CN117595465B - 一种电池组的主动均衡电路及其保护*** - Google Patents

一种电池组的主动均衡电路及其保护*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及电池安全运用监测领域,尤其涉及一种电池组的主动均衡电路及其保护***。该***包括MCU单元、供电侧控制电路、隔离交互电路和电池侧控制电路;提供了一套完整的主动均衡过程中的硬件的保护方案,降低当前主动均衡中的失效和减少电路的复杂度。可对多串的电池组执行主动均衡功能,对电池组内单体电池进行充电或放电,提高电池组使用的寿命;供电侧具备过流、过压、欠压保护;电池侧具备连接到主动均衡环路电池均衡过流、欠流、过压、欠压保护;可实时监控内部产品内部温度的功能。

Description

一种电池组的主动均衡电路及其保护***
技术领域
本发明涉及电池安全运用监测领域,尤其涉及一种电池组的主动均衡电路及其保护***。
背景技术
新能源领域如电动汽车、储能电站的快速发展,使大量的锂离子动力电池或铅酸蓄电池等电化学电池被应用。电池能量快速转移,提高电池的使用寿命,提高整组电池的容量。满足现有的电池均衡环境,提供对电池的充电和放电,保证电池能量的平稳安全的进行转移。为了电池安全有效地运行,主要通过电池管理模块对电池检测、管理。
目前的电池管理模块在主动均衡开启前对通道选择开关进行检测。在主动均衡过程中对监控单体的电池的电压过压和欠压的保护、主动均衡电流过流和欠流的保护、均衡MOS管和变压器的温度监控、同步提供单体的电池的电压和主动均衡电流的采样值提供参考。在发生异常,同时也能对故障信息收集,有利于异常的分析。在主动均衡过程中检测电池能量转移供电侧的电流监控,保护供电侧的异常影响电池侧。通过寄存器配置,可实现几个不同档位的均衡电流。保护主动均衡过程安全进行,电池的容量平稳的进行转移。
发明内容
为了解决上述的技术问题,本发明的目的是提供一种电池组主动均衡电路的保护***,该***提供了一套完整的主动均衡过程中的硬件的保护方案,降低当前主动均衡中的失效和减少电路的复杂度。可对多串的电池组执行主动均衡功能,对电池组内单体电池进行充电或放电,提高电池组使用的寿命;供电侧具备过流、过压、欠压保护;电池侧具备连接到主动均衡环路电池均衡过流、欠流、过压、欠压保护;可实时监控内部产品内部温度的功能。
为了实现上述的目的,本发明采用了以下的技术方案:
一种电池组主动均衡电路的保护***,该***包括MCU单元、供电侧监控电路U1、隔离交互电路和电池侧监控电路U2;其中:
所述MCU单元与供电侧监控电路U1相通讯连接,通过供电侧监控电路U1收集电池侧监控电路U2的信息,通过供电侧监控电路U1启动主动均衡;
所述供电侧监控电路U1通过隔离交互电路对电池侧监控电路U2进行供电,接收电池侧监控电路U2的信息,汇总处理后与自身信息同步传递到MCU单元;驱动均衡电路,进行主动均衡功能,并实现供电侧的过流、过压和欠压保护;
所述供电侧监控电路U1通过隔离交互电路实现对电池侧监控电路U2的驱动;将电池侧监控电路U2的信息反馈到供电侧监控电路U1;实现供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2信息交互;
所述电池侧监控电路U2的信息通过隔离交互电路传送至供电侧监控电路U1;电池侧监控电路U2监控主动均衡电路内部温度,以及具备电池侧的过流、欠流、过压和欠压保护功能,外置电池矩阵开关控制器,具备单体电池接入到均衡电路功能。
作为优选,所述的MCU单元由具备UART串口通讯的ARM架构,RISC-V架构单片机组成,单片机的UART通讯引脚连接到供电侧监控电路U1的UART通讯引脚。
作为优选,所述的隔离交互电路包括整流倍压电路T1、第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6元器件组成;
供电侧监控电路U1的HB引脚通过整流倍压电路T1将为电池侧监控电路U2提高供电电源,满足电池侧监控电路U2在10至21V的供电范围;
供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2相关引脚通过第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6电气连接,建立供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2的通讯交互和信号反馈的电路。
作为优选,所述的供电侧监控电路U1中:通过VCC引脚和GND引脚获取供电,输入电压可是9至36V的外部直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为隔离交互电路的光第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电;当供电电压大于12V,VDDH引脚输出为12V,当供电电压小于12V,VDDH引脚输出等于供电电压,驱动引脚HB/GP/GS;
所述的电池侧监控电路U2中:通过引脚VCC和GND获取供电,输入电压为10至21V的直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为为隔离交互电路的第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电。
作为优选,所述的供电侧监控电路U1中包括RXM引脚、TXM引脚、FaultOUT引脚、FaultIN引脚、RXS引脚和TXS引脚,其中:
RXM引脚和TXM引脚功能为供电侧监控电路U1与MCU单元交互的引脚,可进行UART的双向通讯,接收处理来自MCU单元的均衡控制指令,并向MCU单元反馈供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2当前是否处于保护触发状态,即供电侧监控电路U1检测到供电侧的过流、过压和欠压保护、电池侧监控电路U2检测到过流、欠流、过压、欠压保护和内部环境过温的保护;
FaultOUT引脚功能为输出供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2保护触发信号,通过引脚输出低电平信号,MCU单元相应引脚设置电平触发中断来实现程序的判断;
FaultIN引脚通过隔离交互电路中光耦U4与电池侧监控电路U2的FaultOUT引脚连接,功能为接收电池侧监控电路U2的保护信息,即当需要保护时,电池侧监控电路U2的FaultOUT引脚输出低电平信号,接收到信号会切断均衡电路的均衡动作,并存储到供电侧监控电路U1,当MCU单元获取信息时传递给MCU单元;
RXS引脚和TXS引脚通过隔离交互电路中第三光耦U5和第四光耦U6分别与电池侧监控电路U2的TXS引脚和RXS引脚连接,使电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2进行UARY双向通讯,将电池侧监控电路U2的信息转发到MCU单元;电池侧监控电路U2接收待均衡的单体电池、均衡的电流值、保护值等信息。
作为优选,所述的供电侧监控电路U1中还包括HB引脚、GS引脚、GP引脚、VS引脚和CS引脚,其中:
HB引脚功能为可输出频率为153kHz、最小驱动能力为电流1A、占空比为50%的PWM波形;
GS引脚和GP引脚功能为可输出频率153KH、最小驱动能力为电流1A、占空比可根据COMP引脚输入调整范围为8~95%,使均衡电路的均衡电流达到设定值2A的要求;在对单体电池进行均衡充电时,GP引脚先输出PWM波形,随着COMP引脚电压值上升不断增大占空比,调节至均衡电流达到设定值,为提高均衡效率、降低能量耗损,GS随后输出并不断增大占空比,并调节至与GP输出PWM波形占空比形成互补的状态并满足死区时间;反之在对单体电池进行均衡放电时,GS引脚先输出PWM波形,GS随后输出PWM波形并形成互补。
VS引脚功能为供电侧欠压、过压保护检测,VP点电压为供电侧监控电路U1的外部直流电源输入,其中VP点电压与电阻R1串联后与VS引脚相连,VS引脚又与电阻R2串联后与GND相连,当检测VS引脚的电压低于低电压保护值时,低电压保护值范围在大于等于0.15至小于等于0.9V之间,触发供电侧欠压保护动作,当检测引脚的电压高于高电压保护值时,高电压保护值范围在大于等于1.65至小于等于2.4V之间,触发供电侧过压保护动作,其中电阻R1和电阻R2做为调理电阻,阻值分别为30kohm、2.4kohm;例如:VS引脚电压值等于(VP点电压*R2)/(R1+R2);默认设置电压小于0.9V触发欠压保护,当VP点电压输入的12V,VS引脚电压是0.89V,则发生欠压保护;默认设置电压大于2.4V触发过压保护,当VP点电压输入的32.5V,VS引脚电压是2.41V则供电侧监控电路U1发生过压保护;
CS引脚功能为外部直流电源输入在均衡过程中,检测电流是否超过正常工作要求;供电侧过流采样电阻RA1为200mohm,设置过流采样电阻电压检测大于保护值(如500mV),将触发过流保护; 例如过流采样电阻电压检测为600mV,即存在3A的电流,从而触发过流保护。
作为优选,所述的电池侧监控电路U2中包括FaultOUT引脚、CSP引脚、CSN引脚、Vcell引脚以及GA1引脚至GA12引脚,其中:
FaultOUT引脚功能为当电池侧监控电路U2获得保护触发信息,通过该引脚输出低电平信号,通过隔离交互电路中光耦U3传输到供电侧监控电路U1的FaultIN的引脚,以实现均衡停止的功能;
CSP引脚和CSN引脚功能为主动均衡电流过流、欠流保护检测,通过FaultOUT引脚输出低电平信号传递到供电侧监控电路U1,供电侧监控电路U1关闭GP和GS的输出,实现均衡停止的操作;均衡回路采样电阻RA2为10mohm,标准均衡电流为2A,即标准采样电阻电压值Vis_fb为20mV,过流保护值设置数值为大于标准采样电阻电压值103%至150%之间,大于时触发过流保护,欠流保护值设置数值为标准采样电阻电压值50%至97%之间,小于时触发欠流保护。例如设置大于30mV会触发过流保护,当均衡电流达到3.5A,即采样电阻电压值为35mV,触发过流保护;设置小于10mV会触发欠流保护,当均衡电流达到0.5A,即采样电阻电压值为5mV,触发欠流保护。同时,未达到标准采样电阻电压值,将调节电池侧监控电路U2的COMP引脚电压0V至5V之间,同时通过光耦U3传递到供电侧监控电路U1的COMP引脚,供电侧监控电路U1根据COMP引脚的电压值调整GP和GS的PWM波形的占空比从8%到95%,控制均衡电路的电源电路,使均衡环路电流到达Vis_fb/采样电阻=2A均衡电流值;
Vcell引脚功能为是单体电池欠压、过压保护检测,Vcell_fb为电池侧的单体电池的输入,其中Vcell_fb点电压与电阻R3串联后与Vcell引脚相连,Vcell引脚又与R4串联后与GND2相连,当检测Vcell引脚的电压低于低电压保护值时,低电压保护值范围在大于等于0.2至小于等于2.0V之间,触发供电侧欠压保护动作,当检测引脚的电压高于高电压保护值时,高电压保护值范围在大于等于1.0至小于等于2.5V之间,触发供电侧过压保护动作,其中R3和R4做为调理电阻,阻值分别为10kohm、10kohm;例如:Vcell引脚电压值等于(Vcell_fb点电压*R4)/(R3+R4);默认设置电压小于0.3V触发欠压保护,当单体电池电压输入为0.42V,Vcell引脚电压为0.21V,则触发欠压保护;默认设置电压大于2.5V触发过压保护,当单体电池电压输入为5.2V,Vcell引脚电压为2.6V,则触发过压保护。
GA1引脚至GA12引脚功能为电池开关矩阵控制电路的输出,通过引脚控制其中单个开关,将电池组的单体电池连接至均衡电路之中,实现对电池组内的单体电池的双向均衡,即单体电池的充电或放电的过程。
进一步,本发明还公开了一种电池组主动均衡电路***,该均衡电路***包括电池开关矩阵控制电路、均衡电路和所述的一种电池组主动均衡电路的保护***,电池开关矩阵控制电路通过所述保护***连接至均衡电路。
作为优选,所述电池开关矩阵控制电路包括驱动电压以及Q1、Q2、Q3和Q4的MOS管组成的矩阵开关,对应单体电池的驱动电压输出电压,控制Q1、Q2、Q3和Q4的MOS管闭合,可将该单体电池连接到主动均衡电路进行均衡。
作为优选,所述均衡电路是反激式均衡电路方案,均衡过程中电池侧监控电路U2通过矩阵选择将电池组内单体电池接入回路当中,供电侧监控电路U1根据电池侧监控电路U2的CSN和CSP输入量,调节GP和GS的占空比,实现主动均衡电池电路。
进一步,本发明还公开了一种电池***,该电池***采用所述的均衡电路***。
本发明由于采用了上述的技术方案,具有以下的特点:
1、提供了一套完整的主动均衡过程中的硬件的保护方案,降低当前主动均衡中的失效和减少电路的复杂度;
2、一套完善的主动均衡保护硬件***,通过本***多方面的保证均衡过程的安全性和可靠性,有利于电池的SOC、SOH的分析;
3、分别监控主动均衡过程的电池侧的电压、电流和温度,以及供电侧的电压和电流,进行实时的采样和动态的保护,特别是针对瞬态变化的值;
4、实施电路的优化当前的主动均衡方案,引入功能更加强大的集成电路,集合保护措施,保证主动均衡的保护更全面的保护措施。
综上所述,本发明的电路设计的是一款多串电池组的主动均衡方案。可对多串的电池组执行主动均衡功能,对电池组内单体电池进行充电或放电,提高电池组使用的寿命;供电侧具备过流、过压、欠压保护;电池侧具备连接到主动均衡环路电池均衡过流、欠流、过压、欠压保护;可实时监控内部产品内部温度的功能。
附图说明
图1为保护***各部件与均衡电路的连接框图。
图2为一片主动均衡电路与电池组及外部电源的连接框图。
图3为多片主动均衡电路与电池组及外部电源的连接框图。
图4为本发明的保护***的电路图。
图5为3个单体电池时的开关矩阵控制电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清查、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部实施例。给予本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1所示为一种电池组主动均衡电路保护***与均衡电路的连接框图,该保护***由MCU单元、供电侧监控电路U1、隔离交互电路、电池侧监控电路U2组成。
图2所示为一片主动均衡电路与电池组及外部电源的连接框图,其中一片主动均衡电路由MCU单元、均衡电路、供电侧监控电路U1、隔离交互电路、电池侧监控电路U2,以及电池开关矩阵控制电路(见图4所示,图2中未显示)组成。外部直流电源与均衡电路双向连接,对MCU单元、供电侧监控电路U1供电,供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2与均衡电路连接。图3所示为多片主动均衡电路与电池组及外部电源的连接框图。
如图1、图4所示,一种电池组主动均衡电路的保护***,该***包括MCU单元、供电侧监控电路U1、隔离交互电路和电池侧监控电路U2;其中:
MCU单元,MCU单元与供电侧监控电路U1相通讯连接,通过供电侧监控电路U1收集电池侧监控电路U2的信息,通过供电侧监控电路U1启动主动均衡;
供电侧监控电路U1,通过隔离交互电路对电池侧监控电路U2进行供电,接收电池侧监控电路U2的信息,汇总处理后与自身信息同步传递到MCU单元;驱动均衡电路,进行主动均衡功能,并实现供电侧的过流、过压和欠压保护;
隔离交互电路,供电侧监控电路U1通过隔离交互电路实现对电池侧监控电路U2的驱动;将电池侧监控电路U2的信息反馈到供电侧监控电路U1;实现供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2信息交互;
电池侧监控电路U2,电池侧监控电路U2的信息通过隔离交互电路传送至供电侧监控电路U1;电池侧监控电路U2外置电池矩阵开关控制器,可将电池组内单体电池接入到均衡电路,并实现电池侧的过流、欠流、过压和欠压保护、以及监控主动均衡电路内部温度(通过TEMP引脚)。
所述的MCU单元由具备UART串口通讯的ARM架构,RISC-V架构单片机组成,单片机的UART通讯引脚连接到供电侧监控电路U1的UART通讯引脚。所述的供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2可以采用芯片GT3801、GT4801。
如图4所示,所述的隔离交互电路包括整流倍压电路T1、第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6等元器件组成;
供电侧监控电路U1的HB引脚通过整流倍压电路T1将为电池侧监控电路U2提高供电电源,满足电池侧监控电路U2在10至21V的供电范围;
供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2相关引脚通过第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6等元器件电气连接,建立供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2的通讯交互和信号反馈的电路。
如图4所示,所述的供电侧监控电路U1中:通过引脚VCC和GND获取供电,输入电压可是9至36V的外部直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为隔离交互电路的第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电;当供电电压大于12V,VDDH引脚输出为12V,当供电电压小于12V,VDDH引脚输出等于供电电压,驱动引脚HB/GP/GS;
所述的电池侧监控电路U2中:通过引脚VCC和GND获取供电,输入电压为10至21V的直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为隔离交互电路的第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电。
如图4所示,所述的供电侧监控电路U1中包括RXM、TXM、FaultOUT、FaultIN、RXS和TXS引脚,其中:
RXM和TXM引脚功能为供电侧监控电路U1与MCU单元交互的引脚,可进行UART的双向通讯,接收处理来自MCU单元的均衡控制指令,并向MCU单元反馈供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2当前是否处于保护触发状态,即供电侧监控电路U1检测到供电侧的过流、过压和欠压保护、电池侧监控电路U2检测到过流、欠流、过压、欠压保护和内部环境过温的保护;
FaultOUT引脚功能为输出供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2保护触发信号,通过引脚输出低电平信号,MCU单元相应引脚设置电平触发中断来实现程序的判断;
FaultIN引脚通过隔离交互电路中光耦U4与电池侧监控电路U2的FaultOUT引脚连接,功能为接收电池侧监控电路U2的保护信息,即当需要保护时,电池侧监控电路U2的FaultOUT引脚输出低电平信号,接收到信号会切断均衡电路的均衡动作,并存储到供电侧监控电路U1,当MCU单元获取信息时传递给MCU单元;
RXS和TXS引脚通过隔离交互电路中光耦U5、U6分别与电池侧监控电路U2的TXS和RXS引脚连接,使电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2进行UARY双向通讯,将电池侧监控电路U2的信息转发到MCU单元;电池侧监控电路U2接收待均衡的单体电池、均衡的电流值、保护值等信息。
如图4所示,所述的供电侧监控电路U1中还包括HB、GS、GP、VS和CS引脚,其中:
HB引脚功能为可输出固定频率为153kHz,占空比为50%,最小驱动能力为电流1A的PWM波形;
GS和GP引脚功能为可输出频率153KH、最小驱动能力为电流1A、占空比可根据COMP引脚输入调整范围为8~95%,使均衡电路的均衡电流达到设定值2A的要求;在对单体电池进行均衡充电时,GP引脚先输出PWM波形,随着COMP引脚电压值上升不断增大占空比,调节至均衡电流达到设定值,为提高均衡效率、降低能量耗损,GS随后输出并不断增大占空比,并调节至与GP输出PWM波形占空比形成互补的状态并满足死区时间;反之在对单体电池进行均衡放电时,GS引脚先输出PWM波形,GS随后输出PWM波形并形成互补;
VS引脚功能为供电侧欠压、过压保护检测,VP点电压为供电侧监控电路U1的外部直流电源输入,其中VP点电压与R1串联后与VS引脚相连,VS引脚又与R2串联后与GND相连,当检测VS引脚的电压低于低电压保护值时,低电压保护值范围在大于等于0.15至小于等于0.9V之间,触发供电侧欠压保护动作,当检测引脚的电压高于高电压保护值时,高电压保护值范围在大于等于1.65至小于等于2.4V之间,触发供电侧过压保护动作,其中R1和R2做为调理电阻,阻值分别为30kohm、2.4kohm;例如:VS引脚电压值等于(VP点电压*R2)/(R1+R2);默认设置电压小于0.9V触发欠压保护,当VP点电压输入的12V,VS引脚电压是0.89V,则发生欠压保护;默认设置电压大于2.4V触发过压保护,当VP点电压输入的32.5V,VS引脚电压是2.41V则供电侧监控电路U1发生过压保护;
CS引脚功能为外部直流电源输入在均衡过程,检测电流是否超过正常工作要求;供电侧过流采样电阻RA1为200mohm,设置过流采样电阻电压检测大于保护值(如500mV),将触发过流保护; 例如过流采样电阻电压检测为600mV,即存在3A的电流,从而触发过流保护。
如图4所示,所述的电池侧监控电路U2中包括FaultOUT、CSP、CSN、Vcell以及GA1至GA12引脚,其中:
FaultOUT引脚功能为当电池侧监控电路U2获得保护触发信息,通过该引脚输出低电平信号,通过通过隔离交互电路中光耦U3传输到供电侧监控电路U1的FaultIN的引脚,以实现均衡停止的功能;
CSP和CSN引脚功能为主动均衡电流过流、欠流保护检测,通过FaultOUT引脚输出低电平信号传递到供电侧监控电路U1,供电侧监控电路U1关闭GP和GS的输出,实现均衡停止的操作;均衡回路采样电阻RA2为10mohm,标准均衡电流为2A,即标准采样电阻电压值Vis_fb为20mV,过流保护值设置数值为大于标准采样电阻电压值103%至150%之间,大于时触发过流保护,欠流保护值设置数值为标准采样电阻电压值50%至97%之间,小于时触发欠流保护。例如设置大于30mV会触发过流保护,当均衡电流达到3.5A,即采样电阻电压值为35mV,触发过流保护;设置小于10mV会触发欠流保护,当均衡电流达到0.5A,即采样电阻电压值为5mV,触发欠流保护。同时,未达到标准采样电阻电压值,将调节电池侧监控电路U2的COMP引脚电压0V至5V之间,同时通过光耦U3传递到供电侧监控电路U1的COMP引脚,供电侧监控电路U1根据COMP引脚的电压值调整GP和GS的PWM波形的占空比从8%到95%,控制均衡电路的电源电路,使均衡环路电流到达Vis_fb/采样电阻=2A均衡电流值;
Vcell引脚功能为是单体电池欠压、过压保护检测,Vcell_fb为电池侧的单体电池的输入,其中Vcell_fb点电压与R3串联后与Vcell引脚相连,Vcell引脚又与R4串联后与GND2相连,当检测Vcell引脚的电压低于低电压保护值时,低电压保护值范围在大于等于0.2至小于等于2.0V之间,触发供电侧欠压保护动作,当检测引脚的电压高于高电压保护值时,高电压保护值范围在大于等于1.0至小于等于2.5V之间,触发供电侧过压保护动作,其中R3和R4做为调理电阻,阻值分别为10kohm、10kohm;例如:Vcell引脚电压值等于(Vcell_fb点电压*R4)/(R3+R4);默认设置电压小于0.3V触发欠压保护,当单体电池电压输入为0.42V,Vcell引脚电压为0.21V,则触发欠压保护;默认设置电压大于2.5V触发过压保护,当单体电池电压输入为5.2V,Vcell引脚电压为2.6V,则触发过压保护。
GA1至GA12引脚功能为电池开关矩阵控制电路的输出,通过引脚控制其中单个开关,将电池组的单体电池连接至均衡电路之中,实现对电池组内的单体电池的双向均衡,即单体电池的充电或放电的过程。
如图5所示,所述电池开关矩阵控制电路包括驱动电压以及Q1、Q2、Q3和Q4的MOS管组成的矩阵开关,对应单体电池的驱动电压输出电压,控制Q1、Q2、Q3和Q4的MOS管闭合,可将该单体电池连接到主动均衡电路进行均衡。如当希望第1节单体电池闭合操作,电池侧监控电路U2对应的GA1输出电压,控制Q1、Q2、Q3和Q4的MOS管闭合,将第1节单体电池选择进入连接到均衡回路。同理,2#电池对应GA2,12#电池对应GA12。
本发明的应用电路如图2、图3、图4所示,电池组可实现单体电池主动均衡的操作,将电池内存储的能量转移到直流电源消耗或从直流电源获取能量。直流电源电压范围是9至32VDC。供电电源提供到MCU、供电侧监控电路和均衡电路。每次均衡是选择接入电池组的单体电池,应考虑考虑电池开关矩阵控制器的耐压性和控制引脚数量。
如图4所示,均衡电路的详细描述如下:
所述均衡电路是反激式均衡电路方案,均衡电路中的Vp、Vi、Vcell_fb等连接U1和U2的引脚,RA1电阻值为200mohm,RA2电阻值为10mohm。均衡过程中电池侧监控电路U2通过矩阵选择将电池组内单体电池接入回路当中,供电侧监控电路U1根据电池侧监控电路U2的CSN和CSP输入量,调节GP和GS的占空比,实现主动均衡电池电路。
本发明相对于以往的电路设计会采用较多的运算放大器、采样的集成电路来完成主动均衡的保护电路设计。本发明集成到U1、U2内部,只需要通过个功能引脚即可实现检测和保护功能,并将错误信息反馈到MCU。过往单一的设计无法对电池的电压过压和欠压进行动态的调整,从而会影响保护的效果,当前方案中MCU通过软件配置针对不同的现场方案线束进行动态的调整,从而达到保护。
以上为对本发明实施例的描述,通过对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施列,而是要符合与本文所公开的原理和新颖点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种电池组主动均衡电路的保护***,其特征在于,该***包括MCU单元、供电侧监控电路U1、隔离交互电路和电池侧监控电路U2;其中:
所述MCU单元与供电侧监控电路U1相通讯连接,通过供电侧监控电路U1收集电池侧监控电路U2的信息,通过供电侧监控电路U1启动主动均衡;
所述供电侧监控电路U1通过隔离交互电路对电池侧监控电路U2进行供电,接收电池侧监控电路U2的信息,汇总处理后与自身信息同步传递到MCU单元;驱动均衡电路,进行主动均衡功能,并实现供电侧的过流、过压和欠压保护;
所述供电侧监控电路U1通过隔离交互电路实现对电池侧监控电路U2的驱动;将电池侧监控电路U2的信息反馈到供电侧监控电路U1;实现供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2信息交互;
所述电池侧监控电路U2的信息通过隔离交互电路传送至供电侧监控电路U1;电池侧监控电路U2监控主动均衡电路内部温度,以及具备电池侧的过流、欠流、过压和欠压保护功能,外置电池矩阵开关控制电路,具备单体电池接入到均衡电路功能;
所述的MCU单元由具备UART串口通讯的ARM架构,RISC-V架构单片机组成,单片机的UART通讯引脚连接到供电侧监控电路U1的UART通讯引脚;所述的隔离交互电路包括整流倍压电路T1、第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6;
所述供电侧监控电路U1中包括RXM引脚、TXM引脚、FaultOUT引脚、FaultIN引脚、RXS引脚和TXS引脚,其中:
RXM引脚和TXM引脚功能为供电侧监控电路U1与MCU单元交互的引脚,可进行UART的双向通讯,接收处理来自MCU单元的均衡控制指令,并向MCU单元反馈供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2当前是否处于保护触发状态;
FaultOUT引脚功能为输出供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2保护触发信号;
FaultIN引脚通过隔离交互电路中第二光耦U4与电池侧监控电路U2的FaultOUT引脚连接,功能为接收电池侧监控电路U2的保护信息;
RXS引脚和TXS引脚通过隔离交互电路中第三光耦U5和第四光耦U6分别与电池侧监控电路U2的TXS引脚和RXS引脚连接,使供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2进行UARY双向通讯;
所述的电池侧监控电路U2中包括FaultOUT引脚、CSP引脚、CSN引脚、Vcell引脚以及GA1引脚至GA12引脚,其中:
FaultOUT引脚功能为当电池侧监控电路U2获得保护触发信息,通过隔离交互电路中第一光耦U3传输到供电侧监控电路U1的FaultIN的引脚;
CSP引脚和CSN引脚功能为主动均衡电流过流、欠流保护检测,均衡电路采样电阻RA2电压检测大于过流保护值时,触发过流保护,小于欠流保护值时,触发欠流保护;未达到标准采样电阻电压值,将调节电池侧监控电路U2的COMP引脚电压0V至5V之间,同时通过第一光耦U3传递到供电侧监控电路U1的COMP引脚,供电侧监控电路U1根据COMP引脚的电压值调整供电侧监控电路U1的GP和GS引脚的PWM波形的占空比使均衡电流到达要求;
Vcell引脚功能为单体电池欠压、过压保护检测,Vcell_fb为电池侧的单体电池的输入,其中Vcell_fb点电压与电阻R3串联后与Vcell引脚相连,Vcell引脚又与电阻R4串联后与GND2引脚相连,当检测Vcell引脚的电压低于低电压保护值时,触发供电侧欠压保护动作,高于高电压保护值时,触发供电侧过压保护动作;
GA1引脚至GA12引脚功能为电池开关矩阵控制电路的输出,通过引脚控制其中单个开关,将电池组的单体电池连接至均衡电路之中,实现对电池组内的单体电池的双向均衡,即单体电池的充电或放电的过程。
2.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路的保护***,其特征在于,所述的供电侧监控电路U1的HB引脚通过整流倍压电路T1将为电池侧监控电路U2提供供电电源,满足电池侧监控电路U2在10至21V的供电范围;
所述的供电侧监控电路U1与电池侧监控电路U2相关引脚通过第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6电气连接,建立供电侧监控电路U1和电池侧监控电路U2的通讯交互和信号反馈的电路。
3.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路的保护***,其特征在于,所述的供电侧监控电路U1中:通过VCC引脚和GND引脚获取供电,输入电压为9至36V的外部直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为隔离交互电路的第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电;当供电电压大于12V,VDDH引脚输出为12V,当供电电压小于12V,VDDH引脚输出等于供电电压,驱动HB引脚、GP引脚和GS引脚;
HB引脚功能为可输出固定频率为153kHz,占空比为50%,最小驱动能力为电流1A的PWM输出波形;
GS引脚和GP引脚功能为可输出频率153KHz、最小驱动能力为电流1A、占空比可根据COMP引脚输入调整范围为8~95%的PWM波形,通过控制可使均衡电流达到要求;
所述的电池侧监控电路U2中:通过VCC引脚和GND引脚获取供电,输入电压为10至21V的直流电压源;通过VDD引脚输出电压5V,串联电阻后为隔离交互电路的第一光耦U3、第二光耦U4、第三光耦U5和第四光耦U6供电。
4.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路的保护***,其特征在于,供电侧监控电路U1中还包括HB引脚、GS引脚、GP引脚、VS引脚和CS引脚,其中:
HB引脚功能为可输出固定频率为153kHz,占空比为50%,最小驱动能力为电流1A的PWM输出波形;
GS引脚和GP引脚功能为可输出频率153KHz、最小驱动能力为电流1A、占空比可根据COMP引脚输入调整范围为8~95%的PWM波形,通过控制可使均衡电流达到要求;
VS引脚功能为供电侧欠压、过压保护检测,VP点电压为供电侧监控电路U1的外部直流电源输入,其中VP点电压与电阻R1串联后与VS引脚相连,VS引脚又与电阻R2串联后与GND引脚相连,当检测VS引脚的电压低于低电压保护值时,触发供电侧欠压保护动作,高于高电压保护时,触发供电侧过压保护动作;
CS引脚功能为均衡过程中检测电流是否超过正常工作要求,供电侧过流采样电阻RA1电压检测大于保护值时,触发过流保护。
5.一种电池组主动均衡电路***,其特征在于,该均衡电路***包括电池开关矩阵控制电路、均衡电路和权利要求1-4任意一项所述的一种电池组主动均衡电路的保护***,电池开关矩阵控制电路通过所述保护***连接至均衡电路。
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