CN203707815U - 动力电池组的均衡控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种动力电池组的均衡控制系统，包括：均衡装置，包括分别用于对多个单体电池中每个单体电池进行均衡的多个单体电池均衡器，且均衡器与对应的单体电池并联构成单体电池充/放电回路；多个控制开关，一一对应地设置在每个单体电池充/放电回路中；用于根据开关控制指令控制多个控制开关开启和闭合的执行器，执行器分别与多个控制开关相连；控制器，与执行器相连，以在判断动力电池组达到单体电池平衡条件时向执行器发送开关控制指令。本实用新型的系统根据控制器和执行器的协调、互补，具有较高的均衡速率、可靠性和安全性，另外，该系统采用纯硬件结构作为执行器，因此，还具有极强抗干扰能力。

Description

动力电池组的均衡控制系统

技术领域

本实用新型涉及汽车制造技术领域，特别涉及一种动力电池组的均衡控制系统。

背景技术

动力电池是电动汽车的动力来源，动力电池的使用情况直接影响电动汽车的行驶里程。电动汽车中的电池组由数百节单体电池串联而成，电池成组后单体电池间存在着性能上的差异，由于单体电池在充/放电时会出现单体电压不一致的情况，从而影响和制约着整个电池模块的充/放电能力。在工作中只要有一个单体电池达到充/放电电压极限，整个电池模块就要停止充/放电，否则单体电池会发生过充或过放，严重影响其寿命。因此对单体电池的有效均衡显得尤为重要。

目前，均衡技术主要有耗能式的被动均衡和非耗能式的主动均衡2种。前者技术比较成熟，但是其均衡效率低，均衡效果差，且存在能量的浪费、均衡时间长和散热的问题，不符合节能减排的要求，一般只用于充电状态下的均衡。后者与前者相比，其结构与控制理论要复杂很多。

当前常见的主动均衡方案，通常将单片机作为控制核心并辅以相应的元器件构成一个整体。这种方法硬件连线复杂、可靠性差，且在实际应用中往往需要外加扩展芯片，这无疑会增大控制系统的体积，还会增加引入干扰的可能性。另外单片机在应用过程中，存在以下缺点：1）低速。由于单片机工作在串行工作状态下，即使是高速度单片机也只能工作在μs级；2）低可靠性。虽然目前有很多器件与设计在一定程度上解决了部分问题，如看门狗的广泛应用，但在某些情况下瞬间的复位也会造成严重后果。

作为一个例子，如图1所示，目前基于变压器的主动平衡控制系统由单片机作为主控制器，由单片机通过通用IO接口直接控制均衡变压器的开关管。

均衡模块采用变压器绕组形式，功能类似于DC/DC转换器，Np为原边绕组接在电池组两端，N1～Nn为副边绕组接在电池单体两边，均衡控制器通过平衡开关控制哪一路电池进行充电放电均衡，均衡控制器首先检测每节单体电池电压，确定最大单体电压和最低单体电压，通过平衡开关，使最大单体电压能量流向整组电池，最大单体电池给整组电池充电；整组电池能量流向最小单体电压，实现整组电池给最小电池充电，使整组电池所有单体电池满足平衡。

由于当前基于变压器的主动平衡控制系统采用纯单片机系统，由单片机直接控制平衡开关，若增加平衡电池的数量，则需重新布线，且平衡单体电池的最大数量受限于单片机通用IO口的数量。并且，纯单片机系统的抗干扰能力相对较差，在系统设计中，虽然注意了芯片、器件选择、去耦滤波、电路板的布线，通道隔离以及屏蔽，但在某些情况下瞬间的复位也会造成严重后果。而且单片机在上、下电时，管脚的状态不定，系统的安全性也受到影响。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本实用新型的目的在于提供一种动力电池组的均衡控制系统，该系统根据控制器和执行器的协调、互补，具有较高的均衡速率、可靠性和安全性，另外，该系统采用纯硬件结构作为执行器，因此，还具有极强抗干扰能力。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种动力电池组的均衡控制系统，所述动力电池组包括串联的多个单体电池，所述动力电池组的均衡系统包括：均衡装置，所述均衡装置包括分别用于对所述多个单体电池中每个单体电池进行均衡的多个单体电池均衡器，所述均衡器与对应的单体电池并联构成单体电池充/放电回路；多个控制开关，所述多个控制开关一一对应地设置在每个单体电池充/放电回路中；用于根据开关控制指令控制所述多个控制开关开启和闭合的执行器，所述执行器分别与所述多个控制开关相连；控制器，所述控制器与所述执行器相连，以在判断所述动力电池组达到单体电池平衡开启条件时向所述执行器发送所述开关控制指令。

根据本实用新型的动力电池组的均衡控制系统，控制器（例如为单片机）在动力电池组达到单体电池平衡开启条件时向执行器发送开关控制指令，执行器（例如为CPLD）控制充/放电回路中的控制开关的闭合或断开，从而实现动力电池组的均衡。该控制系统充分利用控制器（单片机）较强的逻辑控制和数据处理能力，以及执行器（CPLD）的集成度高、运算速度快、开发周期短、非易失和高保密等特点，使该控制系统具有较高的性价比。另外，均衡控制由执行器（CPLD）来实现，使得均衡控制的时序逻辑变得简单、可预测，且CPLD的引脚到引脚的时延较短，大大提高了均衡控制的速率，同时，系统也具有更高的可靠性和安全性，并且执行器（CPLD）采用纯硬件结构，不会存在单片机的因外部干扰而使程序跑飞和死机等问题，因此，该系统具有极强的抗干扰能力。

另外，根据本实用新型上述的动力电池组的均衡控制系统还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，所述执行器分别通过多个驱动电路与所述多个控制开关相连。

进一步地，所述多个控制开关均为MOS场效应开关管。

进一步地，所述执行器为可编程逻辑控制器CPLD。

进一步地，所述控制器为单片机。

进一步地，所述可编程逻辑控制器CPLD通过多个输出接口一一对应地与所述多个控制开关相连。

进一步地，所述可编程逻辑控制器CPLD包括用于根据所述控制器发送的均衡模式信号和时序信号对生成时序控制信号以对所述多个控制开关进行控制的时序控制器。

进一步地，所述可编程逻辑控制器CPLD还包括用于在接收到所述控制器发送的故障信号和复位信号后停止对所述动力电池组均衡的安全控制器。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有的主动均衡控制系统的电路示意图；

图2为根据本实用新型一个实施例的动力电池组的均衡控制系统的均衡控制原理框图；以及

图3为根据本实用新型一个实施例的动力电池组的均衡控制系统的执行器硬件逻辑框图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，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实用新型中的具体含义。

以下结合附图描述根据本实用新型上述实施例的动力电池组的均衡控制系统。

图2为根据本实用新型一个实施例的动力电池组的均衡控制系统的均衡控制原理框图。如图2所示，根据本实用新型一个实施例的动力电池组的均衡控制系统100，包括：均衡装置110（图中未示出）、多个控制开关120（图中未示出）、执行器130和控制器140。其中，动力电池组包括串联的多个单体电池，作为一个具体示例，动力电池组包括如图1中所示的单体电池1、单体电池2至单体电池n。其中，n例如为大于或等于1的整数。

具体而言，均衡装置110包括分别用于对多个单体电池中每个单体电池进行均衡的多个单体电池均衡器，且各个均衡器与对应的单体电池并联构成单体电池充/放电回路。作为一个具体示例，均衡装置110例如包括均衡器1、均衡器2至均衡器n，且均衡器1、均衡器2至均衡器n分别对应地与单体电池1、单体电池2至单体电池n并联，以构成n个单体电池充/放电回路。其中，n例如为大于或等于1的整数。

多个控制开关120一一对应地设置在每个单体电池充/放电回路中。作为一个具体示例，如图2所示，多个控制开关120例如包括：控制开关1、控制开关2至控制开关n，且n个控制开关分别设置在n个充/放电回路中，用于控制充/放电回路的通断。其中，n例如为大于或等于1的整数。在本实用新型的一个实施例中，上述的控制开关均为MOS场效应开关管，且更为具体地，MOS场效应开关管的初始状态均为截止状态。

执行器130分别与多个控制开关120相连，用于根据开关控制指令控制多个控制开关120开启和闭合。在本实用新型的一个实施例中，执行器130分别通过多个驱动电路与多个控制开关120相连。作为一个具体的示例，结合图2所示，执行器130通过多个驱动电路分别与多个控制开关120相连，并根据开关控制指令控制n个控制开关中的一个或多个开启或闭合，从而使该控制开关所在的充/放电回路断开或导通。其中，在本实用新型的另一个实施例中，执行器130例如为可编程逻辑控制器CPLD。进一步地，可编程逻辑控制器CPLD通过多个输出接口一一对应地与多个控制开关120相连，以控制多个控制开关120的闭合或断开。更为具体地，可编程逻辑控制器CPLD的多个输出接口分别通过多个驱动电路一一对应地与多个控制开关120相连。其中，CPLD具有集成度高、运算速度快、开发周期短、非易失和高保密等特点。

控制器140与执行器130相连，以在判断动力电池组达到单体电池平衡开启条件时向执行器130发送开关控制指令。其中，作为一个具体示例，单体电池平衡开启条件例如为：在充/放电过程中，某个单体电池达到充/放电电压极限。换言之，即当某个单体电池在充/放电过程中电压达到极限时，则控制器140判断动力电池组达到单体电池平衡开启条件，则向执行器130发送开关控制指令，则执行器130根据该指令控制各单体电池的充/放电回路的控制开关闭合或断开，以实现动力电池组的均衡控制。其中，在本实用新型的一个实施例中，控制器140例如为单片机。单片机具有较强的逻辑控制和数据处理能力。

进一步地，结合图3所示，在本实用新型的一个实施例中，上述的可编程控制器CPLD还包括时序控制器和安全控制器。

其中，时序控制器用于根据控制器140发送的均衡模式信号和时序信号生成时序控制信号以对多个控制开关120进行控制。具体而言，时序控制器根据控制器140发送的均衡模式和时序信号进行逻辑组合，生成一路副边时序控制信号和两路原边时序控制信号，并据此信号对多个控制开关120进行相应的控制。

安全控制器用于在接收到控制器140发送的故障信号和复位信号后停止对动力电池组的均衡。具体而言，当控制器140检测到有故障信号、复位信号和软件陷阱等信号时，将这些信号发送给CPLD，CPLD的安全控制器依据控制器140发送的故障信号、复位信号或软件陷阱等信号作为时序输出条件，当安全控制器接收到这些信号时，停止对动力电池组的均衡操作。

以下结合图2和图3，作为一个具体的例子，对本实用新型上述的动力电池组的均衡控制系统100作更为具体、详细的描述。

如图2所示，本实用新型的一个实施例中，使用CPLD（执行器130）和单片机（控制器140）组成主动平衡控制系统。其中，CPLD负责整个均衡管理的策略实现，该系统的工作原理如下：

单片机通过多路IO（如图3中的A0、A1、A2和A3接口）对CPLD进行控制，CPLD一方面根据系统需求扩展多路IO接口作为驱动单体电池平衡开关（即控制开关）的接口，并根据单片机输入的系统状态作为开启平衡开关（即控制开关）的条件；另一方面CPLD依据单片机提供的时序信号和平衡模式进行逻辑组合，输出一定时序的平衡开关控制信号。CPLD硬件逻辑功能框图如图3所示。

具体而言，在图3中，CPLD由其内部I／O功能模块实现IO接口扩展功能，I／O功能模块包括输出使能多路选择器，可通过来自宏单元的乘积项(PTOE)或来自全局三态控制(GTS)产生的全局输出使能(global OE)来产生，通过将CPLD内部功能块的宏单元配置成D触发器实现寄存器功能，从而可以对单片机的控制输出信号实现输出锁存，达到抑制干扰的作用。作为一个具体的例子，在图3中，例如单片机（控制器140）的IO接口为A0至A3，则CPLD可将其扩展为D0至D15，且D0至D15分别连接控制开关1至控制开关16，以根据单片机的输入的系统状态控制多个控制开关的断开和关闭。当然，此处若单片机的IO接口数为5，即A0至A4，则CPLD可将其扩展为32个接口，即D0至D31，并分别与控制开关1至控制开关32相连。换言之，IO口的数量根据实际需求而定。

另一方面，CPLD依据单片机输入的均衡模式和时序信号进行逻辑组合，生成1路副边时序信号和2路原边时序信号，并在逻辑组合过程中加入防止原副边同时有效的逻辑电路。并进一步依据单片机的故障输入信号如复位信号、软件陷阱等作为时序输出条件，如果出现一个故障信号，则关闭时序输出，停止均衡。其中，上述的均衡模式例如包括：单体电池对电池组放电模式；单体电池对电池包放电模式，其中，电池包包括至少一个电池组；以及电池组对单体电池充电模式。上述时序信号例如可以为PWM信号或方波信号等，且时序信号为两个，其占空比根据与电池组正负极的连接关系而不同。

作为一个具体示例，换言之，即在图3中，首先CPLD根据单片机的IO接口对其接口数量进行扩展。而单片机向CPLD输入均衡模式选择信号和时序信号（例如为PWM信号），则CPLD的时序控制器根据该均衡模式选择信号和时序信号生成一路副边时序控制信号（如图3中的Sec信号）和两路原边时序控制信号（如图3中的Prim_H和Prim_L信号），同时，CPLD的安全控制器根据是否接收到控制器发出的故障信号、复位信号或软件陷阱输出一个时序控制信号，如果未接收到故障信号等则输出1，如果接收到故障信号等则输出0，并分别与Sec信号、Prim_H和Prim_L信号进行与门逻辑组合，并生成三路控制信号，如图3所示，其中两路控制信号分别控制图2中的控制开关Sp1和Sp2，且Sp1与电池组的正极相连，Sp2与电池组的负极相连。第三路控制信号分别与扩展后的多个接口进行与门逻辑组合，并最终生成控制开关的控制指令。例如：在图3中，当A0、A1、A2和A3输出的时序信号为0001且Sec和安全控制器通过逻辑与之后输出1时，则控制控制开关1闭合。或者当A0、A1、A2和A3输出的时序信号为0100且Sec和安全控制器通过逻辑与之后输出1时，则控制控制开关4闭合。

另外，当CPLD的安全控制器接收到单片机的如故障信号、复位信号或软件陷阱时输出0，则所有控制开关均断开，停止均衡。

综上所述，本实用新型实施例的动力电池组的均衡控制系统，采用以CPLD为主单片机为辅的结合策略，将单片机较强的数据处理能力与CPLD较强的逻辑和时序控制能力、高集成度、高可靠性和高速度结合起来，使控制系统具有较高的性价比。另外，CPLD是纯硬件结构，不会存在单片机的因外部干扰而使程序跑飞和死机等问题，具有极强的抗干扰能力，并且CPLD引脚到引脚的逻辑延时达到ns级，相比于单片机的us级工作速度，大大提高了系统整体的均衡速度。

进一步地，CPLD对单片机IO接口实现任意扩展，并使输出管脚锁存，起到抑制干扰的作用，同时对均衡模式进行选择配置，完成时序逻辑组合，又增加了安全机制，一旦系统出现故障即可停止时序信号输出，保证了整个系统的安全。

根据本实用新型实施例的动力电池组的均衡控制系统，通过控制器（例如为单片机）和执行器（例如为CPLD）的协作和互补，以实现整个均衡管理的策略，充分利用控制器（单片机）较强的逻辑控制和数据处理能力，以及执行器（CPLD）的集成度高、运算速度快、开发周期短、非易失和高保密等特点，使该控制系统具有较高的性价比。另外，均衡控制由执行器（CPLD）来实现，使得均衡控制的时序逻辑变得简单、可预测，且CPLD的引脚到引脚的时延较短，大大提高了均衡控制的速率，同时，系统也具有更高的可靠性和安全性，并且CPLD是纯硬件结构，不会存在单片机的因外部干扰而使程序跑飞和死机等问题，因此，该系统具有极强的抗干扰能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (8)

1.一种动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述动力电池组包括串联的多个单体电池，所述动力电池组的均衡控制系统包括：

均衡装置，所述均衡装置包括分别用于对所述多个单体电池中每个单体电池进行均衡的多个单体电池均衡器，所述均衡器与对应的单体电池并联构成单体电池充/放电回路；

多个控制开关，所述多个控制开关一一对应地设置在每个单体电池充/放电回路中；

用于根据开关控制指令控制所述多个控制开关开启和闭合的执行器，所述执行器分别与所述多个控制开关相连；

控制器，所述控制器与所述执行器相连，以在判断所述动力电池组达到单体电池平衡开启条件时向所述执行器发送所述开关控制指令。

2.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述执行器分别通过多个驱动电路与所述多个控制开关相连。

3.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述多个控制开关均为MOS场效应开关管。

4.根据权利要求1-3任一项所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述执行器为可编程逻辑控制器CPLD。

5.根据权利要求1所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述控制器为单片机。

6.根据权利要求4所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器CPLD通过多个输出接口一一对应地与所述多个控制开关相连。

7.根据权利要求4所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器CPLD包括用于根据所述控制器发送的均衡模式信号和时序信号对生成时序控制信号以对所述多个控制开关进行控制的时序控制器。

8.根据权利要求7所述的动力电池组的均衡控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制器CPLD还包括用于在接收到所述控制器发送的故障信号和复位信号后停止对所述动力电池组均衡的安全控制器。