一种具有主动均衡功能的电池管理系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开涉及到一种具有主动均衡功能的电池管理系统，并且具体的说明了具有该主动均衡功能的电池管理系统。该系统包括一个低压MOSFET和用于每节单体电池的附属驱动电路，一个多绕组变压器和用于电池组的一个微控制器(MCU)。微控制器(MCU)的作用是控制每个MOSFET的导通和关断，检测电池电压并对每一个电池组中具有不同电压的电池单体进行均衡。通过模块化，系统能实现任意数量的电池单元的均衡。
【专利说明】
一种具有主动均衡功能的电池管理系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及到一种电池管理系统，尤其涉及一种具有主动均衡功能的电池管理系统，主要用于电动汽车中的高电压大功率串联电池组的控制管理。
【背景技术】
[0002]近年来，混合动力、插电式混合动力和纯电动汽车已经实现了商业化。高电压大功率串连电池组在电动汽车中扮演着重要的角色，锂离子电池因其储存能量高和能量密度大成为最佳选择。然而锂离子电池也有不足之处，尤其不能过度充电，它在过冲电、过放电和使用不当方面的安全性也是人们最关心的问题。当大量的锂离子电池被串连用于大功率和高能量的应用时，配备一个带有均衡功能的电池管理系统是很有必要的。为了使串联的电池单元更加健康、安全，可用容量和电池寿命都得到改善，需要电池管理系统对电池进行电压检测和均衡。检测和均衡是电池管理系统中的两个重要部分。
[0003]在现有设计中像专利US7939965B2和US005659237A，检测电路直接与电池单元相连接。对于一个串联的电池组，在电池末端上的电位可能会很高，因此检测电路要承受很高的电压。这可能显著增加电路的成本。美国编号为US6538414的专利提出了一种方法，检测电路通过多绕组变压器连接到电池单元，从而使检测电路和电池单元相隔离。因此可以使用小功率器件。以此同时，变压器还是均衡电路的一部分。通过这种方法，总成本可以被降低。然而在US6538414中变压器绕组的数量是非常大的，并且每个MOSFET需要一个变压器来驱动。太多的绕组和变压器增加了电路的成本。
【发明内容】
[0004]本实用新型所要解决的技术问题是提供一个多绕组变压器使检测电路和电池单元相隔离，因此可以使用小功率器件。更重要的是，本公开减少了变压器绕组的数量和省去了驱动变压器，因此减少了大量电路成本。
[0005]为了解决以上技术问题，本实用新型一种具有主动均衡功能的电池管理系统，包括:N节相互串联的单体电池，将这些电池分成M对电池单元对，其中N是一个大于零的偶数；
[0006]—个具有M个绕组的多绕组变压器，M个绕组中的每一个绕组都有一端与电池单元对的中点相连，M个绕组分别同M个电池单元对的中点相连；
[0007]N个低压开关器件，同N个电池单元相关联，N个低压开关器件也被分为M对，每个开关对的中点同M个变压器绕组的另一端相连，每一个开关都被选择性的操作；
[0008]其中，驱动电路控制所述低压开关器件的通断，其中驱动电路选择性的操作所述低压开关器件，使能量从N节电池中的一节向另外一节转移；
[0009]在M个绕组的多绕组变压器上还包括一个附加绕组，通过该绕组实现电池单体电压的隔呙测量。
[0010]优选的，还包括一个微控制单元，所述附加绕组上的电压通过低通滤波器和信号调节电路输出信号至所述微控制单元控制的进行采样，所述微控制器基于采样电压和电池组电流计算出电池剩余电量;所述微控制单元发送驱动信号并通过驱动电路控制所述低压开关器件使能量由剩余电量高的电池向剩余电量低的电池转移。
[0011 ]优选的，每一个低压开关器件对应并联一个耦合二极管。
[0012]优选的，所述低压开关器件为晶体管。
[0013]优选的，对应每一对的低压开关器件，其中第一个低压开关器件为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，第二个低压开关器件为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0014]优选的，所述驱动电路包括驱动芯片，所述驱动芯片为TC4428，所述驱动芯片的反向输出OUTA电连接所述P沟通金属氧化物半导体场效应晶体管，所述驱动芯片的正向输出OUTB端电连接所述N沟通金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0015]优选的，所述微控制单元与所述驱动电路之间设有隔离电路。
[0016]优选的，所述隔离电路为光耦隔离电路；或者所述隔离电路电阻、二极管以及电容。
[0017]优选的，所述微控制单元根据驱动信号发生电路输出驱动信号，所述驱动信号发生电路包括两个多路复用器，所述微控制单元输出PWM信号和地址信号至多路复用器，其中一个多路复用器输出驱动信号至奇数低压开关器件驱动电路，另一个多路复用器输出驱动信号至偶数低压开关器件驱动电路。
[0018]一种模块化电池系统，其中，包括P组电池管理单元，每组电池管理单元为一个多绕组变压器组成的具有主动均衡功能的电池管理单元组，每组电池管理单元中设有一个双向的DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于不同组电池管理单元之间的能量交换，所述DC /DC转换器的输入端被连接到对应组电池管理单元的正负极，所述DC / DC转换器的输出端被连接到一个公共总线上，微控制单元通过公共总线发送和接收各电池管理单元组的信息，控制所述DC/DC转换器将能量从剩余电量高的电池管理单元组向剩余电量低的电池电池管理单元组转移。
[0019]所提出的系统由一个低电压开关(Ml?M2n)和一个多绕组变压器T(T1?Tn ,Tm)组成。低电压开关(Ml?Μ2η)用于每个电池单元(BI?Β2η)，多绕组变压器Τ(Τ1?Tn, Tm)用于每一个电池组。两个相邻电池单元共用一个绕组(Tl?Τη)，绕组Tm被用来检测电池电压。所提出的电路有两个工作阶段，检测阶段和均衡阶段。在检测阶段，所有的开关都按顺序导通，在Tm上的感应电压会被采样从而检测出电池单体电压。通过电池单体电压的测量，以及其他信号如电池电流和历史数据的统计，微控制单元(MCU)可计算出需要进行充电或者放电的电池单元，选择能量传递的路径并在某个确定时间开始均衡过程。然后重复检测和均衡阶段。由于变压器T绕组数量的限制，一个多绕组变压器很难满足电池数量较多的情况。因此提出了一种模块化理论，它可以很容易支持任何数量的电池单元。所提出的系统使用一个多绕组变压器使检测电路和电池单元相隔离，因此可以使用低压功率器件，降低器件成本。与已有技术相比，在电池单元的数量相同时，该系统使用较少的变压器绕组并且省去了驱动变压器，因此可大幅降低电路成本。
【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步的详细说明:
[0021]图1是本实用新型具有主动均衡功能的电池管理系统的实施例1的原理图。
[0022]图2是用于图1系统检测操作的驱动信号。
[0023]图3是用于图1系统均衡操作的驱动信号。
[0024]图4是本实用新型具有主动均衡功能的电池管理系统的实施例2的部分具体电路图。
[0025]图5是图4中驱动电路的替代电路。
[0026]图6是本实用新型具有主动均衡功能的电池管理系统的实施例3的部分具体电路图。
[0027]图7是本实用新型一种模块化电池系统的实施例的原理图。
【具体实施方式】
[0028]实施例1:
[0029]本实用新型一种具有主动均衡功能的电池管理系统，包括:N节相互串联的单体电池，将这些电池分成M对电池单元对，其中N是一个大于零的偶数;一个具有M个绕组的多绕组变压器，M个绕组中的每一个绕组都有一端与电池单元对的中点相连，M个绕组分别同M个电池单元对的中点相连;N个低压开关器件，同N个电池单元相关联，N个低压开关器件也被分为M对，每个开关对的中点同M个变压器绕组的另一端相连，每一个开关都被选择性的操作;其中，驱动电路控制所述低压开关器件的通断，其中驱动电路选择性的操作所述低压开关器件，使能量从N节电池中的一节向另外一节转移;在M个绕组的多绕组变压器上还包括一个附加绕组，通过该绕组实现电池单体电压的隔离测量。还包括一个微控制单元，所述附加绕组上的电压通过低通滤波器和信号调节电路输出信号至所述微控制单元控制的进行采样，所述微控制器基于采样电压和电池组电流计算出电池剩余电量;所述微控制单元发送驱动信号并通过驱动电路控制所述低压开关器件使能量由剩余电量高的电池向剩余电量低的电池转移。
[0030]电路结构如图1所示，在本实施例中，Bl~B2n是串联的电池单元，Tl?Tn是一个多绕组变压器T的绕组，与电池单元并联，Ml~M2n是带有反并联二极管的开关，Tm是多绕组变压器的另一个绕组，用于检测电压。Tm上的电压通过低通滤波器和信号调节电路进行处理。处理过的信号被微控制单元(MCU)控制的模数转换器采样。M⑶基于电池电压和电池组电流计算出电池剩余电量(S0C)。根据计算结果，MCU会发送驱动信号控制开关使能量由剩余电量高的电池向剩余电量低的电池转移。每一个低压开关器件对应并联一个耦合二极管。具体电路原理如图，在此不再一一赘述。
[0031]图2所示为用于检测的驱动信号。所有开关按顺序导通。当开关闭合时，相应电池上的电压会作用于变压器T的一个绕组。这个电压会与检测绕组Tm親合。MCU只要控制A/D转换器在正确的时间进行采样，在电池组中所有单体电池的电压都可以被测量。
[0032]图3所示为能量从一节电池转移给另一节电池的原理。例如能量要从BI传递给B4，首先闭合Ml，能量将从BI流出储存到变压器T中。之后断开Ml闭合M4，储存在变压器T中的能量会流入到B4中。在一个确定的时间重复这个过程将转移更多的能量。
[0033]实施例2:
[0034]本实施例与上述实施例的区别在于，所述低压开关器件为晶体管。对应每一对的低压开关器件，其中第一个低压开关器件为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，第二个低压开关器件为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。所述驱动电路包括驱动芯片，所述驱动芯片为TC4428，所述驱动芯片的反向输出OUTA电连接所述P沟通金属氧化物半导体场效应晶体管，所述驱动芯片的正向输出OUTB端电连接所述N沟通金属氧化物半导体场效应晶体管。
[0035]图4所示，这个电路不包括产生61至6211。肌，]\0"僅211-1选择的是一个?沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P-MOS。M2，M4…M2n选择的是一个N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N-M0S。在设计中采用TC4428A驱动芯片，反向输出OUTA时连接至P-M0S，正相输出OUTB时连接到N-M0S。为了保证电路安全来自MCU的控制信号通过一个光耦合器进行隔离。当没有控制信号时，OUTA是高电平OUTB是低电平。这意味着所有的M0SFETS都是关断的。当在Gl，G2，"mn上有输入电流时，相应的M0SFETS会被导通。
[0036]当然，图5是图4驱动电路的一个替代电路，用电阻、二极管和电容替代了光耦合器减少了成本。这个设计虽然没有隔离，但是电容能轻易承受超过1000V的电压保证了安全性。
[0037]实施例3:
[0038]本实施例与上述实施例的区别在于，所述微控制单元根据驱动信号发生电路输出驱动信号，所述驱动信号发生电路包括两个多路复用器，所述微控制单元输出PWM信号和地址信号至多路复用器，其中一个多路复用器输出驱动信号至奇数低压开关器件驱动电路，另一个多路复用器输出驱动信号至偶数低压开关器件驱动电路。如图6是所示，该电路用于产生图1中的Gl至G2n JCU输出P丽I和P丽2，也输出地址指明哪个开关应该跟随P丽信号。PffM信号和地址信号被送到两个多路复用器。一个多路复用器(MUXl)连接到奇数开关驱动电路，另一个多路复用器(MUX2 )连接到偶数开关驱动电路。PWMl被连接到MUX2的使能引脚，PWM2被连接到MUXl的使能引脚。以这种方式，可以防止两个开关在同一时间被导通。
[0039]模块化电池系统的实施例:
[0040]一种模块化电池系统，其中，包括P组电池管理单元，每组电池管理单元为一个多绕组变压器组成的具有主动均衡功能的电池管理单元组，每组电池管理单元中设有一个双向的DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于不同组电池管理单元之间的能量交换，所述DC /DC转换器的输入端被连接到对应组电池管理单元的正负极，所述DC / DC转换器的输出端被连接到一个公共总线上，微控制单元通过公共总线发送和接收各电池管理单元组的信息，控制所述DC/DC转换器将能量从剩余电量高的电池管理单元组向剩余电量低的电池电池管理单元组转移。
[0041 ]如图7所示为模块化方法的原理图。电池单元被分成组，每组的构造都是相同的。在每个组中都加入了一个双向的DC/DC转换器。该DC/DC转换器用于组与组之间交换能量。DC / DC转换器的输入端被连接到电池组+/-极，输出端被连接到一个公共总线上，通过该总线所有电池组都能交换能量。MCU通过CAN总线发送和接收电池信息，控f|jijDC/DC转换器将能量从剩余电量高的电池组向剩余电量低的电池组转移。
[0042] 所提出的系统由一个低电压开关(Ml?M2n)和一个多绕组变压器T(T1?Tn ,Tm)组成。低电压开关(Ml?Μ2η)用于每个电池单元(BI?Β2η)，多绕组变压器Τ(Τ1?Tn, Tm)用于每一个电池组。两个相邻电池单元共用一个绕组(Tl?Τη)，绕组Tm被用来检测电池电压。所提出的电路有两个工作阶段，检测阶段和均衡阶段。在检测阶段，所有的开关都按顺序导通，在Tm上的感应电压会被采样从而检测出电池单体电压。通过电池单体电压的测量，以及其他信号如电池电流和历史数据的统计，微控制单元(MCU)可计算出需要进行充电或者放电的电池单元，选择能量传递的路径并在某个确定时间开始均衡过程。然后重复检测和均衡阶段。由于变压器T绕组数量的限制，一个多绕组变压器很难满足电池数量较多的情况。因此提出了一种模块化理论，它可以很容易支持任何数量的电池单元。所提出的系统使用一个多绕组变压器使检测电路和电池单元相隔离，因此可以使用低压功率器件，降低器件成本。与已有技术相比，在电池单元的数量相同时，该系统使用较少的变压器绕组并且省去了驱动变压器，因此可大幅降低电路成本。
[0043]前面所提供的描述只是为了达到说明和描述的目的，它并不旨在穷尽和限制本公开。单个因素或者某个具体特征通常并不会限制具体的实施方案，即使没有特别的表现，但是在适用的地方是可以应用的，并且可以在选择的实施方案中使用。同样也可以在许多方面对其进行变化。这样的变化不应该被视作与本公开相背离，所有这样的修改都是为了使它包含在本公开的范围内。
【主权项】
1.一种具有主动均衡功能的电池管理系统，包括: N节相互串联的单体电池，将这些电池分成M对电池单元对，其中N是一个大于零的偶数； 一个具有M个绕组的多绕组变压器，M个绕组中的每一个绕组都有一端与电池单元对的中点相连，M个绕组分别同M个电池单元对的中点相连； N个低压开关器件，同N个电池单元相关联，N个低压开关器件也被分为M对，每个开关对的中点同M个变压器绕组的另一端相连，每一个开关都被选择性的操作； 其特征在于，驱动电路控制所述低压开关器件的通断，其中驱动电路选择性的操作所述低压开关器件，使能量从N节电池中的一节向另外一节转移； 在M个绕组的多绕组变压器上还包括一个附加绕组，通过该绕组实现电池单体电压的隔呙测量。2.根据权利要求1所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，还包括一个微控制单元，所述附加绕组上的电压通过低通滤波器和信号调节电路输出信号至所述微控制单元控制的进行采样，所述微控制器基于采样电压和电池组电流计算出电池剩余电量;所述微控制单元发送驱动信号并通过驱动电路控制所述低压开关器件使能量由剩余电量高的电池向剩余电量低的电池转移。3.根据权利要求2所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，每一个低压开关器件对应并联一个耦合二极管。4.根据权利要求2所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，所述低压开关器件为晶体管。5.根据权利要求4所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，对应每一对的低压开关器件，其中第一个低压开关器件为P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管，第二个低压开关器件为N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管。6.根据权利要求5所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，所述驱动电路包括驱动芯片，所述驱动芯片为TC4428，所述驱动芯片的反向输出OUTA电连接所述P沟通金属氧化物半导体场效应晶体管，所述驱动芯片的正向输出OUTB端电连接所述N沟通金属氧化物半导体场效应晶体管。7.根据权利要求2所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，所述微控制单元与所述驱动电路之间设有隔离电路。8.根据权利要求7所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，所述隔离电路为光耦隔离电路;或者所述隔离电路电阻、二极管以及电容。9.根据权利要求2所述的具有主动均衡的电池管理系统，其特征在于，所述微控制单元根据驱动信号发生电路输出驱动信号，所述驱动信号发生电路包括两个多路复用器，所述微控制单元输出PWM信号和地址信号至多路复用器，其中一个多路复用器输出驱动信号至奇数低压开关器件驱动电路，另一个多路复用器输出驱动信号至偶数低压开关器件驱动电路。10.一种模块化电池系统，其特征在于，包括P组电池管理单元，每组电池管理单元为一个多绕组变压器组成的具有主动均衡功能的电池管理单元组，每组电池管理单元中设有一个双向的DC/DC转换器，所述DC/DC转换器用于不同组电池管理单元之间的能量交换，所述DC / DC转换器的输入端被连接到对应组电池管理单元的正负极，所述DC / DC转换器的输出端被连接到一个公共总线上，微控制单元通过公共总线发送和接收各电池管理单元组的信息，控制所述DC/DC转换器将能量从剩余电量高的电池管理单元组向剩余电量低的电池电池管理单元组转移。
【文档编号】H01M10/42GK205544439SQ201620214514
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】董钊志, 黄福良, 张行峰, 徐悦婷
【申请人】南京金龙新能源汽车研究院有限公司