CN113595203B - 一种用于bms的主动均衡控制电路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于BMS的主动均衡控制电路，包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵。电池监测电路用于监测电池组中每个电池单元的电量信息。控制处理器用于获取电量最低的电池单元，并向开关矩阵发送充电开启信号。开关矩阵响应充电开启信号向连接电量最低的电池单元的继电器单元发送充电连接信号，连接电量最低的电池单元的继电器单元响应充电连接信号，连接充电电流源和电池电量最低的电池单元，以对电池电量最低的电池单元进行充电。由于当任意两个电池单元的电量差值大于预设值时，对电池电量最低的电池单元进行充电，进而实现对电池组的主动均衡控制。

Description

一种用于BMS的主动均衡控制电路

技术领域

本申请涉及电池充放电技术领域，具体涉及一种用于BMS的主动均衡控制电路。

背景技术

电池管理系统(BMS)作为新能源电动汽车电池系统和储能电池系统的一个重要构成，对电池组的电压、温度、电流、SOC、SOH等各项参数起到整体的把控。这其中，我们知道，由于电池组是由若干节单体电芯组成的，BMS还扮演着能量均衡的角色。由于电池组由若干节单体电芯串并联组成，BMS的均衡技术，就是使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术，现在就让我们一起来了解下均衡技术吧。均衡技术产生的原因是由于在电池制造过程中，工艺问题和材质的不均匀，使电池板厚度、微孔率、活性物质的活化程度存在微小差别，致使同一批次的同一型号单体电池的容量、内阻和电压等参数出现不一致现象；另一方面，电芯在组成电池组装车使用过程中，也会由于自放电程度以及部位温度等原因导致单体不一致性的现象，这种不一致性会使电芯的各项参数大相径庭。要想让它们组装在一起形成一个整体，则必须在作用过程中采用均衡的手段在同时充放电工作下，就会出现个别过充或过放的问题，从而大大降低电池组整体的使用寿命。为解决电池不一致性所带来的问题，BMS的均衡技术应运而生。

根据均衡技术的种类可将BMS分为被动均衡和主动均衡，前者又称为能量耗散型，后者称为能量转移型。被动均衡（能量耗散型）是指电阻耗能方式，在每一颗单体电池并联一个电阻耗能，这种均衡就是将容量多的电池中多余能量消耗掉，实现整组电池电压均衡。主动均衡（能量转移型）是指能量转移方式，将单体能量高的转移到单体能量低的，在实施环节中需要一个储能单元，好让能量通过这个单元进行重新分配。主动均衡和被动均衡都是为了消除电池组的不一致性，但两者的实现原理可谓是截然相反：能量耗散型的被动均衡，在每串电池上并联一个放电电阻，在充电时，容量低的电池过充而容量高的电池还未充满时，BMS通过控制低容量电池并联的电阻发热放电，从而解决过充问题，但对放电过程没有实质上的均衡意义。被动均衡先于主动均衡出现，因为电路简单，成本低廉至今仍被广泛使用。能量转移型的主动均衡，由BMS内部控制一个双向高频开关电源变换器，在充电过程中，可将过充电池的电流分流补充给还未充满的电池，确保单个电池均可充满，解决过充问题；而在放电过程中，可实现高容量、高电压的电池对低容量、低电压的电池充电，以解决低容量电池的木桶效应实现放电过程的效率最优化。此种均衡没有电阻耗散电能，电能损失少，均衡电流较大，在充放电过程中均可以发挥作用，更加适合于充放电电流较大的新能源汽车的动力电池。

发明内容

本申请提供一种用于BMS的主动均衡控制电路，解决现有技术中电池管理系统的不足。

根据第一方面，一种实施例中提供一种用于BMS的主动均衡控制电路，用于对电池组的充放电均衡控制，所述主动均衡控制电路包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵；

所述电池监测电路与所述控制处理器连接；所述电池监测电路用于监测所述电池组中每个电池单元的电量信息；

所述控制处理器与所述电源闭环控制电路连接；所述控制处理器用于当任意两个所述电池单元的电量的差值大于一第一预设值时，向所述电源闭环控制电路发送电源开启信号；

所述电源闭环控制电路与所述充电电源电路连接；所述电源闭环控制电路用于响应所述电源开启信号，向所述充电电源电路发送电源使能信号；

所述充电电源电路与所述继电器矩阵连接；所述充电电源电路用于响应所述电源使能信号向所述继电器矩阵输出一预设电压值的充电电流源；

所述继电器矩阵包括与所述电池单元数量相同的继电器单元，每个继电器单元与一个所述电池单元连接；

所述开关矩阵包括与所述继电器单元数量相同的开关单元，每个开关单元与一个所述继电器单元连接；所述开关单元用于向连接的所述继电器单元发送充电连接信号；所述继电器单元用于响应所述充电连接信号，连接所述充电电流源和所述电池单元，以对所述电池单元进行充电；

所述控制处理器还与所述开关矩阵连接；所述控制处理器还用于依据每个所述电池单元的电量信息获取电量最低的所述电池单元，并向所述开关矩阵发送充电开启信号；

所述开关矩阵发还用于响应所述充电开启信号向连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元发送所述充电连接信号；连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元响应所述充电连接信号，连接所述充电电流源和电池电量最低的所述电池单元，以对电池电量最低的所述电池单元进行充电。

一实施例中，还包括充电保护电路，与所述控制处理器连接；所述充电保护电路用于监测所述电池单元的充电电压和/或充电电流，并当所述充电电压或所述充电电流大于预设值时，向所述控制处理器发送保护启动信号；所述控制处理器还用于响应所述保护启动信号向所述电源闭环控制电路发送电源关闭信号；所述电源闭环控制电路还用于响应所述电源关闭信号，停止向所述充电电源电路发送电源使能信号，以用所述充电电源电路停止输出充电电流源。

一实施例中，所述充电保护电路包括过流保护电路；

所述过流保护电路包括电流采样比较电路和电流保护信号输出电路；所述电流采样比较电路用于获取所述电池单元的充电电流采样信号，并将所述充电电流采样信号转化为电压信号后再与一第一预设电压信号进行比较；当所述充电电流采样信号转化的电压信号大于所述第一预设电压信号时输出采样电流比较结果信号给所述电流保护信号输出电路；所述第一预设电压信号的电压值为2.101V；

所述电流保护信号输出电路用于当获取所述采样电流比较结果信号时输出保护启动信号给所述控制处理器。

一实施例中，所述充电保护电路包括过压保护电路；

所述过压保护电路包括电压采样比较电路和电压保护信号输出电路；所述电压采样比较电路用于获取所述电池单元的充电电压采样信号，并将所述充电电压采样信号与一第二预设电压信号进行比较；当所述充电电压采样信号大于所述第二预设电压信号时输出采样电压比较结果信号给所述电压保护信号输出电路；所述第二预设电压信号的电压值为4.2V；

所述电压保护信号输出电路用于当获取所述采样电压比较结果信号时输出保护启动信号给所述控制处理器。

一实施例中，所述电池组为磷酸铁锂电池组；所述充电电源电路为反激式变压器电路，所述充电电源电路输出的所述充电电流源的电压为4.125V，电流为2A。

一实施例中，还包括充电电源开关控制电路，连接在所述控制处理器、所述充电电源电路和所述继电器矩阵之间；

所述控制处理器用于当任意两个所述电池单元的电量差值大于一第一预设值时，向所述充电电源开关控制电路发送电源连接信号；所述充电电源开关控制电路用于响应所述电源连接信号连接所述充电电源电路和所述继电器矩阵。

一实施例中，所述控制处理器还用于当电量最大的所述电池单元与电量最小的所述电池单元的电量差小于一第二预设值时，向所述电源闭环控制电路发送电源关闭信号；所述电源闭环控制电路还用于响应所述电源关闭信号，停止向所述充电电源电路发送电源使能信号，以用所述充电电源电路停止输出充电电流源。

一实施例中，所述第一预设值为20mV；所述第二预设值为6mV。

一实施例中，所述开关矩阵包括译码器转换电路；所述译码器转换电路用于依据所述充电开启信号，获取连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元的所述开关单元编号，并通过该编号的所述开关单元向连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元发送所述充电连接信号。

一实施例中，所述开关矩阵包括两组译码器转换电路，一组译码器转换电路与所述继电器矩阵的奇数位继电器单元连接，另一组译码器转换电路与所述继电器矩阵的偶数位继电器单元连接；所述继电器矩阵的奇数位继电器单元与所述电池组的奇数位电池单元连接，所述继电器矩阵的偶数位继电器单元与所述电池组的偶数位电池单元连接。

依据上述实施例的一种用于BMS的主动均衡控制电路，包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵。由于当检测到任意两个电池单元的电量差值大于预设值时，对电池电量最低的电池单元进行充电，进而实现对电池组的主动均衡控制。

附图说明

图1为一种实施例中的主动均衡控制电路的结构连接示意图；

图2为另一种实施例中的主动均衡控制电路的结构连接示意图；

图3为一种实施例中过流保护电路的电路连接示意图；

图4为一种实施例中采样电阻的电路连接示意图；

图5为一种实施例中过压保护电路的电路连接示意图；

图6为一种实施例中充电电源电路的电路连接示意图；

图7为一种实施例中译码器转换电路的电路连接示意图；

图8为一种实施例中奇数位和偶数位继电器单元的电路连接示意图；

图9为一种实施例中主电源控制继电器的电路连接示意图；

图10为一种实施例中电源闭环控制电路的电路连接示意图；

图11为一种实施例中主动均衡控制电路的工作流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

BMS的被动均衡为能量耗散均衡,主动均衡为非能量耗散均衡。被动均衡电能转化热能耗散浪费能源，所以被动均衡的均衡电流小，被动均衡时间要长；而主动均衡具有较大的均衡电流（大于1A），以快速均衡大电池，效率更高；减少充电和容量不匹配效应。但缺点是目前主动均衡成本高，价格贵；设计结构复杂，体积大；需要控制开关矩阵电路，故障率高；失效性大，甚至会引发短路起火导致电池安全失控，所以危险性较大。因此需要设计一款均衡电流大、安全性高、成本低、长寿命和性能好的主动均衡BMS模块。

在本发明实施例中，公开了一种用于BMS的主动均衡控制电路，包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵。电池监测电路用于监测电池组中每个电池单元的电量信息。控制处理器用于获取电量最低的电池单元，并向开关矩阵发送充电开启信号。开关矩阵发响应充电开启信号向连接电量最低的电池单元的继电器单元发送充电连接信号，连接电量最低的电池单元的继电器单元响应充电连接信号，连接充电电流源和电池电量最低的电池单元，以对电池电量最低的电池单元进行充电。由于当任意两个电池单元的电量差值大于预设值时，对电池电量最低的电池单元进行充电，进而实现对电池组的主动均衡控制。

实施例一

请参考图1，为一种实施例中的主动均衡控制电路的结构连接示意图，主动均衡控制电路用于对电池组的充放电均衡控制，该主动均衡控制电路包括电池组1、电池监测电路2、控制处理器3、电源闭环控制电路4、充电电源电路5、开关矩阵6和继电器矩阵7。电池监测电路2与控制处理器3连接，电池监测电路2用于监测电池组1中每个电池单元11的电量信息。控制处理器3与电源闭环控制电路4连接，控制处理器3用于当任意两个电池单元11的电量的差值大于第一预设值时，向电源闭环控制电路4发送电源开启信号。电源闭环控制电路4与充电电源电路5连接，电源闭环控制电路4用于响应电源开启信号，向充电电源电路5发送电源使能信号。充电电源电路5与继电器矩阵7连接，充电电源电路5用于响应电源使能信号向继电器矩阵7输出一预设电压值的充电电流源。继电器矩阵7包括与电池单元11数量相同的继电器单元71，每个继电器单元71与一个电池单元11连接。开关矩阵6包括与继电器单元71数量相同的开关单元61，每个开关单元61与一个继电器单元71连接。开关单元61用于向连接的继电器单元71发送充电连接信号，继电器单元71用于响应充电连接信号，连接充电电流源和电池单元11，以对电池单元11进行充电。控制处理器3还与开关矩阵6连接，控制处理器3还用于依据每个电池单元11的电量信息获取电量最低的电池单元11，并向开关矩阵6发送充电开启信号。开关矩阵6发还用于响应充电开启信号向连接电量最低的电池单元11的继电器单元71发送充电连接信号。连接电量最低的电池单元11的继电器单元71响应充电连接信号，连接充电电流源和电池电量最低的电池单元11，以对电池电量最低的电池单元11进行充电。

请参考图2，为另一种实施例中的主动均衡控制电路的结构连接示意图，主动均衡控制电路还包括充电保护电路8，充电保护电路8与控制处理器3连接。充电保护电路8用于监测电池单元11的充电电压和/或充电电流，并当充电电压或充电电流大于预设值时，向控制处理器3发送保护启动信号。控制处理器3还用于响应保护启动信号向电源闭环控制电路4发送电源关闭信号。电源闭环控制电路4还用于响应电源关闭信号，停止向充电电源电路5发送电源使能信号，以用充电电源电路5停止输出充电电流源。

一实施例中，充电保护电路包括过流保护电路81。请参考图3，为一种实施例中过流保护电路的电路连接示意图，过流保护电路81包括电流采样比较电路811和电流保护信号输出电路812。电流采样比较电路811用于获取电池单元的充电电流采样信号，并将充电电流采样信号转化为电压信号后再与第一预设电压信号进行比较。当充电电流采样信号转化的电压信号大于第一预设电压信号时输出采样电流比较结果信号给电流保护信号输出电路。一实施例中，第一预设电压信号的电压值为2.101V。电流保护信号输出电路812用于当获取采样电流比较结果信号时输出保护启动信号给控制处理器3。

电流采样比较电路811包括放大器U10、比较器U11、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R16、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电容C11、电容C12、电容C13和电容C14。电阻R11的一端与采样电阻的接地端VB_GND连接，另一端与放大器U10的正输入端连接。电阻R12的一端与采样电阻的连接端VB-连接，另一端与放大器U10的负输入端连接。电阻R13和电容C11并联连接，并联后的一端与放大器U10的负输入端连接，并联后的另一端接地。电阻R10和电容C12并联连接，并联后的一端与放大器U10的正输入端连接，并联后的另一端与放大器U10的输出端连接。电容C13一端接地，另一端与放大器U10的正供电电源连接端连接。电阻R14的一端与放大器U10的输出端连接，另一端与比较器U11的负输入端连接。电容C14的一端接地，另一端与比较器U11的负输入端连接。电阻R15的一端与比较器U11的正输入端连接，另一端用于一预设电压源的输入。电阻R16的一端与比较器U11的正输入端连接，另一端接地。电阻R17一端与比较器U11的正输入端连接，另一端与电流保护信号输出电路812连接。电阻R18一端用于一预设电压源的输入，另一端与比较器U11的输出端连接。电阻R19一端与比较器U11的输出端连接，另一端与电流保护信号输出电路812连接。一实施例中，预设电压源的电压值为3V。

电流保护信号输出电路812包括光电耦合器U20、肖特基二极管D20、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电容C20和电容C21。电阻R20的一端用于一预设电压源CAN的输入，另一端与光电耦合器U20的一个控制端连接，光电耦合器U20的另一个控制端与电流采样比较电路811连接。电容C20的一端接地，另一端与用于预设电压源CAN输入的输入端连接。光电耦合器U20的一个控制端接地，另一个控制端与电阻R21和电阻R22的一端连接，电阻R21的另一端用于预设电压源CAN的输入，电阻R22的另一端与保护启动信号输出端CP_INT连接。肖特基二极管D20的第一极与保护启动信号输出端CP_INT连接，第二极接地，第三极用于预设电压源CAN的输入。电容C21的一端接地，另一端与保护启动信号输出端CP_INT连接。一实施例中，预设电压源CAN的电压值为5V。

请参考图4，为一种实施例中采样电阻的电路连接示意图，采样电阻R1为合金电阻采样电路。通过1个10mΩ的采样电阻R1并联，R=10mΩ，考虑持续最大电流为2A，平均到单个电阻的功率P=I2*R=2A2*10mΩ=0.04W，选用1W的2512合金采样电阻。将电流信号转换为电压信号时，采样系数为K1=0.01。一实施例中，实际过流保护点为5.25A，复位点为3.317A，VH= 2.101V，VL= 1.327V出现过流保护时产生下降沿中断给控制处理器3，输出IO控制电源闭环控制关闭充电电源电路。

一实施例中，充电保护电路8还包括过压保护电路82。请参考图5，为一种实施例中过压保护电路的电路连接示意图，过压保护电路82包括电压采样比较电路821和电压保护信号输出电路822。电压采样比较电路821用于获取电池单元11的充电电压采样信号，并将充电电压采样信号与一第二预设电压信号进行比较，当充电电压采样信号大于第二预设电压信号时输出采样电压比较结果信号给电压保护信号输出电路822。一实施例中，第二预设电压信号的电压值为4.2V。电压保护信号输出电路822用于当获取采样电压比较结果信号时输出保护启动信号给控制处理器3。电压采样比较电路821包括比较器U31、电阻R30、电阻R31、电阻R32、电阻R33、电阻R34和电阻R35。电阻R30的一端用于充电电压采样信号VB+的输入，另一端与比较器U31的负输入端连接。电阻R31的一端用于一预设电压源CN4的输入，另一端与比较器U31的正输入端连接。电阻R32和电阻R33串联连接，串联后的一端与比较器U31的正输入端连接，串联后的另一端接地。电阻R34的一端与比较器U31的正输入端连接，另一端与比较器U31的输出端连接。电阻R35的一端与比较器U31的输出端连接，另一端用于一预设电压源的输入，一实施例中，该预设电压源的电压值为+3V。在本申请一实施例中，实际过压保护点为4.2V，复位点电压值4.15V，VH= 4.2V，VL= 4.15V出现过压保护时产生下降沿中断给控制处理器3，输出IO控制电源闭环控制关闭充电电源电路。

一实施例中，为防止主动均衡控制电路出现输出过压、过流、短路等故障问题对BMU板和电池组的损坏，设计主动均衡控制电路输出测的电流采集和过流保护输出，输出电压采集和过压保护输出，同时也设计在均衡电源输入测的LINE（EN）使能开/关控制电路方案，增强系统运行的安全稳定性。一实施例中，电池组1为磷酸铁锂电池组。充电电源电路5为反激式变压器电路，充电电源电路5输出的充电电流源的电压为4.125V，电流为2A。

一实施例中，主动均衡控制电路还包括充电电源开关控制电路9，连接在控制处理器3、充电电源电路5和继电器矩阵7之间。控制处理器3用于当任意两个电池单元11的电量差值大于一第一预设值时，向充电电源开关控制电路5发送电源连接信号，充电电源开关控制电路9用于响应电源连接信号连接充电电源电路5和继电器矩阵7。一实施例中，充电电源开关控制电路9包括电源开关电路91和电源控制继电器92。电源开关电路91连接在控制处理器3和电源控制继电器92之间，电源控制继电器92连接在充电电源5、继电器矩阵7和电源开关电路91之间。

一实施例中，控制处理器3还用于当电量最大的电池单元11与电量最小的电池单元11的电量差小于一第二预设值时，向电源闭环控制电路4发送电源关闭信号。电源闭环控制电路4还用于响应电源关闭信号，停止向充电电源电路5发送电源使能信号，以用充电电源电路5停止输出充电电流源。一实施例中，第一预设值为20mV，第二预设值为6mV。

一实施例中，控制处理器3采用NXP的S9KEAZ64为主控芯片，主要实现对xx的输出控制逻辑的初始化，开启EN信号使能主动均衡控制电路，设定所要限定的短路保护电流值和过压保护值，与NXP锂电池管理芯片PC33771进行通信，监控单体电池电压、智能均衡管理，或关闭主动均衡电源的输出，从而保护了被均衡的锂电池组。

请参考图6，为一种实施例中充电电源电路的电路连接示意图，充电电源电路包括电阻R41、电阻R42、电阻R43、电阻R44、电阻R45、电阻R46、电阻R47、电阻R48、电容C40、电容C41、电容C42、电容C43、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47、二极管D41、二极管D42、二极管D43、二极管D44、电感L41、电源芯片U40和保险F41。一实施例中，电源芯片U40的型号为M5838，M5838是一款高性价比的电源芯片，通过离线式PWM控制器，采用原边采样和调节，恒流控制特性，其电流和输出功率的设定可由SEN脚上的电流取样电阻RS来调节，还具有电源软启动控制和多种带自动恢复的有效保护，以及优良的EMI性能和频率抖动控制特性，可获得高精度的恒流特性，恒流调节精度误差＜5%，恒流模式下，系统限定了输出电流，并且不论输出电压如何下降，系统只确保输出电流恒定。一实施例中，输入充电电源电路的电压源DC的电压值为24V，通过反激式变压器电路输出隔离的DC4.125V/2A电源输出。

一实施例中，开关矩阵6包括译码器转换电路。译码器转换电路用于依据充电开启信号，获取连接电量最低的电池单元的继电器单元的开关单元编号，并通过该编号的开关单元向连接电量最低的电池单元的继电器单元发送充电连接信号。请参考图7，为一种实施例中译码器转换电路的电路连接示意图，译码器转换电路包括芯片74HC138D，芯片74HC138D接受三个二进制地址输入（A0、A1、A2），加上使能选通方式，可输出单路有效低电平。一实施例中，继电器矩阵控制基偶继电器为12路,通过2路74HC138D 三八译码器来输出基数路控制继电器单元CB1、CB3、CB5、CB7、CB9、CB11、CB13和偶数路控制继电器单元CB2、CB4、CB6、CB8、CB10、CB12、CB14的开关通断。

请参考图8，为一种实施例中奇数位和偶数位继电器单元的电路连接示意图，继电器单元包括电阻R61、电阻R62、电容C61、电容C62、三极管Q61、二极管D61和继电器RY0。一实施例中，开关矩阵6包括两组译码器转换电路，一组译码器转换电路与继电器矩阵的奇数位继电器单元连接，另一组译码器转换电路与继电器矩阵的偶数位继电器单元连接。继电器矩阵的奇数位继电器单元与电池组的奇数位电池单元连接，继电器矩阵的偶数位继电器单元与电池组的偶数位电池单元连接。通过控制处理器3选择控制两路三八译码器来输出2路相反独立的基偶控制信号，从而驱动两路单刀单路继电器通断的分别控制电池的B0和B1端的采集线接入主动均衡控制电路。

请参考图9，为一种实施例中主电源控制继电器的电路连接示意图，主动均衡控制电路还包括主电源控制继电器，主电源控制继电器包括二极管D71、三极管Q71、电容C71、电容C72、电阻R71和电阻R72。一实施例中，通过控制处理器3的两路IO输出选择控制基数总继电器和偶数总继电器，例如给第一串电芯充电，则控制奇数位继电器单元。

请参考图10，为一种实施例中电源闭环控制电路的电路连接示意图，电源闭环控制电路包括电阻R81、电阻R82、电容C81、光电耦合器U80和磁珠RL1。电源闭环控制电路为单独供电，所以BMU板的VB_GND必须与主动均衡控制电路的输入电压地连接。

在本申请一实施例中，通过AFE/MC33771采集芯片采集电池单元电压的12S数据，送到主动均衡控制电路的控制处理器MCU/ S9KEAZ64做数据分析汇总，在充、放电过程中，MCU会自动执行均衡功能，均衡开启条件（例如：每12串采集电压中的最高和最低节电池的压差大于20mV,并且单体电压在2.3V-3.65V之间），MCU会开启充电电源电路（恒流电源电路）。

电池组静态时，主动均衡从机BMU实时采集电池组电压，BMU内部已设定有均衡开启条件（如：每12串采集电压中平均电压（去掉最高节和最低节电芯电压的电池组总压/10）至最低电压压差大于6mV,并且单体电压在2.3V-3.65V之间（磷酸铁锂）），从机输出低电平关闭DC4.12V/2A恒流电源模块，并关闭各路继电器；当从机MCU检测到12串电池组中有满足均衡开启条件时，识别出最低节电池，如下表1所示，为13S主动均衡BMU均衡策略表：

表1

按照表1控制电芯继电器和控基或控偶的均衡策略来同时闭合三路继电器，BMU输出高电平使能DC5V/2A恒流电源模块工作输出4.12V/2A电流对最低单体电池恒流均衡充电，判断一轮均衡周期为15S，开闭均衡为12S，关闭均衡为3S，如此周期循环。

MCU实时计算平均单体电压和最低节电池压差和电压范围做均衡判断，一个周期后如果有其它单体电池满足开启均衡条件，从机MCU开启所相应的继电器通路并均衡充电。

假如在下一个均衡周期（15S）内判断被均衡的最低单体电池已经不满足均衡设置条件时，MCU也会提前关闭该电池所对应的均衡电路继电器和均衡电源模块，重新判断是否还有其它满足均衡的单体电池。如果最终判别没有则关闭所有电源电路，使得主动均衡控制电路处于待机状态。为防止均衡电源模块出现输出过压、过流短路等故障问题对电池的损坏，通过MCU检测到主动均衡电源通过矩阵式继电器输出的电压是否过压，输出电流是否短路，如果有过压或短路故障，MCU会控制主动均衡电源输入测的LINE（EN）使能关断电源输出，增强系统运行的安全稳定性。实际过压保护点4.2V，复位点4.15V，VH= 4.2V，VL= 4.15V出现过压保护时产生下降沿中断给MCU。实际过流保护点5.25A，复位点3.317A，VH=2.101V，VL= 1.327V出现过流保护时产生下降沿中断给MCU。

请参考图11，为一种实施例中主动均衡控制电路的工作流程示意图，首先主动均衡控制电路先处于待机状态。采集电池组电压和温度数据，电池组静态时，主动均衡BMS实时采集电池电压，BMS内部已设定有均衡开启条件先初始化使能控制EN=1，关断主动均衡控制电路的电源。判断电池组是否满足均衡开启条件，满足时主动均衡控制电路开启。当MCU检测到12串电池组中有满足均衡开启条件时（每12串采集电压中平均电压（去掉最高节和最低节电芯电压的电池组总压/10）-最低电压压差＞6mV），识别出最低节电池，MCU控制矩阵式继电器和控基或控偶的均衡策略来同时闭合三路继电器，MCU输出低电平使能主动均衡电源模块工作输出4.12V/2A电流对最低单体电池恒流均衡充电。当MCU检测到最低电池单元的电量已经不满足均衡设置条件时，或者在均衡过程中有检测到电源输出有过压和过流短路等故障时，MCU也会提前关闭该电池所对应的均衡电路继电器和均衡电源模块，重新判断是否还有其它满足均衡的电池单元。如果最终判别没有则关闭主动均衡控制电路的电源，使得主动均衡控制电路处于待机状态。

在本申请实施例中，主动均衡控制电路采用较大电流（2A）的均衡充电电流源，以快速均衡电池单元，效率更高，减少充电和容量不匹配效应。由于BMS主动均衡在市场的方案产品结构复杂，从安全性角度考虑，危险性会比被动均衡严重很多。并且这些都潜在的失效模式，因此为了延长BMS均衡功能的长寿命，并能够保护均衡电路元器件的失效所带来的起火或短路风险。其中，继电器矩阵的驱动和矩阵继电器选通电路采用2路三八译码器来输出驱动，从而避免因为逻辑驱动失效而导致的电芯间正负极间的短路，从而保护了整个电路不会因软件逻辑错误导致的器件失效。尤其采用继电器开关控制方案，成本更低。

本申请公开了一种用于BMS的主动均衡控制电路，包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵。电池监测电路用于监测电池组中每个电池单元的电量信息。控制处理器用于获取电量最低的电池单元，并向开关矩阵发送充电开启信号。开关矩阵发响应充电开启信号向连接电量最低的电池单元的继电器单元发送充电连接信号，连接电量最低的电池单元的继电器单元响应充电连接信号，连接充电电流源和电池电量最低的电池单元，以对电池电量最低的电池单元进行充电。由于当任意两个电池单元的电量差值大于预设值时，对电池电量最低的电池单元进行充电，进而实现对电池组的主动均衡控制。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种用于BMS的主动均衡控制电路，用于对电池组的充放电均衡控制，其特征在于，所述主动均衡控制电路包括电池监测电路、控制处理器、电源闭环控制电路、充电电源电路、开关矩阵和继电器矩阵；

所述电池监测电路与所述控制处理器连接；所述电池监测电路用于监测所述电池组中每个电池单元的电量信息；

所述控制处理器与所述电源闭环控制电路连接；所述控制处理器用于当任意两个所述电池单元的电量的差值大于一第一预设值时，向所述电源闭环控制电路发送电源开启信号；

所述电源闭环控制电路与所述充电电源电路连接；所述电源闭环控制电路用于响应所述电源开启信号，向所述充电电源电路发送电源使能信号；

所述充电电源电路与所述继电器矩阵连接；所述充电电源电路用于响应所述电源使能信号向所述继电器矩阵输出一预设电压值的充电电流源；

所述继电器矩阵包括与所述电池单元数量相同的继电器单元，每个继电器单元与一个所述电池单元连接；

所述开关矩阵包括与所述继电器单元数量相同的开关单元，每个开关单元与一个所述继电器单元连接；所述开关单元用于向连接的所述继电器单元发送充电连接信号；所述继电器单元用于响应所述充电连接信号，连接所述充电电流源和所述电池单元，以对所述电池单元进行充电；

所述控制处理器还与所述开关矩阵连接；所述控制处理器还用于依据每个所述电池单元的电量信息获取电量最低的所述电池单元，并向所述开关矩阵发送充电开启信号；

所述开关矩阵发还用于响应所述充电开启信号向连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元发送所述充电连接信号；连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元响应所述充电连接信号，连接所述充电电流源和电池电量最低的所述电池单元，以对电池电量最低的所述电池单元进行充电。

2.如权利要求1所述的主动均衡控制电路，其特征在于，还包括充电保护电路，与所述控制处理器连接；所述充电保护电路用于监测所述电池单元的充电电压和/或充电电流，并当所述充电电压或所述充电电流大于预设值时，向所述控制处理器发送保护启动信号；所述控制处理器还用于响应所述保护启动信号向所述电源闭环控制电路发送电源关闭信号；所述电源闭环控制电路还用于响应所述电源关闭信号，停止向所述充电电源电路发送电源使能信号，以用所述充电电源电路停止输出充电电流源。

3.如权利要求2所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述充电保护电路包括过流保护电路；

所述过流保护电路包括电流采样比较电路和电流保护信号输出电路；所述电流采样比较电路用于获取所述电池单元的充电电流采样信号，并将所述充电电流采样信号转化为电压信号后再与一第一预设电压信号进行比较；当所述充电电流采样信号转化的电压信号大于所述第一预设电压信号时输出采样电流比较结果信号给所述电流保护信号输出电路；所述第一预设电压信号的电压值为2.101V；

所述电流保护信号输出电路用于当获取所述采样电流比较结果信号时输出保护启动信号给所述控制处理器。

4.如权利要求2所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述充电保护电路包括过压保护电路；

所述过压保护电路包括电压采样比较电路和电压保护信号输出电路；所述电压采样比较电路用于获取所述电池单元的充电电压采样信号，并将所述充电电压采样信号与一第二预设电压信号进行比较；当所述充电电压采样信号大于所述第二预设电压信号时输出采样电压比较结果信号给所述电压保护信号输出电路；所述第二预设电压信号的电压值为4.2V；

所述电压保护信号输出电路用于当获取所述采样电压比较结果信号时输出保护启动信号给所述控制处理器。

5.如权利要求1所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述电池组为磷酸铁锂电池组；所述充电电源电路为反激式变压器电路，所述充电电源电路输出的所述充电电流源的电压为4.125V，电流为2A。

6.如权利要求1所述的主动均衡控制电路，其特征在于，还包括充电电源开关控制电路，连接在所述控制处理器、所述充电电源电路和所述继电器矩阵之间；

所述控制处理器用于当任意两个所述电池单元的电量差值大于一第一预设值时，向所述充电电源开关控制电路发送电源连接信号；所述充电电源开关控制电路用于响应所述电源连接信号连接所述充电电源电路和所述继电器矩阵。

7.如权利要求1所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述控制处理器还用于当电量最大的所述电池单元与电量最小的所述电池单元的电量差小于一第二预设值时，向所述电源闭环控制电路发送电源关闭信号；所述电源闭环控制电路还用于响应所述电源关闭信号，停止向所述充电电源电路发送电源使能信号，以用所述充电电源电路停止输出充电电流源。

8.如权利要求7所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述第一预设值为20mV；所述第二预设值为6mV。

9.如权利要求1所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述开关矩阵包括译码器转换电路；所述译码器转换电路用于依据所述充电开启信号，获取连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元的所述开关单元编号，并通过该编号的所述开关单元向连接电量最低的所述电池单元的所述继电器单元发送所述充电连接信号。

10.如权利要求9所述的主动均衡控制电路，其特征在于，所述开关矩阵包括两组译码器转换电路，一组译码器转换电路与所述继电器矩阵的奇数位继电器单元连接，另一组译码器转换电路与所述继电器矩阵的偶数位继电器单元连接；所述继电器矩阵的奇数位继电器单元与所述电池组的奇数位电池单元连接，所述继电器矩阵的偶数位继电器单元与所述电池组的偶数位电池单元连接。