CN207218279U - 一种具有并行均衡功能的电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有并行均衡功能的电池管理系统，系统包括24节锂离子电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块。该系统实现对24节电池的监测和控制，具备监测单体电池的工作参数，进行电池组的被动均衡、主动均衡、并行均衡、充放电过流保护和上位机的通信等功能，可以调节均衡电流的大小，实现智能均衡的目标。该系统省去开关矩阵驱动器和普通电源开关控制器，单体电池选通模块的MOSFET管驱动由电池监控模块完成，主动均衡模块的MOSFET管驱动由主控制器完成，实现软件控制均衡电流的智能充放电功能。

Description

一种具有并行均衡功能的电池管理系统

技术领域

本实用新型涉及新能源汽车电子技术领域，具体涉及一种具有并行均衡功能的电池管理系统。

背景技术

随着能源危机和环境污染的不断加剧，新能源汽车逐渐成为了新的发展趋势。电动汽车作为新能源汽车的代表，以其高效低污染的特点越来越受到重视。

但因车用电池的高性能要求和恶劣的工作环境，使其对电池的管理要求很高。电池的过充电、过放电等都可能会严重缩短电池的寿命，甚至出现爆炸等安全事故，所以如何使电池长寿命和电池安全性得到保障是其管理急需解决的问题。

电池管理系统(Battery Management System，BMS)就是电池系统的重要组成部分，它可以通过对锂电池的在线监测和估算，得到当前电池的状况，例如SOC，还可以利用当前状态和一些算法，得到SOH、SOL(State of Life，电池寿命)估计，进行电池均衡，实现电池热管理、深度充电/放电的保护等功能。总之电池管理系统可以保证电动汽车安全运行，使动力电池工作在最佳工作区，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。

其中BMS必要的功能是电池均衡。因为一般的动力电池组包含了几十个甚至上百个单体电池串联或串并联，而单体电池之间会存在不一致性的问题，这种不一致性除了电池的制作环节的不一致性外，还与单体电池所在的工作环境有关。如果不一致性不加以抑制，可能会使电池组的性能和续航能力降低，甚至危害到电池的安全，所以必须要进行电池均衡。

而电池均衡又分为被动均衡和主动均衡。被动均衡指的是消耗电能的均衡，利用电阻发热放电的原理。主动均衡指的是无消耗的电能均衡，利用电容、电感等进行电能的转移。当前，大部分的电池管理芯片只具有被动均衡的功能，而单一的被动均衡由于其芯片均衡电流、电池管理系统温度等因素的影响，并不能满足自由快速地实现电池组的均衡的要求；其次，单一的被动均衡要求电池组内所有电池的一致性好，不然会影响被动均衡的效率，所以使厂家对出厂电池的挑选更加严格，导致电池出厂时的废品率上升，不利于商业化运作。而主动均衡不仅可以使电池之间的差异性变小甚至消除，而且根据其单体电池的容量采用合理的充放电使电池寿命大大延长。

但主动均衡的难点在于单体电池的选通和均衡电流的选择。首先，难点一是如何把需要进行均衡的单体电池接入均衡电路，常规的手段均是利用MOSFET管，而由于电池组存在电池越叠越高的特性，所以MOSFET管基本采用开关矩阵门驱动器控制一连串的单体电池，例如TI公司的EMB1428Q，一共有12个门极驱动器，可以控制12个单体电池的选通。但开关矩阵门极驱动器既增加了电池管理系统的成本，又增加了主控制器的负担，所以一个自带驱动管脚的电池监测芯片既可以减少电池管理系统的整体成本，又可以使主控制器专注于电池当前状态的计算和管理。其次，难点二是是否固定均衡电流的大小。为了更加灵活快速地使整组电池处于SOC平衡的一个状态，均衡电流应该是根据具体单体电池的SOC来确定的。但一般的主动均衡电路，采用PWM控制器，从电路设计完成后，均衡电流已经无法更改，如电流模式控制器UC3844。而采用高端的双向电流DC-DC控制器，如和EMB1428Q配套使用的EMB1499Q，又增加了成本负担。所以采用具有ePWM输出的主控制器，可以利用其ePWM控制其主动均衡电路，进行脉冲式的充放电，使电池组实现智能化均衡。

而采用带被动均衡功能的可编程的电池监控芯片，可以在进行主动均衡功能时同时进行被动均衡而不影响主控制器的处理速度，即系统可以进行并行均衡，比平常的混合均衡器均衡速度更快。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具有并行均衡功能的电池管理系统。

根据公开的实施例，本实用新型公开了一种具有并行均衡功能的电池管理系统，系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组、六个基于单片机的电池监测模块、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个电源模块、一个充放电保护装置和一个主控制器；其中，

电池组由每节电池Bi(i＝1,2，...，24)串联，其中每相邻四节电池B4n-3，B4n-2，B4n-3，B4n(n＝1,2，...，6)为一小电池组，分为小电池组1，小电池组2，...，小电池组6；

电池监测模块主要负责监测单体电池的工作参数，还有根据工作参数编程实现被动均衡功能；

单体电池选通模块用于将单体电池接入主动均衡电路；

主动均衡模块用于单体电池和整组电池之间进行能量双向转换；

通信模块用于本电池管理系统的内部信息通信；

电源模块用于提供各芯片和器件的供电；

充放电保护装置用于保护电池充放电，避免可能产生的过流、过压情况；

主控制器用于处理电池监测模块传递的电池工作参数得到电池组的SOC、SOH，并由此控制主动均衡模块的运行，并将电池工作参数通过CAN总线传达到上位机。

其中，电池监测模块包括可编程的电池监测与保护芯片、电压测量子模块、电流测量子模块、温度采集子模块、被动均衡子模块；其中，

电池监测模块的电池监测与保护芯片是Mega32HVB，该芯片是电池管理芯片，可同时管理4节电池并保存电池工作参数，可编程利用I/O口管理电池；

电压测量子模块直接把4节电池接入Mega32HVB，由其利用芯片的VADC测量电池两端电压并保存到芯片内部寄存器；

电流测量子模块将一个电流感应电阻串联到电池组回路中，然后通过测量该电阻两端的电压来测量电流，其两端的电压信号接入Mega32HVB电流测量管脚NI和PI，由库伦计数ADC进行测量并保存；

温度采集子模块主要通过NTC热敏电阻来检测电池的温度，将温度信息转化为电压信息，然后将电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，然后转换为电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，由Mega32HVB根据电压信号判断环境温度并保存；

被动均衡子模块中，电池两端均通过串联电阻接入芯片的电压测量管脚，当需要被动均衡时，芯片两管脚之间短路，从而电池通过导通电阻电路发热消耗电能，由于管脚电流的限制导致均衡电流太小，所以改良电路，通过一个P型MOSFET管和小电阻并联到单体电池正负两端使均衡电流增大，使均衡时间大大减少。其中，每个被动均衡子模块包括13个电阻、4个P-MOSFET管，和电池监测与保护芯片Mega32HVB的5个V-ADC管脚(NV、PV1～PV4)与小电池组单体电池正负极对应点相连接；每个小电池组j(j＝1，2，...，6，为小电池组的编号)仅由该电池监测与保护芯片Mega32HVB进行管理，彼此之间除电池串联外没线路连接；每小电池组j的单体电池Bi(i＝1，2，...，24)正极连接电阻R3*i+j和P-MOSFET管Qi的源极，负极连接电阻R3*(i-1)+j和电阻R3*(i-1)+j+1，电阻R3*(i-1)+j+1的另一端连接P-MOSFET管Qi的漏极，P-MOSFET管的栅极连接电阻R3*(i-1)+j+2，而电阻R3*(i-1)+j+2的另一端与R3*i+j的另一端相连接，接入Mega32HVB的PVi-4*(j-1)管脚，同理，由于电池Bi和Bi-1首尾相连，所以Bi-1的正极即Bi的负极，此处不再阐述，而每个小电池组j的最末节电池Bi(i＝1,5，9，...，21)的负极连接电阻R3*(i-1)+j，R3*(i-1)+j的另一端则与Mega32HVB的NV管脚相连。

其中，一个单体电池选通模块包括四个选通通道，分别用于四个单体电池连接到主动均衡电路，其中每个通道各包含四个MOSFET管，每个单体电池正负端均连接上共源的双MOSFET管，而MOSFET管由Mega32HVB芯片控制导通。

每个单体电池选通模块的输入端即和相对应的四节单体电池相连接，而六个单体电池选通模块的输出端正负极相对应各自并联在一起，与主动均衡模块的继电器对应点相连，继电器由主控制器控制通断，继电器导通后选通的单体电池接入到反激变压器电路，而反激变压器电路与单体电池连接的导通回路中串联着电流反馈子模块。

其中，主动均衡模块包括两个反激变压器电路，一个电流反馈子模块、一个电池组总电压测量子模块和一个继电器；其中，

反激变压器电路用于主动均衡模块主电路，用于单体电池和整组电池之间的能量交换，由于能量是双向传递的，所以采用两个反激变压器子电路，一个为整组电池给单体电池充电的反激变压器子电路，另一个为单体电池给整组电池充电的反激变压器子电路，均包含一个反激变压器、一个MOSFET管、一个RCD吸收电路和多个输入输出滤波电容；其中，两个反激变压器电路中的MOSFET管各由F28M35H22C中的两路ePWM管脚各加上一个隔离变压器控制通断。RCD吸收电路用于吸收MOSFET管关断时的尖刺电压，使电压钳位。滤波电容使输出电压、输出电流稳定。

电流反馈子模块用于测量均衡电流。使用电流感应电阻得到感应电压，再通过仪表放大器输入到主控制器的ADC管脚，主控制器通过反馈的均衡电流大小调节PWM占空比，从而使均衡电流稳定；

电池组总电压测量子模块主要将电池组总电压转化为主控制器ADC能接受的输入电压范围，从而根据电池组总电压和待均衡的单体电压调节最合适的PWM占空比；

继电器是用于隔断主动均衡电路和单体选通模块，使主动均衡电路可以作用于多个芯片的单体电池。

其中，通信模块为本系统内部提供通信，由I2C通信方式实现，硬件部分为电平迁移模块，用于实现电平不同的芯片之间的通信隔离。

其中，电源模块包括一个24V、一个+15V、一个-15V和一个5V电源，是由反激变压器通过把24节锂电池的电压转换成24V、+15V、-15V、5V输出，3.3V输出为主控制器芯片和其CAN接口供电、24V输出为继电器供电和+15V、-15V输出为运算放大器供电。

其中，主控制器采用TI公司的F28M35H22C芯片，利用CAN接口与上位机通信，由主控制器F28M35H22C负责接口和外围电路。

为达到上述要求，本实用新型具有并行均衡功能的电池管理系统具备24节单体电池的工作参数监测，电池组的被动均衡、主动均衡、并行均衡、充放电过流保护，与上位机的通信等功能；

其中，24节单体电池的工作参数监测由6片Mega32HVB芯片完成，每片Mega32HVB分别完成电压、工作电流和温度监测。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型除了对电池组参数监测、充放电保护外，还可对电池组进行被动均衡、主动均衡及并行均衡，而且被动均衡和主动均衡均可以通过不同的单片机编程控制，并行均衡可以使两种均衡并行处理，不但可以在一组四节电池内对某一节单体电池进行三种均衡之一，而且同时可以在另外组的电池内对其某一节单体电池进行被动均衡，实现了组内组外的并行均衡。

(2)利用了Mega32HVB自带的被动均衡管脚，在不改变芯片内部逻辑的同时，增设外围电路增加了被动均衡使均衡电流的大小，从而使均衡时间大大减少。

(3)利用了Mega32HVB自带的FET驱动管脚，可以在主动均衡功能中由Mega32HVB驱动单体电池导通电路中的MOSFET管，从而省去开关矩阵驱动器，简化电池管理系统内部电路结构；主动均衡模式采用两个反激变压器电路双向均衡，既可以从任意单体电池转换能量到整组电池，又可以从整组电池转换能量到任意单体电池；主动均衡模式中，主控制器可根据均衡的单体电池情况而调节ePWM输出而得到最大的均衡电流和最少的均衡时间，实现智能充电的效果。

(4)本实用新型还制定了均衡策略。均衡策略包括不同工况时均衡方式的选择、均衡原理以及均衡电流的计算。

(5)本实用新型内部使用I2C通信多主模式，使其通信总线占用空间减小，减少电路板的空间和芯片管脚的数量，降低互联成本，并且使Mega32HVB得到的电池信息及时返回主控制器进行处理；主控制器具备CAN接口，所以对上位机采用CAN通信，而CAN是汽车领域的标准协议，所以适合在电动汽车中运用该电池管理系统。

(6)主控制器F28M35H22C计算能力强，不但可以根据Mega32HVB收集的电池参数用安-时积分法、卡尔曼滤波计算出电池组SOC，还可以根据每个电池参数情况分别计算出所有单体电池的SOC，并且可以在主动均衡的功能中用主动EIS方法轮流计算出单体电池当前的SOH情况，对于用户来说，及时了解电池情况，有利于后续对电池的保护或更换电池。

附图说明

图1是本实用新型中公开的具有并行均衡功能的电池管理系统的结构组成图；

图2(a)是本实用新型中公开的具有并行均衡功能的电池管理系统的均衡流程图；

图2(b)是本实用新型中公开的具有并行均衡功能的电池管理系统的均衡方式选择图；

图3是被动均衡原理图；

图4是主动均衡原理图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

本实施例将结合附图对实用新型中公开的具有并行均衡功能的电池管理系统作进一步说明。

图1是电池管理系统结构组成图，整个系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块。

所述的电池监测模块采用的ATMEL公司的Mega32HVB芯片。该芯片为高性能、低功耗的8位单片机，由管理的电池提供能量，采用领先的RISC架构，更利于编程实现功能；12位的电压ADC，可以同时管理1-4节电池的电压监测；高分辨率库伦计数器ADC，应用于电池电流监测；自带被动均衡功能；自带高压驱动FET，应用于单体电池导通模块中MOSFET的驱动导通；具有SPI、I2C接口，应用于数据通信。

所述的主控制器采用的是TI公司的的多核单片机F28M35H22C，不仅仅有ARM，还有TMSC28X，ARM的特性是丰富的通信外设，C2000则具有较强的数据处理能力。该器件基于TI行业标准32位ARM Cortex-M3CPU，并且特有多种通信外设，包括CAN、I2C、SPI等。其中在本电池管理系统中，主控制器主要负责与六个电池监测模块的数据传输并处理电池信息，负责控制继电器的导通或关断，负责控制反激变压器中MOSFET的导通或关断，负责反激变压器中电流的测量，负责通过CAN接口传输数据到上位机。

图2(b)是均衡方式选择图。根据图2(b)阐述电池组的均衡方式选择：

先进行电池组工况判断，分为以下三种情况：

1)静态工况：即由Mega32HVB电池监测与保护芯片监测到电池组电流为0并保持了系统预设时间后，主控制器判断为静态工况，此时可进行被动均衡、主动均衡或并行均衡；

2)充电工况：即电池组正进行充电，电池监测与保护芯片监测到电池组电流大于0并保持了系统预设时间后，主控制器判断为充电工况，此时可进行被动均衡、主动均衡或并行均衡；

3)放电工况：即电池组正进行放电，电池监测与保护芯片监测到电池组电流小于0并保持了系统预设时间后，主控制器判断为放电工况，此时只可进行主动均衡。

再根据均衡策略参数(主要是电池组各电池SOC和电池组平均SOC)决定均衡方式。而被动均衡和主动均衡在同一时间只能实现其中一个均衡功能。由于被动均衡时均衡电流不大，而主动均衡时均衡电流可以设置大小而进行快速均衡，所以分以下三种情况：

1)电池组各电池SOC与电池组平均SOC相比较，其差值分三档预设阈值，小于等于系统预设5％时，不用进行均衡功能；

2)当差值大于5％而小于等于10％时，单体电池SOC较高时，选择被动均衡方式；单体电池SOC较低时，选择主动均衡方式。当大于10％而小于等于15％时，选择更快速更效率的主动均衡方式。

3)当差值大于15％时，单体电池SOC较高时，选择被动均衡和主动均衡同时进行的并行均衡方式；单体电池SOC较低时，选择主动均衡方式。

以上为优先度最高的单体电池进行均衡方式选择，当某个模块的某节单体电池根据上述情况进行均衡时，不影响其他模块的单体电池进行被动均衡，即两者并不冲突，可同时进行。当优先度最高的单体电池完成均衡后，选择优先度次之的单体电池进行均衡方式选择，若该单体电池正在进行被动均衡，则先退出被动均衡，按照上述均衡策略选择均衡方式。

图3是被动均衡原理图。根据图3阐述电池组的被动均衡：

(1)以第一片Mega32HVB为例，它管理的是第一节到第四节电池，电池管理芯片Mega32HVB1电源输入端为PVT管脚，连接管理的第四节电池B4正极。四节电池正负极由高到底依次通过一个电阻连接到Mega32HVB1的PV4、PV3、PV2、PV1、NV管脚，PV4到NV管脚为芯片的电压ADC，监测四节电池的电压。以第四节电池B4为例，第四节电池B4正极通过电阻R13连接到PV4管脚，负极通过同样阻值的电阻R10连接到PV3管脚。

(2)为了加大均衡电流，加入P型MOSFET管和小电阻改良电路。以第四节电池B4为例，Q4源极连接第四节电池B4正极，漏极串联小电阻R11连接到第四节电池B4负极，栅极串联电阻R12连接到PV4管脚。

(3)芯片Mega32HVB通过对自身芯片的CBCR(电池均衡控制寄存器)写入00000001、00000010、00000100、00001000，即就是对该芯片管理的由低至高的4节单体电池单独进行被动均衡，而由于芯片本身规定，不可同时进行两个及两个以上的电池被动均衡。当第四节电池SOC高于电池组平均SOC，差值高于第一档阈值(设置为5％)而小于等于第二档阈值(设置为10％)时，Mega32HVB1通过对自身芯片的CBCR写入00001000将PV4和PV3短路。在电路未改良前，第四节电池能量通过串联的电阻R10和R13发热消耗。而改良后，PV4和PV3短路，Q4的栅极电压从第四节电池B4正极电平下降到电池正极电平的一半(R10和R13阻值相同)，达到Q4导通条件(设置Q4开启电压为1.3V，而电池正常电压范围为2.8V到4.2V)，Q4导通，第四节电池通过两条并联回路(R10和R13串联一条回路，R11单独一条回路)消耗电能，使均衡时间大大减少。

图4是主动均衡原理图。根据图4阐述电池组的主动均衡：

(1)实现主动均衡功能，主要由24节电池、6个单体电池选通模块、主动均衡模块组成，Mega32HVB和主控制器F28M35H22C负责通道选通控制；其中，每个单体电池选通模块包括四个选通通道，分别用于四个单体电池连接到主动均衡模块，其中每个通道包含四个MOSFET管，每个单体电池正负端均连接上共源的双MOSFET管，而MOSFET管由Mega32HVB芯片控制导通。如图3所示，每节电池的选通通道都分正负两极，而Mega32HVB的高压输出管脚有OC、OD、PC5三个，可分别控制每块Mega32HVB管理的第四节、第三节、第二节电池选通通道中的MOSFET管，且每个单体电池的正负两极选通通道均由一个高压输出管脚控制。而每块Mega32HVB管理的第一节电池，则由两个管脚PB1和PC0控制。

主动均衡模块包括两个反激变压器T1和T2，一个电流反馈模块、一个电池组总电压测量模块和一个继电器；其中，

反激变压器用于主动均衡模块主电路，目的是单体电池可以和整组电池互相交换电能，由于电能是双向传递的，所以采用两个反激变压器电路。一个为整组电池给单体电池充电的反激变压器电路，另一个为单体电池给整组电池充电的反激变压器电路，均包含一个反激变压器、一个MOSFET管、一个RCD吸收电路和多个输入输出滤波电容；其中，两个反激变压器电路中的MOSFET管由F28M35H22C中的两路ePWM管脚各加上一个隔离变压器控制通断；T1是单体电池电压过高时，该单体电池通过主动均衡模块的T1传递电能至整个电池组，而T2恰好相反，是单体电池电压过低时，整个电池组通过主动均衡模块的T2传递电能至该单体电池。

电流反馈模块用于测量均衡电流。使用电流感应电阻R14得到感应电压，再通过仪表放大器输入到主控制器的ADC管脚，主控制器通过反馈的均衡电流大小调节PWM占空比，从而使均衡电流稳定；仪表放大器的作用是抑制单体电池两端的共模电压，并将微弱的感应电压放大。

继电器是用于隔断主动均衡模块和单体选通模块，使主动均衡电路可以作用于多个芯片的单体电池。

(2)例如当单体电池B4的SOC与电池组平均值SOC差值大于第二档阈值(10％)而小于等于第三档阈值(15％)时，对B4进行主动均衡。当电池组进行主动均衡时，主控制器先根据工况计算出均衡电流，再发出指令使继电器闭合，这时候隔断均衡电路的只有单体电池选通模块和反激电路中的Q6；

(3)主控制器通过通信模块传输需要进行主动均衡的信号及需要进行主动均衡的单体电池B4的信息给第一片电池管理芯片Mega32HVB1，Mega32HVB1收到信号后，使OC输出高压信号，使B4的单体选通通道导通，把B4接入主动均衡电路后，Mega32HVB通过通信模块把通道接入完成的信号传达给主控制器，主控制器得到信号后启动ePWM输出，驱动Q6导通，进而进行单体电池和整组电池之间的能量传递；

(4)当该次主动均衡完成后，B4的SOC与电池组平均值SOC差值小于5％，主控制器关闭ePWM输出。若这个时候有其他优先级高的单体电池如B1的SOC高于电池组平均值15％以上，主控制器再通过通信模块将需要进行主动均衡的信号及需要进行主动均衡的B1的信息给Mega32HVB1，Mega32HVB1收到信号后，关闭OC输出，使PB1、PC0管脚输出驱动信号，使B4的单体选通通道关闭，使B1的单体选通通道导通，把B1接入主动均衡电路后，Mega32HVB通过通信模块把通道接入完成的信号传达给主控制器，主控制器得到信号后启动ePWM输出，驱动Q6导通，进而进行单体电池和整组电池之间的能量传递；

(5)重复上述步骤，直到主控制器不再发出主动均衡信号，此时通过通信模块将关闭主动均衡的信号传给最后一次进行主动均衡的电池管理芯片，该电池管理芯片关闭单体电池选通通道的MOSFET驱动输出，并将关闭完成的信号传给主控制器，主控制器收到后关断继电器，等待下一次主动均衡。

(6)其中，包括稳定均衡电流的修正过程。主动均衡时间计算由主控制器完成，通过对整组电池和进行均衡的单体电池的电压对比计算，根据当前反馈的均衡电流调节PWM占空比，得到稳定的均衡电流和稳定的均衡时间。

而进行并行均衡时，例如当单体电池B4的SOC高于电池组平均值SOC第三档阈值(15％)时，对B4进行并行均衡。并行均衡的流程如下：

(1)当电池组进行并行均衡时，主控制器先根据工况计算出均衡电流，再发出指令使继电器闭合，这时候隔断均衡电路的只有单体电池选通模块和反激电路中的Q5；

(2)主控制器通过通信模块传输需要进行并行均衡的信号及需要进行并行均衡的单体电池B4的信息给第一片电池管理芯片Mega32HVB1，Mega32HVB1收到信号后，对自身芯片的CBCR(电池均衡控制寄存器)写入00001000，进行被动均衡，并使OC输出高压信号，使B4的单体选通通道导通，把B4接入主动均衡电路后，Mega32HVB通过通信模块把通道接入完成的信号传达给主控制器，主控制器得到信号后启动ePWM输出，驱动Q5导通，将B4多余的能量转换为整组能量；

(3)当该次并行均衡完成后，B4的SOC与电池组平均值SOC差值小于5％，主控制器关闭ePWM输出，该次并行均衡结束。再按照优先度选择下一个需要均衡的单体电池。

(4)其中，当主控制器启动ePWM输出时，可以同时发出被动均衡的指令给其他模块如第二组电池组中，与电池组平均SOC差值大于5％而小于等于10％而优先级最高的需要均衡的单体电池，让其进行被动均衡，节省均衡时间。

实施例二

本实施例基于上述实施例公开的具有并行均衡功能的电池管理系统，公开了一种均衡方法，附图2(a)和图2(b)所示，具体包括下列步骤：

S1、静止工况时，先利用开路电压法测量出电池的初始容量，以方便均衡时计算均衡时间；再利用安时积分法和卡尔曼滤波计算出电池组各单体电池的SOC，每隔10秒更新并保存在主控制器中；

S2、进行电池组工况判断，然后将电池组工况情况通知主控制器，其中电池组工况分为以下三种情况：

静态工况：即由电池监测与保护芯片监测到电池组电流为0并保持系统预设时间后，主控制器判断为静态工况，此时可进行被动均衡、主动均衡或并行均衡；

充电工况：即电池组正进行充电，电池监测与保护芯片监测到电池组电流大于0并保持系统预设时间后，主控制器判断为充电工况，此时可进行被动均衡、主动均衡或并行均衡；

放电工况：即电池组正进行放电，电池监测与保护芯片监测到电池组电流小于0并保持系统预设时间后，主控制器判断为放电工况，此时只可进行主动均衡；

S3、主控制器计算电池组平均SOC，并通过均衡策略挑选优先度最高的单体电池进行均衡；

S4、主控制器根据均衡策略参数决定均衡方式，将挑选的优先度最高的单体电池SOC与电池组平均SOC相比较，其差值分三档预设阈值，分为以下情况：

S401、当差值小于等于系统预设第一档阈值时，不用进行均衡功能；

S402、当差值大于第一档阈值而小于等于第二档阈值时，单体电池SOC较高时，选择被动均衡方式；单体电池SOC较低时，选择主动均衡方式；

S403、当差值大于第二档阈值而小于等于第三档阈值时，选择主动均衡方式；

S404、当差值大于第三档阈值时，单体电池SOC较高时，选择被动均衡和主动均衡同时进行的并行均衡方式；单体电池SOC较低时，选择主动均衡方式；

S5、若不进行均衡功能，每隔10秒返回步骤S3；若进行均衡功能，若优先度最高的单体电池所在小电池组为小电池组j，j＝1，2...6，那么主控制器通过均衡策略挑选其他小电池组的优先度最高的单体电池进行均衡，同一时间仅允许一单体电池进行主动均衡或并行均衡，其他单体电池可进行被动均衡。

其中，被动均衡运行步骤具体为：

S601、当系统进行被动均衡时，主控制器根据该单体电池SOC计算出当前电池容量，由单体电池SOC与电池组平均SOC之差，得到相差的电池容量，再根据固定的被动均衡电流计算出均衡时间。

S602、主控制器将需要均衡的单体电池和均衡时间通过通信模块通知管理该节单体电池的电池监测与保护芯片，该电池监测与保护芯片通过对自身芯片的CBCR(电池均衡控制寄存器)写入00000001、00000010、00000100、00001000，即就是对该芯片管理的由低至高的4节单体电池单独进行被动均衡，而由于芯片本身规定，不可同时进行两个及两个以上的电池被动均衡；

S603、经过这段时间的被动均衡后，芯片关闭该单体电池被动均衡功能；

S604、本次被动均衡结束，等待系统再次发出被动均衡信息。

其中，主动均衡运行步骤具体为：

S701、当电池组进行主动均衡时，主控制器根据该电池SOC计算出当前电池容量，由单体电池SOC与电池组平均SOC之差，得到相差的电池容量，再根据该电池电压和监测的总电池组电压，通过计算得到最合适的均衡电流所需要的PWM占空比。一般充电电流为0.2C(例如容量为3300mAh的电池，1C的充电电流为3300mA)可以极大延长电池寿命，快速充电时可达到0.5C，所以根据相差的电池容量不同，采取不同的均衡电流，即主控制器输出不同PWM占空比。而由于硬件电路的关系，占空比的范围是固定的，此时比较计算的PWM占空比是否在固定范围内，若在固定范围内则选择计算得到的PWM占空比，若不在固定范围内，则选择范围内占空比最大值。然后再根据占空比所对应的均衡电流，确定均衡时间。

S702、主控制器发出指令使继电器闭合，此时隔断均衡电路只由单体电池选通模块和反激变压器的MOSFET控制。

S703、主控制器通过通信模块传输需要均衡的某单节电池信息发送给管理该节电池的电池监测与保护芯片，由其来进行单体电池的选通，把单体电池接入主动均衡电路后，电池监测与保护芯片通过通信模块把通道接入完成的信息传达给主控制器，主控制器得到信息后启动PWM输出，进而进行单体电池和整组电池之间的能量传递。

S704、主控制器启动PWM输出后，由电池感应电阻所反馈的均衡电流与之前计算的均衡电流对比，若差值太大则调节PWM占空比，重新计算均衡时间；

S705、均衡时忽略外部工况，只使用均衡前的原始数据进行主动均衡，避免过均衡等情况；

S706、主动均衡完毕后，主控制器关闭PWM输出，通知电池监测与保护芯片使其关闭单体电池选通模块的MOSFET驱动，等待系统再次发出主动均衡信息。

其中，并行均衡运行步骤具体为：

S801、当电池组进行并行均衡时，主控制器先根据工况计算出均衡电流，再发出指令使继电器闭合，此时隔断均衡电路只由单体电池选通模块和反激变压器的MOSFET控制；

S802、主控制器通过通信模块传输需要均衡的某单节电池信息发送给管理该节电池的电池监测与保护芯片，由其来进行单体电池的选通，并让电池监测与保护芯片通过对自身芯片的CBCR(电池均衡控制寄存器)写入00000001、00000010、00000100、00001000，即就是对该芯片管理的由低至高的4节单体电池单独进行被动均衡，把单体电池接入主动均衡电路后，电池监测与保护芯片通过通信模块把通道接入完成的信息传达给主控制器，主控制器得到信息后启动PWM输出，进而进行单体电池和整组电池之间的能量传递；

S803、主控制器启动PWM输出后，由电池感应电阻所反馈的均衡电流与之前计算的均衡电流对比，若差值太大则调节PWM占空比，重新计算均衡时间；

S804、并行均衡完毕后，主控制器关闭PWM输出，通知电池监测与保护芯片使其关闭该单体电池被动均衡功能和单体电池选通模块的MOSFET驱动，等待系统再次发出并行均衡信。

其中，计算均衡电流的步骤为：

均衡电流计算时，要确定工况：下面所述的均衡电流为总均衡电流，被动均衡时均衡电流由硬件电路确定，不用主控制器计算，为固定数值；所以，仅在并行均衡时主控制器计算主动均衡的均衡电流，为总均衡电流减去被动均衡时均衡电流固定数值；

1)当静态工况时，默认均衡电流为0.2C，以延长电池寿命；

2)当放电工况时，默认均衡电流为0.1C，以免电池过放电；

3)当充电工况时，先确定电池组平均SOC及充电电流，以确定充电完成时间，并根据其充电完成时间来确定均衡电流：如充电完成时间长，均衡时间充裕，选择稳妥的均衡电流0.2C；如充电完成时间略短，均衡时间紧迫，则选择与充电完成时间等长的均衡时间，反推均衡电流；如充电完成时间不足以完成均衡，则发出充电完成信息，先进行均衡功能。

单体电池SOC与电池组平均SOC之差越大，其优先度越高，但如果当前有单体电池进行主动均衡或并行均衡后，其差值大于第一档阈值而小于等于第二档阈值的单体电池优先度变最高档，其他差值的单体电池优先度降为0。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的电池管理系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组成的电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块，其中，

所述的电池组由每节电池Bi，i＝1,2，...，24串联，其中每相邻四节电池B4n-3，B4n-2，B4n-3，B4n，n＝1,2，...，6为一小电池组，分为6小电池组分别与六个电池监测模块、六个单体电池选通模块对应点相连接，同时，整组电池组则与电源模块的输入端相连接；

所述的六个基于单片机的电池监测模块分别通过自身的I2C接口通过所述的通信模块与所述的主控制器的I2C接口相连；

所述的六个单体电池选通模块与所述的主动均衡模块的输入端相连，用于将单体电池接入所述的主动均衡模块；

所述的主动均衡模块的输出端则与第24节锂离子电池和地端相连，其控制端与所述的主控制器相连接，用于单体电池和整组电池之间进行能量双向转换，实现主动均衡功能；

所述的充放电装置与所述的电池组串联至地端，其控制端和监测端则与所述的主控制器相连接；

所述的主控制器用于处理电池监测模块传递的电池工作参数得到电池组的SOC、SOH，并由此控制主动均衡模块的运行，并将电池工作参数通过CAN总线传达到上位机。

2.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，每个电池监测模块包括可编程的电池监测与保护芯片、电压测量子模块、电流测量子模块、温度采集子模块、被动均衡子模块；其中，

所述的电池监测与保护芯片采用Mega32HVB，该芯片是电池管理芯片，可同时管理4节电池并保存电池工作参数，可编程利用I/O口管理电池；

所述的电压测量子模块把相连的4节电池接入Mega32HVB，由其利用芯片的VADC测量电池两端电压并保存到芯片内部寄存器；

所述的电流测量子模块将一个电流感应电阻串联到相连的小电池组回路中，然后通过测量该电阻两端的电压来测量电流，其两端的电压信号接入Mega32HVB的电流测量管脚NI和PI，由库伦计数ADC进行测量并保存；

所述的温度采集子模块通过NTC热敏电阻来检测相连的4节电池的温度，将温度信息转化为电压信息，然后将电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，然后转换为电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，由Mega32HVB根据电压信号判断环境温度并保存；

所述的被动均衡子模块将相连的4节电池的两端分别通过串联电阻接入芯片的电压测量管脚,再通过一个P型MOSFET管和小电阻并联到单体电池正负两端，当需要被动均衡时，Mega32HVB对应的两管脚之间短路。

3.根据权利要求2的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的被动均衡子模块包括13个电阻、4个P-MOSFET管，同电池监测与保护芯片Mega32HVB的5个V-ADC管脚相连，5个V-ADC管脚分别为NV、PV1～PV4；每个小电池组j仅由该电池监测与保护芯片Mega32HVB进行管理，其中，j＝1，2，...，6，j为小电池组的编号；每个小电池组j的单体电池Bi正极连接电阻R3*i+j和P-MOSFET管Qi的源极，负极连接电阻R3*(i-1)+j和电阻R3*(i-1)+j+1，电阻R3*(i-1)+j+1的另一端连接P-MOSFET管Qi的漏极，P-MOSFET管的栅极连接电阻R3*(i-1)+j+2，而电阻R3*(i-1)+j+2的另一端与R3*i+j的另一端相连接，接入Mega32HVB的PVi-4*(j-1)管脚，同理，由于电池Bi和Bi-1首尾相连，所以Bi-1的正极即Bi的负极，而每个小电池组j的最末节电池Bi，其中，i＝1,5，9，...，21的负极连接电阻R3*(i-1)+j，R3*(i-1)+j的另一端则与Mega32HVB的NV管脚相连。

4.根据权利要求2的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，

每个单体电池选通模块包括四个选通通道，分别用于将四个单体电池连接到所述的主动均衡电路，其中每个通道各包含四个MOSFET管，每个单体电池正负端均连接上共源的双MOSFET管，而MOSFET管由Mega32HVB芯片控制导通。

5.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的主动均衡模块包括两个反激变压器电路，一个电流反馈子模块、一个电池组总电压测量子模块和一个继电器；其中，

其中，所述的两个反激变压器电路作为主动均衡模块主电路，用于单体电池和整组电池之间的能量交换，一个用于整组电池给单体电池充电，另一个用于单体电池给整组电池充电，每个反激变压器电路均包含一个反激变压器、一个MOSFET管、一个RCD吸收电路和多个输入输出滤波电容；其中，两个反激变压器电路中的MOSFET管各由主控制器中的两路ePWM管脚各加上一个隔离变压器控制通断，RCD吸收电路用于吸收MOSFET管关断时的尖刺电压，使电压钳位，滤波电容使输出电压、输出电流稳定；

所述的电流反馈子模块用于测量均衡电流，使用电流感应电阻得到感应电压，再通过仪表放大器输入到主控制器的ADC管脚，主控制器通过反馈的均衡电流大小调节PWM占空比，从而使均衡电流稳定；

所述的电池组总电压测量子模块将电池组总电压转化为主控制器的ADC管脚能接受的输入电压范围，从而根据电池组总电压和待均衡的单体电压调节最合适的PWM占空比；

所述的继电器是用于隔断主动均衡模块和单体电池选通模块，使主动均衡模块可作用于多个芯片的单体电池。

6.根据权利要求5的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的六个单体电池选通模块的输出端正负极相对应各自并联在一起，与所述的主动均衡模块的继电器对应点相连，所述的继电器由所述的主控制器控制通断，继电器导通后选通的单体电池接入到反激变压器电路，而反激变压器电路与单体电池连接的导通回路中串联着电流反馈子模块。

7.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的主控制器采用TI公司的F28M35H22C芯片，利用自带的CAN接口与上位机通信，由主控制器F28M35H22C负责硬件接口和外围电路；

所述的电源模块由反激变压器通过把24节锂离子电池的电压转换成24V、+15V、-15V、3.3V输出，其中，3.3V输出为主控制器芯片供电，24V输出为继电器供电，+15V、-15V输出为运算放大器供电。