CN205945121U - 一种电池管理系统的动态均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种电池管理系统的动态均衡电路，在该电路中，顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，其余单体电池以共线方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连。采用该电路，CPU能根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。本实用新型所需要的线束成本大大降低，而且，在实现单体电池均衡的同时也能够满足单体电压的实时采样需求，避免均衡线上的压降影响采样精度问题，使单体电压采样准确。

Description

一种电池管理系统的动态均衡电路

技术领域

本实用新型涉及一种电池管理系统的动态均衡电路。

背景技术

锂离子电池等新型电池在串联使用时，为了保证电池的安全使用，一般需要配置电池管理系统(BMS)。BMS的作用主要用来实时检测电池单体的电压，如果串联电池组的各个单体电压不一致，还需要进行均衡，均衡功能指BMS所具备的使电池组中各个单体的电压和容量及充放电特性趋于一致的一种功能。常用方法有两种：能量耗散型单向均衡和能量转移型双向均衡。

能量耗散型单向均衡：指在每串电池上并联一个可以开关的放电电阻，BMS控制放电电阻对电压较高的单体放电，电能以热的形式耗散掉；这种方式只能对电压高的单体放电，不能对容量低的单体进行补充电。

能量转移型双向均衡：是在BMS内部控制一个双向高频开关电源变换器，对电压较高的电池放电，放出的能量用来对电压较低的单体进行充电，能量主要是转移而不是耗散，能量损失较少，通过“削高补低”，能量转移的方式有效弥补电池的差异性。这种将多余量转移到高能量电芯，放电的多余能量转移到低能量电芯的方法称为主动均衡技术，采用能量转移型双向均衡方法可最大限度的降低损耗，提高能效管理。

能量转移型双向均衡能够动态实时对各个单体的电压进行充放电管理，能量双向转移式主动均衡“削高补低”实现电池的静态、动态一致性，有效延长动力电池使用寿命。

能量转移型双向均衡电路的基本原理图如图1所示，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池B1～B4之间的依次级联的双向直流/直流(Direct Current，缩略词为DC)变换器、极性换向器，以及开关数量比顺序串联的电池B1～B4的单体电池数量多1的用于控制选通相应单体电池的电池选择开关K1～K5，还包括连接在顺序串联的单体电池B1～B4与CPU的A/D端口之间的依次级联的开关数量与电池选择开关数量相等用于控制选 通相应单体电池的电压采样开关S1～S5，以及模拟/数字(Analog/Digital，缩略词为A/D)变换器，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关K2、K4的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关K2、K4的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关S2、S4的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关S2、S4的另一端与同一单体电池的负极连接，所述电池选择开关K1～K5和所述电压采样开关S1～S5由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制。

其动态均衡方法包括以下步骤：

1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压；

2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；

3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的电压采样开关S1～S5，依次选择每个单体电池接入到A/D变换器的输入端口，经过A/D变换后由CPU的端口A/D端口A/D1依次采集到每个单体电池的电压参数，CPU通过对比检测到某个单体电池电压与其他单体电池的电压不一致时，就启动均衡电池管理，控制选通相应的电池选择开关K1～K5中的某相邻两个闭合，将电压不一致的单体电池接入到所述极性换向器进行极性匹配，再传送至所述双向DC-DC变换器，由CPU控制双向DC/-DC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体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，实现能量转移；

4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。

为了实现单体实时采样及主动均衡功能，对于采样及均衡线有两种设计方案：采样及均衡线独立分开，或者采样线及均衡线共线。

1、单体采样及均衡线独立分开

单体采样及均衡线独立分开的方案如图2a和2b所示，正常运行时，CPU依次控制切换开关S1～S5(S1～S5一般为高速信号电子开关)，依次选 择每一节电池到AD变换器的输入端口，经过AD变换后，CPU可以依次得到每一节电池的电压参数，如果CPU通过对比发现某一节电池电压与其他电池单体电压不一致，就会控制K1～K5(K1～K5一般为大电流功率开关)中的某两个相邻开关闭合，将电压不一致的电池单体接入到换向器(因为奇数和偶数的电压极性相反，因此需要进行极性换向)，经过换向器后将电压不一致的电池单体接入到双向DC-DC，CPU会控制双向DC-DC会对该电池进行充电或者放电均衡，在均衡过程中，CPU通过S1～S5开关和AD变换器持续监测该电池单体电压，一旦发现电压达到要求将停止均衡。

由于采样和均衡采用独立的线路，在均衡过程中均衡线上的压降不会影响采样精度问题，同时保证可实时的采样，但该方案线束成本至少是被动均衡模式的2倍。

2、单体采样及均衡共线方案

单体采样及均衡共线方案如图3a和3b所示，采用这种接线方式，在均衡时候，因为线束上有压降，此时单体电压采样不准确。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种电池管理系统的动态均衡电路。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，连接在顺序串联的单体电池组与CPU之间的依次级联的电压采样开关组以及A/D变换器，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并 判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，

顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连。

按照上述动态均衡电路，CPU可以根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。

进一步地：

所述CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。

所述电压采样开关是固体继电器。

所述电池选择开关是MOSFET。

所述A/D变换器包括高精密仪表用差分运算放大器。

本实用新型的有益效果：

根据本实用新型的动态均衡电路，除了单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线之外，其他单体电池的采样线及均衡线共线，对于批量单体的电池采集及均衡，本实用新型所需要的系统线束成本大大降低，显著降低了BMS系统成本，而且，本实用新型在实现单体电池均衡的同时也能够满足单体电压的实时采样需求，在均衡过程中，消除或减小均衡线上的压降对采样精度的影响，使单体电压采样准确。

附图说明

图1是现有主动均衡电池管理的动态均衡电路原理框图；

图2a和图2b分别是现有的采样线及均衡线分线的动态均衡电路原理框图和电池单体接线示意图；

图3a和图3b分别是现有的采样及均衡线共线的动态均衡电路原理框图和电池单体接线示意图；

图4a和图4b分别是本实用新型一种实施例的采样和均衡共线的动态均衡电路原理框图(第一个单体电池接2根线，即采样及均衡分线，其余 单体电池的采样及均衡共线)和电池单体接线示意图；

图4c是第一个单体电池的采样及均衡分线，其余单体电池的采样及均衡共线，在有均衡电流时，其等效电路原理示意图；

图5a和图5b分别是本实用新型另一种实施例的采样及均衡线共线的动态均衡电路原理框图(最后一个单体电池接2根线，即采样及均衡分线，其余单体电池的采样及均衡共线)；

图5c是最后一个单体电池的采样及均衡分线，其余单体的采样及均衡共线，在有均衡电流时，其等效电路原理示意图；

图6对应图3a和图3b所示的电路，是所有单体电池采样及均衡都共线，在有均衡电流时，图3a和图3b所示电路的等效电路原理示意图。

具体实施方式

以下对本实用新型的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参阅图4a和图4b，在一种实施例中，一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组B1～B4之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组K1～K5，连接在顺序串联的单体电池组B1～B4与CPU之间的依次级联的电压采样开关组S1～S5以及A/D变换器，所述电池选择开关组K1～K5和所述电压采样开关组S1～S5的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关K2、K4的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关K2、K4的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关S2、S4的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关S2、S4的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入 正汇集母线、负汇集母线充电或放电。

顺序串联的所述单体电池组B1～B4中的第一个单体电池B1或最后一个单体电池B4通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连。按照该电路，CPU能够根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。

在一些实施例中，所述CPU可以是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。

在一些实施例中，所述电压采样开关可以是固体继电器。

在一些实施例中，所述电池选择开关可以是MOSFET。

在一些实施例中，所述A/D变换器可以是高精密仪表用差分运算放大器。

一种用于所述的电池管理系统的动态均衡电路的动态均衡方法，包括以下步骤：

S1、基于均衡测试电流条件计算或近似计算出各单体电池的采样线的阻抗值；

S2、正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压，并将采样电压剔除根据采样线的阻抗值和均衡充电电流值计算出的线上压降，得到各单体电池实际的单体电压；

S3、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；

S4、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；

重复步骤S2～S4,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。

实施例1

如图4a和图4b所示，具体接线方式如下：首个单体电池接2根线，采样及均衡分线，其余单体电池的采样及均衡共线。等效电路如图4c所示。 可以实现实时的单体电压采样及实时进行均衡控制，对于批量单体的电池采集及均衡，系统线束成本大大降低。

采用如图4a和图4b所示的动态均衡电路，其动态均衡办法包括以下步骤:

步骤1：

当不启动均衡电流时候，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；

当启动有单体均衡时，单体电压值需要重新计算转换，剔除线损的压降，具体如下：

1)先关闭均衡电流测试，此时采集各个单体电压，得到一组各单体电压采集值U₁。

2)给定均衡电流，启动各个单体通道分别进行均衡测试(均衡电流I＝2000)，在均衡过程中，快速记录各个单体的电压值U2。

3)依据2组单体电压值U₁和U₂及给定的均衡充电电流值I，依据R＝(U₂-U₁)/I的原理计算各单体线的阻抗值R₁，R₂，R₃，R₄，参见等效电路图4c。

第一单体采样：S1和S2闭合，不启动均衡电流时，采集电压为U₁₁,启动均衡电流I＝2000mA时，采集电压为U₂₁；

则R₁＝(U₁₁-U₂₁)/I

依次类推，计算出：

R₂＝(U₁₂-U₂₂)/I-R₁

R₃＝(U₁₃-U₂₃)/I-R₂

R₄＝(U₁₄-U₂₄)/I-R₃。

4)正常运行过程中，计算的真实的单体电压为，采样电压剔除线上压降。

第1个单体采集电压值：

由CPU采集的电压再剔除电阻R1端的压降。

若当前均衡通道是单体1启动均衡，当CPU采集电压为V₁₁，此时单体电压值V₂₁＝V₁₁-R₁*I；

若当前均衡通道是单体2启动均衡，当CPU采集电压为V₁₁，此时单体电压值V₂₁＝V₁₁+R₁*I。

第2个单体采集电压值：

由CPU采集电压再剔除电阻R₁和R₂端的压降。

若启动均衡单体1通道，此时CPU采集电压为V₁₂，此时单体电压值V₂₂＝V₁₂+R₁*I；

若启动均衡单体2通道，此时CPU采集电压为V₁₂，此时单体电压值V₂₂＝V₁₂-(R₁+R₂)*I；

若启动均衡单体3通道，此时CPU采集电压为V₁₂，此时单体电压值V₂₂＝V₁₂+(R₂)*I。

以此类推。

步骤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；

步骤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；

重复步骤1(第4)步)～步骤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。

如上所述，不启动均衡电流管理时候，CPU采集电压即为单体电压，当启动均衡电压时候，单体实际电压需要CPU采集电压的基础上，再剔除线上的线损压降，并比较差异，最后排列最高的单体节数和最低的单体节数，并控制对最高的单体节数进行放电，对最低的单体节数进行充电，通过“削高补低”，高效能量转移，使单体电池电压趋于一致，弥补电池的差异性。

具体可采用的电路元器件与功能说明：

1)高速信号电子开关S1～S5,实际应用中，单体数量依据具体应用，可远大于5个，器件型号为高耐压的固体继电器,

高速信号电子开关S1～S5,在电路中的具体功能是切换需要采集通道的电池单体。

2)AD变换器可采用高精度精密运放调理电路。

AD变换器在电路中的具体功能把切换过来采集的单体电压进行调理转换成CPU可以采集的电压。此处CPU可采集的电压范围为0～3.3vdc。

3)CPU可以采用但不限于单片机、MCU、DSP等。

实施例2

如图5a至5c所示，也可以最后一个单体电池的采样及均衡接线为分线，其余单体电池的采样及均衡共线。此时采样策略是从最后一节开始采集，即先计算出最后一个单体电池的最后采样线的阻抗R3，依次递减进行计算。

第4个单体电池采样：S4和S5闭合，不启动均衡电流时，采集电压为U14,启动均衡电流I＝2000mA时，采集电压为U24；

R₃＝(U₁₄-U₂₄)/I，

依次类推：

R₂＝(U₁₃-U₂₃)/I-R₃

R₁＝(U₁₂-U₂₂)/I-R₂

R₀＝(U₁₁-U₂₁)/I-R₁。

计算出各个采样线的阻抗后，在启动均衡时，各单体采集电压计算类似实施例1。

如图3a-3b和图6所示，是另一种适用于电池管理系统接线是采样及均衡线共线的实时单体电压采集及动态均衡的方案，所有单体端都采用共线方案。此时R0,R1及R3，R4无法准确计算出来。考虑到实际系统接线中，R0和R1比较接近，R3和R4比较接近。在实际计算把R0和R1近似约等于同一个值，即一个变量，R3和R4近似约等于同一个值，即一个变量。计算出各个采样线的阻抗后，在启动均衡时，各单体采集电压计算类似实施例1。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，连接在顺序串联的单体电池组与CPU之间的依次级联的电压采样开关组以及A/D变换器，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，其特征在于,

顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连。

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CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。

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，所述电压采样开关是固体继电器。

4.如权利要求1至2任一项所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述电池选择开关是MOSFET。

5.如权利要求1至2任一项所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述A/D变换器包括高精密仪表用差分运算放大器。