CN111009945A - 基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法 - Google Patents

基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法。其中，所述电路包括：供电模块，与控制模块连接，用于提供电源；控制模块，与前端模拟采样模块连接，用于接收前端模拟采样模块采集的电池组信息，并根据电池组信息进行电池组均衡控制；前端模拟采样模块，与电光转换电路模块连接，用于采集电池组信息；电光转换电路模块，与光电转换模块连接，用于采用电光转换原理实现均衡操作；光电转换模块，与供电模块连接，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能输送至供电模块。本发明实施例提供的基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法，具有均衡电流更大且散热稳定无衰减等优势，具有同时启动的通道数更多的优势。

Description

基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法
技术领域
本发明实施例涉及电池组均衡管理技术领域，尤其涉及一种基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法。
背景技术
目前，为了提高新能源汽车续航性能，延长电池使用寿命，电池管理系统均需要具备均衡管理功能，用于改善电池系统中各单体电芯之间的不一致性。当前普遍采用的均衡方案，主要通过均衡电阻对容量较高的单体电芯进行放电，从而保持整个电池组的一致性。由于采用电阻放电的形式进行能量消耗，能量损失较大，并且在均衡过程中，电阻发热量大，PCBA板上温度过高，受PCBA板上温度这一禁止均衡预设条件的限制，在整个生命周期内，均衡功率衰减较大，均衡能力及效率较低。另外，长期通过电阻放电产生的发热容易加快导热硅胶老化失效，造成电池管理系统主控板上散热效率降低，进一步减少均衡策略执行机会，影响均衡效果。因此，开发一种基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法，可以减少能量消耗，解决导热硅胶老化导致的均衡散热量较低的问题，降低电路的均衡功率衰减度，提高电路均衡的效率，就成为业界亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法。
第一方面，本发明的实施例提供了一种基于光电转换的电池组均衡电路，包括：供电模块、控制模块、前端模拟采样模块、电光转换电路模块和光电转换模块；所述供电模块，与控制模块连接，用于提供电源；所述控制模块，与前端模拟采样模块连接，用于接收前端模拟采样模块采集的电池组信息，并根据电池组信息进行电池组均衡控制；所述前端模拟采样模块，与电光转换电路模块连接，用于采集电池组信息；所述电光转换电路模块，与光电转换模块连接，用于采用电光转换原理实现均衡操作；所述光电转换模块，与供电模块连接，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能输送至供电模块。
进一步地，在上述电路实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述供电模块，包括：电源芯片、两个输入端和一个输出端；所述两个输入端中的一个输入端与光电转换模块连接，另一个输入端与电源相连，所述一个输入端的电能输入优先级，高于所述另一个输入端的电能输入优先级；所述一个输出端与控制模块连接。
进一步地，在上述电路实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述控制模块，包括：主控MCU，根据电池组最高最低电压及有效标志位、电池组最高电压差及有效标志位、电池组最低温度及有效标志位、电池组平均温度及有效标志位、电池组最高温度差及有效标志位、PCBA板最高温度及有效标志位，进行电池组均衡控制。
进一步地，在上述电路实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述前端模拟采样模块，包括：前端模拟采样芯片，用于采集电池组信息，所述电池组信息包括单体电芯电压、单体电芯温度及PCBA板温度。
进一步地，在上述电路实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述电光转换电路模块，包括：若干发光二极管，与若干开关元件一一对应连接；所述若干开关元件，与若干串单体电芯一一对应，若对所述若干串单体电芯中的一串单体电芯进行均衡，则闭合与所述一串单体电芯对应的一开关元件。
进一步地，在上述电路实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述光电转换模块，包括：光伏板及电压转换模块。所述光伏板置于PCBA板外壳内表面，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能输送至电压转换模块；所述电压转换模块用于将光电转换得到的电压转换为稳定的12V电压，再输送至供电模块。
第二方面，本发明的实施例提供了一种基于光电转换的电池组均衡方法，由第一方面的各个基于光电转换的电池组均衡电路实现，包括：若达到解除禁止均衡预设条件，且最低单体电芯电压小于最低电压均衡禁止阈值，则禁止均衡；若最低单体电芯电压大于最低电压均衡禁止阈值，小于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对达到最高电压均衡允许阈值的单体电芯进行均衡，对达到最高电压均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对电压值在最高电压均衡允许阈值与最高电压均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变；若最低单体电芯电压大于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对与最低单体电芯电压的差值达到最高单体电芯电压差均衡允许阈值的单体电芯，进行均衡，对差值达到最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对差值在最高单体电芯电压差均衡允许阈值，与最高单体电芯电压差均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变。
进一步地，在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述若达到解除禁止均衡预设条件，相应地，所述禁止均衡预设条件，包括：若电池组最低温度达到电池组最低温度阈值，则禁止均衡；若电池组最高温度差达到电池组最高温度差阈值，则禁止均衡；若PCBA板上最高温度达到PCBA最高温度阈值，则禁止均衡。
进一步地，在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述电池组最低温度阈值的范围为5至15摄氏度；所述电池组最高温度差阈值的范围为2至8摄氏度；所述PCBA最高温度阈值的范围为50至100摄氏度。
进一步地，在上述方法实施例内容的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述最低电压均衡禁止阈值的范围为2300至2800毫伏；所述最低电压均衡允许阈值的范围为3800至4200毫伏；所述最高电压均衡禁止阈值的范围为3800至4200毫伏；所述最高电压均衡允许阈值的范围为3850至4250毫伏；所述最高单体电芯电压差均衡允许阈值的范围为15至30毫伏；所述最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的范围为5至20毫伏。
本发明实施例提供的基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法，通过在电路中加入电光转换电路模块，可以减少能量消耗，解决了导热硅胶老化导致的均衡散热量较低的问题，降低了电路的均衡功率衰减速度，提高了电路均衡的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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基于光电转换的电池组均衡电路结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一基于光电转换的电池组均衡电路结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于光电转换的电池组均衡方法流程示意图。
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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
针对均衡电阻放电的缺点，采用LED器件替换均衡电阻，将电热能量转换方案替换为电光能量转换方案，并在电池管理系统控制板上增加光电转换模块，采用直接辐射传递能量的方式，利用光电转换模块将之前电光转换完成后产生的光能再次转换为电能，输送回电池管理系统的供电模块。基于这种思想，本发明实施例提供了一种基于光电转换的电池组均衡电路，参见图1，该电路包括：供电模块101、控制模块102、前端模拟采样模块103、电光转换电路模块104和光电转换模块105；所述供电模块101，与控制模块102连接，用于提供电源；所述控制模块102，与前端模拟采样模块103连接，用于接收前端模拟采样模块103采集的电池组信息，并根据电池组信息进行电池组均衡控制；所述前端模拟采样模块103，与电光转换电路模块104连接，用于采集电池组信息；所述电光转换电路模块104，与光电转换模块105连接，用于采用电光转换原理实现均衡操作；所述光电转换模块105，与供电模块101连接，用于接收电光转换电路模块104发出的光能，并转换为电能输送至供电模块101。
在上述电路实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述供电模块，包括：电源芯片、两个输入端和一个输出端；所述两个输入端中的一个输入端与光电转换模块连接，另一个输入端与电源相连，所述一个输入端的电能输入优先级，高于所述另一个输入端的电能输入优先级；所述一个输出端与控制模块连接。
在上述电路实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述控制模块，包括：主控MCU，根据电池组最高最低电压及有效标志位、电池组最高电压差及有效标志位、电池组最低温度及有效标志位、电池组平均温度及有效标志位、电池组最高温度差及有效标志位、PCBA板最高温度及有效标志位，进行电池组均衡控制。
在上述电路实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述前端模拟采样模块，包括：前端模拟采样芯片，用于采集电池组信息，所述电池组信息包括单体电芯电压、单体电芯温度及PCBA板温度。
在上述电路实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述电光转换电路模块，包括：若干发光二极管，与若干开关元件一一对应连接；所述若干开关元件，与若干串单体电芯一一对应，若对所述若干串单体电芯中的一串单体电芯进行均衡，则闭合与所述一串单体电芯对应的一开关元件。
在上述电路实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡电路，所述光电转换模块，包括：光伏板及电压转换模块。所述光伏板置于PCBA板外壳内表面，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能输送至电压转换模块；所述电压转换模块用于将光电转换得到的电压转换为稳定的12V电压，再输送至供电模块。
基于光电转换的电池组均衡电路还可以参见图2。图2中，前端模拟采样模块，包括前端模拟采样芯片，主要负责电池组详细电池参数信息(如单体电芯电压、温度及PCBA板上温度等)的采集。微控制器(即控制模块)，包括主控MCU，主要接收来自前端模拟采样模块采集的详细电池信息，并进行计算。根据计算结果，结合电池系统主要工作状态信息执行各种管理控制策略。其中，均衡过程执行的策略主要考虑电池组最高最低电压、电池组最高电压差、电池组最低温度、电池组平均温度、电池组最高温度差以及PCBA板上最高温度等参数以及上述各参数的有效标志位。电光转换电路模块包括LED元件。LEDn(即LED1至LEDn中的任一LED)与开关元件Sn(即S1至Sn中的任一S)相连，LEDn的开启/关闭动作受微控制器控制。微控制器通过计算并判断电池组(图2中的B1至Bn,每个B即单体电芯，与LED和S一一对应)当前实际状态，执行均衡管理功能。当需要对某一串单体电芯进行均衡开启操作时，则驱动相应的电路闭合该单体电芯对应的Sn开关元件，进行均衡。反之则断开相应的开关元件。图2所示的S1等开关元件仅为原理示意，在实际运用中，该开关元件较多集成在前端模拟采样模块中。光电转换模块，包括光伏板及电压转换模块。光伏板置于PCBA板外壳内表面。电压转换模块将光电转换得到的电压转换为稳定的12V电压，输出端与供电模块的供电接口相连。该模块主要负责将均衡开启时LED元件辐射出的光能转换为电能，并输送给供电模块，完成光电转换功能。供电模块，包括电源芯片及供电接口等。该模块具备两个输入端和一个输出端，一个输入端与光电转换模块相连，一个输入端与传统电源相连，输出端与微控制器相连。主要负责整个电池管理系统的供电功能。该模块具备两输入端实时竞争功能，能优先使用光电转换模块输入的电能，从而节省传统电源输入接口的功耗。
本发明实施例还提供了一种基于光电转换的电池组均衡方法，由前述的各个基于光电转换的电池组均衡电路实现，参见图3，该方法包括：
301、若达到解除禁止均衡预设条件，且最低单体电芯电压小于最低电压均衡禁止阈值，则禁止均衡；
302、若最低单体电芯电压大于最低电压均衡禁止阈值，小于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对达到最高电压均衡允许阈值的单体电芯进行均衡，对达到最高电压均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对电压值在最高电压均衡允许阈值与最高电压均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变；
303、若最低单体电芯电压大于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对与最低单体电芯电压的差值达到最高单体电芯电压差均衡允许阈值的单体电芯，进行均衡，对差值达到最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对差值在最高单体电芯电压差均衡允许阈值，与最高单体电芯电压差均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述若达到解除禁止均衡预设条件，相应地，所述禁止均衡预设条件，包括：若电池组最低温度达到电池组最低温度阈值，则禁止均衡；若电池组最高温度差达到电池组最高温度差阈值，则禁止均衡；若PCBA板上最高温度达到PCBA最高温度阈值，则禁止均衡。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述电池组最低温度阈值的范围为5至15摄氏度(具体可以为10摄氏度)；所述电池组最高温度差阈值的范围为2至8摄氏度(具体可以为5摄氏度)；所述PCBA最高温度阈值的范围为50至100摄氏度(具体可以为80摄氏度)。
在上述方法实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于光电转换的电池组均衡方法，所述最低电压均衡禁止阈值的范围为2300至2800毫伏(具体可以为2500毫伏)；所述最低电压均衡允许阈值的范围为3800至4200毫伏(具体可以为4000毫伏或4010毫伏)；所述最高电压均衡禁止阈值的范围为3800至4200毫伏(具体可以为4015毫伏或4025毫伏)；所述最高电压均衡允许阈值的范围为3850至4250毫伏(具体可以为4025毫伏或4035毫伏)；所述最高单体电芯电压差均衡允许阈值的范围为15至30毫伏(具体可以为20毫伏)；所述最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的范围为5至20毫伏(具体可以为10毫伏)。
本发明实施例提供的基于光电转换的电池组均衡电路及均衡方法，通过在电路中加入电光转换电路模块，可以减少能量消耗，解决了导热硅胶老化导致的均衡散热量较低的问题，降低了电路的均衡功率衰减速度，提高了电路均衡的效率。
由于采用电光转换的方式，减少了均衡过程中电阻发热量，PCBA板上温度维持在较均匀的范围，PCBA板上温度过高的禁止均衡预设条件触发几率较低，可实现长期大电流均衡，均衡效率高。此外，由于电能直接转换为光能，通过辐射方式传递，因此超过80％的能量直接射到外壳上，并且不需要用于将热量导出到外壳的导热硅胶，因此在整个电池系统的生命周期内均衡功率衰减较小。此外，增加了光电转换模块，通过光电转换的形式回收了之前消耗能量中的10％，一定程度上降低了能量损失，节约了能量。
在本专利中，术语"包括"、"包含"或者其任何其它变体意在涵盖非排它性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括……"限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，包括：
供电模块、控制模块、前端模拟采样模块、电光转换电路模块和光电转换模块；
所述供电模块，与控制模块连接，用于提供电源；
所述控制模块，与前端模拟采样模块连接，用于接收前端模拟采样模块采集的电池组信息，并根据电池组信息进行电池组均衡控制；
所述前端模拟采样模块，与电光转换电路模块连接，用于采集电池组信息；
所述电光转换电路模块，与光电转换模块连接，用于采用电光转换原理实现均衡操作；
所述光电转换模块，与供电模块连接，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能输送至供电模块。
2.根据权利要求1所述的基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，所述供电模块，包括：
电源芯片、两个输入端和一个输出端；
所述两个输入端中的一个输入端与光电转换模块连接，另一个输入端与电源相连，所述一个输入端的电能输入优先级，高于所述另一个输入端的电能输入优先级；
所述一个输出端与控制模块连接。
3.根据权利要求1所述的基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，所述控制模块，包括：
主控MCU，根据电池组最高最低电压及有效标志位、电池组最高电压差及有效标志位、电池组最低温度及有效标志位、电池组平均温度及有效标志位、电池组最高温度差及有效标志位、PCBA板最高温度及有效标志位，进行电池组均衡控制。
4.根据权利要求1所述的基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，所述前端模拟采样模块，包括：
前端模拟采样芯片，用于采集电池组信息，所述电池组信息包括单体电芯电压、单体电芯温度及PCBA板温度。
5.根据权利要求1所述的基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，所述电光转换电路模块，包括：
若干发光二极管，与若干开关元件一一对应连接；所述若干开关元件，与若干串单体电芯一一对应，若对所述若干串单体电芯中的一串单体电芯进行均衡，则闭合与所述一串单体电芯对应的一开关元件。
6.根据权利要求1所述的基于光电转换的电池组均衡电路，其特征在于，所述光电转换模块，包括：
光伏板，所述光伏板置于PCBA板外壳内表面，用于接收电光转换电路模块发出的光能，并转换为电能；
电压转换模块，用于将光电转换得到的电压转换为稳定的12V电压，再输送至供电模块。
7.一种基于光电转换的电池组均衡方法，所述方法由权利要求1至6任一权利要求所述的基于光电转换的电池组均衡电路实现，其特征在于，包括：
若达到解除禁止均衡预设条件，且最低单体电芯电压小于最低电压均衡禁止阈值，则禁止均衡；
若最低单体电芯电压大于最低电压均衡禁止阈值，小于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对达到最高电压均衡允许阈值的单体电芯进行均衡，对达到最高电压均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对电压值在最高电压均衡允许阈值与最高电压均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变；
若最低单体电芯电压大于最低电压均衡允许阈值，则所述控制模块控制所述电光转换电路模块，对与最低单体电芯电压的差值达到最高单体电芯电压差均衡允许阈值的单体电芯，进行均衡，对差值达到最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的单体电芯关闭均衡，对差值在最高单体电芯电压差均衡允许阈值，与最高单体电芯电压差均衡禁止阈值之间的单体电芯，维持当前状态不变。
8.根据权利要求7所述的基于光电转换的电池组均衡方法，其特征在于，所述若达到解除禁止均衡预设条件，相应地，所述禁止均衡预设条件，包括：
若电池组最低温度达到电池组最低温度阈值，则禁止均衡；
若电池组最高温度差达到电池组最高温度差阈值，则禁止均衡；
若PCBA板上最高温度达到PCBA最高温度阈值，则禁止均衡。
9.根据权利要求8所述的基于光电转换的电池组均衡方法，其特征在于，所述电池组最低温度阈值的范围为5至15摄氏度；所述电池组最高温度差阈值的范围为2至8摄氏度；所述PCBA最高温度阈值的范围为50至100摄氏度。
10.根据权利要求7所述的基于光电转换的电池组均衡方法，其特征在于，所述最低电压均衡禁止阈值的范围为2300至2800毫伏；所述最低电压均衡允许阈值的范围为3800至4200毫伏；所述最高电压均衡禁止阈值的范围为3800至4200毫伏；所述最高电压均衡允许阈值的范围为3850至4250毫伏；所述最高单体电芯电压差均衡允许阈值的范围为15至30毫伏；所述最高单体电芯电压差均衡禁止阈值的范围为5至20毫伏。
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