CN114825557A - 一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法 - Google Patents

一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池管理系统技术领域，尤其是指一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法，其包括隔离开关K1、直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4、DCDC电源模块、MOS管切换模块和BMS主控板；所述隔离开关K1串联在电池簇的正极、中点和负极中的至少两个出线回路中；所述DCDC电源模块的输出端与所述MOS管切换模块连接，所述MOS管切换模块的输出端连接于电池簇的正极、中点和负极的出线回路。本发明设计巧妙、新颖，采用MOS管切换模块实现DCDC电源输出与上下半电池簇的连接与切换，减少了DCDC电源的使用数量，降低成本；实现均衡控制，保证上下电池簇的容量平衡，提升整个电池系统的容量。

Description

一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法
技术领域
本发明涉及电池管理系统技术领域，尤其是指一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法。
背景技术
在储能与不间断电源UPS行业，锂电池替代铅酸电池已成趋势，并将逐渐成为主流。对于中大功率的UPS或者双向变流器PCS，因其拓扑结构的特殊性，通常需要电池簇引出正极、负极、中点线，即相对于电池簇的中点，要求电池系统能提供正负电压。而传统电池系统多数不支持中线接入，要适应UPS/PCS应用，不得不将中线引出，但是引出中线后，锂电池管理系统并不能控制中线的电流，以确保上下半电池簇的容量均衡。实际应用中，UPS/PCS充放电时，电池系统的中线或多或少都会有电流通过，这将导致上下半电池簇的电压不一致，容量出现偏差，长此以往，电池系统的上下半电池簇容量出现严重极化：充电时，快速触发过充保护，放电时，快速触发过放保护，导致系统不可用。这就要求带中线的电池系统具备半电池簇间均衡的能力，保证电池系统的容量不因UPS/PCS中线电流而衰减。
发明内容
本发明针对现有技术的问题提供一种带中线的电池系统充电均衡控制系统及其方法，设计巧妙、新颖，降低了电池管系统改造难度，缩短了开发周期；采用MOS管切换模块实现DCDC电源输出与上下半电池簇的连接与切换，减少了DCDC电源的使用数量，降低成本；MOS管切换模块的切换，仅需要BMS主板控制，节省了硬件资源，不需要电池管理系统主板大改动，且控制逻辑简单、可靠；实现均衡控制，保证上下电池簇的容量平衡，提升整个电池系统的容量。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，包括隔离开关K1、直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4、DCDC电源模块、MOS管切换模块和BMS主控板；
所述隔离开关K1串联在电池簇的正极、中点和负极中的至少两个出线回路中；
所述直流接触器K2的一端、直流接触器K3的一端和直流接触器K4的一端分别连接于电池簇的正极的出线回路、中点的出线回路和负极的出线回路；所述直流接触器K2的另一端、直流接触器K3的另一端和直流接触器K4的另一端分别用于连接外部设备；
所述直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4以及MOS管切换模块分别与所述BMS主控板连接；
所述DCDC电源模块的输入端分别连接于所述直流接触器K2的另一端和直流接触器K4的另一端，所述DCDC电源模块的输出端与所述MOS管切换模块连接，所述MOS管切换模块的输出端连接于电池簇的正极、中点和负极的出线回路。
其中，所述MOS管切换模块包括互锁电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一MOS管切换阵列和第二MOS管切换阵列，所述BMS主控板的信号输出端与所述互锁电路的输入端连接，所述互锁电路的输出端分别与所述第一驱动电路的输入端和第二驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第二驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第一MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的正极的出线回路和中点的出线回路，所述第二MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的中点的出线回路和负极的出线回路，所述DCDC电源模块的输出端分别连接于第一MOS管切换阵列和所述第二MOS管切换阵列。
其中，所述MOS管切换模块还包括第一隔离电源和第二隔离电源，所述第一隔离电源的输出端与所述第一驱动电路的电源端连接，所述第二隔离电源的输出端与所述第二驱动电路的电源端连接。
其中，所述BMS主控板的信号输出端输出的信号包括干接点信号DO1和干接点信号DO2。
本发明还提供了一种带中线的电池系统充电均衡控制方法，包括以下步骤：
S1、BMS首先获取上半簇总电压Vup、下半簇总电压Vdown，并得到上半电池簇总电压与下半电池簇总电压的绝对偏差值Vdiff，即Vdiff＝|Vup-Vdown|；
S2、再获取上半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_u、下半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_d；
S3、如果偏差值Vdiff＞a成立，a为预先设定的半电池簇偏差启动阈值，则执行步骤S4；否则执行步骤S9；
S4、接着判断上、下半电池簇总电压的大小，即如果Vup＞Vdown成立，则执行步骤S5；否则执行步骤S6；
S5、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即如果Vmax_u≥Vmax_d+b成立，b为预先设定的上、下半电池簇中最高单体电压偏差值，则控制下半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1断开、DO2闭合，进入步骤S7；
S6、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即Vmax_d≥Vmax_u+b成立，则控制上半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1闭合、DO2断开，进入步骤S8；
S7、下半电池簇充电均衡过程中，下半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vdown＞Vup+c成立，c为预先设定的半电池簇偏差结束阈值，则执行步骤S9；否则保持下半电池簇均衡状态；
S8、上半电池簇充电均衡过程中，上半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vup＞Vdown+c成立，则执行步骤S9；否则保持上半电池簇均衡状态；
S9、控制上、下半电池簇充电均衡关闭，即BMS输出控制DO1、DO2均断开；
S10、上、下半电池簇均衡完成。
本发明的有益效果：
本发明设计巧妙、新颖，降低了电池管系统改造难度，缩短了开发周期；采用MOS管切换模块实现DCDC电源输出与上下半电池簇的连接与切换，减少了DCDC电源的使用数量，降低成本；MOS管切换模块的切换，仅需要BMS主板控制，节省了硬件资源，不需要电池管理系统主板大改动，且控制逻辑简单、可靠；实现均衡控制，保证上下电池簇的容量平衡，提升整个电池系统的容量。
附图说明
图1为本发明的一种带中线的电池系统充电均衡控制系统的原理图。
图2为本发明的MOS管切换模块的原理图。
图3为本发明的一种带中线的电池系统充电均衡控制方法的流程图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。
实施例1
本实施例1提供了一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，如图1至图2所示，包括隔离开关K1、直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4、DCDC电源模块、MOS管切换模块和BMS主控板；
所述隔离开关K1串联在电池簇的正极、中点和负极中的至少两个出线回路中；
所述直流接触器K2的一端、直流接触器K3的一端和直流接触器K4的一端分别连接于电池簇的正极的出线回路、中点的出线回路和负极的出线回路；所述直流接触器K2的另一端、直流接触器K3的另一端和直流接触器K4的另一端分别用于连接外部设备；
所述直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4以及MOS管切换模块分别与所述BMS主控板连接；
所述DCDC电源模块的输入端分别连接于所述直流接触器K2的另一端和直流接触器K4的另一端，所述DCDC电源模块的输出端与所述MOS管切换模块连接，所述MOS管切换模块的输出端连接于电池簇的正极、中点和负极的出线回路。
具体地，所述MOS管切换模块用来建立DCDC电源模块输出与需要均衡的半电池簇之间的连接；所述隔离开关K1作为控制电池簇与BMS之间的手动开关，它必须串联在正极、中点、负极的至少两个出线回路中，不能仅串联在正极、中点、负极的单一出线回路中。否则，当正处于半电池簇充电均衡时，断开隔离开关时，会出现BMS无法下电关机的情况(对于BMS从电池簇取电的系统来说)；因为DCDC电源模块正在执行半电池簇均衡，其输出是连接在半电池簇上，经过另一个半电池簇后，又连接到DCDC电源模块的输入，相当于电池簇还处于通电状态，出现BMS无法下电的情况。
所述直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4用来实现电池簇与外部设备的连接，BMS主控板能够控制直流接触器的通断，以确保电池簇安全运行；必须保证电池簇的正极、负极出线端串联有直流接触器，这样才能实现上、下半电池簇与外部设备的回路控制；
本实施中，所述DCDC电源模块从直流接触器的对外输出端取电，隔离降压后输出给MOS管切换模块，对需要均衡的半电池簇进行恒流稳压充电；其中，DCDC电源模块的参数选取，应综合考虑电池簇系统满充电压、中线电流、电芯容量等因数；以128串高压电池簇系统为例，电芯容量为52AH，满充电压为460V，外接PCS在不同工况下产生的中线电流平均值为500Ma；DCDC电源模块的输出电压稳压值可以选择电池簇满充电压的一半，即230V；均衡电流可以选择为中线电流的两倍，即1A。这样的电源市面上有成熟产品，不需要重新做定制开发，也能满足均衡要求，有效降低成本。
本实施例中，所述MOS管切换模块包括互锁电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一MOS管切换阵列和第二MOS管切换阵列，所述BMS主控板的信号输出端与所述互锁电路的输入端连接，所述互锁电路的输出端分别与所述第一驱动电路的输入端和第二驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第二驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第一MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的正极的出线回路和中点的出线回路，所述第二MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的中点的出线回路和负极的出线回路，所述DCDC电源模块的输出端分别连接于第一MOS管切换阵列和所述第二MOS管切换阵列；其中，所述BMS主控板的信号输出端输出的信号包括干接点信号DO1和干接点信号DO2。
具体地，举例说明：比如当前下半电池簇需要均衡充电，则BMS主控板输出干接点信号DO1、DO2给MOS管切换模块的互锁电路，互锁电路对干接点信号经过调理锁存后输出驱动控制信号给第一驱动电路和第二驱动电路，实现第一驱动电路关断第一MOS管切换阵列，实现第二驱动电路导通第二MOS管切换阵列，即DCDC电源模块的输出DC+/DC-分别连接到下半电池簇的R+/D-。
比如当前上半电池簇需要均衡充电，则BMS主控板输出干接点信号DO1、DO2给MOS管切换模块的互锁电路，互锁电路对干接点信号经过调理锁存后输出驱动控制信号给第一驱动电路和第二驱动电路，实现第一驱动电路导通第一MOS管切换阵列，实现第二驱动电路关断第二MOS管切换阵列，即DCDC电源模块的输出DC+/DC-分别连接到上半电池簇的D+/R+。
本实施例中，所述MOS管切换模块还包括第一隔离电源和第二隔离电源，所述第一隔离电源的输出端与所述第一驱动电路的电源端连接，所述第二隔离电源的输出端与所述第二驱动电路的电源端连接。具体地，第一驱动电路和第二驱动电路的驱动电源来自12V，12V电源经第一隔离电源和第二隔离电源转换为MOS管导通、关断所需的正负电压，12V电源与BMS主控板属同一路电源，都是来自电池簇系统的高压辅助电源。
因为上、下半电池簇，要么不需要均衡，要么只有其中一个半电池簇需要均衡，因此仅选用一个DCDC电源模块为需要均衡的半电池簇提供能量，选用两路MOS管阵列切换的方式将需要均衡的半电池簇连接到DCDC电源模块的输出。这样选择一个DCDC电源模块即可，降低了系统成本，也节省了BMS系统空间。
实施例2
本实施例2提供了一种带中线的电池系统充电均衡控制方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、BMS首先获取上半簇总电压Vup、下半簇总电压Vdown，并得到上半电池簇总电压与下半电池簇总电压的绝对偏差值Vdiff，即Vdiff＝|Vup-Vdown|；半电池簇的总电压可以是所在半电池簇所有单体电压累计和，这样可以保证非常高的半电池簇总电压采样精度；
S2、再获取上半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_u、下半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_d；
S3、如果偏差值Vdiff＞a成立，a为预先设定的半电池簇偏差启动阈值，则执行步骤S4；否则执行步骤S9；
S4、接着判断上、下半电池簇总电压的大小，即如果Vup＞Vdown成立，则执行步骤S5；否则执行步骤S6；
S5、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即如果Vmax_u≥Vmax_d+b成立，b为预先设定的上、下半电池簇中最高单体电压偏差值，则控制下半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1断开、DO2闭合，进入步骤S7；
S6、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即Vmax_d≥Vmax_u+b成立，则控制上半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1闭合、DO2断开，进入步骤S8；
S7、下半电池簇充电均衡过程中，下半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vdown＞Vup+c成立，c为预先设定的半电池簇偏差结束阈值，则执行步骤S9；否则保持下半电池簇均衡状态；
S8、上半电池簇充电均衡过程中，上半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vup＞Vdown+c成立，则执行步骤S9；否则保持上半电池簇均衡状态；
S9、控制上、下半电池簇充电均衡关闭，即BMS输出控制DO1、DO2均断开；
S10、上、下半电池簇均衡完成。
具体地，BMS主控板对电池簇中需要充电均衡上、下半电池簇的选择，并控制MOS管切换整列将半电池簇接入DCDC电源模块的输出，其详细的控制逻辑如图3所示，即步骤S1～S10，其设计巧妙、新颖，降低了电池管系统改造难度，缩短了开发周期；采用MOS管切换模块实现DCDC电源输出与上下半电池簇的连接与切换，减少了DCDC电源的使用数量，降低成本；MOS管切换模块的切换，仅需要BMS主板控制，节省了硬件资源，不需要电池管理系统主板大改动，且控制逻辑简单、可靠；实现均衡控制，保证上下电池簇的容量平衡，提升整个电池系统的容量。
其中，对于如上步骤出现的预设阈值a、b、c，需要结合实验测试来修正，初始值可以设定为a＝1V，b＝40mV，c＝1V，对系统进行不同工况测试，特别是表现出均衡电流值差异明显的各种工况，来确定均衡效果。对于带中线的电池系统，经过如上的改造后，有效避免了电池簇系统上下半电池簇容量的不平衡，提升了电池簇系统的整体容量。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，其特征在于：包括隔离开关K1、直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4、DCDC电源模块、MOS管切换模块和BMS主控板；
所述隔离开关K1串联在电池簇的正极、中点和负极中的至少两个出线回路中；
所述直流接触器K2的一端、直流接触器K3的一端和直流接触器K4的一端分别连接于电池簇的正极的出线回路、中点的出线回路和负极的出线回路；所述直流接触器K2的另一端、直流接触器K3的另一端和直流接触器K4的另一端分别用于连接外部设备；
所述直流接触器K2、直流接触器K3、直流接触器K4以及MOS管切换模块分别与所述BMS主控板连接；
所述DCDC电源模块的输入端分别连接于所述直流接触器K2的另一端和直流接触器K4的另一端，所述DCDC电源模块的输出端与所述MOS管切换模块连接，所述MOS管切换模块的输出端连接于电池簇的正极、中点和负极的出线回路。
2.根据权利要求1所述的一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，其特征在于：所述MOS管切换模块包括互锁电路、第一驱动电路、第二驱动电路、第一MOS管切换阵列和第二MOS管切换阵列，所述BMS主控板的信号输出端与所述互锁电路的输入端连接，所述互锁电路的输出端分别与所述第一驱动电路的输入端和第二驱动电路的输入端连接，所述第一驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第二驱动电路的输出端与所述第一MOS管切换阵列的输入端连接，所述第一MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的正极的出线回路和中点的出线回路，所述第二MOS管切换阵列的输出端分别连接于电池簇的中点的出线回路和负极的出线回路，所述DCDC电源模块的输出端分别连接于第一MOS管切换阵列和所述第二MOS管切换阵列。
3.根据权利要求1所述的一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，其特征在于：所述MOS管切换模块还包括第一隔离电源和第二隔离电源，所述第一隔离电源的输出端与所述第一驱动电路的电源端连接，所述第二隔离电源的输出端与所述第二驱动电路的电源端连接。
4.根据权利要求1所述的一种带中线的电池系统充电均衡控制系统，其特征在于：所述BMS主控板的信号输出端输出的信号包括干接点信号DO1和干接点信号DO2。
5.一种带中线的电池系统充电均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、BMS首先获取上半簇总电压Vup、下半簇总电压Vdown，并得到上半电池簇总电压与下半电池簇总电压的绝对偏差值Vdiff，即Vdiff＝|Vup-Vdown|；
S2、再获取上半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_u、下半电池簇中所有单体电压的最大值Vmax_d；
S3、如果偏差值Vdiff＞a成立，a为预先设定的半电池簇偏差启动阈值，则执行步骤S4；否则执行步骤S9；
S4、接着判断上、下半电池簇总电压的大小，即如果Vup＞Vdown成立，则执行步骤S5；否则执行步骤S6；
S5、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即如果Vmax_u≥Vmax_d+b成立，b为预先设定的上、下半电池簇中最高单体电压偏差值，则控制下半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1断开、DO2闭合，进入步骤S7；
S6、将上、下半电池簇中的最高单体电压进行比较，即Vmax_d≥Vmax_u+b成立，则控制上半电池簇充电均衡开启，即BMS输出控制DO1闭合、DO2断开，进入步骤S8；
S7、下半电池簇充电均衡过程中，下半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vdown＞Vup+c成立，c为预先设定的半电池簇偏差结束阈值，则执行步骤S9；否则保持下半电池簇均衡状态；
S8、上半电池簇充电均衡过程中，上半电池簇容量得到补充，其总电压表现持续上升，因此如果Vup＞Vdown+c成立，则执行步骤S9；否则保持上半电池簇均衡状态；
S9、控制上、下半电池簇充电均衡关闭，即BMS输出控制DO1、DO2均断开；
S10、上、下半电池簇均衡完成。
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