,主控模块与温度 采集模块7相连,获取电池组温度,在环境温度过低时加热膜驱动模块自动启动加热膜,使 电池在低温下正常工作,在电池组温度过高时断电实现高温保护功能;
[0032] 所述的主控模块18还与推挽驱动模块11连接,推挽驱动模块11还分别与充电开关 13和放电开关14连接;
[0033] 所述的电池均衡控制板4中,主控模块18与短路保护模块15相连,获知当前充电电 流,实现短路保护功能。
[0034] 根据剩余容量条件判断电池组的均衡状态,确定失衡单体,在充放电过程中,抽取 剩余容量较高的失衡单体电池的能量转移给额外存储单元,剩余容量较低的失衡单体电池 从额外存储单元中补充能量。
[0035] 主控模块中的捕捉比较模块采用死区时间控制器,引入了死区时间可以防止由于 M0SFET不能瞬间导通和关断所带来的均衡回路中两个开关同时导通的情况,从而实现具有 死区时间的同步整流。
[0036] 所述的主控模块18包括有CCU捕捉比较模块21、死区时间控制器22和预驱动器23。 [0037] 每个电池组由6节单体电池组成的,在电池的工作过程中,电池均衡系统采集电池 组的总电压、单体电池电压、单体电池剩余容量和电池包温度、环境温度、散热片温度,根据 单体电压和总电压状态对电池组执行充电或者放电,充电、放电均由相应的M0SFET和驱动 电路控制,充电回路中设置有充电机反接保护模块,当充电机接反时,反接保护模块中 M0SFET不能闭合正常导通。主控模块根据单体电池剩余容量判断电池组的均衡状态,选择 需要均衡的单体电池,确定均衡输入输出回路并激活相应的单周期控制器。导通输入回路 上的M0SFET,单周期控制器实时检测该均衡回路的输入电流和输出电压信号,当输入电流 数值达到参考数值后,单周期控制器将信号传输给主控模块,主控模块利用其内部的比较 捕捉模块控制相应的M0SFET导通或关断,实现具有死区时间的同步整流方式的电池组均 衡。在环境或电池包温度过低的情况下,开启加热膜驱动开关,利用加热膜给电池组加热, 使电池在低温下正常工作。
[0038]如图2所示。单周期控制模块、均衡电路模块以及电源模块中的可调参考电源三者 相互连接,单周期控制模块包含12个单周期控制器,即单周期控制器1.1、1.2……6.1、6.2, 均衡电路模块是由6个原边线圈和1个副边线圈构成的反激式变压器,单周期控制器1.1、 1.2与原边线圈1相连、……、单周期控制器6.1、6.2与原边线圈6相连,所有单周期控制器均 与副边线圈相连,从而形成6个均衡回路,由于均衡能量的双向流动性,每个均衡回路包含2 个输入回路和2个输出回路,单周期控制器接收的参考电压与所有输出回路电压比较确定 参考电流值,从而使得均衡电路模块中所有输入回路的电流恒定。
[0039] 电池均衡电路模块由变压器和M0SFET开关构成,采用同步整流方式进行能量转 移,单体电池正极经由变压器原边线圈、M0SFET连接到单体电池负极,额外存储单元正极经 由变压器副边线圈和M0SFET连接到单体电池负极,在进行能量转移过程中,均衡回路中输 入回路的M0SFET导通、输出回路M0SFET关断,输入回路线圈储能,储能完成后输出回路的 M0SFET导通、输入回路M0SFET关断,输出回路线圈释放能量,从而实现同步整流方式的电池 组均衡。
[0040] 如图3所示。保护系统开始执行判断,首先判断上次系统状态是否为保护状态,若 为保护状态,则结束,若系统未保护,则判断主回路是否过流。充电过流对应系统为充电过 流状态,放电过流对应为系统放电过流状态。若主回路未过流,则判断温度是否异常,散热 片温度或电池包温度高于温度上限,系统进入温度过高状态,散热片温度或电池包温度低 于温度下限,系统进入温度过低状态。若系统温度正常,则判断电池是否过压。若电池过压, 检测主回路电流,若电流为正常放电电流,则判定系统处于放电状态,否则判定系统处于过 压状态。若电池不过压,则判断电池是否低压。若电池低压,检测主回路电流,若电流为正常 充电电流,则判定系统处于充电状态,否则判定系统处于低压状态。
[0041] 如图4所示。首先按照单体电池的剩余容量从低到高排序,8卩Qi……Q6,确定Qo的上 下限,即Qi+σ和Q6-〇,确定步长h。然后令,然后以步长h增加,确定Qo不同数值下高于 Q ο + σ的电池数目,设为m,以及低于Q ο - σ的电池数目,设为s,并计算
Figure CN106505661AD00081
的数值,直到Qq>Q6_〇停止(如计算中没有计算到Q〇= Q6-〇时,计算一遍并参与下面的比较)。筛选的所有满足
Figure CN106505661AD00082
的所有Ql,最小Ql值对应的Qo作为放电均衡范围中心。若存在的最小值Ql对应若干个Qo,则选 取最小Q〇作为均衡范围中心。随后计算失衡单体需要抽取或补充的均衡能量,即高于Qo+σ各 电池所要抽取的能量为ε (Qi-(Q〇+〇)),ie (m,6),低于Qo-σ电池所要补充的能量为叩(咖-〇)-Qj,je (l,s)。其中p>l,解决因均衡能量损耗导致到达电池的均衡能量不足的问题,ε> 1,保证失衡单体均衡到指定范围内。在给定均衡电流的情况下,计算各失衡单体的均衡时 间,进行均衡。

Claims (6)

1. 一种电池均衡系统,其特征在于:包括电池组、充电机、负载和电池均衡控制板,所述 电池均衡控制板上集成有电池均衡电路模块、电池电压检测模块、温度采集模块、剩余容量 检测模块、液晶模块、加热膜驱动模块、推挽驱动模块、反接保护模块、充电开关、放电开关、 短路保护模块、电源模块、单周期控制模块、主控模块和采样电阻,其中电源模块由主电源、 接入主电源的可调参考电压电源构成; 所述的电池组负极依次经过电池均衡控制板上采样电阻、充电开关、反接保护模块与 充电机负极相连,充电机负极与电池组正极相连,同时电池组负极依次经过电池均衡控制 板上采样电阻、放电开关、负载,再与电池组正极相连,电池组以及额外存储单元均与电池 均衡电路模块相连,实现电池组均衡,电池组中单体电池的电压信号、温度信号、剩余容量 信号通过接插件引到电池均衡控制板上的电池电压采集模块、温度采集模块、剩余容量检 测模块; 所述的电池均衡控制板中的主控模块、电池均衡电路模块和单周期控制模块三者互相 连接,主控模块根据单体电池剩余容量判断电池组的均衡状态,选择需要均衡的单体电池, 确定均衡输入输出回路并激活相应的单周期控制器,导通输入回路上的MOSFET,单周期控 制器实时检测该均衡回路的输入电流和输出电压信号,当输入电流数值达到参考数值后, 单周期控制器将信号传输给主控模块,主控模块利用其内部的比较捕捉模块控制相应的 MOSFET导通或关断,实现具有死区时间的同步整流方式的电池组均衡; 所述的电池均衡控制板中的主控模块与电源模块中主电源相连,单周期控制模块与主 电源、可调参考电压电源相连,可调参考电源提供单周期控制器参考电压,从而使得均衡电 路模块中所有输入回路的输入电流恒定; 所述的电池均衡控制板中的主控模块与液晶模块相连,液晶模块显示电池组的单体剩 余容量、单节电压、电池组总电压、散热片温度和电池包温度,液晶模块上设有一个查询按 键,通过查询按键可翻页查看各单体电池状态; 所述的电池均衡控制板中,主控模块与电池电压检测模块相连,获取多串电池组总电 压和单体电池电压,实现电池组和单体电池的过压、欠压保护功能; 所述电池均衡控制板中,主控模块与加热膜驱动模块相连,主控模块与温度采集模块 相连,获取电池组温度,在环境温度过低时加热膜驱动模块自动启动加热膜,使电池在低温 下正常工作,在电池组温度过高时断电实现高温保护功能; 所述的主控模块还与推挽驱动模块连接,推挽驱动模块还分别与充电开关和放电开关 连接; 所述的电池均衡控制板中,主控模块与短路保护模块相连,获知当前充电电流,实现短 路保护功能。
2. 根据权利要求1所述的一种电池均衡系统,其特征在于:根据剩余容量条件判断电池 组的均衡状态,确定失衡单体,在充放电过程中,抽取剩余容量较高的失衡单体电池的能量 转移给额外存储单元,剩余容量较低的失衡单体电池从额外存储单元中补充能量。
3. 根据权利要求1所述的一种电池均衡系统,其特征在于:所述单周期控制模块、均衡 电路模块以及电源模块中的可调参考电源三者相互连接,单周期控制模块包含12个单周期 控制器,即单周期控制器1.U1.2……6.1、6.2,均衡电路模块是由6个原边线圈和1个副边 线圈构成的反激式变压器,单周期控制器1.1、1.2与原边线圈1相连、……、单周期控制器 6.1、6.2与原边线圈6相连,所有单周期控制器均与副边线圈相连,从而形成6个均衡回路, 由于均衡能量的双向流动性,每个均衡回路包含2个输入回路和2个输出回路,单周期控制 器接收的参考电压与所有输出回路电压比较确定参考电流值,从而使得均衡电路模块中所 有输入回路的电流恒定。
4. 根据权利要求1所述的一种电池均衡系统,其特征在于:所述电池均衡电路模块由变 压器和MOSFET开关构成,采用同步整流方式进行能量转移,单体电池正极经由变压器原边 线圈、MOSFET连接到单体电池负极,额外存储单元正极经由变压器副边线圈和MOSFET连接 到单体电池负极,在进行能量转移过程中,均衡回路中输入回路的MOSFET导通、输出回路 MOSFET关断,输入回路线圈储能,储能完成后输出回路的MOSFET导通、输入回路MOSFET关 断,输出回路线圈释放能量,从而实现同步整流方式的电池组均衡。
5. 根据权利要求1所述的一种电池均衡系统,其特征在于:主控模块中的捕捉比较模块 采用死区时间控制器,引入了死区时间可以防止由于MOSFET不能瞬间导通和关断所带来的 均衡回路中两个开关同时导通的情况,从而实现具有死区时间的同步整流。
6. 根据权利要求1所述的一种电池均衡系统,其特征在于:所述的主控模块包括有CCU 捕捉比较模块、死区时间控制器和预驱动器。
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