动力电池的能量均衡系统和方法与流程

本发明涉及电子技术和新能源汽车动力电池管理系统领域，尤其涉及一种动力电池的能量均衡系统和方法。

背景技术：

由于石油能源的不可再生和环境污染特性，绿色新能源得到广泛的应用。汽车尾气给全球空气质量带来了毁灭性的影响，由此电动车以其节能、环保的优点被广泛地应用于人们的生活中。随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池越来越多地被用于电动车领域。电动汽车和传统燃油汽车的最重要的区别就是以动力电池替代了传统的燃油作为动力来源。所以动力锂离子电池的安全和高效成为电动汽车的重要发展技术。

磷酸铁锂电池是安全性较高的锂离子电池，然而其单节电压较低，在实际使用过程中，如电动大巴的动力电池组必须串联大量的单体电池才能达到动力系统所需要的电压值。由于电池生产从原料开始到最终的产品需要经过多道复杂的工序，即使每道工序都经过严格的程序控制，也不可能做到每只电池在下生产线时在电压、内阻、容量等方面完全一致，总会存在一些微小的差异。随着电池的使用，由于热差异等环境因素的影响，这些微小的差异会被放大，使得串联电池间的性能差异越来越大。由于电动汽车动力电池单体间不一致性的存在，统一充电结束后其电压不可能完全一致，故需要对电池组进行主动均衡或被动均衡。

现有技术中电池管理系统有多种方案，最常用的是被动均衡，也称作耗散式均衡。实现电路简单，通过实时检测每个单体电池的电压，当单体电池的电压超过控制器算法中设定的阈值时，通过对单体电池接通电阻式被动放电电路，提供泄流回路，从而实现均衡。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。

为了降低能量损耗，提高动力电池的能量转化效率，现在技术中也有些均衡方案选择主动均衡，其原理是将串联电池组中的单体电压较高者的电能通过能量转移的形式转移给串联电池组中的单体电压较低者，从而理论上实现能量的最大利用率和提高电池一致性。然而，主动均衡虽从理论上成立，但主动均衡的成本和体积无法预估，且在工作环境极其恶劣、电磁干扰环境相当复杂的电动汽车中，DC/DC(直流转直流电源)转换过程中真正的能量损失也无法预估，均衡效率、均衡时间以及开启均衡后的系统稳定性都难以得到保障，增加了系统冗余和降低了行车安全性。

并且现有技术中还使用继电器等开关来响应均衡，但由于继电器本身体积大、响应慢、驱动功耗大、存在电磁干扰等缺点，使得均衡稳定性大大降低。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中对电池组采用主动均衡、被动均衡或者使用继电器响应均衡时能量损耗大、均衡稳定性较低、增加系统冗余等缺陷，提供一种动力电池的能量均衡系统和方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种动力电池的能量均衡系统，其特点在于，包括一电池组和一BMU(battery management unit，电池管理单元)从板，所述BMU从板包括一电压采集模块和与所述电压采集模块电连接的一控制器；

所述BMU从板上设有至少两个选通模块，每一选通模块包括一译码器电路和与所述译码器电路电连接的一MOS(绝缘栅型场效应管)管电子开关电路，所述MOS管电子开关电路与所述电池组电连接；

所述BMU从板上还设有至少四个DC/DC电源模块，每一选通模块分别与至少两个所述DC/DC电源模块电连接，所述DC/DC电源模块用于向所述电池组补入电量；

所述电压采集模块用于采集所述电池组中各单体电池的电压，所述控制器用于在其中一电压满足一补电条件时向所述译码器电路发送一地址信号，所述地址信号用于表征满足所述补电条件的单体电池的地址，所述MOS管电子开关电路用于选通满足所述补电条件的单体电池。

较佳地，所述补电条件包括：在所述电池组充电结束后，存在至少一单体电池的电压小于一阈值。

较佳地，所述BMU从板还包括与所述控制器电连接的一温度传感器，所述温度传感器用于采集所述电池组中各单体电池的温度，所述控制器还用于根据各单体电池的电压和温度对所述电池组进行时间上的充电起止控制。

较佳地，所述译码器电路通过一光电隔离器与所述MOS管电子开关电路电连接；和/或，所述ADC(模数转换器)采样芯片的型号为LTC6804。

较佳地，所述电压采集模块包括一ADC采样芯片，所述温度传感器包括NTC(负温度系数)热敏电阻。

较佳地，所述选通模块和所述DC/DC电源模块均以堆叠式结构焊接于所述BMU从板上。

本发明还提供一种动力电池的能量均衡方法，其特点在于，其利用如上所述的能量均衡系统实现，包括：

S₁、所述电压采集模块采集所述电池组中各单体电池的电压；

S₂、所述控制器判断该些电压中是否存在一电压满足一补电条件，并在判断结果为是时向所述译码器电路发送一地址信号，所述地址信号用于表征满足所述补电条件的单体电池的地址；

S₃、所述MOS管电子开关电路选通满足所述补电条件的单体电池；

S₄、所述DC/DC电源模块对选通后的单体电池进行补电。

较佳地，所述补电条件包括：在所述电池组充电结束后，存在至少一单体电池的电压小于一阈值。

较佳地，所述BMU从板还包括与所述控制器电连接的一温度传感器；

步骤S₁还包括：

所述温度传感器采集所述电池组中各单体电池的温度；

步骤S₂还包括：

所述控制器还根据各单体电池的电压和温度对所述电池组进行时间上的充电起止控制。

较佳地，所述译码器电路通过一光电隔离器与所述MOS管电子开关电路电连接。

本发明的积极进步效果在于：本发明将选通模块和补电模块集成在BMU从板上，降低了系统的复杂度，且由BMU上的电压采集模块和控制器来实现电压采集和电压计算，可加快处理速度，提高系统精度；而通过多个选通模块和多个补电模块对单体电池进行补电，提高了补电效率；且仅对需要补电的单体电池通过选通模块进行选通，进而通过补电模块进行补电，克服了被动均衡中能量损耗的缺陷，也克服了主动均衡中产生的系统冗余；而通过MOS管电子开关电路来选通单体电池，避免继电器所存在的响应慢、电磁干扰等缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例1的动力电池的能量均衡系统的结构示意图。

图2为本发明实施例1的选通模块的工作原理图。

图3为本发明实施例2的动力电池的能量均衡方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

实施例1

本实施例提供一种动力电池的能量均衡系统，如图1所示，包括一电池组1和一BMU从板2，所述BMU从板2包括一电压采集模块21和与所述电压采集模块电连接的一控制器22；

所述BMU从板上设有至少两个选通模块23，每一选通模块包括一译码器电路231和一MOS管电子开关电路232，所述译码器电路231通过一光电隔离器与所述MOS管电子开关电路电连接，通过光电隔离器能够实现选通隔离。

所述MOS管电子开关电路232与所述电池组1电连接；

所述BMU从板上还设有至少四个DC/DC电源模块24，每一选通模块23分别与至少两个所述DC/DC电源模块电连接，所述DC/DC电源模块24用于向所述电池组1补入电量；DC/DC电源模块24的输入接外部充电电源，输出直接供给选通模块23，DC/DC电源模块24将外部的充电电源以DC/DC方式转化为单体电池的充电电源，以供电给被选通模块选通的单体电池。

所述选通模块和所述DC/DC电源模块均以堆叠式结构焊接于所述BMU从板上。该种设置方式大大减小了设备的体积。

所述电压采集模块用于采集所述电池组中各单体电池的电压，所述控制器用于在其中一电压满足一补电条件时向所述译码器电路发送一地址信号，所述地址信号用于表征满足所述补电条件的单体电池的地址，所述MOS管电子开关电路用于选通满足所述补电条件的单体电池。

BMU从板是属于BMS(电池管理系统)系统里的，BMS系统包括BMU从板和BCU(电池控制单元)主板，在电池管理系统BMS中，BCU主板负责电池组的总电压测量、总电流测量、绝缘电阻测量、SOC(state of charge，剩余电量)计算、数据分析和分级报警、保护策略和控制以及CAN(控制器局域网络)通信。可以理解，任何使用了本发明的动力电池的能量均衡系统的BMS电池管理系统，也均在本发明的保护范围内。而本方案将单体电池的电压等参数的采集和计算由BMU从板完成，可加快数据处理速度，提高系统精度。

其中，所述补电条件包括：在所述电池组充电结束后，存在至少一单体电池的电压小于一阈值。即在充电末期进行补电，汽车运行中和充电初期不补电，在提高各单体电池一致性的前提下，最大程度提高了行车安全和电池使用寿命。此外，选通模块和补电模块只在充电过程中按需工作，在放电过程中不参与工作，能够确保动力电池的系统稳定性。

所述BMU从板还包括与所述控制器电连接的一温度传感器25，所述温度传感器25用于采集所述电池组中各单体电池的温度，所述控制器还用于根据各单体电池的电压和温度对所述电池组进行时间上的充电起止控制。

所述电压采集模块包括一ADC采样芯片，所述温度传感器包括NTC热敏电阻，所述ADC采样芯片的型号为LTC6804，该芯片采样精度、采样周期以及采样稳定性较高。

而该控制器可为单片机MCU，其在电池组充电完成时对欠压的单体电池进行补电控制，即能量均衡；且基于保护电池安全和延长其使用寿命的原则，根据采集的电压和温度监测单体电池是否过压或欠压，以决定何时开始对电池组充电，何时对电池组停止充电等，从而实现充电起止控制。还能够对监测电池包温度，以免电池过热发生安全问题。

其中，译码器电路包括38译码器，单片机通过IO(输入输出)引脚控制38译码器的各控制引脚实现不同的地址选择，不同的地址对应不同的单体电池。而选通模块23的工作原理图如图2所示，38译码器集成于该原理图内，38译码器的控制引脚为BA、BB、BC和BEN。

由于MOS管电子开关电路不存在机械式零部件、体积较小且多为贴片封装，因此可方便集成化和自动化生产。且MOS管电子开关的响应速度快、驱动电流极小、在状态切换的过程中没有触点弧和回跳，比较平缓，因此没有电磁干扰的影响。在汽车的高振荡环境下工作时，选通模块中的MOS电子开关的稳定性远高于继电器的稳定性。

如图1所示，电池组由24节单体电池构成，每个选通模块的电源输入为两路，其可同时为两路被选通单体进行补电；而每个选通模块可独立选通12路单体的任意一路，因此使用两个选通模块和四个补电模块则可实现对系统中所有24节单体的选通和补电。而在同一时刻至少可以对4路单体电池进行补电，大大提高了补电效率，也节省了充电时间。

综上，本实施例将选通模块和补电模块集成在BMU从板上，降低了系统的复杂度，且由BMU上的电压采集模块和控制器来实现电压采集和电压计算，可加快处理速度，提高系统精度；而通过多个选通模块和多个补电模块对单体电池进行补电，提高了补电效率；且仅对需要补电的单体电池通过选通模块进行选通，进而通过补电模块进行补电，克服了被动均衡中能量损耗的缺陷，也克服了主动均衡中产生的系统冗余；而通过MOS管电子开关电路来选通单体电池，避免继电器所存在的响应慢、电磁干扰等缺陷。

实施例2

本实施例提供一种动力电池的能量均衡方法，如图3所示，其利用实施例1所述的能量均衡系统实现，包括：

步骤101、所述电压采集模块采集所述电池组中各单体电池的电压；

步骤102、所述控制器判断该些电压中是否存在一电压满足一补电条件，并在判断结果为是时向所述译码器电路发送一地址信号，所述地址信号用于表征满足所述补电条件的单体电池的地址；

步骤103、所述MOS管电子开关电路选通满足所述补电条件的单体电池；

步骤104、所述DC/DC电源模块对选通后的单体电池进行补电。

其中，所述补电条件包括：在所述电池组充电结束后，存在至少一单体电池的电压小于一阈值。所述BMU从板还包括与所述控制器电连接的一温度传感器，步骤101还包括：所述温度传感器采集所述电池组中各单体电池的温度；步骤102还包括：所述控制器还根据各单体电池的电压和温度对所述电池组进行时间上的充电起止控制。所述译码器电路通过一光电隔离器与所述MOS管电子开关电路电连接。

本实施例能够达到与实施例1相同的技术效果。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。