CN104201749A - 主动均衡电池管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电池组的主动均衡电池管理系统，包括：电池参数采集模块，该电池参数采集模块用于检测该电池组中各电池的状态参数；以及可控双向电源模块，该可控双向电源模块根据该电池组中各电池的状态参数通过对电池的脉冲充放电来对该电池组进行主动均衡。本发明还提供了一种主动均衡方法。

Description

主动均衡电池管理系统及方法

技术领域

本发明涉及车载电池组的管理，尤其涉及用于电池组的主动均衡电池管理系统及方法。

背景技术

随着能源紧缺、环境污染问题的日益严重，新能源开发利用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中，电池系统是其中不可或缺的重要组成部分。近年来，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发发展列入国家的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发，在电池管理系统方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制的产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。但我国电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也提出更高的要求。

电动汽车用动力电池组通常都是由几十个甚至上百个单体电池串联起来为电动汽车提供能量的。由于生产工艺的制约，单体电池之间的性能在生产时就存在一定的差异性。在日后的长期使用过程中，因为电池组内部环境的非均匀性等原因，随着时间的增加，电池充放电次数的增多，单体电池之间的性能，如内阻、端电压、容量以及自放电率之间的差异将逐渐拉大，如果不进行及时调整，随着循环使用次数的增加，这种不一致性将会加剧。通常电池组性能的好坏是由电池组中性能最差的单体电池的性能决定的，因此电池组单体电池之间的不一致性将缩短整个电池组的使用寿命，从而直接影响电池组的性能以及整车的性能。这就需要在进行电池管理时及时准确地判断出单体电池的性能，并能够对单体电池进行合理有效的管理，以避免单体电池之间不一致性的扩大，从而提高电池组的使用寿命。

为了缓解单体电池之间的不一致性，一般的电池管理系统都具有均衡功能，即对电压较低的电池进行充电而对电压较高的电池进行放电，以缩小单体电池之间的不一致性。然而，随着电池的老化，单体电池之间的不一致性逐渐变大，单纯地均衡效果非常有限。

本领域需要一种改善的电池管理系统。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于电池组的主动均衡电池管理系统，包括：电池参数采集模块，该电池参数采集模块用于检测该电池组中各电池的状态参数；以及可控双向电源模块，该可控双向电源模块根据该电池组中各电池的状态参数通过对电池的脉冲充放电来对该电池组进行主动均衡。

在一实例中，该系统还包括：继电器组，该继电器组包括与该电池组的电池数量相等的多个继电器，该电池参数采集模块和该可控双向电源模块通过该继电器组耦接至该电池组，其中该继电器组用于每次选通该继电器组中的一个继电器以使对应的电池接通该电池参数采集模块和该可控双向电源模块。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，在该电池组的充电状态下，响应于该电池组中存在过压的电池，则该继电器组中与该过压的电池对应的继电器被选通以使该可控双向电源模块对该过压的电池进行大电流脉冲放电修复。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，在该电池组的工作状态下，响应于该电池组中存在欠压的电池，则该继电器组中与该欠压的电池对应的继电器被选通以使该可控双向电源模块对该欠压的电池进行大电流脉冲充电修复。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，在该电池组的空闲状态下，该继电器组中的各继电器轮流选通以使该可控双向电源模块对该电池组中的各电池轮流进行大电流脉冲激活。

在一实例中，该可控双向电源模块由用于升压的BOOST电路和用于降压的BUCK电路构成，以用于对该电池组中的电池进行脉冲式充放电，其中该BOOST电路和该BUCK电路共用升降压电感。

在一实例中，该电池组的单体电池的标称电压高于该主动均衡电池管理系统的系统电压，该BOOST电路和该BUCK电路的该升降压电感耦接至该系统电压，而V_cc端耦接至电池电压，其中该BOOST电路用于通过升压对电池进行正脉冲充电，而该BUCK电路用于通过降压对电池进行负脉冲放电。

在一实例中，该电池组的单体电池的标称电压低于该主动均衡电池管理系统的系统电压，该BOOST电路和该BUCK电路的该升降压电感耦接至电池电压，而V_cc端耦接至该系统电压，其中该BOOST电路用于通过升压对电池进行负脉冲放电，而该BUCK电路用于通过降压对电池进行正脉冲充电。

在一实例中，该系统还包括：开关电源模块，该开关电源模块用于从该电池组汲取电压并通过高低压转换以向该主动均衡电池管理系统提供用于其操作的系统电压。

在一实例中，该可控双向电源模块用来自该开关电源模块的电能对该电池组的电池进行脉冲充电。

根据本发明的另一方面，提供了一种对电池组进行主动均衡的方法，包括：

检测该电池组中各电池的状态参数；以及根据该电池组中各电池的状态参数通过对电池的脉冲充放电来对该电池组进行主动均衡。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，根据该电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对该电池组进行主动均衡包括：在该电池组的充电状态下，响应于该电池组中存在过压的电池，则选通与该过压的电池对应的继电器以经由该继电器对该过压的电池进行大电流脉冲放电修复。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，根据该电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对该电池组进行主动均衡包括：在该电池组的工作状态下，响应于该电池组中存在欠压的电池，则选通与该欠压的电池对应的继电器以经由该继电器对该欠压的电池进行大电流脉冲充电修复。

在一实例中，该状态参数包括电池电压，根据该电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对该电池组进行主动均衡包括：在该电池组的空闲状态下，轮流选通与该电池组中的各电池对应的继电器以经由相应的继电器对各电池轮流进行大电流脉冲激活。

在一实例中，该电池组的单体电池的标称电压高于该主动均衡电池管理系统的系统电压，其中，对电池的脉冲充电包括通过从该系统电压至电池电压的升压对电池进行正脉冲充电，对电池的脉冲放电包括通过从电池电压到该系统电压的降压对电池进行负脉冲放电。

在一实例中，该电池组的单体电池的标称电压低于该主动均衡电池管理系统的系统电压，其中，对电池的脉冲充电包括通过从该系统电压至电池电压的降压对电池进行正脉冲充电，对电池的脉冲放电包括通过从电池电压到该系统电压的升压对电池进行负脉冲放电。

在一实例中，用于从该电池组汲取电压并通过高低压转换以向该主动均衡电池管理系统提供用于其操作的系统电压。

在一实例中，通过高低压转换从该电池组获得的电能被用于对该电池组的电池进行脉冲充电。

本系统由于自带谐振修复和激活功能，能延长电池的使用寿命。本系统可广泛应用于各种类型的电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持级联扩展，可以方便检测，监控和维护多节电池状况。而且，本系统具有减少的功能模块数量和安装线束，降低了电池管理系统装难度，并实现电池管理模块的互换性。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是示出了根据本发明的一方面的电池管理系统的框图；

图2是示出了根据本发明的一方面的继电器组的框图；

图3是示出了根据本发明的一方面的可控双向电源模块的简化电路图；

图4是示出了根据本发明的一方面的对电池组进行主动均衡的方法的流程图；以及

图5是示出了根据本发明的一方面的电池管理系统的外部接线图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

电池管理系统的作用是实现对电池状态的在线监测(例如，电池的温度、单体电池电压、工作电流、电池和电池箱(架)之间的绝缘等)、SOC(电荷状态)估算、状态分析(SOC是否过高、电池温度是否过高/低、单体电池电压是否超高/低、电池的温升是否过快、绝缘是否故障、是否过电流、电池的一致性分析、电池组是否存在故障以及是否通信故障等)、以及实施必要的管理措施。

电池管理系统能保护电池的性能，预防个别电池早期损坏，利于电动车的运行，具有保护和警告功能。电动汽车的充电、运行等功能与电池相关参数协调工作是通过对电池箱内电池模块的监控工作来实现的，它的功能有计算并发出指令，执行指令，提出警告。一般的电池管理系统主要包括电池数据采集、状态估计、热管理、安全管理、能量管理和通信功能，如下所述：

(1)电池数据采集：电池管理系统的所有算法、电动车的能量控制策略等都是以采集的电压、电流和温度数据作为输入，影响电池管理系统性能的重要指标是采样速率、精度和前置滤波特性；

(2)电池状态估计：电池状态估算包括SOC电池电量和SOH电池寿命，这是电动汽车进行控制和功率匹配的重要依据。在行车过程中系统可以随时计算车辆能耗给出SOC值，供电池管理系统进行功率配置和确定控制策略，使驾驶员知道车辆的续驶里程，及时作出决定到充电地点充电防止半路抛锚。

(3)能量管理：在能量管理中，电池电压、温度、电流、SOC、SOH等作为输入量，综合考虑控制电池充放电过程，限制电源系统输入、输出功率，延长电池使用寿命，并可以均衡单体电池电量。

(4)安全管理：具体功能是监视电池电压、电流、温度和绝缘电阻是不是越过正常范围；防止单体电池过充，过放，过温，在发生紧急情况状态下，切断电源，保证人车安全。

(5)热量管理：电池的热量管理对于大功率放电和高温条件下使用的电池非常关键。热量管理的目的是使电池单体温度平衡并保持在一定的范围内，使高温电池降温，使低温电池温度升高。

(6)通信功能：电池管理系统与车载设备或整车管理器的通信是重要功能之一，根据实际的应用需要，可以采用不同的通信接口进行数据交换，而CAN总线是一种可靠性高、通信速率高的现场总线，管理系统内部模块之间可采用RS-485总线通信。

(7)人机接口：在无整车控制器的整车系统，可以用于显示或设置参数，控制按键、旋钮等来输入指令给电池管理系统。

(8)充电管理功能：电池能量管理系统实时检测电池的工作状态，决定充电电压和充电电流，甚至可以暂停充电来均衡电池单元，保证让动力电池组SOC值最大。

(9)故障诊断功能：能够与车辆检测仪器进行通信等，诊断系统故障，方便车辆的维修。

在电池管理系统的上述功能中，能量管理，特别是均衡功能具有特殊意义。典型地，电动汽车动力电池组采用串联方式连接，由于各单块电池在制造方面、初始容量、电压、内阻以及电池组箱中各单块电池的温度均不相同。这样在使用过程中，就会造成某块电池的过充电或过放电现象，严重时会造成个别电池的容量比大多数电池都低。在放电过程中，它的电量首先放完，这时该电池就成为了一个用电器，首先进入充电阶段，出现电池反极现象。当其他电池充电时，该电池又会首先充满从而提早进入过充电阶段，使得整个电池组不能被正常充满，进而使得整个电池组不能正常工作。实际上，一组串联电池实际放出的容量是由容量最小的那个电池决定的。因此在电动汽车的电池工作过程中，电池组间的不一致性是一个有害因素，应尽可能减少同组电池间的不一致性。

电池组在使用过程中表现出不一致的原因有以下几种:

A、电池组内电池容量基本一致，其中某几节电池的容量小于其余电池；

B、电池组内电池容量基本一致，其中某几节电池的容量大于其余电池；

C、电池组内各节电池容量差异很大，这是最坏的情况。

造成这几种不一致原因的因素有以下几种:

A、电池自身原因:电池制造时由于内部物质的量不一致造成的初始容量不一致，制造电池的过程中的制造工艺不同造成的初始容量不一致，电池的极耳与内部极片相连时的电阻值不一致，也就是内阻不同造成的在使用过程中的容量不一致；

B、外部连接原因:电池在串并联使用时连接的部件形状与材质不同造成的连接电阻不同，连接松紧程度的不一致造成的接触电阻不一致，导致在充放电时单体电池交换的能量不一致，表现为整组电池的不一致；

C、外部环境原因，电池在串并联使用时，整组电池布局造成的各点的温度、湿度或压强等因素不同，造成的各节单体电池所能使用的容量会随各种场分布的不同而不一致。

在充电过程中，电池容量小的电池会率先被充满，此时电池组仍需充电，因此容量小的电池会被过充，产生析气或发生不可逆的结构性损坏，电池容量进一步减小。

在放电过程中，电池容量小的电池电压下降最快，当这节电池能量耗尽时，电池两端甚至会出现反极性，相当于被其它电池反充电导致整组电池的放电能力减弱，同时过放也会使电池内部发生不可逆的化学反应，减小电池容量。

在实际使用中表现为，当电池充电时会有某一节电池电压高于其余电池电压先到充电截止电压，从而结束充电过程；在电池放电时会有某一节电池电压低于其余电池电压先到放电截止电压，结束放电过程。

鉴于此，传统的电池管理系统对电池组实现能量管理，特别地是对电压较低的电池进行充电而对电压较高的电池进行放电，以缩小单体电池之间的不一致性，使各单体电池之间的电荷状态尽量保持一致，该过程被称为对电池组的均衡。然而，随着电池的老化，单体电池之间的不一致性逐渐变大，单纯地均衡是一种被动式的均衡，效果非常有限。因此，能够从电池老化的化学机理出发对老化的电池进行一定程度的修复，从而改善电池组不一致性的主动式均衡是有益的。

常规电池组一般采用铅酸蓄电池。随着使用时间的增长，铅酸蓄电池内部极板的表面上附着一层白色坚硬的结晶体，充电后依旧不能剥离极板表面转化为活性物质的硫酸铅，这就是硫酸盐化，简称为“硫化”。

电池内阻增大，充电较未硫化前电压提前到达充电终止电压，电流越大越明显。酸液密度低于正常值。放电容量下降，放电电流越大容量下降越明显。充电时有产生气泡，充电温升增快，严重时可导致充不进电。

根据蓄电池的双硫酸盐化论，蓄电池在每次放电后，正负极板的不同活性物质均转变为硫酸铅，充电后各自还原回不同的活性物质。而经常过放电、小电流深放电、低温大电流放电、补充电不及时、充电不充足、酸液密度过高、电池内部缺水、长期搁置时，极板表面的硫酸铅堆积过量且在电解液中溶解，呈饱和状态，这些硫酸铅微粒在温度、酸浓度的波动下，重新结晶析出在极板表面。由于多晶体系倾向于减小其表面自由能的结果，重组析出后的结晶呈增大、增厚趋势。由于硫酸铅是难溶电解质，重组后的结晶体其比表面积减小，在电解液中的溶解度和溶解速度降低。硫酸铅附着在极板表面和微孔中阻碍了电池的正常扩散反映，且硫酸铅电导不良阻值大，致使电池在正常的充电中欧姆极化、浓差极化增大，充电接受率降低，在活性物质尚未充分转化时已达极化电压产生水分解，电池迅速升温使充电不能继续下去进而活性物质转化不完全，因而成为容量降低和寿命缩短的原因。

从固体物理上来讲，任何绝缘层在足够高的电压下都可以击穿。一旦绝缘层被击穿，就会由绝缘状态转变为导电状态。如果对电导差阻值大的硫酸盐层施加瞬间的高电压，就可以击穿大的硫酸铅结晶。如果这个高电压足够短，并且进行限流，在打穿硫化层的情形下，控制充电电流适当，就不会引起电池析气。电池析气量取决于电池的端电压以及充电电流的大小，如果脉冲宽度足够短，占空比够大，就可以在保证击穿粗大硫酸铅结晶的条件下，同时发生的微充电来不及形成析气，如果含有负脉冲去极化，就更能保证在击穿硫酸盐层时极板的气体析出，这样就实现了脉冲消除硫化。

任何晶体在分子结构确定以后都有谐振频率，而这个谐振频率与晶体的尺寸有关。晶体的尺寸越大，谐振频率越低。如果充电采用前沿陡峭的脉冲，利用傅立叶级数进行频率分析可以知道脉冲会产生丰富的谐波成分，其低频部分振幅大，高频部分振幅小。这样大硫酸铅结晶获得的能量大，小硫酸铅结晶获得的能量小，从而形成大硫酸铅结晶谐振的振幅大，在正脉冲充电期间比小硫酸铅结晶容易溶解，既所谓“击碎”粗大的硫酸铅结晶。实验表明，对于铁锂电池、镍氢电池等基于化学作用的电池也具有类似效应。

本发明正是基于上述原理通过脉冲式充放电对电池组进行均衡，从而在传统地均衡作用之外，同时还能够对电池组中的电池进行修复，以主动改善电池组的不一致性，这在本文被称为主动均衡。因此，本发明提出了一种具有修复功能的主动均衡电池管理系统。传统地单纯通过大电流充电、活性剂置换等手段的专用修复仪，结构复杂，价格昂贵，个人用户都不具备，需要购买，更不可能集成在车载的电池管理系统中。相比于仅仅具有均衡功能的传统电池管理系统，本发明的主动均衡电池管理系统在均衡的同时实现了效果非常良好的修复功能。

以下将结合附图详细描述本发明的主动均衡电池管理系统。

图1是示出了根据本发明的一方面的电池管理系统100的框图。如图1所示，电池管理系统100与电池组200连接，以对电池组200进行电池功率。电池的种类可以是铅酸电池，铁锂电池，三元锂电池，镍氢电池或其它类型电池等等。

本领域技术人员容易理解，电池管理系统100可包括常规的电池管理系统的所有功能、以及用于实现这些功能的所有组件。但是，为了突出本发明的主题，图1中仅示出了与本发明的发明主题密切相关的组件，并重点对这些组件进行描述。

如图1所示，电池管理系统100可包括开关电源模块110、继电器组120、可控双向电源模块130、电池参数采集模块140、以及用于执行控制的处理器150。

开关电源模块110可以是高压转低压的隔离开关电源。一方面，电池组100的高压通过开关电源模块110被转成电池管理系统100的系统电压，由此可为电池管理系统100的各组件提供工作电压，从而省去了额外的系统供电电源。另一方面，众所周知，隔离开关电源具有高低压之间的隔离作用，可以有效地防止电池组200的高压对于系统内的弱电模块的影响，可有效地提高系统安全系数以及增强系统的抗干扰能力。

根据本发明的一方面，电池管理系统100可包括继电器组120，以用于将可控双向电源模块130和电池参数采集模块140耦接至电池组。继电器组120可由与电池组200中的单体电池数量相等数量的继电器组成。继电器组120中的各继电器每次仅选通一个继电器以使与该选通的继电器相对应的电池接通电池参数采集模块130和可控双向电源模块140。

图2是示出了根据本发明的一方面的继电器组120的结构图。电池组200可由多个单体电池串联组成，电池类型可以是铅酸电池、铁锂电池、锂电池或镍氢电池等。继电器组120可包括与电池组200中的单体电池相等数目的继电器。如图2所示，在每一个单体电池的正负极上并联一个有双组触点的继电器，该继电器触点的额定电流值可设置为电池均衡充放电过程的最大电流。在检测和均衡时，可以选择每次只有一只继电器闭合，形成电压检测和充放电回路，实现串联电池组中单体电池之间的相互隔离。继电器组120的选通可通过处理器150来控制。

电池参数采集模块140通过继电器组120与电池组200耦接。电池参数采集模块140可对电池组200的各项性能参数进行采集。各项性能参数包括电压、电流、温度、SOC等等。对于单体电池电压的检测，一般有共模测量法和差模测量法。共模测量是选取同一个参考点，然后利用一组精密电阻等比例衰减测量电压，测量各节点电压然后依次相减得到各节电池电压。差模测量是利用继电器选通各单节电池直接进行测量。比较两类测量方法会发现：共模测量法电路简单，但测量误差会积累，测量精度不高，只是用于串联电池数目较少或者对测量精度要求不高的场合。因此，当串联电池较多时，只能采用差模测量。

本案中采用差模测量法。由于测量端之间可能存在共模电压，所以不能采用模拟开关选通。本系统选用继电器组120作为隔离开关，每次只闭合对应一个单节电池的继电器，待电池输入电压稳定后通过12位分辨率的AD转换器读取电池电压。

电池参数采集模块140采集到的性能参数被传给处理器150进行分析。处理器150根据对电池组200的性能参数的分析，判断电池组200的状态，并控制相应组件执行相应的电池管理操作。

根据本发明的一方面，基于电池参数采集模块140采集到的各单体电池电压，若电池组200在充电的过程(即，充电状态下)中存在过压的单体电池，则对该单体电池进行大电流脉冲放电修复。若电池组200在使用过程(即，工作状态下)中存在欠压的单体电池，则对该单体电池进行大电流脉冲充电修复。若电池组200既未充电、也未使用(即，空闲状态下)，则可根据需要对电池组200进行大电流脉冲激活。

上述功能充放电过程是借助可控双向电源模块130来实现的。图3是示出了根据本发明的一方面的可控双向电源模块130的简化电路图。

如图3所示，可控双向电源模块130可由升压BOOST和降压BUCK两种类型的不隔离开关电源共同组成。具体地，可控双向电源模块130可包括三极管Q1、Q2、二极管D1、D2、以及电感L。如图3所示，三极管Q1的集电极与Q2的集电极相连，二极管D1的负极串联至二极管D2的正极，并且电感L的一端t1耦接至三极管Q1、Q2的集电极，以及二极管D1、D2的负极和正极。三极管Q1的发射极和二极管D2的负极耦接至可控双向电源模块130电路的供电电压Vcc端，三极管Q2的发射极和二极管D1的正极接地。

一方面，三极管Q1、二极管D1、以及电感L构成BUCK电路。因此，三极管Q1充当BUCK电路的开关管，而二极管D1充当BUCK电路的续流二极管，电感L充当BUCK电路的降压电感。

另一方面，三极管Q2、二极管D2、以及电感L构成BOOST电路。因此，三极管Q2充当BOOST电路的开关管，二极管D2充当BOOST电路的升压二极管，电感L充当BOOST电路的升压电感。

这里，Q1可采用PNP型三极管，而Q2可采用NPN型三极管。D1和D2可以是低损耗的肖特基二极管。

三极管Q1的基极耦接至BUCK驱动电路，该驱动电路用于在处理器150的控制下通过向三极管Q1的基极提供选通电压而使三极管Q1导通，当三极管Q1导通时，BUCK电路部分开始工作以执行降压过程。

三极管Q2的基极耦接至BOOST驱动电路，该驱动电路用于在处理器150的控制下通过向三极管Q2的基极提供选通电压而使三极管Q2导通，当三极管Q2导通时，BOOST电路部分开始工作以执行升压过程。

电池管理系统100具有始于其工作的系统电压，例如5V。相对的，电池组200的各单体电池取决于不同的电池类型，具有不同标称电压，例如12V、3.2V等等。取决于电池标称电压与电池管理系统100的系统电压之间的大小关系，可控双向电源模块130的BUCK和BOOST电路具有不同的连接方式。

在电池标称电压大于系统电压时，例如为12V，则Vcc端耦接至电池电压，而升降压电感L的另一端t2耦接至系统电压。反之，若电池标称电压小于系统电压，例如为3.2V，则Vcc端耦接至系统电压，而升降压电感L的另一端t2耦接至电池电压。

以此方式，继电器组120选通一个继电器以使相应的单体电池接通该可控双向电源模块130。此时，可控双向电源模块130可对该单体电池进行充电或放电。

具体地，在电池标称电压大于系统电压时，BOOST电路部分可执行从系统电压到该电池电压的升压过程，从而实现对单体电池的充电，或者，BUCK电路部分可执行从电池电压到系统电压的降压过程，从而实现对单体电池的放电。另一方面，在电池标称电压小于系统电压时，BUCK电路部分可执行从系统电压到该电池电压的降压过程，从而实现对单体电池的充电，或者，BOOST电路部分可执行从电池电压到系统电压的升压过程，从而实现对单体电池的放电。这里，BUCK电路部分和BOOST电路部分这两种中仅有一者在工作，要么实现充电、要么实现放电。

通过脉冲式地控制三极管Q1、或三极管Q2的通断进而控制BOOST电路部分和BUCK电路部分的工作，可以实现脉冲式地充放电。

例如，若电池标称电压大于系统电压，在通过BOOST电路部分实现对电池的充电时，通过使BUCK电路部分一直不工作，而BOOST电路部分按照脉冲方式进行工作-不工作的交替变换，从而实现对电池的脉冲式充电。在通过BUCK电路部分实现对电池的放电时，通过使BOOST电路部分一直不工作，而BUCK电路部分按照脉冲方式进行工作-不工作的交替变换，从而实现对电池的脉冲式放电。

类似地，若电池标称电压小于系统电压，在通过BUCK电路部分实现对电池的充电时，通过使BOOST电路部分一直不工作，而BUCK电路部分按照脉冲方式进行工作-不工作的交替变换，从而实现对电池的脉冲式充电。在通过BOOST电路部分实现对电池的放电时，通过使BUCK电路部分一直不工作，而BOOST电路部分按照脉冲方式进行工作-不工作的交替变换，从而实现对电池的脉冲式放电。

特别地，可采用大电流脉冲充放电，因为本发明中采用了继电器连通可控双向电源模块130与电池，一方面取消了对传统换向器的需要，简化了电路结构，更重要地，继电器能够承受较大的电压电流，从而能够以大电流对电池进行充放电。结合大电流的脉冲式充放电能够对电池具有良好的修复效果。根据电池类型和老化程度，正负脉冲的脉宽比、占空比均可以根据需要进行调节，以达到最好的修复激活效果。在本文中，这里的大电流脉冲充放电可以指以0.1C-0.5C倍率进行充放电。单位C是衡量电池充放电时电流大小的比率，即倍率。一个小时内将电池容量放电完毕或充电完毕为1C充放电，耗时两小时则为0.5C充放电，相应的充放电电流为1C充放电时的二分之一。以1200mAh的电池为例，1C表示1200mA的充放电电流，0.1C表示120mA的充放电电流。

根据本发明的一方面，在电池组200的充电状态下，如果发现电池组200中有特定的单体电池电压水平显著低于平均电压水平，则该电池可被认为欠压，从而可对该单体电池进行大电流脉冲充电，从而在使整个电池组200得到均衡的同时使该欠压的单体电池得到修复。另一方面，在电池组200的工作状态中，如果发现电池组200中有特定的单体电池电压水平显著高于平均电压水平，则该电池可被认为过压，从而可对该单体电池进行大电流脉冲放电，从而在使整个电池组200得到均衡的同时使该过压的单体电池得到修复。再一方面，若电池组200处于平衡状态，则可在电池组200处于空闲状态下时，按需(例如，定期)对电池组200的各单体电池轮流进行大电流脉冲激活。这里的术语“大电流脉冲激活”是指对电池进行大电流脉冲充放电，典型地为大电流脉冲放电，以对各单体电池进行维护，以保持各电池的电池容量。

这里，用于对电池充电的能量可以直接来源于开关电源模块110，后者从电池组200的高压汲取能量以为电池管理系统100供电并为均衡提供能量。

上述开关电源模块110、继电器组120、可控双向电源模块130、电池参数采集模块140的操作可通过处理器150来控制。例如，处理器150可以是CPU或单片机处理器单元等等。

图4是示出了根据本发明的一方面的对电池组进行主动均衡的方法400的流程图。方法400可包括如下步骤：

步骤401：初始化系统参数。

电池管理系统上电后初始化系统参数，包括电池类型的识别，电池组串联的数量，设定的各种报警电压和故障电压，电池修复的次数和时间等等控制信息等等。

步骤404：检测电池各种数据，计算电池相关参数。

根据电池的节数，通过选择性地开关继电器组的继电器，逐一选通对应的单体电池，逐一测量各单体电池的电压，同时还对电池组的其它物理量进行测量，并计算出相关的电池数据信息。

根据电池组的数据信息，可以判断电池组是处于充电状态、工作状态、还是空闲状态，在不同的状态下，分别执行如下操作。在充电状态下，则进入步骤403，在工作状态下，则进入步骤405，而在空闲状态下，则进入步骤407。

步骤403：判断电池组中是否存在过压电池，若有则进入步骤404，否则进入步骤409。

在一实施例中，如果电池组中电压最高的单体电池的电压超过电池组的单体电池的平均电压达一定程度，则该单体电池被判断为过压。在另一实施例中，直接将电压最高的单体电池视为过压电池，而不论其与平均电压的差距如何。

步骤404：对过压电池进行大电流脉冲放电修复。

一般地，在充电末期同组电池中电压最高的单体电池往往是同组中容量最小的电池，因此，需要对其进行均衡和修复。通过使对应该过压电池的继电器选通，可单独对该过压电池进行放电。通过对过压电池放电脉冲的频率进行控制，在放电的同时进行谐振修复处理，增加其荷电容量，使其与同组其它单体电池容量一致。脉冲的频率可以根据电池的类型和老化程度来确定。由于采用了大电流脉冲放电，电流中包含了丰富的谐波分量，可以激碎老化的结晶体，增加了电池的荷电容量。

步骤405：判断电池组中是否存在欠压电池，若有则进入步骤406，否则进入步骤409。

在一实施例中，如果电池组中电压最低的单体电池的电压低于电池组的单体电池的平均电压达一定程度，则该单体电池被判断为欠压。在另一实施例中，直接将电压最低的单体电池视为欠压电池，而不论其与平均电压的差距如何。

步骤406：对欠压电池进行大电流脉冲充电修复。

一般地，同组电池中电压最低的单体电池往往是同组中容量最小的电池，因此，需要对其进行均衡和修复。通过使对应该欠压电池的继电器选通，可单独对该欠压电池进行充电。通过对欠压电池充电脉冲的频率进行控制，在充电的同时进行谐振修复处理，增加其荷电容量，使其与同组其它单体电池容量一致。脉冲的频率可以根据电池的类型和老化程度来确定。由于采用了大电流脉冲充电，电流中包含了丰富的谐波分量，可以激碎老化的结晶体，增加了电池的荷电容量。充电能量来源于系统的开关电源模块。

步骤407：判断电池组是否处于平衡状态。

电池组处于平衡状态即表示电池组中的各单体电池之间的电池容量基本均衡，从而各电池之间的电压相对均匀。如果在充电状态下无过压电池而且在工作状态下也无欠压电池，此时，电池组一般会处于平衡状态。如果电池组不处于平衡状态，则可在充电状态或工作状态下执行均衡时对相应的单体电池进行修复。

步骤408：按需对电池组中的各单体电池轮流进行大电流脉冲激活。

大电流脉冲激活特别包括大电流脉冲放电，以对各单体电池进行维护，以保持各电池的电池容量，不让电池老化失效。例如，可以根据调度算法定期地对电池进行激活，或者也可基于用户的主动请求来发起激活操作。

步骤409：与外界通信以进行数据交换并等待进入下一个扫描周期开始。

在按需完成电池均衡和谐振修复或激活的同时，与外部显示接口或上位机相互通讯，用于显示电池组的工作状态与参数，并等待循环周期的结束，开始下一循环的电池参数检测。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

图5是示出了根据本发明的一方面的电池管理系统的外部接线图500。如图5所示，标号501指代直流电源插头、502指代用电负载或电池组输出接口、503指代空气开关+分励脱扣器、504指代电池组、以及505指代电池管理系统。

电池管理系统505的PA-PB端是用于控制充电机充电的常闭开关量，内部是输出继电器的常闭触点，当常闭触点断开，停止外部充电机充电。

+72V与GND端子为动力电池组高压输入端，用于给电池管理系统内部的高压转低压开关电源模块供能。

空气开关+分励脱扣器503是用于动力电池组的充放电主回路控制开关，当闭合空气开关，电池主回路接通，电池管理系统505上电工作，通过高压转低压的隔离开关电源，给电池管理系统上电自检，读取保存的历史数据和设置参数，并对整车的各个电池进行数据采集并判断当前电动汽车的状况，当明确电动汽车的状况后，电池管理系统505会进入到正常工作状态。

当电池管理系统505发现电池组504处于异常状态，需要紧急主动关断时，可以通过ERR端口输出高电压使分励脱扣器工作，跳开联动的空气开关，断开电池组504与外部的连接，保证动力电池组504的安全。

V1-V24分别为动力电池的每节电池的正极，其负极与GND端子共地输入，用于单体电池采样电压。

该电池管理系统具有功能完全，体积小，结构简单，安装升级方便，电池维护性效果好等特点。

根据本发明的电池管理系统具有电池修复供能，均衡过程对电池不断的产生高低变频脉冲，其一可以具有溶解大硫酸铅的条件，其二是脉冲扰动，破坏了大硫酸铅继续生长的条件，这种方法克服了以往修复技术的局限性，具有快速性、约8-12小时，修复效率高，耗电少，不会引起电池失水、正极板软化和改变电解液原结构等优点，对严重硫化的铅酸电池修复效果是过去的3～4倍，修复率达到90％以上，此技术的应用减少了电池的报废数量。

根据本发明的电池管理系统采用了继电器组作为交互通道，根据单体电池的数量配置同等数量的双向继电器，每次只接通一个继电器，将对应单体电池的电压输入到电池管理系统采样端，而且继电器可以承受一定强度的大电流，可以对单体电池进行均衡动作和修复动作。

根据本发明的电池管理系统内置了两级开关电源，第一级为高压转低压的开关电源，用于采用高压提供能量给电池管理系统供电和均衡的能量，第二级为双向可控开关电源，用于对单体电池的均衡充放电操作。

本系统由于自带谐振修复和激活功能，能延长电池的使用寿命。本系统可广泛应用于各种类型的电池组管理，如铅酸电池、锂电池和镍氢电池等，而且支持级联扩展，可以方便检测，监控和维护多节电池状况。而且，本系统具有减少的功能模块数量和安装线束，降低了电池管理系统装难度，并实现电池管理模块的互换性。

本领域技术人员将领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

软件应当被宽泛地解释成意味着指令、指令集、代码、代码段、程序代码、程序、子程序、软件模块、应用、软件应用、软件包、例程、子例程、对象、可执行件、执行的线程、规程、函数等，无论其是用软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言、还是其它术语来述及皆是如此。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (18)

1.一种用于电池组的主动均衡电池管理系统，包括：

电池参数采集模块，所述电池参数采集模块用于检测所述电池组中各电池的状态参数；以及

可控双向电源模块，所述可控双向电源模块根据所述电池组中各电池的状态参数通过对电池的脉冲充放电来对所述电池组进行主动均衡。

2.如权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，还包括：

继电器组，所述继电器组包括与所述电池组的电池数量相等的多个继电器，所述电池参数采集模块和所述可控双向电源模块通过所述继电器组耦接至所述电池组，其中所述继电器组用于每次选通所述继电器组中的一个继电器以使对应的电池接通所述电池参数采集模块和所述可控双向电源模块。

3.如权利要求2所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，在所述电池组的充电状态下，响应于所述电池组中存在过压的电池，则所述继电器组中与所述过压的电池对应的继电器被选通以使所述可控双向电源模块对所述过压的电池进行大电流脉冲放电修复。

4.如权利要求2所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，在所述电池组的工作状态下，响应于所述电池组中存在欠压的电池，则所述继电器组中与所述欠压的电池对应的继电器被选通以使所述可控双向电源模块对所述欠压的电池进行大电流脉冲充电修复。

5.如权利要求2所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，在所述电池组的空闲状态下，所述继电器组中的各继电器轮流选通以使所述可控双向电源模块对所述电池组中的各电池轮流进行大电流脉冲激活。

6.如权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述可控双向电源模块由用于升压的BOOST电路和用于降压的BUCK电路构成，以用于对所述电池组中的电池进行脉冲式充放电，其中所述BOOST电路和所述BUCK电路共用升降压电感。

7.如权利要求6所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述电池组的单体电池的标称电压高于所述主动均衡电池管理系统的系统电压，所述BOOST电路和所述BUCK电路的所述升降压电感耦接至所述系统电压，而V_cc端耦接至电池电压，其中所述BOOST电路用于通过升压对电池进行正脉冲充电，而所述BUCK电路用于通过降压对电池进行负脉冲放电。

8.如权利要求6所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述电池组的单体电池的标称电压低于所述主动均衡电池管理系统的系统电压，所述BOOST电路和所述BUCK电路的所述升降压电感耦接至电池电压，而V_cc端耦接至所述系统电压，其中所述BOOST电路用于通过升压对电池进行负脉冲放电，而所述BUCK电路用于通过降压对电池进行正脉冲充电。

9.如权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，还包括：

开关电源模块，所述开关电源模块用于从所述电池组汲取电压并通过高低压转换以向所述主动均衡电池管理系统提供用于其操作的系统电压。

10.如权利要求1所述的主动均衡电池管理系统，其特征在于，所述可控双向电源模块用来自所述开关电源模块的电能对所述电池组的电池进行脉冲充电。

11.一种对电池组进行主动均衡的方法，包括：

检测所述电池组中各电池的状态参数；以及

根据所述电池组中各电池的状态参数通过对电池的脉冲充放电来对所述电池组进行主动均衡。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，根据所述电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对所述电池组进行主动均衡包括：

在所述电池组的充电状态下，响应于所述电池组中存在过压的电池，则选通与所述过压的电池对应的继电器以经由所述继电器对所述过压的电池进行大电流脉冲放电修复。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，根据所述电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对所述电池组进行主动均衡包括：

在所述电池组的工作状态下，响应于所述电池组中存在欠压的电池，则选通与所述欠压的电池对应的继电器以经由所述继电器对所述欠压的电池进行大电流脉冲充电修复。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述状态参数包括电池电压，根据所述电池组中各电池的状态参数通过脉冲式的充放电对所述电池组进行主动均衡包括：

在所述电池组的空闲状态下，轮流选通与所述电池组中的各电池对应的继电器以经由相应的继电器对各电池轮流进行大电流脉冲激活。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电池组的单体电池的标称电压高于所述主动均衡电池管理系统的系统电压，

其中，对电池的脉冲充电包括通过从所述系统电压至电池电压的升压对电池进行正脉冲充电，

对电池的脉冲放电包括通过从电池电压到所述系统电压的降压对电池进行负脉冲放电。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述电池组的单体电池的标称电压低于所述主动均衡电池管理系统的系统电压，

其中，对电池的脉冲充电包括通过从所述系统电压至电池电压的降压对电池进行正脉冲充电，

对电池的脉冲放电包括通过从电池电压到所述系统电压的升压对电池进行负脉冲放电。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，用于从所述电池组汲取电压并通过高低压转换以向所述主动均衡电池管理系统提供用于其操作的系统电压。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过高低压转换从所述电池组获得的电能被用于对所述电池组的电池进行脉冲充电。