CN112186852A - 一种船用bms被动均衡控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船用BMS被动均衡控制电路，包括：电压采集模块，将滤除纹波的电池组电压安全可靠传输至前端模块；单节电压采集模块，包括若干单节电压采集子模块，对电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块；前端模块，接收各单节电压采集子模块的电压采集输入，将获得模拟输入数字化后传输至主控模块，并根据主控模块传输均衡控制信号至均衡模块；主控模块，接收前端模块数字化的电压/电流采集数据，根据各单节电压采集子模块的采集结果产生均衡控制信号通过前端模块传输至均衡模块，以对电池组的单个电池单元进行均衡；均衡模块，包括多个均衡子模块，以分别在均衡控制信号的控制下对对应的单节电池进行均衡充放电。

Description

一种船用BMS被动均衡控制电路
技术领域
本发明涉及BMS(Battery Management System，电池管理系统)技术领域，特别是涉及一种船用BMS被动均衡控制电路。
背景技术
目前常用的磷酸铁锂电池均衡电路分两种：能量耗散型电路和非能量耗散型电路。能量耗散型电路较为简单，其通过电阻对单独一节电池进行功耗放电，从而将电池单元均衡至一致电压，但均衡时间长，存在被动自消耗电问题；非能量耗散型电路分为两种：一种是由储能元件(电感或电容)和控制开关组成，即电容c通过各级开关的通断，将存储电压较高的电池单体能量，再释放给电压较低的电池单体，另一种主要是应用DC-DC变换技术，控制电感、电容这些储能元件实现能量过渡，达到对单个电池单元补电或放电的目的，DC-DC变流器均衡的电路拓扑主要分为集中式和分布式两种，理论上讲没有损耗，均衡速度快，但电路复杂、设计复杂，安全性也有待确认。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种船用BMS被动均衡控制电路，以解决电芯充电时不一致的缺点，能够使不一致电池组整体充入更多的容量，同时也可以增加不一致电池组放电容量。
为达上述及其它目的，本发明提出一种船用BMS被动均衡控制电路，包括：
电压采集模块，用于将滤除纹波的电池组电压安全可靠传输至前端模块；
单节电压采集模块，包括若干单节电压采集子模块，用于对所述电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块；
前端模块，用于接收所述单节电压采集模块各单节电压采集子模块的电压采集输入，将获得模拟输入数字化后传输至主控模块，并根据主控模块传输均衡控制信号至均衡模块；
主控模块，用于接收所述前端模块数字化的电压/电流采集数据，根据单节电压采集模块各单节电压采集子模块对电池组的单节电池的电压的采集结果产生均衡控制信号通过所述前端模块传输至均衡模块，以对所述电池组的单个电池单元进行均衡；
均衡模块，包括多个均衡子模块，以分别在均衡控制信号的控制下对对应的单节电池进行均衡充放电。
优选地，所述单节电压采集模块包括若干单节电压采集子模块，以分别对电池组的各单节电池的电压进行采样，每个单节电压采集子模块均通过一采集电阻及滤波电容实现对应的单节电池电压的采集。
优选地，所述均衡模块包括若干均衡子模块，每个均衡子模块均包括限流电阻、PNP均衡三极管、偏置电阻、均衡开关管、均衡放电电阻、均衡显示发光二极管及发光二极管限流电阻，以实现在均衡控制信号的控制下对对应的单节电池进行均衡充放电。
优选地，第i单节电压采集子模块包括采集电阻(R(127-2i))及滤波电容(C(39+i))，第i均衡子模块包括限流电阻(R(128-2i))、PNP均衡三极管(Q(46-i))、偏置电阻(R(161-i))、均衡开关管(U(i))、均衡放电电阻(R(139-i))、均衡显示发光二极管(LED(15-i))以及发光二极管限流电阻(R(147-i))，所述采集电阻(R(127-2i))的一端、PNP均衡三极管(Q(46-i))的发射极、均衡放电电阻(R(139-i))的一端、发光二极管限流电阻(R(147-i))的一端连接第i节单节电池的正极B(i)，采集电阻(R(127-2i))的另一端连接滤波电容(C(39+i))的一端、限流电阻(R(128-2i))的一端，限流电阻(R(128-2i))的另一端连接PNP均衡三极管(Q(46-i))的基极，PNP均衡三极管(Q(46-i))的集电极连接均衡开关管(U(i))的栅极和偏置电阻(R(161-i))的一端，偏置电阻(R(161-i))的另一端和均衡开关管(U(i))的源极连接第(i-1)节单节电池的正极B(i-1)，均衡开关管(U(i))的漏极连接均衡放电电阻(R(139-i))的另一端和发光二极管LED7(15-i)的阴极，均衡显示发光二极管(LED(15-i))的阳极连接发光二极管限流电阻(R(147-i))的另一端。
优选地，当所述均衡模块工作时，若第i节单节电池需要均衡，所述主控模块通过前端模块IO端输出低电平，限流电阻(R(128-2i))传递该低电平，打开PNP均衡三极管(Q(46-i))打开，形成高电平连接至均衡开关管(U(i))栅极，让均衡开关管(U(i))打开开关，再由均衡放电电阻(R(139-i))进行发热消耗单节电池的容量，从而对第i节单节电池进行均衡。
优选地，所述前端模块的前端芯片通过串口与所述主控模块的主控芯片通讯。
优选地，所述主控模块控制均衡模块对每一节单节电池错开均衡。
与现有技术相比，本发明一种船用BMS被动均衡控制电路通过前端采集芯片高精度即时采集电池组每一节电池单元的电压，从而精确控制能量消耗型元件，利用均衡模块的各均衡子模块对电池组相应的单节电池单元进行均衡，由MCU通过精确算法选择控制元件耗能，实现对单节电池单元的均衡。
附图说明
图1为本发明一种船用BMS被动均衡控制电路的系统架构图
图2为本发明具体实施例中船用BMS被动均衡控制电路的电路结构图；
图3为本发明具体实施例中均衡子模块的结构示意图；
图4为本发明具体实施例中主控模块70的电路结构图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图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示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种船用BMS被动均衡控制电路的系统架构图，图2为本发明具体实施例中船用BMS被动均衡控制电路的电路结构图。如图1及图2所示，本发明一种船用BMS被动均衡控制电路，包括：电压采集模块20、前端模块80、单节电压采集模块90、均衡模块97以及主控模块70。
其中，电压采集模块20由第一限流电阻R109、第二限流电阻R108、保护二极管D32和滤波电容C56、C57组成，如图2所示，用于将滤除纹波的电池组电压安全可靠传输至前端模块80；
前端模块80由稳压二极管D19、前端芯片电源3.3V滤波电容C29、微处理器电源VDD滤波电容C27、上拉电阻R83-84、R77、R85、复位电阻R76、复位电容C12、隔离电阻R89、第一采集电源限压保护二极管D28及滤波电容C55、第二采集电源子模块(限流电阻R110、R128、极性保护二极管D36、限压保护二极管D31及滤波电容C49组成)、中间电压COMA滤波电容C48、中间电压隔离电阻R127、保护二极管D25组成，用于接收电压采集模块20的电压采集输入、单节电压采集模块90单节电压采集子模块的电压采集输入，将获得模拟输入数字化后传输至主控模块70，以便主控模块70根据单节电压采集模块的采集结果通过前端模块80产生均衡控制信号至均衡模块，对电池组的单体电池(单个电池单元)进行均衡，例如监测到单节电池电压差超出阈值时输出均衡控制信号至均衡模块97以对单节电池单元进行均衡。
单节电压采集模块90，由若干单节电压采集子模块构成，用于对电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块。在本发明具体实施例中，以电池组为8个单节电池串联组成的电池组为例，单节电压采集模块90由第8单节电压采集子模块908、第7单节电压采集子模块907、第6单节电压采集子模块906、第5单节电压采集子模块905、第4单节电压采集子模块904、第3单节电压采集子模块903、第2单节电压采集子模块902和第1单节电压采集子模块901组成，分别用于采集第8-1节单节电池的电压，具体地，采集电阻R111和滤波电容C47组成第8单节电压采集子模块908，采集电阻R113和滤波电容C46组成第7单节电压采集子模块907，采集电阻R115和滤波电容C45组成第6单节电压采集子模块906，采集电阻R117和滤波电容C44组成第5单节电压采集子模块905，采集电阻R119和滤波电容C43组成第4单节电压采集子模块904，采集电阻R121和滤波电容C42组成第3单节电压采集子模块903，采集电阻R123和滤波电容C41组成第2单节电压采集子模块902，采集电阻R125和滤波电容C40组成第1单节电压采集子模块901；
均衡模块97，包括多个均衡子模块，以分别用于在均衡信号的控制下对对应单节电池进行均衡放电，在本发明具体实施例中，以8个单节电池串联组成的电池组为例，均衡模块97包括第8均衡子模块978、第7均衡子模块977、第6均衡子模块976、第5均衡子模块975、第4均衡子模块974、第3均衡子模块973、第2均衡子模块972、第1均衡子模块971，具体地，
限流电阻R112、PNP均衡三极管Q38、偏置电阻R153、均衡开关管U8、均衡放电电阻R131、均衡显示发光二极管LED7及发光二极管限流电阻R139组成第8均衡子模块978；
限流电阻R114、PNP均衡三极管Q39、偏置电阻R154、均衡开关管U9、均衡放电电阻R132、均衡显示发光二极管LED8及发光二极管限流电阻R140组成第7均衡子模块977；
限流电阻R116、PNP均衡三极管Q40、偏置电阻R155、均衡开关管U10、均衡放电电阻R133、均衡显示发光二极管LED9及发光二极管限流电阻R141组成第6均衡子模块976；
限流电阻R118、PNP均衡三极管Q41、偏置电阻R156、均衡开关管U11、均衡放电电阻R134、均衡显示发光二极管LED10及发光二极管限流电阻R142组成第5均衡子模块975；
限流电阻R120、PNP均衡三极管Q42、偏置电阻R157、均衡开关管U12、均衡放电电阻R135、均衡显示发光二极管LED11及发光二极管限流电阻R143组成第4均衡子模块974；
限流电阻R122、PNP均衡三极管Q43、偏置电阻R158、均衡开关管U13、均衡放电电阻R136、均衡显示发光二极管LED12及发光二极管限流电阻R144组成第3均衡子模块973；
限流电阻R124、PNP均衡三极管Q44、偏置电阻R159、均衡开关管U14、均衡放电电阻R137、均衡显示发光二极管LED13及发光二极管限流电阻R145组成第2均衡子模块972；
限流电阻R126、PNP均衡三极管Q45、偏置电阻R160、均衡开关管U15、均衡放电电阻R138、均衡显示发光二极管LED14及发光二极管限流电阻R146组成第1均衡子模块971。
主控模块70，用于接收前端模块80数字化的电压、电流采集数据，根据单节电压采集模块各单节电压采集子模块对电池组的单节电池的电压的采集结果通过前端模块产生均衡控制信号至均衡模块，以对电池组的单体电池(单个电池单元)进行均衡。在本发明具体实施例中，主控模块70通过串口与前端模块80通信，以获取前端模块80的前端芯片U6中采集电压、电流、均衡方式等数据。
举例来说，当电池组(假设为8个单节电池串联)充电时，当主控模块70根据单节电压采集模块各单节电压采集子模块的电压采集结果检测到电压最高的电池单元的电压达到或高出3.3V时(充电的截止电压为3.65V，中间有0.35V的均衡空间)，其它电池单元有低于这个数值，当串联的8组电池单元之间有0.05V电压差时，则通过均衡功能控制使电压偏高0.05V的电池单元，以1A的电流放电(具体放电时间和再次检测时间需要由软件控制确定)，使得总体电压较高的电池单元的充电电流整体减小，减小电压偏高的电池单元的充电速度，电压偏低的电池单元则以正常的充电速度充电，使得在相同充电时间内，电压偏低的电池单元能够有更大的电压增量，减小各个电池单元的电压差，提升整体的一致性，随着反复充电次数增加，各个电池单元通过均衡功能，其充电状态的一致性得到更好的维护，保证电池整体充电状态(充电结束电压)一致性，也能保证整体更好的放电效果，不会由于单一电池单元由于充电时就存在电压偏低，导致放电时该电池单元消耗过快而影响整体供电效果。
具体地，如图2所示，上拉电阻R83-84、R77、R85分别连接在前端芯片的两线串口(I2C)的数据端SDA(2脚)、时钟端SCL(3脚)、控制端CTLD(4脚)、报警端ALARM(5脚)和主控模块电源VDD间，分别连接至主控模块(未示出)的相应端口：数据节点SDA-AFE、时钟节点SCL-AFE、控制节点CTLD、报警节点ALARM，复位电阻R76一端连接主控模块电源VDD，另一端连接与复位电容C12的一端、隔离电阻R89的一端相连组成复位信号RESET节点，复位电容C12的另一端接地，隔离电阻R89的另一端接前端芯片U6(SH79F-6441)的复位端(6脚)；电流采集信号RS1、RS2连接至前端芯片U6(SH79F-6441)的电流采集输入端(7、8脚)，温度采集信号TS1、TS2连接至前端芯片U6(SH79F-6441)的温度采集输入端(9、10脚)，前端芯片电源3.3V经滤波电容C29滤波和稳压二极管D19稳压后连接至前端芯片U6(SH79F-6441)的电源端(1脚)；
第一采集电源限压保护二极管D28及滤波电容C55并联在第一采集电源端(24脚)和地间，限压保护二极管D31及滤波电容C49并联在第二采集电源端(17脚)和地间，滤波电容C43-47、C48、C55、中间电压隔离电阻R127的一端、第一采集电源限压保护二极管D28的阳极、相连组成中间电压COMA节点，滤波电容C48另一端接地，中间电压隔离电阻R127的另一端连接第4节单节电池的正极B4；
本发明中，单节电池的电压都是单通道采集，在本实施例中，电池组一共有8节串联的电池，每一组电池电压都是3.4v左右，8节电池串联出的电压则为27v左右。每一组通道都是单独采集到前端芯片中，如图1端口JP5上的B1与B0之间就是串联的第一组电池，电压采集通过串联电阻保护连接到芯片U6的引脚14(VC3)与引脚15(VC4)，这样就能采集到第一组电池电压，第二组电池电压采集就是端口JP5上B2与B1之间，因此每一组电压都是相邻二个端口，每一组端口都是单独连接到前端芯片的采集引脚上。每一节电池的电压值都是通过前端芯片引脚上电压差值采集，然后前端芯片U6通过串口通信与主控芯片通讯。U6前端芯片中采集电压、电流、温度、均衡方式等等数据，都是由主控芯片进行读取、运算、配置、存储等操作，实现智能化控制。
图3为本发明具体实施例中均衡子模块的结构示意图。具体地，采集电阻R111(127-2i)的一端、PNP均衡三极管Q38(46-i)的发射极、均衡放电电阻R131(139-i)的一端、发光二极管限流电阻R139(147-i)的一端连接第8(i)节单节电池的正极B8(i)，采集电阻R111(127-2i)的另一端连接滤波电容C47(39+i)的一端、限流电阻R112(128-2i)的一端，限流电阻R112(128-2i)的另一端连接PNP均衡三极管Q38(46-i)的基极，PNP均衡三极管Q38(46-i)的集电极连接均衡开关管U8(i)的栅极和偏置电阻R153(161-i)的一端，偏置电阻R153(161-i)的另一端和均衡开关管U8(i)的源极连接第7(i-1)节单节电池的正极B7(i-1)，衡开关管U8(i)的漏极连接均衡放电电阻R131(139-i)的另一端和发光二极管LED7(15-i)的阴极，发光二极管LED7(15-i)的阳极连接发光二极管限流电阻R139(147-i)的另一端，i＝1,2,……,8；(i＝1时第(i-1)节单节电池的正极B(i-1)即第1节单节电池负极B0)
滤波电容C43-47的另一端接中间电压节点COMA节点，滤波电容C40-42的另一端接地，保护二极管D25阳极接地。
图4为本发明具体实施例中主控模块70的电路结构图。主控模块70由微处理器MCU(U4，SH79F6441)、测试开关S1、隔离电阻R41及R51、保护二极管D12及D14、滤波电容C14、复位电阻R76、复位电容C12、串口隔离电阻R94-R95、串口保护二极管D20-D21以及串口插座JP3、编程插座JP1组成，微处理器MCU为整个系统的大脑，MCU主要起到数据存储、数据运算、算法均衡、参数配置和软件控制等功能，通过持续对锂电池的实时监测实现智能保护以保证电池和负载安全，其中软件控制部分如过压保护、欠压保护、过流保护、温度保护等都是通过外部采样，MCU运算、设置、判断来实现自动保护。
具体地，微处理器MCU(U4，SH79F6441)为最小系统设置，串口接收RXD、串口发送TXD分别通过串口隔离电阻R94、R95连接至串口插座JP3，同时并联串口保护二极管D20-D21到地，CHGD信号通过隔离电阻R41连接至保护二极管D12的阳极，保护二极管D12的阴极通过测试开关S1接地，微处理器U4之一端口KEY-M通过隔离电阻R51连接至保护二极管D14的阳极，保护二极管D14的阴极通过测试开关S1接地，编程插座JP1连接电源电压VDD和地，并与微处理器U4的编程端口TCK、TDI、TMS、TDO连接，滤波电容C14跨接在微处理器U4的电源端和地间，复位电容C12跨接在微处理器U4的复位端RESET和地间，复位电阻R76跨接在微处理器U4的复位端RESET和电源VDD间。
本发明均衡电路工作时，以第8节单节电池需要均衡为例，MCU控制前端芯片(U6，SH79F-6441)IO端输出低电平，R112电阻传递该低电平，打开三极管Q38打开，形成高电平连接至均衡开关管U8(MDS2659)栅极，使均衡开关管U8(MDS2659)芯片打开开关，再由均衡放电电阻R131进行发热消耗单节电池(第8节电池)的容量，从而对电池进行均衡，例如，当8节电池中有一节或多节电池电压过高时达到均衡条件，主控模块启动均衡，对其中高电压的进行快速放电，放至比其他电压低一点(电压回冲)，静置几秒，再次均衡，如此往复，不断调整，具体的均衡方法都是由MCU芯片算法配置前端芯片，从而对电池进行均衡，在此不予赘述。
需说明的是，在本发明中，均衡时为了每一节电池均衡时达到最好的效果，均衡时最好错开均衡，即在均衡工作时，8节电池不能有相邻二节或多节电池组一起均衡，必须是同时均衡电池时，中间必须有电池保持静置状态，以错开均衡方式，减少相互波动、干扰等多种情况，以让整体均衡的时间优化到最短、效果最好。
综上所述，本发明一种船用BMS被动均衡控制电路通过前端采集芯片高精度即时采集电池组每一节电池单元的电压，从而精确控制能量消耗型元件，利用均衡模块的各均衡子模块对电池组相应的单节电池单元进行均衡，由MCU通过精确算法选择控制元件耗能，实现对单节电池单元的均衡。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种船用BMS被动均衡控制电路，包括：
电压采集模块，用于将滤除纹波的电池组电压安全可靠传输至前端模块；
单节电压采集模块，包括若干单节电压采集子模块，用于对所述电池组的单节电池的电压进行采样并输出至前端模块；
前端模块，用于接收所述单节电压采集模块各单节电压采集子模块的电压采集输入，将获得模拟输入数字化后传输至主控模块，并根据主控模块传输均衡控制信号至均衡模块；
主控模块，用于接收所述前端模块数字化的电压/电流采集数据，根据单节电压采集模块各单节电压采集子模块对电池组的单节电池的电压的采集结果产生均衡控制信号通过所述前端模块传输至均衡模块，以对所述电池组的单个电池单元进行均衡；
均衡模块，包括多个均衡子模块，以分别在均衡控制信号的控制下对对应的单节电池进行均衡充放电。
2.如权利要求1所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：所述单节电压采集模块包括若干单节电压采集子模块，以分别对电池组的各单节电池的电压进行采样，每个单节电压采集子模块均通过一采集电阻及滤波电容实现对应的单节电池电压的采集。
3.如权利要求2所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：所述均衡模块包括若干均衡子模块，每个均衡子模块均包括限流电阻、PNP均衡三极管、偏置电阻、均衡开关管、均衡放电电阻、均衡显示发光二极管及发光二极管限流电阻，以实现在均衡控制信号的控制下对对应的单节电池进行均衡充放电。
4.如权利要求3所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：第i单节电压采集子模块包括采集电阻(R(127-2i))及滤波电容(C(39+i))，第i均衡子模块包括限流电阻(R(128-2i))、PNP均衡三极管(Q(46-i))、偏置电阻(R(161-i))、均衡开关管(U(i))、均衡放电电阻(R(139-i))、均衡显示发光二极管(LED(15-i))以及发光二极管限流电阻(R(147-i))，所述采集电阻(R(127-2i))的一端、PNP均衡三极管(Q(46-i))的发射极、均衡放电电阻(R(139-i))的一端、发光二极管限流电阻(R(147-i))的一端连接第i节单节电池的正极B(i)，采集电阻(R(127-2i))的另一端连接滤波电容(C(39+i))的一端、限流电阻(R(128-2i))的一端，限流电阻(R(128-2i))的另一端连接PNP均衡三极管(Q(46-i))的基极，PNP均衡三极管(Q(46-i))的集电极连接均衡开关管(U(i))的栅极和偏置电阻(R(161-i))的一端，偏置电阻(R(161-i))的另一端和均衡开关管(U(i))的源极连接第(i-1)节单节电池的正极B(i-1)，均衡开关管(U(i))的漏极连接均衡放电电阻(R(139-i))的另一端和发光二极管LED7(15-i)的阴极，均衡显示发光二极管(LED(15-i))的阳极连接发光二极管限流电阻(R(147-i))的另一端。
5.如权利要求4所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：当所述均衡模块工作时，若第i节单节电池需要均衡，所述主控模块通过前端模块IO端输出低电平，限流电阻(R(128-2i))传递该低电平，打开PNP均衡三极管(Q(46-i))打开，形成高电平连接至均衡开关管(U(i))栅极，让均衡开关管(U(i))打开开关，再由均衡放电电阻(R(139-i))进行发热消耗单节电池的容量，从而对第i节单节电池进行均衡。
6.如权利要求5所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：所述前端模块的前端芯片通过串口与所述主控模块的主控芯片通讯。
7.如权利要求5所述的一种船用BMS被动均衡控制电路，其特征在于：所述主控模块控制均衡模块对每一节单节电池错开均衡。
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