CN214707253U - 一种电池组主动均衡管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池组不同单体电池电量监控技术领域，特别提供了一种电池组主动均衡管理系统，各个结构中，主控制模块与监测控制模块双向连接，主控制模块还与升压模块双向连接，电压采集模块的输入端与电池组内的各个单体电池分别连接，电压采集模块的输出端与监测控制模块连接，温度采集模块的输入端与电池组连接，温度采集模块的输出端与监测控制模块连接，监测控制模块的输出端分别与各个电量均衡电路连接，电池组的中各个单体电池分别与各个电量均衡电路对应连接，各个电量均衡电路均与储电模块连接，储电模块连接升压模块，升压模块的输出端连接电池组中的各个单体电池。本新型提高了能量利用率，延长了电池组使用寿命。

Description

一种电池组主动均衡管理系统

技术领域

本实用新型涉及电池组不同单体电池电量监控技术领域，特别提供了一种电池组主动均衡管理系统，主要应用于电动汽车电池组技术领域。

背景技术

在能源危机和环境污染问题的压力下，环保、节能已成为当今汽车发展的主题，纯电动汽车因节能、环保无污染的优势，受到政府高度重视和大力扶持。电池组作为纯电动汽车的动力来源，为满足电动汽车的能量需求，往往需要由几十至几百枚单体电池组成，受到系统复杂性的影响，电池组的行为有其独特性，并不是单体电池做一个简单的加减法就能够获得整个电池组的性能。以我们常见的串联、并联组成的电池组为例，理想情况下所有电池组中的单体电池应该是完全一致的，但是实际上即便是同一批次生产的单体电池仍然具有性能的差异(包括容量、内阻等因素)，虽然在组成电池组之前会进行筛选，仍然无法保证所有电池性能100％一致。此外受到电池组体积的影响，不同部分的散热特性也有较多的差异，因此电池组在温度分布上也存在较大的温度梯度，上述种种因素会导致电池组内的电池在使用过程中的衰减速度并不一致，这种情况下一方面会造成电池组的可用容量下降(受到电池组中串联电池的最小容量的限制)，另一方面也可能会导致电池组安全性降低。研究显示即便是单体电池循环寿命可达1000次以上，在组成电池组时如果不加任何均衡措施，电池组的循环寿命可能不足200次，因此电池组需要均衡设备的保护。我们提出一种电池组主动均衡管理系统对电池进行有效的管理，来延缓电池组容量衰减，延长电池组循环使用寿命。

现有的电池组平衡管理系统分为被动均衡与主动均衡。被动均衡方案的原理是把电压过高的单体电池的电能通过电阻转换成热能释放掉，系统结构相对简单；但这种方案不但造成了能量的浪费，还增加了系统的热管理负担；

主动均衡主要分为开关电容式、开关电感式、变压器式：

1)开关电容式方案中每个单体电池配备一个单刀双掷开关，每两个开关之间连接一个电容，电容为中间储能元件。通过采集单体电池的电压进行比较计算，当电压最高的电池与电压最低的电池的电压差大于设定的阈值时，则立即启动均衡电路，进行能量转移。

2)开关电感式方案是将电感和控制开关接在相邻两节单体电池之间，均衡控制系统通过实时采集和监测电池参数的变化情况来控制开关的开闭，将多余的电能先转化为电感的电磁能，然后电感上的电磁能转化为相邻电池的电能。

3)变压器式方案是为每个单体电池配备一个变压器和一个整流二极管。当控制中心发出均衡信号时，均衡开关以一定频率开始动作，匝数比相同的变压器将会保证各单体电池电压一致。能量将自动在各个单体电池中进行均匀分配，从而完成能量均衡过程。

以上技术都具有它们的局限性和设计难度，整个系统的可靠性较低。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电池组主动均衡管理系统。

本实用新型是这样实现的，提供一种电池组主动均衡管理系统，包括主控制模块、电池状态监测模块、均衡控制模块、储电模块和升压模块，电池状态监测模块包括电压采集模块、温度采集模块和监测控制模块，均衡控制模块包括若干个电量均衡电路，主控制模块与监测控制模块双向连接，主控制模块还与升压模块双向连接，电压采集模块的输入端与电池组内的各个单体电池分别连接，电压采集模块的输出端与监测控制模块连接，温度采集模块的输入端与电池组连接，温度采集模块的输出端与监测控制模块连接，监测控制模块的输出端分别与各个电量均衡电路连接，电池组的中各个单体电池分别与各个电量均衡电路对应连接，各个电量均衡电路均与储电模块连接，储电模块连接升压模块，升压模块的输出端连接电池组中的各个单体电池。

优选地，所述电池状态监测模块的主芯片型号为LTC6804，通过V+引脚与所述电池组连接，通过Vreg引脚为电池组主动均衡管理系统供电。

进一步优选，所述电池组中的各个单体电池分别通过电压采集通道与所述LTC6804芯片的C1、C2、C3……Cn引脚连接。

进一步优选，所述电池组通过温度采集通道与所述LTC6804芯片的GPIO引脚和Vref2引脚连接。

进一步优选，所述主控制模块与所述LTC6804芯片的通讯模式为ISOSPI。

进一步优选，所述均衡控制模块包括多个LT8584芯片，每个LT8584芯片与一路所述电量均衡电路连接，所述监测控制模块分别与每个LT8584芯片连接，所述电池组中的各个单体电池分别与对应的LT8584芯片连接，所述储电模块与每路电量均衡电路连接。

进一步优选，所述升压模块包括IBS、继电器和升压电路，IBS与所述储电模块连接，IBS另一端与所述主控制模块连接，继电器的输入端分别与主控制模块和储电模块连接，继电器的输出端与升压电路连接，升压电路连接所述电池组。

进一步优选，所述储电模块为蓄电池。

进一步优选，所述电池组中设有12个单体电池或单体电池模组。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)本实用新型将电池组多余的能量释放到储电单元中，再利用升压模块将蓄电池中的电压转换成高压进而再给电池组充电，实现能量循环利用，提高能量利用率的同时又不增加热管理系统的负担；

2)本实用新型在均衡过程中仅需要两次能量转移，相对于现有的主动均衡系统来说减少能量的转移次数，不存在无效的能量转移，减少了电池能量的无效循环，降低了均衡过程中对电池寿命的影响，在均衡时间及效率上有着显著的提升。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本实用新型作进一步详细的说明：

图1为本实用新型整体结构示意图；

图2为LTC6804芯片供电电路示意图；

图3为LTC6804芯片电压检测电路示意图；

图4为LTC6804芯片温度检测电路示意图；

图5为LTC6804芯片通信隔离电路示意图；

图6为电量均衡电路示意图；

图7为升压模块结构图；

图8为升压电路结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本实用新型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于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1，本实用新型提供一种电池组主动均衡管理系统，包括主控制模块1、电池状态监测模块2、均衡控制模块3、储电模块4和升压模块5，电池状态监测模块2包括电压采集模块201、温度采集模块202和监测控制模块203，均衡控制模块3包括若干个电量均衡电路301，主控制模块1与监测控制模块203双向连接，主控制模块1还与升压模块5双向连接，电压采集模块201的输入端与电池组6内的各个单体电池分别连接，电压采集模块201的输出端与监测控制模块203连接，温度采集模块202的输入端与电池组6连接，温度采集模块202的输出端与监测控制模块203连接，监测控制模块203的输出端分别与各个电量均衡电路301连接，电池组6的中各个单体电池分别与各个电量均衡电路301对应连接，各个电量均衡电路301均与储电模块4连接，储电模块4连接升压模块5，升压模块5的输出端连接电池组6中的各个单体电池。

在对电池组进行主动均衡管理过程中，电压采集模块201监测电池组6内部的各个单体电池的电压，温度采集模块202与电池组6内部的热敏电阻连接，监测整个电池组6的温度，电压采集模块201和温度采集模块202将采集到的电压和温度信息传递给监测控制模块203，监测控制模块203将信息传递给主控制模块，通过主控制模块监测电池组6中的各个单体电池的电压和电池组6整体的温度参数，监测控制模块203与均衡控制模块3相连接，用来控制电量均衡电路301的开关状态，当通过监控发现需要对不同的单体电池进行电量均衡时，电池组6中需要放电的单体电池通过电量均衡电路301将电量传递给储电单元4，储电单元4通过升压模块，重新向电池组6中需要充电的单体电池充电，实现电池组6中各个单体电池的均衡管理。

具体的，为了对整个系统供电，参考图2，所述电池状态监测模块2的主芯片型号为LTC6804，通过V+引脚与所述电池组6连接，通过Vreg引脚为电池组主动均衡管理系统供电。

LTC6804搭配适当的滤波电路及其保护电路实时监测电池状态。在监测过程中会有高噪声干扰，所设计的滤波电路可抑制高噪声并降低最大总测量误差。保护电路则在过压的情况下保护芯片，防止芯片损坏，从而提高整个管理系统的安全可靠性。

V+引脚通过稳压二极管和一个RC低通滤波器连接到各个单体电池的最高电位，Vreg引脚提供所需的大部分功率，施加5±0.5V的电压。该供电模式器件简单，容易实现。

为了实现对电池组6中各个单体电池电压的监控，参考图3，所述电池组6中的各个单体电池分别通过电压采集通道与所述LTC6804芯片的C1、C2、C3……Cn引脚连接。

LTC6804内部采用高阶低通滤波器，但快速瞬态噪声还是会在测量中引起某些残留噪声，特别是在较快的转换模式中。因此在每个输入通道增设一个RC低通去耦滤波器来降低噪声，同时还有助于抑制具有潜在破坏性的高能量瞬变。R、C选取合适的值会提高ADC的准确度。在相邻两路采集通道处并联一个稳压二极管，当采集通道采集的电压过大时稳压二极管将电压稳定到某一安全值从而保护芯片不被损坏。

为了实现对电池组6温度的监控，作为技术方案的改进，参考图4，所述电池组6通过温度采集通道与所述LTC6804芯片的GPIO引脚和Vref2引脚连接。

LTC6804的5个GPIO端口可以作为模拟输入端口，与电压检测端口具有相同的电压范围和ADC分辨率。LTC6804的Vref2引脚专为温度检测所需的电流而设计，标称值为3V。采用NTC电阻(设置在电池组6内部)进行温度检测。偏置电阻的选择根据NTC决定，在每个采样点都添加一个100nF的陶瓷电容，滤除高频干扰，提高采样精度。

所述主控制模块1与所述LTC6804芯片的通讯模式为ISOSPI。参考图5，为通信隔离电路图。

在电池状态监测模块与主控模块通信时，为提高安全性和数据完整性需要其进行电气隔离。LTC6804提供ISOSPI和SPI两种通信模式。SPI通信传输距离较短且传输距离越长传输效果越差，SPI有4根信号线，相对于只有2根信号线ISOSPI来说隔离成本较高，因此本实用新型选用ISOSPI通信。ISOSPI是一种简单的两线适配标准串行外设接口。ISO接口将高达1Mbps的全双工SPI信号转换成差分信号，然后通过双绞线外加一个简单、低成本的变压器传输这个差分信号。对比与4线SPI通讯来说传输距离更远、传输效果更好。

优选地，所述均衡控制模块3包括多个LT8584芯片，每个LT8584芯片与一路所述电量均衡电路301连接，所述监测控制模块203分别与每个LT8584芯片连接，所述电池组6中的各个单体电池分别与对应的LT8584芯片连接，所述储电模块4与每路电量均衡电路301连接。

LT8584是一款单片式反激DC/DC转换器，专为高电压电池组的主动均衡方案而设计。具有一个专为工作在边界模式的反激式变换器而设计的6A、50V的电源开关，可提供2.5A平均放电电流，且内置短路检测、高阻抗检测、过压保护、内部欠压闭锁等功能，减小了开关损坏的可能性，降低了应用电路设计的复杂性。均衡控制能量的转移可实现不平衡电池组中的容量恢复，开关稳压器高效显著的增加平衡电流，同时减少发热量。器件依靠所均衡的电池供电，能与LTC6804实现协作运行，可提供电流和温度的系统遥测功能，可并联实现更强的放电能力。

参考图6，为均衡控制模块3中的电量均衡电路301的电路图，Din引脚为数据输入引脚,Vcell为电池电压监视器引脚，Vsns为电压检测引脚，OUT为模拟输出引脚，将OUT引脚连接至LTC6804的电压检测引脚，通过内部模拟多路复用器可监视Vcell电压，以测量单体电池电压。Vsns引脚与变压器的初级侧的电流检测电阻器相连，使用此引脚测量均衡时的放电电流。SW引脚为开关引脚，内部集成NPN电源开关的集电极，变压器初级的底部连接至此引脚。当单体电池需要均衡时，芯片内部的开关管需要进行不断的开关动作。在开关的过程中由于变压器存在漏电感而会在初级侧产生尖峰感应电压，这会导致内部功率NPN的集电极电压应力增大。虽然LT8584内部采用了一个齐纳钳位来吸收漏电感尖峰能量，但是本实用新型仍在变压器初级侧加入RCD减振器，以钳位或吸收初级侧漏感尖峰能量以保护开关管并提高转换器效率。在变压器次级侧加了输出二极管及电容降低输出电压的纹波。

参考图7，为升压模块5包括的各个部分与主控制模块1和储电模块4的连接关系，所述升压模块5包括IBS501、继电器502和升压电路503，IBS501与所述储电模块4连接，IBS501另一端与所述主控制模块1连接，继电器502的输入端分别与主控制模块1和储电模块4连接，继电器502的输出端与升压电路503连接，升压电路503连接所述电池组6。

本实用新型将储电模块4(本实施例中为蓄电池)的低电压转换为高电压再对电池组6充电实现能量的回收利用。通过IBS501实时监测蓄电池电量，监测得到的数据传输到主控制模块1。主控制模块1对数据进行处理，当蓄电池电量达到设定阈值时，主控制模块1控制继电器502吸合，使升压电路503开始工作，将蓄电池的低电压转变成高电压对电池组6进行充电。当蓄电池的电量低于设定阈值时，控制继电器断开停止对电池组6充电。

参考图8，为升压电路示意图，当继电器502吸合时，蓄电池电压给开关控制器供电同时经过滤波电路作为变压器的初级侧输入，开关控制器产生2路PWM控制MOS管与变压器构成推挽电路，输出450V电压，经过二极管整流，再经过电感电容滤波后给电池组充电。反馈绕组电压经过电阻分压作为反馈电压送回开关控制器形成闭合环路控制，其主要作用是调节输出的PWM占空比大小，保证输出稳定的450V。选用推挽电路主要是因为结构简单，开关变压器磁芯利用率高，导通损耗较小。

在本实施例中，所述电池组6中设有12个单体电池或单体电池模组。

当为12个单体电池时，单体电池容量相对较大，当为单体电池模组时，每个模组会有多个单体电池，单体电池容量相对较小，一般会通过串并联组成模组(模组数量不一定看具体设计)。

上面结合附图对本实用新型的实施方式做了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (9)

1.一种电池组主动均衡管理系统，其特征在于，包括主控制模块(1)、电池状态监测模块(2)、均衡控制模块(3)、储电模块(4)和升压模块(5)，电池状态监测模块(2)包括电压采集模块(201)、温度采集模块(202)和监测控制模块(203)，均衡控制模块(3)包括若干个电量均衡电路(301)，主控制模块(1)与监测控制模块(203)双向连接，主控制模块(1)还与升压模块(5)双向连接，电压采集模块(201)的输入端与电池组(6)内的各个单体电池分别连接，电压采集模块(201)的输出端与监测控制模块(203)连接，温度采集模块(202)的输入端与电池组(6)连接，温度采集模块(202)的输出端与监测控制模块(203)连接，监测控制模块(203)的输出端分别与各个电量均衡电路(301)连接，电池组(6)的中各个单体电池分别与各个电量均衡电路(301)对应连接，各个电量均衡电路(301)均与储电模块(4)连接，储电模块(4)连接升压模块(5)，升压模块(5)的输出端连接电池组(6)中的各个单体电池。

2.按照权利要求1所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述电池状态监测模块(2)的主芯片型号为LTC6804，通过V+引脚与所述电池组(6)连接，通过Vreg引脚为电池组主动均衡管理系统供电。

3.按照权利要求2所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述电池组(6)中的各个单体电池分别通过电压采集通道与所述LTC6804芯片的C1、C2、C3……Cn引脚连接。

4.按照权利要求2所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述电池组(6)通过温度采集通道与所述LTC6804芯片的GPIO引脚和Vref2引脚连接。

5.按照权利要求2所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述主控制模块(1)与所述LTC6804芯片的通讯模式为ISOSPI。

6.按照权利要求2所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述均衡控制模块(3)包括多个LT8584芯片，每个LT8584芯片与一路所述电量均衡电路(301)连接，所述监测控制模块(203)分别与每个LT8584芯片连接，所述电池组(6)中的各个单体电池分别与对应的LT8584芯片连接，所述储电模块(4)与每路电量均衡电路(301)连接。

7.按照权利要求1所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述升压模块(5)包括IBS(501)、继电器(502)和升压电路(503)，IBS(501)与所述储电模块(4)连接，IBS(501)另一端与所述主控制模块(1)连接，继电器(502)的输入端分别与主控制模块(1)和储电模块(4)连接，继电器(502)的输出端与升压电路(503)连接，升压电路(503)连接所述电池组(6)。

8.按照权利要求1所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述储电模块(4)为蓄电池。

9.按照权利要求1所述的电池组主动均衡管理系统，其特征在于，所述电池组(6)中设有12个单体电池或单体电池模组。

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