一种高可靠的电池均衡控制模块及电池管理系统

1.本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种高可靠的电池均衡控制模块及电池管理系统。


背景技术：

2.目前，电化学储能行业发展十分迅猛，其中锂电池的应用最为广泛。电池管理系统(battery management system，bms)是锂电池组的重要组成部分，主要负责监测单体电池电压、单体电池温度、总电压、充/放电电流等绝缘电阻等运行参数，估算电池的soc、soh及sop等状态，进行电池在线故障诊断，防止电池过充和过放等。锂电池在使用过程中，由于制作工艺和运行工况的原因，单体电池之间的容量差异会不断扩大，需要bms对电池进行均衡，以提高电池组的充电速度、可用容量和使用寿命。
3.目前bms的设计方案主要有两种，分别为集成的模拟前端芯片方案和分立器件方案。由于分立器件方案灵活，供货稳定，价格便宜，具有较强的可替代性，因此采用分立器件的bms逐渐得到了推广和应用。
4.电池均衡分为主动均衡和被动均衡。被动均衡由于原理简单，成本低，在工程中得到了大量应用。被动均衡是使电压较高的单体电池通过均衡电阻放电，从而提高电池组各单体电池的电压一致性。均衡回路的导通状态通常由mos管控制，控制相应mos管导通即可对相应的单体电池进行均衡。
5.虽然被动均衡原理简单，但其在实际工程应用中仍然存在失控的风险。一方面，由分立器件组成的均衡回路直接由单片机控制，若单片机运行电磁环境恶劣可能导致程序死机或跑飞，均衡时间会超过设定值，甚至均衡电路一直维持导通状态。另一方面，由于高压静电击穿等原因，mos管可能进入直通和开路两种不受控的故障状态，若均衡mos管开路，将导致电池无法均衡，最终降低电池组的充电速度、可用容量和使用寿命；若均衡mos管一直导通，电池将过放电，容易引发电池起火、燃烧甚至爆炸，严重危害电池组的运行安全。
6.因此，迫切需要一种由硬件实现的被动的电池均衡控制模块，以提高电池组的可靠性和使用寿命。


技术实现要素：

7.本发明实施例提供了一种高可靠的电池均衡控制模块，以解决现有技术中电池管理系统被动均衡控制失控的问题。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
8.根据本发明实施例的第一方面，提供了一种高可靠的电池均衡控制模块。
9.在一个实施例中，一种高可靠的电池均衡控制模块包括：控制器、均衡驱动电路、均衡电路和故障检测电路；其中，
10.均衡驱动电路包括多个驱动单元，驱动单元根据控制器输出的均衡驱动信号驱动相应的均衡mos管导通或关断；
11.均衡电路包括多个均衡mos管和多个均衡电阻，均衡mos管和均衡电阻用于为电池模组中相应的单体电池提供放电回路；
12.故障检测电路包括多个均衡状态检测光耦，均衡状态检测光耦用于检测相应的均衡mos管是否处于直通或开路的状态。
13.可选地，当对某串电池进行均衡时，控制器输出相应的均衡驱动信号使相应的均衡mos管导通，相应的电池通过均衡电阻放电；
14.均衡电阻两端电压驱动均衡状态检测光耦导通，均衡状态检测光耦次级输出高电平。
15.可选地，当停止某串电池的均衡时，控制器输出相应的均衡驱动信号使相应的均衡mos管截止；
16.均衡电阻两端的电压为零，均衡状态检测光耦截止，均衡状态检测光耦次级输出低电平。
17.可选地，所述故障检测电路还包括异或门和后级mos管，异或门输入端a接收控制器输出的均衡驱动信号，异或门输入端b接收均衡状态检测光耦输出信号，异或门输出端连接后级mos管栅极，后级mos管漏极作为故障检测电路输出端；
18.当所述控制器输出的均衡驱动信号为低电平，由于均衡mos管故障直通，均衡状态检测光耦导通，输出高电平；异或门的输入端a接收低电平，输入端b接收高电平，输出端为高电平，后级mos管导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
19.可选地，所述故障检测电路还包括异或门和后级mos管，异或门输入端a接收控制器输出的均衡驱动信号，异或门输入端b接收均衡状态检测光耦输出信号，异或门输出端连接后级mos管栅极，后级mos管漏极作为故障检测电路输出端；
20.当所述控制器输出的均衡驱动信号为高电平，由于均衡mos管故障开路，均衡电阻两端的电压为零，均衡状态检测光耦截止，输出低电平；异或门的输入端a为高电平，输入端b为低电平，输出端为高电平，后级mos管导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
21.可选地，所述模块还包括均衡超时电路，均衡超时电路可在系统因故障(如软件失控等)导致均衡超时后，将已经开启的均衡回路关断。
22.根据本发明实施例的第二方面，提供了一种电池管理系统。
23.在一个实施例中，所述电池管理系统包括上述任一项实施例所述的高可靠的电池均衡控制模块。
24.本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
25.采用分立器件方案，能够在开启均衡后定时断开均衡回路，避免产生电池过放电等问题；
26.实现简单，成本低。
27.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
28.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
29.图1是根据一示例性实施例示出的一种电池均衡控制模块的原理图；
30.图2是根据一示例性实施例示出的一种电池均衡控制模块的电路图；
31.图3是根据一示例性实施例示出的均衡超时电路的电路图。
具体实施方式
32.以下描述和附图充分地示出本文的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本文的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。本文中，术语“第一”、“第二”等仅被用来将一个元素与另一个元素区分开来，而不要求或者暗示这些元素之间存在任何实际的关系或者顺序。实际上第一元素也能够被称为第二元素，反之亦然。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的结构、装置或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种结构、装置或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的结构、装置或者设备中还存在另外的相同要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
33.本文中的术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本文和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本文的描述中，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
34.本文中，除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。
35.本文中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，a/b表示：a或b。
36.本文中，术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，a和/或b，表示：a或b，或，a和b这三种关系。
37.在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.图1示出了本发明的高可靠的电池均衡控制模块的一个实施例。
39.在该实施例中，高可靠的电池均衡控制模块包括：控制器、均衡驱动电路、均衡电路和故障检测电路；其中，均衡驱动电路包括多个驱动单元，驱动单元根据控制器输出的均衡驱动信号驱动相应的均衡mos管导通或关断；均衡电路包括多个均衡mos管和多个均衡电阻，均衡mos管和均衡电阻用于为电池模组中相应的单体电池提供放电回路；故障检测电路包括多个均衡状态检测光耦，均衡状态检测光耦用于检测相应的均衡mos管是否处于直通或开路的状态。可选地，控制器可以是单片机、dsp、arm等可编程逻辑控制器。
40.可选地，当对某串电池进行均衡时，控制器输出相应的均衡驱动信号使相应的均
衡mos管导通，相应的电池通过均衡电阻放电；均衡电阻两端电压驱动均衡状态检测光耦导通，均衡状态检测光耦次级输出高电平。
41.可选地，当停止某串电池的均衡时，控制器输出相应的均衡驱动信号使相应的均衡mos管截止；均衡电阻两端的电压为零，均衡状态检测光耦截止，均衡状态检测光耦次级输出低电平。
42.可选地，所述故障检测电路还包括异或门和后级mos管，异或门输入端a接收控制器输出的均衡驱动信号，异或门输入端b接收均衡状态检测光耦输出信号，异或门输出端连接后级mos管栅极，后级mos管漏极作为故障检测电路输出端；当所述控制器输出的均衡驱动信号为低电平，由于均衡mos管故障直通，均衡状态检测光耦导通，输出高电平；异或门的输入端a接收低电平，输入端b接收高电平，输出端为高电平，后级mos管导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
43.可选地，所述故障检测电路还包括异或门和后级mos管，异或门输入端a接收控制器输出的均衡驱动信号，异或门输入端b接收均衡状态检测光耦输出信号，异或门输出端连接后级mos管栅极，后级mos管漏极作为故障检测电路输出端；当所述控制器输出的均衡驱动信号为高电平，由于均衡mos管故障开路，均衡电阻两端的电压为零，均衡状态检测光耦截止，输出低电平；异或门的输入端a为高电平，输入端b为低电平，输出端为高电平，后级mos管导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
44.可选地，所述模块还包括均衡超时电路，均衡超时电路可在系统因故障(如软件失控等)导致均衡超时后，将已经开启的均衡回路关断。
45.图2示出了本发明的电池均衡控制模块的一个具体实施例。
46.如图2所示，均衡驱动电路包括多个驱动单元，驱动单元包括均衡驱动光耦u1，驱动单元根据控制器输出的均衡驱动信号bal驱动相应的均衡mos管导通或关断；均衡电路包括多个均衡mos管q1和多个均衡电阻r3，均衡mos管q1和均衡电阻r3用于为电池模组中的相应电池提供放电回路；故障检测电路包括多个均衡状态检测光耦u2，均衡状态检测光耦u2用于检测相应的均衡mos管q1是否处于直通或开路的状态。
47.若要对某串电池进行均衡，控制器将相应的均衡驱动信号bal置为高电平，使相应的均衡驱动光耦u1和均衡mos管q1导通，电池通过均衡电阻放电。此时均衡状态检测光耦u2导通，其次级输出高电平。
48.若要停止某串电池的均衡，控制器将相应的均衡驱动信号bal置为低电平，使相应的均衡驱动光耦u1和均衡mos管q1截止。此时均衡电阻两端的电压为零，均衡状态检测光耦u2截止，其次级输出低电平。
49.如图2所示，故障检测电路包括：均衡状态检测光耦u2、异或门u3和后级mos管q2，异或门输入端a接收控制器输出的均衡驱动信号bal，异或门输入端b接收均衡状态检测光耦u2输出信号，异或门输出端连接后级mos管q2栅极，后级mos管q2漏极作为故障检测电路输出端。
50.均衡mos管故障直通的检测过程，包括：当控制器输出的均衡驱动信号bal为低电平，由于均衡mos管q1故障直通，均衡状态检测光耦u2导通，输出高电平；异或门u3的输入端a接收低电平，输入端b接收高电平，输出端为高电平，后级mos管q2导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
51.均衡mos管故障开路的检测过程，包括：当控制器输出的均衡驱动信号bal为高电平，由于均衡mos管q1故障开路，均衡电阻r3两端的电压为零，均衡状态检测光耦u2截止，输出低电平；异或门u3的输入端a为高电平，输入端b为低电平，输出端为高电平，后级mos管q2导通，均衡故障检测电路输出低电平，说明均衡电路存在异常。
52.均衡电路故障状态如表1所示：
53.表1
[0054][0055]
图3示出了本发明的均衡超时电路的一个具体实施例。
[0056]
如图3所示，均衡超时电路采用xr2240定时器，定时器具有8个开漏的频率输出，通过“线与”电路相连。定时器超时后，其rst输入信号变为高电平，定时器停止计时。若要使芯片重新开始计时，只需将trg引脚置高电平即可令所有频率输出引脚变为低电平，此时rst输入信号为低电平无效状态。芯片时基由rc振荡电路产生，时基时间为1s，定时时间可在1s至255s范围内灵活配置。本发明使用了fo/4、fo/32和fo/64的频率输出引脚，定时器的计时时间为100倍的时基时间，即定时器计时100s后停止。
[0057]
均衡信号由单片机的io口控制，为了方便多路复用，通过d触发器(图3中的sn74hc273pw)进行多路扩展。以16路均衡为例，在开启均衡时，单片机控制pa0～pa7引脚发出均衡信号，控制pb0引脚产生上升沿将数据锁存在d触发器中，同时启动定时器开始计时。定时器超时后，rst信号输入为高电平，经过反相器(u12)后使d触发器复位，输出全部变为低电平，进而关闭所有均衡回路。
[0058]
在另一个实施例中，还提出了一种电池管理系统，包括上述任一项实施例所述的电池均衡控制模块。
[0059]
本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。