一種基于FPGA架構的復合主動均衡電路的制作方法

本發明涉及一種均衡電路，尤其涉及一種基于FPGA架構的復合主動均衡電路。

背景技術：

均衡控制是電池組均衡技術是電池管理系統關鍵技術之一，建立在電池電壓、電流、溫度等參數的精確測量的基礎上，通過各種評估方法得到剩余電量和SoC，進而對單體電池的剩余電量進行均衡處理。絕大多數的電池應用需要比單個或數串電池更高的電壓，所以使用過程中往往是多電芯、多電池包的組合應用。而電芯間的不均衡在電池組系統中很常見，如果缺乏均衡技術，會導致電芯過充、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尤為重要。

目前的電池均衡電路設計主流方案有：

1.被動均衡式電路設計：就是把整組電池系統中，串聯成組的單體電池電壓差異性，通過BMS進行電壓采集，以事先預設的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準，任何一只單體電池只要在充電時最先達到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內電池差異時，即對組內單體電壓最高的那只電池，通過并聯在單體電池的能耗電阻進行放電電流，一直到電壓最低的那只單體電池到達“上限閾值電壓”為一個平衡周期。通過放電均衡的辦法讓電池組內的電池電壓趨于一致。

2.基于Freescale芯片的主動均衡電路設計：通過類似于Freescale芯片等單片機或嵌入式系統搭建硬件電路，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。

在整個電池均衡系統中根據電池數量/功率大小/空間成本選擇使用一種均衡電路結構。

電池管理的均衡技術如此重要，但現有技術方案存在效率不高、成本高、電路復雜、穩定性差等缺點；所以，針對現有技術效率和成本的問題，本技術提出了一種基于FPGA架構的復合主動均衡電路設計。

現有的被動均衡式的電路，采用電阻耗能，會產生熱量，從而使整個系統的工作效率降低。同時均衡電流很小，通常情況下小于100mA，對大容量電池的作用可以忽略不記，電池荷電狀態估算(SoC)精度也很低。由于放電電阻不能選得太小，充電結束時，根據電池特性往往小容量電池的電壓是最高的，所以在均衡時，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。而且因為電池的能量被電阻消耗，能量效率很低。

現有的Freescale方案雖可以實現電源管理系統主動均衡的策略，但因單體電池和電池包數量多使這種方案存在如下問題：

工作效率低。因為FreeScale芯片并不具有強大的并行處理數據的功能，所以當同時控制多組電池時，不能實現快速均衡。

電路復雜，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，導致電路元件大大增加，電路復雜，從而降低了系統的安全性。

成本高，包括開發成本和維護或升級成本。每個電池包都需要一個控制器、多個電池包之間也需要一個控制器，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均衡系統只能對應特定電池包，當電池組改變或改變均 衡方式時就需要重新配置控制系統，致使該方案開發周期長，后期成本高。

穩定性差。FreeScale方案需要多個MCU的共同配合，開發難度大，致使系統的穩定性不高。

易被仿制。系統過于依賴硬件電路實現，而硬件電路很容易被抄襲。

技術實現要素：

本發明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種基于FPGA架構的復合主動均衡電路。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

本發明包括電池組、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成。所述電池組最高可以由16串聯和16并聯構成，以磷酸鐵鋰電池為例，最高可以達到(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模塊中經過模/數轉換-數據分析和驅動控制步驟。(加入2中均衡電路的比較和在本實例中的應用:DC-DC雙向變換器法是電池組到電芯的均衡方式，指將多節電池串聯而成的電池組的電量轉化為輸出，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個電芯間有1個均衡模塊，由PWM信號來觸發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，但開關能承受額電壓壓力和電流壓力不大。本專利特色在于根據 動力電池電池多/電壓電流壓力大/電路復雜的特點使用了PWM控制變換器和DCDC雙向均衡的復合均衡結構。使簡化電路結構和降低成本后仍能滿足功能需求。)

本發明的有益效果在于：

本發明是一種基于FPGA架構的復合主動均衡電路，與現有技術相比，本發明基于FPGA架構，采取DC-DC均衡和PWM控制變換器兩種主動式電路組成的復合式均衡電路設計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，同時也避免了被動均衡(放電)過程中產生的發熱，從而提高了系統的安全性。而且當使用FPGA方案實現主動均衡時，電路會大大簡化。FPGA也能夠提供硬件定時的速度和穩定性并且FPGA屬于真正的并行實行，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，擁有真正的并行執行和專注于每一項任務的確定性硬件，可減少穩定性方面出現問題的可能。利用硬件并行的優勢，FPGA方案能在每個時鐘周期內完成更多的處理任務。非常適合多個電池，多個電池包這樣需要同時處理大量數據的均衡控制系統。

本發明成本也相對低。對于電池管理系統的設計者來說，面對不同的組合的電池組，系統的需求時時都會發生改變，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方案。可編程芯片的特性意味著工程師可以節省制造成本以及漫長制板時間。對于生產商而言，FPGA方案節省了元器件和電路板面積，大大減少了硬件成本，這意味著產品在價格上更具競爭力。因為FPGA方案使硬件需求減到最低，核心部分用編程的方式實現，大大提高了他人仿制難度。

附圖說明

圖1是本發明的系統原理框圖；

圖2是本發明的電壓采集電路；

圖3是本發明的電流采集電路；

圖4是本發明的溫度采集電路；

圖5是本發明的均衡電路結構。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明：

如圖1所示：本發明包括電池組、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成。所述電池組由16串聯和16并聯構成；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模塊中經過模/數轉換-數據分析和驅動控制步驟

電池組，包括多個串聯的電池包，由單體電池按特定方式組合而成。具體實施中先以16節單體電池串聯成組，在將16個電池組并聯成塊，再將16塊大電池塊串聯成一個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/數轉化部分。實時采集著每個單體電池的電壓、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。本設計中通過FPGA對開關的控制,可以實現對電池組總體電壓的檢測,也可以對電池組中任意一節電池的電壓檢測。此處電壓采集電路只是采集電壓的模擬量，模/數轉換在FPGA芯片另行設計，減少了硬件電路的復雜度，減少硬件成本，也方便在工程師更換數據采集算法。

如圖3所示：電流采集

電池組與負載之間串聯了一個50m的電阻R5,這個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轉換成電壓信號。

如圖4所示：溫度采集

每個單體取一個節點，圖中給出了其中一個節點的連接電路。首先，選取熱敏電阻RT103作為溫度傳感原件，將溫度信號轉換為電壓信號；接著，電壓信號輸入模擬開關器件CD4067D，可通過FPGA配置其ABCD四個控制端對輸入信號進行選通，并由其公共端即管腳1輸出；最后，模擬開關輸出的信號經RC濾波及限幅處理后輸入到FPGA芯片的AD輸入端，節點溫度采集得以實現。

均衡電路

按一定方式與電池組連接，形成雙層的均衡系統結構，采取DC-DC雙向均衡和PWM控制變器的復合設計，單體電池間及電池包間的均能實現能量轉移，使處于不同位置的單體電池有能力達到相同的最大平均均衡電流，助于解決傳統均衡方法由于電池數量過多造成的均衡路經長、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個單體電池串聯而成，每個單體電池間采用層級結構將均衡電路連在其中，我們將串聯在一起的16個單體電池間的均衡 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現三個功能，電池信息的模數轉換、數據分析、均衡控制。數據處理部分獲取信息采集電路的底層單體電池信息，因FPGA強大的數據并行處理能力，可同時采集一個最小電池包的16個單體電池信息，比較各電池電壓，進行均衡處理。各電池包間的電壓以一定速率通過輪檢方式進行采集，處理。對于頂層的串聯大電池包，在并聯在一起的16個最小電池包中選取一個，計算該最小電池包中電池電壓平均值。將所得的16個平均值間進行比較，對超出閾值的頂層電池包進行均衡處理

以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。