CN208046259U - 一种串联蓄电池组的主动均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种串联蓄电池组的主动均衡电路，包括串联蓄电池组、电子开关网络、双向DC‑DC模块、电池电压采集模块、控制模块、可选的DC‑DC隔离供电模块。串联蓄电池组由若干节蓄电池串联组成，串联蓄电池组与电子开关网络连接，电子开关网络的另外一端连接到双向DC‑DC模块，双向DC‑DC模块的另一端连接到串联蓄电池组的输出端。控制模块通过控制电子开关网络选通一节需要均衡的电池，然后控制双向DC‑DC模块向选通的电池进行充电或放电均衡。本实用新型通过引入电子开关网络，只使用一个双向DC‑DC模块即可对串联蓄电池组中任意蓄电池进行高效的充电或放电均衡，具有元件数量少、成本低廉、均衡电流大、控制简单、鲁棒性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统（BMS）领域，尤其涉及一种串联蓄电池组的能量转移式主动均衡技术。
背景技术
现有的对串联蓄电池组均衡的方式主要有两种：被动均衡和主动均衡。被动均衡因其电路简单、控制方便且成本低的优势而被广泛使用，但也由于它均衡电流小（几十到数百毫安）且只能充电时均衡，此外还存在能量损耗和热管理困难等问题，只适合用于要求比较低的场合。而主动均衡不以消耗能量为代价，均衡电流大（安培量级）、充放电都能均衡，能够最大限度的利用每一节蓄电池的容量，是理想的均衡方式。传统的能量转移式主动均衡电路分为飞电容均衡电路、电感均衡电路和变压器均衡电路。飞电容均衡电路存在均衡电流小，均衡效率低的问题；传统的电感均衡电路和变压器均衡电路存在电路及控制复杂、占用线路板体积大、成本高、可靠性不高且均衡电流不便测量等问题，限制了其大规模推广使用。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的主动均衡电路控制复杂、成本高、可靠性不高的问题，提供一种成本低廉、控制过程简单、易于实现的串联蓄电池组的主动均衡电路及方法。
本发明采用的技术方案为：一种串联蓄电池组的主动均衡电路，包括串联蓄电池组、电子开关网络、双向DC-DC模块、电池电压采集模块、控制模块以及可选的供电模块。所述电子开关网络与串联蓄电池组连接，所述控制模块与电子开关网络、电池电压采集模块和双向DC-DC模块连接，所述电子开关网络通过双向DC-DC模块与串联蓄电池组的输出连接。
所述电子开关网络包括设于串联蓄电池组中每节蓄电池正、负极上的电子开关，该电子开关网络由控制模块控制其中的电子开关导通或关断，可以单独选择串联蓄电池组中的单节或多节蓄电池连接到双向DC-DC模块；所述电子开关网络可以是每节蓄电池对应2个单刀单掷电子开关，也可以是每节蓄电池对应1个单刀双掷电子开关；单刀单掷电子开关或单刀双掷电子开关可以是干簧管、机械继电器、光耦继电器，或者是由场效应管或其它半导体器件组合而成的具备双向关断功能的半导体开关。
所述双向DC-DC模块为通过电子变压器隔离的、具备双向能量转移的电源模块；通过所述控制模块给出的PWM信号或其它控制信号能够实现能量从一端转移到另外一端；双向DC-DC模块本身可以具备输入或输出电流监控功能，所述控制模块可以检测双向DC-DC模块的输入和输出电流，以使用安时积分法对每一节电池的SOC状态进行估算修正，同时所述控制模块还可以通过控制双向DC-DC模块的输入或输出电流以应对不同的均衡需求。
所述电池电压采集模块可以是直接连接在串联蓄电池组每一节蓄电池上的专用的电池电压采样电路，对所有串联蓄电池电压进行持续采样；也可以是连接在电子开关网络的输出端，单独检测电子开关网络当前选择的某一节蓄电池的电压；通过所述控制模块控制电子开关网络轮流选通串联蓄电池组中的所有单节蓄电池，便可以采集串联蓄电池组中所有单节蓄电池的电压；在执行充、放电均衡的过程中，也能持续检测当前处于均衡状态的蓄电池的电压以防止该蓄电池过充或过放。
所述控制模块根据电池电压采集模块采集的串联蓄电池组中各节蓄电池的电压或通过检测双向DC-DC模块的输入和输出电流，使用安时积分法计算得到的各节蓄电池的SOC状态决定需要对哪一节蓄电池进行均衡，并根据判断结果控制电子开关网络和双向DC-DC模块对相应的蓄电池进行充电或放电均衡，从而实现给低压或低SOC电池充电、给高压或高SOC电池放电的功能。
所述可选的供电模块，用于给电子开关网络、控制模块以及电池电压采集模块供电。
一种串联蓄电池组的主动均衡方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1．控制模块控制电子开关网络依次轮流选通串联蓄电池组中的一节电池，由连接在电子开关网络输出端的电池电压采集模块依次对每一节蓄电池的电压进行采样，得到串联蓄电池组中所有蓄电池的当前电压，并由当前电压和电流以及历史电压和电流计算出每一节蓄电池的动态内阻；
S2．控制模块找出电压偏离串联蓄电池组平均电压最大的蓄电池，如果该蓄电池的电压高出或低于串联蓄电池组平均电压一定阈值（该阈值可以是一个根据该蓄电池充、放电状态动态变化的电压值），则判断为需要对该蓄电池进行放电或充电均衡；如果该蓄电池不需要均衡，则重复S1到S2步骤，否则进入S3步骤；
S3．控制模块根据S2的判断结果控制电子开关网络选通需要均衡的蓄电池，启动双向DC-DC模块对该蓄电池进行放电或充电均衡，并根据该蓄电池的电压和内阻动态调节均衡电流和均衡时间，均衡时间根据电池容量和均衡电流不同可以是几秒钟到几十秒钟；均衡过程中，电池电压采集模块对该蓄电池电压进行实时采集，控制模块对采集信息进行处理，防止蓄电池电压出现异常；
S4．当本次均衡时间结束后，关闭双向DC-DC模块的均衡操作，断开电子开关网络，并重复S1到S4步骤；
因双向DC-DC模块的一端通过电子开关网络与需要均衡的蓄电池相连，另一端连接整个串联蓄电池组，在主动均衡过程中起到了桥梁的作用，单节蓄电池的能量与串联蓄电池组的能量能够双向无损转移；所以上述串联蓄电池组的主动均衡过程包括了从高电压态蓄电池抽取电荷给整个串联蓄电池组充电以降低该高电压态蓄电池的电压，或者从整个串联蓄电池组抽取电荷给低电压态蓄电池充电以提高该低电压态蓄电池的电压。
一种串联蓄电池组的主动均衡方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1．控制模块控制电子开关网络依次轮流选通串联蓄电池组中的一节电池，由连接在电子开关网络输出端的电池电压采集模块依次对每一节蓄电池的电压进行采样，得到串联蓄电池组中所有蓄电池的当前电压，并由当前电压和电流以及历史电压和电流计算出每一节蓄电池的动态内阻；
S2．控制模块通过充放电安时积分法计算串联蓄电池组的SOC状态，并根据之前的历史均衡电流通过安时积分法计算修正每一节蓄电池的SOC状态；
S3．控制模块找出SOC状态偏离串联蓄电池组的SOC状态最大的蓄电池，如果该蓄电池的SOC状态高于或低于串联蓄电池组的SOC状态一定阈值（该阈值可以是一个根据串联蓄电池的SOC状态动态变化的值），则判断为需要对该蓄电池进行放电或充电均衡；如果没有蓄电池需要均衡，则重复S1到S3步骤，否则进入S4步骤；
S4．控制模块根据S3的判断结果控制电子开关网络选通需要均衡的蓄电池，启动双向DC-DC模块对该蓄电池进行放电或充电均衡，并根据该蓄电池的电压和内阻动态调节均衡电流和均衡时间，均衡时间根据电池容量和均衡电流不同可以是几秒钟到几十秒钟；均衡过程中，电池电压采集模块对该蓄电池电压进行实时采集，控制模块对采集信息进行处理，防止蓄电池电压出现异常；
S5．当本次均衡时间结束后，关闭双向DC-DC模块的均衡操作，断开电子开关网络，并重复S1到S5步骤；
以上所述主动均衡过程包括从高电压态蓄电池抽取电荷给整个串联蓄电池组充电以降低该高电压态蓄电池的电压，或者从整个串联蓄电池组抽取电荷给低电压态蓄电池充电以提高该低电压态蓄电池的电压。
本发明通过引入电子开关网络，只需使用一个双向DC-DC模块即可对串联蓄电池组中任意蓄电池进行高效的充电或放电均衡，具有元件数量少、成本低廉、均衡电流大、控制简单、鲁棒性强的优点；通过共用同一采样回路对所有电池电压采样，保证了采样结果的一致性且能省去专用的电池电压采集网络，这极大的提高了均衡的可靠性，降低了电路成本。
附图说明
图1为本发明的一种串联蓄电池组的主动均衡电路实施例一。
图2为本发明的一种串联蓄电池组的主动均衡电路实施例二。
图3为本发明使用的双向DC-DC模块的一种电路结构原理图。
图4为本发明的一种串联蓄电池组的主动均衡方法一流程图。
图5为本发明的一种串联蓄电池组的主动均衡方法二流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的一种串联蓄电池组的主动均衡电路，包括串联蓄电池组1、电子开关网络2、电池电压采集模块3、控制模块4、双向DC-DC模块5。
串联蓄电池组1由n节蓄电池B1、B2……Bn串联而成，每节蓄电池正负极分别单独对应1个单刀单掷电子开关，比如：蓄电池B1负极接电子开关K1，正极接电子开关K2，以此类推，蓄电池Bn负极接电子开关K2n-1，正极接电子开关K2n；所有电子开关组成电子开关网络2。电子开关网络2与串联蓄电池组1连接，控制模块4与电子开关网络2、电池电压采集模块3和双向DC-DC模块5连接，电子开关网络2通过双向DC-DC模块5与串联蓄电池组1的输出端连接；电池电压采集模块3连接电子开关网络2的输出端。
如图3所示，图中T1为反激式开关电源高频变压器，C1为连接到电子开关网络2输出端的滤波电容，R1、C2、Q1和D1组成变压器初级漏感尖峰吸收电路，同时R1、Q1和R2组成电阻分压网络，在均衡时通过采样R2上的电压可以计算出变压器次级的输出电压，C3、R4和D4组成变压器次级漏感尖峰吸收电路，Q2为变压器初级开关管，D2为初级续流二极管，Q3为变压器次级开关管，D3为次级续流二极管，C4为连接到串联蓄电池组1的滤波电容，R3为均衡电流采样电阻，A1为对采样电阻上的电压进行放大调理的放大器。图中Q2、Q3为功率三极管或场效应管，D2、D3为肖特基二极管或者超快恢复二极管，D1、D4为快恢复二极管。
对于双向DC-DC模块5的控制过程，如果要对电池进行放电，则由控制模块4产生PWM1信号驱动Q2，关闭PWM2信号使得Q3处于关闭状态，控制模块4采样放大器A1的输出电压和R2上的电压计算得到均衡电流和双向DC-DC模块5的输出电压，根据均衡电流和双向DC-DC模块5的输出电压动态调节PWM1信号的占空比，从而控制放电均衡过程；如果要对电池充电，则由控制模块4产生PWM2信号驱动Q3，关闭PWM1信号使得Q2处于关闭状态，控制模块4采样放大器A1的输出电压和R2上的电压计算得到均衡电流和双向DC-DC模块5的输入电压，同时电池电压采集模块3采样得到当前需要均衡的蓄电池的电压，控制模块4根据均衡电流和当前需要均衡的蓄电池的电压动态调节PWM1信号的占空比，从而控制充电均衡过程。也可以由控制模块4产生2路带死区时间的互补PWM信号分别送到PWM1和PWM2，使得Q2和Q3交替导通，此时双向DC-DC模块5工作在同步整流模式，改变PWM信号的占空比即可改变双向DC-DC模块5的能量流动方向，实现对电池的充电或者放电均衡。
结合图4的流程图，均衡过程步骤如下：
（1）对串联蓄电池组1的每节电池电压进行采样：
控制模块4控制电子开关网络2内电子开关K1、K2导通，其他开关关断，电池电压采集模块3对蓄电池B1的电压进行采样，得到的电压记为V1；断开电子开关K1、K2，闭合电子开关K3、K4，电池电压采集模块3对蓄电池B2的电压进行采样，得到的电压记为V2；依次类推，直到采样完蓄电池Bn的电压Vn，得到串联蓄电池组1中所有蓄电池的当前电压V1-Vn；并由当前电压和电流以及历史电压和电流计算出每一节蓄电池的动态内阻；
（2）对所有采样电压进行分析：
控制模块4计算出串联蓄电池组1的平均电压值Vavg，以及所有蓄电池电压V1-Vn与串联蓄电池组1平均电压值Vavg的偏离值，记为|Vj-Vavg|，其中j=1, 2, …n;
找出偏离串联蓄电池组1平均电压值最大的蓄电池电压Vj，以及它对应的蓄电池Bj：
最大偏离量可用最大值函数表示为max{|Vj-Vavg|}，其中j=1, 2, …n；判断该最大偏离量是否大于阈值VT（VT是系统根据该蓄电池充、放电状态动态变化给定的电压值），如果大于阈值VT，则说明该蓄电池Bj需要均衡；执行步骤（3）；如果不大于阈值VT，则不需要均衡，重复步骤（1）。
（3）判断需要充电均衡，还是放电均衡：
如果上述蓄电池Bj的电压Vj大于串联蓄电池组1平均电压值Vavg，即蓄电池Bj处于高电压状态，需要对它进行放电均衡，执行步骤（4）；如果蓄电池Bj的电压Vj小于串联蓄电池组1平均电压值Vavg，即蓄电池Bj处于低电压状态，需要对它进行充电均衡，执行步骤（5）。
（4）放电均衡过程：
控制模块4通过控制电子开关网络2闭合电子开关K2j-1和K2j，断开其他电子开关；并启动双向DC-DC模块5根据蓄电池Bj的电压和内阻动态调节均衡电流i和均衡时间t，对蓄电池Bj进行放电均衡；
（5）充电均衡过程：
控制模块4通过控制电子开关网络2闭合电子开关K2j-1和K2j，断开其他电子开关；并启动双向DC-DC模块5根据蓄电池Bj的内阻和电压动态调节均衡电流i和均衡时间t，对蓄电池Bj进行充电均衡；
（6）当均衡时间t结束后，控制模块4关闭双向DC-DC模块5的均衡操作，然后断开电子开关K2j-1和K2j，并重复步骤（1）到步骤（6）；
均衡过程中，电池电压采集模块3对蓄电池Bj电压进行实时采集，控制模块4对采集信息进行处理，防止蓄电池Bj电压出现异常；
上述方法因双向DC-DC模块5的一端通过电子开关网络2与蓄电池Bj相连，另一端与整个串联蓄电池组1相连，在主动均衡过程中起到了桥梁的作用，单节蓄电池的能量与串联蓄电池组1的能量能够双向转移；通过从高电压态蓄电池抽取电荷给整个串联蓄电池组1充电以降低该高电压态蓄电池的电压，从整个串联蓄电池组1抽取电荷给低电压态蓄电池充电以提高该低电压态蓄电池的电压。
结合图5的流程图，均衡过程也可以是如下步骤：
（1）对串联蓄电池组1的每节电池电压进行采样：
控制模块4控制电子开关网络2内电子开关K1、K2导通，其他开关关断，电池电压采集模块3对蓄电池B1的电压进行采样，得到的电压记为V1；断开开关K1、K2，闭合K3、K4，电池电压采集模块3对蓄电池B2的电压进行采样，得到的电压记为V2；依次类推，直到采样完蓄电池Bn的电压Vn，得到串联蓄电池组1中所有蓄电池的当前电压V1-Vn；并由当前电压和电流以及历史电压和电流计算出每一节蓄电池的动态内阻；
（2）计算串联蓄电池组1的SOC状态和其中每一节蓄电池的SOC状态：
控制模块4通过充放电安时积分法计算串联蓄电池组1的SOC状态，记为S；并根据之前的历史均衡电流通过安时积分法计算修正每一节蓄电池的SOC状态，分别依次记为S1-Sn；
（3）对SOC状态进行分析：
控制模块4计算串联蓄电池组1中每一节蓄电池SOC状态S1-Sn与串联蓄电池组1的SOC状态S的偏离值，记为|Sj-S|，其中j=1, 2, …n;
找出偏离串联蓄电池组1的SOC状态最大的蓄电池SOC状态Sj，以及它对应的蓄电池Bj：
最大偏离量可用最大值函数表示为max{|Sj-S|}，其中j=1, 2, …n；判断该最大偏离量是否大于阈值ST（ST是系统根据该蓄电池充、放电状态动态变化给定的SOC状态），如果大于阈值ST，则说明该蓄电池Bj需要均衡；执行步骤（3）；如果不大于阈值ST，则不需要均衡，重复步骤（1）。
（4）判断需要充电均衡，还是放电均衡：
如果上述蓄电池Bj的SOC状态Sj大于串联蓄电池组1的SOC状态S，即蓄电池Bj处于高电压状态，需要对它进行放电均衡，执行步骤（5）；如果蓄电池Bj的SOC状态Sj小于串联蓄电池组1的SOC状态S，即蓄电池Bj处于低电压状态，需要对它进行充电均衡，执行步骤（6）。
（5）放电均衡过程：
控制模块4通过控制电子开关网络2闭合电子开关K2j-1和K2j，断开其他电子开关；并启动双向DC-DC模块5根据蓄电池Bj的电压和内阻动态调节均衡电流i和均衡时间t，对蓄电池Bj进行放电均衡；
（6）充电均衡过程：
控制模块4通过控制电子开关网络2闭合电子开关K2j-1和K2j，断开其他电子开关；并启动双向DC-DC模块5根据蓄电池Bj的内阻和电压动态调节均衡电流i和均衡时间t，对蓄电池Bj进行充电均衡；
（7）当均衡时间t结束后，控制模块4关闭双向DC-DC模块5的均衡操作，然后断开电子开关K2j-1和K2j，并重复步骤（1）到步骤（7）；
均衡过程中，电池电压采集模块3对蓄电池Bj的电压进行实时采集，控制模块4对采集信息进行处理，防止蓄电池Bj电压出现异常；
上述方法因双向DC-DC模块5的一端通过电子开关网络2与蓄电池Bj相连，另一端与整个串联蓄电池组1相连，在主动均衡过程中起到了桥梁的作用，单节蓄电池的能量与串联蓄电池组1的能量能够双向转移；通过从高电压态蓄电池抽取电荷给整个串联蓄电池组1充电以降低该高电压态蓄电池的电压，从整个串联蓄电池组1抽取电荷给低电压态蓄电池充电以提高该低电压态蓄电池的电压。
实施例二：如图2所示，电池电压采集模块3直接与串联蓄电池组1中每节蓄电池并联，不需要控制模块4对电子开关网络2进行选通，就可以持续对每节蓄电池进行电压采样。其他与实施例一相同。
通过以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式；凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均包含本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种串联蓄电池组的主动均衡电路，其特征在于：所述均衡电路用于均衡由n节蓄电池串联而成的串联蓄电池组，包括串联蓄电池组、电子开关网络、双向DC-DC模块、电池电压采集模块、控制模块以及可选的供电模块；所述电子开关网络与串联蓄电池组连接，所述控制模块与电子开关网络、电池电压采集模块和双向DC-DC模块连接，所述电子开关网络通过双向DC-DC模块与串联蓄电池组的输出连接；所述电池电压采集模块定时采样串联蓄电池组中所有蓄电池的电压，控制模块根据串联蓄电池组中各节蓄电池的电压或计算得到的各节蓄电池的SOC状态决定需要对哪一节蓄电池进行均衡，并根据该判断结果控制电子开关网络和双向DC-DC模块对相应的蓄电池进行充电或放电均衡。
2.根据权利要求1所述的一种串联蓄电池组的主动均衡电路，其特征在于：所述电子开关网络包括设于串联蓄电池组中每节蓄电池正、负极上的电子开关，该电子开关网络由控制模块控制其中的电子开关导通或关断，可以单独选择串联蓄电池组中的单节或多节蓄电池连接到双向DC-DC模块；所述电子开关网络可以是每节蓄电池对应2个单刀单掷电子开关，也可以是每节蓄电池对应1个单刀双掷电子开关；单刀单掷电子开关或单刀双掷电子开关可以是干簧管、机械继电器、光耦继电器，或者是由场效应管或其它半导体器件组合而成的具备双向关断功能的半导体开关。
3.根据权利要求1所述的一种串联蓄电池组的主动均衡电路，其特征在于：所述双向DC-DC模块为通过电子变压器隔离的、具备双向能量转移功能的电源模块，通过所述控制模块给出的PWM信号或其它控制信号能够实现能量从一端转移到另外一端；双向DC-DC模块本身可以具备输入或输出电流监控功能，所述控制模块可以检测双向DC-DC模块的输入和输出电流，以使用安时积分法对每一节电池的SOC状态进行估算修正，同时所述控制模块还可以通过控制双向DC-DC模块的输入或输出电流以应对不同的均衡需求。
4.根据权利要求1所述的一种串联蓄电池组的主动均衡电路，其特征在于：所述电池电压采集模块可以是直接连接在串联蓄电池组每一节蓄电池上的专用的电池电压采样电路，也可以是连接在电子开关网络的输出端，单独检测电子开关网络当前选择的某一节蓄电池的电压；通过所述控制模块控制电子开关网络轮流选通串联蓄电池组中的所有单节蓄电池，便可以采集串联蓄电池组中所有单节蓄电池的电压；在执行充、放电均衡的过程中，也能持续检测当前处于均衡状态的蓄电池的电压以防止该蓄电池过充或过放。
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