CN107947270B - 电压均衡装置和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了电压均衡装置和系统，涉及电池技术领域，包括：主控制器和从控制器，从控制器包括采样电路、控制单元和变压器均衡电路；采样电路，用于采集电池组的电池参数；主控制器，用于对电池参数进行逻辑运算，生成均衡指令；控制单元，用于根据均衡指令控制变压器均衡电路的通断，以使电池组中电池进行充电或放电，在提高电荷恢复率的基础上，极大程度地提高均衡速度和效率。

Description

电压均衡装置和系统

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其是涉及电压均衡装置和系统。

背景技术

如今大多数平衡器都运用了主动或被动方式来均衡电池电压，具体为在电池组中电压最高的电池两端接入一个电阻器或蓄能组件来放电，采用上述手段，在电荷恢复率较低的同时，当整个电池组中仅有几节电池的电压很低、或个别电池与一个较大的相邻电池组之间实施双向电荷转移时，均衡过程非常低效且费时。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供电压均衡装置和系统，在提高电荷恢复率的基础上，极大程度地提高均衡速度和效率。

第一方面，本发明实施例提供了电压均衡装置，包括：主控制器和从控制器，所述从控制器包括采样电路、控制单元和变压器均衡电路；

所述采样电路，用于采集电池组的电池参数；

所述主控制器，用于对所述电池参数进行逻辑运算，生成均衡指令；

所述控制单元，用于根据所述均衡指令控制所述变压器均衡电路的通断，以使所述电池组中电池进行充电或放电。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述电池组包括至少一个单体电池，所述控制单元还用于根据所述均衡指令，从所述电池组中选择一个或多个所述单体电池，并对所述单体电池进行充电或放电。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述从控制器包括与所述单体电池的数量相对应的所述变压器均衡电路。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述变压器均衡电路包括采样电阻R1、采样电阻R2、同步开关Q1、同步开关Q2和变压器；

所述电池组分别与所述变压器的初级线圈的一端和次级线圈的一端相连接，所述次级线圈的另一端与所述同步开关Q1的漏极相连接，所述同步开关Q1的源极与所述采样电阻R1的一端相连接，所述采样电阻R1的另一端接地，所述初级线圈的另一端与所述同步开关Q2的漏极相连接，所述同步开关Q2的源极与所述采样电阻R2的一端相连接，所述采样电阻R2的另一端接地，所述同步开关Q1和所述同步开关Q2的栅极分别和所述控制单元的采样接口相连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，当均衡指令为充电指令时，所述控制单元还用于根据所述均衡指令导通所述同步开关Q1，当所述采样电阻R1两端的电压达到预设值时，断开所述同步开关Q1，并导通所述同步开关Q2，以使所述电池进行充电。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，当所述均衡指令为放电指令时，所述控制单元还用于根据所述均衡指令导通所述同步开关Q2，以使所述电池进行放电，当所述采样电阻R2两端的电压达到预设值时，断开所述同步开关Q2。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述采样电路包括电压采集电路和温度采集电路，所述电池参数包括电池组中单体电池的电压值和温度值；

所述电压采集电路用于采集各个所述单体电池的所述电压值；

所述温度采集电路用于采集各个所述单体电池的所述温度值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述主控制器根据预设模型对各个所述电池的所述温度值和/或所述电压值进行逻辑运算，生成均衡指令。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述主控制器，还用于将调试指令发送至上位机，对所述预设模型进行校准调试。

第二方面，本发明实施例还提供电压均衡系统，包括如上所述的电压均衡装置，还包括与所述电压均衡装置相连接的上位机，用于发送根据预设模型生成的计算控制指令。

本发明实施例提供了电压均衡装置和系统，包括：主控制器和从控制器，从控制器包括采样电路、控制单元和变压器均衡电路；采样电路，用于采集电池组的电池参数；主控制器，用于对电池参数进行逻辑运算，生成均衡指令；控制单元，用于根据均衡指令控制变压器均衡电路的通断，以使电池组中电池进行充电或放电，在提高电荷恢复率的基础上，极大程度地提高均衡速度和效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的电压均衡装置结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的电压均衡装置结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的电压均衡装置中变压器均衡电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的电压均衡系统应用场景示意图。

图标：10-主控制器；20-从控制器；21-采样电路；22-控制单元；23-变压器均衡电路。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如今使用的大多数平衡器都运用了一种单向均衡(只放电)方法。其中最简单的方法是被动平衡方式，即通过在电池组中电压最高的电池两端接入一个电阻器来放电，采用这种方法时，没有任何电荷得以恢复，而是作为热量在阻性组件中耗散掉了。这时可采用主动平衡方式，即通过采用一种畜能组件(电感性或电容性)来改善，以把电荷从电池组中电压最高的电池转移至电池组中其他电压较低的电池，采用这种方式，在整个电池组只有少数几节电池的电压很高时，电荷恢复非常有效，但当整个电池组中仅有几节电池的电压很低、或个别电池与一个较大的相邻电池组之间实施双向电荷转移时则将非常低效且费时。

基于此，本发明实施例提供的电压均衡装置和系统，可在提高电荷恢复率的基础上，极大程度地提高均衡速度和效率。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的电压均衡装置进行详细介绍，

图1为本发明实施例提供的电压均衡装置结构示意图之一。

参照图1，电压均衡装置包括主控制器10和从控制器20，从控制器20包括采样电路21、控制单元22和变压器均衡电路23；

采样电路21，用于采集电池组的电池参数；

主控制器10，用于对电池参数进行逻辑运算，生成均衡指令；

控制单元22，用于根据均衡指令控制变压器均衡电路23的通断，以使电池组中电池进行充电或放电。

这里，电池管理系统的最根本的作用在于延长电动汽车用动力电池组的循环寿命，充分利用电池的存储能力，增加电动汽车的续驶里程。为了使各个电池组间的电压均衡一致，本申请提供的电压均衡装置采用变压器均衡方法达到整个电池包的各电池组电压均衡的目的；

具体地，本申请通过采样电路21采集电池组的电池参数，主控制器10根据电池参数生成均衡指令，控制单元22根据均衡指令控制变压器均衡电路23的通断，使电池组中的电池进行充电或放电，以达到电池电压均衡的目的，采用变压器均衡方式实现电池的主动双向均衡，具有高达10A的平衡电流能力，均衡效率高达90％以上，均衡速度快，均衡时间大大降低，也使得电池管理系统软件算法开发的工作难度大大降低，简单的控制算法即可实现高效的均衡效率。

进一步的，电池组包括至少一个单体电池，控制单元22还用于根据均衡指令，从电池组中选择一个或多个单体电池，并对单体电池进行充电或放电。

这里，控制单元22能够根据均衡指令控制电池组中一个或多个电池进行充电或放电，以均衡电池电压，实现电池均衡的高效性和任意性；

其中，单体电池包括锂离子电池；

进一步的，从控制器20包括与单体电池的数量相对应的变压器均衡电路23。

这里，每个单体电池都具有一个与之相对应的变压器均衡电路23，同时从控制器20的每个变压器平衡电路均相互独立运作，使得电池的均衡具有高效性和任意性。

其中，每个变压器均衡电路23均独立于其他的变压器均衡电路23而运作，可对电压差距较大的相邻电池组间进行均衡，多组电池间也可同时独立进行均衡，缩短均衡时间，均衡电流大(高达10A)，能量转换较高。

进一步的，如图3所示，变压器均衡电路包括采样电阻R1、采样电阻R2、同步开关Q1、同步开关Q2和变压器；

电池组分别与变压器的初级线圈的一端和次级线圈的一端相连接，次级线圈的另一端与同步开关Q1的漏极相连接，同步开关Q1的源极与采样电阻R1的一端相连接，采样电阻R1的另一端接地，初级线圈的另一端与同步开关Q2的漏极相连接，同步开关Q2的源极与采样电阻R2的一端相连接，采样电阻R2的另一端接地，同步开关Q1和同步开关Q2的栅极分别和控制单元的采样接口相连接。

这里，图3中示出一路变压器均衡电路，包括变压器(W1)、NMOS(Q1、Q2)、采样电阻(R1、R2)，其中还包括一些外围的滤波电路，稳压、续流二极管等(图中未示出)。每块从控制器中包括12路变压器均衡电路，1个单体电池电压采集滤波电路可对12个单体电池进行电压采集，1个单体电池温度采集电路可对12路单体电池温度进行采集；

这里，控制单元采用FPGA模块，与1路CAN，1路SPI及一些外围电路相连接；

进一步的，当均衡指令为充电指令时，控制单元还用于根据均衡指令导通同步开关Q1，当采样电阻R1两端的电压达到预设值时，断开同步开关Q1，并导通同步开关Q2，以使电池进行充电；

这里，以图3为例子进行说明，对于某个给定的电池(CELL1)，当从控制器接收到主控制器发来充电指令(均衡指令中包含充电指令信息)时，次级开关接通(Q1通)，电流从CELL1至CELL24电池流出并流过变压器,直到检测到次级采样电阻(R1)端电压为100mV(在I1S上检测)为止，则次级开关断开(Q1断)，与此同时导通初级开关(Q2通)，并将存储在变压器(W1)次级线圈中的能量转移至初级线圈上，电流在初级线圈中流动，给CELL1电池充电。与放电时的情况相同，初级同步开关接通，以最大限度地减少电池充电阶段中的功率损失。一旦初级采样电阻两端电压降至零(在I1P上检测)，则初级开关断开且次级开关重新接通，从而重复该循环。这样，从连接在次级开关的顶端和底端之间的电池提取电能，给指定的电池充电。

需要说明的是，上述初级开关、次级开关导通的操作是根据接收到均衡指令进行动作的；

进一步的，当均衡指令为放电指令时，控制单元还用于根据均衡指令导通同步开关Q2，以使电池进行放电，当采样电阻R2两端的电压达到预设值时，断开同步开关Q2。

这里，也以图3为例子进行说明，对于某一给定的电池(CELL1)，当从控制器接收到主控制器放电指令时，初级开关接通(Q2通)，电池CELL1放电，电流在变压器(W1)初级绕组中斜坡上升，直到检测到初级采样电阻(R2)两端电压为100mV(在I1P上检测)为止。初级开关随后关断(Q2断)且导通次级开关(Q1通)，存储在变压器(W1)初级线圈中的能量被转移至次级线圈上，从而导致电流在变压器的次级绕组中流动，能量转移给CELL1至CELL24电池，即CELL1释放的电量回充给前24节电池上，次级同步开关的接通会以最大限度地减少能量转移期间的功率损失，直到检测到次级采样电阻(R1)两端电压降至零(在I1S上检测)为止。一旦次级电流达到零，则次级开关断开且初级开关重新接通，从而重复上述循环。这样，电荷从处于放电之中的电池转移至所有连接在次级的顶端和底端之间的电池。

与上述充电过程相同，上述初级开关、次级开关导通的操作也是根据接收到均衡指令进行动作的；

图2为本发明实施例提供的电压均衡装置结构示意图之二。

参照图2，电压均衡装置包括主控制器和从控制器，其中，主控制器采用DSP主控芯片，主要进行逻辑运算，通过CAN总线与从控制器进行通信，接收从控制器获取的电池参数，并进行逻辑运算，再发出均衡指令给从控制器，主控制器中的算法是通过Simulink模型搭建的，经过代码生成后下载到DSP芯片中；

从控制器包括变压器均衡电路、单体电池电压采集电路、单体电池温度采集电路、FPGA控制单元以及CAN总线通信电路，FPGA的一AD引脚连接单体电池电压采集电路对单体电池电压进行采集，FPGA的SPI引脚连接单体电池温度采集电路对单体电池温度进行采集，然后通过FPGA的CAN端口和CAN收发电路发给主控制器，从控制器的有一AD引脚对变压器初级、次级线圈的电流进行采样，并结合主控制器发来的均衡指令，来对变压器均衡电路进行控制，实现对指定的电池进行充放电。

需要说明的是，通过采样电阻的采样电流以电压类型进行体现；

进一步的，采样电路包括电压采集电路和温度采集电路，电池参数包括电池组中单体电池的电压值和温度值；

电压采集电路用于采集各个单体电池的电压值；

温度采集电路用于采集各个单体电池的温度值。

其中，采集的电压值和温度值实时发送至主控器；

这里，在对Simulink模型开发算法进行仿真时，通过CAN总线实现闭环控制，则Simulink模型能够直接对实体电池进行充放电，同时在模型上也可以实时观测到单体电池的电压及单体电池的温度，使得本申请无论在整车上的开发还是对实验测试台架的开发，都提供了有利的资源。

其中，单体电池电压采集芯片采用了凌力尔特公司的LTC6804芯片，可测量多达12个串联电池的电压，1.2mV最大总测量误差，可在290μs之内完成系统中对所有电池的测量，采集精度高，采样时间短。单体电池温度采集运用FPGA内部AD采样模块，可以对12节单体电池电压同时采集，12位采样精度。

具体地，单体电池电压采集应用TLC6804芯片，控制单元FPGA通过SPI总线与TLC6804通信，读取TLC6804所采集到的电压值，1.2mV最大总测量误差，可在290μs之内完成系统中所有电池的测量(能够保证实时性)。之后FPGA通过CAN总线把每节单体电池电压值发给主控制器，主控制器根据各单体电池电压的情况进行均衡控制。

单体电池温度采应用FPGA的AD采样功能，输入的温度信号先进行滤波，然后从控制器的FPGA芯片对12节单体电池温度同时采样，之后FPGA通过CAN总线把每节单体电池温度值发给主控制器，主控制器根据各单体电池温度的情况采用不同的均衡控制策略以及一些安全保护措施。

进一步的，主控制器根据预设模型对各个电池的温度值和/或电压值进行逻辑运算，生成均衡指令。

进一步的，主控制器，还用于将调试指令发送至上位机，对预设模型进行校准调试。

这里，Simulink算法模型可以生成代码后下载到主控制器中，也可通过CAN线与主控制器链接(主控制器中编写相关底层接口程序)，实现闭环对模型算法进行测试，节省了模型编译、代码生成、下载等操作时间。

此外，主控制器可与Simulink进行闭环仿真(主控制器通过CAN线与电脑相连)，Simulink模型仿真时能直接对从控制器进行控制，省略了模型生成代码及代码下载到主控制器的过程，节约算法开发时间。

这里，本申请借助双向主动平衡法，以针对所有常见的电池容量误差实现最小平衡时间和最大电荷恢复。从控制器通过CAN线接收主控制器均衡指令，控制变压器双向主动均衡部分对相关电池直接进行充电和放电。可利用外部组件(调节采样电阻阻值)调节平衡电流，同时从控制器可对每个单体电池电压、温度进行采集，通过CAN总线发送到主控制器来计算控制指令。

实施例二：

图4为本发明实施例提供的电压均衡系统应用场景示意图。

本发明实施例还提供电压均衡系统，包括如上所述的电压均衡装置，还包括与电压均衡装置相连接的上位机，用于发送根据预设模型生成的计算控制指令。

这里，上位机通过CAN端口与主控制器相连接，具体参见图2；

其中，如图4所示，电压均衡系统还包括至少一个电压均衡装置中的从控制器；

图4示出了一般意义上针对多节电池的电池组的典型交错式变压器连接。此系统具有高达10A的平衡电流能力，双向架构最大限度地减少了平衡时间和耗散功率，电荷转移效率高达90％以上，通过交错式变压器链接，可用于大于1000V的系统中。

具体地，一块从控制器可以控制12节串联电池组，如欲对远大于12节串联电池的串接式电池组进行平衡，则需使变压器次级接线交错以实现整个电池组的平衡，同时限定初级和次级功率FET的击穿电压要求；

此外，本申请还提供了一种在个别电池与一个较大的相邻电池组之间实施双向电荷转移的方法，例如，两块从控制器分别对应串接的24节电池间任意电池进行双向均衡，均衡速度快，均衡时间大大降低。

本发明实施例提供的电压均衡系统，与上述实施例提供的电压均衡装置具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种电压均衡装置，其特征在于，包括：主控制器和从控制器，所述从控制器包括采样电路、控制单元和变压器均衡电路；

所述采样电路，用于采集电池组的电池参数；

所述主控制器，用于对所述电池参数进行逻辑运算，生成均衡指令；

所述控制单元，用于根据所述均衡指令控制所述变压器均衡电路的通断，以使所述电池组中电池进行充电或放电；

所述采样电路包括电压采集电路和温度采集电路，所述电池参数包括电池组中单体电池的电压值和温度值；

所述电压采集电路用于采集各个所述单体电池的所述电压值；

所述温度采集电路用于采集各个所述单体电池的所述温度值；

所述主控制器根据预设模型对各个所述电池的所述温度值和所述电压值进行逻辑运算，生成均衡指令；

所述主控制器，还用于将调试指令发送至上位机，对所述预设模型进行校准调试；

所述主控制器采用DSP主控芯片，主控制器中的算法是通过Simulink模型搭建的，经过代码生成后下载到DSP芯片中；

在对所述Simulink模型开发算法进行仿真时，通过CAN总线实现闭环控制，使得Simulink模型能够直接对实体电池进行充放电的同时在模型上实时观测到单体电池的电压及单体电池的温度。

2.根据权利要求1所述的电压均衡装置，其特征在于，所述电池组包括至少一个单体电池，所述控制单元还用于根据所述均衡指令，从所述电池组中选择一个或多个所述单体电池，并对所述单体电池进行充电或放电。

3.根据权利要求2所述的电压均衡装置，其特征在于，所述从控制器包括与所述单体电池的数量相对应的所述变压器均衡电路。

4.根据权利要求1所述的电压均衡装置，其特征在于，所述变压器均衡电路包括采样电阻R1、采样电阻R2、同步开关Q1、同步开关Q2和变压器；

所述电池组分别与所述变压器的初级线圈的一端和次级线圈的一端相连接，所述次级线圈的另一端与所述同步开关Q1的漏极相连接，所述同步开关Q1的源极与所述采样电阻R1的一端相连接，所述采样电阻R1的另一端接地，所述初级线圈的另一端与所述同步开关Q2的漏极相连接，所述同步开关Q2的源极与所述采样电阻R2的一端相连接，所述采样电阻R2的另一端接地，所述同步开关Q1和所述同步开关Q2的栅极分别和所述控制单元的采样接口相连接。

5.根据权利要求4所述的电压均衡装置，其特征在于，当均衡指令为充电指令时，所述控制单元还用于根据所述均衡指令导通所述同步开关Q1，当所述采样电阻R1两端的电压达到预设值时，断开所述同步开关Q1，并导通所述同步开关Q2，以使所述电池进行充电。

6.根据权利要求4所述的电压均衡装置，其特征在于，当所述均衡指令为放电指令时，所述控制单元还用于根据所述均衡指令导通所述同步开关Q2，以使所述电池进行放电，当所述采样电阻R2两端的电压达到预设值时，断开所述同步开关Q2。

7.一种电压均衡系统，其特征在于，包括权利要求1-6中任一项所述的电压均衡装置，还包括与所述电压均衡装置相连接的上位机，用于发送根据预设模型生成的计算控制指令。

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