CN107658936A

CN107658936A - 一种电池监测及均衡系统及其控制方法

Info

Publication number: CN107658936A
Application number: CN201710986354.1A
Authority: CN
Inventors: 赵庆红; 陶小丽; 尹向阳
Original assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Current assignee: Mornsun Guangzhou Science and Technology Ltd
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2017-10-20
Publication date: 2018-02-02

Abstract

本发明公开了一种电池监测及均衡系统及其控制方法，均衡电路采用电池放电电路和反激变换器相结合使得能选择性充电或放电提高均衡效率；利用单片机MCU直接控制开关阵列的开通与关断，实现单体电池直接通过模数转换器ADC进行采样，并通过单片机MCU直接控制反激变换器中的开关管，从而不再需要采样开关、均衡开关和反激变换器中的控制芯片及外围器件，能减少开关数量、简化电路，降低电路损耗和成本；同时系统的控制逻辑非常简单，不再需要专用的电池均衡芯片；并且在均衡步骤中边均衡边检测单体电池的电压，从而实现对反激变换器和放电电路的环路控制，能提高均衡效率。

Description

一种电池监测及均衡系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池管理，特别涉及由多节电池组成电池组的电池监测及均衡系统及其控制方法。

背景技术

近年来，越来越多的产品采用锂离子电池做为主要电源，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点；但同时锂离子电池对充放电要求很高，当过充、过放、过电流及短路等情况发生时，锂离子电池压力与热量大量增加，容易产生火花、燃烧甚至爆炸，因此，锂离子电池无一例外地都加有过充放电保护电路。另外，当对一组锂离子电池充放电时，考虑到各个单体电池的不一致性，可采取均衡措施来确保安全性和稳定性。

均衡的意义就是利用电子技术，使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单体电池在正常的使用时不发生损坏。若不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，使用寿命将大大缩减。目前通用解决方案是，采用飞电容采样来实现电压采样功能，采用主动均衡实现电池均衡，如TI公司的EMB1428和EMB1499芯片能够实现电池组多通道选择的双向主动均衡，以及凌力尔特公司的LTC3300芯片能够实现电池组进行基于变压器的双向主动电荷平衡。

这些方案虽然能够解决电池组采样均衡功能，但是这些芯片外围电路需要自行设计且外围电路成本很高，同时采样电路和均衡电路开关阵列数量庞大、控制逻辑复杂，不利于低成本实现和控制。

申请人为上海大学、申请号为201610104589.9、发明名称为《一种共用开关阵列的电池采样均衡电路》的中国发明专利申请提出了一种共用开关阵列的电池采样均衡电路，如图1所示，包括：电池组B1、B2、…Bn，飞电容采样电路C1，变压器M及二极管D1组成的反激式均衡电路，开关阵列K1、K2、K3、K4、…K2n-1、K2n，模数转换器ADC和单片机MCU；反激式均衡电路原边同名端接电池组高电压端，异名端通过MOS管Q接地；反激式均衡电路副边通过开关S3、S4连接到开关阵列上；飞电容采样电路电容C1一端连接到开关阵列上，另一端通过开关S1，S2连接到模数转换器ADC上，模数转换器ADC连接单片机MCU，通过软件实现对开关阵列进行控制。

该发明能实现飞电容采样电路和反激式均衡电路开关阵列分时复用，减少电路开关数量、控制逻辑复杂度及制造成本，但存在如下缺陷：

(1)该电路需要通过增设一对采样开关S1、S2和一对均衡开关S3、S4，通过对采样开关、开关阵列和均衡开关的断开和闭合进行控制才能实现电池采样操作和电池均衡操作，采样开关和均衡开关数量共有4只，且需要频繁断开和闭合，电路成本还是较高，电路损耗也较大。

(2)该电路采样操作和电池均衡操作分开进行，电路工作效率低。

(3)该电路采用了反激式均衡电路，电池均衡为向电压最低的电池进行能量补充，只能充电，不能放电，不利于提高电路工作效率。

发明内容

有鉴如此，本发明要解决的技术问题是提供一种电池监测及均衡系统及其控制方法，能减少开关数量，降低电路损耗，且电路控制逻辑非常简单，电路均衡效率高，无需专用的电池均衡芯片。

本发明要解决上述技术问题的技术方案如下：

一种电池监测及均衡系统，包括电池组、开关阵列、模数转换器、反激变换器、放电电路和单片机；电池组包括单体电池B1、B2、…和Bn；开关阵列包括开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1和Kn2；反激变换器包括第一侧正端、第一侧负端、第二侧正端、第二侧负端、控制端、隔离变压器、开关管Q1、二极管D1和隔离，隔离变压器第一侧绕组异名端为第一侧正端，隔离变压器第一侧绕组同名端经开关管Q1后形成第一侧负端，隔离变压器第二侧绕组同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极为第二侧正端，隔离变压器第二侧绕组异名端为第二侧负端，开关管Q1的控制极经隔离后形成反激变换器的控制端；放电电路(104)包括输入端、输出端和控制端；其特征在于：

单体电池B1、B2、…、Bn的正极通过开关K11、K21、…、Kn1连接至反激变换器的第二侧正端，单体电池B1、B2、…、Bn的负极通过开关K12、K22、…、Kn2连接至反激变换器的第二侧负端；

反激变换器的第二侧正端与开关K11、K21、…、Kn1和模数转换器的连接点连接，反激变换器的第二侧负端与开关K12、K22、…、Kn2和模数转换器的连接点连接，反激变换器的第一侧正端与电池组的正极连接，反激变换器的第一侧负端与电池组的负极连接，反激变换器的第一控制端和第二控制端与单片机连接；

放电电路的输入端与反激变换器的第二侧正端连接，放电电路的输出端与反激变换器的第二侧负端连接，放电电路的控制端连接单片机；

开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2的控制端连接单片机；

模数转换器用：(1)于采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压；(2)实时监测待均衡的单体电池两端的电压，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

反激变换器用于对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡；

放电电路(104)用于对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行放电均衡；

单片机用于：(1)依次选通开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2，实现模数转换器依次对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行采样；(2)依据模数转换器采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压结果控制反激变换器执行充电均衡工作或放电电路执行放电均衡工作；(3)依据模数转换器实时监测待均衡的单体电池两端的电压结果确定反激变换器执行充电均衡工作或放电电路执行放电均衡工作是否结束，实现对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡或放电均衡。

优选地，单片机及模数转换器与电池组是浮地连接。

优选地，开关K11和K12、开关K21和K22、…及开关Kn1和Kn2为联动控制。

作为放电电路的一种具体的实施方式，包括电阻R1和开关管Q2，电阻R1的一端为放电电路的输入端，电阻R1的另一端经开关管Q2后形成放电电路的输出端，开关管Q2的控制极为放电电路的控制端。

本发明还提供上述电池监测及均衡系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)采样步骤：单片机控制开关管Q1关断并同时控制开关管Q2关断，然后控制开关阵列依次选通单体电池B1、B2、…、Bn，模数转换器依次采样各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，单片机根据各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，确定待均衡的单体电池，同时确定对待均衡的单体电池应执行充电均衡步骤还是放电均衡步骤；

(2)均衡步骤，依据步骤(1)执行如下两种情况之一：

(2.1)充电均衡步骤：单片机输出PWM信号控制开关管Q1，此时开关管Q2关断，开关管Q1作为能量输入侧开关管，二极管D1作为能量输出侧整流管，控制能量从反激变换器的第一侧流向第二侧给待均衡的单体电池充电，同时模数转换器实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机依据该电压确定充电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

(2.2)放电均衡步骤：单片机输出信号控制开关管Q2导通，此时开关管Q1关断，待均衡的单体电池通过电阻R1和开关管Q2放电，同时模数转换器实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机(MCU)依据该电压确定放电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

重复上述步骤(1)-(2)。

优选地，步骤(1)中单片机控制开关管Q1关断，反激变换器不进行能量传递，二极管D1反向截止，同时控制开关管Q2关断，使得第二侧正端、第二侧负端对外呈直流高阻抗。

本发明较现有的采用飞电容采样来实现电压采样提出了一种全新的技术构思，相对于现有技术有如下突出的有益效果：

(1)利用单片机MCU直接控制开关阵列的开通与关断，实现单体电池直接通过模数转换器ADC进行采样，并通过单片机MCU直接控制反激变换器中的开关管，从而不再需要采样开关、均衡开关和反激变换器中的控制芯片及外围器件，能减少开关数量、简化电路，降低电路损耗和成本；

(2)系统的控制逻辑非常简单，不再需要专用的电池均衡芯片；

(3)在均衡步骤中边均衡边检测单体电池的电压，从而实现对反激变换器的环路控制，能提高均衡效率；

(4)系统增加了电池放电电路，既能充电，又能放电，有利于进一步提高均衡效率，且电池放电电路极其简单，对系统的整体成本影响极低。

附图说明

图1现有的电池均衡系统；

图2本发明的原理框图。

具体实施方式

本发明的发明构思为充分利用单片机MCU强大的控制功能，裁剪硬件数量，简化系统结构，降低电路损耗与成本，并优化均衡电路和控制策略，提高系统的兼容性与均衡效率，具体而言包括上述有益效果(1)、(2)、(3)和(4)，在此不赘述。

图2为本发明的原理框图，图2为了体现系统应用场景的完整性，将隔离总线收发器、总线BUS也进行了绘制展示。

图2中本发明的电池监测及均衡系统包括：电池组101、开关阵列102、模数转换器ADC、反激变换器103、放电电路104和单片机MCU；电池组101包括单体电池B1、B2、…和Bn；开关阵列102包括开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1和Kn2；反激变换器包括第一侧正端V1+、第一侧负端V1-、第二侧正端V2+、第二侧负端V2-、控制端、隔离变压器M、开关管Q1、二极管D1和隔离，隔离变压器M第一侧绕组异名端为第一侧正端V1+，隔离变压器M第一侧绕组同名端经开关管Q1后形成第一侧负端V1-，隔离变压器M第二侧绕组同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极为第二侧正端V2+，隔离变压器M第二侧绕组异名端为第二侧负端V2-，开关管Q1的控制极经隔离后形成反激变换器的控制端；放电电路104包括电阻R1和开关管Q2，电阻R1一端连接反激变换器103的第二侧正端V2+并形成放电电路104的输入端，电阻R1另一端经开关管Q2后连接反激变换器103的第二侧负端V2-并形成放电电路104的输出端，开关管Q2的控制极为放电电路104的控制端；单体电池B1、B2、…、Bn的正极通过开关K11、K21、…、Kn1连接至反激变换器103的第二侧正端V2+，单体电池B1、B2、…、Bn的负极通过开关K12、K22、…、Kn2连接至反激变换器103的第二侧负端V2-；反激变换器103的第二侧正端V2+与开关K11、K21、…、Kn1和模数转换器ADC的连接点连接，反激变换器103的第二侧负端V2-与开关K12、K22、…、Kn2和模数转换器ADC的连接点连接，反激变换器103的第一侧正端V1+与电池组101的正极连接，反激变换器103的第一侧负端V1-与电池组101的负极连接，反激变换器103的控制端与单片机MCU连接；放电电路104的控制端与单片机MCU连接；开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2的控制端连接单片机MCU；单片机MCU及模数转换器ADC与电池组101是浮地连接，即当某一单体电池选通后，此单体电池的负极与单片机MCU及模数转换器ADC的公共参考地连通。单片机MCU与电池组是非隔离的联结方式，一般需要采用隔离电源给MCU供电。

其中：

模数转换器ADC用于：(1)采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压；(2)；实时监测待均衡的单体电池两端的电压，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

反激变换器103和电池放电电路用于对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡；

放电电路104用于对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行放电均衡；

单片机MCU用于：(1)依次选通开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2，实现模数转换器ADC依次对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行采样；(2)依据模数转换器ADC采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压结果控制反激变换器103执行充电均衡工作或放电电路104执行放电均衡工作；(3)依据模数转换器ADC实时监测待均衡的单体电池两端的电压结果确定反激变换器103执行充电均衡工作或放电电路104执行放电均衡工作是否结束，实现对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡或放电均衡。

单片机MCU及模数转换器ADC与电池组101浮地连接的好处在于使得无需限制电池组电池串联数量。

图2反激变换器103中常见的隔离方案可以采用光耦隔离、磁电隔离或电容隔离等，由于不是本发明的创新点所在，因此在此不详细描述。

图2反激变换器103示出的仅是基本拓扑，不包括为了保证电路良好工作的吸收电路及保护电路等，这些都是本领域的技术人员容易实现的，在此不赘述。

图2原理框图的控制方法，包括如下步骤：

(1)采样步骤：单片机MCU控制开关管Q1关断同时控制Q2关断，然后控制开关阵列(102)依次选通单体电池B1、B2、…、Bn，模数转换器ADC依次采样各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，单片机MCU根据各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，确定待均衡的单体电池，同时确定对待均衡的单体电池应执行充电均衡步骤还是放电均衡步骤；

(2)均衡步骤，依据步骤(1)执行如下两种情况之一：

(2.1)充电均衡步骤：单片机MCU输出PWM信号控制开关管Q1，此时开关管Q2关断，开关管Q1作为能量输入侧开关管，二极管D1作为能量输出侧整流管，控制能量从反激变换器103的第一侧流向第二侧给待均衡的单体电池充电，同时模数转换器ADC实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机MCU依据该电压确定充电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

(2.2)放电均衡步骤：单片机MCU输出信号控制开关管Q2导通，此时开关管Q1关断，待均衡的单体电池通过电阻R1和开关管Q2放电，同时模数转换器ADC实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机MCU依据该电压确定放电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

重复上述步骤(1)-(2)。

本发明直接通过单片机MCU控制开关K11和K12、K21和K22、…及Kn1和Kn2的开通与关断，实现步骤(1)各单体电池B1、B2、…、Bn与模数转换器ADC的连接和断开，实现依次选择开通需要采样的单体电池；并实现步骤(2.1)和(2.2)各待均衡的单体电池B1、B2、…、Bn与反激变换器103和电池放电电路的连接和断开，实现选择开通单体电池与电池组之间充放电均衡的连接功能。

由于开关K11和K12、K21和K22、…及Kn1和Kn2的开通与关断同步，因此设置为联动控制的方式系统的一致性将更好。

本发明由于步骤(1)中单片机MCU控制开关管Q1关断，反激变换器103不进行能量传递，二极管D1反向截止，同时控制开关管Q2关断，使得第二侧正端V2+、第二侧负端V2-对外呈直流高阻抗，从而不影响模数转换器ADC采样单体电池电压。

本发明实施中，步骤(2.1)中单片机MCU控制开关管Q2关断，电阻R1和开关管Q2组成的电池放电电路不工作，避免不必要的能量损耗。单片机MCU输出PWM信号隔离控制反激变换器103第一侧开关管Q1，结合反激变换器103的隔离变压器M及第二侧的整流管D1协同工作，使得能量从反激变换器103第一侧流向第二侧实现对待均衡的单体电池充电；步骤(2.2)中单片机MCU控制开关管Q2的信号为持续的高电平信号，此时开关管Q1关断，待均衡的电池通过电阻R1发热消耗能量而放电。

需要说明的是，本发明中的放电电路104可以采用其它具有控制电流泄放功能的电路实现；反激变换器103也可以采用其它变换器拓扑实现，这些对于本领域的技术人员而言是容易实现的，不是本发明构思的创新点所在，因此在此不一一举例。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种电池监测及均衡系统，包括电池组(101)、开关阵列(102)、模数转换器(ADC)、反激变换器(103)、放电电路(104)和单片机(MCU)；电池组(101)包括单体电池B1、B2、…和Bn；开关阵列(102)包括开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1和Kn2；反激变换器(103)包括第一侧正端(V1+)、第一侧负端(V1-)、第二侧正端(V2+)、第二侧负端(V2-)、控制端、隔离变压器(M)、开关管Q1、二极管D1和隔离，隔离变压器(M)第一侧绕组异名端为第一侧正端(V1+)，隔离变压器(M)第一侧绕组同名端经开关管Q1后形成第一侧负端(V1-)，隔离变压器(M)第二侧绕组同名端连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极为第二侧正端(V2+)，隔离变压器(M)第二侧绕组异名端为第二侧负端(V2-)，开关管Q1的控制极经隔离后形成反激变换器(103)的控制端；放电电路(104)包括输入端、输出端和控制端；其特征在于：

单体电池B1、B2、…、Bn的正极通过开关K11、K21、…、Kn1连接至反激变换器(103)的第二侧正端(V2+)，单体电池B1、B2、…、Bn的负极通过开关K12、K22、…、Kn2连接至反激变换器(103)的第二侧负端(V2-)；

反激变换器(103)的第二侧正端(V2+)与开关K11、K21、…、Kn1和模数转换器(ADC)的连接点连接，反激变换器(103)的第二侧负端(V2-)与开关K12、K22、…、Kn2和模数转换器(ADC)的连接点连接，反激变换器(103)的第一侧正端(V1+)与电池组(101)的正极连接，反激变换器(103)的第一侧负端(V1-)与电池组(101)的负极连接，反激变换器(103)的控制端单片机(MCU)连接；

放电电路(104)的输入端与反激变换器(103)的第二侧正端(V2+)连接，放电电路(104)的输出端与反激变换器(103)的第二侧负端(V2-)连接，放电电路(104)的控制端连接单片机(MCU)；

开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2的控制端连接单片机(MCU)；

模数转换器(ADC)用于：(1)采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压；(2)；实时监测待均衡的单体电池两端的电压，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

反激变换器(103)用于对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡；

单片机(MCU)用于：(1)依次选通开关K11、K12、K21、K22、…、Kn1、Kn2，实现模数转换器(ADC)依次对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行采样；(2)依据模数转换器(ADC)采样单体电池B1、B2、…、Bn的电压结果控制反激变换器(103)执行充电均衡工作或放电电路(104)执行放电均衡工作；(3)依据模数转换器(ADC)实时监测待均衡的单体电池两端的电压结果确定反激变换器(103)执行充电均衡工作或放电电路(104)执行放电均衡工作是否结束，实现对单体电池B1、B2、…、Bn的电压进行充电均衡或放电均衡。

2.根据权利要求1所述的电池监测及均衡系统，其特征在于：单片机(MCU)及模数转换器(ADC)与电池组(101)是浮地连接。

3.根据权利要求1所述的电池监测及均衡系统，其特征在于：开关K11和K12、开关K21和K22、…及开关Kn1和Kn2为联动控制。

4.根据权利要求1至3任一所述的电池监测及均衡系统，其特征在于：放电电路(104)包括电阻R1和开关管Q2，电阻R1的一端为放电电路(104)的输入端，电阻R1的另一端经开关管Q2后形成放电电路(104)的输出端，开关管Q2的控制极为放电电路(104)的控制端。

5.权利要求1所述的电池监测及均衡系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采样步骤：单片机(MCU)控制开关管Q1关断并同时控制开关管Q2关断，然后控制开关阵列(102)依次选通单体电池B1、B2、…、Bn，模数转换器(ADC)依次采样各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，单片机(MCU)根据各单体电池B1、B2、…、Bn的电压，确定待均衡的单体电池，同时确定对待均衡的单体电池应执行充电均衡步骤还是放电均衡步骤；

(2)均衡步骤，依据步骤(1)执行如下两种情况之一：

(2.1)充电均衡步骤：单片机(MCU)输出PWM信号控制开关管Q1，此时开关管Q2关断，开关管Q1作为能量输入侧开关管，二极管D1作为能量输出侧整流管，控制能量从反激变换器(103)的第一侧流向第二侧给待均衡的单体电池充电，同时模数转换器(ADC)实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机(MCU)依据该电压确定充电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

(2.2)放电均衡步骤：单片机(MCU)输出信号控制开关管Q2导通，此时开关管Q1关断，待均衡的单体电池通过电阻R1和开关管Q2放电，同时模数转换器(ADC)实时监测待均衡的单体电池两端的电压，单片机(MCU)依据该电压确定放电均衡步骤是否结束，直到该单体电池与电池组其它电池电压均衡；

重复上述步骤(1)-(2)。

6.权利要求5所述的电池监测及均衡系统的控制方法，其特征在于：步骤(1)中单片机(MCU)控制开关管Q1关断，反激变换器(103)不进行能量传递，二极管D1反向截止，同时控制开关管Q2关断，使得第二侧正端(V2+)、第二侧负端(V2-)对外呈直流高阻抗。