一种电池主动均衡系统及均衡方法与流程

本技术属于电池控制，具体涉及一种电池主动均衡系统及均衡方法。

背景技术：

1、随着人们对环保要求的提高，绿色能源成为改善环境先行者，可充电电池的应用从电动工具到纯电动汽车等，不管是消费类还是工业类，应用已是越来越广泛，要求输出功率也是越来越大。由于单体可充电电池的电压受本身的化学特性限制，在很多的应用中都需要将电池串、并联使用，提高电池的输出功率，由于电芯制造的材料、工艺等原因，电芯在使用过程中，很容易出现内阻、电压、容量不平衡，电芯串并联使用的数量越多，产生的不平衡问题越严重，不平衡问题直接影响电池组的输出功率及使用循环寿命。为了改善电池性能的一致性，提高可充放电容量，延长电池系统寿命，电池储能系统一般采用均衡技术，均衡的最终目的都是为了储能系统可充放电容量最大化和电池可用寿命最大化。

2、目前的均衡技术包括被动均衡和主动均衡，被动均衡技术对电芯的均衡能力有限且属于能量损耗型技术，现有的一些主动均衡方式的均衡结构复杂，控制繁琐，安全性也待提高，对于串数越多的应用，可实现的难度就越大。因此如何简化主动均衡的均衡结构，并提高主动均衡的安全性，是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种电池主动均衡系统及均衡方法，用以解决如何简化主动均衡的均衡结构，并提高主动均衡安全性的问题。

2、为了解决上述技术问题，本技术提供了一种电池主动均衡系统，其特征在于，包括：主控单元、充电控制单元、放电控制单元、原边保护单元和次边保护单元；

3、所述主控单元用于接收上位机发送的均衡充电指令/均衡放电指令，根据所述均衡充电指令向所述充电控制单元发送第一信号，根据所述均衡放电指令向所述放电控制单元发送第二信号；

4、所述充电控制单元用于接收所述主控单元发送的第一信号，根据所述第一信号控制充电mos管的pwm启动和关闭状态；所述放电控制单元用于接收所述主控单元发送的第二信号，根据所述第二信号控制放电mos管的pwm启动和关闭状态；

5、所述原边保护单元和所述次边保护单元用于向所述主控单元发送第一保护信号/第二保护信号，以使所述主控单元根据所述第一保护信号停止输出第一信号，或根据所述第二保护信号停止输出第二信号。

6、作为本技术的进一步改进，所述原边保护单元包括原边过流保护单元和原边过压保护单元，所述原边过流保护单元用于检测原边过流信号，当检测到所述原边过流信号后，所述原边过流保护单元向所述主控单元发送第一保护信号；

7、所述原边过压保护单元用于检测原边过压信号，当检测到所述原边过压信号后，所述原边过压保护单元向所述主控单元发送第二保护信号。

8、作为本技术的进一步改进，所述次边保护单元包括次边过流保护单元和次边过压保护单元，所述次边过流保护单元用于检测次边过流信号，当检测到所述次边过流信号后，所述次边过流保护单元向所述主控单元发送第二保护信号；

9、所述次边过压保护单元用于检测次边过压信号，当检测到所述次边过压信号后，所述次边过压保护单元向所述主控单元发送第一保护信号。

10、作为本技术的进一步改进，所述系统还包括电流调理单元，所述电流调理单元用于对电池的均衡电流进行采样；

11、所述主控单元用于获取所述均衡电流，将所述均衡电流作为反馈值，基于增强型pid算法计算第一信号/第二信号的占空比增量，以使所述主控单元向所述充电控制单元发送修正占空比后的第一信号，或向所述放电控制单元发送修正占空比后的第二信号，直至将所述均衡电流控制在预设值范围内，以实现恒流充电/放电闭环调节。

12、作为本技术的进一步改进，所述充电控制单元包括充电控制芯片，充电mos管，以及并联设置在隔离变压器副边侧的第一电容和第一二极管；

13、所述第一电容的两端并联有第一电阻和第二电阻，所述第一电阻和所述第二电阻的两端并联有第三电阻和第四电阻，所述隔离变压器副边侧还并联有第二电容，所述第二电容的两端并联有第一电解电容，所述第一电解电容的正极接入vin+，所述第一电解电容的负极接地；

14、所述充电mos管的漏极与所述第一二极管的阳极连接，所述充电mos管的源极通过第五电阻与所述第二电容连接，所述充电mos管的源极和栅极之间设置有第六电阻，所述充电mos管的栅极连接第七电阻和第二二极管后接入所述放电控制芯片的out引脚，所述第七电阻和第二二极管的阴极两端并联有第八电阻；

15、所述第五电阻的两端并联设置有第九电阻，所述第五电阻和所述第九电阻共接后连接有第十电阻，所述第十电阻的另一端连接有第二电容，所述第二电容的两端并联有第三二极管，所述第三二极管的阳极与所述第二电容共接后接地；

16、所述充电控制芯片的vdd引脚连接第四电容后接地设置，所述vdd引脚和所述第四电容之间连接有第一电压；所述充电控制芯片的gnd引脚接地设置；所述充电控制芯片的in+引脚连接第十一电阻后接入所述主控单元的$pwm2引脚，所述第十一电阻的两端并联有第四二极管，所述放电控制芯片的in+引脚与所述第四二极管的阳极连接后共接有第五电容，所述第五电容的另一端接地设置；

17、所述充电控制芯片的in-引脚连接有第一mos管，所述第一mos管的漏极与所述放电控制芯片的in-引脚连接，所述第一mos管的源极接地设置，所述第一mos管的栅极与所述原边保护单元连接；

18、还包括设置在所述充电控制单元和所述放电控制单元之间的充放电控制芯片，所述充放电控制芯片的vdd2引脚连接第三电容组后接地设置，所述第三电容组和所述充放电控制芯片的vdd2引脚之间接入有第二电压，所述第二电容组包括并联设置的第六电容、第七电容和第八电容；

19、所述充放电控制芯片的gnd2引脚接地设置，所述充放电控制芯片的outa引脚连接第十二电阻后接入所述主控单元的$pwm2引脚，所述充放电控制芯片的inb引脚连接第十三电阻后与所述原边保护单元连接。

20、作为本技术的进一步改进，所述放电控制单元包括第一电容组，并联设置在放电mos管源极漏极之间的稳压二极管组，以及并联设置在隔离变压器原边侧的第九电容和第五二极管，所述第九电容的两端并联有第十四电阻、第十五电阻和第十六电阻；

21、所述第一电容组包括并联设置的第十电容、第十一电容、第十二电容和第十三电容，所述稳压二极管组包括并联设置在放电mos管源极漏极之间的第一稳压二极管、第二稳压二极管和第三稳压二极管，所述稳压二极管组与所述放电mos管的源极连接后与所述第一电容组之间串联有第十七电阻；

22、所述电阻与放电mos管的源极连接后共接有第十八电阻，所述第十八电阻的另一端连接有第十四电容和并联设置在所述第十四电容两端的第六二极管，所述第六二极管的阳极与所述第十四电容连接后接地；

23、所述放电mos管的栅极连接第十九电阻和第七二极管后接入放电控制芯片的out引脚，所述第十九电阻和所述第七二极管的两端并联有第二十电阻，所述放电mos管的源极和栅极之间连接有第二十一电阻；

24、所述隔离变压器原边侧的两端之间还设置有第十五电容、第二十二电阻和第八二极管，所述第十五电容的两端并联设置有第二十三电阻和第二十四电阻，所述第二十四电阻的两端并联有第十六电容，所述第十六电容与所述第二十四电阻并联后连接有第九二极管，所述第九二极管的阴极接入第二电压，所述第九二极管的阳极与所述第十六电容连接后接入所述主控单元的$vin_det24v引脚；

25、所述放电控制芯片的vdd引脚连接第十七电容后接地设置，所述vdd引脚和所述第十七电容之间连接有第一电压；所述放电控制芯片的gnd引脚接地设置；所述放电控制芯片的in+引脚连接第二十五电阻接入所述主控单元的$pwm1引脚，所述第二十五电阻的两端并联有第十二极管，所述放电控制芯片的in+引脚与所述第十二极管的阳极连接后共接有第十八电容，所述第十八电容的另一端接地设置；

26、所述放电控制芯片的in-引脚连接有第二mos管，所述第二mos管的漏极与所述放电控制芯片的in-引脚连接，所述第二mos管的源极接地设置，所述第二mos管的栅极与所述次边保护单元连接；

27、还包括设置在所述充电控制单元和所述放电控制单元之间的充放电控制芯片，所述充放电控制芯片的vdd1引脚连接第二电容组后接地设置，所述第二电容组和所述充放电控制芯片的vdd1引脚之间接入有第二电压，所述第二电容组包括并联设置的第十九电容、第二十电容和第二十一电容；

28、所述充放电控制芯片的gnd1引脚接地设置，所述充放电控制芯片的ina引脚连接第二十六电阻后接入所述主控单元的$pwm2引脚，所述充放电控制芯片的outb引脚连接第二十七电阻后与所述次边保护单元连接。

29、作为本技术的进一步改进，所述原边过压保护单元包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的正侧电源引脚接入第二电压，所述第一运算放大器的负侧电源引脚连接有第二十二电容，所述第二十二电容的一端接入第二电压，所述第二十二电容的另一端与所述第一运算放大器的负侧电源引脚共接后接地，所述第一运算放大器的输出端与所述充电控制单元连接；所述第一运算放大器的同相输入端与输出端之间连接有第二十八电阻，所述第二十八电阻的一端与所述第一运算放大器的输出端共接，所述第二十八电阻的另一端与所述第一运算放大器的同相输入端共接后接入vref2，所述第二十八电阻的另一端与所述第一运算放大器的同相输入端共接后还连接有第二十三电容，所述第二十三电容的另一端接地，所述第一运算放大器的反向输入端连接有并联设置的第二十四电容和第二十九电阻，所述第二十四电容的一端和所述第二十九电阻共接后接地，所述第二十四电容的另一端和所述第二十九电阻共接后连接有第三十电阻，所述第三十电阻接入vin+；

30、所述原边过流保护单元包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输出端与所述充电控制单元连接，所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端共接后连接有第三十一电阻，所述第三十一电阻的另一端接入第二电压；所述第二运算放大器的输出端和同相输入端之间连接有第三十二电阻，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第三十二电阻共接后连接有第二十五电容，所述第二十五电容的另一端接地设置，所述第二运算放大器的同相输入端与所述第三十二电阻共接还接入有vref2，所述第二运算放大器的反向输入端与所述充电控制单元连接。

31、作为本技术的进一步改进，所述次边过压保护单元包括第三运算放大器，所述第三运算放大器的输出端接入所述放电控制单元，所述第三运算放大器的输出端和反向输入端之间连接有第三十三电阻，所述第三运算放大器的正侧电源引脚接入第二电压，所述第三运算放大器的负侧电源引脚连接有第二十六电容，所述第二十六电容的一端接入第二电压，所述第二十六电容的另一端与所述第三运算放大器的负侧电源引脚连接后接地；所述第三运算放大器的反向输入端连接有并联设置的第二十七电容和第三十四电阻，所述第二十七电容的一端和所述第三十四电阻共接后接地，所述第二十七电容的另一端和所述第三十四电阻共接后连接有第三十五电阻，所述第三十五电阻的另一端与所述放电控制单元连接；

32、所述第三运算放大器的同向输入端连接有并联设置的第二十八电容和第三十六电阻，所述第二十八电容的一端和所述第三十六电阻共接后接地，所述第二十八电容的另一端和所述第三十六电阻共接后连接有第三十七电阻，所述第三十七电阻的另一端接入第二电压，所述第三运算放大器的同向输入端还连接有第二十九电容，所述第二十九电容的另一端接地；

33、所述次边过流保护单元包括第四运算放大器，所述第四运算放大器的输出端与所述放电控制单元连接，所述第四运算放大器的输出端和同相输入端之间连接有第三十八电阻，所述第四运算放大器的输出端和所述第三十八电阻共接后连接有第三十九电阻，所述第三十九电阻的一端接入第二电压，所述第三十九电阻的另一端与所述第四运算放大器的输出端共接后接入所述放电控制单元，所述第四运算放大器的反向输入端接入所述主控单元的$sec_ocp引脚，第四运算放大器的反向输入端连接有第三十电容，第四运算放大器的同向输入端连接有第三十一电容，所述第三十电容和所述第三十一电容连接后接地设置。

34、作为本技术的进一步改进，所述电流调理单元包括第五运算放大器和第六运算放大器；

35、所述第五运算放大器的正侧电源引脚接入第二电压，所述第五运算放大器的负侧电源引脚接入第三电压，所述第五运算放大器的输出端串联有第四十电阻和第四十一电阻，所述第四十电阻和所述第四十一电阻的连接节点连接有第三十二电容，所述第三十二电容的另一端接地，所述第四十一电阻的另一端连接有第三十三电容和第十一二极管，所述第三十三电容的一端与所述第四十一电阻连接，所述第三十三电容的另一端接地，所述第十一二极管的阴极与所述第四十一电阻共接后接入所述主控单元的$bal-is引脚，所述第十一二极管的阳极接地设置；

36、所述第五运算放大器的输出端和反向输入端之间设置有并联的第三十四电容和第四十二电阻，所述第三十四电容和所述第四十二电阻共接后连接有第四十三电阻，所述第四十三电阻的另一端接地，所述第五运算放大器的同向输入端连接有并联的第三十五电容和第四十四电阻，所述第三十五电容的一端和所述第四十四电阻共接后接入第四电压，所述第三十五电容的另一端和所述第四十四电阻共接后连接有第四十五电阻，所述第四十五电阻的另一端接入所述放电控制单元；

37、所述第六运算放大器的输出端和所述第六运算放大器的反向输入端共接后连接有第三十六电容，所述第三十六电容的一端接入第四电压，所述第三十六电容的另一端接地，所述第六运算放大器的同相输入端连接有并联设置的第四十六电阻和第三十七电容，所述第四十六电阻的一端和所述第三十七电容共接后接地设置，所述第四十六电阻的另一端和所述第三十七电容共接后连接有第四十七电阻，所述第四十七电阻的另一端接入第二电压。

38、本技术还提供了一种电池主动均衡方法，所述方法包括以下步骤：

39、初始化系统时钟和电池adc采样；

40、判断是否收到上位机发送的均衡充电指令/均衡放电指令；若判断未收到，则继续等待上位机发送的指令；

41、若判断收到上位机发送的均衡充电指令/均衡放电指令，则控制对应引脚使能第一信号/第二信号输出；

42、获取当前电池的均衡电流，将所述均衡电流作为反馈值，基于增强型pid算法计算第一信号/第二信号的占空比增量；

43、输出修正占空比后的第一信号/第二信号，直至收到第一保护信号/第二保护信号，根据所述第一保护信号停止输出第一信号，或根据所述第二保护信号停止输出第二信号，完成主动均衡。

44、与现有技术相比，本技术提供的一种电池主动均衡系统及均衡方法，具有以下有益效果：

45、本技术提供的一种电池主动均衡系统及均衡方法，通过主控单元的单颗主控完成了充电控制、放电控制、原边过流过压保护、次边过流过压保护，结构简单，成本低；设置原边保护单元和次边保护单元保证主动均衡过程中各电池能量传递的安全可靠性；通过电流调理单元实时获取电池的当前均衡电流，基于增强型pid算法实现恒流充放电闭环调节，将均衡电流作为反馈值计算控制信号的占空比增量，直至将均衡电流控制在预设值范围内，数据实时性好，闭环调节的方式使得电池之间的电压均衡效果更好、均衡效率更高。