CN112165138A - 一种电池管理系统的主动均衡控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池管理系统的主动均衡控制系统，属于电池均衡技术领域，包括主控制模块、电池组温度和每节电压监测模块、主动均衡开关阵列模块、主动均衡电源模块、主动均衡电流及地电位检测模块、主动均衡电流控制模块；本发明可以对电池组中的每节电池进行主动均衡充电控制，从而可以大幅度提高电池组的使用与充电效率，延长电池组寿命；其次，通过对主动均衡开关阵列浮地电压的检测和均衡输出电压、电流的监测，能够实现主动均衡开关阵列的自检，及时发现主动均衡开关阵列中的短路故障开关。

Description

一种电池管理系统的主动均衡控制系统
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，涉及一种电池管理系统的主动均衡控制系统。
背景技术
电池管理系统(BMS，BatteryManagement System)是电动汽车和储能系统的重要组成部分。其作用是对锂电池电压、电流、容量等多种参数进行信息交换，确保电池能量发挥到极致。
电池在制造过程中，由于工艺问题和材质的不均匀，使得电池极板厚度、微孔滤、活性物质的活化程度等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，使得同一批次出厂的同一型号的电池的容量、内阻和电压等参数不可能完全相同。另外在装车使用时，由于电池中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。
BMS均衡分为被动均衡和主动均衡。主动均衡是能量转移式，将单体能量最高的转移到单体能量最低的，或者整组能量补充大单体最低的电池。传统的主动均衡模式飞度电容方案均衡效率有限；储能电感方案只能在相邻两节之间转移能量；DC/DC单向均衡性能有限，而DC/DC双向均衡，成本高，结构复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于充电电流动态调整方法的主动电池均衡控制系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电池管理系统的主动均衡控制系统，包括主控制模块、电池组温度和每节电压监测模块、主动均衡开关阵列模块、主动均衡电源模块、主动均衡电流及地电位检测模块、主动均衡电流控制模块；
所述主控制模块用于向各模块发送控制信号，控制各模块工作，并接收各模块返回的数据；
所述电池组温度和每节电压监测模块接收主控制模块的控制信号，获得电池组的工作温度和每节电池的电压；
所述主动均衡开关阵列用于接收主控制模块的控制信号，通过控制主动均衡开关阵列中的相应开关把待主动均衡充电的电池接入到主动均衡充电回路中，并用指示灯指示正在被主动均衡充电的电池；
所述主动均衡电源模块用于为待主动均衡充电的电池进行主动均衡充电；
所述主动均衡电流及地电位检测模块用于检测被主动均衡充电电池的主动均衡充电电流，并将检测结果反馈给主控制模块；
所述主动均衡电流控制模块用于将主控制器的DAC输出控制信号进行光电隔离、差分放大处理，为主动均衡电源提供充电电流控制信号。
进一步，工作前对主动均衡开关阵列中的每个开关进行自检，自检步骤如下：
1)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源地的开关是否短路损坏及位置定位：
1.1)主控制器关闭主动均衡开关阵列，控制电子开关在主动均衡电源地和电池组地之间跨接一个10kΩ的电阻；
1.2)依次检测主动均衡电源的地电位相对于电池组地的电压差为ΔV，以及电池组第0～k号电池电压依次分别为V0，V1，……，Vk，其中V0靠近电池组的负极，Vk靠近电池组的正极；当ΔV≈0时，主动均衡开关阵列中，连接主动均衡电源地的开关没有损坏；如果当
Figure BDA0002711463100000021
0≤n≤k时，则判断主动均衡开关阵列中充电回路连接主动均衡电源地的第n号开关发生短路损坏；
2)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的开关是否短路损坏及位置定位：
2.1)主控制器控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压输出最低；
2.2)主控制器依次切换主动均衡开关阵列到第n号电池，0≤n≤k；
2.3)主控制器缓慢控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压逐步增加，当主动均衡电源模块的输出电压低于第n号电池，而有主动均衡电流输出时，则判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的第n-1号开关短路损坏。
进一步，所述主动均衡开关阵列包括多组二极管、MOSFET开关及指示灯，所述主控制器模块输出开关控制信号，经过译码器输出8路互斥的主动均衡开关阵列控制信号，经光电隔离输出后，得到唯一一组有效的开关控制信号，再通过一个三极管得到另一个互补控制信号，这一对互补信号控制主动均衡开关阵列中相应的一组MOSFET开关导通，接通电池组中待主动均衡充电的电池到主动均衡充电回路中；
所述主动均衡开关阵列通过二极管对主动均衡充电电流方向进行控制，当被主动均衡充电的电池进入均衡充电状态时，相应的均衡充电状态指示灯亮，其他未被主动均衡充电控制电池对应的指示灯灭。
进一步，所述主控制模块控制主动均衡开关阵列，将电池组中电压最低的电池接入主动均衡网络，当被主动均衡充电的电池电压达到或等于电池组内电压最高的电池电压时，主控制模块继续搜寻电池组中电压最低的电池，控制主动均衡开关阵列进行切换，将电池组中电压最低的电池接入到主动均衡充电控制电路中，直到把电池组中所有电池之间的电压偏差均衡到±1％偏差以内后，停止主动均衡充电过程。
进一步，所述主控制模块通过开关切换选择主动均衡电源模块供电或外部充电电源供电。
进一步，所述所述主动均衡电流及地电位检测模块包括霍尔传感器和差分放大电路。
进一步，所述主动均衡电流控制模块包括模拟光电耦合器件和差分放大电路。
本发明的有益效果在于：本发明可以对电池组中的每节电池进行主动均衡充电控制，从而可以大幅度提高电池组的使用与充电效率，延长电池寿命；其次，通过对主动均衡开关阵列浮地电压的检测和均衡输出电压、电流的监测，能够实现主动均衡开关阵列的自检，及时发现主动均衡开关阵列中的短路故障开关。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1本发明电池管理系统(BMS)的主动均衡控制系统框图；
图2本发明主动均衡开关阵列及其控制信号原理示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1、图2所示，为一种电池管理系统的主动均衡控制系统，包括主控制模块、电池组温度和每节电压监测模块、主动均衡开关阵列模块、主动均衡电源模块、主动均衡电流及地电位检测模块、主动均衡电流控制模块；
所述主控制模块用于向各模块发送控制信号，控制各模块工作，并接收各模块返回的数据；
所述电池组温度和每节电压监测模块接收主控制模块的控制信号，获得电池组的工作温度和每节电池的电压；
所述主动均衡开关阵列用于接收主控制模块的控制信号，通过控制主动均衡开关阵列中的相应开关把待主动均衡充电的电池接入到主动均衡充电回路中，并用指示灯指示正在被主动均衡充电的电池；
所述主动均衡电源模块用于为待主动均衡充电的电池进行主动均衡充电；
所述主动均衡电流及地电位检测模块用于检测被主动均衡充电电池的主动均衡充电电流，并将检测结果反馈给主控制模块；
所述主动均衡电流控制模块用于将主控制器的DAC输出控制信号进行光电隔离、差分放大处理，为主动均衡电源提供充电电流控制信号。
可选地，工作前对主动均衡开关阵列中的每个开关进行自检，自检步骤如下：
1)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源地的开关是否短路损坏及位置定位：
1.1)主控制器关闭主动均衡开关阵列，控制电子开关在主动均衡电源地和电池组地之间跨接一个10kΩ的电阻；
1.2)依次检测主动均衡电源的地电位相对于电池组地的电压差为ΔV，以及电池组第0～k号电池电压依次分别为V0，V1，……，Vk，其中V0靠近电池组的负极，Vk靠近电池组的正极；当ΔV≈0时，主动均衡开关阵列中，连接主动均衡电源地的开关没有损坏；如果当
Figure BDA0002711463100000051
0≤n≤k时，则判断主动均衡开关阵列中充电回路连接主动均衡电源地的第n号开关发生短路损坏；
2)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的开关是否短路损坏及位置定位：
2.1)主控制器控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压输出最低；
2.2)主控制器依次切换主动均衡开关阵列到第n号电池，0≤n≤k；
2.3)主控制器缓慢控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压逐步增加，当主动均衡电源模块的输出电压低于第n号电池，而有主动均衡电流输出时，则判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的第n-1号开关短路损坏。
可选地，所述主动均衡开关阵列包括多组二极管、MOSFET开关及指示灯，所述主控制器模块输出开关控制信号，经过译码器输出8路互斥的主动均衡开关阵列控制信号，经光电隔离输出后，得到唯一一组有效的开关控制信号，再通过一个三极管得到另一个互补控制信号，这一对互补信号控制主动均衡开关阵列中相应的一组MOSFET开关导通，接通电池组中待主动均衡充电的电池到主动均衡充电回路中；
所述主动均衡开关阵列通过二极管对主动均衡充电电流方向进行控制，当被主动均衡充电的电池进入均衡充电状态时，相应的均衡充电状态指示灯亮，其他未被主动均衡充电控制电池对应的指示灯灭。
可选地，所述主控制模块控制主动均衡开关阵列，将电池组中电压最低的电池接入主动均衡网络，当被主动均衡充电的电池电压达到或等于电池组内电压最高的电池电压时，主控制模块继续搜寻电池组中电压最低的电池，控制主动均衡开关阵列进行切换，将电池组中电压最低的电池接入到主动均衡充电控制电路中，直到把电池组中所有电池之间的电压偏差均衡到±1％偏差以内，停止均衡充电过程。
可选地，所述主控制模块通过开关切换选择主动均衡电源模块供电或外部充电电源供电。
可选地，所述所述主动均衡电流及地电位检测模块包括霍尔传感器和差分放大电路。
可选地，所述主动均衡电流控制模块包括模拟光电耦合器件和差分放大电路。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：包括主控制模块、电池组温度和每节电压监测模块、主动均衡开关阵列模块、主动均衡电源模块、主动均衡电流及地电位检测模块、主动均衡电流控制模块；
所述主控制模块用于向各模块发送控制信号，控制各模块工作，并接收各模块返回的数据；
所述电池组温度和每节电压监测模块接收主控制模块的控制信号，获得电池组的工作温度和每节电池的电压；
所述主动均衡开关阵列用于接收主控制模块的控制信号，通过控制主动均衡开关阵列中的相应开关把待主动均衡充电的电池接入到主动均衡充电回路中，并用指示灯指示正在被主动均衡充电的电池；
所述主动均衡电源模块用于为待主动均衡充电的电池提供电源；
所述主动均衡电流及地电位检测模块用于检测被主动均衡充电电池的主动均衡充电电流，并将均衡充电电源的地电位检测结果反馈给主控制模块；
所述主动均衡电流控制模块用于将主控制器的DAC输出控制信号进行光电隔离、差分放大后，控制主动均衡电源输出主动均衡电流大小。
2.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：工作前对主动均衡开关阵列中的每个开关进行自检，自检步骤如下：
1)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源地的开关是否短路损坏及位置定位：
1.1)主控制器关闭主动均衡开关阵列，控制电子开关在主动均衡电源地和电池组地之间跨接一个10kΩ的电阻；
1.2)检测主动均衡电源的地电位相对于电池组地的电压差为ΔV，以及电池组第0～k号电池电压依次分别为V0，V1，……，Vk，其中V0靠近电池组的负极，Vk靠近电池组的正极；当ΔV≈0时，主动均衡开关阵列中，连接主动均衡电源地的开关没有损坏；如果当
Figure FDA0002711463090000011
0≤n≤k时，则判断主动均衡开关阵列中充电回路连接主动均衡电源地的第n号开关发生短路损坏；
2)判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的开关是否短路损坏及位置定位：
2.1)主控制器控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压输出最低；
2.2)主控制器依次切换主动均衡开关阵列到第n号电池，0≤n≤k；
2.3)主控制器缓慢控制DAC模拟信号输出，使得主动均衡电源模块的电压逐步增加，当主动均衡电源模块的输出电压低于第n号电池电压，而有主动均衡电流输出时，则判断主动均衡开关阵列中连接主动均衡电源正极的第n-1号开关短路损坏。
3.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：所述主动均衡开关阵列包括多组二极管、MOSFET开关及指示灯，所述主控制器模块输出开关控制信号，经过译码器输出8路互斥的主动均衡开关阵列控制信号，经光电隔离输出后，得到唯一一组有效的开关控制信号，再通过一个三极管得到另一个互补控制信号，这一对互补信号控制主动均衡开关阵列中相应的一组MOSFET开关导通，接通电池组中待主动均衡充电的电池到主动均衡充电回路中；
所述主动均衡开关阵列通过二极管对主动均衡充电电流方向进行控制，当被主动均衡充电的电池进入均衡充电状态时，相应的均衡充电状态指示灯亮，其他未被主动均衡充电控制电池对应的指示灯灭。
4.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：所述主控制模块控制主动均衡开关阵列，将电池组中电压最低的电池接入主动均衡网络，当被主动均衡充电的电池电压达到或等于电池组内电压最高的电池电压时，主控制模块继续搜寻电池组中电压最低的电池，控制主动均衡开关阵列进行切换，将电池组中电压最低的电池接入到主动均衡充电控制电路中，直到把电池组中所有电池之间的电压偏差均衡到±1％偏差以内后，停止主动均衡充电过程。
5.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：所述主控制模块通过开关切换选择主动均衡电源模块供电或外部充电电源供电。
6.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：所述主动均衡电流及地电位检测模块包括霍尔传感器和差分放大电路。
7.根据权利要求1所述的电池管理系统的主动均衡控制系统，其特征在于：所述主动均衡电流控制模块包括模拟光电耦合器件和差分放大电路。
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