CN108226791B - 被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统，装置包括用于检测电池组电流值的电流检测模块，电压采集模块通过采样线分别连接于单体电池的正负极，正极采样线与正极之间串联有诊断电阻，均衡电路的一端连接在正极采样线与诊断电阻之间，另一端连接在负极采样线，均衡电路诊断模块用于获取均衡开关断开时电流检测模块检测到的第一电流值I₁和电压采集模块采集到的第一电压值U₁，以及开关导通时的第二电流值I₂和第二电压值U₂，根据I₁和I₂的差值确定均衡前后的电压差允许范围，通过判断U₁和U₂的差值是否在确定出的电压差允许范围之内确定均衡电路是否正常。通过本发明实施例的方案，能够有效提高均衡电路诊断的准确性。

Description

被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统

技术领域

本发明涉及电池组均衡技术领域，具体涉及一种被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统。

背景技术

电动汽车替代燃油汽车是一个划时代的课题，汽车工业也将随之进入一个全新的时代。目前阻碍电动汽车推广的最大瓶颈是车载电池组的性能问题，电池一直是电动汽车发展中备受关注的一点。

电池成组之后会出现单体电池充/放电不均衡的问题，为了减少充/放电不均衡问题，需要设计专门的均衡电路，目前用的最多的是被动均衡模式。在采用了被动均衡电路的电池组中，需要对均衡电路的状态进行检测，以防止均衡电路失效。现有的被动均衡诊断电路一般由均衡电阻、诊断电阻、均衡开关和监测及控制芯片四部分组成，设置在电池组中单体电池的正极采集电路和负极采集电路之间，监测及控制芯片通过电压采集线分别连接于单体电池的两极，正极采集线与正极之间串联诊断电阻。在进行均衡诊断时，通过判断监测及控制芯片在均衡开关断开状态下采集到的电压值与均衡开关导通时采集到的电压值的差值，与均衡开关导通时诊断电阻上的压降是否相等，确定均衡电路是否正常，若相等，则均衡电路正常，反之则均衡电路失效。

虽然现有的均衡诊断方案能够实现对均衡电路的状态诊断，但是诊断时忽略了电池主回路电流即电池组的电流的波动对诊断结果的影响，因此，很有可能发生误判情况，而这种误判情况是致命的，若单体电池在均衡失效的情况下持续过放或过充，将会大大降低电池的寿命，甚至会产生更严重的安全问题和经济损失。

发明内容

本发明实施例提供了一种被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统，提高均衡电路状态检测的准确性。

根据本发明的一个方面，本发明实施例提供了一种被动均衡电路检测装置，该检测装置包括电压采集模块、均衡电路、均衡控制模块、均衡电路诊断模块和用于检测单体电池所在的电池组的电流值的电流检测模块；

电压采集模块分别通过正极采样线和负极采样线连接于单体电池的正极和负极，正极采样线与正极之间串联有诊断电阻；

均衡电路的一端连接在电压采集模块与诊断电阻之间的正极采样线上，均衡电路的另一端连接在负极采样线上；

均衡电路包括串联的均衡电阻和均衡开关；

均衡控制模块用于控制均衡开关导通或断开；

均衡电路诊断模块，用于获取均衡开关断开时电流检测模块检测到的第一电流值I₁和电压采集模块采集到的第一电压值U₁，获取均衡开关导通时电流检测模块检测到的第二电流值I₂和电压采集模块采集到的第二电压值U₂，根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围，通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内确定均衡电路是否正常。

根据本发明的另一个方面，本发明实施例提供了一种被动均衡电路检测方法，该检测方法适用于本发明实施例的被动均衡电路检测装置，检测方法包括：

获取均衡开关断开时电流检测模块检测到的第一电流值I₁和电压采集模块采集到的第一电压值U₁；

获取均衡开关导通时电流检测模块检测到的第二电流值I₂和电压采集模块采集到的第二电压值U₂；

根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围；

通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内，确定均衡电路是否正常。

根据本发明的再一个方面，本发明实施例提供了一种电池组，电池组中包括本发明实施例的被动均衡电路检测装置。

根据本发明的又一个方面，本发明实施例提供了一种电池管理系统，电池管理系统包括本发明实施例的被动均衡电路检测装置。

本发明实施例的被动均衡电路检测装置、方法、电池组和电池管理系统，在对均衡电路状态是否正常的诊断时，同时考虑了诊断电阻上的压降和电池组中电流的波动对检测结果造成的影响，与现有技术相比，有效避免了均衡电路状态误判情况的出现，提高了均衡电路检测的准确性。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为本发明实施例提供的一种被动均衡电路检测装置的结构示意图；

图2为本发明具体实施例中一种被动均衡电路检测装置的结构示意图；

图3为基于本发明具体实施例中的被动均衡电路检测装置进行被动均衡电路检测的流程示意图；

图4为本发明实施例中一种被动均衡电路检测方法的流程示意图；

图5示出了能够根据本发明实施例的被动均衡检测方法和装置实现的计算设备的示例性硬件架构的结构图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。

图1示出了本发明实施例的一种被动均衡电路检测装置的结构示意图。由图中可以看出，该被动均衡电路检测装置包括电压采集模块110、均衡电路120、均衡控制模块130、均衡电路诊断模块140和用于检测单体电池210所在的电池组200的电流值的电流检测模块150。均衡电路120包括串联的均衡电阻121和均衡开关122。

电压采集模块110分别通过正极采样线和负极采样线连接于单体电池210的正极和负极，正极采样线与正极之间串联有诊断电阻160。

均衡电路120的一端连接在电压采集模块110与诊断电阻160之间的正极采样线上，均衡电路120的另一端连接在负极采样线上。

均衡控制模块130用于控制均衡开关122导通或断开。

均衡电路诊断模块140，用于获取均衡开关122断开时电流检测模块150检测到的第一电流值I₁和电压采集模块110采集到的第一电压值U₁，获取均衡开关122导通时电流检测模块150检测到的第二电流值I₂和电压采集模块110采集到的第二电压值U₂，根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围，通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内确定均衡电路120是否正常。

本发明实施例中，均衡电路诊断模块140，具体用于在U₁和U₂的差值的绝对值在确定出的电压差允许范围之内时，确定均衡电路120正常，在U₁和U₂的差值的绝对值不在确定出的电压差允许范围之内时，确定均衡电路120失效。

为了描述方便，本发明实施例的后文描述中，将差值的绝对值简称为差值。

电池组200在充/放电过程中，如果充/放电主回路中的电流发生上下波动，主回路电流波动同样会造成诊断电阻160上产生一定的压降，该压降很有可能会对通过判断均衡开启(均衡开关122导通)和均衡关闭(均衡开关122断开)两种状态下电压采集模块110采集到的电压值的差值是否等于诊断电阻150上产生的压降来判断均衡电路210是否正常的判断结果产生影响，从而导致误判的发生，引起一系列安全问题。

而本发明实施例的被动均衡电路检测装置，通过设置电流检测模块150对电池组200的电流值即主回路电流进行监测，在进行均衡电路120状态检测时，首先基于均衡关闭和均衡开启两种状态下的电流值即I₁和I₂差值确定出该差值下电压采集模块110在均衡关闭与均衡开启两种状态下采集到的电压差值的允许范围，通过判断电压采集模块110在均衡关闭与均衡开启两种状态下实际采集到的电压值U₁和U₂的差值是否在上述确定出的电压差允许范围之内即可判断出均衡电路120是否正常。

本发明实施例的被动均衡电路检测装置，考虑了电池组充/放电主回路中的电流波动在对均衡电路120状态判断中的影响，有效避免了主回路电流波动所造成的误判情况的发生，提供了均衡电路120状态诊断结果的准确性。

需要说明的是，本发明实施例的检测装置的各部件的具体实现是可以根据实际需要确定的，并不局限于某一具体形式，各部件之间可以单独实现，也可以是两个或两个以上的部件集成实现。例如，检测装置的各模块可以采用芯片实现，也可以通过对应功能电路或其他形式实现，如均衡电路诊断模块140可以直接采用微控制单元MCU实现。再例如，电压采集模块110和均衡控制模块130可以集成设置，如集成在一个前端采样芯片中。

本发明实施例中，电流检测模块150可以直接采用电流传感器实现。

本发明实施例中，电压差允许范围包括I₀(即I₁和I₂的差值的绝对值)不大于第一设定值时的第一允许范围，以及I₀大于第一设定值时的第二允许范围。

在实际应用中，由于电流检测模块150检测精度的影响，电流检测模块150的检测结果本身就会存在一些微小误差，因此，无论主回路电流是否发生波动，在均衡开启前后检测出的电流值I₁和I₂都会有一些差异。本发明实施例通过上述第一设定值来排除由于检测装置本身导致的误差的影响。如果I₁和I₂的差值不大于第一设定值时则判定均衡开启前后主回路电流波动极小，可以忽略，此时对应的电压差允许范围为第一允许范围，如果I₁和I₂的差值大于第一设定值时，则说明均衡开启前后电流波动较大，均衡前后电流有明显差异，此时对应的电压差允许范围则为第二允许范围。通过设置主回路电路在不同波动状态小的电压差允许范围，进一步提高判断的准确性。

本发明实施例中，第一设定值优选根据电流检测模块150的检测精度(测量精度)来确定，第一设定值为电流检测模块150的最大允许误差(允许的误差极限值)。

本发明实施例中，第一允许范围的最小值为

最大值为

其中，I_C为I₁和I₂的差值的绝对值I₀不大于第一设定值时的I₁或I₂，R_C为单体电池的内阻，U_Cmin为单体电池自身最小电压值(外电压最小值)，U_Cmax为单体电池自身最大电压值(外电压最大值)。

本发明实施例中，第二允许范围的最小值为

最大值为

其中，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，R₂为均衡电阻的阻值，U_Cmin为单体电池自身最小电压值，U_Cmax为单体电池自身最大电压值。

本发明实施例中，电压差允许范围的设定还进一步考虑单体电池内阻，从而避免了电池内阻对均衡电路诊断结果的影响。

图2示出了本发明一具体实施例中的被动均衡电路检测装置的结果示意图(图中均衡电路诊断模块未示出)，图3示出了基于图2中所示的检测装置进行均衡电路检测的流程示意图。如图2所示，本具体实施例中，电压采集模块110和均衡控制模块130集成于前端采样芯片中，也就是说，前端采样芯片同时完成电压采集和对均衡开关S的控制，正极采样线为采样线1，负极采样线为采样线2。诊断电阻160为R₁，均衡电阻121为R₂，电流检测模块150采用电流传感器，电流传感器通过采样线3连接于电池组的主回路中，电流传感器的最大允许误差记为±△I。

在需要进行均衡电路的检测判断时，根据均衡开关S断开时电流传感器检测到的I₁和均衡开关S导通时电流传感器检测到的I₂可以得出表1中所示的情况判断。

表1

本具体实施例中，以I_C表示单体电池210在电池组200充/放电过程中的主回路电流，U_C表示单体电池210的自身电压，则U_Cmin≤U_C≤U_Cmax。记单体电池210两极上所能够检测到的电压最大值为U_Dmax，单体电池210两极上所能够检测到的电压最小值为U_Dmin，根据电池的充放电情况可知：

U_Dmax＝U_Cmax+I_C·R_C (1)

U_Dmin＝U_Cmin+I_C·R_C (2)

则在整个充放电工作过程的任一时刻单体电池两极上所能够检测出的电压值U_D满足：

U_Dmin≤U_D≤U_Dmax (3)

针对均衡电路检测时|I₁-I₂|≤ΔI的这种情况，均衡前后电流变化极小，此时I₁≈I₂，均衡前后主回路中的电流值I_C可以表示为I₁≈I₂＝I_C。该情况下根据本发明实施例的检测装置的结构可以得出：

U₁＝U_D (4)

结合式(3)和式(6)可以得出：

其中，(U₁-U₂)_max表示|I₁-I₂|≤ΔI情况下U₁和U₂的差值的最大可能值，(U₁-U₂)_min表示U₁和U₂的差值的最小可能值。因此，此时第一允许范围的最小值为

最大值为

在对均衡电路120进行诊断时，令△U为前端采样芯片在均衡前后采集的电压压降即U₁与U₂的差值，由前文描述可以得出表2中所示的判定结果。

表2

电压检测情况	判定结果
		(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)<sub>min</sub>≤ΔU≤(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)<sub>max</sub>	均衡电路正常
ΔU＜(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)<sub>min</sub> or ΔU＞(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)<sub>max</sub>	均衡电路失效

针对均衡电路检测时的|I₁-I₂|＞ΔI这种情况，则有：

U₁＝U_C+I₁·R_C (9)

由式(11)可得：

而U_Cmin≤U_C≤U_Cmax，因此可以得出：

其中，(U₁-U₂)’_max表示|I₁-I₂|＞ΔI情况下U₁和U₂的差值能够出现的最大值，(U₁-U₂)’_min表示U₁和U₂的差值能够出现的最小值。因此，此时第二允许范围的最小值为

最大值为

该情况下则可以得出表3中所示的判定结果。

表3

电压检测情况	判定结果
		(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)’<sub>min</sub>≤ΔU≤(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)’<sub>max</sub>	均衡电路正常
ΔU＜(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)’<sub>min</sub> or ΔU＞(U<sub>1</sub>-U<sub>2</sub>)’<sub>max</sub>	均衡电路失效

本发明实施例的均衡电路检测装置，提出了一种全新的均衡电路诊断策略，将主回路中的电流波动所造成的影响也考虑到了其中，有效避免了现有判断方式中误判情况的发生，提升了检测的准确性。此外，在本发明具体实施例的检测装置，对均衡电路的进行检测时还考虑了单体电池内阻R_C对诊断结果的影响，进一步提高了诊断的准确性。

基于本发明实施例的被动均衡电路检测装置，本发明实施例还提供了一种被动均衡电路检测方法，如图4所示，本发明实施例的检测方法可以包括以下步骤：

步骤S1：获取均衡开关断开时电流检测模块检测到的第一电流值I₁和电压采集模块采集到的第一电压值U₁，获取均衡开关导通时电流检测模块检测到的第二电流值I₂和电压采集模块采集到的第二电压值U₂。

步骤S2：根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围。

步骤S3：通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内，确定均衡电路是否正常。

本发明实施例中，电压差允许范围包括I₀(即I₁和I₂的差值的绝对值)不大于第一设定值时的第一允许范围，以及I₀大于第一设定值时的第二允许范围。

本发明实施例中，第一设定值优选为电流检测模块的最大允许误差。

本发明实施例中，所述第一允许范围的最小值为

最大值为

其中，I_C为I₁和I₂的差值的绝对值I₀不大于第一设定值时的I₁或I₂，R_C为单体电池的内阻，U_Cmin为单体电池自身最小电压值，U_Cmax为单体电池自身最大电压值。

本发明实施例中，第二允许范围的最小值为

最大值为

其中，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，R₂为均衡电阻的阻值，U_Cmin为单体电池自身最小电压值，U_Cmax为单体电池自身最大电压值。

本发明实施例中，通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内，确定所述均衡电路是否正常，包括：

若U₁和U₂的差值的绝对值在确定出的电压差允许范围之内，则确定所述均衡电路正常。

若U₁和U₂的差值的绝对值不在确定出的电压差允许范围之内，则确定均衡电路失效。

本发明实施例还提供了一种电池组，电池组中包括本发明实施例中上述的任意一种被动均衡电路检测装置。

本发明实施例还提供了一种电池管理系统，电池管理系统包括本发明实施例中上述的任意一种被动均衡电路检测装置。

结合图1至图4描述的被动均衡电路检测装置和被动均衡电路检测方法的至少一部分可以由计算设备500实现。如图5所示，计算设备500可以包括输入设备501、输入接口502、中央处理器503、存储器504、输出接口505、以及输出设备506。其中，输入接口502、中央处理器503、存储器504、以及输出接口505通过总线510相互连接，输入设备501和输出设备506分别通过输入接口502和输出接口505与总线510连接，进而与计算设备500的其他组件连接。具体地，输入设备501接收来自外部的输入信息，并通过输入接口502将输入信息传送到中央处理器503；中央处理器503基于存储器504中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器504中，然后通过输出接口505将输出信息传送到输出设备506；输出设备506将输出信息输出到计算设备500的外部供用户使用。

也就是说，图5所示的计算设备500可以被实现为被动均衡电路状态检测设备，该检测设备可以包括处理器和存储器。该存储器用于储存有可执行程序代码；处理器用于读取存储器中存储的可执行程序代码以执行上述实施例的被动均衡电路状态检测方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机指令，当计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行本发明上述任一实施例中提供的被动均衡电路状态检测方法。

需要说明的是，以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。

Claims (7)

1.一种被动均衡电路检测装置，其特征在于，所述检测装置包括电压采集模块、均衡电路、均衡控制模块、均衡电路诊断模块和用于检测单体电池所在的电池组的电流值的电流检测模块；

所述电压采集模块分别通过正极采样线和负极采样线连接于单体电池的正极和负极，正极采样线与所述正极之间串联有诊断电阻；

所述均衡电路的一端连接在所述电压采集模块与所述诊断电阻之间的所述正极采样线上，所述均衡电路的另一端连接在所述负极采样线上；

所述均衡电路包括串联的均衡电阻和均衡开关；

所述均衡控制模块用于控制所述均衡开关导通或断开；

所述均衡电路诊断模块，用于获取所述均衡开关断开时所述电流检测模块检测到的第一电流值I₁和所述电压采集模块采集到的第一电压值U₁，获取所述均衡开关导通时所述电流检测模块检测到的第二电流值I₂和所述电压采集模块采集到的第二电压值U₂，根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围，通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内确定所述均衡电路是否正常；

所述电压差允许范围包括I₀不大于第一设定值时的第一允许范围，以及I₀大于第一设定值时的第二允许范围；

所述第一设定值为所述电流检测模块的最大允许误差；

其中，所述第一允许范围的最小值为

最大值为

其中，I_C为I₀不大于第一设定值时的I₁或I₂，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，U_Cmin为单体电池的外电压最小值，U_Cmax为单体电池的外电压最大值；

其中，所述第二允许范围的最小值为

最大值为

其中，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，R₂为均衡电阻的阻值，U_Cmin为单体电池的外电压最小值，U_Cmax为单体电池的外电压最大值。

2.根据权利要求1所述的被动均衡电路检测装置，其特征在于，

所述均衡电路诊断模块，具体用于在U₁和U₂的差值的绝对值在确定出的电压差允许范围之内时，确定所述均衡电路正常，在U₁和U₂的差值的绝对值不在确定出的电压差允许范围之内时，确定所述均衡电路失效。

3.根据权利要求1所述的被动均衡电路检测装置，其特征在于，所述电流检测模块为电流传感器。

4.一种被动均衡电路检测方法，其特征在于，所述检测方法适用于权利要求1至3中任一项所述的被动均衡电路检测装置，所述检测方法包括：

获取均衡开关断开时电流检测模块检测到的第一电流值I₁和电压采集模块采集到的第一电压值U₁；

获取均衡开关导通时电流检测模块检测到的第二电流值I₂和电压采集模块采集到的第二电压值U₂；

根据I₁和I₂的差值的绝对值I₀确定均衡前后的电压差允许范围；

通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内，确定所述均衡电路是否正常；其中，

所述电压差允许范围包括I₀不大于第一设定值时的第一允许范围，以及I₀大于第一设定值时的第二允许范围；

所述第一设定值为所述电流检测模块的最大允许误差；

其中，所述第一允许范围的最小值为

最大值为

其中，I_C为I₀不大于第一设定值时的I₁或I₂，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，U_Cmin为单体电池的外电压最小值，U_Cmax为单体电池的外电压最大值；

其中，所述第二允许范围的最小值为

最大值为

其中，R_C为单体电池的内阻，R₁为诊断电阻的阻值，R₂为均衡电阻的阻值，U_Cmin为单体电池自身的外电压最小值，U_Cmax为单体电池的外电压最大值。

5.根据权利要求4所述的被动均衡电路检测方法，其特征在于：所述通过判断U₁和U₂的差值的绝对值是否在确定出的电压差允许范围之内，确定所述均衡电路是否正常，包括：

若U₁和U₂的差值的绝对值在确定出的电压差允许范围之内，则确定所述均衡电路正常；

若U₁和U₂的差值的绝对值不在确定出的电压差允许范围之内，则确定所述均衡电路失效。

6.一种电池组，其特征在于，所述电池组中包括权利要求1至3中任一项所述的被动均衡电路检测装置。

7.一种电池管理系统，其特征在于，所述电池管理系统包括权利要求1至3中任一项所述的被动均衡电路检测装置。

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