CN108879833A - 一种电池组主动均衡电路及均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池主动均衡电路及均衡方法，该主动均衡电路包括由n节电池串联组成的电池组，n+1组共源MOS管分别两两接入所述电池正负节点；信息采集模块、控制模块、均衡模块、过流检测模块、信息采集模块，所述每组共源MOS管包括一个NMOS管和一个PMOS管；本发明以电池电量为均衡变量，以电感作为能量储存元件，均衡电池组，能够达到快速、高效均衡动力电池组的目的；且本发明公开的均衡方法可以实现直接对串联电池内任意单节或连续的n（n≥2）节电池进行主动均衡，相较于只能在相邻电池之间进行均衡的主动均衡方法，提高了均衡速率和能量利用效率。
Description
技术领域
本发明适用于多节电池组成的动力电池组的管理系统，尤其适用于需要高效率主动均衡的电池管理系统，属于电池充电技术领域。
背景技术
电能以其价格低廉，无污染等优点，越来越多的应用于各大领域；尤其是锂离子电池，在汽车领域，有取代化石能源的趋势。由于单体电池的电压较低，无法直接用于汽车，要获得更高的电压，必须将电池串联成组才能使用。在使用过程中，要避免电池过充或过放，以及获得更高的可用容量，必须对电池组进行均衡操作。
由于各单体电池在出厂和使用过程中产生的不一致性，各单体电池的容量以及内阻均不相同，在充放电过程中，某些单体电池先充满，或先放完，如果继续充电或者放电，则会导致部分电池过充电或者过放电，甚至损坏电池。使用电池管理系统对电池进行管理，可以有效延长电池使用寿命，提高电池组的可用容量。
为了便于对电池进行管理，现有技术中，出现了锂电池均衡电路技术。例如，中国专利申请CN107086624A公开了一种锂离子电池均衡电路，该申请使用升压和降压模块进行能量转移，电路复杂，均衡效率受限制，且单体电池电压作为均衡依据，不能准确反映单体电池的剩余电量间的关系。中国专利申请CN107359662A公开了一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法，该申请可以实现并行主动均衡。但使用两个反式变压器，只能实现单节电池与电池组之间的能量双向转换。中国专利申请CN107195993A公开了一种用于电池组的主动均衡装置，该申请能够实现单体电池对单体电池的能量转移，但结构复杂，不利于实际应用。
基于现有技术中，主动均衡技术的不足，设计了一种快速、高效的电池主动均衡电路。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种快速、高效率的电池主动均衡电路及实现方法。该电路可以实现高效率、快速均衡动力电池组，解决了传统均衡技术，速度慢，效率低等问题。
为实现上述目的，本申请提供了一种电池主动均衡电路，包括由n节电池串联组成的电池组，n+1组共源MOS管分别两两接入所述电池正负节点；该均衡电路还包括，
信息采集模块：对n节电池串联组成的电池组，n个运放组成的差分运算电路减法运算后得到单节电池电压的模拟值，再由AD转换器转换得到数字值；
控制模块：采用的控制元件为MCU，对n节电池串联组成的电池组，能够采集n路AD值，输出2n+2路PWM控制信号，主要完成单体电池电压信号的AD转换、SOC估算、外部通信、输出PWM控制信号等工作；
均衡模块：包括多组模拟电子开关组成的开关网络，每组电子开关包括共源极P型MOS管和N型MOS管，且源极连接到串联电池组的每一个节点处，还包括均衡电感L1，过流采样电阻R1；
过流检测模块：由采样和控制两部分组成，采样电阻采集均衡电流，电流超过一定设定限值时断开均衡回路；
所述信息采集模块将采集到的电池物理信息发送至MCU，由MCU估算电池SOC，并确定均衡策略后，输出PWM控制信号，由均衡模块完成均衡，过流检测模块防止均衡电流过大。
本申请还提供了一种电池主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
（1）首先估算电池组状态；包括采集单体电池编号为B1，B2，B3…，Bn的单体电池信息，通过MCU计算单体电池剩余电量以及电池组总剩余电量；
（2）然后判断是否需要均衡，如果是，进行下一步判断；如果否，回到步骤（1）继续判断；
（3）判断是否正在均衡，如果是，继续当前均衡，如果否，进入步骤（4）；
（4）调整并输出PWM控制信号；
（5）判断是否过流，如果是，返回步骤（4），如果否，进入步骤（6）；
（6）判断是否满足结束均衡条件，如果否，继续当前均衡，如果是，停止均衡。
所述步骤（2）中，判断是否需要均衡是根据步骤（1）中计算单体电池剩余电量均值，并根据设定的均衡阀值确定需进行充电均衡的单体电池和需要进行放电均衡的单体电池。
在进行所述步骤（4）后，通过输出PWM控制信号控制相应MOS管的导通与断开，进而均衡电池。
通过控制不同的MOS管，能在任意单节或串联的多节电池之间进行能量转移。
本发明的有益效果在于：
本发明以电池电量为均衡变量，以电感作为能量储存元件，均衡电池组，能够达到快速、高效均衡动力电池组的目的。
附图说明
图1为本发明电池主动均衡电路的MCU结构示意图。
图2本发明电池主动均衡电路组成示意图。
图3本发明电池主动均衡电路的均衡原理示意图。
图4本发明电池主动均衡电路的均衡流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
应理解，现有主动均衡电路电路复杂，均衡效率受限制，且单体电池电压作为均衡依据，不能准确反映单体电池的剩余电量间的关系，不利于实际应用。
下面结合图1-图4对本发明实施例的电池组主动均衡电路及均衡方法进行详细描述。
本申请提供了一种电池主动均衡电路，如图2所示，该主动均衡电路包括
信息采集模块：对n节电池串联组成的电池组，n个运放组成的差分运算电路减法运算后得到单节电池电压的模拟值，再由AD转换器转换得到数字值；
控制模块：采用的控制元件为MCU，如图1所示，对n节电池串联组成的电池组，能够采集n路AD值，输出2n+2路PWM控制信号，主要完成单体电池电压信号的AD转换、SOC估算、外部通信、输出PWM控制信号等工作；
均衡模块：包括多组模拟电子开关组成的开关网络，每组电子开关包括共源极P型MOS管和N型MOS管，且源极连接到串联电池组的每一个节点处，还包括均衡电感L1，过流采样电阻R1；
过流检测模块：由采样和控制两部分组成，采样电阻R1采集均衡电流，电流超过一定设定限值时断开均衡回路；
所述信息采集模块将采集到的电池物理信息发送至MCU，由MCU估算电池SOC，并确定均衡策略后，输出PWM控制信号，由均衡模块完成均衡，过流检测模块防止均衡电流过大。
该主动均衡电路还包括由n节电池串联组成的电池组，n+1组共源MOS管分别两两接入所述电池正负节点；所述每组共源MOS管包括一个NMOS管和一个PMOS管；在本实施例中，如图3所示，以六节串联电池组成的电池组为例进行说明，所述六节串联电池分别为B1、B2……B6，而Pi和Ni(=1~7)为7组共源MOS管，L1为均衡电感，R1为均衡过流采样电阻。
此外，本申请还提供了一种电池主动均衡电路的均衡方法，如图4所示，包括以下步骤：
（1）首先估算电池组状态；包括采集单体电池编号为B1，B2，B3…，Bn的单体电池信息，通过MCU计算单体电池剩余电量以及电池组总剩余电量；
（2）然后判断是否需要均衡，如果是，进行下一步判断；如果否，回到步骤（1）继续判断；
（3）判断是否正在均衡，如果是，继续当前均衡，如果否，进入步骤（4）；
（4）调整并输出PWM控制信号；
（5）判断是否过流，如果是，返回步骤（4），如果否，进入步骤（6）；
（6）判断是否满足结束均衡条件，如果否，继续当前均衡，如果是，停止均衡。
所述步骤（2）中，判断是否需要均衡是根据步骤（1）中计算单体电池剩余电量均值，并根据设定的均衡阀值确定需进行充电均衡的单体电池和需要进行放电均衡的单体电池。
在进行所述步骤（4）后，通过输出PWM控制信号控制相应MOS管的导通与断开，进而均衡电池。
通过控制不同的MOS管，能在任意单节或串联的多节电池之间进行能量转移。
上述均衡过程步骤（1）中，估算电池状态持续进行，以判断是否需要均衡或者均衡是否达到要求。当需要均衡时，MCU输出4路PWM型号控制MOS管的导通和断开，完成能量的转移。
当MCU判断需要开启均衡功能时，确定均衡策略，同时过流保护模块会检测均衡电流，当均衡电流超过预设值，将反馈信号到MCU，调整均衡策略，保证均衡操作的安全性，直至均衡结束。
本均衡电路可能的均衡过程分为以下几种情况：
（a）单节电池对单节电池：如有一节电池能量过高，则另有一节电池的能量过低；
（b）单节电池对多节电池：如有一节电池能量过高，另有连续多节电池能量过低；
（c）多节电池对单节电池：如有连续多节电池能量过高，另有一节电池能量过低；
（d）多节电池对多节电池：如有连续多节电池能量过高，另有连续多节电池能量过低。
优选地，当多节能量过高或能量过低的电池不连续时，MCU经过算法自动判断最优均衡过程。
在一个实施例中，例如B2电池能量过高，B1和B3电池能量过低，根据三节电池能量的差异，有可能出现以下情况：
（a）首先B2对B1和B3中的其中一节电池进行能量转移，然后对另一节电池进行能量转移；
（b）B2直接对B1、B2、B3组成的三节连续的电池进行能量转移；
优选地，当仅有电池能量过高或过低时，系统默认为其余电池能量过低或过高；
能量需要从电池B1转移至电池B2时，MCU控制同时打开电池B1正极节点PMOS管和负极节点NMOS管，电池B1放出能量，储存到电感L1当中，关闭电池B1正极节点PMOS管和负极节点NMOS管，再打开电池B2正极节点NMOS管和负极节点PMOS管，电感中的能量转移到电池B2中，整个过程完成一次能量转移，重复操作，直至均衡结束。
在另一实施例中，上述过程中的电池B1和电池B2可以是单节电池或串联的多节电池。电池组算作串联的多节电池。
在另一实施例中，上述均衡过程中，MCU控制MOS管方式为输出PWM经光耦控制MOS管。
在另一实施例中，上述均衡过程中，当MCU经采样电阻采集到的电流不在设定范围内时，MCU会调节输出PWM控制信号的频率和占空比，以控制均衡电流，达到控制均衡速度和均衡过程的安全性。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种电池主动均衡电路，其特征在于，包括由n节电池串联组成的电池组，n+1组共源MOS管分别两两接入所述电池正负节点；该均衡电路还包括，
信息采集模块：对n节电池串联组成的电池组，n个运放组成的差分运算电路减法运算后得到单节电池电压的模拟值，再由AD转换器转换得到数字值；
控制模块：采用的控制元件为MCU，对n节电池串联组成的电池组，能够采集n路AD值，输出2n+2路PWM控制信号，主要完成单体电池电压信号的AD转换、SOC估算、外部通信、输出PWM控制信号等工作；
均衡模块：包括多组模拟电子开关组成的开关网络，每组电子开关包括共源极P型MOS管和N型MOS管，且源极连接到串联电池组的每一个节点处，还包括均衡电感L1，过流采样电阻R1；
过流检测模块：由采样和控制两部分组成，采样电阻采集均衡电流，电流超过一定设定限值时断开均衡回路；
所述信息采集模块将采集到的电池物理信息发送至MCU，由MCU估算电池SOC，并确定均衡策略后，输出PWM控制信号，由均衡模块完成均衡，过流检测模块防止均衡电流过大。
2.一种如权利要求1所述的电池主动均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）首先估算电池组状态；包括采集单体电池编号为B1，B2，B3…，Bn的单体电池信息，通过MCU计算单体电池剩余电量以及电池组总剩余电量；
（2）然后判断是否需要均衡，如果是，进行下一步判断；如果否，回到步骤（1）继续判断；
（3）判断是否正在均衡，如果是，继续当前均衡，如果否，进入步骤（4）；
（4）调整并输出PWM控制信号；
（5）判断是否过流，如果是，返回步骤（4），如果否，进入步骤（6）；
（6）判断是否满足结束均衡条件，如果否，继续当前均衡，如果是，停止均衡。
3.根据权利要求2所述的电池主动均衡电路的均衡方法，所述步骤（2）中，判断是否需要均衡是根据步骤（1）中计算单体电池剩余电量均值，并根据设定的均衡阀值确定需进行充电均衡的单体电池和需要进行放电均衡的单体电池。
4.根据权利要求2所述的电池主动均衡电路的均衡方法，在进行所述步骤（4）后，通过输出PWM控制信号控制相应MOS管的导通与断开，进而均衡电池。
5.根据权利要求4所述的电池主动均衡电路的均衡方法，通过控制不同的MOS管，能在任意单节或串联的多节电池之间进行能量转移。
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