CN203014420U - 一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，包括有主控制器和能量总线存储单元，所述主控制器与能量总线存储单元之间设有均衡控制单元和进行能量均衡控制的单片机，所述单片机与主控制器连接，所述单片机上还连接有单体电池电压检测模块。本实用新型的目的是通过反激变压器实现单体电池与能量总线存储单元之间的能量传递，单片机通过控制反激变压器上的初级开关驱动模块和次级开关驱动模块的驱动顺序，实现单体电池的能量释放或能量接收，实现单体电池点对点的能量快速均衡，主控制器通过对各单体电池上单片机的多次控制，实现了整个电池组内单体电池的能量均衡。

Description

一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统

[技术领域]

本实用新型涉及电动汽车动力锂电池管理系统领域，特别是一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统。

[背景技术]

在对串联连接的蓄电池组进行充电时，由于电池组中各基本单元的电化学特性存在差异，当一些单元电池被充满电时，而另一些单元电池尚需继续充电，这使得被充满电的单元发生过充电现象。过充电，对蓄电池产生非常不利的影响。相反，那些长期充电不足的蓄电池，会使蓄电池容量下降，内阻增加，造成蓄电池的早期损坏。因此，如何防止蓄电池在充电过程中出现过充和充电不足现象，引起了国内外学者的广泛关注，提出了许多解决上述问题的方法。其中最有效，也被广泛使用的一种方法就是定期为电池进行均衡充电，使各个电池都达到均衡一致的状态。目前对电池组进行均衡管理的算法，主要有能量耗散型和非能量耗散型两种。

能量耗散型的典型方法是电阻均衡，如图3所示，B1、B2…一Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2、、Kn为MCU控制的多路开关，R1、R2、、Rn，为放电平衡电阻。当电池组充电时充电电流I在各节电池中都相等。当某节例如B2电池电压高于其他电池超过某值时，MCU控制的多路开关K2合上，B2通过R2分流，使B2电压下降，如此反复循环11次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案简单、可靠，但电阻会消耗电能并发热，使用中需注意选取电阻阻值及功率，其最大的缺点是放电工作使用中，各单元平衡白白消耗了锂离子电池组的电能。

而非能量耗散型模式主要有共享变压器均衡方法、双向可逆DC／DC动态均衡方法等。这三种方法都可以实现动态均衡，而且没有复杂的控制系统，只要电池组中电池单体电压差超过一定范围，均衡模块就在相邻电池间进行能量交换，从而实现均衡。

共享变压器均衡方法原理如图4所示，它只有一根磁芯，次级线圈分别接在每一接单体，电池组的电流I流入变压器的初级，每个次级分别产生感应电流。单体电池的电压越低，它的电抗就越小，因而感应电流越大。用这种方法，每一节单体获得的均衡电流与其SOC成反比。在共享变压器中，唯一的活动元件就是次级的转换晶体管。不需要闭合线圈，共享变压器方法能快速而且低损耗的对电池组进行均衡。它的缺点也是复杂、元件众多，因为每一个次级都需要整流器件。均衡电路在设计时要考虑能均衡尽可能多的单体，因为增加次级线圈十分复杂。

双向可逆DC／DC动态均衡方法原理如图5所示，利用DC／DC变换器在相邻两个单体电池间建立能量转移的双向通道，相邻单体电池问能量均衡也就保证了整组电池的能量均衡，但其不能直接实现任意两点间的均衡，均衡效果不好。

因此，有必要解决如上问题。

[实用新型内容]

本实用新型克服了上述技术的不足，提供了一种通过反激变压器实现单体电池与能量总线存储单元之间的能量传递，单片机通过控制反激变压器上的初级开关驱动模块和次级开关驱动模块的驱动顺序，实现单体电池的能量释放或能量接收，实现单体电池点对点的能量快速均衡，主控制器通过对各单体电池上单片机的多次控制，实现了整个电池组内单体电池的能量均衡。

为实现上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，包括有主控制器10和用于在单体电池之间能量从高位向低位传递时作为能量中转的能量总线存储单元1，所述主控制器10与能量总线存储单元1之间设有若干个用于控制电池组内单体电池进行能量传递的均衡控制单元2，所述均衡控制单元2包括有用于单体电池与能量总线存储单元1进行能量中转交换的反激变压器T，所述反激变压器T初级绕组与单体电池之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的初级开关驱动模块3，反激变压器T次级绕组与能量总线存储单元1之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的次级开关驱动模块4，所述能量均衡装置还包括有用于控制初级开关驱动模块3和次级开关驱动模块4的导通顺序的单片机5，所述单片机5与主控制器10连接，所述单片机5上还连接有用于检测单体电池能量状态以判断单体电池是否需要进行能量均衡的电压检测模块11。

所述反激变压器T初级绕组上连接有用于消除尖峰作用的稳压管D23和二极管D24，所述稳压管D23正极与反激变压器T初级绕组一端连接，稳压管D23负极与所述二极管D24负极连接，二极管D24正极与反激变压器T初级绕组另一端连接。

所述初级开关驱动模块3包括有受单片机5控制的由开关管Q7和Q9组成的初级推挽驱动电路和由该初级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器T初级绕组是否与单体电池连通形成回路的开关管Q8。

所述次级开关驱动模块4包括有顺次连接的高速光耦U11、由开关管Q10和Q12组成的次级推挽驱动电路、以及由该次级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器T次级绕组是否与能量总线存储单元1连通形成回路的开关管Q11，所述高速光耦U11输入信号控制端与单片机5连接。

所述能量总线存储单元1由并联连接的电解电容C39~C41和电容C38组成，其正极端与反激变压器T次级绕组一端连接，负极端通过次级开关驱动模块4与反激变压器T次级绕组另端连接。

本实用新型的有益效果是：

1、简化了传统的均衡电路设计，对均衡控制单元进行模块化设计，便于扩展，根据单体电池的个数来设置均衡控制单元的个数，通过单片机的控制能够实现单体电池与能量总线存储单元之间能量的双向传输。

2、单片机通过控制初级开关驱动模块和次级开关驱动模块的导通顺序，实现本装置进行能量均衡时能量从电压高的单体电池暂存到能量总线存储单元的过程和之后从能量总线存储单元释放到电压低的单体电池的过程，从而实现了电池组内任意两节单体电池的点对点快速均衡。

3、只需要根据需要和方便，在单体电池之间电压差异超过预设值时进行能量均衡，降低了电池能量的损耗。

4、通过电压检测模块实时了解各单体电池的状态，减少了许多不需要均衡的情形，从而快速完成能量均衡。

5、次级开关驱动模块使用高速光耦将次级推挽驱动电路的电源与单片机控制信号输出端进行隔离，既不影响单片机对次级推挽驱动电路的控制，又避免了电源对单片机的影响。

[附图说明]

图1是本实用新型的结构原理图。

图2是本实用新型的电路图。

图3是现有技术中能量耗散型均衡的电阻均衡原理图。

图4是现有技术中非能量耗散型的共享变压器均衡方法原理图。

图5是现有技术中非能量耗散型的双向可逆DC／DC动态均衡方法原理图。

[具体实施方式]

下面结合附图与本实用新型的实施方式作进一步详细的描述：

如图1所示，一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，包括有主控制器10和用于在单体电池之间能量从高位向低位传递时作为能量中转的能量总线存储单元1，所述主控制器10与能量总线存储单元1之间设有若干个用于控制电池组内单体电池进行能量传递的均衡控制单元2，所述均衡控制单元2包括有用于单体电池与能量总线存储单元1进行能量中转交换的反激变压器T，所述反激变压器T初级绕组与单体电池之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的初级开关驱动模块3，反激变压器T次级绕组与能量总线存储单元1之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的次级开关驱动模块4，所述能量均衡装置还包括有用于控制初级开关驱动模块3和次级开关驱动模块4的导通顺序的单片机5，所述单片机5与主控制器10连接，所述单片机5上还连接有用于检测单体电池能量状态以判断单体电池是否需要进行能量均衡的电压检测模块11。

如上所述，通过电压检测模块11对各单体电池电压进行采样，然后主控制器10判断各单体电池的电压高低，当其中两节单体电池的电压差超过设定的范围时，需要均衡，主控制器10控制对应的均衡控制单元2把电压高的单体电池的能量均衡给电压低的单体电池。

如图2所示，所述反激变压器T的1和3接线头互为同名端，2和4接线头互为同名端。

在本实施例中，所述反激变压器T初级绕组上连接有用于消除尖峰作用的稳压管D23和二极管D24，所述稳压管D23正极与反激变压器T初级绕组2接线头连接，稳压管D23负极与所述二极管D24负极连接，二极管D24正极与反激变压器T初级绕组1接线头连接。

在本实施例中，所述初级开关驱动模块3包括有受单片机5控制的由开关管Q7和Q9组成的初级推挽驱动电路和由该初级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器T初级绕组与单体电池连接形成回路的开关管Q8。如图2所示，所述开关管Q8为N沟道场效应管，开关管Q7为P沟道场效应管，开关管Q9为N沟道场效应管，所述开关管Q7栅极与开关管Q9栅极相连接后作为初级开关驱动模块3控制信号输入端，其通过一电阻R26与单片机5、电阻R25一端连接，电阻R25另一端与开关管Q7源极相连接后接单体电池正极，开关管Q9源极接单体电池负极，开关管Q7漏极与开关管Q9漏极相连接后通过一电阻R27与开关管Q8栅极连接，开关管Q8源极接单体电池负极，开关管Q8作为初级开关驱动模块3的可控开关，其漏极与反激变压器T初级绕组1接线头连接，其源极接单体电池负极。

如上所述的开关管Q8源极与漏极之间还并联有电容C43和稳压管D25，以防止开关管Q8被击穿。

如上所述，在单片机5控制初级开关驱动模块3上开关管Q8导通的情况下，单体电池正极、反激变压器T初级绕组、开关管Q8、以及单体电池负极形成回路，实现单体电池与反激变压器T次级绕组之间能量的传递。

在本实施例中，所述次级开关驱动模块4包括有顺次连接的高速光耦U11、由开关管Q10和Q12组成的次级推挽驱动电路、以及由该次级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器T次级绕组是否与能量总线存储单元1连通形成回路的开关管Q11，所述高速光耦U11输入信号控制端与单片机5连接。如图2所示，所述开关管Q11为N沟道场效应管，开关管Q10为P沟道场效应管，开关管Q12为N沟道场效应管，所述高速光耦U11接地端与开关管Q12源极连接后接地，高速光耦U11电源端与开关管Q10源极连接后接12V电压，所述开关管Q10栅极与开关管Q12栅极相连接后通过一电阻R30与高速光耦U11控制信号输出端连接，开关管Q10漏极与开关管Q12漏极相连接后通过一电阻R31与开关管Q11栅极连接，开关管Q11作为次级开关驱动模块4的可控开关，其漏极与反激变压器T次级绕组4接线头连接，其源极与能量总线存储单元1负极连接后接地。

如上所述的开关管Q11两端还并联有电容C47和稳压管D27，以防止开关管Q11被击穿。

如上所述，在单片机5控制次级开关驱动模块4上开关管Q11导通的情况下，能量总线存储单元1正极、反激变压器T次级绕组、开关管Q11、以及能量总线存储单元1负极形成回路。

在本实施例中，所述能量总线存储单元1由并联的电解电容C39~C41组成，其正极端与反激变压器模块20次级绕组3接线头连接，负极端接地，其作为单体电池间能量均衡时的暂存器与若干个单体电池的均衡控制单元2连接。

如上所述，所述电压检测模块11采集各单体电池的电压状态，主控制器10判断出要需要进行能量均衡的某两个单体电池后，进行能量均衡的能量从电压高的单体电池暂存到能量总线存储单元1的过程和之后从能量总线存储单元1释放到电压低的单体电池的过程，具体步骤如下：

首先，主控制器10向单体电池电压高的单片机5发送控制指令信号，该单片机5接收到指令后，输出一路PWM，通过驱动电路控制反激变压器T初级绕组上的开关管，使本单体电池的能量释放到反激变压器T的磁路上，然后关闭此开关管；

然后，单片机5再打开反激变压器T次级绕组上的开关管，将能量释放到由电容组成的能量总线存储单元1上，之后该单片机5发送指令给主控制器10，完成能量的中转即暂存过程。

其次，主控器10发送控制指令信号给单体电池电压低的单片机5，该单片机5接收到指令后，通过PWM打开其对应的反激变压器T次级绕组上开关管，将能量总线存储单元1上的能量释放到该反激变压器T的初级上，然后关闭该次级开关管，打开初级开关管，将线圈中的能量释放到电压低的单体电池中。这样就完成了一次均衡，实现电池组中任意两节单体电池的点对点快速均衡。

根据需要，通过多次以上所述的高电压单体电池与低电压单体电池的能量均衡，即可减少电池组内各单体电池能量的差异，取得好的供电效果和延长单体电池的寿命。

如上所述，本案保护的是一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其通过反激变压器实现单体电池与能量总线存储单元之间的能量传递，以及单片机通过控制反激变压器上的初级开关驱动模块和次级开关驱动模块的驱动顺序，实现单体电池的能量从高位向低位传递，中间过程通过能量总线存储单元1进行能量的中转暂存，实现了单体电池点对点的能量快速均衡，主控制器通过对各单体电池上单片机的多次控制，实现了整个电池组内单体电池的能量均衡。一切与本实用新型结构相同以及是本实用新型具体电路的等同变换的技术方案都认为落入本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其特征在于包括有主控制器（10）和用于在单体电池之间能量从高位向低位传递时作为能量中转的能量总线存储单元（1），所述主控制器（10）与能量总线存储单元（1）之间设有若干个用于控制电池组内单体电池进行能量传递的均衡控制单元（2），所述均衡控制单元（2）包括有用于单体电池与能量总线存储单元（1）进行能量中转交换的反激变压器（T），所述反激变压器（T）初级绕组与单体电池之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的初级开关驱动模块（3），反激变压器（T）次级绕组与能量总线存储单元（1）之间连接有用于控制两者连通形成回路以使能量从高位向低位传递的次级开关驱动模块（4），所述能量均衡装置还包括有用于控制初级开关驱动模块（3）和次级开关驱动模块（4）的导通顺序的单片机（5），所述单片机（5）与主控制器（10）连接，所述单片机（5）上还连接有用于检测单体电池能量状态以判断单体电池是否需要进行能量均衡的电压检测模块（11）。

2.根据权利要求1所述的一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其特征在于所述反激变压器（T）初级绕组上连接有用于消除尖峰作用的稳压管D23和二极管D24，所述稳压管D23正极与反激变压器（T）初级绕组一端连接，稳压管D23负极与所述二极管D24负极连接，二极管D24正极与反激变压器（T）初级绕组另一端连接。

3.根据权利要求1所述的一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其特征在于所述初级开关驱动模块（3）包括有受单片机（5）控制的由开关管Q7和Q9组成的初级推挽驱动电路和由该初级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器（T）初级绕组是否与单体电池连通形成回路的开关管Q8。

4.根据权利要求1所述的一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其特征在于所述次级开关驱动模块（4）包括有顺次连接的高速光耦（U11）、由开关管Q10和Q12组成的次级推挽驱动电路、以及由该次级推挽驱动电路驱动、用于控制反激变压器（T）次级绕组是否与能量总线存储单元（1）连通形成回路的开关管Q11，所述高速光耦（U11）输入信号控制端与单片机（5）连接。

5.根据权利要求1所述的一种具有单体电池间能量均衡控制的电池管理系统，其特征在于所述能量总线存储单元（1）由并联连接的电解电容（C39~C41）和电容C38组成，其正极端与反激变压器（T）次级绕组一端连接，负极端通过次级开关驱动模块（4）与反激变压器（T）次级绕组另端连接。

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