CN101740827B

CN101740827B - 一种锂离子动力电池的主动均衡系统及其均衡方法

Info

Publication number: CN101740827B
Application number: CN200910251509.2A
Authority: CN
Inventors: 苏志高
Original assignee: SAIC Chery Automobile Co Ltd; Infineon Technologies AG
Current assignee: Chery Automobile Co Ltd; Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: CN101740827A

Abstract

本发明涉及一种锂离子动力电池的主动均衡系统，包括由多个电池单体串联组成的电池模块B，变压器T的初级线圈L通过总开关S接电池模块B的正、负极，变压器T的各个次级线圈分别通过各个分开关接在各个电池单体的正、负极上，总开关S跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端之间，采样处理电路接在主控芯片MCU的信号输入端和总开关S之间。本发明还公开了一种锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法。本发明利用电感效应，通过电能——磁能——电能的转换完成相互充电或放电的过程，实现了对电池单体电量的上限或下限均衡的功能，延长了蓄电池的寿命，无需采用冷却系统，结构简单。

Description

一种锂离子动力电池的主动均衡系统及其均衡方法

技术领域

本发明涉及一种汽车电池均衡技术，尤其是一种锂离子动力电池的主动均衡系统及其均衡方法。

背景技术

动力蓄电池多采用串联方式连接，由于各单块蓄电池在制造、初始容量、电压、内阻以及蓄电池组中各单块蓄电池的温度等方面均不完全相同，在使用过程中，会造成某单块蓄电池的过充电和过放电现象，严重时会造成个别蓄电池的容量比其它蓄电池都低，在放电过程中，其电量首先放完，同时，由于该蓄电池的电压低，又丧失了放电的能力，这时它就成为了一个用电器，其余尚有容量的蓄电池就串联起来给它充电，出现蓄电池的反极现象，使得整个蓄电池组不能够正常工作，同时对反极的蓄电池寿命造成极大的影响。

在充电过程中，首先放完电的蓄电池，又会首先被充满，这样就会出现过充电现象，使得整个蓄电池组不能正常被充满电。实际上一组蓄电池中的实际放出的容量是由实际容量最小的那块蓄电池所决定的，即该蓄电池容量告罄时，其他蓄电池无法继续工作.充电过程中也是如此。因此在混合动力电动汽车的储能蓄电池工作过程中，蓄电池间的不均衡性是影响蓄电池工作的一个非常有害的因素，对电池组进行均衡控制是十分有必要。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种能够对若干电池单体的电量进行均衡、延长蓄电池寿命的的锂离子动力电池的主动均衡系统。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种锂离子动力电池的主动均衡系统，包括由多个电池单体串联组成的电池模块B，变压器T的初级线圈L通过总开关S接电池模块B的正、负极，变压器T的各个次级线圈分别通过各个分开关接在各个电池单体的正、负极上，总开关S跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端之间，采样处理电路接在主控芯片MCU的信号输入端和总开关S之间。

本发明的另一目的在于提供一种锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)断开总开关S，依次闭合各个分开关，使采样处理电路对各个电池单体的电量进行循环采样，并将采样结果发送至主控芯片MCU；

(2)主控芯片MCU计算电池模块B内各个电池单体的平均电压，对电压高的电池单体进行上限均衡，反之，对电压低的电池单体进行下限均衡。

由上述技术方案可知，本发明将变压器T的初级线圈L连接在电池模块B上，将变压器T的次级线圈分别与组成电池模块B的各个电池单体连接，利用电感效应，通过电能——磁能——电能的转换完成相互充电或放电的过程，实现了对电池单体电量的上限或下限均衡的功能，延长了蓄电池的寿命，无需采用冷却系统，结构简单，高效率、低功耗，更符合节能环保的概念。

附图说明

图1是本发明的结构框图；

图2是图1中采样处理电路的电路图；

图3是本发明的系统扩展图。

具体实施方式

一种锂离子动力电池的主动均衡系统，包括由多个电池单体串联组成的电池模块B，变压器T的初级线圈L通过总开关S接电池模块B的正、负极，变压器T的各个次级线圈分别通过各个分开关接在各个电池单体的正、负极上，总开关S跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端之间，采样处理电路1接在主控芯片MCU的信号输入端和总开关S之间，如图1所示。

结合图1、2，所述的采样处理电路1包括二极管D1，二极管D1的正极与初级线圈L的一端相连，二极管D1的负极分两路输出，一路与电阻R2的一端相连，另一路与电容C1的一端连接，电阻R2的另一端与稳压二极管D2的正极相连，稳压二极管D2的负极接稳压二极管D3的负极，稳压二极管D3的正极与初级线圈L的另一端相连，二极管D1、电阻R2、稳压二极管D2、稳压二极管D3和初级线圈L组成串联回路，电容C1的另一端接主控芯片MCU的信号输入端，电容C2与电阻R1并联后跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端上，主控芯片MCU的接地端接地，初级线圈L的一端与总开关S相连，通过总开关S接地。所述的总开关S和各个分开关均采用场效应管，总开关S为场效应管Q，所述的初级线圈L的一端与场效应管Q的漏极相连，场效应管Q的源极接地。采样处理电路1用于对电池模块B内的电池单体进行循环采样。

结合图1、2，本发明中的电池模块B由3个电池单体组成，所述的变压器T的次级线圈包括第一、二、三次级线圈L1、L2、L3，所述的电池单体B包括第一、二、三电池单体B1、B2、B3，第一次级线圈L1的两端分别通过分开关S1、S2接第一电池单体B1的正、负极，第二次级线圈L2的两端分别通过分开关S3、S4接第二电池单体B2的正、负极，第三次级线圈L3的两端分别通过分开关S5、S6接第三电池单体B3的正、负极。变压器T的次级线圈也可以通过一个分开关与电池单体连接，采用两个分开关的安全性更强。

以下结合图1、2对本发明作进一步的说明。

在工作时，首先，断开总开关S，依次闭合各个分开关，使采样处理电路1对各个电池单体的电量进行循环采样，并将采样结果发送至主控芯片MCU；其次，主控芯片MCU计算电池模块B内电池单体的平均电压，对电压高的电池单体进行上限均衡，反之，对电压低的电池单体进行下限均衡。

首先，在对电池单体的电量进行循环采样时，先断开总开关S，闭合分开关S1、S2，变压器T的初级线圈L上产生电流，二极管D1导通，对电容C1进行充电，主控芯片MCU对电容C1两端的电压进行采集，即实现了对第一电池单体B1的电量的采集；同理，断开分开关S1、S2，闭合分开关S3、S4，对第二电池单体B2的电量进行采集；断开分开关S3、S4，闭合分开关S5、S6，对第三电池单体B3的电量进行采集，然后断开分开关S5、S6，采样处理电路1将第一、二、三电池单体B1、B2、B3的电压值发送至主控芯片MCU，所述的分开关S1、S2、S3、S4、S5、S6闭合的时间为4ms，由于分开关的闭合时间越长，电池单体对变压器T转移的电量越多，因此，在采集电压的过程中，尽可能的缩短分开关的闭合时间。

若检测出第一电池单体B1的电压U1与第一、二、三电池单体B1、B2、B3电压的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则主控芯片MCU驱动主开关S导通，使电池模块B向变压器T充电，然后断开主开关S，闭合分开关S1、S2，变压器T储存的能量转移到第一电池单体B1上，然后返回采样处理电路1对各个电池单体的电量继续进行循环采样。相反，若检测出第一电池单体B1的电压U1与第一、二、三电池单体B1、B2、B3电压的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，闭合分开关S1、S2，使第一电池单体B1对变压器T充电，然后断开分开关S1、S2，闭合主开关S，变压器T储存的能量转移到电池模块B上，然后返回采样处理电路1对各个电池单体的电量继续进行循环采样。本发明相对于其他均衡方案的优势在于采用了主动均衡方式，上、下限均衡兼备，同时解决了充电均衡和放电均衡，一举两得；效率高，损失功耗小，无需采用冷却措施同时改善了系统平衡。

本发明也可采用通用模块化设计，可以根据系统的需要进行扩展，方便灵活，而且成本极低。

结合图3，本发明以两个电池模块即第一、二电池模块Ba、Bb为例，每个电池模块均由三个电池单体组成，变压器T的初级线圈通过分开关SP1、SP2与第一电池模块Ba的正负极连接，通过分开关SP3、SP4与第二电池模块Bb的正负极连接。图3所示的120欧姆的电阻是CAN总线上的终端电阻，两个CAN节点之间的终端电阻必须保证是60欧姆，所以采用两个120欧姆并联。第一、二电池模块Ba、Bb在车上是串联在一起的。

结合图3，电池模块内的电池单体与变压器次级线圈的连接方式不变，三个电池单体都是分别通过两个分开关与变压器T的三个次级线圈连接。不同的是将变压器T的初级线圈分为第一初级线圈La和第二初级线圈Lb两段串联，第一初级线圈La的一端接二极管D4的正极，另一端分两路连出，第一路与第二初级线圈Lb的一端相连，第二路接在分开关SP2的一端上后接第一主控芯片MCU的接地端，分开关SP2的另一端与通过采样处理电路1接第一主控芯片MCU的信号输入端，第二初级线圈Lb的另一端接二极管D5的正极，二极管D2的负极接分开关SP3的一端，二极管D5的负极与二极管D4的负极连接，分开关SP4的一端接第二主控芯片MCU的接地端，另一端通过采样处理电路1接第二主控芯片MCU的信号输入端，第一主控芯片MCU、第二主控芯片MCU分别通过CAN总线与总主控芯片MCU通讯，总主控芯片MCU用于缩短两电池模块之间的信号线的长度，便于信号之间的快捷传输。

扩展后的系统在工作时，首先需要对第一、二电池模块Ba、Bb进行电压采样，短暂闭合分开关SP1、SP2，变压器T的初级线圈上产生电流，然后断开分开关SP1、SP2，变压器T的初级线圈中的电流流向与第一主控芯片MCU相连的采样处理电路1，对第一电池模块Ba进行电量采集。同理，闭合分开关SP3、SP4，与第二主控芯片MCU相连的采样处理电路1对第二电池模块Bb进行电量采集。

其次，采用相同的计算方法计算两电池模块的平均电压值，并采用相同的判断方法判断出电压值最小的电池模块，若第一电池模块Ba的电压值最小，并且满足下限均衡的条件时，则主控芯片MCU驱动分开关SP3、SP4导通，使第二电池模块Bb向变压器T充电，然后断开分开关SP3、SP4，闭合分开关SP1、SP2，变压器T储存的能量转移到第一电池模块Ba上。然后返回采样处理电路1对各个电池模块的电量继续进行循环采样。相反，若第一电池模块Ba的电压值最小，并且满足上限均衡的条件时，则主控芯片MCU驱动分开关SP1、SP2导通，使第一电池模块Ba向变压器T充电，然后断开分开关SP1、SP2，闭合分开关SP3、SP4，变压器T储存的能量转移到第二电池模块Bb上。然后返回采样处理电路1对各个电池模块的电量继续进行循环采样。可见，本发明也可采用模块化设计，系统扩展方便、简单。

综上所述，本发明的核心在于将变压器T的初级线圈L连接在电池模块B上，将变压器T的次级线圈分别与组成电池模块B的各个电池单体连接，利用电感效应，通过电能——磁能——电能的转换完成相互充电或放电的过程，实现了对电池单体电量的上限或下限均衡的功能，上限均衡适合在充电过程中均衡，防止个别电池单体过充，以保证每节电池单体的能量都能补充到相同的状态；下限均衡可以避免过放，延长电池组的工作时间。

Claims

1.一种锂离子动力电池的主动均衡系统，其特征在于：包括由多个电池单体串联组成的电池模块B，变压器T的初级线圈L通过总开关S接电池模块B的正、负极，变压器T的各个次级线圈分别通过各个分开关接在各个电池单体的正、负极上，总开关S跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端之间，采样处理电路接在主控芯片MCU的信号输入端和总开关S之间。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池的主动均衡系统，其特征在于：所述的采样处理电路包括二极管D1，二极管D1的正极与初级线圈L的一端相连，二极管D1的负极分两路输出，一路与电阻R2的一端相连，另一路与电容C1的一端连接，电阻R2的另一端与稳压二极管D2的正极相连，稳压二极管D2的负极接稳压二极管D3的负极，稳压二极管D3的正极与初级线圈L的另一端相连，二极管D1、电阻R2、稳压二极管D2、稳压二极管D3和初级线圈L组成串联回路，电容C1的另一端接主控芯片MCU的信号输入端，电容C2与电阻R1并联后跨接在主控芯片MCU的信号输入端和接地端上，主控芯片MCU的接地端接地，初级线圈L的一端与总开关S相连，通过总开关S接地。

3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池的主动均衡系统，其特征在于：所述的变压器T的次级线圈包括第一、二、三次级线圈L1、L2、L3，所述的电池单体包括第一、二、三电池单体B1、B2、B3，第一次级线圈L1的两端分别通过分开关S1、S2接第一电池单体B1的正、负极，第二次级线圈L2的两端分别通过分开关S3、S4接第二电池单体B2的正、负极，第三次级线圈L3的两端分别通过分开关S5、S6接第三电池单体B3的正、负极。

4.根据权利要求1或2所述的锂离子动力电池的主动均衡系统，其特征在于：所述的总开关S和各个分开关均采用场效应管，总开关S为场效应管Q，所述的初级线圈L的一端与场效应管Q的漏极相连，场效应管Q的源极接地。

5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，该方法包括下列顺序的步骤：

6.根据权利要求5所述的锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，其特征在于：所述的变压器T的次级线圈包括第一、二、三次级线圈L1、L2、L3，所述的电池单体包括第一、二、三电池单体B1、B2、B3，第一次级线圈L1的两端分别通过分开关S1、S2接第一电池单体B1的正、负极，第二次级线圈L2的两端分别通过分开关S3、S4接第二电池单体B2的正、负极，第三次级线圈L3的两端分别通过分开关S5、S6接第三电池单体B3的正、负极。

7.根据权利要求6所述的锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，其特征在于：在对电池单体的电量进行循环采样时，先断开总开关S，闭合分开关S1、S2，对第一电池单体B1的电量进行采集；断开分开关S1、S2，闭合分开关S3、S4，对第二电池单体B2的电量进行采集；断开分开关S3、S4，闭合分开关S5、S6，对第三电池单体B3的电量进行采集，然后断开分开关S5、S6，采样处理电路将第一、二、三电池单体B1、B2、B3的电压值发送至主控芯片MCU，所述的分开关S1、S2、S3、S4、S5、S6闭合的时间为4ms。

9.根据权利要求7所述的锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，其特征在于：若检测出第一电池单体B1的电压U1与第一、二、三电池单体B1、B2、B3电压的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则主控芯片MCU驱动主开关S导通，使电池模块B向变压器T充电，然后断开主开关S，闭合分开关S1、S2，变压器T储存的能量转移到第一电池单体B1上。

10.根据权利要求7所述的锂离子动力电池的主动均衡系统的均衡方法，其特征在于：若检测出第一电池单体B1的电压U1与第一、二、三电池单体B1、B2、B3电压的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，闭合分开关S1、S2，使第一电池单体B1对变压器T充电，然后断开分开关S1、S2，闭合主开关S，变压器T储存的能量转移到电池模块B上。