CN109572484A - 一种多功能兼容型主动均衡电路及方法 - Google Patents

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王鹏
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Abstract

本发明公开一种多功能兼容型主动均衡电路，包括开关切换模块、MCU和均与MCU电连接的第一控制电路、第二控制电路，所述第一控制电路、第二控制电路并联后分别通过第一整流滤波电路、第二整流滤波电路与开关切换模块电连接，所述开关切换模块包括若干个开关，每一所述开关分别对应连接一个单体电芯，所述第一控制电路还与蓄电池电连接。本发明可以切换多种主动均衡方式，且适应性强，不管是市面上哪种方式的电池包拓扑，均能适用。

Description

一种多功能兼容型主动均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及新能源电动车的电池管理系统技术领域，特别涉及一种多功能兼容型主动均衡电路及方法。
背景技术
随着新能源电动车越来越普及，市场对新能源电动车的要求不断增强。但业内因为被动均衡技术的局限性，导致均衡电流最大不超过200mA，于是开始向主动均衡进军。主动均衡因为可均衡电流最高达到几十安培，所以在均衡效率提升的同时，危险性和风险性都远远大于被动均衡。目前业内关于主动均衡的做法都并不成熟。
主动均衡按照使用场景，分为包体内均衡和包体间均衡；按照技术方案，则分为单向充电方式和双向均衡方式。所谓的包体内均衡和包体间均衡的区别在于，新能源电动车的一些应用场景，一辆车内并不仅仅只有一箱电池，可能存在2箱甚至多箱，一箱电池称为一个电池包。包体内均衡是整个均衡模块启动后但作用对象仅仅局限于一个电池包，跟其他相邻的电池包几乎没有任何关系。因为包体内均衡只负责管理本箱的电芯，所以软件算法较为简单，相对而言策略的容错度也比较强，冗余设计比较比较大。但正因为其包体内均衡的局限性，如果出现整箱偏高或者整箱偏低的状态，就需要包体间均衡。相对的包体间均衡就是解决每一包体与包体之间的不均衡现象。虽然包体间均衡可以解决以及弥补包体内均衡的不足，但随之而来的软件策略的复杂程度会大大增加，控制环节和开关数量明显增多，需要反馈的信息量成几何倍增，根据自控原理的概述，其风险因子的引入很难规避，整个拓扑的可靠性则大大不如包体内均衡。
根据主动均衡的技术方案来看，电芯一致性一但出现问题，在整个众多电芯当中总有电量最低的以及较低的电芯。而单向充电式则只负责将电量较低的电芯充电使之达到跟最高一串电芯电量相同即可。方案最大的缺点是一但出现有且仅有极个别的几串的电芯过高，则只能充电不能放电，会造成很长的时间才能将所有电芯的电量达到一致。而双向均衡的方案既能充电也能放电，但是双向均衡的控制策略较单向充电式相比较为复杂，要频繁切换开关，容易造成开关的寿命损耗，为整个拓扑方案增加不必要的风险。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多功能兼容型主动均衡电路。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种多功能兼容型主动均衡电路，包括开关切换模块、MCU和均与MCU电连接的第一控制电路、第二控制电路，所述第一控制电路、第二控制电路并联后分别通过第一整流滤波电路和第二整流滤波电路与开关切换模块电连接，所述开关切换模块包括若干个开关，每一所述开关分别对应连接一个单体电芯，所述第一控制电路还与蓄电池电连接。
优选地，所述第一控制电路包括第一隔离IC、第一驱动模块、MOS管Q1和Q2、第一变压器和第二变压器，所述第一隔离IC电连接于MCU的第一SPI通讯接口和第一驱动模块之间，串联的MOS管Q1、第一变压器、第一整流滤波电路和串联的MOS管Q2、第二变压器、第二整流滤波电路并联连接于第一驱动模块和开关切换模块之间。
优选地，所述第二控制电路包括第二隔离IC、第二驱动模块、MOS管Q3和Q4以及分流器，所述第二隔离IC电连接于MCU的第二SPI通讯接口和第二驱动模块之间，所述MOS管Q3和Q4并联连接于第二驱动模块和分流器之间，所述分流器还与第二隔离IC电连接。
优选地，该均衡电路还包括开关S1～S9，所述第一和第二变压器的输出端分别通过开关S1和S3连接第一和第二整流滤波电路，所述第一和第二变压器另一输出端分别通过开关S2和S4与MOS管Q3电连接，所述第一变压器的输入端和MOS管Q1分别通过开关S8和S7连接单体电芯，所述第二变压器的输入端和MOS管Q2分别通过开关S5和S6连接蓄电池的正负极，所述开关S9连接于第一整流滤波电路和MOS管Q4之间。
优选地，所述第一和第二变压器共用一个磁芯且匝数比不同。
优选地，所述开关S1～S8为电子开关或继电器。
优选地，所述蓄电池为12/24V的铅酸电池，负极接浮地，不与外界任何参考电位相连。
优选地，每一电池包体中均包含该均衡电路。
本发明还提供一种多功能兼容型主动均衡方法，包括如下步骤：
P1：判断均衡模块是否开启，如果不开启则均衡直接结束，若需要开启则跳转到P2；
P2：判断均衡方式，若是同一个包体内出现电芯电量不一致则跳转到P3，若整个包体与包体之间整体电量不一致则跳转到P8，若既有包体内电芯电量不一致，也有包体间电芯电量不一致，则跳转到P3；
P3：优先选用包体内均衡方式，从该包体的总正和总负进行取电，利用该包体的总电量通过变压器和MOS管给该包体均衡，此时跳转至P4；
P4：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P5；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P6；
P5：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，通过变压器充电或放电，双向均衡结束，跳转至P7；
P6：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，只通过变压器充电，单向均衡结束，跳转至P7；
P7：包体内均衡结束，此时该包体中所有单体电芯的电量均达到一致，跳转至P8；
P8：判断是否需要包体间均衡，若需要则跳至P9，若不需要则跳至P13；
P9：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P10；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P11；
P10：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，通过变压器对该包体内所有电芯充电或放电，双向均衡结束，跳转至P12；
P11：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，只通过变压器对该包体内所有电芯充电，单向均衡结束，跳转至P12；
P12：包体间均衡结束，此时所有包体的整体电量均达到一致，跳转至P13；
P13：均衡结束。
优选地，所述包体内均衡时开关S7、S8闭合，开关S5、S6断开；所述包体间均衡的充电来源和放电输出均为该包体电量的总正和总负。
采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)、在同一个电路中，可以在多种主动均衡模式之间互相切换，针对不同的使用场景，不同的应用环境，灵活选取最贴合的主动均衡的方式；
(2)、在同一个电路中优先选取最简单的主动均衡方式，可以降低控制策略的难度和风险等级，更加稳定可靠；
(3)、因为可以切换多种主动均衡方式，所以一旦其中一种方式发生失效，可以及时切换到其他的主动均衡方式，减小意外风险的失效后果及几率；
(4)、适应性强，不管是市面上哪种方式的电池包拓扑，均能适用。
附图说明
图1为本发明电路图；
图2为本发明流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进一步说明。
参照图1，本发明提供一种多功能兼容型主动均衡电路，包括开关切换模块107、MCU_3和均与MCU_3电连接的第一控制电路、第二控制电路，所述第一控制电路、第二控制电路并联后分别通过第一整流滤波电路105和第二整流滤波电路106与开关切换模块107电连接，所述开关切换模块107包括若干个开关，每一所述开关分别对应连接一个单体电芯，所述第一驱动电路还与蓄电池电连接。
所述第一控制电路包括第一隔离IC_101、第一驱动模块102、MOS管Q1和Q2、第一变压器103和第二变压器104，所述第一隔离IC_101电连接于MCU_3的第一SPI通讯接口和第一驱动模块102之间，串联的MOS管Q1、第一变压器103、第一整流滤波电路105和串联的MOS管Q2、第二变压器104、第二整流滤波电路106并联连接于第一驱动模块102和开关切换模块107之间。
所述第二控制电路包括第二隔离IC_201、第二驱动模块202、MOS管Q3和Q4以及分流器203，所述第二隔离IC_201电连接于MCU_3的第二SPI通讯接口和第二驱动模块202之间，所述MOS管Q3和Q4并联连接于第二驱动模块202和分流器203之间，所述分流器203还与第二隔离IC_201电连接。
该均衡电路还包括开关S1～S9，所述第一和第二变压器103、104的输出端分别通过开关S1和S3连接第一和第二整流滤波电路105、106，所述第一和第二变压器103、104另一输出端分别通过开关S2和S4与MOS管Q3电连接，所述第一变压器103的输入端和MOS管Q1分别通过开关S8和S7连接单体电芯，所述第二变压器104的输入端和MOS管Q2分别通过开关S5和S6连接蓄电池的正负极，所述开关S9连接于第一整流滤波电路105和MOS管Q4之间。
所述第一和第二变压器103、104共用一个磁芯且匝数比不同。
所述开关S1～S8为电子开关或继电器。
所述蓄电池为12/24V的铅酸电池，负极接浮地，不与外界任何参考电位相连。
每一电池包体中均包含该均衡电路。
参照图2，本发明还提供一种多功能兼容型主动均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
P1：判断均衡模块是否开启，如果不开启则均衡直接结束，若需要开启则跳转到P2；
P2：判断均衡方式，若是同一个包体内出现电芯电量不一致则跳转到P3，若整个包体与包体之间整体电量不一致则跳转到P8，若既有包体内电芯电量不一致，也有包体间电芯电量不一致，则跳转到P3；
P3：优先选用包体内均衡方式，从该包体的总正和总负进行取电，利用该包体的总电量通过变压器103、104和MOS管Q1～Q4给该包体均衡，此时跳转至P4；
P4：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P5；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P6；
P5：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，通过变压器103、104充电或放电，双向均衡结束，跳转至P7；
P6：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，只通过变压器103、104充电，单向均衡结束，跳转至P7；
P7：包体内均衡结束，此时该包体中所有单体电芯的电量均达到一致，跳转至P8；
P8：判断是否需要包体间均衡，若需要则跳至P9，若不需要则跳至P13；
P9：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P10；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P11；
P10：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，通过变压器103、104对该包体内所有电芯充电或放电，双向均衡结束，跳转至P12；
P11：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，只通过变压器103、104对该包体内所有电芯充电，单向均衡结束，跳转至P12；
P12：包体间均衡结束，此时所有包体的整体电量均达到一致，跳转至P13；
P13：均衡结束。
所述包体内均衡时开关S7、S8闭合，开关S5、S6断开；所述包体间均衡的充电来源和放电输出均为该包体电量的总正和总负。
以某客车为例，本发明的工作原理为：
客车的电池系统总共有4个电池包，分别分布在左前，右前，左后，右后这四个位置，且前一个包体的正极连接着下一个包体的负极，依次串联。
实施例一：
在上述电气背景下假设包体2的电压整体偏高，但是该包体内的20串电压电量一致，则适用于包体间主动均衡；
软件监控出每一个包体的状态后，通过改变每一个包体内的电路板上的MOS管Q1～Q4，起到改变拓扑结构的目的，借助整车的铅酸电池，把整个电池包的电充到铅酸电池内部，使之将包体2的电量降低至与其他包体一致，达到均衡效果；
也可以选择由铅酸电池的电反向给包体1，包体3，包体4进行充电，该电路拓扑为双向开关电源，充放电均可；
但是根据程序算法的优先级，因为铅酸电池储电能力的限制，所以该方案只会给包体2进行放电，而不会选择给其他3个包体进行充电。
实施例二：
假设包体2内部的每一节单体电芯出现不一致现象，则开启包体内均衡，此时的开关电源的输入端是从包体内的最高一串和最低一串进行取电或放电，可实现每一串的充放电，所以在拓扑图内变压器是设计为同轴双绕组型，分别有2个不同匝数比的变压器，都受MCU_3的控制，驱动模块，可以是分立元件搭的，也可以是类似于TI公司的LM5110。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，包括开关切换模块、MCU和均与MCU电连接的第一控制电路、第二控制电路，所述第一控制电路、第二控制电路并联后分别通过第一整流滤波电路、第二整流滤波电路与开关切换模块电连接，所述开关切换模块包括若干个开关，每一所述开关分别对应连接一个单体电芯，所述第一控制电路还与蓄电池电连接。
2.根据权利要求1所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，所述第一控制电路包括第一隔离IC、第一驱动模块、MOS管Q1和Q2、第一变压器和第二变压器，所述第一隔离IC电连接于MCU的第一SPI通讯接口和第一驱动模块之间，串联的MOS管Q1、第一变压器、第一整流滤波电路和串联的MOS管Q2、第二变压器、第二整流滤波电路并联连接于第一驱动模块和开关切换模块之间。
3.根据权利要求2所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，所述第二控制电路包括第二隔离IC、第二驱动模块、MOS管Q3和Q4以及分流器，所述第二隔离IC电连接于MCU的第二SPI通讯接口和第二驱动模块之间，所述MOS管Q3和Q4并联连接于第二驱动模块和分流器之间，所述分流器还与第二隔离IC电连接。
4.根据权利要求3所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，该均衡电路还包括开关S1～S9，所述第一和第二变压器的输出端分别通过开关S1和S3连接第一和第二整流滤波电路，所述第一和第二变压器另一输出端分别通过开关S2和S4与MOS管Q3电连接，所述第一变压器的输入端和MOS管Q1分别通过开关S8和S7连接单体电芯，所述第二变压器的输入端和MOS管Q2分别通过开关S5和S6连接蓄电池的正负极，所述开关S9连接于第一整流滤波电路和MOS管Q4之间。
5.根据权利要求4所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，所述第一和第二变压器共用一个磁芯且匝数比不同。
6.根据权利要求5所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，所述开关S1～S8为电子开关或继电器。
7.根据权利要求6所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，所述蓄电池为12/24V的铅酸电池，负极接浮地，不与外界任何参考电位相连。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的多功能兼容型主动均衡电路，其特征在于，每一电池包体中均包含该均衡电路。
9.一种多功能兼容型主动均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
P1：判断均衡模块是否开启，如果不开启则均衡直接结束，若需要开启则跳转到P2；
P2：判断均衡方式，若是同一个包体内出现电芯电量不一致则跳转到P3，若整个包体与包体之间整体电量不一致则跳转到P8，若既有包体内电芯电量不一致，也有包体间电芯电量不一致，则跳转到P3；
P3：优先选用包体内均衡方式，从该包体的总正和总负进行取电，利用该包体的总电量通过变压器和MOS管给该包体均衡，此时跳转至P4；
P4：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P5；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P6；
P5：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，通过变压器充电或放电，双向均衡结束，跳转至P7；
P6：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的单体电芯，只通过变压器充电，单向均衡结束，跳转至P7；
P7：包体内均衡结束，此时该包体中所有单体电芯的电量均达到一致，跳转至P8；
P8：判断是否需要包体间均衡，若需要则跳至P9，若不需要则跳至P13；
P9：判断单/双向，若该包体此时处于充电模式，则双向均衡充放电皆宜，此时跳转到P10；若该包体此时处于放电模式，则优先单向均衡仅充电，此时跳转至P11；
P10：双向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，通过变压器对该包体内所有电芯充电或放电，双向均衡结束，跳转至P12；
P11：单向均衡，针对需要大电流主动均衡的包体，只通过变压器对该包体内所有电芯充电，单向均衡结束，跳转至P12；
P12：包体间均衡结束，此时所有包体的整体电量均达到一致，跳转至P13；
P13：均衡结束。
10.根据权利要求9所述的多功能兼容型主动均衡方法，其特征在于，所述包体内均衡时开关S7、S8闭合，开关S5、S6断开；所述包体间均衡的充电来源和放电输出均为该包体电量的总正和总负。
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梁波: "《锂电池组均衡充放电控制策略研究》", 《西 北 工 业 大 学 学 报》 *
祁华铭: "《纯电动汽车能量均衡技术研究》", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 *

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