CN203352230U - 一种动力电池零电流开关主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力电池零电流开关主动均衡电路，利用LC准谐振电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡，均衡电路包括微控制器、均衡切换电路和LC准谐振电路。均衡切换电路用于在微控制器的控制下，将LC准谐振电路在电池单体间切换；微控制器借助电压采集电路，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号，若最大单体电压差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路，在均衡状态下，微控制器控制均衡切换电路将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，当微控制器发出的切换频率等于LC的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡。

Description

一种动力电池零电流开关主动均衡电路

技术领域

本实用新型涉及一种新能源汽车电力控制技术，尤其是一种动力电池零电流开关主动均衡电路。

背景技术

目前，分耗散型和能量非耗散型两大类。能量耗散型通过给电池组中每个单体电池并联一个电阻来进行放电分流，从而实现均衡。能量非耗散型电路采用电容、电感作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的充电方案。

能量耗散型电路结构简单，但是存在能量浪费和热管理的问题。能量非耗散型电路存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等缺点。

中国实用新型专利申请（申请号201010572115.X）公开了一种利用均衡电阻对电池组中电池单体进行均衡的电路，主要包括控制器、电阻切换电路和均衡电阻。首先根据采集的电压值确定每个电池单体的剩余电量，然后控制电阻切换电路将均衡电阻与电量较高的电池单体并联，给该电池单体放电，从而实现电池单体电量均衡。实质上该电路是通过能量消耗的方式限制电池单体电压过高，只适合于静态均衡中，存在能量浪费和热管理的问题。

中国实用新型专利申请（申请号201210595724.6）提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和开关模块及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，这种“击鼓传花”的均衡方式，使得均衡效率会大大降低。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术中无法有效消除电池组内电池单体之间不一致性的问题，提供一种动力电池零电流开关主动均衡电路，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，因为每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，从而有效减少电池单体之间的不一致性。

为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种动力电池零电流开关主动均衡电路，包括微控制器，所述微控制器包括模数转换模块、两个信号输出端和若干通用IO端；

所述模数转换模块用于将电压采集电路采集的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；

所述两个信号输出端分别与一个多路选通开关的输入端相连，多路选通开关的多个输出端分别与各个电池单体对应的切换单元的输入端相连；所述两个信号输出端用于产生一对状态互补的控制信号，控制LC准谐振电路在两个电池单体间切换；

所述通用IO端与多路选通开关的控制输入端相连；所述通用IO端用于译码所述微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号，控制多路选通开关导通将所述一对互补的PWM信号分别送至电压最高和最低的电池单体对应切换单元的输入端；

多个所述切换单元组成均衡切换电路，每个切换单元对应一个电池单体设置；

每个切换单元包括四个驱动芯片和四个金属氧化物半导体金属管MOS管；其中两个MOS管反向串联即漏极与漏极相连后的一端与电池单体的正极相连，另一端与所述LC准谐振电路的正极相连；另外两个MOS管反向串联即漏极与漏极相连后的一端与电池单体的负极相连，另一端与所述LC准谐振电路的负极相连。

所述控制信号为脉冲宽度调制信号PWM。

一种动力电池零电流开关主动均衡电路的实现方法，

微控制器利用电压采集电路，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号，若最大单体电压差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；

在均衡状态下，微控制器控制均衡切换电路将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换；

当LC准谐振电路与电压最高的电池单体并联时，电池单体给电容C充电，当所述LC准谐振电路与电压最低的电池单体并联时，电容C给电池单体充电，从而实现两个电池单体电压的不断均衡；

当微控制器发出的切换频率等于LC准谐振电路的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体间的不一致性。

本实用新型利用LC准谐振电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡，动力电池均衡电路包括微控制器（MCU）、均衡切换电路和LC准谐振电路，其中，

微控制器（MCU）利用电压采集电路，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号，若最大单体电压差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；在均衡状态下，微控制器（MCU）控制所述均衡切换电路将所述LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，当LC与电压最高的电池单体并联时，电池单体给电容C充电，当LC准谐振电路与电压最低的电池单体并联时，电容C给电池单体充电，从而实现两个电池单体电压的不断均衡，特别地当所述微控制器发出的切换频率等于所述LC准谐振电路的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体间的不一致性。

微控制器包括模数转换模块、两个信号输出端和若干通用IO端。其中所述模数转换模块用于将电压采集电路采集的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；所述两个信号输出端用于产生一对状态互补的控制信号，控制所述LC准谐振电路在两个电池单体间切换；所述通用IO端用于译码所述微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号。

均衡切换电路包括多个切换单元，每个切换单元对应一个电池单体设置，在所述微控制器的控制下，切换单元将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，实现零电流开关均衡。

并且，所述微控制器的两个信号输出端分别与一个多路选通开关的输入端相连，多路选通开关的多个输出端分别与各个电池单体对应的切换单元的输入端相连；所述通用IO端与多路选通开关的控制输入端相连。

每个切换单元进一步包括四个驱动芯片和四个金属氧化物半导体金属管MOS管。其中两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一端与电池单体的正极相连，另一端与所述LC准谐振电路的正极相连；另外两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一端与电池单体的负极相连，另一端与所述LC准谐振电路的负极相连。

其中，上述控制信号为脉冲宽度调制信号PWM。

并且，所述脉冲宽度调制信号PWM进一步用于驱动所述切换单元，将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，并且通过调整PWM信号的频率实现零电流开关均衡。所述通用IO端进一步用于将电压最高和最低的电池单体编号进行译码，实时地控制多路选通开关的不同通道输出，将PWM信号送至电压最高和最低的电池单体对应的切换单元。

本实用新型的有益效果是：借助于上述技术方案，所述微控制器根据最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体编号，经过IO译码控制多路选通开关的不同通道导通将所述一对互补的PWM信号分别送至电压最高和最低的电池单体对应切换单元的输入端，控制所述LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，特别地，当发送的PWM信号频率等于所述LC固有谐振频率时，实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体间的不一致性。

附图说明

图1是本实用新型应用原理图；

图2是根据本实用新型中主控电路图；

图3是根据本实用新型中PWM选通电路图；

图4是根据本实用新型中LC均衡切换电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

针对相关技术中无法有效消除电池组内电池单体之间不一致性的问题，如图1所示，电池管理系统（BMS）通过本实用新型的技术方案能够有效消除电池组内电池单体之间不一致性的问题。本实用新型提出，由微控制器借助电压采集电路采集各电池单体的电压信号，确定电压最高和最低的电池单体并判断是否满足均衡条件，若满足条件，微控制器控制均衡切换电路将所述LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，实现两者电压的不断均衡，当切换频率等于LC准谐振电路谐振频率时，形成准谐振实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体，极大提高了均衡效率，从而有效减小电池单体之间的不一致性，并且能够节省设备的体积和成本。

下面详细描述本实用新型的实施例。

根据本实用新型的实施例，提供了一种电动汽车动力电池零电流开关主动均衡电路，利用LC准谐振电路对电池组（例如，磷酸铁锂电池）中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡。

其中，微控制器（MCU）利用电压采集电路，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号，若最大单体电压差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；

在均衡状态下，微控制器（MCU）控制所述均衡切换电路将所述LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，当LC与电压最高的电池单体并联时，电池单体给电容C充电，当LC与电压最低的电池单体并联时，电容C给电池单体充电，从而实现两个电池单体电压的不断均衡；

特别地当所述微控制器发出的切换频率等于所述LC的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体间的不一致性。

其中，微控制器包括模数转换模块、两个信号输出端和若干通用IO端。其中所述模数转换模块用于将电压采集电路采集的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；所述两个信号输出端用于产生一对状态互补的控制信号，控制所述LC准谐振电路在两个电池单体间切换；所述通用IO端用于译码所述微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号。

均衡切换电路包括多个切换单元，每个切换单元对应一个电池单体设置，在所述微控制器的控制下，切换单元将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，实现零电流开关均衡。

具体地，微控制器的两个信号输出端分别与一个多路选通开关的输入端相连，多路选通开关的多个输出端分别与各个电池单体对应的切换单元的输入端相连；所述通用IO端与多路选通开关的控制输入端相连。

并且每个切换单元进一步包括四个驱动芯片和四个金属氧化物半导体金属管MOS管。其中两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一端与电池单体的正极相连，另一端与所述LC准谐振电路的正极相连；另外两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一端与电池单体的负极相连，另一端与所述LC准谐振电路的负极相连。

其中，所述控制信号为脉冲宽度调制信号PWM。并且，所述脉冲宽度调制信号PWM进一步用于驱动所述切换单元，将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换，并且通过调整PWM信号的频率实现零电流开关均衡。所述通用IO端进一步用于将电压最高和最低的电池单体编号进行译码，实时地控制多路选通开关的不同通道输出，将PWM信号送至电压最高和最低的电池单体对应的切换单元。

下面将结合图2至图4，详细描述微控制器和均衡切换电路的结构和工作原理。

所述均衡电路的微控制器采用数字信号处理DSP（TMS320F2812）如图2所示；多路选通开关由两片CD4051实现如图3所示；MOS管驱动芯片（驱动芯片）采用HCPL_3120如图4所示。

DSP（TMS320F2812）配置如图2所示，GPIOA0/PWM1和GPIOA1/PWM2管脚产生一对互补的PWM信号PWM+和PWM-，并分别与两片CD4051模拟通道的输入端相连；GPIOA6～GPIOA13作为两片CD4051的控制输入信号P0～P7，分别与其二进制控制输入端A、B、C和相连；电池电压采样信号VBT1～VBT3接入管脚ADCINA0～ADCINA2并进行高精度A/D转换，用于确定电压最高和最低的电池单体及对应的电池编号。

如图3所示，为所述微控制器的PWM选通电路，由两片CD4051实现，CD4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及

共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。其中一片CD4051在控制器DSP GPIOA10～GPIOA13管脚的控制下将PWM+送至电压最高电池单体对应的切换单元，另一片在控制器DSPGPIOA6～GPIOA9管脚的控制下将PWM-送至电压最低电池单体对应的切换单元。

如图4所示，为所述均衡主电路，由均衡切换电路和一个LC准谐振电路组成。其中每节电池单体对应一个切换单元，（除首尾电池单体外）均由四个驱动芯片和四个金属氧化物半导体金属管（下文简称MOS管）组成。其中两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一端源极与电池单体的正极相连，另一个源极与所述LC准谐振电路的正极相连；另外两个MOS管反向串联（漏极与漏极相连）后的一个源极与电池单体的负极相连，另一个源极与所述LC准谐振电路的负极相连。如图4所示，U1、Q1、D1和U2、Q2、D2为对用于电池单体BT1的切换单元；U3、Q3、D3、U4、Q4、D4和U5、Q5、D5、U6、Q6、D6为对用于电池单体BT2的切换单元；U7、Q7、D7和U8、Q8、D8为对用于电池单体BT3的切换单元。

其中MOS管的栅极通过一个电阻与驱动芯片HCPL_3120的输出端6管脚相连，驱动芯片HCPL_3120的输入端2管脚与多路选通开关CD4051的输出端相连。

控制器DSP对电池组内的电池单体进行电压采集，确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池编号，并判断是否满足均衡开启条件，若满足，进行均衡。DSP将最高单体电压对应的电池编号和最低单体电压对应的电池编号，通过GPIOA6～GPIOA13管脚译码，控制CD4051分别把控制器DSP发出的PWM+和PWM-送至电压最高和最低电池单体对应的切换单元，由于两个PWM状态相反，使得LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换。

假设电池单体BT1电压最高，电池单体BT3电压最低，控制器DSP把GPIOA6～GPIOA9管脚译码成0010，控制CD4051 U0^选通x2路，PWM-通过CD4051 U0^的x2路传送到驱动芯片U7的输入端，并驱动MOS管Q7开关；同时把GPIOA10～GPIOA13管脚译码成0000，控制CD4051 U0选通x0路，PWM+通过U0的x0路传送到驱动芯片U1的输入端，并驱动MOS管Q1开关。当PWM+为高电平时（PWM-为低电平），Q1导通，电流从BT1的正极通过Q1的漏极进入LC准谐振电路，并通过与BT1负极串联的MOS管Q2的反并联二极管D2回到单体电池BT1的负极，BT1给电容C充电。当PWM-为高电平时（PWM+为低电平），Q7导通，电流从LC准谐振电路的正极通过Q7的漏极进入BT3的正极，并通过与BT3负极串联的MOS管Q8的反并联二极管D8回到LC准谐振电路的负极，电容C给BT3充电。从而实现BT1和BT3的均衡，特别地当PWM频率等于LC准谐振电路的固有谐振频率时，形成准谐振实现零电流开关均衡。

综上所述，借助于本实用新型的上述技术方案，将LC准谐振电路在电压最高和最低的电池单体间周期循环切换。当LC准谐振电路与电压最高的电池单体并联时，电池单体给电容C充电，当LC准谐振电路与电压最低的电池单体并联时，电容C给电池单体充电，从而实现两个电池单体电压的不断均衡，当切换频率等于L准谐振电路C的固有谐振频率时，形成准谐振实现零电流开关均衡，值得一提的是每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行，极大提高了均衡效率，有效改善了电池单体间的不一致性，而且能够节省设备的体积和成本。

应当注意图1至图3所示的仅仅是实现LC准谐振切换的一种具体实施方案，在实际应用中也可以采用其他的连接方式对上述部件进行组合连接，而所进行连接方式的改变同样属于本实用新型的保护范围。

另外，除了通过图2至4所示的方案能够将LC准谐振电路选择性地并联至某个电池单体之外，还可以通过开关阵列或结合其他电路器件的方式达到该目的，具体的方式本文不再一一列举。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种动力电池零电流开关主动均衡电路，其特征是，包括微控制器，所述微控制器包括模数转换模块、两个信号输出端和若干通用IO端；

所述模数转换模块用于将电压采集电路采集的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；

所述两个信号输出端分别与一个多路选通开关的输入端相连，多路选通开关的多个输出端分别与各个电池单体对应的切换单元的输入端相连；所述两个信号输出端用于产生一对状态互补的控制信号，控制LC准谐振电路在两个电池单体间切换；

所述通用IO端与多路选通开关的控制输入端相连；所述通用IO端用于译码所述微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号，控制多路选通开关导通将一对互补的PWM信号分别送至电压最高和最低的电池单体对应切换单元的输入端；

多个所述切换单元组成均衡切换电路，每个切换单元对应一个电池单体设置；

每个切换单元包括四个驱动芯片和四个金属氧化物半导体金属管MOS管；其中两个MOS管反向串联即漏极与漏极相连后的一端与电池单体的正极相连，另一端与所述LC准谐振电路的正极相连；另外两个MOS管反向串联即漏极与漏极相连后的一端与电池单体的负极相连，另一端与所述LC准谐振电路的负极相连。

2.如权利要1所述的电路，其特征是，所述控制信号为脉冲宽度调制信号PWM。

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