CN117293963B - 一种大电流主动均衡装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大电流主动均衡装置及其控制方法，大电流主动均衡装置用于同时对串联连接的若干个电池进行充放电均衡，包括：均衡电源、控制板和若干个均衡模块；均衡电源分别与若干个均衡模块连接，将外界供电电压转换为第一预设电压；均衡模块与若干个电池连接，分别检测电池的实时电压值；控制板与均衡模块连接，获取均衡模块检测的若干个电池实时电压值，并依据实时电压值与预设电压阈值的差值控制均衡模块对电池进行充放电，使若干个电池的实时电压值均保持在预设电压阈值。通过均衡模块获取串联电池组中的多个电池实时电压值，并与预设阈值电压进行比较，依据比较结果对电池进行充放电均衡控制。

Description

一种大电流主动均衡装置及控制方法

技术领域

本发明涉及储能控制技术领域，特别涉及一种大电流主动均衡装置及控制方法。

背景技术

单体电池由于生产工艺等原因导致各电池容量与性能的差异，在对电池组进行充放电的过程中，必然会扩大这种差异，长此以往，这种恶性循环过程将加速电池的损坏。因此，动力电池组中的若干个电池需要采用均衡电路以延长电池组寿命是锂电池应用的必需技术要求。目前，市场均衡电流大多在2A以内，均衡时间长，难以在较短的时间内改善电池组的一致性，因而不适用于对均衡效果要求较高的储能电站等大型应用领域。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种大电流主动均衡装置及控制方法，通过均衡模块获取串联电池组中的多个电池实时电压值，并与预设阈值电压进行比较，依据比较结果对电池进行充放电均衡控制。

为解决上述技术问题，本发明实施例的第一方面提供了一种大电流主动均衡装置，用于同时对串联连接的若干个电池进行充放电均衡，包括：均衡电源、控制板和若干个均衡模块；

所述均衡电源分别与若干个所述均衡模块连接，将外界供电电压转换为第一预设电压；

所述均衡模块与若干个电池连接，分别检测获取所述电池的实时电压值；

所述控制板与所述均衡模块连接，获取所述均衡模块检测的所述若干个电池实时电压值，并依据所述实时电压值与预设电压阈值的差值控制所述均衡模块对所述电池进行充放电，使若干个所述电池的实时电压值均保持在所述预设电压阈值。

进一步地，所述均衡模块包括：均衡模块控制器、若干个均衡单元、单体电压采集单元、充放电控制单元；

所述单体电压采集单元分别与所述均衡模块控制器和所述电池电连接，获取所述电池的实时电压值并发送至所述均衡模块控制器；

所述充放电控制单元分别与所述均衡模块控制器和所述均衡单元电连接，依据所述均衡模块控制器的控制信号控制所述均衡单元对相应所述电池进行充放电控制。

进一步地，所述均衡单元包括：电压转换单元和充放电恒流电路；

所述电压转换单元与所述均衡电源电连接，将所述第一预设电压转换为第二预设电压，并向所述充放电恒流电路供电；

所述充放电恒流电路与所述充放电控制单元电连接，依据所述充放电控制单元的控制信号对所述电池进行充放电控制。

进一步地，所述均衡单元还包括：开路检测电路和均衡电流检测反馈电路；

所述开路检测电路和所述均衡电流检测反馈电路均与所述电压转换单元电连接；

所述均衡模块控制器与所述开路检测电路和所述均衡电流检测反馈电路数据连接，获取所述均衡单元的开路检测信号及电流检测信号，并发送至所述控制板。

进一步地，所述充放电恒流电路包括：放电MOS管、充电MOS管、第一二极管、第一采样电阻、第一保险丝、第二保险丝和第一开关；

所述放电MOS管的漏极通过所述第一开关与所述电压转换单元连接，还通过所述第二保险丝与所述电池的正极连接，所述放电MOS管的栅极与所述充放电控制单元连接，所述放电MOS管的源级通过第一采样电阻与所述充电MOS管的源级连接，所述放电MOS管的源级接地；

所述充电MOS管的漏极通过第一保险丝与所述电池的负极连接，其栅极与所述充放电控制单元连接；

当前所述充放电恒流电路的第二保险丝为相邻所述充放电恒流电路中的第一保险丝；

其中，所述放电MOS管和所述充电MOS管为大功率MOS管。

进一步地，所述均衡模块还包括：若干个风机；

所述风机设置于所述均衡单元的相应位置，并与所述控制板电连接，依据所述控制板的控制信号对所述均衡单元进行散热。

进一步地，所述控制板包括：状态显示单元；

所述状态显示模块与所述电池一一对应的状态显示灯；

所述状态显示灯显示相应所述电池的充放电状态及异常告警。

相应地，本发明实施例的第二方面提供了一种大电流主动均衡装置控制方法，用于控制上述大电流主动均衡装置，包括如下步骤：

获取若干个电池的实时电压值，计算所述若干个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值；

判断差值是否大于第一预设差值；

如是，则通过均衡模块控制所述电池进行充放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值；

如否，则保持所述电池的现有状态。

进一步地，所述控制所述电池进行充放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值，包括：

判断所述实时电压值是否大于所述预设电压阈值；

如是，则通过所述均衡模块控制所述电池进行放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值；

如否，则通过所述均衡模块控制所述电池进行充电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值。

进一步地，所述判断差值是否大于第一预设差值之后，还包括：

当多个所述电池的实时电压值与预设电压阈值的差值均大于所述第一预设差值时；

按照差值绝对值由大到小的顺序控制多个所述电池进行充放电。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

利用均衡单元中用于充放电的MOS管的开通电压不同改变MOS的导通电阻实现均衡电流的可调节，从而有效地简化了电池均衡装置设计并提高了应用范围，并大大减小了电路板尺寸，较好地满足各个应用领域中对空间紧凑和结构简单方面的要求。

附图说明

图1是本发明实施例提供的均衡装置连接示意图；

图2是本发明实施例提供的均衡装置布局图；

图3是本发明实施例提供的均衡装置模块图；

图4是本发明实施例提供的母板连线示意图；

图5是本发明实施例提供的均衡模块控制板功能示意图；

图6是本发明实施例提供的均衡模块充放电示意图；

图7是本发明实施例提供的均衡模块恒流原理示意图；

图8是本发明实施例提供的大电流主动均衡装置控制方法流程图；

图9是本发明实施例提供的大电流主动均衡装置控制原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参照图1和图2，本发明实施例的第一方面提供了一种大电流主动均衡装置，用于同时对串联连接的若干个电池进行充放电均衡，包括：均衡电源、控制板和若干个均衡模块；均衡电源分别与若干个均衡模块连接，将外界供电电压转换为第一预设电压；均衡模块与若干个电池连接，分别检测电池的实时电压值；控制板与均衡模块连接，获取均衡模块检测的若干个电池实时电压值，并依据实时电压值与预设电压阈值的差值控制均衡模块对电池进行充放电，使若干个电池的实时电压值均保持在预设电压阈值。

上述装置可以对电池组中串联连接的多个电池中一个或多个电压容量过高或电压过高的电池根据电池的属性同时进行调节。

请参照图3和图4，均衡模块具体包括：均衡模块控制器、若干个均衡单元、单体电压采集单元、充放电控制单元；单体电压采集单元分别与均衡模块控制器和电池电连接，获取电池的实时电压值并发送至均衡模块控制器；充放电控制单元分别与均衡模块控制器和均衡单元电连接，依据均衡模块控制器的控制信号控制均衡单元对相应电池进行充放电控制。

进一步地，均衡模块还包括：若干个风机；风机设置于均衡单元的相应位置，并与控制板电连接，依据控制板的控制信号对均衡单元进行散热。

在本发明实施例的一个具体实施方式中，本装置一共设有四个均衡模块，每个均衡模块均设有三个均衡单元，每个单元与串联电池组中的一个电池连接，控制相应电池进行充放电均衡操作。上述均衡模块和均衡单元的数量仅用来举例说明本发明的实现方式，并非对本申请保护范围的限定。均衡模块和均衡单元的数量只要能够实现本装置的功能，即属于本申请的保护范围。

此外，如图2所示，本装置还设置有数据连通的输入输出接口和均衡模板，均衡模板还分别与四个均衡模块数据连通，四个均衡模块通过均衡模板输入输出接口与外界实现数据连通，接收控制信号并反馈状态信号。

如前所述，请参照图5，本装置中的串联电池的个数最多可为12个，图5中的B0～B12对应为串联12节电池极柱；NC为空位；A和B为RS485通讯端；12V+和12V为均衡模块的工作电源；48V+和48V-为12个均衡单元电源的总电源。

在一个具体实施方式中，如图2所示，每个均衡模块板固定在各自散热器上，形成一个均衡模块，该模块通过连接器和均衡母板驳接，并最终固定在均衡装置底板上。1#～4#共4个均衡模块连接和安装方式同上。

进一步地，均衡单元包括：电压转换单元和充放电恒流电路；电压转换单元与均衡电源电连接，将第一预设电压转换为第二预设电压，并向充放电恒流电路供电；充放电恒流电路与充放电控制单元电连接，依据充放电控制单元的控制信号对电池进行充放电控制。

进一步地，均衡单元还包括：开路检测电路和均衡电流检测反馈电路；开路检测电路和均衡电流检测反馈电路均与电压转换单元电连接；均衡模块控制器与开路检测电路和均衡电流检测反馈电路数据连接，获取均衡单元的开路检测信号及电流检测信号，并发送至控制板。

进一步地，充放电恒流电路包括：放电MOS管、充电MOS管、第一二极管、第一采样电阻、第一保险丝、第二保险丝和第一开关；放电MOS管的漏极通过第一开关与电压转换单元连接，还通过第二保险丝与电池的正极连接，放电MOS管的栅极与充放电控制单元连接，放电MOS管的源级通过第一采样电阻与充电MOS管的源级连接，放电MOS管的源级接地；充电MOS管的漏极通过第一保险丝与电池的负极连接，其栅极与充放电控制单元连接；当前充放电恒流电路的第二保险丝为相邻充放电恒流电路中的第一保险丝。

上述充电MOS管和放电MOS管均为大功率MOS管，配合均衡模块中的散热器和风机等散热器件，在对风道进行优化的基础上，实现了本装置均衡电流的大电流目标，当采用上述四个均衡模块时，本装置可以达到10A的均衡电流。当本装置采用级联方式时，可以实现更大数值的均衡电流，诸如20A或30A的均衡电流，远高于市场上现有的同类产品。

如图2所示，本装置中设置有若干个风机，分别设置于均衡模块的底部，风机向上吹风，对各个沿竖直方向设置的均衡模块内的各类发热器件进行降温，各个均衡模块之间为风机吹风的风道，各均衡模块为开放式式结构，风机向上吹出的冷空气可以沿竖直方向向上至均衡模块的顶部，也可以经过均衡模块内部水平流动后再向顶部流动，以实现对均衡模块内部器件的有效降温。

进一步地，控制板包括：状态显示单元；状态显示模块与电池一一对应的状态显示灯；状态显示灯显示相应电池的充放电状态及异常告警。均衡模块在下发充放电指令前，先要巡检外接保险丝是否完好，另外当某个充放电外接保险丝熔断时则相应的黄灯以1秒1次的频率闪烁告警。

本装置不需要功率电阻，利用MOS的开通电压不同改变MOS的导通电阻实现均衡电流的可调节，从而有效地简化了电池均衡装置设计并提高了应用范围，并大大减小了电路板尺寸，较好地满足各个应用领域中对空间紧凑和结构简单方面的要求。

本装置中的控制板为均衡装置的总控板，主要负责地址管理、通讯部分(CAN和485)、数据存储、风扇控制部分、保护告警管理、内部温度采集、均衡执控制等部分。其中，CAN通讯主要用和上位机和上级管控模块进行通讯；485和内部单元模块的通讯。其中，内部温度采集主要是对电池组和对均衡模块散热器的温度检测保护。

具体的，请参照图6，某一时刻均衡控制器执行对BAT3进行充电均衡，均衡电路的执行情况如下：

均衡模块的控制S3进行闭合，Q6高电平开通；充电均衡电流流向为：均衡电源5V_3正→S3→F4→BAT3正极→BAT3负极→F3→Q6→采样电阻R3→GND3(均衡电源5V_3负)。

回路参见图6中条状虚线。需要注意的是，本装置的充电的大小是通过充电MOS管实现的，利用MOS管的Vgs和Ron的特性关系实现充电电流的可调。

假设某一时刻均衡控制器执行对BAT3进行放电均衡，均衡电路的执行情况如下：

均衡模块的控制S3默认断开，Q5高电平打开；充电均衡电流方向为：BAT3正极→F4→Q5→采样电阻R3→D3→F3→BAT3负极。回路参见图6中点状虚线。同时需要注意的是，本装置的放电负载为各均衡单元的放电MOS管，利用MOS管的Vgs和Ron的特性关系实现放电电流的可调。

采样电阻R3将电流转变为电压，并通过差分放大后与基准电压进行比较达到电流动态平衡，最终实现恒流均衡的目的。其它均衡单元同理。

上述中的基准电压值Vref由以下方式得到：均衡过程中，均衡模块MCU根据充电均衡和放电均衡目标电压值和实际电压值的差值调整PWM输出值，分别输出10档PWM值。10档PWM值根据占空比分别为2.5％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、50％。分别对应均衡电流值为0.5A、1A、2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、10A。PWM值经过积分滤波得到一个稳定的直流电压，该值可以作为基准电压Vref。

每个单体电池之间存在个体差异和温度差异，导致电池端电压不平衡。如果不进行均衡控制，随着充放电循环的增加，各单体电池电压逐渐分化，导致电池寿命大大缩短。为了解决电池组的不一致问题，电池组均衡技术是整个电池管理系统(BMS)中必不可少的手段。一般采取充电均衡和主动均衡两种方式进行均衡。

电池均衡一般使用恒流充电或者方式，原因主要如下：首先，恒流充电方式能够保证每一个单体电池在充电过程中电流和电压稳定，不会因为电流过大或过小而受到损害，从而保证了电池的寿命和安全性。其次，恒流充电方式能够有效地克服电池组中各单体电池的充电速度不同的问题，避免了由于不同单体电池充电速度不同而导致的充电不均衡问题。通过控制每个单体的充电电流，可以确保每个单体电池的充电速度相近，从而保证整个电池组的一致性和均衡性。

具体的，请参照图7，本发明中的均衡单元的恒流原理如下：充电时，基准电压Vref通过K1和到达U2B运放输入的正端，作为充电的基准电压。当Q1导通时，充电电流流向为：5V_1→电池正端→电池负端→Q1漏极→Q1源极→采样电阻RS1→GND1。采样电阻RS1将电流转变为电压，并通过差分放大器U3B放大，放大后的电压接到比较器U2B负端，当放大后的电压与基准一致时，回路达到动态平衡，充电电流Ic将恒定在某一个值，Ic＝Vref/(Av*RS)。Av为差分放大器放大系数。

同样的，放电时，基准电压Vref通过K1和到达U2A运放输入的正端，作为放电的基准电压。当Q2导通时，放电电流流向为：电池正端→Q2漏极→Q2源极→采样电阻RS1→Q1源极→Q1漏极(通过MOS管体二极管)→电池负极。放大器U3A放大，放大后的电压接到比较器U2A负端，当放大后的电压与基准一致时，回路达到动态平衡，放电电流Id将恒定在某一个值，Id＝Vref1/(Av*RS)。其中，Av为差分放大器放大系数。

相应地，请参照图8和图9，本发明实施例的第二方面提供了一种大电流主动均衡装置控制方法，用于控制上述大电流主动均衡装置，包括如下步骤：

步骤S100，获取若干个电池的实时电压值，计算若干个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值。

步骤S200，判断差值是否大于第一预设差值。

步骤S300，如是，则通过均衡模块控制电池进行充放电，调整实时电压值趋近于预设电压阈值。

步骤S400，如否，则保持电池的现有状态。

大电流主动均衡装置控制方法通过本装置实时检测串联电池组中各个电池的实时电压值，当一个或多个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值绝对值大于第一预设差值时，该一个或多个电池需要进行均衡控制充放电。

具体的，步骤S300中的控制电池进行充放电，调整实时电压值趋近于预设电压阈值，包括：

步骤S310，判断实时电压值是否大于预设电压阈值。

步骤S320，如是，则通过均衡模块控制电池进行放电，调整实时电压值趋近于预设电压阈值。

步骤S330，如否，则通过均衡模块控制电池进行充电，调整实时电压值趋近于预设电压阈值。

在一个或多个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值大于第一预设差值的前提下，通过判断一个或多个电压值的实时电压值与预设电压值的大小，当实时电压值大于预设电压阈值，则证明该电池需要进行放电操作，通过上述装置对该电池进行放电；当实时电压值小于预设电压阈值时，则证明该电池需要进行充电操作，通过上述装置对该电池进行充电。

进一步地，步骤S200中的判断差值是否大于第一预设差值之后，还包括：

步骤S200，当多个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值均大于第一预设差值时。

步骤S200，按照差值绝对值由大到小的顺序控制多个电池进行充放电。

当多个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值均大于第一预设电压阈值时，按照差值绝对值的大小排序，首先对与最大差值绝对值相应的电池进行充放电均衡控制，由大至小依次对电池进行充放电均衡控制。

本发明实施例旨在保护一种大电流主动均衡装置及其控制方法，大电流主动均衡装置用于同时对串联连接的若干个电池进行充放电均衡，包括：均衡电源、控制板和均衡模块；均衡电源与若干个均衡模块连接，将外界电压转换为第一预设电压；均衡模块与若干个电池连接，获取电池的实时电压值；控制板与均衡模块连接，获取均衡模块的实时电压值，并依据实时电压值与预设电压阈值的差值控制均衡模块对电池进行充放电，使若干个电池的实时电压值均保持在预设电压阈值。上述技术方案具备如下效果：

利用均衡单元中用于充放电的MOS管的开通电压不同改变MOS的导通电阻实现均衡电流的可调节，从而有效地简化了电池均衡装置设计并提高了应用范围，并大大减小了电路板尺寸，较好地满足各个应用领域中对空间紧凑和结构简单方面的要求。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种大电流主动均衡装置，其特征在于，用于同时对串联连接的若干个电池进行充放电均衡，包括：均衡电源、控制板和若干个均衡模块；

所述均衡电源分别与若干个所述均衡模块连接，将外界供电电压转换为第一预设电压；

所述均衡模块与若干个电池连接，分别检测所述电池的实时电压值；

所述控制板与所述均衡模块连接，获取所述均衡模块检测的所述若干个电池实时电压值，并依据所述实时电压值与预设电压阈值的差值控制所述均衡模块对所述电池进行充放电，使若干个所述电池的实时电压值均保持在所述预设电压阈值；

所述均衡模块包括：均衡模块控制器、若干个均衡单元、单体电压采集单元和充放电控制单元；

所述单体电压采集单元分别与所述均衡模块控制器和所述电池电连接，获取所述电池的实时电压值并发送至所述均衡模块控制器；

所述充放电控制单元分别与所述均衡模块控制器和所述均衡单元电连接，依据所述均衡模块控制器的控制信号控制所述均衡单元对相应所述电池进行充放电控制；

所述均衡单元包括：电压转换单元和充放电恒流电路；

所述电压转换单元与所述均衡电源电连接，将所述第一预设电压转换为第二预设电压，并向所述充放电恒流电路供电；

所述充放电恒流电路与所述充放电控制单元电连接，依据所述充放电控制单元的控制信号对所述电池进行充放电控制；

所述充放电恒流电路包括：放电MOS管、充电MOS管、第一二极管、第一采样电阻、第一保险丝、第二保险丝和第一开关；

所述放电MOS管的漏极通过所述第一开关与所述电压转换单元连接，还通过所述第二保险丝与所述电池的正极连接，所述放电MOS管的栅极与所述充放电控制单元连接，所述放电MOS管的源级通过第一采样电阻与所述充电MOS管的源级连接，所述放电MOS管的源级接地；

所述充电MOS管的漏极通过第一保险丝与所述电池的负极连接，其栅极与所述充放电控制单元连接；

当前所述充放电恒流电路的第二保险丝为相邻所述充放电恒流电路中的第一保险丝；

其中，所述放电MOS管和所述充电MOS管为大功率MOS管。

2.根据权利要求1所述的大电流主动均衡装置，其特征在于，所述均衡单元还包括：开路检测电路和均衡电流检测反馈电路；

所述开路检测电路和所述均衡电流检测反馈电路均与所述电压转换单元电连接；

所述均衡模块控制器与所述开路检测电路和所述均衡电流检测反馈电路数据连接，获取所述均衡单元的开路检测信号及电流检测信号，并发送至所述控制板。

3.根据权利要求1所述的大电流主动均衡装置，其特征在于，所述均衡模块还包括：若干个风机；

所述风机设置于所述均衡单元的相应位置，并与所述控制板电连接，依据所述控制板的控制信号对所述均衡单元进行散热。

4.根据权利要求1所述的大电流主动均衡装置，其特征在于，所述控制板包括：状态显示单元；

所述状态显示模块与所述电池一一对应的状态显示灯；

所述状态显示灯显示相应所述电池的充放电状态及异常告警。

5.一种大电流主动均衡装置控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1-4任一所述的大电流主动均衡装置，包括如下步骤：

获取若干个电池的实时电压值，计算所述若干个电池的实时电压值与预设电压阈值的差值；

判断差值是否大于第一预设差值；

如是，则通过均衡模块控制所述电池进行充放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值；

如否，则保持所述电池的现有状态。

6.根据权利要求5所述的大电流主动均衡装置控制方法，其特征在于，所述控制所述电池进行充放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值，包括：

判断所述实时电压值是否大于所述预设电压阈值；

如是，则通过所述均衡模块控制所述电池进行放电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值；

如否，则通过所述均衡模块控制所述电池进行充电，调整所述实时电压值趋近于所述预设电压阈值。

7.根据权利要求5或6所述的大电流主动均衡装置控制方法，其特征在于，所述判断差值是否大于第一预设差值之后，还包括：

当多个所述电池的实时电压值与预设电压阈值的差值均大于所述第一预设差值时；

按照差值绝对值由大到小的顺序控制多个所述电池进行充放电。