CN111326805A - 基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路与均衡管理电路 - Google Patents

基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路与均衡管理电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路与均衡管理电路，包括2n个单体电池串联形成的电源，n为层级总数；第i层级中，2i‑1个相邻的单体电池作为一个电池单元，两两相邻的电池单元为一组，每组电池单元采用模拟采样放大电路获取电压差采样信号，根据电压差采样信号判断是否均衡；模拟采样放大电路中，第一前置放大电路获取近地电池单元总电压的1/2n‑1为采样电压，第二前置放大电路获取两个串联电池单元总电压的1/2n为采样电压；采样电压以相同的放大系数放大并输入差分电路得到电压差采样信号。均衡管理电路利用均衡判断电路判断出同组电池单元之间不均衡时，控制均衡电路对同组电池单元进行均衡。本发明采样、均衡速度快，精度高，可扩展性强。

Description

基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路与均衡管理电路
技术领域
本发明涉及锂电均衡技术领域，具体涉及对串联电池组的均衡技术领域。
背景技术
如今，随着全球能源危机不断加剧，人们的环保意识逐渐增强，对于能源污染与排放问题愈加关心。在汽车领域，电动汽车由于其节能高效，低噪声，零排放的特点成为了目前研究的主要趋势。而电池组是电动汽车中必不可少的重要组成部分，在对其研究的过程中，像铅酸电池，镍氢电池和锂离子电池等不同的电池被应用在电动汽车上，其中锂电池由于其体积小、重量轻、自放电率低、能量密度高等优点逐渐成为最具有发展前景的研究对象，但是由于锂电池生产过程以及制造工艺的复杂性，同一批次的单体锂电池性能都会出现不一致性，从而在串联电池组应用中造成电池间不平衡的状况。并且，单体锂电池的这种不一致性在使用过程中会不断被放大，进而影响整个电池组的使用寿命和电动汽车的工作性能。
目前，在常见的锂电池均衡系统中，都需要对每节电池的电压进行数据采集并通过通信总线输入到单片机中进行均衡处理。最常见的方法就是通过电阻分压得到采样电压直接输入单片机中，但受到单片机中ADC输入内阻的影响，使得电压检测偏差过大，从而导致采样精度低；另一种方法就是使用电压采集芯片进行数据收集，例如TI公司的BQ76930芯片、ADI公司的LTC6804和AD7606芯片，都可以较为精确地采集电池组中各串联电池的电压，但采样芯片价格昂贵，控制系统复杂，大大增加均衡管理系统的成本。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明提供了一种基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，能够快速进行电池均衡性判断，无需复杂的均衡性判断算法。本发明还提供一种分层式电池均衡管理电路，能够快速准确的进行均衡。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：包括由2n个单体电池串联形成的电源，n为正整数，并且n表示层级总数，i＝{1,2,...,n}；第i层级中，2i-1个相邻的单体电池作为一个电池单元，两两相邻的电池单元为一组，共形成2n-i组电池单元，每组电池单元均采用模拟采样放大电路获取同组电池单元之间的电压差采样信号V0,ij，下标ij表示第i层级中的第j组电池单元，并通过ADC转化器转化为数字信号输入给控制器；控制器根据对应的电压差采样信号判断对应同组电池单元之间是否均衡，若电压差采样信号与基准电压VREF之间的偏差大于偏差阈值，则表示同组电池单元之间不均衡；。
所述模拟采样放大电路，用于采集两个串联电池单元的电压差，其中一个电池单元的负极端为近参考地端，两个串联电池单元总共包括2n个串联连接的单体电池，并且每个电池单元由2n-1个单体电池组成，n为正整数；采样放大电路包括高分压电路与低分压电路，第一前置放大电路通过高分压电路获取近地电池单元总电压的1/2n-1作为采样电压，第二前置放大电路通过低分压电路获取两个串联电池单元总电压的1/2n作为采样电压；第一前置放大电路与第二前置放大电路以相同的放大系数G进行放大，再分别输入给差分电路的负输入端与正输入端，差分电路运算后输出电压差采样信号V0。
进一步的，差分电路的正输入端同时通过电压跟随电路获取基准电压VREF；差分电路运算后输出两个串联电池单元之间的电压差采样信号V0，V0＝ΔV/2n+VREF，ΔV表示两个串联电池单元之间的电压差。
进一步的，若电压差采样信号V0＞VREF+Δv，Δv表示偏差阈值，则表示ΔV＞0，并且远地电池单元的电压大于近地电池单元的电压；若电压差采样信号V0＜VREF+Δv，则表示ΔV＜0，并且远地电池单元的电压小于近地电池单元的电压。
本发明还提供一种分层式电池均衡管理电路，采样本发明的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，每一层级中每组电池单元均连接有相应的均衡电路，每个均衡电路均由的控制器进行控制；当控制器判断出同组电池单元之间不均衡时，则控制均衡电路对同组电池单元进行均衡。
进一步的，均衡电路包括无损储能元件以及与同组电池单元串联的两个开关，无损储能元件两端分别连接在同组的两个电池单元之间以及两个开关之间，两个开关由控制器控制通断，从而能够将电压高的电池单元的电量转移到电压低的电池单元中，直到两个同组电池单元的之间的电压差小于电压差阈值。
与现有技术相比，本发明具有的优点包括：
1、现有技术中分压电路直接将电压差通过ADC输入给控制器，但是控制器中的内阻较小，而分压电阻的阻值比较大，分压电阻与控制器的内阻形成并联，那么内阻分得较大电流，分压电阻对控制器的输入电流大大降低，从而严重影响采样精度。然而，本发明的采样放大电路中，采样电压通过运算放大电路以及差分电路与控制器之间进行隔离，差分电路(主要由运算放大器构成，运算放大器的输入阻抗较高，输出阻抗较小)的输出阻抗较小，ADC内阻也较小，内阻与输出阻抗并联后，差分电路对控制器的输入电流降受到的影响较小，因此能够提高采样精度。
2、本发明的采样放大电路为模拟电路，采集的电压差采样信号为模拟信号，响应速度快，不需要复杂的算法，能够大大提高采样速度。
3、叠加基准电压，能够使得电压差采样信号满足ADC的输入范围。
4、本发明的分层式电池均衡判断电路，能够快速准确的判断出电池单元之间的均衡性：利用本发明的采样放大电路获得了较高的采样精度与采样速度，同时没有复杂的运算过程，只需比较电压差采样信号与基准电压。
5、本发明的分层式电池均衡电路具有极强的可扩展性，通过单体电池的增加来扩展容量，随着单体电池数量的增加，增加相应的层级就能实现均衡，通过逐层均衡，最终就能实现全部单体电池的均衡，而且由于不需要复杂的算法，主要依赖模拟电路实现，均衡速度快。
附图说明
图1为针对两个单体电池组成的两个串联电池单元时的模拟采样放大电路；
图2为针对四个单体电池组成的两个串联电池单元时的模拟采样放大电路；
图3为基于模拟采样的分层式电池均衡电路的原理框图；
图4为分层式电池均衡管理电路的电路结构示意图。
具体实施方式
一种模拟采样放大电路，用于采集两个串联电池单元的电压差，其中一个电池单元的负极端接参考地，两个串联电池单元总共包括2n个串联连接的单体电池，并且每个电池单元由2n-1个单体电池组成，n为正整数；采样放大电路包括高分压电路与低分压电路，第一前置放大电路通过高分压电路获取近地电池单元总电压(相对于参考地)的1/2n-1作为采样电压，第二前置放大电路通过低分压电路获取两个串联电池单元总电压(相对于参考地)的1/2n作为采样电压；第一前置放大电路与第二前置放大电路以相同的放大系数G进行放大，再分别输入给差分电路的负输入端与正输入端，差分电路运算后输出电压差采样信号V0。
参考图1所示，放大系数
Figure BDA0002413008100000041
图2中，B1与B2为同组电池单元，B1相对于B2为近地电池单元。B3与B4为同组电池单元，B3相对于B4为近地电池单元。
为了满足ADC的电压输入范围(一般为0～3.3V)，则在差分电路的正输入端同时通过电压跟随电路获取基准电压VREF；差分电路运算后输出两个串联电池单元之间的电压差采样信号V0，V0＝ΔV/2n+VREF，ΔV表示两个串联电池单元之间的电压差，ΔV一般很小，放大后一般也只有几十毫伏，因此，电压差采样信号V0始终大于0，能满足ADC的电压输入范围，基准电压VREF小于3.3伏即可。
差分电路与电压跟随电路均采用运算放大器与相应的电阻构成，其原理在此不再赘述，参考图1与图2所示。
低分压电路包括串联连接的第一低分压电阻与第二低分压电阻，分压电阻与接地电阻的分压比r1＝2n-1，并与两个串联电池单元形成回路；第二低分压电阻的一端与近地电池单元共地，第二低分压电阻另一端与第一低分压电阻的一端连接，第一低分压电阻另一端与远地电池单元的正极端连接；第一前置放大电路从第一低分压电阻与第二低分压电阻之间获取采样电压，从而能够获取两个串联电池单元总电压的1/2n作为采样电压。
当n≥2时，高分压电路包括串联连接的第一高分压电阻与第二高分压电阻，第一高分压电阻与第二高分压电阻的分压比r2＝2n-1-1，并与两个串联电池单元形成回路；第二高分压电阻的一端与近地电池单元共地，第二高分压电阻另一端与第一高分压电阻的一端连接，第一高分压电阻另一端与近地电池单元的正极端连接；第二前置放大电路从第一高分压电阻与第二高分压电阻之间获取采样电压，从而能够获取近地电池单元总电压的1/2n -1作为采样电压。
参考图1所示，当n＝1时，两个串联电池单元总共包括2个串联连接的单体电池B2、B1，每个电池单元由1个单体电池组成；第一前置放大器直接从两个单体电池之间获取采样电压Vi1，从而能够获取近地电池单元总电压作为采样电压。
低分压电路包括串联连接的第一低分压电阻R1与第二低分压电阻R2，第一低分压电阻R1与第二低分压电阻R2的分压比r1＝1/2，并与两个串联电池单元形成回路；第二低分压电阻的一端与近地电池单元B1共地，第二低分压电阻另一端与第一低分压电阻的一端连接，第一低分压电阻另一端与远地电池单元B2的正极端连接；第二前置放大电路从第一低分压电阻与第二低分压电阻之间获取采样电压Vi2，从而能够获取两个串联电池单元总电压的1/2作为采样电压。
参考图2所示，当n≥2时，高分压电路包括串联连接的第一高分压电阻R23与第二高分压电阻R23，第一高分压电阻R23与第二高分压电阻R23的分压比r2＝1，并与两个串联电池单元形成回路；第二高分压电阻的一端与近地电池单元共地，第二高分压电阻另一端与第一高分压电阻的一端连接，第一高分压电阻另一端与近地电池单元的正极端连接；第二前置放大电路从第一高分压电阻与第二高分压电阻之间获取采样电压Vi12，从而能够获取近地电池单元总电压的1/2作为采样电压。
低分压电路包括串联连接的第一低分压电阻R21与第二低分压电阻R22，第一低分压电阻R21与第二低分压电阻R22的分压比r1＝1/3，并与4个串联电池单元B1、B2、B3、B4形成回路；第二低分压电阻的一端与近地电池单元中的B1共地，第二低分压电阻另一端与第一低分压电阻的一端连接，第一低分压电阻另一端与远地电池单元中的B4的正极端连接；第一前置放大电路从第一低分压电阻与第二低分压电阻之间获取采样电压Vi34，从而能够获取4个串联电池单元总电压的1/4作为采样电压。
参考图3与图4所示，一种基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，包括由2n个单体电池串联形成的电源，n为正整数，并且n表示层级总数，i＝{1,2,...,n}；第i层级中，2i-1个相邻的单体电池作为一个电池单元，两两相邻的电池单元为一组，共形成2n-i组电池单元，每组电池单元均采用本具体实施方式中的模拟采样放大电路来获取同组电池单元之间的电压差采样信号V0,ij，下标ij表示第i层级中的第j组电池单元，并通过ADC转化器转化为数字信号输入给控制器；控制器根据对应的电压差采样信号判断对应同组电池单元之间是否均衡，若电压差采样信号与基准电压VREF之间的偏差大于偏差阈值，则表示同组电池单元之间不均衡。
每一层级中的每组电池单元均设有相应的控制器，这样使得均衡性判断更加迅速。当然，也同一层级也可以共用同一控制器(时分复用)，尤其是同一层级中电池单元组数较少的情况。
若电压差采样信号V0＞VREF+Δv，Δv表示偏差阈值，则表示ΔV＞0，并且远地电池单元的电压大于近地电池单元的电压；若电压差采样信号V0＜VREF+Δv，则表示ΔV＜0，并且远地电池单元的电压小于近地电池单元的电压。
一种分层式电池均衡管理电路，采用本具体实施方式中的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，每一层级中每组电池单元均连接有相应的均衡电路，每个均衡电路均由控制器进行控制；当控制器判断出同组电池单元之间不均衡时，则控制均衡电路对同组电池单元进行均衡。
控制器可采用单片机，单片机所需的3.3V以及运放所需的5V电压可以通过以下方式获得：
(1)采集两个单体电池的电压值，通过低压差稳压器LP5985转换成5V，用于运放芯片供电。
(2)采集5V电压值，通过低压差线性稳压器LM1117转换成3.3V，用于单片机供电。
均衡电路包括无损储能元件以及与同组电池单元串联的两个开关，无损储能元件(电容、电感或LC串联电路)两端分别连接在同组的两个电池单元之间以及两个开关之间，两个开关由控制器控制通断，从而能够将电压高的电池单元的电量转移到电压低的电池单元中，直到两个同组电池单元的之间的电压差小于电压差阈值。
参考图4所示，若第一层级中的第一个电池单元组由Cell1与Cell2(远地电池单元)串联而成，Cell1接地(近地电池单元)，对应的均衡电路包括无损储能元件L1-12、开关SW1-12、开关SW1-21。当电压差采样信号V0＞VREF时，Cell2的电压大于Cell1，控制开关SW1-12断开，开关SW1-21导通，Cell2对无损储能元件L1-12进行充电，然后控制开关SW1-12导通，开关SW1-21断开，无损储能元件L1-12对Cell1充电，无损储能元件L1-12的充放电过程交替进行，直到串联电池单元之间的电压差ΔV在电压差阈值范围内，如电压差ΔV小于等于2mV，开关SW1-12与开关SW1-21断开，均衡过程结束。

Claims (9)

1.一种基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：包括由2n个单体电池串联形成的电源，n为正整数，并且n表示层级总数，i＝{1,2,...,n}；第i层级中，2i-1个相邻的单体电池作为一个电池单元，两两相邻的电池单元为一组，共形成2n-i组电池单元，每组电池单元均采用模拟采样放大电路获取同组电池单元之间的电压差采样信号V0,ij，下标ij表示第i层级中的第j组电池单元，并通过ADC转化器转化为数字信号输入给控制器；控制器根据对应的电压差采样信号判断对应同组电池单元之间是否均衡，若电压差采样信号与基准电压VREF之间的偏差大于偏差阈值，则表示同组电池单元之间不均衡；。
所述模拟采样放大电路，用于采集两个串联电池单元的电压差，其中一个电池单元的负极端为近参考地端，两个串联电池单元总共包括2n个串联连接的单体电池，并且每个电池单元由2n-1个单体电池组成，n为正整数；采样放大电路包括高分压电路与低分压电路，第一前置放大电路通过高分压电路获取近地电池单元总电压的1/2n-1作为采样电压，第二前置放大电路通过低分压电路获取两个串联电池单元总电压的1/2n作为采样电压；第一前置放大电路与第二前置放大电路以相同的放大系数G进行放大，再分别输入给差分电路的负输入端与正输入端，差分电路运算后输出电压差采样信号V0。
2.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：模拟采样放大电路中的差分电路的正输入端同时通过电压跟随电路获取基准电压VREF；差分电路运算后输出两个串联电池单元之间的电压差采样信号V0，V0＝ΔV/2n+VREF，ΔV表示两个串联电池单元之间的电压差。
3.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：低分压电路包括串联连接的第一低分压电阻与第二第一低分压电阻，第一低分压电阻与第二第一低分压电阻的分压比r1＝2n-1，并与两个串联电池单元形成回路；第二第一低分压电阻的一端与近地电池单元的负极端连接，第二第一低分压电阻的另一端与第一低分压电阻的一端连接，第一低分压电阻的另一端与远地电池单元的正极端连接；第二前置放大电路从第一低分压电阻与第二低分压电阻之间获取采样电压，从而能够获取两个串联电池单元总电压的1/2n作为采样电压。
4.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：当n＝1时，两个串联电池单元总共包括2个串联连接的单体电池，每个电池单元由1个单体电池组成；第一前置放大器直接从两个单体电池之间获取采样电压，从而能够获取近地电池单元总电压作为采样电压。
5.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：当n≥2时，高分压电路包括串联连接的第一高分压电阻与第二高分压电阻，第一高分压电阻与第二高分压电阻的分压比r2＝2n-1-1，并与两个串联电池单元形成回路；第二高分压电阻的一端与近地电池单元的负极端连接，第二高分压电阻另一端与第一高分压电阻的一端连接，第一高分压电阻另一端与近地电池单元的正极端连接；第一前置放大电路从第一高分压电阻与第二高分压电阻之间获取采样电压，从而能够获取近地电池单元总电压的1/2n-1作为采样电压。
6.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：若电压差采样信号V0＞VREF+Δv，Δv表示偏差阈值，则表示ΔV＞0，并且远地电池单元的电压大于近地电池单元的电压；若电压差采样信号V0＜VREF+Δv，则表示ΔV＜0，并且远地电池单元的电压小于近地电池单元的电压。
7.根据权利要求1所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，其特征在于：每一层级中的每组电池单元均设有相应的控制器。
8.一种分层式电池均衡管理电路，其特征在于：采用如权利要求1～7中任一所述的基于模拟采样的分层式电池均衡判断电路，每一层级中每组电池单元均连接有相应的均衡电路，每个均衡电路均由控制器进行控制；当控制器判断出同组电池单元之间不均衡时，则控制均衡电路对同组电池单元进行均衡。
9.根据权利要求所述的分层式电池均衡管理电路，其特征在于：均衡电路包括无损储能元件以及与同组电池单元串联的两个开关，无损储能元件两端分别连接在同组的两个电池单元之间以及两个开关之间，两个开关由控制器控制通断，从而能够将电压高的电池单元的电量转移到电压低的电池单元中，直到两个同组电池单元的之间的电压差小于在电压差阈值范围内。
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