CN101917047B - 一种电池管理系统动态均衡方法及其动态均衡电路 - Google Patents
一种电池管理系统动态均衡方法及其动态均衡电路 Download PDFInfo
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Abstract
一种电池管理系统的动态均衡方法及其动态均衡电路，有以下步骤：1)由嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单节电池的位号；3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的极性选择开关组将汇集母线进行极性变换，同时控制选通相应的电池选择开关组进行极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到汇集母线上充电或放电，实现能量转移；4)重复步骤1)～3)，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压在设定的允许误差范围内，达到动态均衡。可以显著减少电池管理系统的充放电装置器件数量和电路复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理系统，特别是涉及一种电池管理系统动态均衡方法及其动态均衡电路。
背景技术
现有铁锂电池管理系统有多种方案。最常用的是采用如图1所示的能耗均衡电路，简单实用，通过分别作为开关的S1、……Sn的稳压管D1、……Dn或其他控制电路，在单节电池BT1或BTn电压过高时，自动接通单节电池BT1或BTn的旁路支路，提供分流，使流过电池BT1或BTn的电流减小，避免电池BT1或BTn过压，其缺陷是能量损耗大，电阻需要散热，只能用于小功率电路中；如图2所示能量转移式平衡电路可以用于大中功率电路中，通过变换电路专门给过低电压电池2单独充电，或者通过变换电路专门给过高电压电池5单独放电，从而使各个单节电池1～6电压都在可控范围内，其缺陷是只能用于少量电池串联的电路，否则，变换电路采用太多的双向开关及其控制电路，成本过高，而且变换电路的变压器抽头太多，难以规模化实施和应用。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种电池管理系统的动态均衡方法。
本发明所要解决的另一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供一种电池管理系统的动态均衡电路。
本发明所要解决的再一个技术问题是弥补上述现有技术的缺陷，提供另一种电池管理系统的动态均衡电路
本发明动态均衡方法的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种电池管理系统的动态均衡方法的特点是：
采用双向隔离变换器以及设有嵌入式控制软件的CPU的开关控制电路，所述开关控制电路控制极性选择开关组和电池选择开关组。
依次有以下步骤：
1）由嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；
2）由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单节电池的位号；
3）由CPU发出控制命令，控制选通相应的极性选择开关组将汇集母线进行极性变换，同时控制选通相应的电池选择开关组进行极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到汇集母线上充电或放电，实现能量转移；
4）重复步骤1）～3），直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压在设定的允许误差范围内，达到动态均衡。
本发明动态均衡方法的技术问题通过以下技术方案予以解决。
所述步骤3）是控制双向隔离变换器正向工作，将需要单独充电的电压过低的单节电池接入到汇集母线上充电，实现能量转移。
所述步骤3）是控制双向隔离变换器反向工作，将需要单独放电的电压过高的单节电池接入到汇集母线上放电，实现能量转移。
所述嵌入式控制软件是基于嵌入式CPU芯片为载体的软件，由计算机编程后生成机器码文件，通过相应的烧录装置写入CPU芯片，且在CPU上电后自动运行。
所述CPU是具有多路模拟/数字（Analog/Digital，缩略词为A/D）转换输入接口和多路高速输入/输出（Input/Output，缩略词为I/O）接口的CPU。
本发明一种动态均衡电路的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种电池管理系统的动态均衡电路，包括至少一个用于实现能量转移的双向隔离变换器，所述双向隔离变换器的正向输入端与总母线连接，将总母线的能量变换为正、负电压输出，所述双向隔离变换器的数量与顺序串联的电池组的数量相同，对相应的至少一组顺序串联的电池组进行管理。
这种电池管理系统的动态均衡电路的特点是：
所述双向隔离变换器的正、负电压输出是相互隔离的两路正、负电压输出。
所述双向隔离变换器的后级设有由两个极性选择开关组成的双路极性选择开关组，所述双路极性选择开关组的两个极性选择开关的一端分别与双向隔离变换器的一路正电压输出端连接，两个极性选择开关的另一端分别与两条一对的汇集母线中的一条连接，双向隔离变换器的两路负电压输出端分别相应与另一个极性选择开关连接的两条一对的汇集母线中的一条连接，用于实现汇集母线的极性变换。
在所述极性选择开关组的后级设有电池选择开关组，所述电池选择开关组的开关器件数量为其连接的顺序串联的电池组的单节电池数量加1，一组奇数号的电池选择开关依次一端与两条一对的汇集母线中的一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的奇数号单节电池正端连接，同一组偶数号的电池选择开关依次一端与两条一对的汇集母线中的另一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的偶数号单节电池正端以及奇数号单节电池负端连接，用于进行极性匹配，而且，一组顺序串联的电池组的单节电池通过所述极性选择开关和所述电池选择开关组共享一个双向隔离变换器进行包括充电或放电能量转移，可以节省双向隔离变换器的数量，减小体积，降低成本。
还设有集中控制极性选择开关组和电池选择开关组的开关控制电路，所述开关控制电路，包括设有嵌入式控制软件的CPU，所述嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；所述CPU判断需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池的位号，并发出控制命令，将汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到两条汇集母线上充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。
本发明一种动态均衡电路的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述双向隔离变换器是可以正反向工作的直流变换电源。
所述极性选择开关、电池选择开关是继电器和开关晶体管中的一种。
所述开关晶体管是双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，缩略词为BJT）、金属氧化物半导体场效应管（MetalOxide Semicoductor FieldEffect Transistor，缩略词为MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，缩略词为IGBT）、集成门极换流晶闸管（Integrated GateCommutatedThyristor，缩略词为IGCT）、门极可关断晶闸管（gate turn-offthyristor，缩略词为GTO）中的一种。
优选的是，所述极性选择开关、电池选择开关是继电器，具有成本低，损耗小的优点。
本发明另一种动态均衡电路的技术问题通过以下技术方案予以解决。
这种电池管理系统的动态均衡电路，包括至少一个用于实现能量转移的双向隔离变换器，所述双向隔离变换器的正向输入端与总母线连接，将总母线的能量变换为正、负电压输出，所述双向隔离变换器的数量与顺序串联的电池组的数量相同，对相应的至少一组顺序串联的电池组进行管理。
这种电池管理系统的动态均衡电路的特点是：
所述双向隔离变换器的正、负电压输出是一路正、负电压输出。
所述双向隔离变换器的后级设有由四个极性选择开关组成的桥式极性选择开关组，所述桥式极性选择开关组的一对角两端分别与双向隔离变换器的正、负电压输出端连接，另对角两端分别与两条一对的汇集母线中的一条连接，用于实现汇集母线的极性变换。
在所述极性选择开关组的后级设有电池选择开关组，所述电池选择开关组的开关器件数量为其连接的顺序串联的电池组的单节电池数量加1，一组奇数号的电池选择开关依次一端与两条一对的汇集母线中的一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的奇数号单节电池正端连接，同一组偶数号的电池选择开关依次一端与两条一对的汇集母线中的另一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的偶数号单节电池正端以及奇数号单节电池负端连接，用于进行极性匹配，而且，一组顺序串联的电池组的单节电池通过所述极性选择开关和所述电池选择开关组共享一个双向隔离变换器进行包括充电或放电能量转移，可以节省双向隔离变换器的数量，减小体积，降低成本。
还设有集中控制极性选择开关组和电池选择开关组的开关控制电路，所述开关控制电路，包括设有嵌入式控制软件的CPU，所述嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；所述CPU判断需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池的位号，并发出控制命令，将汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到两条汇集母线上充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。
本发明另一种动态均衡电路的技术问题通过以下进一步的技术方案予以解决。
所述双向隔离变换器是可以正反向工作的直流变换电源。
所述极性选择开关、电池选择开关是继电器和开关晶体管中的一种。
所述开关晶体管是BJT、MOSFET、IGBT、IGCT、GTO中的一种。
优选的是，所述极性选择开关、电池选择开关是继电器，具有成本低，损耗小的优点。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
本发明采用用于实现动态均衡的极性选择开关组和电池选择开关组，显著减少了电池管理系统的充放电装置器件数量和电路复杂程度，更易于规模化实施和应用。
附图说明
图1是现有铁锂电池管理系统中的能耗均衡电路均衡示意图；
图2是现有铁锂电池管理系统中能量转移式平衡电路给过低电压电池补充充电示意图；
图3是现有铁锂电池管理系统中能量转移式平衡电路给过高电压电池单独放电示意图；
图4是本发明动态均衡方法具体实施方式的步骤示意图；
图5是本发明具体实施方式一的电路图；
图6是本发明具体实施方式二的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明进行说明。
具体实施方式一
一种如图4、5所示的电池管理系统的动态均衡电路，包括M（＞1）个用于实现能量转移的双向隔离变换器Sub1～SubM，双向隔离变换器Sub1～SubM的正向输入端与总母线Bus+、Bus-连接，将总母线Bus+、Bus-的能量变换为正、负电压输出，对相应的M组顺序串联的电池组进行管理，每组顺序串联的电池组由N（＞1）个单节电池BT1、……BTn顺序串联。双向隔离变换器Sub1～SubM是双向隔离变换器，双向隔离变换器Sub1～SubM是一个可以既可以正向工作，也可以反向工作的直流变换电源。双向隔离变换器Sub1～SubM的正、负电压输出是相互隔离的两路正、负电压输出。
双向隔离变换器Sub1～SubM的后级设有由两个极性选择开关（S1c1、S1c2）、……（SMc1、SMc2）组成的双路极性选择开关组，双路极性选择开关组的两个极性选择开关的一端分别与双向隔离变换器Sub1～SubM的一路正电压输出端连接，两个极性选择开关的另一端分别与两条一对的1#汇集母线～n#汇集母线中的一条连接，双向隔离变换器Sub1～SubM的两路负电压输出端分别相应与另一个极性选择开关连接的1#汇集母线～n#汇集母线中的一条连接，用于实现汇集母线的极性变换。
在极性选择开关组的后级设有电池选择开关组，电池选择开关组的开关器件数量为其连接的顺序串联的电池组的单节电池数量加1，电池选择开关有（S11、S12……、S1n+1）、……（SM1、SM2……、SMn+1）。一组奇数号的电池选择开关依次一端与两条一对的1#汇集母线～n#汇集母线中的一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的奇数号单节电池正端连接，同一组偶数号的电池选择开关依次一端与两条一对的1#汇集母线～n#汇集母线中的另一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的偶数号单节电池正端以及奇数号单节电池负端连接，用于进行极性匹配，而且，一组顺序串联的电池组的单节电池通过极性选择开关和电池选择开关组共享一个双向隔离变换器进行包括充电或放电能量转移，可以节省双向隔离变换器的数量，减小体积，降低成本。
还设有集中控制极性选择开关组和电池选择开关组的开关控制电路，开关控制电路，包括设有嵌入式控制软件的CPU，嵌入式控制软件采集各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；CPU判断需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池的位号，并发出控制命令，切换相应的极性选择开关进行极性匹配，将与双向隔离变换器连接的汇集母线进行极性变换，同时切换相应的电池选择开关进行极性匹配，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到两条汇集母线上充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。具体实现动态均衡的方法步骤如图4所示。
例如第一组顺序串联的电池组的单节电池BT11电压过低，则先接通相应的电池选择开关S11和S12，在汇集母线上得到左正右负的电压，同时再控制极性选择开关S1c1接通，进行极性匹配，然后双向隔离变换器Sub1正向工作，将从总母线Bus＋、Bus－得到的能量给单节电池BT11专门充电，实现电池能量动态均衡；
又例如第一组顺序串联的电池组的单节电池BT12电压过低，则先接通相应的电池选择开关S11和S12，在汇集母线上得到左正右负的电压，同时再控制极性选择开关S1c2接通，进行极性匹配，然后双向隔离变换器Sub1正向工作，将从总母线Bus＋、Bus－得到的能量给单节电池BT12专门充电，实现电池能量动态均衡；
同理，电池选择控制电路的电池电压检测电路对顺序串联的电池组内各个单节电池电压进行检测，然后依次对单节过高电压电池进行放电。
例如第一组顺序串联的电池组的单节电池BT11电压过高，则先接通相应的电池选择开关S11和S12，在汇集母线上得到左正右负的电压，同时再控制极性选择开关S1c1接通，进行极性匹配，然后双向隔离变换器Sub1反向工作，单节电池BT11的过高能量通过双向隔离变换器反馈给总母线Bus＋、Bus－，实现电池能量动态均衡。
又例如第一组顺序串联的电池组的单节电池BT12电压过高，则先接通相应的电池选择开关S11和S12，在汇集母线上得到左正右负的电压，同时再控制极性选择开关S1c2接通，进行极性匹配，然后双向隔离变换器Sub1反向工作，单节电池BT12的过高能量通过双向隔离变换器反馈给总母线Bus＋、Bus－，实现电池能量动态均衡。
具体实施方式二
一种如图4、6所示的电池管理系统的动态均衡电路，其电路组成与具体实施方式一基本相同。区别是双向隔离变换器Sub1～SubM的正、负电压输出是一路正、负电压输出，且双向隔离变换器的后级设有由四个极性选择开关（S1c1、S1c2、S1c3和S1c4）、……（SMc1、SMc2、SMc3和SMc4）组成的桥式极性选择开关组，桥式极性选择开关组的一对角两端分别与双向隔离变换器Sub1～SubM的正、负电压输出端连接，另对角两端分别与两条一对的1#汇集母线～n#汇集母线中的一条连接，用于实现汇集母线的极性变换。其实现电池能量动态均衡的过程与具体实施方式一基本相同。
例如极性选择开关组S1c1和S1c4同时开通，1#汇集母线左正右负，通过电池开关选择对BT11、BT13等奇数号电池充放电管理。
又例如极性选择开关组S1c2和S1c3同时开通，1#汇集母线左负右正，通过电池开关选择对BT12、BT14等偶数号电池充放电管理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。
Claims (8)
1.一种电池管理系统的动态均衡电路，包括至少一个用于实现能量转移的双向隔离变换器，所述双向隔离变换器的正向输入端与总母线连接，其中总母线包括正极母线Bus+、负极母线Bus-，所述双向隔离变换器的两个正向输入端分别与正极母线Bus+、负极母线Bus-连接，将总母线的能量变换为正、负电压输出，所述双向隔离变换器的数量与顺序串联的电池组的数量相同，对相应的至少一组顺序串联的电池组进行管理，其特征在于：
所述双向隔离变换器的正、负电压输出是相互隔离的两路正、负电压输出，其后级设有由两个极性选择开关组成的双路极性选择开关组，所述双路极性选择开关组的两个极性选择开关的一端分别与双向隔离变换器的一路正电压输出端连接，两个极性选择开关的另一端分别与一对汇集母线中的一条连接，双向隔离变换器的两路负电压输出端分别相应与另一个极性选择开关连接的一对汇集母线中的另一条连接，用于实现所述一对汇集母线的极性变换；
在所述极性选择开关组的后级设有电池选择开关组，所述电池选择开关组的开关器件数量为其连接的顺序串联的电池组的单节电池数量加1，一组奇数号的电池选择开关依次一端与所述一对汇集母线中的一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的奇数号单节电池正端连接，同一组偶数号的电池选择开关依次一端与所述一对汇集母线中的另一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的偶数号单节电池正端以及奇数号单节电池负端连接，用于进行极性匹配，而且，一组顺序串联的电池组的单节电池通过所述极性选择开关和所述电池选择开关组共享一个双向隔离变换器进行包括充电或放电能量转移；
还设有集中控制极性选择开关组和电池选择开关组的开关控制电路，所述开关控制电路，包括设有嵌入式控制软件的CPU，所述嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；所述CPU判断需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池的位号，并发出控制命令，将所述一对汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到所述一对汇集母线上充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。
2.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述双向隔离变换器是能够正反向工作的直流变换电源。
3.如权利要求1或2所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述极性选择开关、电池选择开关是继电器和开关晶体管中的一种。
4.如权利要求3所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述开关晶体管是双极结型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO）中的一种。
5.一种电池管理系统的动态均衡电路，包括至少一个用于实现能量转移的双向隔离变换器，所述双向隔离变换器的正向输入端与总母线连接，其中总母线包括正极母线Bus+、负极母线Bus-，所述双向隔离变换器的两个正向输入端分别与正极母线Bus+、负极母线Bus-连接，将总母线的能量变换为正、负电压输出，所述双向隔离变换器的数量与顺序串联的电池组的数量相同，对相应的至少一组顺序串联的电池组进行管理，其特征在于：
所述双向隔离变换器的正、负电压输出是一路正、负电压输出，其后级设有由四个极性选择开关组成的桥式极性选择开关组，所述桥式极性选择开关组的一对角两端分别与双向隔离变换器的正、负电压输出端连接，另对角两端分别与一对汇集母线中的一条连接，用于实现所述一对汇集母线的极性变换；
在所述极性选择开关组的后级设有电池选择开关组，所述电池选择开关组的开关器件数量为其连接的顺序串联的电池组的单节电池数量加1，一组奇数号的电池选择开关依次一端与所述一对汇集母线中的一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的奇数号单节电池正端连接，同一组偶数号的电池选择开关依次一端与所述一对汇集母线中的另一条连接，另一端与相应组顺序串联的电池组的偶数号单节电池正端以及奇数号单节电池负端连接，用于进行极性匹配，而且，一组顺序串联的电池组的单节电池通过所述极性选择开关和所述电池选择开关组共享一个双向隔离变换器进行包括充电或放电能量转移；
还设有集中控制极性选择开关组和电池选择开关组的开关控制电路，所述开关控制电路，包括设有嵌入式控制软件的CPU，所述嵌入式控制软件检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压；所述CPU判断需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池的位号，并发出控制命令，将所述一对汇集母线进行极性变换与极性匹配，并控制双向隔离变换器工作方向，将需要单独充放电的电压过低或过高的单节电池接入到所述一对汇集母线上充电或放电，实现能量转移，直至各组顺序串联的电池组中的各个单节电池电压每节电池电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。
6.如权利要求5所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述双向隔离变换器是能够正反向工作的直流变换电源。
7.如权利要求6所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述极性选择开关、电池选择开关是继电器和开关晶体管中的一种。
8.如权利要求7所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于：
所述开关晶体管是双极结型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、门极可关断晶闸管（GTO）中的一种。
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