一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法技术方案

本发明专利技术公开了一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法，系统包括24节锂离子电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块。该系统实现对24节电池的监测和控制，具备监测单体电池的工作参数，进行电池组的被动均衡、主动均衡、并行均衡、充放电过流保护和上位机的通信等功能，可以调节均衡电流的大小，实现智能均衡的目标。该系统省去开关矩阵驱动器和普通电源开关控制器，单体电池选通模块的MOSFET管驱动由电池监控模块完成，主动均衡模块的MOSFET管驱动由主控制器完成，实现软件控制均衡电流的智能充放电功能。

A battery management system with parallel equalization function and its equalization method

The invention discloses a battery management system with parallel equalization function and equalization system includes 24 lithium ion battery group, a battery monitoring module, a main controller, MCU 6 single cell based selection module, an active equalization module, a communication module, a charge discharge protection device and a power supply module. The system realizes the monitoring and control of the 24 battery, the working parameters have the monitoring single battery, battery, passive equalization of active equalization, equalization, parallel charge discharge current protection function of communication and computer, can adjust the balance of current intelligent balance targets. Save switch matrix driver and general power switch controller of the system, the single cell selection module of MOSFET pipe is completed by the battery monitoring module driver, active equalization module of the MOSFET tube is completed by the host controller driver, intelligent charging and discharging function software controlling equilibrium current.

【技术实现步骤摘要】
一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法
本专利技术涉及新能源汽车电子
，具体涉及一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法。
技术介绍
随着能源危机和环境污染的不断加剧，新能源汽车逐渐成为了新的发展趋势。电动汽车作为新能源汽车的代表，以其高效低污染的特点越来越受到重视。但因车用电池的高性能要求和恶劣的工作环境，使其对电池的管理要求很高。电池的过充电、过放电等都可能会严重缩短电池的寿命，甚至出现爆炸等安全事故，所以如何使电池长寿命和电池安全性得到保障是其管理急需解决的问题。电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)就是电池系统的重要组成部分，它可以通过对锂电池的在线监测和估算，得到当前电池的状况，例如SOC，还可以利用当前状态和一些算法，得到SOH、SOL(StateofLife，电池寿命)估计，进行电池均衡，实现电池热管理、深度充电/放电的保护等功能。总之电池管理系统可以保证电动汽车安全运行，使动力电池工作在最佳工作区，以便最大限度地利用电池的存储能力和循环寿命。其中BMS必要的功能是电池均衡。因为一般的动力电池组包含了几十个甚至上百个单体电池串联或串并联，而单体电池之间会存在不一致性的问题，这种不一致性除了电池的制作环节的不一致性外，还与单体电池所在的工作环境有关。如果不一致性不加以抑制，可能会使电池组的性能和续航能力降低，甚至危害到电池的安全，所以必须要进行电池均衡。而电池均衡又分为被动均衡和主动均衡。被动均衡指的是消耗电能的均衡，利用电阻发热放电的原理。主动均衡指的是无消耗的电能均衡，利用电容、电感等进行电能的转移。当前，大部分的电池管理芯片只具有被动均衡的功能，而单一的被动均衡由于其芯片均衡电流、电池管理系统温度等因素的影响，并不能满足自由快速地实现电池组的均衡的要求；其次，单一的被动均衡要求电池组内所有电池的一致性好，不然会影响被动均衡的效率，所以使厂家对出厂电池的挑选更加严格，导致电池出厂时的废品率上升，不利于商业化运作。而主动均衡不仅可以使电池之间的差异性变小甚至消除，而且根据其单体电池的容量采用合理的充放电使电池寿命大大延长。但主动均衡的难点在于单体电池的选通和均衡电流的选择。首先，难点一是如何把需要进行均衡的单体电池接入均衡电路，常规的手段均是利用MOSFET管，而由于电池组存在电池越叠越高的特性，所以MOSFET管基本采用开关矩阵门驱动器控制一连串的单体电池，例如TI公司的EMB1428Q，一共有12个门极驱动器，可以控制12个单体电池的选通。但开关矩阵门极驱动器既增加了电池管理系统的成本，又增加了主控制器的负担，所以一个自带驱动管脚的电池监测芯片既可以减少电池管理系统的整体成本，又可以使主控制器专注于电池当前状态的计算和管理。其次，难点二是是否固定均衡电流的大小。为了更加灵活快速地使整组电池处于SOC平衡的一个状态，均衡电流应该是根据具体单体电池的SOC来确定的。但一般的主动均衡电路，采用PWM控制器，从电路设计完成后，均衡电流已经无法更改，如电流模式控制器UC3844。而采用高端的双向电流DC-DC控制器，如和EMB1428Q配套使用的EMB1499Q，又增加了成本负担。所以采用具有ePWM输出的主控制器，可以利用其ePWM控制其主动均衡电路，进行脉冲式的充放电，使电池组实现智能化均衡。而采用带被动均衡功能的可编程的电池监控芯片，可以在进行主动均衡功能时同时进行被动均衡而不影响主控制器的处理速度，即系统可以进行并行均衡，比平常的混合均衡器均衡速度更快。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种具有并行均衡功能的电池管理系统及均衡方法。根据公开的实施例，本专利技术的第一方面公开了一种具有并行均衡功能的电池管理系统，系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组、六个基于单片机的电池监测模块、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个电源模块、一个充放电保护装置和一个主控制器；其中，电池组由每节电池Bi(i＝1,2，...，24)串联，其中每相邻四节电池B4n-3，B4n-2，B4n-3，B4n(n＝1,2，...，6)为一小电池组，分为小电池组1，小电池组2，...，小电池组6；电池监测模块主要负责监测单体电池的工作参数，还有根据工作参数编程实现被动均衡功能；单体电池选通模块用于将单体电池接入主动均衡电路；主动均衡模块用于单体电池和整组电池之间进行能量双向转换；通信模块用于本电池管理系统的内部信息通信；电源模块用于提供各芯片和器件的供电；充放电保护装置用于保护电池充放电，避免可能产生的过流、过压情况；主控制器用于处理电池监测模块传递的电池工作参数得到电池组的SOC、SOH，并由此控制主动均衡模块的运行，并将电池工作参数通过CAN总线传达到上位机。其中，电池监测模块包括可编程的电池监测与保护芯片、电压测量子模块、电流测量子模块、温度采集子模块、被动均衡子模块；其中，电池监测模块的电池监测与保护芯片是Mega32HVB，该芯片是电池管理芯片，可同时管理4节电池并保存电池工作参数，可编程利用I/O口管理电池；电压测量子模块直接把4节电池接入Mega32HVB，由其利用芯片的VADC测量电池两端电压并保存到芯片内部寄存器；电流测量子模块将一个电流感应电阻串联到电池组回路中，然后通过测量该电阻两端的电压来测量电流，其两端的电压信号接入Mega32HVB电流测量管脚NI和PI，由库伦计数ADC进行测量并保存；温度采集子模块主要通过NTC热敏电阻来检测电池的温度，将温度信息转化为电压信息，然后将电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，然后转换为电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，由Mega32HVB根据电压信号判断环境温度并保存；被动均衡子模块中，电池两端均通过串联电阻接入芯片的电压测量管脚，当需要被动均衡时，芯片两管脚之间短路，从而电池通过导通电阻电路发热消耗电能，由于管脚电流的限制导致均衡电流太小，所以改良电路，通过一个P型MOSFET管和小电阻并联到单体电池正负两端使均衡电流增大，使均衡时间大大减少。其中，每个被动均衡子模块包括13个电阻、4个P-MOSFET管，和电池监测与保护芯片Mega32HVB的5个V-ADC管脚(NV、PV1～PV4)与小电池组单体电池正负极对应点相连接；每个小电池组j(j＝1，2，...，6，为小电池组的编号)仅由该电池监测与保护芯片Mega32HVB进行管理，彼此之间除电池串联外没线路连接；每小电池组j的单体电池Bi(i＝1，2，...，24)正极连接电阻R3*i+j和P-MOSFET管Qi的源极，负极连接电阻R3*(i-1)+j和电阻R3*(i-1)+j+1，电阻R3*(i-1)+j+1的另一端连接P-MOSFET管Qi的漏极，P-MOSFET管的栅极连接电阻R3*(i-1)+j+2，而电阻R3*(i-1)+j+2的另一端与R3*i+j的另一端相连接，接入Mega32HVB的PVi-4*(j-1)管脚，同理，由于电池Bi和Bi-1首尾相连，所以Bi-1的正极即Bi的负极，此处不再阐述，而每个小电池组j的最末节电池Bi(i＝1,5，9，...，21)的负极连接电阻R3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的电池管理系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组成的电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块，其中，所述的电池组由每节电池Bi，i＝1,2，...，24串联，其中每相邻四节电池B4n‑3，B4n‑2，B4n‑3，B4n，n＝1,2，...，6为一小电池组，分为6小电池组分别与六个电池监测模块、六个单体电池选通模块对应点相连接，同时，整组电池组则与电源模块的输入端相连接；所述的六个基于单片机的电池监测模块分别通过自身的I2C接口通过所述的通信模块与所述的主控制器的I2C接口相连；所述的六个单体电池选通模块与所述的主动均衡模块的输入端相连，用于将单体电池接入所述的主动均衡模块；所述的主动均衡模块的的输出端则与第24节锂离子电池和地端相连，其控制端与所述的主控制器相连接，用于单体电池和整组电池之间进行能量双向转换，实现主动均衡功能；所述的充放电装置与所述的电池组串联至地端，其控制端和监测端则与所述的主控制器相连接；所述的主控制器用于处理电池监测模块传递的电池工作参数得到电池组的SOC、SOH，并由此控制主动均衡模块的运行，并将电池工作参数通过CAN总线传达到上位机。...

【技术特征摘要】
1.一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的电池管理系统采用多主结构，包括24节锂离子电池组成的电池组、六个基于单片机的电池监测模块、一个主控制器、六个单体电池选通模块、一个主动均衡模块、一个通信模块、一个充放电保护装置和一个电源模块，其中，所述的电池组由每节电池Bi，i＝1,2，...，24串联，其中每相邻四节电池B4n-3，B4n-2，B4n-3，B4n，n＝1,2，...，6为一小电池组，分为6小电池组分别与六个电池监测模块、六个单体电池选通模块对应点相连接，同时，整组电池组则与电源模块的输入端相连接；所述的六个基于单片机的电池监测模块分别通过自身的I2C接口通过所述的通信模块与所述的主控制器的I2C接口相连；所述的六个单体电池选通模块与所述的主动均衡模块的输入端相连，用于将单体电池接入所述的主动均衡模块；所述的主动均衡模块的的输出端则与第24节锂离子电池和地端相连，其控制端与所述的主控制器相连接，用于单体电池和整组电池之间进行能量双向转换，实现主动均衡功能；所述的充放电装置与所述的电池组串联至地端，其控制端和监测端则与所述的主控制器相连接；所述的主控制器用于处理电池监测模块传递的电池工作参数得到电池组的SOC、SOH，并由此控制主动均衡模块的运行，并将电池工作参数通过CAN总线传达到上位机。2.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，每个电池监测模块包括可编程的电池监测与保护芯片、电压测量子模块、电流测量子模块、温度采集子模块、被动均衡子模块；其中，所述的电池监测与保护芯片采用Mega32HVB，该芯片是电池管理芯片，可同时管理4节电池并保存电池工作参数，可编程利用I/O口管理电池；所述的电压测量子模块把相连的4节电池接入Mega32HVB，由其利用芯片的VADC测量电池两端电压并保存到芯片内部寄存器；所述的电流测量子模块将一个电流感应电阻串联到相连的小电池组回路中，然后通过测量该电阻两端的电压来测量电流，其两端的电压信号接入Mega32HVB的电流测量管脚NI和PI，由库伦计数ADC进行测量并保存；所述的温度采集子模块通过NTC热敏电阻来检测相连的4节电池的温度，将温度信息转化为电压信息，然后将电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，然后转换为电压信号输入到Mega32HVB的AD通道，由Mega32HVB根据电压信号判断环境温度并保存；所述的被动均衡子模块将相连的4节电池的两端分别通过串联电阻接入芯片的电压测量管脚,再通过一个P型MOSFET管和小电阻并联到单体电池正负两端，当需要被动均衡时，Mega32HVB对应的两管脚之间短路。3.根据权利要求2的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的被动均衡子模块包括13个电阻、4个P-MOSFET管，同电池监测与保护芯片Mega32HVB的5个V-ADC管脚相连，5个V-ADC管脚分别为NV、PV1～PV4；每个小电池组j仅由该电池监测与保护芯片Mega32HVB进行管理，其中，j＝1，2，...，6，j为小电池组的编号；每个小电池组j的单体电池Bi正极连接电阻R3*i+j和P-MOSFET管Qi的源极，负极连接电阻R3*(i-1)+j和电阻R3*(i-1)+j+1，电阻R3*(i-1)+j+1的另一端连接P-MOSFET管Qi的漏极，P-MOSFET管的栅极连接电阻R3*(i-1)+j+2，而电阻R3*(i-1)+j+2的另一端与R3*i+j的另一端相连接，接入Mega32HVB的PVi-4*(j-1)管脚，同理，由于电池Bi和Bi-1首尾相连，所以Bi-1的正极即Bi的负极，而每个小电池组j的最末节电池Bi，其中，i＝1,5，9，...，21的负极连接电阻R3*(i-1)+j，R3*(i-1)+j的另一端则与Mega32HVB的NV管脚相连。4.根据权利要求2的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，每个单体电池选通模块包括四个选通通道，分别用于将四个单体电池连接到所述的主动均衡电路，其中每个通道各包含四个MOSFET管，每个单体电池正负端均连接上共源的双MOSFET管，而MOSFET管由Mega32HVB芯片控制导通。5.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的主动均衡模块包括两个反激变压器电路，一个电流反馈子模块、一个电池组总电压测量子模块和一个继电器；其中，其中，所述的两个反激变压器电路作为主动均衡模块主电路，用于单体电池和整组电池之间的能量交换，一个用于整组电池给单体电池充电，另一个用于单体电池给整组电池充电，每个反激变压器电路均包含一个反激变压器、一个MOSFET管、一个RCD吸收电路和多个输入输出滤波电容；其中，两个反激变压器电路中的MOSFET管各由主控制器中的两路ePWM管脚各加上一个隔离变压器控制通断，RCD吸收电路用于吸收MOSFET管关断时的尖刺电压，使电压钳位，滤波电容使输出电压、输出电流稳定；所述的电流反馈子模块用于测量均衡电流，使用电流感应电阻得到感应电压，再通过仪表放大器输入到主控制器的ADC管脚，主控制器通过反馈的均衡电流大小调节PWM占空比，从而使均衡电流稳定；所述的电池组总电压测量子模块将电池组总电压转化为主控制器的ADC管脚能接受的输入电压范围，从而根据电池组总电压和待均衡的单体电压调节最合适的PWM占空比；所述的继电器是用于隔断主动均衡模块和单体电池选通模块，使主动均衡模块可作用于多个芯片的单体电池。6.根据权利要求5的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的六个单体电池选通模块的输出端正负极相对应各自并联在一起，与所述的主动均衡模块的继电器对应点相连，所述的继电器由所述的主控制器控制通断，继电器导通后选通的单体电池接入到反激变压器电路，而反激变压器电路与单体电池连接的导通回路中串联着电流反馈子模块。7.根据权利要求1的一种具有并行均衡功能的电池管理系统，其特征在于，所述的主控制器采用TI公司的F28M35H...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧奔，肖兵，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44