本實(shí)用新型涉及一種均衡電路，尤其涉及一種基于FPGA架構(gòu)的復(fù)合主動均衡電路。

背景技術(shù)：

均衡控制是電池組均衡技術(shù)是電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，建立在電池電壓、電流、溫度等參數(shù)的精確測量的基礎(chǔ)上，通過各種評估方法得到剩余電量和SoC，進(jìn)而對單體電池的剩余電量進(jìn)行均衡處理。絕大多數(shù)的電池應(yīng)用需要比單個(gè)或數(shù)串電池更高的電壓，所以使用過程中往往是多電芯、多電池包的組合應(yīng)用。而電芯間的不均衡在電池組系統(tǒng)中很常見，如果缺乏均衡技術(shù)，會導(dǎo)致電芯過充、充電不足甚至過度放電，大大縮短電池壽命。所以說均衡對鋰電池系統(tǒng)尤為重要。

目前的電池均衡電路設(shè)計(jì)主流方案有：

1.被動均衡式電路設(shè)計(jì)：就是把整組電池系統(tǒng)中，串聯(lián)成組的單體電池電壓差異性，通過BMS進(jìn)行電壓采集，以事先預(yù)設(shè)的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時(shí)最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內(nèi)電池差異時(shí)，即對組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電電流，一直到電壓最低的那只單體電池到達(dá)“上限閾值電壓”為一個(gè)平衡周期。通過放電均衡的辦法讓電池組內(nèi)的電池電壓趨于一致。

2.基于Freescale芯片的主動均衡電路設(shè)計(jì)：通過類似于Freescale芯片等單片機(jī)或嵌入式系統(tǒng)搭建硬件電路，為芯片寫入一定程序控制此硬件電路來控制均衡，但硬件成本高，工作效率低。

3.單均衡電路的電池管理系統(tǒng)。

在整個(gè)電池均衡系統(tǒng)中根據(jù)電池?cái)?shù)量/功率大小/空間成本選擇使用一種均衡電路結(jié)構(gòu)。

電池管理的均衡技術(shù)如此重要，但現(xiàn)有技術(shù)方案存在效率不高、成本高、電路復(fù)雜、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；所以，針對現(xiàn)有技術(shù)效率和成本的問題，本技術(shù)提出了一種基于FPGA架構(gòu)的復(fù)合主動均衡電路設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的被動均衡式的電路，采用電阻耗能，會產(chǎn)生熱量，從而使整個(gè)系統(tǒng)的工作效率降低。同時(shí)均衡電流很小，通常情況下小于100mA，對大容量電池的作用可以忽略不記，電池荷電狀態(tài)估算(SoC)精度也很低。由于放電電阻不能選得太小，充電結(jié)束時(shí)，根據(jù)電池特性往往小容量電池的電壓是最高的，所以在均衡時(shí)，放掉的恰恰是小容量電池的電量，反而會加大了電池間的互差。而且因?yàn)殡姵氐哪芰勘浑娮柘?，能量效率很低?/p>

現(xiàn)有的Freescale方案雖可以實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)主動均衡的策略，但因單體電池和電池包數(shù)量多使這種方案存在如下問題：

工作效率低。因?yàn)镕reeScale芯片并不具有強(qiáng)大的并行處理數(shù)據(jù)的功能，所以當(dāng)同時(shí)控制多組電池時(shí)，不能實(shí)現(xiàn)快速均衡。

電路復(fù)雜，安全性能差。由于面臨多路的電壓、電流和溫度采集，以及均衡控制電路和控制策略，導(dǎo)致電路元件大大增加，電路復(fù)雜，從而降低了系統(tǒng)的安全性。

成本高，包括開發(fā)成本和維護(hù)或升級成本。每個(gè)電池包都需要一個(gè)控制器、多個(gè)電池包之間也需要一個(gè)控制器，使用FreeScale方案就意味著芯片用量大、元器件多、電路面積大，造成硬件成本高的問題。FreeScale芯片是定制好了的芯片，一款FreeScale均衡系統(tǒng)只能對應(yīng)特定電池包，當(dāng)電池組改變或改變均衡方式時(shí)就需要重新配置控制系統(tǒng)，致使該方案開發(fā)周期長，后期成本高。

穩(wěn)定性差。FreeScale方案需要多個(gè)MCU的共同配合，開發(fā)難度大，致使系統(tǒng)的穩(wěn)定性不高。

易被仿制。系統(tǒng)過于依賴硬件電路實(shí)現(xiàn)，而硬件電路很容易被抄襲。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于FPGA架構(gòu)的復(fù)合主動均衡電路。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

本實(shí)用新型包括電池組、電池信息采集電路、均衡電路和FPGA模塊，所述電池組的輸出端與所述電池信息采集電路的輸入端連接，所述電池信息采集電路的輸出端通過所述FPGA模塊與所述均衡電路的輸入端連接，所述均衡電路的輸出端與所述電池組的輸入端連接。

具體地，所述電池信息采集電路由電流采集電路、溫度采集電路和電壓采集電路構(gòu)成。所述電池組最高可以由16串聯(lián)和16并聯(lián)構(gòu)成，以磷酸鐵鋰電池為例，最高可以達(dá)到(819V，880Ah)；所述均衡電路包括PWM控制變換器法和DC-DC雙向變換器法；所述FPGA模塊中經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換-數(shù)據(jù)分析和驅(qū)動控制步驟。(加入2中均衡電路的比較和在本實(shí)例中的應(yīng)用:DC-DC雙向變換器法是電池組到電芯的均衡方式，指將多節(jié)電池串聯(lián)而成的電池組的電量轉(zhuǎn)化為輸出，為其它低電壓電池供電。這種均衡方式能有效提高電池組充放電容量，成本低控制簡單。PWM控制變換器法是電芯到電芯的均衡方式，指在每2個(gè)電芯間有1個(gè)均衡模塊，由PWM信號來觸發(fā)均衡模塊是能量能夠自上而下或自下而上從最高電壓電芯轉(zhuǎn)移到最低壓電芯。這種均衡方式成本適中，效率高，支持雙向充放電，但開關(guān)能承受額電壓壓力和電流壓力不大。本專利特色在于根據(jù)動力電池電池多/電壓電流壓力大/電路復(fù)雜的特點(diǎn)使用了PWM控制變換器和DCDC雙向均衡的復(fù)合均衡結(jié)構(gòu)。使簡化電路結(jié)構(gòu)和降低成本后仍能滿足功能需求。)

本實(shí)用新型的有益效果在于：

本實(shí)用新型是一種基于FPGA架構(gòu)的復(fù)合主動均衡電路，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型基于FPGA架構(gòu)，采取DC-DC均衡和PWM控制變換器兩種主動式電路組成的復(fù)合式均衡電路設(shè)計(jì)提高了電池能量效率、大大減少了硬件成本。主動均衡的方法顯然要比被動均衡避免了能量的浪費(fèi)，同時(shí)也避免了被動均衡(放電)過程中產(chǎn)生的發(fā)熱，從而提高了系統(tǒng)的安全性。而且當(dāng)使用FPGA方案實(shí)現(xiàn)主動均衡時(shí)，電路會大大簡化。FPGA也能夠提供硬件定時(shí)的速度和穩(wěn)定性并且FPGA屬于真正的并行實(shí)行，因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。FPGA也不使用操作系統(tǒng)，擁有真正的并行執(zhí)行和專注于每一項(xiàng)任務(wù)的確定性硬件，可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問題的可能。利用硬件并行的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA方案能在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù)。非常適合多個(gè)電池，多個(gè)電池包這樣需要同時(shí)處理大量數(shù)據(jù)的均衡控制系統(tǒng)。

本實(shí)用新型成本也相對低。對于電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，面對不同的組合的電池組，系統(tǒng)的需求時(shí)時(shí)都會發(fā)生改變，工程師更多的是需要的是自定義硬件功能，從而找出最佳的系統(tǒng)方案?？删幊绦酒奶匦砸馕吨こ處熆梢怨?jié)省制造成本以及漫長制板時(shí)間。對于生產(chǎn)商而言，F(xiàn)PGA方案節(jié)省了元器件和電路板面積，大大減少了硬件成本，這意味著產(chǎn)品在價(jià)格上更具競爭力。因?yàn)镕PGA方案使硬件需求減到最低，核心部分用編程的方式實(shí)現(xiàn)，大大提高了他人仿制難度。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)原理框圖；

圖2是本實(shí)用新型的電壓采集電路；

圖3是本實(shí)用新型的電流采集電路；

圖4是本實(shí)用新型的溫度采集電路；

圖5是本實(shí)用新型的均衡電路結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1所示：本實(shí)用新型包括電池組、電池信息采集電路、均衡電路和FPGA模塊，所述電池組的輸出端與所述電池信息采集電路的輸入端連接，所述電池信息采集電路的輸出端通過所述FPGA模塊與所述均衡電路的輸入端連接，所述均衡電路的輸出端與所述電池組的輸入端連接。

具體地，所述電池信息采集電路由電流采集電路、溫度采集電路和電壓采集電路構(gòu)成。所述電池組由16串聯(lián)和16并聯(lián)構(gòu)成；所述均衡電路包括PWM控制變換器法和DC-DC雙向變換器法；所述FPGA模塊中經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換-數(shù)據(jù)分析和驅(qū)動控制步驟

電池組，包括多個(gè)串聯(lián)的電池包，由單體電池按特定方式組合而成。具體實(shí)施中先以16節(jié)單體電池串聯(lián)成組，在將16個(gè)電池組并聯(lián)成塊，再將16塊大電池塊串聯(lián)成一個(gè)高壓高容量的電池包。

信息采集電路，一端電池組連接，采集模擬量，一端與FPGA芯片相連，將模擬量傳輸給FPGA中模/數(shù)轉(zhuǎn)化部分。實(shí)時(shí)采集著每個(gè)單體電池的電壓、電流、溫度。

如圖2所示：電壓采集：

電壓采集電路是針對最后的大電池組的電壓進(jìn)行檢測,電池組電壓的采集包含了對電池組單體電池電壓的檢測和對電池組總體電壓的檢測。本設(shè)計(jì)中通過FPGA對開關(guān)的控制,可以實(shí)現(xiàn)對電池組總體電壓的檢測,也可以對電池組中任意一節(jié)電池的電壓檢測。此處電壓采集電路只是采集電壓的模擬量，模/數(shù)轉(zhuǎn)換在FPGA芯片另行設(shè)計(jì)，減少了硬件電路的復(fù)雜度，減少硬件成本，也方便在工程師更換數(shù)據(jù)采集算法。

如圖3所示：電流采集

電池組與負(fù)載之間串聯(lián)了一個(gè)50m的電阻R5,這個(gè)電阻主要用來采樣電池組的放電電流,電阻R5兩端的電壓通過電流檢測放大器MAX4172放大后以電流的形式通過OUT引腳輸出,再通過電阻R6轉(zhuǎn)換成電壓信號。

如圖4所示：溫度采集

每個(gè)單體取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖中給出了其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接電路。首先，選取熱敏電阻RT103作為溫度傳感原件，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；接著，電壓信號輸入模擬開關(guān)器件CD4067D，可通過FPGA配置其ABCD四個(gè)控制端對輸入信號進(jìn)行選通，并由其公共端即管腳1輸出；最后，模擬開關(guān)輸出的信號經(jīng)RC濾波及限幅處理后輸入到FPGA芯片的AD輸入端，節(jié)點(diǎn)溫度采集得以實(shí)現(xiàn)。

均衡電路

按一定方式與電池組連接，形成雙層的均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采取DC-DC雙向均衡和PWM控制變器的復(fù)合設(shè)計(jì)，單體電池間及電池包間的均能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，使處于不同位置的單體電池有能力達(dá)到相同的最大平均均衡電流，助于解決傳統(tǒng)均衡方法由于電池?cái)?shù)量過多造成的均衡路經(jīng)長、損耗較大、均衡效率不高的問題。

如圖5所示：最小電池包由16個(gè)單體電池串聯(lián)而成，每個(gè)單體電池間采用層級結(jié)構(gòu)將均衡電路連在其中，我們將串聯(lián)在一起的16個(gè)單體電池間的均衡成為底層均衡。因底層均衡所涉及單體電池較多、電壓相比不大，故采用PWM控制變換器法進(jìn)行單體電池的均衡。為圖中e1、e2等部分。

均衡控制電路

均衡控制電路與信息采集電路和均衡電路連接，主體為FPGA芯片，通過硬件編程用以實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，電池信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分析、均衡控制。數(shù)據(jù)處理部分獲取信息采集電路的底層單體電池信息，因FPGA強(qiáng)大的數(shù)據(jù)并行處理能力，可同時(shí)采集一個(gè)最小電池包的16個(gè)單體電池信息，比較各電池電壓，進(jìn)行均衡處理。各電池包間的電壓以一定速率通過輪檢方式進(jìn)行采集，處理。對于頂層的串聯(lián)大電池包，在并聯(lián)在一起的16個(gè)最小電池包中選取一個(gè)，計(jì)算該最小電池包中電池電壓平均值。將所得的16個(gè)平均值間進(jìn)行比較，對超出閾值的頂層電池包進(jìn)行均衡處理

以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征及本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。