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CN110994746B - 电压均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电压均衡系统，用于电池组的电压均衡控制。所述电池组至少包括相互串联连接的第一组电芯和第二组电芯，所述电压均衡系统包括与第一组电芯相连的高侧模拟前端、与第二组电芯相连的低侧模拟前端、与高侧模拟前端和低侧模拟前端进行通信的微控制器以及连接于高侧模拟前端与微控制器之间的通信隔离模块，所述电压均衡系统还包括均衡模块，所述均衡模块设于所述低侧模拟前端或高侧模拟前端的后端，以对低侧模拟前端和高侧模拟前端输出的电压进行均衡。相较于现有技术，本发明的电压均衡系统利用均衡模块对第一组电芯和第二组电芯的电压进行均衡，可以缩短两组电芯之间的电压差异。

Description

电压均衡系统
技术领域
本发明涉及一种电压均衡系统，属于电池管理领域。
背景技术
目前电池包行业，为了实现高压通常会串联多节电芯，但是模拟前端（AFE）管理的电芯数是有限的，所以会使用2个甚至多个AFE来分别管理。当使用2个独立的AFE对电芯进行监控时，高端AFE因为与MCU存在电势差，需要使用隔离芯片与MCU进行通讯。
如图1所示，目前市场上普通的隔离芯片需要两路独立的隔离电源（VCC1，VCC2）分别对隔离芯片供电，这两路独立电源分别由2个模拟前端（U1，U2）提供，因为隔离电源VCC1和VCC2的功耗并不一致，这就造成整个电池组在经过一段时间的使用后，BAT1~BAT（n）和BAT（n+1）~BAT（2n）这两组电芯的电压会逐渐产生差异，这对于整个电池组的循环使用是十分不利的。
有鉴于此，确有必要提供一种均衡系统来均衡两组电芯之间的电压差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压均衡系统，来解决两组电芯之间的电压不均衡问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电压均衡系统，用于电池组的电压均衡控制，所述电池组至少包括相互串联连接的第一组电芯和第二组电芯，所述电压均衡系统包括与第一组电芯相连的高侧模拟前端、与第二组电芯相连的低侧模拟前端、与高侧模拟前端和低侧模拟前端进行通信的微控制器以及连接于高侧模拟前端与微控制器之间的通信隔离模块，所述电压均衡系统还包括均衡模块，所述均衡模块设于所述低侧模拟前端或高侧模拟前端的后端，以对低侧模拟前端和高侧模拟前端输出的电压进行均衡。
作为本发明的进一步改进，定义所述高侧模拟前端输出的电压为第一电压、所述低侧模拟前端输出的电压为第二电压，当第一电压与第二电压之间的电压差为定值时，所述均衡模块为与所述高侧模拟前端或低侧模拟前端相连的定值均衡电阻。
作为本发明的进一步改进，定义所述高侧模拟前端的工作电流为第一电流、低侧模拟前端的工作电流为第二电流，且第一电流和第二电流在对应模拟前端正常工作电压范围内不变，当第二电流大于第一电流时，所述定值均衡电阻与所述低侧模拟前端相连；当第一电流大于第二电流时，所述定值均衡电阻与所述高侧模拟前端相连。
作为本发明的进一步改进，当所述第二电流大于第一电流时，所述定值均衡电阻的阻值R=第二电压/(第二电流-第一电流)；当第一电流大于第二电流时，所述定值均衡电阻的阻值R=第一电压/(第一电流-第二电流)。
作为本发明的进一步改进，定义所述高侧模拟前端输出的电压为第一电压、所述低侧模拟前端输出的电压为第二电压，当第一电压与第二电压之间的电压差为不定值时，所述均衡模块与所述微控制器相连，并由均衡开关管和均衡电阻组成。
作为本发明的进一步改进，所述均衡模块包括与高侧模拟前端相连的第一均衡电路和与低侧模拟前端相连的第二均衡电路，所述第一均衡电路由第一均衡开关管和与第一均衡开关管相连的第一均衡电阻组成，所述第二均衡电路由第二均衡开关管和与第二均衡开关管相连的第二均衡电阻组成。
作为本发明的进一步改进，所述第一均衡开关管还与微控制器和高侧模拟前端的输出端相连，且所述第一均衡开关管的开启信号由所述微控制器发出；所述第二均衡开关管还与微控制器和低侧模拟前端的输出端相连，且所述第二均衡开关管的开启信号由所述微控制器发出。
作为本发明的进一步改进，所述微控制器分别收集第一组电芯和第二组电芯的电压和并进行比较，当第一组电芯的电压和大于第二组电芯的电压和时，所述微控制器控制对应的第一均衡开关管开启，所述第一均衡电路启动；当第二组电芯的电压和大于第一组电芯的电压和时，所述微控制器控制对应的第二均衡开关管开启，所述第二均衡电路启动。
作为本发明的进一步改进，所述微控制器控制对应的均衡电路在所述第一组电芯的电压和与第二组电芯的电压和之间的电压差大于100mv时启动并在第一组电芯的电压和与第二组电芯的电压和之间的电压差小于20mv时关闭。
作为本发明的进一步改进，所述电压均衡系统还包括连接于电池组和微控制器之间的低压差线性稳压器。
本发明的有益效果是：本发明的电压均衡系统通过在低侧模拟前端或高侧模拟前端的后端设置均衡模块，从而可利用该均衡模块来对第一组电芯和第二组电芯的电压进行均衡，以缩短两组电芯之间的电压差异。
附图说明
图1是现有的电池包电压管理系统示意图。
图2是本发明电压均衡系统的第一实施例结构示意图。
图3是图2中其中一种方案的结构示意图。
图4是本发明电压均衡系统的第二实施例结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
本发明揭示了一种电压均衡系统，用于对电池包内电池组的电压进行均衡控制。为了描述方便、清楚，以下将以电池组包括两组电芯为例进行详细说明，但不应以此为限。
如图2所示，所述电压均衡系统包括模拟前端（AFE）、微控制器（MCU）U3、通信隔离模块、低压差线性稳压器（Low dropout regulator，LDO）U4以及均衡模块30。所述低压差线性稳压器U4连接于电池组与微控制器U3之间。
将电池组10定义为包括第一组电芯11和第二组电芯12，且第一组电芯11与第二组电芯12相互串联连接。所述模拟前端（AFE）与所述电池组10并联设置，并包括与所述第一组电芯11并联连接的高侧模拟前端U1和与所述第二组电芯12并联连接的低侧模拟前端U2。所述高侧模拟前端U1用于对第一组电芯11的模拟电压进行采集，并传输至所述微控制器U3，所述低侧模拟前端U2用于对第二组电芯12的模拟电压进行采集，并传输至所述微控制器U3。
较佳地，所述低侧模拟前端U2与所述微控制器U3之间通过第二通信通道22进行通信，从而在微控制器U3需要对第二组电芯12中任一节电芯的模拟电压进行采集时，可利用该第二通信通道22进行指令的传输，低侧模拟前端U2在接收到这样的指令后，会迅速检测并提取出相应电芯的模拟电压值。与此同时，低侧模拟前端U2的内部集成有ADC模块，从而在所述低侧模拟前端U2检测到第二组电芯12的模拟电压值后，可直接转换成数字量并通过所述第二通信通道22发送给所述微控制器U3。
所述高侧模拟前端U1通过所述通信隔离模块与微控制器U3进行通信。具体来讲，所述通信隔离模块连接于高侧模拟前端U1与微控制器U3之间，并将高侧模拟前端U1的通信接口与微控制器U3的通信接口相连，从而实现高侧模拟前端U1与微控制器U3之间的通信。较佳地，所述高侧模拟前端U1、通信隔离模块及微控制器U3之间通过第一通信通道21进行通信，且具体的通信过程可参考低侧模拟前端U2与微控制器U3之间的通信过程，此处不再描述。
所述通信隔离模块由两路独立的隔离电源（VCC1，VCC2）进行供电，且隔离电源VCC1由高侧模拟前端U1提供、隔离电源VCC2由低侧模拟前端U2提供，所述均衡模块30设于所述低侧模拟前端U2或高侧模拟前端U1的后端，用于均衡隔离电源VCC1与隔离电源VCC2之间的电压差。
因高侧模拟前端U1是对第一组电芯11的单个电芯的电压值进行采集的，故该隔离电源VCC1也可理解为第一组电芯11的电压；而低侧模拟前端U2是对第二组电芯12的单个电芯的电压值进行采集的，故该隔离电源VCC2也可理解为第二组电芯12的电压，从而所述均衡模块30也可理解为：用于对第一组电芯11和第二组电芯12的电压进行均衡。
如图2所示，为本发明的第一实施例。在本实施例中，定义所述高侧模拟前端U1输出的电压为第一电压（即隔离电源VCC1）、所述低侧模拟前端U2输出的电压为第二电压（即隔离电源VCC2），当第一电压与第二电压之间的电压差为一个定值时，所述均衡模块30为与所述高侧模拟前端U1或低侧模拟前端U2相连的定值均衡电阻R。
结合图3所示，定义高侧模拟前端U1的工作电流为第一电流I1、低侧模拟前端U2的工作电流为第二电流I2，且第一电流I1和第二电流I2在对应模拟前端正常工作电压范围内不变。当第二电流I2大于第一电流I1时，所述定值均衡电阻R与所述低侧模拟前端U2相连，此时定值均衡电阻的阻值R=第二电压/(第二电流-第一电流)，即VCC2/（I2-I1）；而当第一电流I1大于第二电流I2时，所述定值均衡电阻R与所述高侧模拟前端U1相连，此时定值均衡电阻的阻值R=第一电压/(第一电流-第二电流)，即VCC1/（I1-I2）。如此设置，达到了让隔离电源VCC1和VCC2的运行功耗平衡的目的，进而使得高侧模拟前端U1和低侧模拟前端U2所管理的两组电芯的电压不产生差异。
如图4所示，为本发明的第二实施例。在本实施例中，定义所述高侧模拟前端U1输出的电压为第一电压（即隔离电源VCC1）、所述低侧模拟前端U2输出的电压为第二电压（即隔离电源VCC2），当第一电压与第二电压之间的电压差为一个不定值时，所述均衡模块30与所述微控制器U3相连，并由均衡开关管和均衡电阻组成。
具体来讲，所述均衡模块30包括与高侧模拟前端U1相连的第一均衡电路A和与低侧模拟前端U2相连的第二均衡电路B，所述第一均衡电路A由第一均衡开关管31和与第一均衡开关管31相连的第一均衡电阻32组成，所述第二均衡电路B由第二均衡开关管33和与第二均衡开关管33相连的第二均衡电阻34组成。
所述第一均衡开关管31还分别与微控制器U3和高侧模拟前端U1的输出端相连，且所述第一均衡开关管31的开启信号（Switch signal）由所述微控制器U3发出；所述第一均衡电阻32的一端与第一均衡开关管31相连、另一端接地；所述第二均衡开关管33还分别与微控制器U3和低侧模拟前端U2的输出端相连，且所述第二均衡开关管33的开启信号（Switch signal）也由所述微控制器U3发出；所述第二均衡电阻34的一端与第二均衡开关管33相连、另一端接地。
本实施例的均衡模块30工作时，首先，微控制器U3分别收集由高侧模拟前端U1发出的第一组电芯11的单节电芯电压数据、由低侧模拟前端U2发出的第二组电芯12的单节电芯电压数据；然后，分别计算、获得第一组电芯11电压叠加后的电压和、第二组电芯12电压叠加后的电压和，并对两组电芯的电压和进行比较；最后，当第一组电芯11的电压和大于第二组电芯12的电压和时，微控制器U3作出判断并控制对应的第一均衡开关管31开启（即发出开启信号），所述第一均衡电路A启动；当第二组电芯12的电压和大于第一组电芯11的电压和时，微控制器U3作出判断并控制对应的第二均衡开关管33开启（即发出开启信号），所述第二均衡电路B启动。如此设置，使得高侧模拟前端U1和低侧模拟前端U2所管理的两组电芯的电压差异减小。
当然，也并非是第一组电芯11的电压和必须等于第二组电芯12的电压和时，均衡模块30才不工作；本领域技术人员也可以预先设定一预设值，当两个电压和之间的电压差异超出该预设值时，微控制器U3才会控制相应的均衡电路开启，否则微控制器U3可一直控制对应的均衡电路关闭。举例来讲，微控制器U3控制对应的均衡电路（A或B）在第一组电芯11的电压和与第二组电芯12的电压和之间的电压差大于100mv时启动；直至第一组电芯11的电压和与第二组电芯12的电压和之间的电压差小于20mv时关闭。
综上所述，本发明的电压均衡系统通过在低侧模拟前端U2或高侧模拟前端U1的后端设置均衡模块30，从而可根据实际情况利用该均衡模块30来对第一组电芯11和第二组电芯12的电压进行均衡，以缩短两组电芯之间的电压差异。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电压均衡系统，用于电池组的电压均衡控制，所述电池组至少包括相互串联连接的第一组电芯和第二组电芯，所述电压均衡系统包括与第一组电芯相连的高侧模拟前端、与第二组电芯相连的低侧模拟前端、与高侧模拟前端和低侧模拟前端进行通信的微控制器以及连接于高侧模拟前端与微控制器之间的通信隔离模块，其特征在于：所述电压均衡系统还包括均衡模块，所述均衡模块设于所述低侧模拟前端或高侧模拟前端的后端，以对低侧模拟前端和高侧模拟前端输出的电压进行均衡；定义所述高侧模拟前端输出的电压为第一电压、所述低侧模拟前端输出的电压为第二电压，当第一电压与第二电压之间的电压差为定值时，所述均衡模块为与所述高侧模拟前端或低侧模拟前端相连的定值均衡电阻；且当第一电压与第二电压之间的电压差为定值时，定义所述高侧模拟前端的工作电流为第一电流、低侧模拟前端的工作电流为第二电流，且第一电流和第二电流在对应模拟前端正常工作电压范围内不变，当第二电流大于第一电流时，所述定值均衡电阻与所述低侧模拟前端相连；当第一电流大于第二电流时，所述定值均衡电阻与所述高侧模拟前端相连；当第一电压与第二电压之间的电压差为不定值时，所述均衡模块与所述微控制器相连，并由均衡开关管和均衡电阻组成。
2.根据权利要求1所述的电压均衡系统，其特征在于：当所述第二电流大于第一电流时，所述定值均衡电阻的阻值R＝第二电压/(第二电流-第一电流)；当第一电流大于第二电流时，所述定值均衡电阻的阻值R＝第一电压/(第一电流-第二电流)。
3.根据权利要求1所述的电压均衡系统，其特征在于：当第一电压与第二电压之间的电压差为不定值时，所述均衡模块包括与高侧模拟前端相连的第一均衡电路和与低侧模拟前端相连的第二均衡电路，所述第一均衡电路由第一均衡开关管和与第一均衡开关管相连的第一均衡电阻组成，所述第二均衡电路由第二均衡开关管和与第二均衡开关管相连的第二均衡电阻组成。
4.根据权利要求3所述的电压均衡系统，其特征在于：所述第一均衡开关管还与微控制器和高侧模拟前端的输出端相连，且所述第一均衡开关管的开启信号由所述微控制器发出；所述第二均衡开关管还与微控制器和低侧模拟前端的输出端相连，且所述第二均衡开关管的开启信号由所述微控制器发出。
5.根据权利要求4所述的电压均衡系统，其特征在于：所述微控制器分别收集第一组电芯和第二组电芯的电压和并进行比较，当第一组电芯的电压和大于第二组电芯的电压和时，所述微控制器控制对应的第一均衡开关管开启，所述第一均衡电路启动；当第二组电芯的电压和大于第一组电芯的电压和时，所述微控制器控制对应的第二均衡开关管开启，所述第二均衡电路启动。
6.根据权利要求5所述的电压均衡系统，其特征在于：所述微控制器控制对应的均衡电路在所述第一组电芯的电压和与第二组电芯的电压和之间的电压差大于100mv时启动并在第一组电芯的电压和与第二组电芯的电压和之间的电压差小于20mv时关闭。
7.根据权利要求1所述的电压均衡系统，其特征在于：所述电压均衡系统还包括连接于电池组和微控制器之间的低压差线性稳压器。
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