CN202127255U - 一种电动汽车用动力电池全均衡控制器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种电动汽车用动力电池全均衡控制器，MCU外接电压采集电路完成对动力电池单体电压检测，获取动力电池单体电压的最大和最小单体电压；MCU的CAN通信模块经收发器电平转换后与电池管理系统相连接获取BMS的剩余电量信息与电池均衡阈值。若差值大于设定的电池均衡阈值则进入均衡控制方法。当剩余电量小于等于30%的时候，MCU外接主动均衡控制电路为最低的电池单体充电。当剩余电量大于等于70%的时候，MCU利用GPIO模块C和D外接被动均衡控制电路选通MOS开关，为最高的电池单体放电。当剩余电量在30%~70%之间时，MCU同时打开主被动均衡电路采用混合均衡的控制方法。本实用新型依据电池的剩余电量情况，自动切换均衡模式，在不增加太多硬件成本的基础上，既完成了对动力电池一致性的操作，又减少了电能消耗。

Description

一种电动汽车用动力电池全均衡控制器
技术领域
本实用新型公开一种电动汽车用动力电池全均衡控制器，属于新能源汽车电力控制技术领域。
背景技术
电动汽车的能量主要来源于车载动力电池，而车载动力电池一般是由多个低压电池单体串联而成。由于电池单体在批量生产中上总会存在或多或少的差异，因此动力电池在充放电过程中，有的单体电压会偏高，有的单体电压会偏低，这样动力电池就出现了整体能量的不均匀性。如果动力电池长期处于这种不一致状态，除了会影响电池的使用寿命之外，还容易引起电池损坏，甚至发生爆炸。一旦这种情况出现，无疑会使人民的财产及生命安全蒙受重大损失，
为了消除电池单体的不均匀性，一般采用电池均衡的方法，使动力电池的所有单体都保持相近甚至相同的电压，这样就可以有效避免上述情况的发生。现有的电动汽车一般都采用耗能均衡的方法。虽然这种控制方法可以一定程度上满足均衡动力电池的功能，但是控制电路非常复杂，增加了电动汽车的生产成本，而且均衡过程中能量消耗严重，违背了新能源汽车的研制初衷。因此，传统的电动汽车动力电池均衡方法对这种情况往往无能为力。
发明内容
本实用新型公开一种电动汽车用动力电池全均衡控制器，依据电池的剩余电量情况，自动切换均衡模式，在不增加太多硬件成本的基础上，既完成了对动力电池一致性的操作，又减少了电能消耗。
本实用新型电动汽车用动力电池全均衡控制器的技术解决方案如下：
动力电池全均衡控制装置主要由微控制器(MCU－Micro Control Unit)、电压采集电路、主动均衡控制电路、被动均衡控制电路和控制器局部网(CAN－Controller Area Network)收发器组成。其中，MCU的模数转换(AD－Analog-to-Digital Converter) 模块外接电压采集电路，完成对动力电池单体电压的实时检测。MCU会对获取的动力电池单体电压参数采用冒泡排序的方法，找到最大单体电压和最小单体电压。同时，MCU的CAN通信模块，经过CAN收发器电平转换后，与电池管理系统相连接(BMS－Battery Management System)，获取当前BMS的剩余电量信息与电池均衡阈值。若最大单体电压与最小单体电压之前的差值大于设定的电池均衡阈值，则进入均衡控制方法。当剩余电量小于等于30%的时候，MCU利用通用输入/输出 (GPIO－General Purpose Input Output) 模块A和B，外接主动均衡控制电路，按照控制方法，选通相应的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOS－Metal Oxid Semiconductor) 开关，使最低的电池单体与车载电瓶相连接，为最低的电池单体充电。当剩余电量大于等于70%的时候，MCU利用GPIO模块C和D，外接被动均衡控制电路，按照控制方法，选通相应的MOS开关，使最高的电池单体与均衡电阻相连接，为最高的电池单体放电。当剩余电量在30%~70%之间时，MCU同时打开主被动均衡电路，采用混合均衡的控制方法。当装置完成全均衡控制后，微控制器会以报文的形式向BMS发送本次均衡信息。
本实用新型电动汽车的电动力池全均衡控制器，具体结构如下：
电压采集电路的B0~B24分别与串联的24节电池单体正负极B0~B24相连接。AGND与MCU的模拟地AGND相连接，Vout与MCU的模数转换引脚AD1相连接。Vout会每500ms刷新一次采集到的24节电池单体电压信息。
主动均衡控制电路由MCU的GPIO模块A和B，车载电瓶，以及主动均衡MOS开关矩阵构成。主动均衡MOS开关共有N和P两组各24个。其中，N组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的正极，2脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOA的1~24脚。P组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的负极，2脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOB的1~24脚。当GPIOA和GPIOB的引脚出现低电平时，对应的MOS管1脚与2脚之间导通，从而在车载电瓶与电池单体之间构成回路，车载电瓶开始对电池单体充电。
被动均衡控制电路由MCU的GPIO模块C和D，均衡电阻R1~R24，以及被动均衡MOS开关矩阵构成。被动均衡MOS开关共有S和K两组各24个。其中，S组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的一端，1脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOC的1~24脚。K组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的另一端，1脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOD的1~24脚。当GPIOC和GPIOD的引脚出现低电平时，对应的MOS管1脚与2脚之间导通，从而在均衡电阻与电池单体之间构成回路，均衡电阻开始对电池单体放电。
MCU的CAN通信模块的信号接收管脚CAN_RXD和信号发送管脚CAN_TXD与CAN收发器的信号接收管脚RXD和信号发送管脚TXD相连接，完成CAN总线的TTL电平传输；CAN收发器的CANH端和CANL端与BMS的CAN总线接口CANH端和CANL端相连，完成CAN总线的差分电平传输，这样就实现了TTL电平与差分电平的转换。
动力电池全均衡控制装置按照以下控制方法，完成对动力电池的一致性控制：
(1). 通过电压采样电路采集电池单体电压；
(2). 通过CAN总线读取BMS的电池剩余电量信息；
(3). 通过CAN总线读取BMS的电池均衡阈值信息；
(4). 调用冒泡排序函数，找到最高与最低单体电压。
(5). 若最大单体电压与最小单体电压之前的差值大于设定的电池均衡阈值，则进入均衡控制；否则，5秒后返回步骤 (1).
(6). 若当剩余电量小于等于30%，GPIO模块A与GPIO模块B，按下表的控制方法选通N1~N24及P1~P24引脚，导通主动均衡MOS开关组，完成对应车载电瓶与电池单体之间的主动均衡；
Figure 999859DEST_PATH_IMAGE001
(7). 若当剩余电量大于等于70%，GPIO模块C与GPIO模块D，按下表的控制方法选通S1~S24及K1~K24引脚，导通被动均衡MOS开关组，完成对应均衡电阻R与电池单体之间的被动均衡；
Figure 751914DEST_PATH_IMAGE002
(8). 若当前剩余电量在30%~70%之间，GPIO模块A, GPIO模块B, GPIO模块C, GPIO模块D，将会一起控制均衡MOS开关组，完成混合均衡控制；
(9). 向BMS发送CAN报文，上报本次均衡信息；
(10).全均衡5秒后，返回步骤 (1)。
本实用新型积极效果在于：依据电池的剩余电量情况，制定合理的均衡策略。装置选用了价格便宜的MOS开关，并不会增加太多硬件成本。而主被动全均衡控制模式，既高效地解决了动力电池充放电的不一致性问题，又有效地节省了均衡中无谓消耗的电能。
附图说明
图1为本实用新型结构框图；
图2为本实用新型电路原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示：动力电池全均衡控制装置主要由微控制器(MCU－Micro Control Unit)、电压采集电路、主动均衡控制电路、被动均衡控制电路和控制器局部网(CAN－Controller Area Network)收发器组成。其中，MCU的模数转换(AD－Analog-to-Digital Converter) 模块外接电压采集电路，完成对动力电池单体电压的实时检测。MCU会对获取的动力电池单体电压参数采用冒泡排序的方法，找到最大单体电压和最小单体电压。同时，MCU的CAN通信模块，经过CAN收发器电平转换后，与电池管理系统相连接(BMS－Battery Management System)，获取当前BMS的剩余电量信息与电池均衡阈值。若最大单体电压与最小单体电压之前的差值大于设定的电池均衡阈值，则进入均衡控制方法。当剩余电量小于等于30%的时候，MCU利用通用输入/输出 (GPIO－General Purpose Input Output) 模块A和B，外接主动均衡控制电路，按照控制方法，选通相应的金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOS－Metal Oxid Semiconductor) 开关，使最低的电池单体与车载电瓶相连接，为最低的电池单体充电。当剩余电量大于等于70%的时候，MCU利用GPIO模块C和D，外接被动均衡控制电路，按照控制方法，选通相应的MOS开关，使最高的电池单体与均衡电阻相连接，为最高的电池单体放电。当剩余电量在30%~70%之间时，MCU同时打开主被动均衡电路，采用混合均衡的控制方法。当装置完成全均衡控制后，微控制器会以报文的形式向BMS发送本次均衡信息。
实施例2
如图2所示：电压采集电路的B0~B24分别与串联的24节电池单体正负极B0~B24相连接。AGND与MCU的模拟地AGND相连接，Vout与MCU的模数转换引脚AD1相连接。Vout会每500ms刷新一次采集到的24节电池单体电压信息。
主动均衡控制电路由MCU的GPIO模块A和B，车载电瓶，以及主动均衡MOS开关矩阵构成。主动均衡MOS开关共有N和P两组各24个。其中，N组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的正极，2脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOA的1~24脚。P组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的负极，2脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOB的1~24脚。当GPIOA和GPIOB的引脚出现低电平时，对应的MOS管1脚与2脚之间导通，从而在车载电瓶与电池单体之间构成回路，车载电瓶开始对电池单体充电。
被动均衡控制电路由MCU的GPIO模块C和D，均衡电阻R1~R24，以及被动均衡MOS开关矩阵构成。被动均衡MOS开关共有S和K两组各24个。其中，S组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的一端，1脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOC的1~24脚。K组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的另一端，1脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOD的1~24脚。当GPIOC和GPIOD的引脚出现低电平时，对应的MOS管1脚与2脚之间导通，从而在均衡电阻与电池单体之间构成回路，均衡电阻开始对电池单体放电。
MCU的CAN通信模块的信号接收管脚CAN_RXD和信号发送管脚CAN_TXD与CAN收发器的信号接收管脚RXD和信号发送管脚TXD相连接，完成CAN总线的TTL电平传输；CAN收发器的CANH端和CANL端与BMS的CAN总线接口CANH端和CANL端相连，完成CAN总线的差分电平传输，这样就实现了TTL电平与差分电平的转换。

Claims (1)

1.一种电动汽车的动力电池全均衡控制器，其特征在于： 
电压采集电路的B0~B24分别与串联的24节电池单体正负极B0~B24相连接；AGND与MCU的模拟地AGND相连接，Vout与MCU的模数转换引脚AD1相连接；Vout每500ms刷新一次采集到的24节电池单体电压信息；
主动均衡控制电路由MCU的GPIO模块A和B，车载电瓶，以及主动均衡MOS开关矩阵构成；主动均衡MOS开关共有N和P两组各24个；其中，N组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的正极，2脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOA的1~24脚；P组24 个MOS开关的1脚接车载电瓶的负极，2脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOB的1~24脚；
被动均衡控制电路由MCU的GPIO模块C和D，均衡电阻R1~R24，以及被动均衡MOS开关矩阵构成；被动均衡MOS开关共有S和K两组各24个；其中，S组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的一端，1脚接24节电池单体的正极，3脚接GPIOC的1~24脚；K组24 个MOS开关的2脚接均衡电阻R的另一端，1脚接24节电池单体的负极，3脚接GPIOD的1~24脚；
MCU的CAN通信模块的信号接收管脚CAN_RXD和信号发送管脚CAN_TXD与CAN收发器的信号接收管脚RXD和信号发送管脚TXD相连接，完成CAN总线的TTL电平传输；CAN收发器的CANH端和CANL端与BMS的CAN总线接口CANH端和CANL端相连，完成CAN总线的差分电平传输，实现TTL电平与差分电平的转换。
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