电池均衡电路的故障检测方法和电池均衡电路与流程

1.本发明涉及电力电子领域，更具体的说，涉及一种电池均衡电路的故障检测方法和电池均衡电路。


背景技术：

2.随着新能源产品的广泛应用，电动汽车成为未来汽车市场的主流领域。在电动汽车中，需要利用多个电池串联耦接组成的电池组进行供电，因此，用于对所述电池组内的电池电量进行检测和管理的电池管理系统(即bms)担任着重要的角色。电池管理系统中的模拟前端(即afe)用于对电池电压、电流和温度进行监控、保护和均衡等。针对电池组内不同的电池的电量不同的问题，利用电池管理系统中的电池均衡电路对各个电池进行电量平衡，从而可以更大限度的提高电池组的容量，确保电池组中的能量能够尽可能多的利用，以提高电池寿命。为了满足汽车产品iso26262规范中对功能安全的要求，需要在设计中进行安全失效分析并加入故障诊断机制。对于每一个均衡通道来说，当均衡电阻或均衡开关故障时，会造成该均衡通道不能正常的进行均衡，从而影响均衡效果。
3.现有技术中，在每个均衡通道配备独立的下拉电流源，当某个均衡通道需要进行诊断时，打开所述下拉电流源，并对均衡开关两端的电压进行模数转换(即adc)测定。但现有技术只能诊断均衡电阻开路的情况，并不能覆盖到整个均衡导通中所有的故障情况，在实际应用中具有局限性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种电池均衡电路的故障检测方法，以解决现有技术中只能诊断均衡电阻开路的情况，不能覆盖到所有的故障情况的技术问题。
5.本发明实施例提供了一种电池均衡电路的故障检测方法，所述电池均衡电路用于对多个串联耦接的单体电池进行电压均衡，包括和多个单体电池一一对应的多个电池均衡模块，每个电池均衡模块包括第一端口、第二端口、第一均衡电阻、第二均衡电阻、均衡开关以及第一电容，以对对应的单体电池进行电压均衡，所述单体电池的正极通过所述第一均衡电阻耦接到所述第一端口，负极通过所述第二均衡电阻耦接到所述第二端口，所述均衡开关和所述第一电容均耦接在第一端口和第二端口之间；所述故障检测方法包括：
6.控制所述均衡开关关断，获取所述第一端口和所述第二端口之间的第一电压；控制所述均衡开关导通，获取所述第一端口和所述第二端口之间的第二电压；仅根据第一电压和第二电压，判断所述电池均衡模块是否发生故障。
7.在一个实施例中，当检测到所述第一电压接近所述单体电池的电压，且所述第二电压接近零时，判断所述第一均衡电阻或/和所述第二均衡电阻开路。
8.在一个实施例中，当检测到所述第一电压接近所述单体电池的电压，且所述第二电压接近第三电压时，判断所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻中之一短路，其中，当控制所述均衡开关导通时，所述均衡开关的导通电阻与所述第一均衡电阻和所述第二均衡电
阻中的另外一个对所述单体电池的电压进行分压，所述第三电压被配置为所述均衡开关的导通压降。
9.在一个实施例中，当检测到所述第一电压和所述第二电压接近时，判断所述均衡开关发生故障。
10.在一个实施例中，当检测到所述第一电压和所述第二电压均接近所述单体电池的电压时，判断所述均衡开关开路。
11.在一个实施例中，当检测到所述第一电压和所述第二电压均接近零时，判断所述均衡开关短路。
12.在一个实施例中，当检测到所述第一电压和所述第二电压均接近第四电压时，判断所述均衡开关故障常开；其中，当控制所述均衡开关关断和导通时，所述均衡开关的导通电阻、所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻对所述单体电池的电压进行分压，所述第四电压被配置为所述均衡开关的导通压降。
13.在一个实施例中，当检测到所述第一电压接近所述单体电池的电压，且所述第二电压接近第四电压时，判断所述电池均衡模块未发生故障；其中，当控制所述均衡开关导通时，所述均衡开关的导通电阻、所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻对所述单体电池的电压进行分压，所述第四电压被配置为所述均衡开关的导通压降。
14.本发明实施例还提供了一种电池均衡电路，用于对多个串联耦接的单体电池进行电压均衡，包括：和多个单体电池一一对应的多个电池均衡模块，针对每个电池均衡模块：所述电池均衡模块包括：第一端口、第二端口、第一均衡电阻、第二均衡电阻、均衡开关以及第一电容，以对对应的单体电池进行电压均衡，所述单体电池的正极通过所述第一均衡电阻耦接到所述第一端口，负极通过所述第二均衡电阻耦接到所述第二端口，所述均衡开关和所述第一电容均耦接在所述第一端口和所述第二端口之间；前一个电池均衡模块的第一端口共用为后一个电池均衡模块的第二端口，前一个电池均衡模块的第一均衡电阻共用为后一个电池均衡模块的第二均衡电阻，并利用以上任意一项所述的故障检测方法判断所述电池均衡电路是否发生故障。
15.与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在本发明中，当需要检测某个电池均衡模块是否发生故障时，控制均衡开关关断或者导通，分别在均衡开启前后，检测所述电池均衡模块第一端口和第二端口之间的电压，以判断所述电池均衡模块是否发生故障，以及发生何种故障。本发明中提出的故障检测方法仅根据均衡开启前后的第一电压和第二电压，可以准确诊断出均衡通道的故障位置和类型。本发明利用电池管理系统中的电池均衡电路进行故障检测，省去了现有技术中每个电池均衡模块配备的独立电流源，提高了电路的功率密度，节省了芯片的面积，降低了成本，并且可以检测出芯片外部均衡电阻开路、短路以及芯片内部均衡开关的开路、短路和故障常开共五种常见故障，相比现有技术只能检测均衡电阻开路的方案，具有明显的优势。
附图说明
16.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
17.图1为本发明电池均衡电路的实施例的电路示意图；
18.图2为本发明电池均衡模块的实施例的电路示意图；
19.图3为本发明电池均衡模块中均衡电阻开路的实施例的电路示意图；
20.图4为本发明电池均衡模块中均衡电阻短路的实施例的电路示意图；
21.图5为本发明电池均衡模块中均衡开关开路的实施例的电路示意图；
22.图6为本发明电池均衡模块中均衡开关短路的实施例的电路示意图；
23.图7为本发明电池均衡模块中均衡开关故障常开的实施例的电路示意图；
具体实施方式
24.以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
25.此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
26.同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
27.除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.图1为本发明电池均衡电路实施例的电路示意图；所述电池均衡电路包括n个电池均衡模块，以分别对第一电池组中对应的单体电池进行电压均衡，所述第一电池组包括n个依次串联耦接的单体电池bat1～batn。第一个电池均衡模块包括：第一端口b1、第二端口b0、第一均衡电阻rb1、第二均衡电阻rb0、均衡开关fet1和第一电容cb1，用于对单体电池bat1的电量进行均衡，所述单体电池bat1的正极通过第一均衡电阻rb1耦接到所述第一端口b1，负极通过第二均衡电阻rb0耦接到所述第二端口b0，所述均衡开关fet1和所述第一电容cb1均耦接在第一端口b1和第二端口b0之间。第二个电池均衡模块包括：第一端口b2、第二端口b1、第一均衡电阻rb2、第二均衡电阻rb1、均衡开关fet2和第一电容cb2，用于对单体电池bat2的电量进行均衡，所述单体电池bat2的正极通过第一均衡电阻rb2耦接到所述第一端口b2，负极通过第二均衡电阻rb1耦接到所述第二端口b1，所述均衡开关fet2和所述第一电容cb2均耦接在第一端口b2和第二端口b1之间。即：第一个电池均衡模块的第一端口b1共用为第二个电池均衡模块的第二端口，第一个均衡通道的第一均衡电阻rb1共用为第二个电池均衡模块的第二均衡电阻。第三个电池均衡模块包括：第一端口b3、第二端口b2、第一均衡电阻rb3、第二均衡电阻rb2、均衡开关fet3和第一电容cb3，用于对单体电池bat3的
电量进行均衡，所述单体电池bat3的正极通过第一均衡电阻rb3耦接到所述第一端口b3，负极通过第二均衡电阻rb2耦接到所述第二端口b2，所述均衡开关fet3和所述第一电容cb3均耦接在第一端口b3和第二端口b2之间。即：第二个电池均衡模块的第一端口b2共用为第三个电池均衡模块的第二端口，第二个均衡通道的第一均衡电阻rb2共用为第三个电池均衡模块的第二均衡电阻。所述第n个电池均衡模块包括：第一端口bn、第二端口b(n-1)、第一均衡电阻rbn、第二均衡电阻rb(n-1)、均衡开关fetn和第一电容cbn，用于对单体电池batn的电量进行均衡，所述单体电池batn的正极通过第一均衡电阻rbn耦接到所述第一端口bn，负极通过第二均衡电阻rb(n-1)耦接到所述第二端口b(n-1)，所述均衡开关fetn和所述第一电容cbn均耦接在第一端口bn和第二端口b(n-1)之间。
30.从而如图2所示，对于第i个电池均衡模块包括第一端口bi、第二端口b(i-1)、第一均衡电阻rbi、第二均衡电阻rb(i-1)、均衡开关feti和第一电容cbi，用于对单体电池bati的电量进行均衡，所述单体电池bati的正极通过第一均衡电阻rbi耦接到所述第一端口bi，负极通过第二均衡电阻rb(i-1)耦接到所述第二端口b(i-1)，所述均衡开关feti和所述第一电容ci均耦接在第一端口bi和第二端口b(i-1)之间，其中i＝1～n。并且，第i个电池均衡模块的第一端口bi共用为第i 1个电池均衡模块的第二端口，第i个电池均衡模块的第一均衡电阻rbi共用为第i 1个均衡通道的第二均衡电阻。即前一个电池均衡模块的第一端口共用为后一个电池均衡模块的第二端口，前一个电池均衡模块的第一均衡电阻共用为后一个电池均衡模块的第二均衡电阻。这里的“前”和“后”是相对的，在本实施例中，以两个相邻的电池中正极电压更高的电池对应的电池均衡模块为“后一个”，另外一个为“前一个”，特此进行说明。
31.在本实施例中，所述直线l的右侧为afe芯片内，所述直线l的左侧为afe芯片外，从而所述均衡电阻rb0～rbn在afe芯片外，所述均衡开关fet1～fetn在afe芯片内，所述第一电容cb1～cbn在afe芯片外。所述直线l上的端口b0～bn为芯片的均衡引脚。所述afe芯片还通过所述直线l上的采样引脚c0～cn分别监视单体电池bat1～batn的电压。
32.在本实施例中，当检测到单体电池bati的电压较大(例如大于其余电池的电压)时，导通相应的均衡开关feti，以泄放掉单体电池bati中多余的电量，从而进行了电池均衡。这个过程可以由afe芯片中的控制模块或者由主机进行控制，本发明对此不进行限制。
33.利用图2中的第i个电池均衡模块来说明如何检测每个电池均衡模块是否发生故障。当需要检测第i个电池均衡模块是否发生故障时，控制所述均衡开关feti关断或者导通，分别在均衡开启前后，检测第i个电池均衡模块第一端口bi和第二端口b(i-1)之间的电压，以判断第i个电池均衡模块是否发生故障，以及发生何种故障。
34.具体的，控制所述均衡开关feti关断，获取所述第一端口bi和所述第二端口b(i-1)之间的第一电压；控制所述均衡开关feti导通，获取所述第一端口bi和所述第二端口b(i-1)之间的第二电压；仅根据第一电压和第二电压，判断所述电池均衡模块是否发生故障。需要说明的是，这里控制衡开关feti关断或者导通均，指的是给了给了均衡开关feti关断控制信号或者导通控制信号，但实际中均衡开关feti是否导通或者关断，还要取决于均衡开关feti是否发生了故障。
35.在图2中，第i个电池均衡模块未发生故障时，在均衡开启前，即控制所述均衡开关feti关断时，第一电压等于单体电池bati的电压vbati，若每节单体电池的电压均为vo，则
第一电压等于vo；在均衡开启后，即控制所述均衡开关feti导通时，所述均衡开关feti的导通电阻rdson、所述第一均衡电阻rbi和所述第二均衡电阻rb(i-1)对所述单体电池bati的电压vbati进行分压，此时，所述第二电压等于所述均衡开关feti的导通压降，即为vbati*rdson/(rdson rb(i-1) rbi)，若每节单体电池的电压均为vo，且所有均衡电阻的阻值均为ro，则第二电压等于vo*rdson/(rdson 2ro)。
36.如图3所示，针对第i个电池均衡模块，当第一均衡电阻rbi开路时，
37.在均衡开启前，即控制所述均衡开关feti关断时，虽然第一端口bi脱离了电池bati的钳位，但第一电容cbi和第一电容cb(i 1)会均分电池bat(i 1)的电压vbat(i 1)和电池bati的电压vbati之和，从而，此时第一电压等于第一电容cbi两端的电压，为(vbat(i 1) vbati)/2，若每节电池的电压均为vo，则第一电压等于vo；
38.在均衡开启后，即控制所述均衡开关feti导通时，第一电容cbi被放电，第二电压等于第一电容cbi两端的电压，从而第二电压等于0v。
39.图3中仅给出了第一均衡电阻rbi的开路时的分析过程，第二均衡电阻rb(i-1)开路时的检测以及第一均衡电阻rbi和第二均衡电阻rb(i-1)均开路时的检测均和第一均衡电阻rbi开路时的检测类似，在此不进行赘述。
40.如图4所示，针对第i个电池均衡模块，当第一均衡电阻rbi短路时，
41.在均衡开启前，即控制所述均衡开关feti关断时，由于第i个电池均衡模块是完整的，第一端口bi和第二端口b(i-1)被电池bati钳位，从而此时第一电压等于电池bati的电压vbati，若每节电池的电压均为vo，则第一电压等于vo；
42.在均衡开启后，即控制所述均衡开关feti导通时，所述均衡开关feti的导通电阻rdson与所述第二均衡电阻rb(i-1)对所述单体电池bati的电压vbati进行分压，所述第二电压为所述均衡开关feti的导通压降，即为vbati*rdson/(rdson rb(i-1))，若每节电池的电压均为vo，且所有均衡电阻的阻值均为ro，则第二电压为vo*rdson/(rdson ro)。
43.图4中仅给出了第一均衡电阻rbi的短路时的分析过程，第二均衡电阻rb(i-1)短路时的检测和第一均衡电阻rbi短路时的检测类似，在此不进行赘述。
44.如图5所示，针对第i个电池均衡模块，当均衡开关feti开路时，控制所述均衡开关feti关断或者导通，均衡开关feti一直关断，从而是否开启均衡并不影响第一电压和第二电压的值，第一端口bi和第二端口b(i-1)被电池bati钳位，第一电压和第二电压在均衡开启前后均等于电池bati的电压vbati，若每节电池的电压均为vo，则第一电压和第二电压等于vo。
45.如图6所示，针对第i个电池均衡模块，当均衡开关feti短路时，控制所述均衡开关feti关断或者导通，均衡开关feti一直类似一根导线，通过其的压降可以忽略不计，从而是否开启均衡并不影响第一电压和第二电压的值，第一电压和第二电压在均衡开启前后均等于0v。
46.如图7所示，针对第i个电池均衡模块，当均衡开关feti故障常开时，控制所述均衡开关feti关断或者导通，均衡开关feti一直导通，从而是否开启均衡并不影响第一电压和第二电压的值，当控制所述均衡开关feti关断和导通时，所述均衡开关feti的导通电阻rdson、所述第一均衡电阻rbi和所述第二均衡电阻rb(i-1)对所述单体电池bati的电压vbati进行分压，所述第一电压和第二电压均等于所述均衡开关的导通压降，即为vbati*
rdson/(rdson rb(i-1) rbi)，若每节电池的电压均为vo，且每个均衡电阻的阻值均为ro，则第二电压为vo*rdson/(rdson 2ro)。
47.综上，可以得到：当检测到第一电压接近vo，且第二电压接近vo*rdson/(rdson 2ro)，则判断第i个电池均衡模块未发生故障，正常工作；
48.当检测到第一电压接近vo，且第二电压接近0v，则判断第一均衡电阻rbi或/和第二均衡电阻rb(i-1)开路；
49.当检测到第一电压接近vo，且第二电压接近vo*rdson/(rdson ro)，则判断第一均衡电阻rbi或第二均衡电阻rb(i-1)短路；
50.当检测到第一电压和第二电压接近时，则判断均衡开关feti发生故障；具体的：
51.当检测到第一电压接近vo，且第二电压接近vo，则判断均衡开关feti开路；
52.当检测到第一电压接近0v，第二电压接近0v，则判断均衡开关feti短路；
53.当检测到第一电压接近vo*rdson/(rdson 2ro)，第二电压接近vo*rdson/(rdson 2ro)时，则均衡开关feti故障常开。
54.本发明所述的a和b接近，指的是a和b在一定的误差范围内相等，例如a-b《0.02，和仪器的精度之类有一定的关系，本发明对误差的范围不进行限制，特此进行说明。
55.在实际应用中，当需要检测第i个电池均衡模块是否发生故障时，主机或者afe芯片中的控制模块分别读取均衡开启前后第i个电池均衡模块中第一端口和第二端口之间的电压，直接根据并仅根据均衡开启前后第i个电池均衡模块中第一端口和第二端口之间的电压，快速准确地判定故障类型，并进行故障干预处理。
56.虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。
57.依照本发明实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制所述发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，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利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。