CN102832667A - 一种基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路，每一个电池单元模块连接有一套均衡子电路，串联电池组的正端VCC、负端GND，串联电池组以连接点N分为前部分、后部分，前部分电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一，前部分电池单元模块为奇电池，后部分电池单元模块为偶电池，与奇电池连接的均衡子电路为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路为偶均衡子电路。电池管理系统根据电池组内各个电池的剩余电量给控制电路发送均衡指令，控制电路通过控制均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u或下桥臂MOS管Q_d的开通和关断给与其相连接的电池充放电，保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电。

Description

一种基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路

技术领域

本发明涉及一种电池均衡技术，尤其是一种混合动力电动汽车或纯电动汽车或蓄能电站的蓄能装置的电池管理系统的均衡电路。

背景技术

串联电池在经过多个充放电循环后，各电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）的分布大致会出现三种情况：（1）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏高；（2）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏低；（3）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏高和个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏低。

针对上述三种情况，国内外的研究者均提出了自己的解决方案。如针对情况（1），有研究者提出了并联电阻分流法，它通过控制相应的开关将剩余容量（SOC,State of Charge）偏高的电池的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡的过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法，同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采样了变压器，使得均衡电路的成本增加。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，由均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，减小充电电流从而防止过充电。放电均衡是在放电过程中的均衡，通过向剩余能量（SOC,State of Charge)低的单体电池补充能量来防止过放电。动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个充放电过程中对电池组进行均衡，避免了单一均衡中的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用在串联电池组的电池管理系统中的基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路，保证电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的成本。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

一种基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路，所述串联电池组包括三个以上串联连接的电池单元模块，所述充放电均衡电路包括三个以上的均衡子电路，每一个电池单元模块均各自连接有一个均衡子电路，所述串联电池组具有正端（VCC）和负端（GND），以所述串联电池组中的一个连接点N为分界点，所述串联电池组正端（VCC）到连接点N之间的电池单元模块为前部分，连接点N到串联电池组负端（GND）之间的电池单元模块为后部分，前部分中电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一个，前部分的电池单元模块称为奇电池，后部分的电池单元模块称为偶电池，与奇电池相连接的均衡子电路称为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路称为均衡子电路；前部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组正端（VCC）为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅，依此顺次命名，与串联电池组正端（VCC）相连接的电池单元模块为第                                                

奇电池B_i；后部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组负端（GND）为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆，依此顺次命名，与串联电池组负端（GND）相连接的单元电池为第

偶电池B _j，j为正偶数；所述奇电池的正端连接奇均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u的漏极a，负端连接奇均衡子电路的储能电感L的第二端e；所述偶电池的正端连接偶均衡子电路的储能电感L的第二端e，负端连接下桥臂MOS管Q_d的漏极d。

进一步的，所述均衡子电路包括上桥臂MOS管Q_u、下桥臂MOS管Q_d和储能电感L，上桥臂MOS管Q_u的源极、下桥臂MOS管Q_d的漏极、储能电感L的第一端三者相连接，上桥臂MOS管Q_u的漏极a、上桥臂MOS管Q_u的栅极b、下桥臂MOS管Q_d的栅极c、下桥臂MOS管Q_d的漏极d和储能电感L的第二端e相连。

进一步的，所述电池单元模块是铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器。

进一步的，所述奇均衡子电路的下桥臂MOS管Q_d的漏极d接串联电池组负端GND，上桥臂MOS管Q_u的栅极b、下桥臂MOS管Q_d的栅极c连接控制电路。

进一步的，所述偶均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u的漏极a连接串联电池组正端VCC，上桥臂MOS管Q_u的栅极b、下桥臂MOS管Q_d的栅极c连接控制电路。

进一步的，所述i取值为1～59，j取值为2～60。

进一步的，所述控制电路的控制信号是由电池管理系统根据各个电池单元模块的剩余电量（SOC，State of Charge）给控制电路发送均衡指令，控制电路接受电池管理系统的指令控制奇、偶均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u或下桥臂MOS管Q_d的开通和关断实现电池的均衡；同一奇、偶均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u、下桥臂MOS管Q_d不同时导通；所述奇均衡子电路能对与其相连接的奇电池进行充电和放电，所述偶均衡子电路能对与其相连接的偶电池进行充电和放电。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明由于在串联电池组的电池管理系统中采用上述均衡电路（EQU）技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的成本。 

附图说明

图1是实施方式的串联电池组充放电均衡电路原理图。

图2是均衡子电路原理图。

图3是4节电池串联的充放电均衡电路图。

图4是5节电池串联的充放电均衡电路图。

图5是14节电池串联的充放电均衡电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但本发明的实施不限于此。

图1中，串联电池组充放电均衡电路，每一个电池单元模块连接有一套均衡电路，至少三个电池单元模块串联，串联电池组的正端VCC、负端GND，串联电池组分为上部分、下部分，上部分和下部分的连接点N，正端VCC到连接点N的串联电池单元模块为上部分，连接点N到负端GND的串联电池单元模块为下部分，上部分电池单元模块的个数最多比下部分电池单元模块的个数多一，上部分电池单元模块为奇电池，下部分电池单元模块为偶电池，与奇电池连接的均衡子电路为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路为偶均衡子电路，上部分串联电池单元模块以连接点N为起点，正端VCC为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅、…（依次类推）、与正端VCC相连接的单元电池为第

奇电池B_i (i=1,3,5…)（此处是为了表示i为奇数，用省略号表示，不限制最大值，如果一定要最大值，那就到59。即i=1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,37,39,41,43,45,47,49,51,53,55,57,59），下部分串联电池单元模块以连接点N为起点，负端GND为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆、…（依次类推）、与负端GND相连接的单元电池为第

偶电池B _j（j=2,4,6…）（此处是为了表示j为偶数，用省略号表示，不限制最大值，如果一定要最大值，那就到60。即j=2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,32,36,38,40,42,44,46,48,50,52,54,56,58，60），所述奇电池的正负端分别连接奇均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u的漏极a、储能电感L的第二端e，所述偶电池的正负两端分别连接偶均衡子电路的储能电感L的第二端e、下桥臂MOS管Q_d的漏极d。电池管理系统根据电池组内各个单元电池的剩余电量(SOC,State of Charge)给控制电路发送均衡指令，控制电路通过控制奇（偶）均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u或下桥臂MOS管Q_d的开通和关断给与其相连接的电池充电或者放电。用实线表示的控制线用于控制均衡奇均衡子电路的上桥臂MOS管Q_u和偶均衡子电路下桥臂MOS管Q_d的开通和关断，给与其相连接的奇（偶）电池放电。用虚线表示的控制线用于控制均衡奇均衡子电路的下桥臂MOS管Q_d和偶均衡子电路上桥臂MOS管Q_u的开通和关断，给与其相连接的奇（偶）电池充电。

电池管理系统是单片机（如C8051F340）为核心，一般具有电池状态检测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理、电池信息管理等功能。针对不同的应用场合，电池管理系统应具有不同的功能。所述控制电路的实现为本领域常规技术，并非本发明的内容，控制电路是具有电气隔离功能，如采用TLP521-1的光耦隔离或者变压器隔离等，将电池管理系统发出的控制信号转为能够直接驱动上桥臂MOS管Q_u、下桥臂MOS管Q_d的驱动电路信号。本领域技术人员清楚，所述奇均衡子电路和偶均衡子电路的储能电感L的电感值根据具体的要求来定。所述控制电路控制信号的频率的大小根据所控制的奇（偶）均衡子电路储能电感L的电感值、上桥臂MOS管Q_u和下桥臂MOS管Q_d的开关损耗、电池单元模块电压、电池单元模块容量而定。所述控制电路控制信号的占空比应使奇（偶）均衡子电路的储能电感L在每个信号周期内复位，即储能电感L的电流从零开始上升，最后又下降到零。

对于奇电池B_i和奇均衡子电路S_i(i=1,3,5…)所包含的上桥臂MOS管Q_u、下桥臂MOS管Q_d、储能电感L。当上桥臂MOS管Q_u开通时，储能电感L的电流上升，储能电感L储能；当上桥臂MOS管Q_u关断时，储能电感L通过下桥臂MOS管Q_d的体二极管续流，电池B_i放电。当下桥臂MOS管Q_d开通时，储能电感L的电流上升，储能电感L储能；当下桥臂MOS管Q_d关断时，储能电感L通过上桥臂MOS管Q_u的体二极管续流，电池B_i充电。

对于偶电池B_j和偶均衡子电路S_j(j=2,4,6…)所包含的上桥臂MOS管Q_u、下桥臂MOS管Q_d、储能电感L。当上桥臂MOS管Q_u开通时，储能电感L的电流上升，储能电感L储能；当上桥臂MOS管Q_u关断时，储能电感L通过下桥臂MOS管Q_d的体二极管续流，电池B_j充电。当下桥臂MOS管Q_d开通时，储能电感L的电流上升，储能电感L储能；当下桥臂MOS管Q_d关断时，储能电感L通过上桥臂MOS管Q_u的体二极管续流，电池B_j放电。

 图5中，在串联电池组放电过程中，电池管理系统检测到第一奇电池B₁、第二偶电池B₄的剩余电量（SOC,State of Charge）偏低，为了防止第一奇电池B₁、第二偶电池B₄过放电，电池管理系统给控制电路发送指令，控制电路控制与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的下桥臂MOS管Q _d和第二偶电池B₄的偶均衡子电路S₄的上桥臂MOS管Q_u以一定的频率和占空比开通和关断，开关的频率和占空比根据具体的电路设定。

当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的下桥臂MOS管Q _d开通时，全部偶电池、与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的储能电感L和下桥臂MOS管Q _d组成回路，流过储能电感L的电流从零开始上升，全部偶电池给储能电感L充电，储能电感L储能；当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的下桥臂MOS管Q _d关断时，与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的储能电感L和上桥臂MOS管Q _u的体二极管、第一奇电池B₁组成回路，储能电感L的电流通过与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的上桥臂MOS管Q _u的体二极管续流，给第一奇电池B₁充电，流过储能电感L的电流下降，到该开关周期结束时，流过储能电感L的电流下降到零，电感复位。

当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的上桥臂MOS管Q _u开通时，第二偶电池B₄、全部奇电池、与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的储能电感L和上桥臂MOS管Q _u组成回路，流过储能电感L的电流从零开始上升，第一偶电池B₂和全部奇电池给储能电感L充电，储能电感L储能；当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的上桥臂MOS管Q _u关断时，与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的储能电感L和下桥臂MOS管Q _d的体二极管、第二偶电池B₄组成回路，电感的电流通过与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的下桥臂MOS管Q _d的体二极管续流，给第二偶电池B₄充电，流过储能电感L的电流下降，到该开关周期结束时，流过储能电感L的电流下降到零，储能电感L复位。

图5中，在串联电池组充电过程中，电池管理系统检测到第一奇电池B₁、第二偶电池B₄的剩余电量（SOC,State of Charge）偏高，为了防止第一奇电池B₁、第二偶电池B₄过充电，电池管理系统给控制电路发送指令，控制电路控制与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的上桥臂MOS管Q_u和第二偶电池B₄的偶均衡子电路S₄的下桥臂MOS管Q_d以一定的频率和占空比开通和关断，开关的频率和占空比根据具体的电路设定。

当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的上桥臂MOS管Q_u开通时，第一奇电池B₁、与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的储能电感L和上桥臂MOS管Q _u组成回路，储能电感L吸收电池第一奇B₁的充电电流，流过电感L的电流从零开始上升，第一奇电池B₁的充电电流减少，储能电感L储能；当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的上桥臂MOS管Q_u关断时，与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的储能电感L和下桥臂MOS管Q _d的体二极管、全部偶电池组成回路，储能电感L的电流通过与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的下桥臂MOS管Q _d的体二极管续流，给全部偶电池充电，流过储能电感L的电流下降，到该开关周期结束时，流过储能电感L的电流下降到零，储能电感L复位。

当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的下桥臂MOS管Q _d开通时，第二偶电池B₄、与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的储能电感L和下桥臂MOS管Q _d组成回路，储能电感L吸收电池B₄的充电电流，流过储能电感L的电流从零开始上升，第二偶电池B₄的充电电流减少，储能电感L储能；当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的下桥臂MOS管Q _d关断时，与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的储能电感L和下桥臂MOS管Q _u的体二极管、第一偶电池B₂、全部奇电池组成回路，储能电感L的电流通过与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的上桥臂MOS管Q _u的体二极管续流，给第一偶电池和全部奇电池充电，流过储能电感L的电流下降，到该开关周期结束时，流过储能电感L的电流下降到零，储能电感L复位。

Claims (7)

1.一种基于电感储能的串联电池组充放电均衡电路，所述串联电池组包括三个以上串联连接的电池单元模块，其特征在于所述充放电均衡电路包括三个以上的均衡子电路，每一个电池单元模块均各自连接有一个均衡子电路，所述串联电池组具有正端（VCC）和负端（GND），以所述串联电池组中的一个连接点N为分界点，所述串联电池组正端（VCC）到连接点N之间的电池单元模块为前部分，连接点N到串联电池组负端（GND）之间的电池单元模块为后部分，前部分中电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一个，前部分的电池单元模块称为奇电池，后部分的电池单元模块称为偶电池，与奇电池相连接的均衡子电路称为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路称为均衡子电路；前部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组正端（VCC）为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅，依此顺次命名，与串联电池组正端（VCC）相连接的电池单元模块为第                                               

奇电池B_i；后部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组负端（GND）为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆，依此顺次命名，与串联电池组负端（GND）相连接的单元电池为第

偶电池B _j，j为正偶数；所述奇电池的正端连接奇均衡子电路的上桥臂MOS管（Q_u）的漏极（a），负端连接奇均衡子电路的储能电感（L）的第二端（e）；所述偶电池的正端连接偶均衡子电路的储能电感（L）的第二端（e），负端连接下桥臂MOS管（Q_d）的漏极（d）。

2.根据权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述均衡子电路包括上桥臂MOS管（Q_u）、下桥臂MOS管（Q_d）和储能电感（L），上桥臂MOS管（Q_u）的源极、下桥臂MOS管（Q_d）的漏极、储能电感（L）的第一端三者相连接，上桥臂MOS管（Q_u）的漏极（a）、上桥臂MOS管（Q_u）的栅极（b）、下桥臂MOS管（Q_d）的栅极（c）、下桥臂MOS管（Q_d）的漏极（d）和储能电感（L）的第二端（e）相连。

3.根据权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述电池单元模块是铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器。

4.根据权利要求1所述的串联电池组均衡电路，其特征在于，所述奇均衡子电路的下桥臂MOS管（Q_d）的漏极（d）接串联电池组负端（GND），上桥臂MOS管（Q_u）的栅极（b）、下桥臂MOS管（Q_d）的栅极（c）连接控制电路。

5.根据权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述偶均衡子电路的上桥臂MOS管（Q_u）的漏极a连接串联电池组正端（VCC），上桥臂MOS管（Q_u）的栅极（b）、下桥臂MOS管（Q_d）的栅极（c）连接控制电路。

6.根据权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述控制电路的控制信号是由电池管理系统根据各个电池单元模块的剩余电量给控制电路发送的均衡指令，控制电路接受电池管理系统的指令控制奇、偶均衡子电路的上桥臂MOS管（Q_u）或下桥臂MOS管（Q_d）的开通和关断实现电池的均衡；同一奇、偶均衡子电路的上桥臂MOS管（Q_u）、下桥臂MOS管（Q_d）不同时导通；所述奇均衡子电路能对与其相连接的奇电池进行充电和放电，所述偶均衡子电路能对与其相连接的偶电池进行充电和放电。

7.根据权利要求1～6所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于所述i取值为1～59，j取值为2～60。

Images