一种基于低压模拟前端的级联式电池管理装置及控制方法

技术领域

本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及了模拟前端的多路电压采样和电量均衡技术。

背景技术

随着环境保护和能源危机问题越来越严重，人们也越来越重视使用以电能为主要代表的清洁的能源，锂电池以其相对的较高的能量密度也越来越广泛被用作电源载体。锂电池组由单体电池串联并联构成，针对不同使用场景，可以灵活的组成不同的电压和容量。但是，锂电池在实际使用过程中，会因为过压欠压，过流等因素发生失效损坏甚至出现安全事故，所以，其必须通过管理系统来进行实时监控和保护。由于单体电池间的差异、具体使用环境影响，最终各节电池之间会有较大的电压电量差距。可能较高电压电池先充满而不能存储额定容量，也可能较低电压电池先放空而其他电池富余能量不能释放。针对以上情况，电池管理系统需要有精准可靠的采样和均衡方案。

目前较高电压(一般40V以上)锂电池组管理系统的采样和均衡方案需要高压ASIC芯片，而一般高压的芯片的工艺要求高，虽然能够向下兼容低电压应用，但是其成本居高不下。而较低电压的锂电池管理一般采用基于多路选择的模拟前端方案，其成本较低，但往往不能向上兼容高压电池管理系统。为解决此矛盾，本发明提出一种基于低压多路选择模拟前端的级联式的锂电池组电压采集和电量均衡方案，通过多级低压电路级联，能够实现较低成本管理较高电压锂电池组。本发明兼容性好，低压和较高电压的锂电池组都能够管理，结构简单，控制方便，可扩展性和实用性强，同时相较于高压的单片ASIC方案成本更低。

发明内容

鉴于上述，本使用新型提供了一种级联堆叠式的锂电池组多路电压采集和电量均衡方案，能够解决传统较高电压锂电池组管理系统采样和均衡功能成本高、低成本采样和均衡方式只能管理较低电压锂电池组的矛盾。

为了达到上述目的，本发明申请一种级联堆叠式的锂电池组多路电压采集和电量均衡方法，包括：一个MCU(即微处理器)、n级AFE(即模拟前端， n>1)、n组锂电池组以及两组电平转换电路；所述n组锂电池组正负串联连接，构成整体锂电池组；所述n级AFE分别对应连接n组锂电池组，用于对各组锂电池组采样和均衡控制；所述每级AFE的电池接口为m+1个；所述每组锂电池组内包含m节锂电池；所述MCU连接所有n级AFE，通过一组电平转换电路控制各节电池电压信号的采集，通过另一组电平转换电路控制均衡开关。

进一步地，所述n组锂电池组每组包含m节锂电池(m>1)，其中：

如图1a，所述第p组锂电池组中的m节锂电池按节记为第1，2，…，q-1， q，q+1，…，m节(q

如图1b，所述n组锂电池组按组记为第1，2，…，p-1，p，p+1，…，n 组(p

进一步地，所述AFE带多路采样和均衡功能，所述n级AFE采用和所述 n组锂电池组相同的编号方式，记为第1，2，…，p-1，p，p+1，…，n级(p

如图2，VB0至VBm+1表示所述第p级AFE的电池接口，VBq表示内部任意一个电池接口，CS端用来选择需要采集电压信息的电池，VOUT端用来输出被所述第p级AFE采集到的电池电压信息，BS端用来选择需要均衡的电池，VIN端表示所述第p级AFE的供电端口，内部逻辑解码CS端和BS端信号以控制相应VBq和VBq-1之间开关；

如图3，VB1至VBm连接所述第p组锂电池组内第1至m节电池正端， VB0连接所述第p组电池的负端，VBm+1连接所述第p+1级AFE的VOUT 端；

如图4，所述第1级AFE的VOUT端连接到MCU，作为总的电池电压采样信号输出端口，所述第n组锂电池组可以包含m+1节电池。

进一步地，如图5，所述MCU通过两组电平转换电路分别连接各级AFE 的BS端和CS端，所述第1级AFE的VOUT端连接到所述MCU的AD采样端口。CS1，CS2，…，CSk表示MCU的一组采样控制信号输出端，BS1，BS2，…， BSk表示MCU的一组均衡控制信号输出端。

附图说明

图1为n组锂电池组串联以及其中第p组电池组成示意图

图2为低压AFE端口和内部逻辑示意图

图3为第p级AFE与第p组锂电池组连接结构示意图

图4为n级AFE与n组锂电池组连接结构示意图

图5为MCU与n级AFE连接结构示意图

图6为本专利方案整体拓扑结构示意图

图7为本专利方案软件控制均衡和采样流程图

具体实施方式

如图1a，表示任意一个小组锂电池组连接拓扑。

如图1b，表示相类似的n组锂电池小组连接成整个锂电池组。

如图2，所述AFE带有多路采样和均衡功能。内部逻辑解码CS端采样控制信号，分时控制相应VBq开关来采集各节锂电池电压，每次采集到的电压信息通过VOUT端输出；内部逻辑解码BS端均衡控制信号，分时控制相应 VBq和VBq-1之间的开关来打开均衡电路。

如图3，表示任意的所述第p级AFE和相应的所述第p组锂电池组连接拓扑，VB0连接对应锂电池组的负端。MCU控制CS端轮流选通VB1至VBm，分别采集对应的锂电池电压；采集到的电池电压信息通过VOUT输出。所述第 p级AFE的VOUT端连接到所述第p-1级AFE的VBm+1端，将采集到的电池电压信息向下一级传递。MCU根据采集到的电池电压信息确定需要均衡的第q节锂电池，控制BS端打开对应的VBq和VBq-1之间的均衡开关，使均衡电路工作；第p级AFE控制的均衡分时进行，不同级AFE控制的均衡可以同时进行。

如图4，表示所述n级AFE和所述n组锂电池组连接拓扑，所述第1级 AFE的VOUT端连接到所述MCU的ADC端口。对于任意所述第p级AFE采集到的电池电压要传输到MCU，要求所述第1，2，…，p-1级的AFE都同时选通VBm+1端，所述第p级采集到的电池电压则逐级传输到第1级的VOUT 接口，最后由MCU的ADC端口读取。按顺序从低到高采集各组各节电池电压，可以实现每节电池采样时间均等。

如图5，表示所述MCU与所述n级AFE连接拓扑。由于使用的是低压的 AFE，从所述第n级到第1级的AFE要逐级降压供电，而所述MCU供电电压固定为一个较低值，故MCU输出的电压采集信号和均衡信号需要电平转换后再分别连接所述各级AFE的CS端和BS端；若是只需一级所述AFE的低压锂电池组保护系统，则不需要电平转换电路；若是级数较多的高压锂电池保护系统，则可以对所述MCU输出的电压采集信号和均衡信号进行扩展，再分别连接所述各级AFE的CS端和BS端。

如图6，表示整体拓扑。电压采样过程由各级低压AFE逐级传递直至MCU，均衡过程由MCU直接给出均衡信号控制相应AFE的均衡开关实现。

如图7，表示均衡过程和采样过程的流程。各级AFE的均衡过程相互独立，每级AFE内部只能有1节电池的均衡电路开关闭合。各级AFE级联采样，每级AFE独立采集电压信息，由各级AFE的VOUT向低一级AFE的VBm+1传输，最终由第1级AFE的VOUT传输到MCU。采样过程可以由低到高按顺序进行，也可以由高到低按顺序进行。