CN111572405A - 一种锂电池主动均衡***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂电池主动均衡***及方法，将若干个电池组成一个电池组单元，由一个双向DC/DC模块对其中压差较大的单体进行充电或放电，每个DC/DC模块的工作状态可控，DC/DC模块电路独立，可靠性高，降低了***的复杂度；DC/DC模块与电池组单体之间通过开关阵列进行连接，在同一时刻只对其中一个单体进行均衡，避免了电路之间的相互影响，根据电池的单体电压值与设定电压之间的压差，对电池施加充电电流，其中最大单体充电电流可达3～4A，均衡速度较快，使每个组单元内的电池单体电压接近一致；本***的充放电电流较大，消除单体之间的压差，完成对电池的均衡维护，广泛应用于新能源汽车电池均衡***及二手电池均衡***改造和电网储能锂电池应用领域。

Description

一种锂电池主动均衡***及方法
技术领域
本发明涉及一种汽车电池均衡***，具体为一种锂电池主动均衡***及方法，属于汽车技术领域。
背景技术
锂离子动力电池作为新能源汽车的关键核心部件，在实际应用中，因电池生产材料因不同批次导致电池单体在性能方面存在微小差别，或因为生产工艺方面的瑕疵等因素，使电池组中的某一单体电池一致性变差，电池单体之间的压差变大，使整个电池组整体容量降低，严重影响电池组的使用寿命。
现有的解决手段通常采用均衡的技术手段来缓解电池一致性问题，目前的锂电池均衡技术分主动均衡和被动均衡两种方式，被动均衡由于均衡电流较小，均衡的电流只能达到几十毫安，且只能对电池电压较高的单体进行放电，在电池组容量较大时，很难发挥应用的作用；主动均衡方式，控制电路复杂，需要增加很多个电源变换电路，且大部分只能单向均衡，电路成本较高等原因，限制了主动均衡方式的大批量应用，为此，我们提出一种锂电池主动均衡***及方法。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种锂电池主动均衡***及方法，***通过将电池组分成若干个组单元，在电池管理***工作时，通过电压采样电路，对每个组单元电压进行单独检测，并根据该组单元内电池单体的最大压差，找到其中压差较大的电池单体，并与平均电压或基准电压进行比较，当该单体低于平均电压或基准电压时，单片机IO端口控制DC/DC模块工作在正向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，DC/DC模块VO产生的5V直流电压通过开关SxA和SxB施加到电池单体BTx上，给电该池单体进行充电；当该单体高于平均电压或基准电压时，单片机IO端口控制DC/DC模块工作在反向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，该电池单体上的电压通过开关SxA和SxB施加DC/DC模块的VO、0V端，通过DC/DC模块变换产生26.4V直流电压，施加到第一电池组和第二电池组上，向电池组反向充电。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种锂电池主动均衡***，包括单片机、CAN接口、多个双向DC/DC、多个开关阵列以及多个电池组，所述单片机与CAN接口双向数据连接，所述CAN接口用于发送电压信息、接收充电工作指令，多个所述双向DC/DC与多个开关阵列电性连接，多个所述开关阵列与多个电池组电性连接，多个所述开关阵列与单片机电性连接，多个所述双向DC/DC与多个电池组电性连接。
进一步地，所述双向DC/DC为宽压输入，隔离输出双向充电电源模块，DC/DC模块可根据外部引脚控制设置为正向工作和反向工作状态；正向工作时，Vin为电源输入端，Vo为电源输出端，反向工作时，Vo为电源输入端，Vin为电源输出端，均衡***根据检测到的电池单体电压值来决定DC/DC正向工作或反向工作，在正向工作时，电池组***向电池单体充电，DC/DC模块工作电源来自于电池组1和电池组2的串联电压，在反向工作时，电池单体向电池组***放电，DC/DC模块工作电源来自电池单体，在DC/DC的Vin和GND之间产生的电压给电池组1和电池组2进行充电。
进一步地，所述电池组1和电池组2均由4个电池单体串联而成，两个电池组串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，同时电池组1和电池组2与前级、后级其它电池组再次进行串联后，给动力电池***提供工作电源。
进一步地，所述CAN接口通过单片机与电池管理***主机相连接，向电池管理***主机发送单片机采集到的电压、温度信号、均衡状态；均衡***的工作状态受电池管理***主机的命令控制，单片机通过CAN接口接收到电池管理***主机的停止均衡指令时，开关阵列均全部关闭，DC/DC模块停止工作，直到再次接收到均衡指令均衡***开始工作。
进一步地，所述开关阵列1、开关阵列2分别由4对N沟场效应管S1B、S2B、S3B、S4B及P沟场效应管S1A、S2A、S3A、S4A组成，通过单片机隔离驱动，成对开启，在同一时刻，S1～S4场效应管中，只开启其中一路N沟和P沟场效应管，其它三对N沟和P沟场效应管均处于关闭状态。
进一步地，一种锂电池主动均衡***的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：当均衡维护***接入到电池组后，电池组1和电池组2串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，单片机通过电压、温度采样电路实时采集电池组的电压和温度，并将采集到的电压与***设置的均衡设定电压相比较；
步骤二：单片机采集到某个电池单体电压低于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在正向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，DC/DC模块VO产生的5V直流电压通过开关SxA和SxB施加到电池单体BTx上，给电池单体BTx进行充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤三：单片机采集到某个电池单体电压高于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在反向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，电池单体上的电压通过开关SxA和SxB施加DC/DC模块的VO端，通过DC/DC模块VO输入，在Vin、GND端产生的约26.4V直流电压，施加到电池组1和电池组2上，向电池组反向充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤四：均衡***在工作时，单片机实时将每一路均衡单元的工作状态通过CAN总线发送给电池管理***主机，当单片机检测到的单体电压值与设定电压之间的压差缩小到设定的电压值时，电池管理***主机发送停止均衡指令，单片机接收到该信息后，Ax输出一个电平信号，关闭开关管SxA和SxB，同时给DC/DC模块EN引脚一个高电平信号，关闭该DC/DC模块输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的均衡***将若干个电池组成一个电池组单元，每个电池组单元包含2～4个电池单体，由一个双向DC/DC模块对其中压差较大的单体进行充电或放电，每个DC/DC模块的工作状态可控，DC/DC模块还可工作在充电或放电状态，DC/DC模块电路独立，可靠性高，降低了***的复杂度；
2、DC/DC模块与电池组单体之间通过开关阵列(场效应管)进行连接，在同一时刻，只对其中一个单体进行均衡，避免了电路之间的相互影响，同时，根据电池的单体电压值与设定电压之间的压差，对电池施加充电电流，其中最大单体充电电流可达3～4A，因此它的均衡速度较快，能较快的使每个组单元内的电池单体电压接近一致；
3、相对于现有的主动均衡方式，本***的充放电电流较大，可很快消除单体之间的压差，完成对电池的均衡维护，可以广泛应用于新能源汽车电池均衡***及二手电池均衡***改造，或电网储能等锂电池应用领域。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种锂电池主动均衡***及方法的***结构图；
图2是本发明一种锂电池主动均衡***及方法的电池组成组单元示意图；
图3是本发明一种锂电池主动均衡***及方法的充放电单元原理图。
图4是本发明一种锂电池主动均衡***及方法的双向DC/DC充放电单元原理图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4所示，一种锂电池主动均衡***，包括单片机、CAN接口、多个双向DC/DC、多个开关阵列以及多个电池组，所述单片机与CAN接口双向数据连接，所述CAN接口用于发送电压信息、接收充电工作指令，多个所述双向DC/DC与多个开关阵列电性连接，多个所述开关阵列与多个电池组电性连接，多个所述开关阵列与单片机电性连接，多个所述双向DC/DC与多个电池组电性连接。
其中，所述双向DC/DC为宽压输入，隔离输出双向充电电源模块，DC/DC模块可根据外部引脚控制设置为正向工作和反向工作状态；正向工作时，Vin为电源输入端，Vo为电源输出端，反向工作时，Vo为电源输入端，Vin为电源输出端，均衡***根据检测到的电池单体电压值来决定DC/DC正向工作或反向工作，在正向工作时，电池组***向电池单体充电，DC/DC模块工作电源来自于电池组1和电池组2的串联电压，在反向工作时，电池单体向电池组***放电，DC/DC模块工作电源来自电池单体，在DC/DC的Vin和GND之间产生的电压给电池组1和电池组2进行充电。
所述电池组1和电池组2均由4个电池单体串联而成，两个电池组串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，同时电池组1和电池组2与前级、后级其它电池组再次进行串联后，给动力电池***提供工作电源。
所述CAN接口通过单片机与电池管理***主机相连接，向电池管理***主机发送单片机采集到的电压、温度信号、均衡状态；均衡***的工作状态受电池管理***主机的命令控制，单片机通过CAN接口接收到电池管理***主机的停止均衡指令时，开关阵列均全部关闭，DC/DC模块停止工作，直到再次接收到均衡指令均衡***开始工作。
所述开关阵列1、开关阵列2分别由4对N沟场效应管S1B、S2B、S3B、S4B及P沟场效应管S1A、S2A、S3A、S4A组成，通过单片机隔离驱动，成对开启，在同一时刻，S1～S4场效应管中，只开启其中一路N沟和P沟场效应管，其它三对N沟和P沟场效应管均处于关闭状态。
其中，一种锂电池主动均衡***的方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：当均衡维护***接入到电池组后，电池组1和电池组2串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，单片机通过电压、温度采样电路实时采集电池组的电压和温度，并将采集到的电压与***设置的均衡设定电压相比较；
步骤二：单片机采集到某个电池单体电压低于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在正向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，DC/DC模块VO产生的5V直流电压通过开关SxA和SxB施加到电池单体BTx上，给电池单体BTx进行充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤三：单片机采集到某个电池单体电压高于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在反向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，电池单体上的电压通过开关SxA和SxB施加DC/DC模块的VO端，通过DC/DC模块VO输入，在Vin、GND端产生的约26.4V直流电压，施加到电池组1和电池组2上，向电池组反向充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤四：均衡***在工作时，单片机实时将每一路均衡单元的工作状态通过CAN总线发送给电池管理***主机，当单片机检测到的单体电压值与设定电压之间的压差缩小到设定的电压值时，电池管理***主机发送停止均衡指令，单片机接收到该信息后，Ax输出一个电平信号，关闭开关管SxA和SxB，同时给DC/DC模块EN引脚一个高电平信号，关闭该DC/DC模块输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明的均衡***将若干个电池组成一个电池组单元，每个电池组单元包含2～4个电池单体，由一个双向DC/DC模块对其中压差较大的单体进行充电或放电，每个DC/DC模块的工作状态可控，DC/DC模块还可工作在充电或放电状态，DC/DC模块电路独立，可靠性高，降低了***的复杂度；
2、DC/DC模块与电池组单体之间通过开关阵列(场效应管)进行连接，在同一时刻，只对其中一个单体进行均衡，避免了电路之间的相互影响，同时，根据电池的单体电压值与设定电压之间的压差，对电池施加充电电流，其中最大单体充电电流可达3～4A，因此它的均衡速度较快，能较快的使每个组单元内的电池单体电压接近一致；
3、相对于现有的主动均衡方式，本***的充放电电流较大，可很快消除单体之间的压差，完成对电池的均衡维护，可以广泛应用于新能源汽车电池均衡***及二手电池均衡***改造，或电网储能等锂电池应用领域。
一种锂电池主动均衡***，工作时，当均衡维护***接入到电池组后，电池组1和电池组2串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，单片机通过电压、温度采样电路实时采集电池组的电压和温度，并将采集到的电压与***设置的均衡设定电压相比较；
单片机采集到某个电池单体电压低于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在正向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，DC/DC模块VO产生的5V直流电压通过开关SxA和SxB施加到电池单体BTx上，给电池单体BTx进行充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
单片机采集到某个电池单体电压高于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在反向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，电池单体上的电压通过开关SxA和SxB施加DC/DC模块的VO端，通过DC/DC模块VO输入，在Vin、GND端产生的约26.4V直流电压，施加到电池组1和电池组2上，向电池组反向充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
均衡***在工作时，单片机实时将每一路均衡单元的工作状态通过CAN总线发送给电池管理***主机，当单片机检测到的单体电压值与设定电压之间的压差缩小到设定的电压值时，电池管理***主机发送停止均衡指令，单片机接收到该信息后，Ax输出一个电平信号，关闭开关管SxA和SxB，同时给DC/DC模块EN引脚一个高电平信号，关闭该DC/DC模块输出。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种锂电池主动均衡***，其特征在于，包括单片机、CAN接口、多个双向DC/DC、多个开关阵列以及多个电池组，所述单片机与CAN接口双向数据连接，所述CAN接口用于发送电压信息、接收充电工作指令，多个所述双向DC/DC与多个开关阵列电性连接，多个所述开关阵列与多个电池组电性连接，多个所述开关阵列与单片机电性连接，多个所述双向DC/DC与多个电池组电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池主动均衡***，其特征在于，所述双向DC/DC为宽压输入，隔离输出双向充电电源模块，DC/DC模块可根据外部引脚控制设置为正向工作和反向工作状态；正向工作时，Vin为电源输入端，Vo为电源输出端，反向工作时，Vo为电源输入端，Vin为电源输出端，均衡***根据检测到的电池单体电压值来决定DC/DC正向工作或反向工作，在正向工作时，电池组***向电池单体充电，DC/DC模块工作电源来自于电池组1和电池组2的串联电压，在反向工作时，电池单体向电池组***放电，DC/DC模块工作电源来自电池单体，在DC/DC的Vin和GND之间产生的电压给电池组1和电池组2进行充电。
3.据权利要求2所述的一种锂电池主动均衡***，其特征在于，所述电池组1和电池组2均由4个电池单体串联而成，两个电池组串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，同时电池组1和电池组2与前级、后级其它电池组再次进行串联后，给动力电池***提供工作电源。
4.据权利要求1所述的一种锂电池主动均衡***，其特征在于，所述CAN接口通过单片机与电池管理***主机相连接，向电池管理***主机发送单片机采集到的电压、温度信号、均衡状态；均衡***的工作状态受电池管理***主机的命令控制，单片机通过CAN接口接收到电池管理***主机的停止均衡指令时，开关阵列均全部关闭，DC/DC模块停止工作，直到再次接收到均衡指令均衡***开始工作。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池主动均衡***及方法，其特征在于，所述开关阵列1、开关阵列2分别由4对N沟场效应管S1B、S2B、S3B、S4B及P沟场效应管S1A、S2A、S3A、S4A组成，通过单片机隔离驱动，成对开启，在同一时刻，S1～S4场效应管中，只开启其中一路N沟和P沟场效应管，其它三对N沟和P沟场效应管均处于关闭状态。
6.一种锂电池主动均衡***的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：当均衡维护***接入到电池组后，电池组1和电池组2串联后形成约26.4V电压，给DC/DC模块提供工作电源，单片机通过电压、温度采样电路实时采集电池组的电压和温度，并将采集到的电压与***设置的均衡设定电压相比较；
步骤二：单片机采集到某个电池单体电压低于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在正向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，DC/DC模块VO产生的5V直流电压通过开关SxA和SxB施加到电池单体BTx上，给电池单体BTx进行充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤三：单片机采集到某个电池单体电压高于设定的电压值时，且通过CAN总线接收到电池管理***发送过来的开启均衡指令后，通过单片机IO端口控制DC/DC模块工作在反向工作状态，该组开关阵列中的对应控制信号Ax为高电平，当开关Ax为高电平后，通过隔离驱动电路分别控制效应管SxA和SxB同时接通，此时，电池单体上的电压通过开关SxA和SxB施加DC/DC模块的VO端，通过DC/DC模块VO输入，在Vin、GND端产生的约26.4V直流电压，施加到电池组1和电池组2上，向电池组反向充电，此时，开关阵列中其它三对场效应管处于关闭状态；
步骤四：均衡***在工作时，单片机实时将每一路均衡单元的工作状态通过CAN总线发送给电池管理***主机，当单片机检测到的单体电压值与设定电压之间的压差缩小到设定的电压值时，电池管理***主机发送停止均衡指令，单片机接收到该信息后，Ax输出一个电平信号，关闭开关管SxA和SxB，同时给DC/DC模块EN引脚一个高电平信号，关闭该DC/DC模块输出。
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