一种半主动均衡电路以及电池管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及电池的充放电技术领域，尤其涉及一种半主动均衡电路以及电池管理系统。


背景技术：

2.电池组在电动汽车以及储能领域的应用越来越广泛，尤其是锂电池，在使用过程中，通常将各单体电池通过串并联的方式组成电池组，以增加电池组的电压和容量，以达到实际使用时的电压需求或续航需求。
3.由于制作工艺或材料等问题，使得同一电池组中的各单体电池存在差异，导致在电池组的实际使用过程中差异性会越来越大，例如各单体电池的充电速率或电量不均匀，使得在对电池组进行充电或放电时，各单体电池的电量不均衡，导致无法对电池组中的所有单体电池进行充分的充电或放电，影响电池组的总电量，进而影响实际使用效果，还会影响电池组的使用寿命。


技术实现要素：

4.本实用新型提供了一种半主动均衡电路以及电池管理系统，以对单体电池的充放电进行可靠安全的均衡控制。
5.根据本实用新型的一方面，提供了一种半主动均衡电路，包括：控制器、均衡电路、第一均衡母线、第二均衡母线、采集电路和多路选择开关；
6.所述控制器包括信号采样端、均衡控制输出端和开关控制端；
7.所述采集电路的第一输入端与所述第一均衡母线电连接，所述采集电路的第二输入端与所述第二均衡母线电连接，所述采集电路的输出端与所述信号采样端电连接；
8.所述均衡电路的控制端与所述均衡控制输出端电连接，所述均衡电路的第一输出端与所述第一均衡母线电连接，所述均衡电路的第二输出端与所述第二均衡母线电连接；
9.所述多路选择开关包括多个与各单体电池一一对应设置的控制开关、与多个所述控制开关一一对应的开关选择输入端、以及与多个所述控制开关一一对应的开关选择输出端；各所述开关选择输入端与所述开关控制端电连接，各开关选择输出端分别与对应的控制开关的控制端电连接；各所述控制开关包括第一子开关和第二子开关，所述第一子开关电连接于与其对应的所述单体电池的正极端和所述第一均衡母线之间，所述第二子开关电连接于与其对应的所述单体电池的负极端和所述第二均衡母线之间。
10.可选的，所述采集电路包括第一采样电阻和第二采样电阻；所述信号采样端包括第一信号采样端和第二信号采样端；
11.所述第一采样电阻电连接于所述第一信号采样端和所述第一均衡母线之间；
12.所述第二采样电阻电连接于所述第二信号采样端和所述第二均衡母线之间。
13.可选的，所述均衡电路包括主动均衡电路、被动均衡电路和第一均衡控制开关；所述控制器的均衡控制输出端包括使能输出端和第一均衡控制输出端；
14.所述主动均衡电路的使能端与所述使能输出端电连接，所述主动均衡电路的正极输出端与所述第一均衡母线电连接，所述主动均衡电路的负极输出端与所述第二均衡母线电连接；
15.所述第一均衡控制开关包括第三子开关和第四子开关；所述被动均衡电路电连接于所述第三子开关的输入端和所述第四子开关的输入端之间；所述第三子开关的输出端与所述第一均衡母线电连接，所述第四子开关的输出端与所述第二均衡母线电连接，所述第三子开关的控制端和所述第四子开关的控制端均与所述第一均衡控制输出端电连接。
16.可选的，所述均衡电路还包括第二均衡控制开关；所述控制器的均衡控制输出端还包括第二均衡控制输出端；
17.所述第二均衡控制开关包括第五子开关和第六子开关；所述第五子开关电连接于所述主动均衡电路的正极输出端和所述第一均衡母线之间；所述第六子开关电连接于所述主动均衡电路的负极输出端和所述第二均衡母线之间；所述第五子开关的控制端和所述第六子开关的控制端均与所述第二均衡控制输出端电连接。
18.可选的，所述主动均衡电路包括隔离开关电源。
19.可选的，所述被动均衡电路包括至少一个均衡电阻；各所述均衡电阻电连接于所述第三子开关和所述第四子开关的输入端之间。
20.可选的，所述被动均衡电路包括多个均衡电阻和与各均衡电阻一一对应设置的阻值调节开关；所述控制器的均衡控制输出端还包括第三均衡控制输出端；
21.各所述均衡电阻通过所述阻值调节开关并联连接；且各所述阻值调节开关的控制端与所述第三均衡控制输出端电连接。
22.可选的，所述半主动均衡电路，还包括电压采样芯片；
23.所述电压采样芯片包括与各所述单体电池一一对应设置的采样端；所述电压采样芯片通过各采样端分别与各所述单体电池电连接；
24.所述电压采样芯片还与所述控制器通信连接。
25.根据本实用新型的另一方面，提供了一种电池管理系统，包括上述的半主动均衡电路。
26.本实用新型实施例提供的半主动均衡电路，设置了多路选择开关，使得多路选择开关包括与各单体电池一一对应的控制开关，使各单体电池的两端通过各自对应的控制开关与第一均衡母线和第二均衡母线电连接，并且设置了均衡电路的两个输出端分别与第一均衡母线和第二均衡母线电连接，通过控制器控制均衡电路启动以及控制开关的导通或断开，以实现对电池组中的各单体电池的电量的均衡；另外设置了采集电路以用于采集第一均衡母线和第二均衡母线上的电压信号，使控制器能够在开启均衡控制之前，根据采集电路采集的信号确定多路选择开关中是否存在子开关处于导通状态，并在确定多路选择开关中存在子开关处于导通状态时不进行均衡控制，以避免出现单体电池被短接的情况，避免单体电池出现爆炸危险，并且在确定多路选择开关中各子开关处于断开状态时进行均衡控制，以保证能够对电池组中的所有单体电池进行充分的充电或放电，使得电池组能够满足实际使用需求。
27.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变
得容易理解。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本实用新型实施例提供的一种半主动均衡电路的结构示意图；
30.图2是本实用新型实施例提供的另一种半主动均衡电路的结构示意图；
31.图3是本实用新型实施例提供的又一种半主动均衡电路的结构示意图；
32.图4是本实用新型实施例提供的又一种半主动均衡电路的结构示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。
34.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
35.图1是本实用新型实施例提供的一种半主动均衡电路的结构示意图，如图1所示，该半主动均衡电路包括控制器10、均衡电路20、第一均衡母线l1、第二均衡母线l2、采集电路30和多路选择开关40；控制器10包括信号采样端ain、均衡控制输出端bo和开关控制端co；采集电路30的第一输入端与第一均衡母线l1电连接，采集电路30的第二输入端与第二均衡母线l2电连接，采集电路的输出端与信号采样端ain电连接；均衡电路20的控制端与均衡控制输出端bo电连接，均衡电路20的第一输出端与第一均衡母线l1电连接，均衡电路20的第二输出端与第二均衡母线l2电连接；多路选择开关40包括多个与各单体电池e0一一对应设置的控制开关41、与多个控制开关41一一对应的开关选择输入端din、以及与多个控制开关一一对应的开关选择输出端do；各开关选择输入端din与开关控制端co电连接，各开关选择输出端do分别与对应的控制开关41的控制端电连接；各控制开关41包括第一子开关411和第二子开关412，第一子开关411电连接于与其对应的单体电池e0的正极端和第一均衡母线l1之间，第二子开关412电连接于与其对应的单体电池e0的负极端和第二均衡母线l2之间。
36.具体的，通常对电池组00中的各单体电池e0同时充电或放电，由于单体电池e0之
间的差异，使得各单体电池e0的充电速率或电量不均匀，导致对电池组00中的各单体电池e0充电或放电时，在同一时间各单体电池e0的电量差异较大；例如在充电过程中，某个单体电池e0相较于其他的单体电池e0电量明显较高，则该电量较高的单体电池e0将首先充电至第一预设电量(例如总电量的90％)而停止充电，而其他单体电池e0却在远没有达到第一预设电量的情况下也停止充电，如此造成了各单体电池e0充电不均衡的情况；或者，在放电过程中，某个单体电池e0相较于其他的单体电池e0电量明显较低，则该电量较高的单体电池e0将首先放电至第二预设电量(例如总电量的10％)而停止放电，而其他单体电池e0却在远没有达到第二预设电量的情况下也停止了放电，也造成了各单体电池e0充电不均衡的情况；充电过程中的不均衡以及放电过程中的不均衡不仅影响整个电池组00的总电量，影响电池组00的续航时长，还会影响电池组00的使用寿命，因此可以通过均衡电路在充电过程中或在放电过程中对各单体电池e0的电量进行均衡。
37.示例性的，控制器10可以在充电过程中实时或周期性的获取各单体电池e0的电量或电压值，并判断其中的最大电压值和最小电压值的差值是否大于预设值，以充电过程为例，若确定最大电压值和最小电压值的差值大于预设值，则通过均衡控制输出端bo控制均衡电路20启动，并通过开关控制端co输出开关选择信号，控制多路选择开关40中与电压值最大的单体电池e0对应的控制开关41导通，使均衡电路20对电压值最大的单体电池e0放电，使其电量与其他单体电池e0的电量的差值减小，以保证能够对电池组00中的所有单体电池e0进行充分的充电；或者，在放电过程中，若确定最大电压值和最小电压值的差值大于预设值，则均衡控制输出端bo控制均衡电路20启动，并控制多路选择开关40中与电压值最小的单体电池e0对应的控制开关41导通，使均衡电路20对最小电压值所对应的单体电池e0充电，使其电量与其他单体电池e0的电量的差值减小，以保证能够对电池组00中的所有单体电池e0进行充分的放电。示例性的，控制器10可与电池组00中的各单体电池e0通信连接以获取各单体电池e0的电压。
38.其中，在每次均衡完成后还需使控制开关41断开，但控制开关41中的子开关可能由于粘连原因未能及时断开，此时若要控制其他控制开关41导通，将会使导通的控制开关所对应的单体电池41短接，有爆炸风险，即同一时间只能有一个单体电池e0所对应的控制开关41处于导通状态，因此在每次控制多路选择开关40中的某个控制开关41导通前，即每次启动均衡电路前，还要确定其他的控制开关41中的第一子开关411和第二子开关512是否均是断开状态；基于此，设置了采集电路30，将采集电路30的第一输入端和第二输入端分别与第一均衡母线l1和第二均衡母线l2电连接，并将采集电路30的输出端与控制器10的信号采样端ain电连接，则采集电路30可对第一均衡母线l1和第二均衡母线l2上的电压信号进行采样并将该电压信号输出至控制器10的信号采样端ain，若控制器10根据接收的采样信号确定第一均衡母线l1和/或第二均衡母线l2上的电压值大于0，则确定此时存在控制开关41处于导通状态，不能控制均衡电路20启动，以避免单体电池e0之间短接，发生爆炸危险；而当控制器10根据接收的采样信号确定第一均衡母线l1和第二均衡母线l2上的电压值均为0，则确定此时多路选择开关40中的各控制开关41均处于断开状态，可以控制均衡电路20启动，以对各单体电池e0的电量进行均衡，以保证能够对电池组00中的所有单体电池e0进行充分的充电或放电。
39.本实用新型实施例提供的半主动均衡电路，设置了多路选择开关，使得多路选择
开关包括与各单体电池一一对应的控制开关，使各单体电池的两端通过各自对应的控制开关与第一均衡母线和第二均衡母线电连接，并且设置了均衡电路的两个输出端分别与第一均衡母线和第二均衡母线电连接，通过控制器控制均衡电路启动以及控制开关的导通或断开，以实现对电池组中的各单体电池的电量的均衡；另外设置了采集电路以用于采集第一均衡母线和第二均衡母线上的电压信号，使控制器能够在开启均衡控制之前，根据采集电路采集的信号确定多路选择开关中是否存在子开关处于导通状态，并在确定多路选择开关中存在子开关处于导通状态时不进行均衡控制，以避免出现单体电池被短接的情况，避免单体电池出现爆炸危险，并且在确定多路选择开关中各子开关处于断开状态时进行均衡控制，以保证能够对电池组中的所有单体电池进行充分的充电或放电，使得电池组能够满足实际使用需求。
40.可选的，图2是本实用新型实施例提供的另一种半主动均衡电路的结构示意图，如图2所示，采集电路30包括第一采样电阻r1和第二采样电阻r2；信号采样端ain包括第一信号采样端ain1和第二信号采样端ain2；第一采样电阻r1的电连接于第一信号采样端ain1和第一均衡母线l1之间；第二采样电阻r2电连接于第二信号采样端ain2和第二均衡母线l2之间。
41.具体的，可以设置第一采样电阻r1以用于采集第一均衡母线l1上的电信号，设置第二采样电阻r2以用于采集第二均衡母线l2上的电信号；当存在某个单体电池e0所连接的第一子开关411处于粘连或导通状态时，该单体电池e0的电压信号将通过导通的第一子开关411传输至第一均衡母线l1，进而传输至第一采样电阻r1，从而第一采样电阻r1采集第一均衡母线l1上的电压信号并将该信号传输至控制器10第一信号采样端ain1；同样的，当存在某个单体电池e0所连接的第二子开关412处于粘连或导通状态时，该单体电池e0的电压信号将通过导通的第二子开关412传输至第二均衡母线l2，进而传输至第二采样电阻r2，从而第二采样电阻r2采集第二均衡母线l2上的电压信号并将该信号传输至控制器10第二信号采样端ain2；若第一信号采样端ain1和第二信号采样端ain2中任意一个接收的电压信号大于0，则控制器10不对电池组00中的各单体电池e0进行均衡控制，避免短接单体电池e0造成爆炸危险，若第一信号采样端ain1和第二信号采样端ain2中接收的电压信号均小于0，则控制器10可以对电池组中的各单体电池e0进行均衡控制，保证能够对电池组00中的所有单体电池进行充分的充电或放电。其中，第一采样电阻r1和第二采样电阻r2与控制器10连接的一端还接地。
42.可选的，参考图2，均衡电路20包括主动均衡电路21、被动均衡电路22和第一均衡控制开关23；控制器10的均衡控制输出端bo包括使能输出端bo1和第一均衡控制输出端bo2；主动均衡电路21的使能端与使能输出端bo1电连接，主动均衡电路21的正极输出端与第一均衡母线l1电连接，主动均衡电路21的负极输出端与第二均衡母线l2电连接；第一均衡控制开关23包括第三子开关231和第四子开关232；被动均衡电路22电连接于第三子开关231的输入端和第四子开关232的输入端之间；第三子开关231的输出端与第一均衡母线l1电连接，第四子开关232的输出端与第二均衡母线l2电连接，第三子开关231的控制端和第四子开关232的控制端均与第一均衡控制输出端bo2电连接。
43.具体的，可以分别针对充电过程中的均衡控制设置主动均衡电路21，以及针对被电过程中的均衡控制设置被动均衡电路22；如此，在充电过程中，控制器10确定电池组00中
的各单体电池的最大电压与最小电压差值过大时，能够通过第一均衡控制输出端bo2输出第一均衡控制信号，以控制第一均衡控制开关23中的第三子开关231和第四子开关232均导通，并控制电压值最大的单体电池e0所连接的控制开关411中的第一子开关411和第二子开关412均导通，使得电压值最大的单体电池能够通过被动均衡电路22放电，从而实现对电池组00中各单体电池e0的电量的均衡；而在放电过程中，控制器10确定电池组00中的各单体电池的最大电压与最小电压差值过大时，能够通过使能输出端bo1输出使能信号，以使主动均衡电路21启动运行，并控制电压值最小的单体电池e0所连接的控制开关411中的第一子开关411和第二子开关412均导通，使得电压值最小的单体电池能够通过主动均衡电路21充电，从而实现对电池组00中各单体电池e0的电量的均衡。
44.示例性的，参考图2，主动均衡电路21可以包括隔离开关电源211，隔离开关电源211的使能端与控制器10的使能输出端bo1电连接，隔离开关电源211的正极输出端与第一均衡母线l1电连接，隔离开关电源211的负极输出端与第二均衡母线l2电连接。如此，当隔离开关电源211接收到使能信号时，可以通过正极输出端向第一均衡母线l1输出正电压信号，通过负极输出端向第二均衡母线l2输出负电压信号，能够在放电过程中对电压最小的单体电池e0进行充电。
45.可选的，图3是本实用新型实施例提供的又一种半主动均衡电路的结构示意图，如图3所示，均衡电路20还包括第二均衡控制开关24；控制器10的均衡控制输出端bo还包括第二均衡控制输出端bo3；第二均衡控制开关24包括第五子开关241和第六子开关242；第五子开关241电连接于主动均衡电路21的正极输出端和第一均衡母线l1之间；第六子开关242电连接于主动均衡电路21的负极输出端和第二均衡母线l2之间；第五子开关241的控制端和第六子开关242的控制端均与第二均衡控制输出端bo3电连接。
46.具体的，为了更便利的控制主动均衡电路21与电池组00之间的电连接，可以另外设置第二均衡控制开关24电连接于主动均衡电路21与均衡母线之间，其中第二均衡控制开关24可以包括第五子开关241和第六子开关242，如此，可以使隔离开关电源211的正极端通过第五子开关241与第一均衡母线l1电连接，负极端通过第六子开关242与第二均衡母线l2电连接，在放电过程中电压最小的单体电池e0进行充电时，控制器10除了向隔离开关电源211的使能端输出使能信号以及控制电压最小的单体电池e0连接控制开关41导通以外，还向第五子开关241的控制端和第六子开关242的控制端输出控制信号以控制第五子开关241和第六子开关242闭合；并且在停止均衡控制时，控制第五子开关241和第六子开关242断开，以及使控制开关41断开，以保证隔离开关电源211与各单体电池e0之间均断开电连接，能够避免隔离开关电源211异常输出而导致持续为单体电池e0充电的情况，此外，在下一次需要使用主动均衡电路21为电压最小的单体电池充电时，对于主动均衡电路的启动只需控制第五子开关241和第六子开关242导通即可，能够简化控制过程。
47.可选的，参考图2或图3，被动均衡电路22包括至少一个均衡电阻r0；各均衡电阻r0电连接于第三子开关231和第四子开关232的输入端之间。
48.具体的，可以设置被动均衡电路22包括至少一个均衡电阻r0，当仅包括一个均衡电阻r0时，该均衡电阻r0可以直接电连接于第三子开关231和第四子开关232的输入端之间，当包括多个均衡电阻r0时，各均衡电阻r0可以串联连接或并联连接于第三子开关231和第四子开关232的输入端之间；如此，在充电过程中需要对电压较大的单体电池e0进行放电
时，可以控制第三子开关231和第四子开关232均导通，以及控制电压较大的单体电池e0所连接的第一子开关411和第二子开关412导通，使得该电压较大的单体电池e0能够通过均衡电阻r0进行放电，从而实现了对电池组00中各单体电池e0的电量的均衡。
49.可选的，图4是本实用新型实施例提供的又一种半主动均衡电路的结构示意图，如图4所示，被动均衡电路22包括多个均衡电阻r0和与各均衡电阻r0一一对应设置的阻值调节开关ka；控制器10的均衡控制输出端bo还包括第三均衡控制输出端bo4；各均衡电阻r0通过阻值调节开关ka并联连接；且各阻值调节开关ka的控制端与第三均衡控制输出端bo4电连接。
50.具体的，当被动均衡电路22包括多个均衡电阻r0时，还可以设置于多个均衡电阻r0一一对应的阻值调节开关ka，以通过阻值调节开关ka调节被动均衡电路22的阻值，从而调节对单体电池e0的放电速率。其中，阻值调节开关ka可以包括第七子开关ka1和第八子开关ka2，当各均衡电阻r0通过阻值调节开关ka并联连接时，相邻的两个均衡电阻r0的两端分别通过第七子开关ka1和第八子开关ka2电连接，控制器10可以通过控制各阻值调节开关ka的导通或断开实现对并联连接的均衡电阻r0的个数，进而调节电连接至第一均衡母线l1和第二均衡母线l2的被动均衡电路22阻值。
51.需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，各均衡电阻r0还可以通过阻值调节开关ka串联连接，原理与上述并联连接的原理类似，在此不再赘述。
52.本实用新型实施例设置主动均衡电路包括隔离开关电源，设置被动电路包括均衡电阻，相较于现有技术采用双向dcdc隔离电源的方式成本较低，并且电路实现较为简单且稳定可靠，能够有效实现充电过程的均衡控制和放电过程的均衡控制。
53.可选的，参考图4，半主动均衡电路，还包括电压采样芯片50；电压采样芯片50包括与各单体电池e0一一对应设置的采样端；电压采样芯片e0通过各采样端分别与各单体电池e0电连接；电压采样芯片50还与控制器10通信连接。
54.具体的，为了能够更为准确地检测各单体电池e0的电压，还可以另外设置电压采样芯片50采集电池组中各单体电压e0的电压，并将采集的各电压值发送至控制器10，以使得控制器10能够根据接收的各单体电压e0的电压值确定是否开启均衡控制。
55.基于同一发明构思，本实用新型实施例还提供一种电池管理系统(bms)，包括本实用新型任一实施例提供的半主动均衡电路，因此包括本实用新型任一实施例提供的半主动均衡电路的技术特征，能够达到本实用新型任一实施例提供的半主动均衡电路的有益效果，相同之处可参照上述对本实用新型实施例提供的半主动均衡电路的描述，在此不再赘述。
56.上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。