一种基于FPGA架构的复合主动均衡电路的制作方法

本发明涉及一种均衡电路，尤其涉及一种基于FPGA架构的复合主动均衡电路。

背景技术：

均衡控制是电池组均衡技术是电池管理系统关键技术之一，建立在电池电压、电流、温度等参数的精确测量的基础上，通过各种评估方法得到剩余电量和SoC，进而对单体电池的剩余电量进行均衡处理。绝大多数的电池应用需要比单个或数串电池更高的电压，所以使用过程中往往是多电芯、多电池包的组合应用。而电芯间的不均衡在电池组系统中很常见，如果缺乏均衡技术，会导致电芯过充、充电不足甚至过度放电，大大缩短电池寿命。所以说均衡对锂电池系统尤为重要。

目前的电池均衡电路设计主流方案有：

1.被动均衡式电路设计：就是把整组电池系统中，串联成组的单体电池电压差异性，通过BMS进行电压采集，以事先预设的充电电压的“上限阈值电压”为基准，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。

2.基于Freescale芯片的主动均衡电路设计：通过类似于Freescale芯片等单片机或嵌入式系统搭建硬件电路，为芯片写入一定程序控制此硬件电路来控制均衡，但硬件成本高，工作效率低。

3.单均衡电路的电池管理系统。

在整个电池均衡系统中根据电池数量/功率大小/空间成本选择使用一种均衡电路结构。

电池管理的均衡技术如此重要，但现有技术方案存在效率不高、成本高、电路复杂、稳定性差等缺点；所以，针对现有技术效率和成本的问题，本技术提出了一种基于FPGA架构的复合主动均衡电路设计。

现有的被动均衡式的电路，采用电阻耗能，会产生热量，从而使整个系统的工作效率降低。同时均衡电流很小，通常情况下小于100mA，对大容量电池的作用可以忽略不记，电池荷电状态估算(SoC)精度也很低。由于放电电阻不能选得太小，充电结束时，根据电池特性往往小容量电池的电压是最高的，所以在均衡时，放掉的恰恰是小容量电池的电量，反而会加大了电池间的互差。而且因为电池的能量被电阻消耗，能量效率很低。

现有的Freescale方案虽可以实现电源管理系统主动均衡的策略，但因单体电池和电池包数量多使这种方案存在如下问题：

工作效率低。因为FreeScale芯片并不具有强大的并行处理数据的功能，所以当同时控制多组电池时，不能实现快速均衡。

电路复杂，安全性能差。由于面临多路的电压、电流和温度采集，以及均衡控制电路和控制策略，导致电路元件大大增加，电路复杂，从而降低了系统的安全性。

成本高，包括开发成本和维护或升级成本。每个电池包都需要一个控制器、多个电池包之间也需要一个控制器，使用FreeScale方案就意味着芯片用量大、元器件多、电路面积大，造成硬件成本高的问题。FreeScale芯片是定制好了的芯片，一款FreeScale均衡系统只能对应特定电池包，当电池组改变或改变均 衡方式时就需要重新配置控制系统，致使该方案开发周期长，后期成本高。

稳定性差。FreeScale方案需要多个MCU的共同配合，开发难度大，致使系统的稳定性不高。

易被仿制。系统过于依赖硬件电路实现，而硬件电路很容易被抄袭。

技术实现要素：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于FPGA架构的复合主动均衡电路。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

本发明包括电池组、电池信息采集电路、均衡电路和FPGA模块，所述电池组的输出端与所述电池信息采集电路的输入端连接，所述电池信息采集电路的输出端通过所述FPGA模块与所述均衡电路的输入端连接，所述均衡电路的输出端与所述电池组的输入端连接。

具体地，所述电池信息采集电路由电流采集电路、温度采集电路和电压采集电路构成。所述电池组最高可以由16串联和16并联构成，以磷酸铁锂电池为例，最高可以达到(819V，880Ah)；所述均衡电路包括PWM控制变换器法和DC-DC双向变换器法；所述FPGA模块中经过模/数转换-数据分析和驱动控制步骤。(加入2中均衡电路的比较和在本实例中的应用:DC-DC双向变换器法是电池组到电芯的均衡方式，指将多节电池串联而成的电池组的电量转化为输出，为其它低电压电池供电。这种均衡方式能有效提高电池组充放电容量，成本低控制简单。PWM控制变换器法是电芯到电芯的均衡方式，指在每2个电芯间有1个均衡模块，由PWM信号来触发均衡模块是能量能够自上而下或自下而上从最高电压电芯转移到最低压电芯。这种均衡方式成本适中，效率高，支持双向充放电，但开关能承受额电压压力和电流压力不大。本专利特色在于根据 动力电池电池多/电压电流压力大/电路复杂的特点使用了PWM控制变换器和DCDC双向均衡的复合均衡结构。使简化电路结构和降低成本后仍能满足功能需求。)

本发明的有益效果在于：

本发明是一种基于FPGA架构的复合主动均衡电路，与现有技术相比，本发明基于FPGA架构，采取DC-DC均衡和PWM控制变换器两种主动式电路组成的复合式均衡电路设计提高了电池能量效率、大大减少了硬件成本。主动均衡的方法显然要比被动均衡避免了能量的浪费，同时也避免了被动均衡(放电)过程中产生的发热，从而提高了系统的安全性。而且当使用FPGA方案实现主动均衡时，电路会大大简化。FPGA也能够提供硬件定时的速度和稳定性并且FPGA属于真正的并行实行，因此不同的处理操作无需竞争相同的资源。FPGA也不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。利用硬件并行的优势，FPGA方案能在每个时钟周期内完成更多的处理任务。非常适合多个电池，多个电池包这样需要同时处理大量数据的均衡控制系统。

本发明成本也相对低。对于电池管理系统的设计者来说，面对不同的组合的电池组，系统的需求时时都会发生改变，工程师更多的是需要的是自定义硬件功能，从而找出最佳的系统方案。可编程芯片的特性意味着工程师可以节省制造成本以及漫长制板时间。对于生产商而言，FPGA方案节省了元器件和电路板面积，大大减少了硬件成本，这意味着产品在价格上更具竞争力。因为FPGA方案使硬件需求减到最低，核心部分用编程的方式实现，大大提高了他人仿制难度。

附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的电压采集电路；

图3是本发明的电流采集电路；

图4是本发明的温度采集电路；

图5是本发明的均衡电路结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明包括电池组、电池信息采集电路、均衡电路和FPGA模块，所述电池组的输出端与所述电池信息采集电路的输入端连接，所述电池信息采集电路的输出端通过所述FPGA模块与所述均衡电路的输入端连接，所述均衡电路的输出端与所述电池组的输入端连接。

具体地，所述电池信息采集电路由电流采集电路、温度采集电路和电压采集电路构成。所述电池组由16串联和16并联构成；所述均衡电路包括PWM控制变换器法和DC-DC双向变换器法；所述FPGA模块中经过模/数转换-数据分析和驱动控制步骤

电池组，包括多个串联的电池包，由单体电池按特定方式组合而成。具体实施中先以16节单体电池串联成组，在将16个电池组并联成块，再将16块大电池块串联成一个高压高容量的电池包。

信息采集电路，一端电池组连接，采集模拟量，一端与FPGA芯片相连，将模拟量传输给FPGA中模/数转化部分。实时采集着每个单体电池的电压、电流、温度。

如图2所示：电压采集：

电压采集电路是针对最后的大电池组的电压进行检测,电池组电压的采集 包含了对电池组单体电池电压的检测和对电池组总体电压的检测。本设计中通过FPGA对开关的控制,可以实现对电池组总体电压的检测,也可以对电池组中任意一节电池的电压检测。此处电压采集电路只是采集电压的模拟量，模/数转换在FPGA芯片另行设计，减少了硬件电路的复杂度，减少硬件成本，也方便在工程师更换数据采集算法。

如图3所示：电流采集

电池组与负载之间串联了一个50m的电阻R5,这个电阻主要用来采样电池组的放电电流,电阻R5两端的电压通过电流检测放大器MAX4172放大后以电流的形式通过OUT引脚输出,再通过电阻R6转换成电压信号。

如图4所示：温度采集

每个单体取一个节点，图中给出了其中一个节点的连接电路。首先，选取热敏电阻RT103作为温度传感原件，将温度信号转换为电压信号；接着，电压信号输入模拟开关器件CD4067D，可通过FPGA配置其ABCD四个控制端对输入信号进行选通，并由其公共端即管脚1输出；最后，模拟开关输出的信号经RC滤波及限幅处理后输入到FPGA芯片的AD输入端，节点温度采集得以实现。

均衡电路

按一定方式与电池组连接，形成双层的均衡系统结构，采取DC-DC双向均衡和PWM控制变器的复合设计，单体电池间及电池包间的均能实现能量转移，使处于不同位置的单体电池有能力达到相同的最大平均均衡电流，助于解决传统均衡方法由于电池数量过多造成的均衡路经长、损耗较大、均衡效率不高的问题。

如图5所示：最小电池包由16个单体电池串联而成，每个单体电池间采用层级结构将均衡电路连在其中，我们将串联在一起的16个单体电池间的均衡 成为底层均衡。因底层均衡所涉及单体电池较多、电压相比不大，故采用PWM控制变换器法进行单体电池的均衡。为图中e1、e2等部分。

均衡控制电路

均衡控制电路与信息采集电路和均衡电路连接，主体为FPGA芯片，通过硬件编程用以实现三个功能，电池信息的模数转换、数据分析、均衡控制。数据处理部分获取信息采集电路的底层单体电池信息，因FPGA强大的数据并行处理能力，可同时采集一个最小电池包的16个单体电池信息，比较各电池电压，进行均衡处理。各电池包间的电压以一定速率通过轮检方式进行采集，处理。对于顶层的串联大电池包，在并联在一起的16个最小电池包中选取一个，计算该最小电池包中电池电压平均值。将所得的16个平均值间进行比较，对超出阈值的顶层电池包进行均衡处理

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。