一種具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】一種具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及到一種電池管理系統(tǒng)，尤其涉及一種具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)，主要用于電動汽車中的高電壓大功率串聯(lián)電池組的控制管理。
[0003]
【背景技術】
[0004]近年來，混合動力、插電式混合動力和純電動汽車已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化。高電壓大功率串連電池組在電動汽車中扮演著重要的角色，鋰離子電池因其儲存能量高和能量密度大成為最佳選擇。然而鋰離子電池也有不足之處，尤其不能過度充電，它在過沖電、過放電和使用不當方面的安全性也是人們最關心的問題。當大量的鋰離子電池被串連用于大功率和高能量的應用時，配備一個帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)是很有必要的。為了使串聯(lián)的電池單元更加健康、安全，可用容量和電池壽命都得到改善，需要電池管理系統(tǒng)對電池進行電壓檢測和均衡。檢測和均衡是電池管理系統(tǒng)中的兩個重要部分。
[0005]在現(xiàn)有設計中像專利US7939965B2和US005659237A，檢測電路直接與電池單元相連接。對于一個串聯(lián)的電池組，在電池末端上的電位可能會很高，因此檢測電路要承受很高的電壓。這可能顯著增加電路的成本。美國編號為US6538414的專利提出了一種方法，檢測電路通過多繞組變壓器連接到電池單元，從而使檢測電路和電池單元相隔離。因此可以使用小功率器件。以此同時，變壓器還是均衡電路的一部分。通過這種方法，總成本可以被降低。然而在US6538414中變壓器繞組的數(shù)量是非常大的，并且每個MOSFET需要一個變壓器來驅動。太多的繞組和變壓器增加了電路的成本。
[0006]

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一個多繞組變壓器使檢測電路和電池單元相隔離，因此可以使用小功率器件。更重要的是，本公開減少了變壓器繞組的數(shù)量和省去了驅動變壓器，因此減少了大量電路成本。
[0008]為了解決以上技術問題，本發(fā)明一種具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)，包括:N節(jié)相互串聯(lián)的單體電池，將這些電池分成M對電池單元對，其中N是一個大于零的偶數(shù)；
一個具有M個繞組的多繞組變壓器，M個繞組中的每一個繞組都有一端與電池單元對的中點相連，M個繞組分別同M個電池單元對的中點相連；
N個低壓開關器件，同N個電池單元相關聯(lián)，N個低壓開關器件也被分為M對，每個開關對的中點同M個變壓器繞組的另一端相連，每一個開關都被選擇性的操作；
其中，驅動電路控制所述低壓開關器件的通斷，其中驅動電路選擇性的操作所述低壓開關器件，使能量從N節(jié)電池中的一節(jié)向另外一節(jié)轉移；
在M個繞組的多繞組變壓器上還包括一個附加繞組，通過該繞組實現(xiàn)電池單體電壓的隔咼測量。
[0009]優(yōu)選的，還包括一個微控制單元，所述附加繞組上的電壓通過低通濾波器和信號調節(jié)電路輸出信號至所述微控制單元控制的進行采樣，所述微控制器基于采樣電壓和電池組電流計算出電池剩余電量;所述微控制單元發(fā)送驅動信號并通過驅動電路控制所述低壓開關器件使能量由剩余電量高的電池向剩余電量低的電池轉移。
[0010]優(yōu)選的，每一個低壓開關器件對應并聯(lián)一個耦合二極管。
[0011 ]優(yōu)選的，所述低壓開關器件為晶體管。
[0012]優(yōu)選的，對應每一對的低壓開關器件，其中第一個低壓開關器件為P溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管，第二個低壓開關器件為N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管。
[0013]優(yōu)選的，所述驅動電路包括驅動芯片，所述驅動芯片為TC4428，所述驅動芯片的反向輸出OUTA電連接所述P溝通金屬氧化物半導體場效應晶體管，所述驅動芯片的正向輸出OUTB端電連接所述N溝通金屬氧化物半導體場效應晶體管。
[0014]優(yōu)選的，所述微控制單元與所述驅動電路之間設有隔離電路。
[0015]優(yōu)選的，所述隔離電路為光耦隔離電路；或者所述隔離電路電阻、二極管以及電容。
[0016]優(yōu)選的，所述微控制單元根據(jù)驅動信號發(fā)生電路輸出驅動信號，所述驅動信號發(fā)生電路包括兩個多路復用器，所述微控制單元輸出PWM信號和地址信號至多路復用器，其中一個多路復用器輸出驅動信號至奇數(shù)低壓開關器件驅動電路，另一個多路復用器輸出驅動信號至偶數(shù)低壓開關器件驅動電路。
[0017]一種模塊化電池系統(tǒng)，其中，包括P組電池管理單元，每組電池管理單元為一個多繞組變壓器組成的具有主動均衡功能的電池管理單元組，每組電池管理單元中設有一個雙向的DC/DC轉換器，所述DC/DC轉換器用于不同組電池管理單元之間的能量交換，所述DC /DC轉換器的輸入端被連接到對應組電池管理單元的正負極，所述DC / DC轉換器的輸出端被連接到一個公共總線上，微控制單元通過公共總線發(fā)送和接收各電池管理單元組的信息，控制所述DC/DC轉換器將能量從剩余電量高的電池管理單元組向剩余電量低的電池電池管理單元組轉移。
[0018]所提出的系統(tǒng)由一個低電壓開關(Ml?M2n)和一個多繞組變壓器T(T1?Tn ,Tm)組成。低電壓開關(Ml?Μ2η)用于每個電池單元(BI?Β2η)，多繞組變壓器Τ(Τ1?Tn, Tm)用于每一個電池組。兩個相鄰電池單元共用一個繞組(Tl?Τη)，繞組Tm被用來檢測電池電壓。所提出的電路有兩個工作階段，檢測階段和均衡階段。在檢測階段，所有的開關都按順序導通，在Tm上的感應電壓會被采樣從而檢測出電池單體電壓。通過電池單體電壓的測量，以及其他信號如電池電流和歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，微控制單元(MCU)可計算出需要進行充電或者放電的電池單元，選擇能量傳遞的路徑并在某個確定時間開始均衡過程。然后重復檢測和均衡階段。由于變壓器T繞組數(shù)量的限制，一個多繞組變壓器很難滿足電池數(shù)量較多的情況。因此提出了一種模塊化理論，它可以很容易支持任何數(shù)量的電池單元。所提出的系統(tǒng)使用一個多繞組變壓器使檢測電路和電池單元相隔離，因此可以使用低壓功率器件，降低器件成本。與已有技術相比，在電池單元的數(shù)量相同時，該系統(tǒng)使用較少的變壓器繞組并且省去了驅動變壓器，因此可大幅降低電路成本。
[0019]
【附圖說明】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明:
圖1是本發(fā)明具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)的實施例1的原理圖。
[0021]圖2是用于圖1系統(tǒng)檢測操作的驅動信號。
[0022]圖3是用于圖1系統(tǒng)均衡操作的驅動信號。
[0023]圖4是本發(fā)明具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)的實施例2的部分具體電路圖。
[0024]圖5是圖4中驅動電路的替代電路。
[0025]圖6是本發(fā)明具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)的實施例3的部分具體電路圖。
[0026]圖7是本發(fā)明一種模塊化電池系統(tǒng)的實施例的原理圖。
[0027]
【具體實施方式】
[0028]實施例1:
本發(fā)明一種具有主動均衡功能的電池管理系統(tǒng)，包括:N節(jié)相互串聯(lián)的單體電池，將這些電池分成M對電池單元對，其中N是一個大于零的偶數(shù);一個具有M個繞組的多繞組變壓器，M個繞組中的每一個繞組都有一端與電池單元對的中點相連，M個繞組分別同M個電池單元對的中點相連;N個低壓開關器件，同N個電池單元相關聯(lián)，N個低壓開關器件也被分為M對，每個開關對的中點同M個變壓器繞組的另一端相連，每一個開關都被選擇性的操作；其中，驅動電路控制所述低壓開關器件的通斷，其中驅動電路選擇性的操作所述低壓開關器件，使能量從N節(jié)電池中的一節(jié)向另外一節(jié)轉移;在M個繞組的多繞組變壓器上還包括一個附加繞組，通過該繞組實現(xiàn)電池單體電壓的隔離測量。還包括一個微控制單元，所述附加繞組上的電壓通過低通濾波器和信號調節(jié)電路輸出信號至所述微控制單元控制的進行采樣，所述微控制器基于采樣電壓和電池組電流計算出電池剩余電量;所述微控制單元發(fā)送驅動信號并通過驅動電路控制所述低壓開關器件使能量由剩余電量高的電池向剩余電量低的電池轉移。
[0029]電路結構如圖1所示，在本實施例中，Bl~B2n是串聯(lián)的電池單元，Tl?Tn是一個多繞組變壓器T的繞組，與電池單元并聯(lián)，Ml~M2n是帶有反并聯(lián)二極管的開關，Tm是多繞組變壓器的另一個繞組，用于檢測電壓。Tm上的電壓通過低通濾波器和信號調節(jié)電路進行處理。處理過的信號被微控制單元(MCU)控制的模數(shù)轉換器采樣。M⑶基于電池電壓和電池組電流計算出電池剩余電量(S0C)。根據(jù)計算結果，MCU會發(fā)送驅動信號控制開關使能量由剩余電量高的電池向剩余電量低的電池轉移。每一個低壓開關器件對應并聯(lián)一個耦合二極管。具體電路原理如圖，在此不再一一贅述。
[0030]圖2所示為用于檢測的驅動信號。所有開關按順序導通。當開關閉合時，相應電池上的電壓會作用于變壓器T的一個繞組。這個電壓會與檢測繞組Tm親合。MCU只要控制A/D轉換器在正確的時間進行采樣，在電池組中所有單體電池的電壓都可以被測量。
[0031]圖3所示為能量從一節(jié)電池轉移給另一節(jié)電池的原理。例如能量要從BI傳遞給B4，首先閉合Ml，能量將從BI流出儲存到變壓器T中。之后斷開