一种双回路冗余主动均衡电池管理系统及其控制方法与流程

本发明涉及电池充放电管理技术领域，尤其是双回路冗余主动均衡电池管理系统及其控制方法。

背景技术：

现在电动汽车电池事故频发，主要问题在于电池管理系统，现有电池管理系统存在着单控制回路，一旦单片机死机或失控，如果车辆系统正好处于充电状态，那么系统直接就会过充起火，此外，电池组中单体与单体之间存在差异性，随着充、放电次数的增加，这种差异性将使单体间的容量差异更大。由于电池组存在“木桶效应”，即电池组特性由最差的电池决定，故若容量不均衡将影响整个电池组的性能，且在充、放电过程中易发生过充和过放现象，影响电池组的寿命。目前，对均衡子系统的主要元器件而言，电阻均衡、储能均衡是锂离子动力电池较为常用的无需外加能源的均衡方法。电阻均衡方案中，存在着电阻大小不易选取和热管理的难题，储能均衡是利用电池对电感或电容等储能元件的充、放电，通过继电器或开关器件实现储能元件在不均衡电池间的切换，达到电池间的能量转移，虽然储能均衡的效率较高，但均衡过程中电流不可控，可能损坏电池。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种稳定性高且提高电池组使用寿命的双回路冗余主动均衡电池管理系统及其控制方法。

为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：

本发明的双回路冗余主动均衡电池管理系统包括与充电电源电连接的开关模块、充电模块和电池模块，所述电池模块由若干单体电池串联而成，所述电池模块连接有电压采样模块，其特征在于：所述开关模块和充电模块由智能控制器控制，所述智能控制器根据所述电压采样模块的反馈信号控制所述开关模块和充电模块，开关模块和充电模块通过单片机总线与所述智能控制器相连；

其中，所述智能控制器包括单片机Ⅰ、单片机Ⅱ和仲裁器，所述单片机Ⅰ和单片机Ⅱ分别与所述仲裁器通信，所述单片机Ⅰ和单片机Ⅱ分别通过总线切换器与单片机总线连接，系统上电后默认所述单片机Ⅰ为主机且主机掌握单片机总线的控制权，所述单片机Ⅱ为从机，所述仲裁器根据判别条件决定主从机，若仲裁器认为单片机Ⅰ故障则通过总线切换器切断单片机Ⅰ的单片机总线的控制权，单片机Ⅱ取代单片机Ⅰ作为主机获得单片机总线的控制权；

其中，所述电压采样模块与智能控制器的输入端相连，所述电池模块内任意单体电池两端的测量开关通过电压测量模块与智能控制器的输入端相连，电池模块内任意单体电池均与电量均衡模块相连，电量均衡模块通过单片机总线与智能控制器的输出端相连，所述电压采样模块将电池模块的电压采样输入到智能控制器内，电压测量模块将电池模块内相应单体电池电压输入到智能控制器内，智能控制器根据电池模块的采样电压值及相应单体电池的数量计算电池模块内单体电池的平均电压值，并将相应平均电压值与电池模块内所有单体电池电压相比较，智能控制器向电量均衡模块输出均衡控制信号，对电池模块内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值与智能控制器内设定的电压关系相匹配。

本发明所述开关模块为电磁开关，所述电磁开关根据所述智能控制器的控制信号开关充电电路。

本发明所述智能控制器通过单片机总线收发信号，所述单片机总线包括数据总线、地址总线和控制总线，所述总线切换器为74HC244集成块，所述总线切换器利用74HC244集成块输出三态性实现单片机总线控制权的切换。

本发明所述电量均衡模块包括变压器T1，所述电池模块内任意单体电池的正、负极端均设有测量开关，单体电池两端的测量开关与变压器T1次级线圈的两端对应相连，变压器T1初级线圈的一端通过第一均衡开关SW1接地，另一端通过第二均衡开关SW2接地，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2的控制端分别通过单片机总线与智能控制器的输出端相连；所述单体电池两端测量开关的控制端通过单片机总线与智能控制器的输出端相连。

本发明所述单体电池电压测量模块包括运算放大器U1，所述运算放大器U1的同相端、反相端与变压器T1次级线圈的两端对应相连，运算放大器U1的输出端与智能控制器的输入端相连。

本发明所述变压器T1次级线圈的一端通过正极总线与电池模块内单体电池正极端的测量开关相连，变压器T1次级线圈的另一端通过负极总线与电池模块内单体电池负极端的测量开关相连。

本发明所述单体电池两端的测量开关、第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2均采用场效应管；第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2相应的漏极端与变压器T1初级线圈的两端对应相连，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2相应的源极端接地，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2的栅极端与智能控制器的输出端相连；测量开关对应的栅极端均与智能控制器相连，测量开关对应的漏极端与单体电池对应相连，测量开关对应的源极端与变压器T1的次级线圈相连。

本发明还提供一种双回路冗余控制方法，使用上述的双回路冗余主动均衡电池管理系统，包括以下步骤：

a.系统上电后，默认所述单片机Ⅰ为主机且主机掌握单片机总线的控制权，所述单片机Ⅱ为从机；

b.单片机Ⅰ连接的总线切换器选通单片机总线,单片机Ⅱ连接的总线切换器处于高阻状态；

c.所述仲裁器督测所述单片机Ⅰ和单片机Ⅱ的工作状态，所述单片机Ⅰ和单片机Ⅱ定时向所述仲裁器发送脉冲信号，如果单片机Ⅰ或单片机Ⅱ故障，则仲裁器接受不到相应的脉冲信号则仲裁器判定对应的单片机Ⅰ或单片机Ⅱ故障；

d.所述仲裁器根据判别条件决定主从机，若仲裁器认为单片机Ⅰ故障则通过总线切换器切断单片机Ⅰ的单片机总线的控制权，单片机Ⅱ取代单片机Ⅰ作为主机获得单片机总线的控制权。

本发明的双回路冗余主动均衡电池管理系统及其控制方法的有益效果是：

1、本发明的双回路冗余主动均衡电池管理系统可在任一单片机出现异常时，由另一单片机继续接收电压采集模块输出的检测信号，并进而保持对动力电池模块的持续监控，防止电池模块过充，提高了电池管理系统的安全等级和防护等级；

2、本发明提供的主动均衡电池管理系统的主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的双回路冗余主动均衡电池管理系统的原理框图；

图2是本发明的总线切换器的电路连接示意图；

图3是本发明的双回路冗余主动均衡电池管理系统的控制流程示意图；

图4是本发明的主动均衡电池管理系统的原理框图。

其中：电源1；开关模块2；充电模块3；电池模块4，正极总线41，负极总线42；总线切换器5；智能控制器6；电压采样模块7；电量均衡模块8；单体电池电压测量模块9。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，本实施例的双回路冗余主动均衡电池管理系统包括与充电电源1电连接的开关模块2、充电模块3和电池模块4，电池模块4由若干单体电池串联而成，电池模块4连接有电压采样模块7，开关模块2和充电模块3由智能控制器6控制，智能控制器6根据电压采样模块7的反馈信号控制开关模块2和充电模块3，开关模块2和充电模块3通过单片机总线与智能控制器6相连。

本实施例中的开关模块2为电磁开关，电磁开关根据智能控制器6的控制信号开关充电电路，当电池模块4出现过充时电磁开关断开充电电路以保护电池模块4。

本实施例中的充电模块3包括整流滤波电路、双管反激电路、驱动电路和输出整流滤波电路，整流滤波电路的输入端经开关模块2外接充电电源1，整流滤波电路的输出端与双管反激电路的输入端相连，双管反激电路的输出端与输出整流滤波电路的输入端相连，输出整流滤波电路的输出端与电池模块4相连，驱动电路的输入端通过单片机总线与智能控制器6相连，驱动电路的输出端与双管反激电路的开关管相连，电压采样模块7检测电池模块4电压并反馈给智能控制器6，智能控制器通过驱动电路控制充电模块3的输出电压，充电顺序分成以下三个阶段：预充电阶段、恒定电流充电阶段及恒定电压充电阶段。当电池只剩下很少的电量且因此而只能产生很低的输出电压时，就必须有预充电阶段。在此情况下，必须采用低电流充电以保护电池模块4，电池模块4的最大允许充电电流由该电池模块4的额定容量决定，充电时智能控制器6必须保持电池模块4正常充电电压以在电池充满时能终止充电过程。

本实施例中的智能控制器6采用双控制回路进行控制，避免智能控制器6控制失效造成电池模块4过充等，具体地，智能控制器6包括单片机Ⅰ、单片机Ⅱ和仲裁器，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ分别与仲裁器通信，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ分别通过总线切换器与单片机总线连接，系统上电后默认单片机Ⅰ为主机且主机掌握单片机总线的控制权，单片机Ⅱ为从机，仲裁器根据判别条件决定主从机，若仲裁器认为单片机Ⅰ故障则通过总线切换器切断单片机Ⅰ的单片机总线的控制权，单片机Ⅱ取代单片机Ⅰ作为主机获得单片机总线的控制权。

其中，仲裁器负责监测单片机Ⅰ和单片机Ⅱ是否故障，可以采用失联式逻辑判断方法进行判断，具体地，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ均具有看门狗模块，单片机正常工作时会定时触发看门狗模块，然后看门狗模块会向仲裁器发送脉冲信号，当单片机故障时无法触发看门狗模块，仲裁器接收不到脉冲信号，此时判定相应的单片机故障。

同时，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ两者之间也相互通信，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ同时正常工作，相互监督，在自己正常工作的同时监控另一单片机，即其中一个单片机定时发送握手消息给另外一个单片机，如果握手成功，则确认对方工作正常，如果无应答，则将对方主动复位重新启动。

本实施例的智能控制器6通过单片机总线收发信号，单片机总线包括数据总线、地址总线和控制总线，地址总线可传送单片机送出的地址信号，用于访问外部存储器单元或I/O端口，I/O端口用于连接外围设备，例如电压采集模块7，地址总线是单向的，地址信号只是由单片机向外发出，地址总线的数目决定了可直接访问的存储器单元的数目，连接在单片机总线上的器件，只有地址被选中的单元才能与单片机交换数据。数据总线用于在单片机与存储器之间或单片机与I/O端口之间传送数据，I/O端口用于连接外围设备，例如开关模块2、充电模块3、电压采集模块7，数据总线是双向的，即可以进行两个方向的数据传送。控制总线实际上就是一组控制信号线，包括单片机发出的以及从其它部件送给单片机的各种控制或联络信号，对于一条控制总线来说其传送方向是单向的。本实施例中的总线切换器5为74HC244集成块，总线切换器5利用74HC244集成块输出三态性实现单片机总线控制权的切换，74HC244集成块是八路正相缓冲器/线路驱动器，具有三态输出，该三态输出由输出使能端控制，高电平能够使输出使能端呈现高阻态，作为单片机的输入输出数据缓冲器，在选通时输入数据送到单片机总线上，在非选通时对单片机总线呈高阻态，假设正常情况下单片机Ⅰ为主机，单片机Ⅱ为从机，单片机Ⅰ和单片机总线之间的线路被选通，单片机总线接收单片机Ⅰ输出的总线信号，而单片机Ⅱ送来的总线信号被隔离。由于单片机Ⅱ连接的总线切换器5处于高阻状态，所以对单片机Ⅰ和单片机总线之间的信号传输不会有任何影响。

如图3所示，本实施例中的双回路冗余控制方法包括以下步骤：

a.系统上电后，默认单片机Ⅰ为主机且主机掌握单片机总线的控制权，单片机Ⅱ为从机；

b.单片机Ⅰ连接的总线切换器选通单片机总线,单片机Ⅱ连接的总线切换器处于高阻状态；

c.仲裁器督测单片机Ⅰ和单片机Ⅱ的工作状态，单片机Ⅰ和单片机Ⅱ定时向仲裁器发送脉冲信号，如果单片机Ⅰ或单片机Ⅱ故障，则仲裁器接受不到相应的脉冲信号则仲裁器判定对应的单片机Ⅰ或单片机Ⅱ故障；

d.仲裁器根据判别条件决定主从机，若仲裁器认为单片机Ⅰ故障则通过总线切换器切断单片机Ⅰ的单片机总线的控制权，单片机Ⅱ取代单片机Ⅰ作为主机获得单片机总线的控制权。

如图4所示，为了实现电池模块4充放电的均衡，本实施例还提供一种主动均衡电池管理系统，具体地，电池模块4通过电压采样模块7与智能控制器6的输入端相连，电池模块4内任意单体电池两端的测量开关通过电压测量模块9与智能控制器6的输入端相连，电池模块4内任意单体电池均与电量均衡模块8相连，电量均衡模块8与智能控制器6的输出端相连，电压采样模块7将电池模块4的电压采样输入到智能控制器6内，电压测量模块9将电池模块4内相应单体电池电压输入到智能控制器6内，智能控制器6根据电池模块4的采样电压值及相应单体电池的数量计算电池模块4内单体电池的平均电压值，并将相应平均电压值与电池模块4内所有单体电池电压相比较，当单体电池电压、电池模块4内单体电池的平均电压值间与智能控制器6设定的电压关系相对应时，智能控制器6向电量均衡模块8输出均衡控制信号，对电池模块4内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块4内单体电池的平均电压值与智能控制器6内设定的电压关系相匹配。

本实施例中的电量均衡模块8包括变压器T1，电池模块4内任意单体电池的正、负极端均设有测量开关，单体电池两端的测量开关与变压器T1次级线圈的两端对应相连，变压器T1初级线圈的一端通过第一均衡开关SW1接地，另一端通过第二均衡开关SW2接地，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2的控制端分别与智能控制器6的输出端相连；单体电池两端测量开关的控制端与智能控制器6的输出端相连。

本实施例中的单体电池电压测量模块9包括运算放大器U1，运算放大器U1的同相端、反相端与变压器T1次级线圈的两端对应相连，运算放大器U1的输出端与智能控制器6的输入端相连。

本实施例中的变压器T1次级线圈的一端通过正极总线41与电池模块4内单体电池正极端的测量开关相连，变压器T1次级线圈的另一端通过负极总线42与电池模块4内单体电池负极端的测量开关相连。

本实施例中的单体电池两端的测量开关、第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2均采用场效应管；第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2相应的漏极端与变压器T1初级线圈的两端对应相连，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2相应的源极端接地，第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2的栅极端与智能控制器6的输出端相连；测量开关对应的栅极端均与智能控制器6相连，测量开关对应的漏极端与单体电池对应相连，测量开关对应的源极端与变压器T1的次级线圈相连。

参见图4，上述主动均衡电池管理系统的使用方法如下：

a、提供电池模块4，电池模块4由2n个单体电池依次串联组成，n为正整数，电压采样模块7将电池模块4的电压Usum输入到智能控制器6内，并得到电池模块4内单体电池的平均电压值Uave，单体电池的平均电压值Uave为算术平均值；

b、断开第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2，智能控制器6依次闭合单体电池两端相应的测量开关，对电池模块4内的单体电池电量进行依次循环测量，单体电池电压通过单体电池电压测量模块9输入至智能控制器6内；

具体地，对电池模块4内的单体电池电量测量时，断开第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2，智能控制器6先闭合单体电池B1两侧的测量开关S1及测量开关S2，单体电池电压测量模块9将单体电池B1的电压输入到智能控制器6内；然后智能控制器6断开测量开关S1，并闭合第三测量开关S3，单体电池电压测量模块9将单体电池B2的电压输入到智能控制器6内，智能控制器6依次控制电池模块4内单体电池两端的测量开关，直至将2n个单体电池的电压值均输入到智能控制器6内；

c、智能控制器6将步骤b得到单体电池的电压与步骤a中得到的单体电池的平均电压值Uave相比较，智能控制器6通过变压器T1、第一均衡开关SW1及第二均衡开关SW2对电量高的单体电池进行上限均衡、对电量低的单体电池进行下限均衡；

具体地，智能控制器6对电池模块4内单体电池均衡控制时，智能控制器6将单体电池中最大电压值及最小电压值与单体电池的平均电压值Uave相比较，当|Umax-Uave|大于|Umin-Uave|时，对电压值最大的单体电池进行上限均衡；当|Umax-Uave|小于|Umin-Uave|时，对电压值最小的单体电池进行下限均衡；Umax表示电压值最大的单体电池电压，Umin表示电压值最小的单体电池电压；

当智能控制器6检测出第i(i为奇数时)个电池单体Bi的单体电池电压Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则智能控制器6使第一均衡开关SW1导通，使电池模块4向变压器T1充电，然后断开第一均衡开关SW1，闭合相应的测量开关Si、Si+1，变压器T1储存的能量转移到第i个电池单体Bi上；若检测出第i(i为偶数时)电池单体Bi的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则智能控制器6使第二均衡开关SW2导通，使电池模块4向变压器T1充电，然后断开第二均衡开关SW2，闭合相应的测量开关Si、Si+1，变压器T1储存的能量转移到第i个电池单体Bi上；

当智能控制器6检测出第i(i为奇数时)个电池单体Bi的单体电池电压Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，则智能控制器6闭合相应的测量开关Si、Si+1，使电池单体Bi向变压器T1充电，然后断开测量开关Si、Si+1，闭合第一均衡开关SW1，变压器T1存储的能量转移到电池模块4内；当测出第i(i为偶数时)电池单体Bi的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，则智能控制器6闭合相应的测量开关Si、Si+1，使电池单体Bi向变压器T1充电，然后断开测量开关Si、Si+1，闭合第二均衡开关SW2，变压器T1存储的能量转移到电池模块4内；直至整个电池模块4内所有单体电池的电量均与智能控制器6内的均衡参数相匹配。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。