CN107458247A - 主动均衡电路 - Google Patents
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Abstract
一种主动均衡电路,包括主控单元、电池监控单元、电池组及N块均衡功能板；所述电池组包括N块依次串联的单体电池，所述均衡功能板呈积木式与所述单体电池一一对应相连，所述主控单元与所述电池监控单元相连，所述电池监控单元与每个单体电池的两端相连；所述均衡功能板包括变压器、驱动单元、第一开关单元及第二开关单元；所述主动均衡电路通过两个开关单元的巧妙配合实现了高效率的均衡技术；通过对多块均衡功能板采用积木式设计方式，大大提高了电路的灵活性；通过在每块功能板上设置一个变压器，大大增加所述主动均衡电路了拓展性；通过每块均衡功能板上设置一个成本低的单片机能实现同时多路均衡，进一步提高了工作效率。
Description
【技术领域】
本发明涉及电动汽车技术领域，尤其涉及一种应用于电动汽车的主动均衡电路。
【背景技术】
目前，电动汽车正在逐渐推广并在未来将具有广阔的前景。随着电动汽车的迅速发展，电动汽车对锂电池组及BMS的要求也越来越高，均衡电路作为而没有均衡系统锂电池组及BMS必不可少的一个部分，重要性不言而喻，没有均衡系统锂电池组就像是得不到保养的发动机，没有均衡功能的BMS只是一个数据采集器，很难称得上是管理系统。相对于被动均衡，主动均衡不需借助充电过程，可在在任意状态下对电池组进行均衡控制，理论上说是一种低能耗，高效率的均衡方式，然而对现有的主动均衡技术研究进行现状分析，大多数主动均衡方案依然存在均衡效率低、稳定性差、拓展性低等问题。
鉴于此，实有必要提供一种主动均衡电路以克服以上缺陷。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种效率高、稳定性高及拓展性高的主动均衡电路。
为了实现上述目的，本发明提供一种主动均衡电路，用以实现单体电池在放电或静止状态时的底部均衡和在充电或静止的状态时的顶部均衡，所述主动均衡电路包括主控单元、电池监控单元、电池组及N块均衡功能板；所述电池组包括N个依次串联的单体电池，所述均衡功能板与所述单体电池一一对应相连，所述主控单元与所述电池监控单元相连，所述电池监控单元与每个单体电池的两端相连；所述均衡功能板包括变压器、驱动单元、第一开关单元及第二开关单元；所述电池组的正极依次通过第一开关单元的第一端和第二端与所述变压器的原边同名端相连，所述电池组的负极与所述变压器的原边异名端相连，所述变压器的副边异名端与所述单体电池的负极相连，所述变压器的副边同名端依次通过所述第二开关单元的第一端和第二端与所述单体电池的正极相连，所述第一开关单元的第三端和所述电子开关的第三端分别与所述驱动单元相连，所述驱动单元与主控单元相连；所述电池监控单元用于实时检测各个单体电池的电压，并将各个单体电池的电压实时传输给所述主控模块；所述主控单元用于根据电池监控单元输入的电压计算出平均电压并与各个单体电池的电压进行比较以确定需要均衡的单体电池及均衡的模式，还向需要均衡的所述单体电池对应的驱动单元发送均衡指令并输出相应的电量信息至驱动单元；所述均衡功能板用于对对应的单体电池的进行均衡处理；所述驱动单元用于根据所述主控单元输入的均衡指令输出PWM信号控制所述第一开关单元和第二开关单元进而控制能量的转移，所述驱动单元还用于根据接受到的电量信息通过控制所述PWM信号的占空比调整均衡电流的大小和周期；所述变压器用于实现需要均衡的单体电池与所述电池组双向能量转移，N为自然数。
进一步地，当所述电池组在放电或静止状态时，若所述主控单元测得第M个单体电池的电压值低于所述电池组的平均电压值且第M个单体电池的电压值与所述电池组的平均电压值之差大于设定启动阈值，所述主控单元立即发送能量补偿命令及相应的电量信息至所述第M块均衡功能板上对应的驱动单元；所述驱动单元收到能量补偿命令后输出PWN信号至对应的第一开关单元的第三端使所述第一开关单元导通，所述驱动单元还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制补偿电流的大小和时间；所述第一开关单元导通后，所述电池组开始以一定的电流向对应的变压器的原边充电，所述变压器的原边储存能量，电压反向抬高，所述变压器原边的能量传入所述变压器的副边；当所述第一开关单元导通一定的时间后所述驱动单元停止对所述第一开关单元的第三端输出PWN信号同时开始输出PWN信号至对应的第二开关单元的第三端，所述第一开关单元断开，所述第二开关单元导通，所述变压器的能量经过副边补偿给所述第M个单体电池，以此实现对第N个所述单体电池在放电或静止状态下的底部均衡，M≤N，M为自然数。
进一步地，当所述电池组在充电或静止的状态时，若所述主控单元测得第L个单体电池的电压值高于所述电池组的平均电压值且第L个单体电池的电压值与所述电池组的平均电压值之差大于设定的启动阈值，所述主控单元立即发送能量转移命令及相应的电量信息至所述第L块均衡功能板上对应的驱动单元；所述驱动单元收到能量补偿命令后输出PWN波至对应的第二开关单元的第三端使所述第二开关单元导通，所述驱动单元还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制转移的电流大小和时间；所述第二开关单元导通后，所述第L个单体电池开始以一定的电流对对应的变压器的副边进行充电，所述变压器的副边储存能量，电压反向抬高，所述变压器副边的能量传入所述变压器的原边；所述第二开关单元导通一定的时间后，所述驱动单元停止对所述第二开关单元输送PWN波同时开始输出PWN波至对应的第一开关单元的第三端，所述第二开关单元断开，所述第一开关单元导通，所述变压器的原边对所述电池组进行充电，以此实现对第L个所述单体电池在充电或静止状态的顶部均衡，L≤N，L为自然数。
进一步地，所述主控单元及所述驱动单元为单片机。
进一步地，第一开关单元为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一开关单元的第一端、第二端及第三端分别对应金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极、源极及栅极。
进一步地，所述第二开关单元为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二开关单元的第一端、第二端及第三端分别对应漏极、源极及栅极。
【附图说明】
图1为本发明的实施例提供的主动均衡电路的电路图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案和有益技术效果更加清晰明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1，本发明提供一种主动均衡电路100，包括主控单元10、电池监控单元20、电池组30及N块均衡功能板40。所述电池组30包括N个依次串联的单体电池C，所述均衡功能板40与所述单体电池C一一对应相连，所述主控单元10与所述电池监控单元20相连，所述电池监控单元20与每个单体电池C的两端相连，N为自然数。
所述均衡功能板40包括变压器401、驱动单元402、第一开关单元Q1及第二开关单元Q2。所述电池组30的正极依次通过第一开关单元Q1的第一端和第二端与所述变压器401的原边同名端相连，所述电池组30的负极与所述变压器401的原边异名端相连。所述变压器401的副边异名端与所述单体电池C的负极相连，所述变压器401的副边同名端依次通过所述第二开关单元Q2的第一端和第二端与所述单体电池C的正极相连。所述第一开关单元Q1的第三端和所述电子开关Q2的第三端分别与所述驱动单元402相连，所述驱动单元402与主控单元10相连。
下面将对本发明提供的主动均衡电路100的工作原理进行说明。
所述电池监控单元20用于实时检测各个单体电池C的电压，并将各个单体电池C的电压实时传输给所述主控模块10。所述主控单元10用于根据电池监控单元20输入的电压确定需要均衡的单体电池C，还向需要均衡的所述单体电池C对应的所述驱动单元402发送均衡指令并输出相应的电量信息至驱动单元402。所述均衡功能板40用于对对应的所述单体电池C进行均衡处理。所述驱动单元402用于根据所述主控单元10输入的均衡指令输出PWM信号控制所述第一开关单元Q1和第二开关单元Q2进而控制能量的转移，所述驱动单元402还用于根据接受到的电量信息通过控制所述PWM信号的占空比调整均衡电流的大小和周期。所述变压器401用于实现所述单体电池C与所述电池组30双向能量转移。
具体的，所述主控单元10向所述均衡功能板40通过串口依次对每块均衡功能板40上的所述驱动单元402进行身份及地址确认以确定所述均衡功能板30的地址和数量进而确定所述单体电池C的地址和数量。所述电池监控单元20将采集到的各个单体电池C的电压输出给所述主控单元10，所述主控单元10将接收各个单体电池C的电压通过计算确认所述电池组30的电池状态并根据所述电池组30的电池状态确定均衡模式，同时所述主控单元10还对电压值进行累加处理，根据所述单体电池C的数量计算出平均电压，所述主控单元10还将各个单体电池C的电压与计算得到的平均电压进行比较以确定所述均衡功能板40的选择及需要均衡的单体电池C的选择。完成对需要均衡的所述单体电池C及对应的所述均衡功能板40的选择后，对应的所述均衡功能板40对需要均衡的所述单体电池C进行均衡。需要说明的是，所述主动均衡电路100根据不同的工作状态分为两种均衡模式，即底部均衡模式和顶部均衡模式，两种均衡模式分别用于避免所述单体电池C的过放和过充。
当所述电池组30在放电或静止状态时，若所述主控单元10测得第N个单体电池C的电压值低于所述电池组30的平均电压值且所述第N个单体电池C的电压值与所述电池组30的平均电压值之差大于设定的启动阈值，所述主控单元10立即发送能量补偿命令及相应的电量信息至所述第N块均衡功能板30上的驱动单元402，所述驱动单元402收到能量补偿命令后输出PWN信号至对应的第一开关单元Q1的第三端使对应的第一开关单元Q1导通，所述驱动单元402还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制补偿电流的大小和时间。所述第一开关单元Q1导通后，所述电池组30开始以一定的电流向对应的变压器401的原边充电，所述变压器401的原边储存能量，电压反向抬高，所述变压器401原边的能量传入对应的所述变压器401副边。当所述第一开关单元Q1导通一定的时间后对应的所述驱动单元402停止对所述第一开关单元Q1的第三端输出PWN信号同时开始输出PWN信号至所述第二开关单元Q2的第三端，所述第一开关单元Q1截止，所述第二开关单元Q2导通，所述变压器401的能量经过副边补偿给所述第N个单体电池C，以此实现对第N个所述单体电池C在放电或静止状态的底部均衡，M≤N，M为自然数。
当所述电池组30在充电或静止的状态时，若所述主控单元10测得第L个所述单体电池30的电压值高于所述电池组30的平均电压值且与所述电池组30的平均电压值之差大于设定的启动阈值，所述主控单元10立即发送能量转移命令及相应的电量信息至对应的均衡功能板40上对应的驱动单元402，所述驱动单元402收到能量补偿命令后输出PWN波至对应的第二开关单元Q2的第三端使所述对应的第二开关单元Q2导通，所述驱动单元402还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制转移的电流大小和时间。对应的所述第二开关单元导通后，所述第L个单体电池C开始以一定的电流对所述变压器401的副边进行充电，所述变压器401的副边储存能量，电压反向抬高，所述变压器401副边的能量传入所述变压器401原边。所述第二开关单元Q2导通一定的时间后，所述驱动单元401停止对所述第二开关单元Q2输送PWN波同时开始输出PWN波至对应的第一开关单元Q1的第三端，所述第二开关单元Q2断开，所述第一开关单元Q1导通，所述变压器401的原边对所述电池组30进行充电，以此实现对第L个所述单体电池C在充电或静止状态的顶部均衡，L≤N，L为自然数。
在本实施方式中，所述主控单元10及所述驱动单元402为单片机。所述第一开关单元Q1为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一开关单元Q1的第一端、第二端及第三端分别对应金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极、源极及栅极。所述第二开关单元Q2为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二开关单元Q2的第一端、第二端及第三端分别对应漏极、源极及栅极。
本发明通过两个开关单元的巧妙配合实现了高效率的均衡技术，通过对多块均衡功能板40采用积木式设计方式，使所述主动均衡电路100能适应不同的所述单体电池C串联成组的要求，大大提高了灵活性。通过在每块功能板上设置一个变压器401，当所述单体电池C的数量发生变化时，只需要添加所述均衡功能板40，大大增加所述主动均衡电路100的拓展性。还通过每块均衡功能板40上设置一个成本低的单片机实现同时多路均衡，进一步提高了均衡效率。
本发明并不仅仅限于说明书和实施例中所描述，因此对于熟悉领域的人员而言可容易地实现另外的优点和修改，故在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。
Claims (6)
1.一种主动均衡电路，用以实现单体电池在放电或静止状态时的底部均衡和在充电或静止的状态时的顶部均衡，其特征在于：所述主动均衡电路包括主控单元、电池监控单元、电池组及N块均衡功能板；所述电池组包括N个依次串联的单体电池，所述均衡功能板与所述单体电池一一对应相连，所述主控单元与所述电池监控单元相连，所述电池监控单元与每个单体电池的两端相连；所述均衡功能板包括变压器、驱动单元、第一开关单元及第二开关单元；所述电池组的正极依次通过第一开关单元的第一端和第二端与所述变压器的原边同名端相连，所述电池组的负极与所述变压器的原边异名端相连，所述变压器的副边异名端与所述单体电池的负极相连，所述变压器的副边同名端依次通过所述第二开关单元的第一端和第二端与所述单体电池的正极相连，所述第一开关单元的第三端和所述电子开关的第三端分别与所述驱动单元相连，所述驱动单元与主控单元相连；所述电池监控单元用于实时检测各个单体电池的电压，并将各个单体电池的电压实时传输给所述主控模块；所述主控单元用于根据电池监控单元输入的电压计算出平均电压并与各个单体电池的电压进行比较以确定需要均衡的单体电池及均衡的模式，还向需要均衡的所述单体电池对应的驱动单元发送均衡指令并输出相应的电量信息至驱动单元；所述均衡功能板用于对对应的单体电池的进行均衡处理；所述驱动单元用于根据所述主控单元输入的均衡指令输出PWM信号控制所述第一开关单元和第二开关单元进而控制能量的转移，所述驱动单元还用于根据接受到的电量信息通过控制所述PWM信号的占空比调整均衡电流的大小和周期；所述变压器用于实现需要均衡的单体电池与所述电池组双向能量转移，N为自然数。
2.如权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于：当所述电池组在放电或静止状态时，若所述主控单元测得第M个单体电池的电压值低于所述电池组的平均电压值且第M个单体电池的电压值与所述电池组的平均电压值之差大于设定启动阈值，所述主控单元立即发送能量补偿命令及相应的电量信息至所述第M块均衡功能板上对应的驱动单元；所述驱动单元收到能量补偿命令后输出PWN信号至对应的第一开关单元的第三端使所述第一开关单元导通，所述驱动单元还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制补偿电流的大小和时间；所述第一开关单元导通后，所述电池组开始以一定的电流向对应的变压器的原边充电，所述变压器的原边储存能量，电压反向抬高，所述变压器原边的能量传入所述变压器的副边；当所述第一开关单元导通一定的时间后所述驱动单元停止对所述第一开关单元的第三端输出PWN信号同时开始输出PWN信号至对应的第二开关单元的第三端，所述第一开关单元断开，所述第二开关单元导通，所述变压器的能量经过副边补偿给所述第M个单体电池，以此实现对第N个所述单体电池在放电或静止状态下的底部均衡，M≤N，M为自然数。
3.如权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于：当所述电池组在充电或静止的状态时，若所述主控单元测得第L个单体电池的电压值高于所述电池组的平均电压值且第L个单体电池的电压值与所述电池组的平均电压值之差大于设定的启动阈值，所述主控单元立即发送能量转移命令及相应的电量信息至所述第L块均衡功能板上对应的驱动单元；所述驱动单元收到能量补偿命令后输出PWN波至对应的第二开关单元的第三端使所述第二开关单元导通，所述驱动单元还根据收到的电量信息确定需要补偿的电量及补偿周期，通过控制PWN波的占空比控制转移的电流大小和时间；所述第二开关单元导通后，所述第L个单体电池开始以一定的电流对对应的变压器的副边进行充电，所述变压器的副边储存能量，电压反向抬高，所述变压器副边的能量传入所述变压器的原边；所述第二开关单元导通一定的时间后，所述驱动单元停止对所述第二开关单元输送PWN波同时开始输出PWN波至对应的第一开关单元的第三端，所述第二开关单元断开，所述第一开关单元导通，所述变压器的原边对所述电池组进行充电，以此实现对第L个所述单体电池在充电或静止状态的顶部均衡，L≤N，L为自然数。
4.如权利要求3所述的主动均衡电路，其特征在于：所述主控单元及所述驱动单元为单片机。
5.如权利要求3所述的主动均衡电路，其特征在于：第一开关单元为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第一开关单元的第一端、第二端及第三端分别对应金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极、源极及栅极。
6.如权利要求3所述的主动均衡电路，其特征在于：所述第二开关单元为金属氧化物半导体场效应晶体管，所述第二开关单元的第一端、第二端及第三端分别对应漏极、源极及栅极。
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171212 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |