一种多串主动均衡电池管理系统的制作方法

1.本实用新型涉及电池管理技术领域，具体涉及一种多串主动均衡电池管理系统。


背景技术：

2.随着锂电池的能量密度越来越大以及储能行业快速发展，大容量电池应用越来越多。现在市面上16串锂电池在储能上的应用很多是采用延续原来铁塔后备电源的技术方案，然而储能应用循环次数多，满电状态持续时间短，电池管理系统的均衡电路介入时间过短，综合上述应用特征加上被动均衡的均衡电流非常小，一般在50ma～100ma，电池一致性会持续变差，最终出现16串电池每一串的健康状况都很好，但是整个电池组容量衰减很严重，使用寿命变短的现象。


技术实现要素：

3.本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种多串主动均衡电池管理系统，其在每个单锂电池上均设置有主动均衡模块，当监测到单电池的电压高于阈值电压时进行放电，使每个单电池均保持稳定的电压；该电池管理系统的电池一致性较好，能对电池进行实时的保护与监控，延长了电池的使用寿命。
4.本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：
5.一种多串主动均衡电池管理系统，应用于锂电池组中，所述锂电池组包括串联的多个锂电池，每一串所述锂电池上均并联设置有对应的主动均衡模块，该系统还包括主控模块与主开关模块，每一个所述主动均衡模块与所述主控模块通过总线通信连接，所有所述主动均衡模块的放电端短接后与所述主开关模块串联，所述主开关模块与所述锂电池组串联、且与所述主控模块信号连接；
6.所述主动均衡模块用于监测对应的所述锂电池的电压信号和温度信号进行上报，并根据第一控制信号对对应的锂电池进行放电；
7.所述主开关模块用于根据第二控制信号控制所述锂电池组回路的通断；
8.所述主控模块用于读取各锂电池的电压信号和温度信号，根据所述电压信号判断需要进行能量均衡的锂电池并发出第一控制信号，以及用于发出控制所述锂电池组回路通断的第二控制信号。
9.优选地，所述主动均衡模块包括均衡控制单元以及与所述均衡控制单元分别信号连接的电压监测单元、温度检测单元和dc/dc单元，
10.所述电压监测单元的输入端与所述锂电池电性连接，用于采样所述锂电池的电压信号；
11.所述温度检测单元的感温部分紧邻所述锂电池设置，用于监控所述锂电池的温度信号；
12.所述dc/dc单元的一次侧连接所述锂电池的电极、所述dc/dc单元的二次侧作为所述主动均衡模块的放电端，所述dc/dc单元的控制端与所述均衡控制单元信号连接，用于根
据所述均衡控制单元输出的控制信号控制锂电池进行放电；
13.所述均衡控制单元与所述主控模块通过rs485总线进行通信连接，将所述锂电池的电压信号、温度信号上报到所述主控模块；所述主控模块中设有锂电池的阈值电压，当采样的所述锂电池的电压信号大于所述阈值电压时，所述主控模块控制所述均衡控制单元输出放电的第一控制信号。
14.优选地，所述温度检测单元为ntc。
15.优选地，所述主开关模块包括串联的第一功率开关管以及第二功率开关管，所述第一功率开关管以及第二功率开关管可双向导通，所述第一功率开关管以及第二功率开关管的控制端分别与所述主控模块的信号输出端连接，所述第一功率开关管的一端连接所述主动均衡模块的放电端，第二功率开关管上背离所述第一功率开关管的一端连接负载。
16.优选地，所述主开关模块包括多个第一功率开关管以及多个第二功率开关管，每一个所述第一功率开关管与一个所述第二功率开关管对应串联成开关组，多个所述开关组并联在所述主动均衡模块的放电端与负载之间。
17.优选地，所述主控模块包括单片机以及分别与所述单片机信号连接的开关驱动电路、通讯电路和显示电路，
18.所述单片机用于读取所述主动均衡模块的参数并发出第一控制信号与第二控制信号；
19.所述开关驱动电路用于通过所述单片机的第二控制信号控制所述主开关模块的通断；
20.所述通讯电路用于实现所述单片机与所述主动均衡模块、以及所述单片机与外设之间的通信；
21.所述显示电路用于实时显示所述锂电池的状态。
22.优选地，所述显示电路包括电源转换电路、显示驱动电路和多个led，所述电源转换电路的输入端连接所述单片机的+5v输出、所述电源转换电路的输出端连接所述显示驱动电路的电源输入端，所述显示驱动电路的信号输入端连接所述单片机、所述显示驱动电路的信号输出端分别连接多个所述 led的阳极，所述led的阴极接地。
23.优选地，所述主控模块还包括人机交互电路，所述人机交互电路包括拨码开关，所述拨码开关一端连接所述单片机的信号输入端、其另一端接地。
24.优选地，所述主控模块还包括电流监测单元，所述电流监测单元与所述单片机信号连接，所述电流监测单元串联在所述锂电池组的回路上，用于检测所述锂电池组的实时电流并上报给所述单片机。
25.本实用新型的有益效果是：本实用新型的多串主动均衡电池管理系统，将若干个锂电池串联，在每个单锂电池上均设置有主动均衡模块，由主控模块进行统一管理；当主动均衡模块监测到单电池的电压高于阈值电压时进行放电，使每个单电池均保持稳定的电压；该电池管理系统的电池一致性较好，能对电池进行实时的保护与监控，延长了电池的使用寿命。
附图说明
26.图1为本实用新型整体结构示意图；
27.图2为本实用新型主动均衡模块结构框图；
28.图3为本实用新型主动均衡模块接线图；
29.图4为本实用新型主开关模块电路结构示意图；
30.图5为本实用新型主控模块单片机接线示意图；
31.图6为本实用新型显示驱动芯片接线图；
32.图7为本实用新型led接线示意图；
33.图8为本实用新型电源转换电路示意图；
34.图9为本实用新型人机交互电路结构示意图；
35.图10为本实用新型外设接口示意图；
36.图11为本实用新型无锁按钮接线示意图。
具体实施方式
37.以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
38.本实施例提供一种多串主动均衡电池管理系统，应用于锂电池组中。所述锂电池组包括串联的多个锂电池，每一串所述锂电池上均并联设置有对应的主动均衡模块。理论上来讲，该电池管理系统适用于任意多串锂电池串联的情况，具体锂电池的数量根据实际而定。本实施例中以16个锂电池串联进行举例说明。
39.如图1所示，该系统还包括主控模块与主开关模块，每一个所述主动均衡模块均与所述主控模块通过总线进行通信连接，所有所述主动均衡模块的放电端短接后与所述主开关模块串联，所述主开关模块与所述锂电池组串联、且与所述主控模块信号连接；
40.所述主动均衡模块用于监测对应的所述锂电池的电压信号、温度信号等参数进行上报，并根据第一控制信号对对应的锂电池进行放电；
41.所述主开关模块用于根据第二控制信号控制所述锂电池组回路的通断；
42.所述主控模块用于读取各锂电池的电压信号和温度信号，根据所述电压信号判断需要进行能量均衡的锂电池并发出第一控制信号，以及用于发出控制所述锂电池组回路通断的第二控制信号。
43.主控模块中预存有每个单电池的阈值电压，当主动均衡模块监测到的单个锂电池的电压大于该阈值，则主控模块通过总线向主动均衡模块发出该单个锂电池进行放电的第一控制信号，主动均衡模块即对对应的锂电池进行放电；当监测到该锂电池的电压不大于阈值电压时停止放电，使锂电池的电压保持在一个稳定的电压。每个主动均衡模块对对应的锂电池进行监控以及能量均衡，使锂电池组中的所有单个的锂电池电压具有良好的一致性，长此以往，可延长电池的使用寿命。主动均衡模块还将对应锂电池的温度信号上报到主控模块中，主控模块根据实时的温度信号判断锂电池温度是否正常，当温度异常时主控模块发出第二控制信号控制主开关模块断开。
44.如图2所示，所述主动均衡模块包括均衡控制单元以及与所述均衡控制单元分别信号连接的电压监测单元、温度检测单元和dc/dc单元，
45.所述电压监测单元的输入端与所述锂电池电性连接，用于采样所述锂电池的电压信号；
46.所述温度检测单元的感温部分紧邻所述锂电池设置，用于监控所述锂电池的温度信号；
47.所述dc/dc单元的一次侧连接所述锂电池的电极、所述dc/dc单元的二次侧作为所述主动均衡模块的放电端，所述dc/dc单元的控制端与所述均衡控制单元信号连接，用于根据所述均衡控制单元输出的控制信号控制锂电池进行放电；
48.所述均衡控制单元与所述主控模块通过rs485总线进行通信连接，将所述锂电池的电压信号、温度信号上报到所述主控模块；所述主控模块中设有锂电池的阈值电压，当采样的所述锂电池的电压信号大于所述阈值电压时，所述主控模块控制所述均衡控制单元输出放电的第一控制信号。当采样到的单个锂电池的温度信号异常时，主控模块发出第二控制信号控制主开关模块关闭并进行报警提示，例如通过声光等方式进行报警。
49.优选地，所述温度检测单元采用ntc。
50.16个主动均衡模块的接线图如图3所示，其中b1～b16分别表示16个主动均衡模块。每个主动均衡模块分别通过一个ntc采样对应的单个锂电池的温度，并通过图3中主动均衡模块的ntc引脚上传，主动均衡模块的vin+ 与vin－引脚为主动均衡模块的工作电源输入端，接对应的单体锂电池，每个锂电池为其对应的主动均衡模块供电。例如主动均衡模块b1的vin+与vin－引脚分别接cell0以及cell1，cell0表示第一节锂电池的负极，cell1表示第一节锂电池的正极。由于16串锂电池为串联关系，以此类推，cell1既是第一节锂电池的正极又是第二节锂电池的负极(二者为等电位点)，cell2 既是第二节锂电池的正极又是第三节锂电池的负极
……
将16串串联的锂电池平均划分为四组来看，图3中v1cell0与b1cell0均表示第一组锂电池中第一节锂电池的负极，v1cell1与b1cell1均表示第一组锂电池中第一节锂电池的正极以及第二节锂电池的负极，
……
，v4cell3与b4cell3均表示第三组锂电池中第三节锂电池的正极以及第四节锂电池的负极，v4 cell4与b4cell4均表示第四组锂电池中第四节锂电池的正极。每个主动均衡模块中，cell+引脚与cell－引脚作为dc/dc单元的一次侧输入端，pak+ 引脚与pak－引脚作为dc/dc单元的二次侧输出端，分别与图4中的主开关模块的pack+、pack－引脚连接，pack－引脚接地。当dc/dc单元导通时，单个锂电池从dc/dc单元的一次侧向二次侧放电，释放的电能通过主开关模块流向用电负载。每个主动均衡模块上的en、+5v、rs485＿b、rs485＿a、rs485＿gnd 引脚通过rs485总线与主控模块进行通信连接，其中主动均衡模块输出的+5v 电压为总线提供工作电源。
51.本实施例中，所述主开关模块包括串联的第一功率开关管以及第二功率开关管，所述第一功率开关管以及第二功率开关管可双向导通，所述第一功率开关管以及第二功率开关管的控制端分别与所述主控模块的信号输出端连接，所述第一功率开关管的一端连接所述主动均衡模块的放电端，第二功率开关管上背离所述第一功率开关管的一端连接负载。
52.优选地，所述主开关模块包括多个第一功率开关管以及多个第二功率开关管，每一个所述第一功率开关管与一个所述第二功率开关管对应串联成开关组，多个所述开关组并联在所述主动均衡模块的放电端与负载之间。设置多组开关组并联，将流经主开关模块的电流分散到各个开关组上，可增大主开关模块的过电流能力。
53.具体的，如图4所示为主开关模块的电路结构示意图。图4中，第一功率开关管包括q2、q4、q6、q8、q10，其一端(即连接pack+引脚的一端)与主动均衡模块的的输出端(pak+)连
接，另一端与第二功率开关管的一端连接；第二功率开关管包括q1、q3、q5、q7、q9，其一端与第一功率开关管连接，其另一端(即pack＿out+引脚)与用电负载连接。第一功率开关管与第二功率开关管的控制端(即chg＿g以及dsc＿g)均连接图5的主控模块，主控模块输出控制信号chg＿g以及dsc＿g以控制第一功率开关管与第二功率开关管的通断。当第一功率开关管与第二功率开关管导通时，主动均衡模块可将电能释放到与第二功率开关管pack＿out+引脚连接的用电负载上。图4中的第一功率开关管与第二功率开关管均采用nmos管来实现。
54.通过所述主开关模块还可实现对锂电池组进行充电。如图3所示，将主开关模块的pack+端连接整个锂电池组的正极(即b4cell4)，主控模块控制主开关模块导通，即可在主开关模块的另一端为整个锂电池组进行充电。当某一单个锂电池的电压过高，则可以通过主动均衡模块释放一部分电能，实现每个锂电池良好的一致性。还可设置预充电开关q11，预充电开关q11 采用p型mos管，其控制端(即门极)由主控模块提供pchg＿g信号控制其通断。预充电开关q11与第一功率开关管串联、与第二功率开关管并联，其与第一功率开关管相背离的一端连接外部充电电源。当实现充电功能时，主开关模块的pack＿out端接外部的充电电源。在充电的前200ms，预充电开关 q11导通，当充电稳定后(200ms后)，预充电开关q11关闭。
55.本实施例中，所述主控模块包括单片机以及与所述单片机信号连接的开关驱动电路、通讯电路和显示电路，
56.所述单片机用于读取所述主动均衡模块的参数并发出第一控制信号和第二控制信号；
57.所述开关驱动电路用于通过所述单片机的第二控制信号控制所述主开关模块的通断；
58.所述通讯电路用于实现所述单片机与所述主动均衡模块、以及所述单片机与外设之间的通信；
59.所述显示电路用于实时显示所述锂电池的电量状态。
60.如图5所示为以单片机为核心的主控模块的接线示意图。主控模块b17 通过rs485总线接口与主动均衡模块进行通信连接，作为通讯电路，实现主控模块b17与主动均衡模块的数据交互，例如主控模块读取主动均衡模块监测的单个锂电池电压数据、温度数据等，并向主动均衡模块发送某一锂电池需要进行放电的指令。主控模块b17的电源输入接口与分别接锂电池的正极 (即pack+端)与负极(即pack－端)，由锂电池组为主控模块b17提供工作电源。主控模块b17的chg＿g、dsc＿g、pchg＿g引脚与主开关模块的控制端连接，作为开关驱动电路，用于输出控制信号来控制主开关模块的通断。主控模块b17上还设有电压检测接口，该电压检测接口与用电负载的电流输入端(即pack＿out+)连接，用于检测在主动均衡模块进行放电时，锂电池组是否真的有输出，以检测主开关模块中的功率开关管是否损坏。
61.本实施例中，所述主控模块还包括电流监测单元，所述电流监测单元与所述单片机信号连接，所述电流监测单元串联在所述锂电池组的回路上，用于检测所述锂电池组的实时电流并上报给所述单片机。如图5所示，电流监测单元为设置在主控模块内的分流器(对应shunt+引脚)，主控模块的shunt+ 引脚连接用电负载的电流输出端pack＿out－，用
于检测锂电池组回路中的总电流，并上报给单片机。当检测到电流过大时，单片机输出关闭主开关模块的第二控制信号，截断电池的电流输出，对锂电池组实现过电流保护。
62.本实施例中，所述主控模块还包括温度监测单元，该温度监测单元采用 ntc对整个锂电池组的温度进行采样，并通过图5中的ntc+引脚将采样的温度信号送入单片机。单片机中预存有正常的温度范围值，当锂电池组的温度超出该温度范围值时即表示温度异常，此时单片机输出关闭主开关模块的第二控制信号，截断电池的电流输出，对锂电池组实现过温保护。
63.如图6～8所示为显示电路的组成部分，所述显示电路包括图8所示的电源转换电路、图6所示的显示驱动电路和图7所示的多个led。如图8所示，所述电源转换电路采用了型号为reg1117－3.3电源转换芯片u6，所述电源转换电路的输入端连接所述单片机的+5v输出、所述电源转换电路的输出端连接所述显示驱动电路的电源输入端。具体的，电源转换芯片u6的输入端连接单片机的+5v电压输出，电源转换芯片u6的输出端输出+3.3v电压，作为图6中显示驱动电路的工作电源。所述显示驱动电路的信号输入端连接所述单片机、所述显示驱动电路的信号输出端分别连接多个所述led的阳极，所述led的阴极接地。更具体的，如图6所示，本实施例中显示驱动电路采用了型号为74lv164的显示驱动芯片u1，显示驱动芯片u1的信号输入端连接单片机的信号输出端(例如dio1和dio2)，其信号输出端连接图7所示的多个led，以实时显示锂电池组的电量以及状态。
64.优选地，所述主控模块还包括人机交互电路，所述人机交互电路包括图 9所示的拨码开关s1，所述拨码开关s1一端连接所述单片机的信号输入端 (sw1～sw4)、其另一端接地。拨码开关s1用于操作人员对各个单个的锂电池状态进行查询时，手动输入各个锂电池的编码。由于本实施例以16串锂电池进行串联，该拨码开关s1优选采用型号sw dip－4，可实现共16种编码的输入，以对应16串锂电池的状态查询。
65.如图10所示，主控模块上还可设置接线插座rj45，接线插座rj45与主控模块的另一路总线连接。操作人员可通过接线插座使主控模块与其他外部设备进行通信连接，与该电池管理系统实现数据交互。
66.如图11所示，主控模块上还可设置用于设置睡眠模式以及唤醒工作状态的无锁按钮开关b18，将按钮开关b18与图5中所示单片机的button引脚连接，当按下该按钮开关时，单片机的button引脚获得低电平，控制该电池管理系统在睡眠模式与工作模式之间切换。
67.本实用新型的多串主动均衡电池管理系统，将若干个锂电池串联，在每个单锂电池上均设置有主动均衡模块，由主控模块进行统一管理；当主动均衡模块监测到单电池的电压高于阈值电压时进行放电，使每个单电池均保持稳定的电压；该电池管理系统的电池一致性较好，能对电池进行实时的保护与监控，延长了电池的使用寿命。
68.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。