一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法技术方案

一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法，该电路中，顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，其余单体电池以共线方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连；CPU根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。本发明专利技术所需要的线束成本大大降低，而且，在实现单体电池均衡的同时也能够满足单体电压的实时采样需求，避免均衡线上的压降影响采样精度问题，使单体电压采样准确。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法。
技术介绍
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，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。常用方法有两种：能量耗散型单向均衡和能量转移型双向均衡。能量耗散型单向均衡：指在每串电池上并联一个可以开关的放电电阻，BMS控制放电电阻对电压较高的单体放电，电能以热的形式耗散掉；这种方式只能对电压高的单体放电，不能对容量低的单体进行补充电。能量转移型双向均衡：是在BMS内部控制一个双向高频开关电源变换器，对电压较高的电池放电，放出的能量用来对电压较低的单体进行充电，能量主要是转移而不是耗散，能量损失较少，通过“削高补低”，能量转移的方式有效弥补电池的差异性。这种将多余量转移到高能量电芯，放电的多余能量转移到低能量电芯的方法称为主动均衡技术，采用能量转移型双向均衡方法可最大限度的降低损耗，提高能效管理。能量转移型双向均衡能够动态实时对各个单体的电压进行充放电管理，能量双向转移式主动均衡“削高补低”实现电池的静态、动态一致性，有效延长动力电池使用寿命。能量转移型双向均衡电路的基本原理图如图1所示，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池B1～B4之间的依次级联的双向直流/直流(DirectCurrent，缩略词为DC)变换器、极性换向器，以及开关数量比顺序串联的电池B1～B4的单体电池数量多1的用于控制选通相应单体电池的电池选择开关K1～K5，还包括连接在顺序串联的单体电池B1～B4与CPU的A/D端口之间的依次级联的开关数量与电池选择开关数量相等用于控制选通相应单体电池的电压采样开关S1～S5，以及模拟/数字(Analog/Digital，缩略词为A/D)变换器，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关K2、K4的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关K1、K3、K5的另一端与一单体电池的正极连接，比奇数多1的偶数个电池选择开关K2、K4的另一端与一单体电池的负极连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关S2、S4的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关S1、S3、S5的另一端与一单体电池的正极连接，比相邻的奇数多1的偶数个电压采样开关S2、S4的另一端与同一单体电池的负极连接，所述电池选择开关K1～K5和所述电压采样开关S1～S5由设有嵌入式控制软件的CPU集中控制。其动态均衡方法包括以下步骤：1)由嵌入式控制软件检测顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压；2)由CPU判断需要单独充电或放电的电压过低或过高的单体电池的位号；3)由CPU发出控制命令，控制选通相应的电压采样开关S1～S5，依次选择每个单体电池接入到A/D变换器的输入端口，经过A/D变换后由CPU的端口A/D端口A/D1依次采集到每个单体电池的电压参数，CPU通过对比检测到某个单体电池电压与其他单体电池的电压不一致时，就启动均衡电池管理，控制选通相应的电池选择开关K1～K5中的某相邻两个闭合，将电压不一致的单体电池接入到所述极性换向器进行极性匹配，再传送至所述双向DC-DC变换器，由CPU控制双向DC/-DC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体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，实现能量转移；4)重复步骤1)～3)，直至顺序串联的电池B1～B4中的各个单体电池的电压在设定的允许误差范围内，达到电池能量动态均衡。为了实现单体实时采样及主动均衡功能，对于采样及均衡线有两种设计方案：采样及均衡线独立分开，或者采样线及均衡线共线。1、单体采样及均衡线独立分开单体采样及均衡线独立分开的方案如图2a和2b所示，正常运行时，CPU依次控制切换开关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会对该电池进行充电或者放电均衡，在均衡过程中，CPU通过S1～S5开关和AD变换器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。由于采样和均衡采用独立的线路，在均衡过程中均衡线上的压降不会影响采样精度问题，同时保证可实时的采样，但该方案线束成本至少是被动均衡模式的2倍。2、单体采样及均衡共线方案单体采样及均衡共线方案如图3a和3b所示，采用这种接线方式，在均衡时候，因为线束上有压降，此时单体电压采样不准确。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种电池管理系统的动态均衡电路及其动态均衡方法。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，连接在顺序串联的单体电池组与CPU之间的依次级联的电压采样开关组以及A/D变换器，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连；CPU根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。进一步地：所述CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。所述电压采样开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC‑DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，连接在顺序串联的单体电池组与CPU之间的依次级联的电压采样开关组以及A/D变换器，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，其特征在于,顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连；CPU根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电池管理系统的动态均衡电路，包括连接在外部电源与顺序串联的单体电池组之间的依次级联的双向DC-DC变换器、极性换向器以及电池选择开关组，连接在顺序串联的单体电池组与CPU之间的依次级联的电压采样开关组以及A/D变换器，所述电池选择开关组和所述电压采样开关组的开关数量均比所述单体电池数量多1，且分别用于控制选通相应单体电池，其中第奇数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的负输出端即负汇集母线连接，第偶数个电池选择开关的一端与所述极性换向器的正输出端即正汇集母线连接，第奇数个电池选择开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电池选择开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中第奇数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的正输入端连接，第偶数个电压采样开关的一端与所述A/D变换器的负输入端连接，第奇数个电压采样开关的另一端与一单体电池的正极连接，相邻的第偶数个电压采样开关的另一端与同一单体电池的负极连接，其中所述电池选择开关组和所述电压采样开关组由CPU控制，所述CPU检测各个单体电池电压，并判断需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池的位号，发出相应控制命令，将需要单独充放电的电压过低或过高的单体电池接入正汇集母线、负汇集母线充电或放电，其特征在于,顺序串联的所述单体电池组中的第一个单体电池或最后一个单体电池通过独立分开的采样线和均衡线分别与对应的电池选择开关和电压采样开关相连，所述单体电池组中的其余单体电池以采样线和均衡线共线的方式与对应的电池选择开关和电压采样开关相连；CPU根据基于均衡测试电流条件计算出的各采样线的阻抗值，在正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压并计算出实际的单体电压为采样电压剔除线上压降，再根据实际的单体电压进行动态均衡控制。2.如权利要求1所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述CPU是单片机、数字信号处理器和微处理器中的一种。3.如权利要求1或2所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述电压采样开关是固体继电器。4.如权利要求1至3任一项所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述电池选择开关是MOSFET。5.如权利要求1至4任一项所述的电池管理系统的动态均衡电路，其特征在于，所述A/D变换器是高精密仪表用差分运算放大器。6.一种用于如权利要求1～5中任意一项所述的电池管理系统的动态均衡电路的动态均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于均衡测试电流条件计算或近似计算出各单体电池的采样线的阻抗值；S2、正常运行过程中，检测各单体电池的采样电压，并将采样电压剔除根据采样线的阻抗值和均衡充电电流值计算出的线上压降，得到各单体电池实际的单体电压；S3、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；S4、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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志国，胡运平，张泱渊，仝瑞军，
申请(专利权)人：深圳市科列技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44