CN204947676U - 一种电池组分层均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电池组分层均衡电路，包括电池组、三个底层电池模块控制电路和电池组主控制电路，电池组包括三个底层电池模块，每个底层电池模块对应一个开关管；一个底层电池模块与一个底层电池模块控。该电池组分层均衡电路通过底层电池模块控制电路和电池组主控制电路的相互分工协作，可以实现电池组充放电过程中所有单体电池的电量动态均衡，摆脱电池组的短板效应，提高电池组的可用容量，延长电池组的循环使用寿命，减少电池组的维修与更换周期，降低系统的运行与维护成本。因此该电池组分层均衡电路可以适用于混合动力汽车、微型电动车或蓄能装置中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池组分层均衡电路，适用于混合动力汽车、微型电动车或蓄能装置中。
背景技术
随着节能环保概念受到重视以及锂离子电池技术的发展，电动汽车逐渐成为国际竞争的热点，电动汽车或蓄能装置的核心便是电池，但是锂离子电池组串联使用时容量不均衡的问题极大限制了其广泛应用。因此电池均衡电路的出现就显得尤为重要，尤其是对于价格昂贵的大容量锂离子电池组，更需要有效可靠的均衡电路和均衡策略。电池组均衡电路主要就是为了能够提高电池组的容量利用率，防止电池出现过充和过放电，延长电池的循环使用寿命。所以电池组的核心又在于电池均衡电路。一个性能优越的电池均衡电路能够保证电池组始终安全可靠地运行，充分发挥电池组性能，摆脱电池组使用中出现的短板效应，提高电池组的循环使用寿命，通过一系列的有效管理和控制，保障电动汽车或蓄能装置的正常工作。
目前，国内外对串联电池组均衡充放电的方法主要有两种：一种是化学的方法，即通过添加某种特殊的化学成分使得蓄电池内部发生化学反应以达到均衡充放电效果。另一种是物理的方法，即采用机械或电子手段来达到均衡充放电的效果。
由于化学均衡法目前尚处于研究初级阶段，所以均衡充放电主要采用的是物理方法。采用物理方法对锂离子电池组进行均衡充放电，可以分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指电池组单体电压达到设定值时，利用均衡电路减小其充电电流从而防止过充电。放电均衡是指在放电过程中，通过向电压低的单体电池补充能量来防止过放电。动态均衡方式则结合了两者的优点，在整个充放电过程中对电池组进行电量均衡，避免了单一均衡中的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是采用电池组分层均衡电路，实现由3个底层电池模块串联组成的电池组之间的动态双向无损均衡，最优化电池组效能，防止发生单体电池的过充电、过放电、超温或过流等现象。
电池组主控制电路输出控制信号，分配底层电池模块控制电路与开关管之间的工作时间顺序，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。在充电过程中，当串联电池组中任何一个电池单体或底层电池模块电量过高时，则可以将此电池单体或底层电池模块的电量通过均衡电路传递给电池组其它所有剩余单体；在放电过程中，当串联电池组中任何一个电池单体或底层电池模块电量过低时，可以将电池组其它所有剩余单体的电量通过均衡电路传递给这个电量过低的电池单体或底层电池模块。
为了实现上述目的，本实用新型通过下述技术方案予以实现。
一种电池组分层均衡电路，包括电池组、三个底层电池模块控制电路和电池组主控制电路，电池组包括三个底层电池模块，每个底层电池模块对应一个开关管；一个底层电池模块与一个底层电池模块控制电路连接，三个底层电池模块串联连接，对应的三个开关管也顺次连接，相邻底层电池模块之间的公共点与相邻开关管之间的公共点通过储能电感连接，通过电池组主控制电路输出控制信号，控制底层电池模块控制电路与开关管的工作，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。
进一步地，三个底层电池模块由第一底层电池模块、第二底层电池模块和第三底层电池模块串联组成，第一底层电池模块的正极接电源，第三底层电池模块的负极接地；每个底层电池模块由对应的底层电池模块控制电路控制；每个开关管均由二极管并联在MOSFET的源极与漏极上组成；第一开关管的MOSFET的源极与电源连接，第一开关管的MOSFET的漏极与第二开关管的MOSFET的源极连接，第二开关管的MOSFET的漏极与第三开关管的MOSFET的源极连接，第三开关管的MOSFET的漏极接地。
进一步地，所述电池组由铅酸电池、锂离子电池、超级电容器或镍镉电池组成。
进一步地，每个底层电池模块由四个单体电池和均衡子单元组成；四个单体电池串联连接，每个单体电池均与一个均衡子单元相连接；每个均衡子单元由两个带续流二极管的MOSFET以及均衡子单元储能电感构成，两个带续流二极管的MOSFET为括上桥臂MOSFET和下桥臂MOSFET，上桥臂MOSFET的源极与下桥臂MOSFET的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET的漏极作为第一输出端，上桥臂MOSFET的栅极作为第二输出端，下桥臂MOSFET的栅极作为第三输出端，下桥臂MOSFET的源极作为第四输出端，储能电感另一端作为第五输出端；相邻单体电池之间的连接公共点与一个均衡子单元的第五输出端连接，四个单体电池串联后的中间点连接两个均衡子单元的第五输出端；均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制。
进一步地，所述电池组主控制电路或底层电池模块控制电路控制满足：在每个开关周期内，控制电路所施加的驱动信号能够使储能电感实现复位，即储能电感的电流由零增加，随后又减少到零。
进一步地，充电过程中，若第一底层电池模块的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第一开关管导通，此时电流流过第一底层电池模块、第一开关管和第一储能电感，电感开始储能；第一开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管和第三开关管的续流二极管释放能量给第二底层电池模块和第三底层电池模块；若第二底层电池模块的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第二开关管导通，此时电流流过第二底层电池模块、第二开关管、第一储能电感和第二储能电感，第一储能电感和第二储能电感开始储能；第二开关管导通一定时间后使其关断，此时电流分别通过第一开关管与第三开关管的续流二极管释放能量给第一底层电池模块和第三底层电池模块；若第三底层电池模块的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第三开关管导通，此时电流流过第三底层电池模块、第三开关管和储能电感，电感开始储能；第三开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第一开关管和第二开关管的续流二极管释放能量给第一底层电池模块和第一底层电池模块；
在放电过程中，若第一底层电池模块的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使第二开关管和第三开关管导通，此时电流流过第二底层电池模块、第三底层电池模块、第一储能电感、第二开关管和第三开关管，第一储能电感开始储能；第二开关管和第三开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第一开关管的续流二极管释放能量给第一底层电池模块；若第二底层电池模块的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，一种情况是第一底层电池模块的电压高于第三底层电池模块的电压，则在一个开关周期内，先使第一开关管导通，此时电流流过第一底层电池模块、第一电感和第一开关管，第一电感开始储能；第一开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管的续流二极管释放能量给第二底层电池模块；另一种情况是第三底层电池模块的电压高于第一底层电池模块的电压，则在一个开关周期内，先使第三开关管导通，此时电流流过第三底层电池模块、第二储能电感和第三开关管，第二储能电感开始储能；第三开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管的续流二极管释放能量给第二底层电池模块；若第三底层电池模块的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使第一开关管和第二开关管导通，此时电流流过第一底层电池模块、第二底层电池模块、第二储能电感、第一开关管和第二开关管，第二储能电感开始储能；第一开关管和第二开关管导通一定时间后使其关断，此时电流通过第三开关管的续流二极管释放能量给第三底层电池模块。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
本实用新型采用电池组分层均衡电路，实现由3个底层电池模块串联组成的电池组之间的动态双向无损均衡，最优化电池组效能，防止发生单体电池的过充电、过放电、超温或过流等现象。电池组主控制电路输出控制信号，实现底层电池模块内的单体电池与底层电池模块之间的动态均衡的相互配合，提高电池组的可用容量，保证所有单体电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，摆脱电池组的短板效应，延长电池组的循环使用寿命，降低系统维护成本。
附图说明
图1是电池组分层均衡电路结构图。
图2是均衡子单元原理图。
图3是底层电池模块均衡电路结构图。
图4是充电过程中三单体电池组的工作过程原理图。
图5是放电过程中三单体电池组的工作过程原理图。
图6是充电过程中底层电池模块的工作过程原理图。
图7是放电过程中底层电池模块的工作过程原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明（本实用新型只涉及均衡电路部分，控制电路是本领域技术人员可参照现有具体应用的电路参数值编程实现和设定的,为了符合本领域的惯常表达习惯，在确保清楚明确的前提下，以下个别元件用符号直接表示，以达到简洁明了的表达效果，例如本领域中直接用S1表示第一开关管）。
图1是电池组分层均衡电路结构图。该电路由底层电池模块及其对应的电感与开关管、底层电池模块控制电路和电池组主控制电路组成。通过电池组主控制电路输出控制信号，分配底层电池模块控制电路与开关管（S1~S3）的工作时间顺序，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。三个底层电池模块由第一底层电池模块1、第二底层电池模块2和第三底层电池模块3串联组成，第一底层电池模块1的正极接电源VCC，第三底层电池模块3的负极接地GND；每个底层电池模块由对应的底层电池模块控制电路控制；每个开关管均由二极管并联在MOSFET的源极与漏极上组成；第一开关管的MOSFET的源极与电源VCC连接，第一开关管S1的MOSFET的漏极与第二开关管S2的MOSFET的源极连接，第二开关管的MOSFET的漏极与第三开关管S3的MOSFET的源极连接，第三开关管的MOSFET的漏极接地GND。
进一步地，在充电过程中，若第一底层电池模块1的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第一开关管S1导通，此时电流流过第一底层电池模块1、S1和第一储能电感L1，电感开始储能；第一开关管S1导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管S2和第三开关管S3的续流二极管释放能量给第二底层电池模块2和第三底层电池模块3；若第二底层电池模块2的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第二开关管S2导通，此时电流流过第二底层电池模块2、第二开关管S2、第一储能电感L1和第二储能电感L2，第一储能电感L1和第二储能电感L2开始储能；第二开关管S2导通一定时间后使其关断，此时电流分别通过第一开关管S1与第三开关管S3的续流二极管释放能量给第一底层电池模块1和第三底层电池模块3；若第三底层电池模块3的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使第三开关管S3导通，此时电流流过第三底层电池模块3、第三开关管S3和储能电感L2，电感开始储能；第三开关管S3导通一定时间后使其关断，此时电流通过第一开关管S1和第二开关管S2的续流二极管释放能量给第一底层电池模块1和第一底层电池模块1；
在放电过程中，若第一底层电池模块1的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使第二开关管S2和第三开关管S3导通，此时电流流过第二底层电池模块2、第三底层电池模块3、第一储能电感L1、第二开关管S2和第三开关管S3，第一储能电感L1开始储能；第二开关管S2和第三开关管S3导通一定时间后使其关断，此时电流通过第一开关管S1的续流二极管释放能量给第一底层电池模块1；若第二底层电池模块2的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，一种情况是第一底层电池模块1的电压高于第三底层电池模块3的电压，则在一个开关周期内，先使第一开关管S1导通，此时电流流过第一底层电池模块1、第一电感L1和第一开关管S1，第一电感L1开始储能；第一开关管S1导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管S2的续流二极管释放能量给第二底层电池模块2；另一种情况是第三底层电池模块3的电压高于第一底层电池模块1的电压，则在一个开关周期内，先使第三开关管S3导通，此时电流流过第三底层电池模块3、第二储能电感L2和第三开关管S3，第二储能电感L2开始储能；第三开关管S3导通一定时间后使其关断，此时电流通过第二开关管S2的续流二极管释放能量给第二底层电池模块2。若第三底层电池模块3的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使第一开关管S1和第二开关管S2导通，此时电流流过第一底层电池模块1、第二底层电池模块2、第二储能电感L2、第一开关管S1和第二开关管S2，第二储能电感L2开始储能；第一开关管S1和第二开关管S2导通一定时间后使其关断，此时电流通过第三开关管S3的续流二极管释放能量给第三底层电池模块3。
图2是均衡子单元原理图。每个均衡子单元都是由一个储能电感L、两个MOSFET和两个续流二极管组成，上桥臂MOSFET为Qa，下桥臂MOSFET为Qb。两个二极管分别并联在两个MOSFET的源极和漏极上。Qa的源极与Qb的漏极及储能电感L的一端相连，Qa的漏极作为外接端a，Qa的栅极作为外接端b，Qb的栅极作为外接端c，Qb的源极作为外接端d，L的另一端作为外接端e。外接端b、c与控制电路相连，由控制电路输出信号控制MOSFET的通断。与第一底层电池模块1、第二底层电池模块2、单体电池1或单体电池2相连的均衡子单元，外接端a与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，外接端e与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连。外接端d接底层电池模块4或B4的负极。与第三底层电池模块3、底层电池模块4、单体电池3或单体电池4相连的均衡子单元，外接端e与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，外接端d与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连。外接端a接第一底层电池模块1或B1的正极。
图3是底层电池模块均衡电路结构图，其由单体电池(B1、B2、B3、B4)、底层电池模块控制电路和均衡子单元组成。四个单体电池串联连接，每个单体电池均与一个均衡子单元相连接。均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制。底层电池模块的工作原理如下。
在充电过程中，若B1(或B2)的电压高于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使B1（或B2）对应的均衡子单元中的S1a（或S2a）导通，此时电流流过单体电池B1（或B2）、S1a（或S2a）和储能电感L1（或L2），电感开始储能。S1a（或S2a）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1b（或S2b）的续流二极管释放能量给B3和B4。若B3(或B4)的电压高于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使B3（或B4）对应的均衡子单元中的S3b（或S4b）导通，此时电流流过单体电池B3（或B4）、S3b（或S4b）和储能电感L3（或L4），电感开始储能。S3b（或S4b）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S3a（或S4a）的续流二极管释放能量给B1和B2。
在放电过程中，若B1(或B2)的电压低于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使B1（或B2）对应的均衡子单元中的S1b（或S2b）导通，此时电流流过单体电池B2、B3、B4（或B3、B4），S1b（或S2b）和储能电感L1（或L2），电感开始储能。S1b（或S2b）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1a（或S2a）的续流二极管释放能量给B1（或B2）。若B3(或B4)的电压低于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使B3（或B4）对应的均衡子单元中的S3a（或S4a）导通，此时电流流过单体电池B1、B2（或B1、B2、B3）、S1b（或S2b）和储能电感L3（或L4），电感开始储能。S3a（或S4a）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S3b（或S4b）的续流二极管释放能量给B3（或B4）。
图4是充电过程中三单体电池组的工作过程原理图。若第一底层电池模块1的电压高于其他两个底层电池模块，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使S1导通，此时电流流过第一底层电池模块1、S1和储能电感L1，电感开始储能。S1导通一定时间后使其关断，此时电流通过S2和S3的续流二极管释放能量给第二底层电池模块2和第三底层电池模块3，实现了能量从第一底层电池模块1到第二底层电池模块2与第三底层电池模块3的转移。
图5是放电过程中三单体电池组的工作过程原理图。若第一底层电池模块1的电压低于其他两个底层电池模块，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使S2和S3导通，此时电流流过第二底层电池模块2、第三底层电池模块3、L1、S2和S3，电感L1开始储能。S2和S3导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1的续流二极管释放能量给第一底层电池模块1，实现了能量从第二底层电池模块2与第三底层电池模块3到第一底层电池模块1的转移。
图6是充电过程中底层电池模块的工作过程原理图。在充电过程中，若B1两端的电压高于其他单体，为了防止B1过充电，在一个开关周期内，先使对应于B1的均衡子电路中的S1a导通，则电流iL1流过B1、S1a以及储能电感L1，电感L1开始储能。S1a导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1b的续流二极管、L1及B2、B3、B4释放能量给B2、B3、B4，实现了能量从B1到B2、B3、B4的转移。
图7是放电过程中底层电池模块的工作过程原理图。在放电过程中，若B1两端的电压低于其他单体，为了避免B1过放电，在一个开关周期内，使对应于B1的均衡子电路中的S1b导通，则电流流过B2、B3、B4、S1b以及储能电感L1，电感L3开始储能。S1b开通一定时间后使其关断，此时电流通过S1a的续流二极管、L1及B1释放能量给B1，实现了能量从B2、B3、B4到B1的转移。
Claims (4)
1.一种电池组分层均衡电路，其特征在于：包括电池组、三个底层电池模块控制电路和电池组主控制电路，电池组包括三个底层电池模块，每个底层电池模块对应一个开关管；一个底层电池模块与一个底层电池模块控制电路连接，三个底层电池模块串联连接，对应的三个开关管也顺次连接，相邻底层电池模块之间的公共点与相邻开关管之间的公共点通过储能电感连接，通过电池组主控制电路输出控制信号，控制底层电池模块控制电路与开关管的工作，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。
2.根据权利要求1所述的电池组分层均衡电路，其特征在于：三个底层电池模块由第一底层电池模块、第二底层电池模块和第三底层电池模块串联组成，第一底层电池模块的正极接电源，第三底层电池模块的负极接地；每个底层电池模块由对应的底层电池模块控制电路控制；每个开关管均由二极管并联在MOSFET的源极与漏极上组成；第一开关管的MOSFET的源极与电源连接，第一开关管的MOSFET的漏极与第二开关管的MOSFET的源极连接，第二开关管的MOSFET的漏极与第三开关管的MOSFET的源极连接，第三开关管的MOSFET的漏极接地。
3.根据权利要求1所述的电池组分层均衡电路，其特征在于，所述电池组由铅酸电池、锂离子电池、超级电容器或镍镉电池组成。
4.根据权利要求1所述的电池组分层均衡电路，其特征在于，每个底层电池模块由四个单体电池（B1、B2、B3、B4）和均衡子单元组成；四个单体电池串联连接，每个单体电池均与一个均衡子单元相连接；每个均衡子单元由两个带续流二极管的MOSFET以及均衡子单元储能电感构成，两个带续流二极管的MOSFET为括上桥臂MOSFET（Qa）和下桥臂MOSFET（Qb），上桥臂MOSFET（Qa）的源极与下桥臂MOSFET（Qb）的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET（Qa）的漏极作为第一输出端（a），上桥臂MOSFET（Qa）的栅极作为第二输出端（b），下桥臂MOSFET（Qb）的栅极作为第三输出端（c），下桥臂MOSFET（Qb）的源极作为第四输出端（d），储能电感另一端作为第五输出端（e）；相邻单体电池之间的连接公共点与一个均衡子单元的第五输出端（e）连接，四个单体电池串联后的中间点连接两个均衡子单元的第五输出端（e）；均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制。
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|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160106 Termination date: 20180915 |