一种电池管理系统及其使用的电压采样电路、方法与流程

本发明涉及电池管理系统及其使用的电压采样电路、方法。

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其管理的电池组中的各电池单体的电压，如果串联电池组的各个单体电压不一致，还需要进行均衡。如图1所示，为电池管理系统的结构示意图。电池管理系统包括依次级联连接的双向DC-DC变换器、极性换向器、电池选通模块100、电压采样模块200和处理模块。图中所示的电池管理系统针对4串电池组进行管理。电压采样模块200包括5个采样开关和第一AD变换器。电池管理系统的均衡功能指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。

正常运行时，CPU依次控制采样开关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第一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，就会控制选通开关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对该电池进行充电或者放电均衡。在均衡过程中，CPU通过电压采样模块200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。

综上，要使BMS的均衡功能准确工作，则电压采样模块200对单体电压采样的准确性对于BMS来说至关重要。对于重要的信号，在汽车电子电气系统的功能安全国际标准ISO26262中介绍的最常用的方法是：冗余备份采样方法，即采用2个功能相同的电路对单个重要的信号进行采样，增加采样电压的冗余判断。如图2所示，为增加冗余电压采集功能的电路结构示意图。图中增加有一套独立的电路，包括开关S11、S21、S31、S41、S51以及一AD变换器，由其检测电池单体电压。两套电路通过相互校验保证单体电压检测的正确性。只有当2套电路对同一单体电压的采集值的差值在一定的范围内，才启动主动均衡电池管理，大大减少了单体电压采集错误导致的误均衡电池管理，进一步提高了BMS安全可靠管理。但这种方案会成倍的增加切换开关的数量，电路复杂。特别是在管理大批量电池组时，例如60组电池串，则一套采样需要61个开关组件，两套则需122个开关组件，电路连接过于复杂，整个电池管理系统的成本较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种电池管理系统及其使用的电压采样电路、方法，可低成本且快速便捷地检测出电压采样异常情况。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种电池管理系统，包括依次级联连接的双向DC-DC变换器、极性换向器、电池选通模块、电压采样模块和处理模块；所述电池管理系统管理的电池组包括N个串联连接的电池；所述电压采样模块包括采样开关组和第一AD变换器；所述采样开关组包括N+1个采样开关，前N个采样开关的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，第N+1个采样开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个采样开关的第二端依次交替连接第一AD变换器的正输入端、负输入端；所述第一AD变换器的输出端连接所述处理模块的第一AD端口；所述电压采样模块还包括冗余开关组；所述冗余开关组包括第一冗余开关和第二冗余开关，所述第一冗余开关并联在第一采样开关的两端，所述第二冗余开关并联在第N+1个采样开关的两端；所述处理模块用于检测在N+1个采样开关导通下电池的电压，以及检测在两个冗余开关配合第偶数个采样开关导通下电池的电压，通过比较相应电压的差值是否超过设定阈值判断是否存在采样异常情况。

一种用于电池管理系统的电压采样电路，包括采样开关组和第一AD变换器；所述采样开关组包括N+1个采样开关，前N个采样开关的第一端用于依次连接所述电池管理系统管理的电池组中的N个串联连接的电池的正极，第N+1个采样开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个采样开关的第二端用于依次交替连接所述电池管理系统中的第一AD变换器的正输入端、负输入端；所述第一AD变换器的输出端用于连接所述电池管理系统中的处理模块的第一AD端口；所述电压采样电路还包括冗余开关组，所述冗余开关组包括第一冗余开关和第二冗余开关，所述第一冗余开关并联在第一采样开关的两端，所述第二冗余开关并联在第N+1个采样开关的两端。

一种用于电池管理系统的电压采样方法，所述电池管理系统包括依次级联连接的双向DC-DC变换器、极性换向器、电池选通模块、电压采样模块和处理模块；所述电池管理系统管理的电池组包括N个串联连接的电池；所述电压采样模块包括采样开关组和第一AD变换器；所述采样开关组包括N+1个采样开关，前N个采样开关的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，第N+1个采样开关的第一端连接第N个电池的负极；N+1个采样开关的第二端依次交替连接第一AD变换器的正输入端、负输入端；所述第一AD变换器的输出端连接所述处理模块的第一AD端口；所述电压采样方法包括以下步骤：1)在所述第一采样开关的两端并联第一冗余开关，在第N+1个采样开关的两端并联第二冗余开关；2)检测在N+1个采样开关导通下电池的电压，以及检测在两个冗余开关配合第偶数个采样开关导通下电池的电压，通过比较相应电压的差值是否超过设定阈值判断是否存在采样异常情况。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的电池管理系统中使用的电压采样电路，在现有采样电路的基础上仅增加两个冗余开关及通过电池管理系统中的处理模块相应的比较策略，即可达到单体电压采样的冗余检测。当比较后发现电压差值超过设定阈值，即可快速判断存在采样异常情况，快速发现采样不准确的情形。只有当比较的两个电压采集值接近，差值在一定的范围内，才会启动主动均衡电池管理，大大减少了单体电压采集错误导致的误均衡电池管理，进一步提高了BMS安全可靠管理。本发明电压采样电路的电路结构简单实用，具有高性价比，可节约PCB空间等优点。

【附图说明】

图1是现有技术中的电池管理系统的结构示意图；

图2是现有技术中的电池管理系统中增加冗余电压采集功能后的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式一的电池管理系统的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式二的电池管理系统的结构示意图。

【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做进一步详细说明。

具体实施方式一

如图3所示，本具体实施方式的电池管理系统包括依次级联连接的双向DC-DC变换器、极性换向器、电池选通模块100、电压采样模块200和处理模块。电池管理系统管理的电池组包括4个串联连接的电池B1、B2、B3和B4。电压采样模块200包括采样开关组和第一AD变换器201。采样开关组包括5个采样开关S1、S2、S3、S4和S5，采样开关S1、S2、S3、S4的第一端依次连接N个串联连接的电池的正极，采样开关S5的第一端连接第4个电池B4的负极。采样开关S1、S2、S3、S4和S5的第二端依次交替连接第一AD变换器的正输入端、负输入端。第一AD变换器201的输出端连接处理模块的第一AD端口。

电压采样模块200还包括冗余开关组。冗余开关组包括第一冗余开关P1和第二冗余开关P2。第一冗余开关P1并联在第一采样开关S1的两端，第二冗余开关P2并联在第五采样开关S5的两端。处理模块用于检测在5个采样开关导通下电池的电压，以及检测在两个冗余开关配合第偶数个采样开关导通下电池的电压，通过比较相应电压的差值是否超过设定阈值判断是否存在采样异常情况。

当相邻的两个采样开关导通时，CPU分别检测得到各个电池的第一采样电压。具体地，

控制导通第一采样开关S1和第二采样开关S2，对第1串单体电池B1进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B1的第一采样电压V1。

控制导通第二采样开关S2和第三采样开关S3，对第2串单体电池B2进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B2的第一采样电压V2。

控制导通第三采样开关S3和第四采样开关S4，对第3串单体电池B3进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B3的第一采样电压V3。

控制导通第四采样开关S4和第五采样开关S5，对第4串单体电池B4进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B4的第一采样电压V4。

以上得到各单体电池的第一组电压采样值。

当两个冗余开关P1、P2配合第偶数个采样开关S2、S4导通时，CPU分别检测到第一电池和第N电池的采样电压以及多个相邻电池的电压之和。具体地，

控制导通第一冗余开关P1和第二采样开关S2，对第1串单体电池B1进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B1的第二采样电压V11。

控制导通第一冗余开关P1和第四采样开关S4，通过AD采样后进入CPU得到第1，2，3串单体电池B1、B2、B3的电压之和V123。

控制导通第二采样开关S2和第二冗余开关P2，通过AD采样后进入CPU得到第2，3，4串单体电池B2、B3、B4的电压之和V234。

控制导通第四采样开关S4和第二冗余开关P2，对第4串单体电池B4进行电压采样，通过AD采样后进入CPU得到单体电池B4的第二采样电压V41。

以上，即得到另一组电压采样值。

CPU检测上述两组电压后，比较相应电压的差值是否超过设定阈值判断是否存在采样异常情况。

Δ1＝V11-V1

Δ2＝V1+V2+V3-V123

Δ3＝V2+V3+V4-V234

Δ4＝V41-V4

上述两组采样的电压差值若在误差允许范围内(比如：10mv)，可以认为采样是正常。若超出设定阈值，则必然存在采样异常情况。

在实际使用过程中，

若Δ1在误差允许范围内，表明B1的两次采集电压是接近的，说明采集的电压均是对应B1的实际电压，采集是准确的；若Δ1超过误差允许范围，则表示两次采集电压有一个或者两个是不准确的，表明B1的电压采集存在异常。此时，可直接判断B1电池上存在采集异常情况。

若Δ2超过误差允许范围，因Δ2＝V1+V2+V3-V123，则V1，V2，V3，V123中任何一个不准都会导致Δ2超出范围，则相应任何一个开关故障都会导致采样异常。因此若Δ2超标，则必然也是存在异常情况。此时CPU不开启均衡功能，以免出现误均衡操作。在此种情况下，电压采集模块200仅能采集判断存在异常，但不能确定是哪一节单体电池的采样有异常，如需确定，需配合后续相应的检测措施进行检测。但在进一步检测之前，本具体实施方式的电压采集模块是可以提前确定电压采集存在异常情况的，且可将异常情况锁定在小范围内的几个开关对应的电池上。

同理，若Δ3会超过误差允许范围，则必然也是存在异常情况，采集异常可以提前确定出来，虽然需结合后续相应的检测措施才能确定出具体是哪一节的单体电池的采样有异常，但可以提前确定电压采集存在异常情况，且可将异常情况锁定在小范围内的几个开关对应的电池上。

若Δ4在误差允许范围内，表明B4的两次采集电压是接近的，说明采集的电压均是对应B4的实际电压，采集是准确的；若Δ4超过误差允许范围，则表示两次采集电压有一个或者两个是不准确的，表明B4的电压采集存在异常。此时，可直接判断B4电池上存在采集异常情况。

上述电压采集过程通过类推，当存在更多个电池，也是同样新增设置两个冗余开关，配合第偶数个采样开关的导通，检测出相应的首尾两个单体电池的电压以及中间多个电压的电压之和。通过比较电压差值是否在阈值范围内，快速确定是否存在异常情况。上述电压采集方案可适用于目前市面上常见的4串电池组，12串电池组，24串电池组，36串电池组，48串电池组或者60串电池组。

综上，本具体实施方式中，由第一冗余开关和第二冗余开关组成冗余开关组，仅通过新增两个开关的设置即可快速判断出异常情况。特别是大批量检查电池组的采集是否准确时，在各个电池管理系统中增设两个开关即可快速确定出哪些电池管理系统中的电池组采样存在异常，而无需像以往那样对每个电池管理系统中的电池组中的每个单体电池均设置冗余开关进行检测。电压采集的异常情况可快速简便地检测出来。

基于上述电压采集方案，本具体实施方式中还提供电池管理系统的动态均衡方法，包括有以下步骤：

步骤1：由嵌入式控制软件调整采样开关的导通顺序，检测各组顺序串联的电池组中的各个单节电池的电压。

步骤2：由嵌入式控制软件调整冗余开关和第偶数个采样开关的导通顺序，检测相应电池的电压或者相应多个电池的电压之和，得到冗余的另一组各单体电压。

CPU通过比较步骤1和步骤2采集的单体电压，若发现2组电压差异大于设置的阀值，此时告警电压采集错误异常告警，不启动步骤3和4的动态均衡过程。若2组电压差异小于或者等于设置的阀值，则进入步骤3、4，启动均衡电池管理。上述只要超出设置阈值，采集异常，则均进行报警。后续识别出来哪一节电池的采集有异常后，相应更换采集的开关。

步骤3：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4：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。

步骤5：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。

本具体实施方式中，器件的选择与功能说明如下：

1)采样开关S1～S5为高速信号电子开关

实际应用中，数量依据具体应用，可远大于5个，器件为高耐压的固体继电器。高速信号电子采样开关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。特点是：寿命长，耐压高，切换速度快。

2)AD变换器为高精度精密运放调理电路。

AD变换器在电路中的具体功能将切换过来采集的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)增加的冗余开关P1和P2为高速信号电子开关，器件型号为高耐压的固体继电器。

4)CPU不限于MCU或者DSP，ARM等。.

CPU在电路中的具体功能是采集两组冗余的单体电压值，并比较差异，判断是否存在采集异常。此外，CPU还用于电池管理系统中动态均衡，确定最高的单体电池的位号和最低的单体电池的位号，并控制对最高的单体电池进行放电，对最低的单体电池进行充电，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。

具体实施方式二

本具体实施方式与实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中，电压采样模块还包括第二AD变换器，从而实现AD变换器的冗余设置。

如图4所示，本具体实施方式的电池管理系统包括依次级联连接的双向DC-DC变换器、极性换向器、电池选通模块100、电压采样模块200和处理模块。电池管理系统中，电压采样模块200包括采样开关组和第一AD变换器201。采样开关组的组成、以及与第一AD变换器的连接等均与实施方式一相同，在此不重复。不同的是，电压采样模块200还包括第二AD变换器202，第二AD变换器202的正输入端、负输入端分别连接第一AD变换器201的正输入端、负输入端，第二AD变换器202的输出端连接处理模块CPU的第二AD端口。这样，冗余通道是通过另一组AD变换器到达CPU，利用CPU的另一路AD通道。

工作时，有两种实施方案：

第一种实施方案：当相邻的两个采样开关导通时，各个电池的第一采样电压经过第一AD变换器201到达CPU，CPU检测第一AD端口处的电压值，采集得到各单体电池的第一组电压采样值V1、V2、V3和V4。具体开关导通情况以及相应的电压同具体实施方式一，在此不重复。当两个冗余开关P1、P2配合第偶数个采样开关S2、S4导通时，第一电池和第N电池的采样电压以及多个相邻电池的电压之和经过第二AD变换器202到达CPU，CPU检测第二AD端口处的电压值，采集得到第二组电压采样数据V11，V123，V234和V41。具体开关导通配合情况以及相应的电压同具体实施方式一中，在此不重复。这样，通过冗余备份第二AD变换器202，可避免第一AD变换器201出现故障导致采样异常的情况，准确定位异常故障位置。

第二种实施方案：当相邻的两个采样开关导通时，各个电池的第一采样电压经过第二AD变换器202到达CPU，CPU检测第二AD端口处的电压值，采集得到各单体电池的第一组电压采样值V1、V2、V3和V4。当两个冗余开关P1、P2配合第偶数个采样开关S2、S4导通时，第一电池和第N电池的采样电压以及多个相邻电池的电压之和经过第一AD变换器201到达CPU，CPU检测第一AD端口处的电压值，采集得到第二组电压采样数据V11，V123，V234和V41。这样，通过该实施方案，借助冗余备份第二AD变换器202，可避免第一AD变换器201出现故障导致采样异常的情况，准确定位异常故障位置。

优选地，同步实施上述两种方案，得到4组不同的采样数据。如果4组的采样数据相应的差值在误差合理范围内，表明采样是准确的。此时才针对过高或者过低的电池充放电，启动均衡控制功能，从而大大提高了均衡控制的准确性，避免因AD变换器故障导致的误均衡动作。

本具体实施方式同实施方式一，通过新增两个开关的设置即可快速判断出异常情况。特别适合于大批量检查电池组的采集是否准确时，以及适合于串数较多的电池组的管理采集时。电压采集的异常情况可快速简便地检测出来。此外，通过第二AD变换器的备份，可避免因AD变换器故障导致的误均衡动作，大大提高了均衡控制的准确性。

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的保护范围。