CN117118033B - 一种bms电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法 - Google Patents

一种bms电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于BMS电芯级应用技术领域，具体公开了一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法，包括24V直流总线、多串电芯、若干个双向DC/DC模、MCU控制器和开关矩阵；主动均衡方法包括以下步骤：初级处理、次级处理；主动均衡系统的均衡方法的有以下几种状态：均衡初始化状态、均衡动作执行状态、均衡动作切换状态、均衡保护状态。本发明的一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法的有益效果在于：1、结构设计简单合理、体积小，成本低；2、通过两级分层架构：电池开关矩阵侧为初级(Primary)，24V总线侧为次级(Secondary)，让开关侧与能量控制侧分离，各负其责，让软件算法与硬件设计更加清晰、简单。

Description

一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法
技术领域
本发明属于BMS电芯级应用技术领域，具体涉及一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法。
背景技术
电池管理芯片是指能够对电池进行实时监控，防止其出现过充、过放、过压、过流、过温的状况出现，以达到保证电池系统的平稳运行并延长电池使用寿命的目的。
如图1所示的现有电池组，电芯单体、BMS电池管理模块、全隔离直流转换器，BMS监测各电池BATT 1～BATT N的电芯电压分别为V1～VN，基准电芯的电压值为Vmax，最低电压电芯的电压值Vmin ,并设定额定压差值VE，当Vmax-Vmin＞VE，BMS电池管理模块控制全隔离直流转换器对BATT Vmin的电芯进行均衡充电，直至电压一致，BATT Vmin为其中一个或多个电芯。
现有的电池组所存在问题是：1，现有电池组都是16或18串电芯方案，旧的方案引入过多DCDC，器件冗余，成本过高；2，实际应用中，由于电芯多，板卡制作复杂，实际中安装应用难度大，应用少。
基于上述问题，本发明提供一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法，解决背景技术中电池组所存在的问题。
技术方案：本发明的第一方面提供的一种BMS电芯级主动均衡系统，包括24V直流总线和多串电芯，所述24V直流总线连接有若干个双向DC/DC模块，所述若干个双向DC/DC模块分别连接有MCU控制器、开关矩阵；其中，开关矩阵分别与多串电芯连接。
本技术方案的，所述BMS电芯级主动均衡系统，还包括分别与MCU控制器、开关矩阵连接的74_595芯片；其中，74_595芯片将MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令转换成OUTA，OUTB， OUTC，……OUTn并行信号。
本技术方案的，主动均衡系统采用能量转移式双向DC/DC均衡方式，每个模组配备一个双向DC/DC并通过切换开关矩阵可分别连接至模组中的每个电芯；其中，控制算法将模组中能量高的单体的能量转移至其他模组中能量低的单体，从而达到均衡的目的，保证单体的一致性处于良好状态。
本技术方案的，主动均衡系统均衡控制的拓扑结构，每个模组只能开启一个电芯的均衡，存在两种均衡模式：单充电模式和充放电模式；其中，单充电均衡模式即对系统中一串或多串进行充电均衡，最多定义两串能同时进行充电均衡。
本技术方案的，主动均衡系统均衡的对电芯成对的进行充电和放电时，均衡开启时要先开启充电，后开启放电，均衡停止时要先停止放电，后停止充电；其中，最多可5对电芯进行充放电均衡，两种均衡模式可单独存在，也可同时存在；当满足充放电均衡模式的电芯不足5组时，若有满足单充电模式的电芯，可增加单充电均衡，两种模式最多可存在5组。
本发明的第二方面提供的一种BMS电芯级主动均衡方法，提供BMS电芯级主动均衡系统，其包括24V直流总线、至少一组双向DC/DC模块、MCU控制器、一组开关矩阵、一组74_595芯片；一组双向DC/DC模块分别与24V直流总线连接，一组双向DC/DC模块分别与MCU控制器、一组开关矩阵连接，一组开关矩阵连接分别与多串电芯连接，一组74_595芯片分别与开关矩阵、MCU控制器连接；其中，MCU控制器通过控制两组主控均衡电路实现主控均衡的硬件切换，在主动均衡中定义：电池开关矩阵侧为初级(Primary)，24V总线侧为次级(Secondary)；主动均衡方法包括以下步骤：（1）初级处理：当MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令后，其通过控制串入并出的位移缓存器的输出，即SPI穿行输入数据，通过74_595芯片转换成OUTA，OUTB， OUTC，……OUTn并行信号，并行信号进而控制开关矩阵中的译码器，从而选择和切换每个电池通道CELL_P，CELL_N，……；（2）次级处理：选中的电芯，通过开关通道，然后通过MCU控制器控制DC/DC模块使能信号和PWM信号，联合控制双向DC/DC模块的充电与放电，达到均衡电池的目的。
本技术方案的，所述主动均衡方法在对均衡模式进行识别时，优先识别满足充放电均衡模式的电芯，其次识别单充电均衡模式的电芯。
与现有技术相比，本发明的一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法的有益效果在于：1、结构简单、体积小，成本低；2、通过两级分层架构：电池开关矩阵侧为初级(Primary)，24V总线侧为次级(Secondary)，让开关侧与能量控制侧分离，各负其责，让软件算法与硬件设计更加清晰、简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有电池组的控制电气原理图；
图2是本发明的新一种BMS电芯级主动均衡系统的结构示意图；
图3是本发明的一种BMS电芯级主动均衡系统的控制原理与控制信号示意图；
图4是本发明的一种BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法的主动均衡控制状态机的流程控制状态图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“前面”、“后面”、“中间部位”、“内部”、“顶端”、“底端”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，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
如图2（主动均衡拓扑结构图）所示的一种BMS电芯级主动均衡系统，包括24V直流总线和多串电芯，所述24V直流总线连接有若干个双向DC/DC模块，所述若干个双向DC/DC模块分别连接有MCU控制器、开关矩阵；其中，开关矩阵分别与多串电芯连接。
此外，优选的BMS电芯级主动均衡系统，还包括分别与MCU控制器、开关矩阵连接的74_595芯片；其中，74_595芯片将MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令转换成OUTA，OUTB，OUTC，……OUTn并行信号。
如图3所示的一种BMS电芯级主动均衡方法（BMS电芯级主动均衡系统的控制原理与控制信号），提供BMS电芯级主动均衡系统，其包括24V直流总线、至少一组双向DC/DC模块、MCU控制器、一组开关矩阵、一组74_595芯片；
一组双向DC/DC模块分别与24V直流总线连接，一组双向DC/DC模块分别与MCU控制器、一组开关矩阵连接，一组开关矩阵连接分别与多串电芯连接，一组74_595芯片分别与开关矩阵、MCU控制器连接；
其中，MCU控制器通过控制两组主控均衡电路实现主控均衡的硬件切换，在主动均衡中定义：电池开关矩阵侧为初级(Primary)，24V总线侧为次级(Secondary)；
主动均衡方法包括以下步骤：（1）初级处理：当MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令后，其通过控制串入并出的位移缓存器的输出，即SPI穿行输入数据，通过74_595芯片转换成OUTA，OUTB， OUTC，……OUTn并行信号，并行信号进而控制开关矩阵中的译码器，从而选择和切换每个电池通道CELL_P，CELL_N，……；（2）次级处理：选中的电芯，通过开关通道，然后通过MCU控制器控制DC/DC模块使能信号和PWM信号，联合控制双向DC/DC模块的充电与放电，达到均衡电池的目的。
另外，主动均衡系统采用能量转移式双向DC/DC均衡方式，每个模组配备一个双向DC/DC并通过切换开关矩阵可分别连接至模组中的每个电芯；其中，控制算法将模组中能量高的单体的能量转移至其他模组中能量低的单体，从而达到均衡的目的，保证单体的一致性处于良好状态。
另外，主动均衡系统均衡控制的拓扑结构，每个模组只能开启一个电芯的均衡，存在两种均衡模式：单充电模式和充放电模式；其中，单充电均衡模式即对系统中一串或多串进行充电均衡，最多定义两串能同时进行充电均衡。
另外，主动均衡系统均衡的对电芯成对的进行充电和放电时，均衡开启时要先开启充电，后开启放电，均衡停止时要先停止放电，后停止充电；其中，最多可5对电芯进行充放电均衡，两种均衡模式可单独存在，也可同时存在，当满足充放电均衡模式的电芯不足5组时，若有满足单充电模式的电芯，可增加单充电均衡，两种模式最多可存在5组。
另外，所述主动均衡方法在对均衡模式进行识别时，优先识别满足充放电均衡模式的电芯，其次识别单充电均衡模式的电芯。
本发明的BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法，通过引入电池开关矩阵侧为初级(Primary)，24V总线侧为次级(Secondary)两级架构框架设计，解决实际使用中的灵活性、实用性。
如图4所示的BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法的（流程状态控制图），使用主动均衡系统均衡方法的控制状态机可设置以下几种状态：均衡初始化状态、均衡动作执行状态、均衡动作切换状态、均衡保护状态。
本发明的BMS电芯级主动均衡系统及其主动均衡方法，适用于储能用BMS、车用BMS与船用BMS的电芯主动均衡控制方法与实现。
需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种BMS电芯级主动均衡系统，包括24V直流总线和多串电芯，其特征在于：
所述24V直流总线连接有若干个双向DC/DC模块，
所述若干个双向DC/DC模块分别连接有MCU控制器、开关矩阵；
其中，开关矩阵分别与多串电芯连接；
还包括分别与MCU控制器、开关矩阵连接的74_595芯片，74_595芯片将MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令转换成OUTA，OUTB， OUTC，……OUTn并行信号；
主动均衡系统均衡的对电芯成对的进行充电和放电时，均衡开启时要先开启充电，后开启放电，均衡停止时要先停止放电，后停止充电；最多可5对电芯进行充放电均衡，两种均衡模式可单独存在，也可同时存在，当满足充放电均衡模式的电芯不足5组时，若有满足单充电模式的电芯，可增加单充电均衡，两种模式最多可存在5组；
BMS电芯级主动均衡系统的主动均衡方法，其包括24V直流总线、至少一组双向DC/DC模块、MCU控制器、一组开关矩阵、一组74_595芯片；
一组双向DC/DC模块分别与24V直流总线连接，一组双向DC/DC模块分别与MCU控制器、一组开关矩阵连接，一组开关矩阵连接分别与多串电芯连接，一组74_595芯片分别与开关矩阵、MCU控制器连接；
其中，MCU控制器通过控制两组主控均衡电路实现主控均衡的硬件切换，在主动均衡中定义：电池开关矩阵侧为初级，24V总线侧为次级；
主动均衡方法包括以下步骤：
（1）初级处理：当MCU控制器接收到BSU转发的均衡指令后，其通过控制串入并出的位移缓存器的输出，即SPI穿行输入数据，通过74_595芯片转换成OUTA，OUTB， OUTC，……OUTn并行信号，并行信号进而控制开关矩阵中的译码器，从而选择和切换每个电池通道CELL_P，CELL_N，……；
（2）次级处理：
选中的电芯，通过开关通道，然后通过MCU控制器控制DC/DC模块使能信号和PWM信号，联合控制双向DC/DC模块的充电与放电，达到均衡电池的目的；
主动均衡方法在对均衡模式进行识别时，优先识别满足充放电均衡模式的电芯，其次识别单充电均衡模式的电芯；
使用主动均衡系统均衡方法的控制状态机可设置：均衡初始化状态、均衡动作执行状态、均衡动作切换状态、均衡保护状态。
2.根据权利要求1所述的一种BMS电芯级主动均衡系统，其特征在于：主动均衡系统采用能量转移式双向DC/DC均衡方式，每个模组配备一个双向DC/DC并通过切换开关矩阵可分别连接至模组中的每个电芯；
其中，控制算法将模组中能量高的单体的能量转移至其他模组中能量低的单体，从而达到均衡的目的，保证单体的一致性处于良好状态。
3.根据权利要求1所述的一种BMS电芯级主动均衡系统，其特征在于：主动均衡系统均衡控制的拓扑结构，每个模组只能开启一个电芯的均衡，存在两种均衡模式：单充电模式和充放电模式；
其中，单充电均衡模式即对系统中一串或多串进行充电均衡，最多定义两串能同时进行充电均衡。
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