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TWM484846U - 鋰電池組主動電荷均衡系統 - Google Patents

鋰電池組主動電荷均衡系統 Download PDF

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TWM484846U
TWM484846U TW101205735U TW101205735U TWM484846U TW M484846 U TWM484846 U TW M484846U TW 101205735 U TW101205735 U TW 101205735U TW 101205735 U TW101205735 U TW 101205735U TW M484846 U TWM484846 U TW M484846U
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TW
Taiwan
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lithium battery
transformer
side coil
nmos transistor
pulse width
Prior art date
Application number
TW101205735U
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English (en)
Inventor
pei-de Liu
da-rui Wang
bao-zhong Liu
zhi-xian Zhang
Zhe-Feng Su
Original Assignee
Bmtpow Shenzhen Ltd
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

鋰電池組主動電荷均衡系統
本創作係有關一種鋰電池組主動電荷均衡系統，尤指一種利用NMOS開關電路代替傳統的繼電器來控制對單體電池的充電，NMOS開關電路具有功耗低、成本低、使用壽命長等優點， 可有效降低生產成本。
單體電池的電壓和容量無法滿足實際需求，電動車上往往將數節電池串聯使用，電動汽車中鋰電池的數量可達數百節。單體鋰電池的迴圈壽命一般能達到幾千次，但是由於鋰電池間的不一致性，串聯電池組很難達到這個水準，電池串聯使用時，充電效率、放電能力等也會受到影響。目前的電池製造技術，尤其是鋰電池製造技術很難做到一致性好，因此串聯電池組非常有必要做均衡處理，以提高電池組性能，延長電池組使用壽命。
耗能式均衡方案是採用電阻並聯分流均衡，通過電阻分流來消耗過多能量。在充電時，通過單體電池的電壓檢測，當某節單體電池達到電壓上限時，導通與其並聯的電阻均衡裝置的開關，使該節電池和電阻形成一個放電通路，將多餘的能量在電阻上轉化成熱能，來防止該節電池過充，未充滿的電池仍可繼續充電。該方法會帶來能量損耗，發熱大，對於大容量的電池組，或者電池之間相差較大的電池組中不適合，效率較低，同時不適合快速充電系統。
非耗能式均衡中利用電容、電感作為中間儲能元件，將各單體電池上的電量進行轉移，該方案實際應用中電能轉移效率不高，不適合串聯節數較多的電池組中。此外，電容、電感為 非線性器件，儲能過程中電流與電壓不成比例，尤其是電容將對選通開關的壽命有較大影響。這種方案還存在抗干擾能力了低、控制難、成本高等缺點。
如中國專利200820133032.9公開了一種串聯電池組均衡管理系統，雙端繼電器常開觸點分別接在單體電源兩端，常閉端與相鄰繼電器常閉端相連，控制端與選通電路連接。這種方法的缺點是，當繼電器老化出現觸點粘結情況時，選通另一組繼電器時出現單體電池短路的嚴重後果。
如中國專利02127989.6公開了一種對蓄電池進行分只充電均衡的方案，通過繼電器的切換分別對沒有充滿的電池進行充電，直至每節電池充滿為止。這種方法有以下一些缺點，第一是充電效率低；第二是成本高，尤其是大電流充電時，大電流的繼電器較貴，且系統的壽命較低；第三是安全性較低，在這麼多的繼電器中假如有兩個繼電器發生故障(比如觸電粘結)，這樣就把串聯的電池又並聯在一起使電池發生短路、著火、爆炸等事故，存在較大的安全隱患。
如中國專利2006101571109.1公開了一種動力電池組電壓均衡管理裝置，系統中通過充電選通模組和放電選通模組對電壓最高和電壓最低的電池經行分別選通，中間通過隔離DC-DC模組連接，充放電時把電壓高的電池的能量搬移到電壓較低的電池中，最終實現充放電時所有電池電壓一致。該方案中電路系統要同時控制充電選通和放電選通模組，這樣控制 較為複雜，成本較高。系統中任意一個選通開關出現問題都會對電池帶來短路的危險，安全性較低，也沒有解決採用繼電器作為選通開關帶來的安全隱患，這將大大降低均衡系統的穩定性和可靠性。
鑒於以上的問題，本創作提供一種鋰電池組主動電荷均衡系統，係利用NMOS開關電路代替傳統的繼電器來控制對單體電池的充電，NMOS開關電路具有功耗低、成本低、使用壽命長等優點，可有效降低生產成本。
根據本創作所揭露一種鋰電池組主動電荷均衡系統，係電性連接至少一鋰電池組，鋰電池組係由複數個電芯串連所組成，而鋰電池組主動電荷均衡系統其包括有一多工模組、一控制模組及複數均衡控制模組。其係將將鋰電池組內的每節電芯依次連接到多工模組，透過控制模組將電壓信號轉換為數位信號，並將每一電芯的電壓相比較，選出電壓較低的電芯，再透過控制模組使能電壓較低的電芯所對應的均衡控制模組工作，由一脈寬調製器根據信號回饋模組的輸出電流和電壓信號調整輸出脈衝寬度，以控制輸出電流和電壓對電芯進行充電，對電芯充電按照先恆流後恆壓的順序進行；當電芯電壓達到一定的值之後，控制模組關閉該均衡控制模組。
以下在實施方式中詳細敘述本創作之詳細特徵以及優 點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本創作之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本創作前述之目的及優點。
為使 貴審查員方便簡捷瞭解本創作之其他特徵內容與優點及其所達成之功效能夠更為顯現，茲將本創作配合附圖，詳細敘述本創作之特徵以及優點，以下之實施例係進一步詳細說明本新型之觀點，但非以任何觀點限制本新型之範疇。
請參閱第一、二、三及四圖所示，本創作係揭露一種鋰電池組主動電荷均衡系統，係電性連接至少一鋰電池組4，以對鋰電池組4進行充電，且鋰電池組4係由複數個電芯41串連所組成；而為了避免線路連接相互重疊，第一至四圖中之鋰電池組4乃表示為同一組，另外第一至四圖中之複數個電芯41(如電芯1、電芯2．．．電芯N)乃表示為同一個。
本創作之鋰電池組主動電荷均衡系統，包括有一多工模組1、一控制模組2(圖未示)及複數均衡控制模組3(圖未示)。
多工模組1包括有一多路復用器11及一差動放大器42(圖未示)，該等電芯41正、負極依序與多路復用器11電性連接，且多路復用器11之輸出端係連接差動放大器42(圖未示)之輸入端。
控制模組2(圖未示)包括有一數模轉換器21及一微控制器22，而數模轉換器21之輸入端係連接差動放大器42(圖未示)之輸出端，且微控制器22之輸入端係連接數模轉換器21之輸出端，俾使微控制器22可接收數模轉換器21所傳遞之信號後，再輸出一控制訊號23。
均衡控制模組3(圖未示)係對應電性連接每一個電芯41，而均衡控制模組3(圖未示)包括有一變壓器31(圖未示)、一NMOS管32(圖未示)、一信號回饋單33(圖未示)元及一脈寬調製器34。變壓器31(圖未示)具有主邊線圈311(圖未示)及副邊線圈312(圖未示)，由變壓器31(圖未示)之主邊線圈311(圖未示)及NMOS管32(圖未示)與共同鋰電池組4順序串聯成第一迴路36(圖未示)，並由變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)係與每一個所對應之電芯41串聯成第二迴路37(圖未示)。信號回饋單元33(圖未示)其一端係連接於變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)與所對應之電芯41之間，及其另一端係連接於脈寬調製器34，用以接收變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)的輸出信號並傳遞到脈寬調製器34。脈寬調製器34又係與其NMOS管32(圖未示)連接、以及共同與控制模組2(圖未示)之微控制器22連接，使得微控制器22之控制信號23可通過脈寬調製器34以控制NMOS管32(圖未示)的導通。
而變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)與所對應之電芯41之間另可連接有二極體35(圖未示)；且NMOS管32(圖未示)具有漏極321(圖未示)、源極322(圖未示)及柵極323(圖未示)，而鋰電池組4的正極與變壓器31(圖未示)之主邊線圈311(圖未示)的一端連接，變壓器31(圖未示)之主邊線圈311(圖未示)另一端則與NMOS管32(圖未示)之漏極321(圖未示)連接；另外，NMOS管32(圖未示)之源極322(圖未示)與鋰電池組4之負極連接；而脈寬調製器34與NMOS管32(圖未示)之柵極323(圖未示)連接。
藉此，利用微控制器22控制多路復用器11，將鋰電池組4內的每一電芯41依次連接到差動放大器42的輸入端；並由差動放大器42將每一電芯41的電壓信號進行調整，傳遞至模數轉換器21後將電壓信號轉換為數位信號，最後傳送給微控制器22；再由微控制器22將每一電芯41的電壓相比較，選出電壓較低的電芯41；此時微控制器22發出一控制信號23來使能電壓較低的電芯41所對應的均衡控制模組3(圖未示)工作；而均衡控制模組3(圖未示)透過變壓器31(圖未示)之主邊線圈311(圖未示)及NMOS管32(圖未示)與共同鋰電池組4順序串聯成第一迴路36，並由變壓器31之副邊線圈312(圖未示)係與每一個所對應之電芯41串聯成第二迴路37(圖未示)，並透過信 號回饋單元33(圖未示)其一端係連接於變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)與所對應之電芯41之間，及其另一端係連接於脈寬調製器34，用以接收變壓器31(圖未示)之副邊線圈312(圖未示)的輸出信號並傳遞到脈寬調製器34，再透過脈寬調製器34又係與其NMOS管32(圖未示)連接、以及共同與控制模組2(圖未示)之微控制器22連接，使得微控制器22之控制信號23可通過脈寬調製器34以控制NMOS管32(圖未示)的導通；如此，脈寬調製器34根據信號回饋單元33(圖未示)的輸出電流和電壓信號調整輸出脈衝寬度，以控制輸出電流和電壓對電芯41進行充電；而當電芯41之電壓達到一定的值之後，微控制器22則關閉該均衡控制模組3。同時，微控制器22重覆將每一電芯41的電壓相比較，再選出電壓較低的電芯41後，並依照相同程序對較低電芯41進行充電，值到電壓達到一定的預定值。而電芯41充電時，係按照先恆流後恆壓的順序進行。
是以，本創作現有技術相比所帶來的有益效果是：作為選通的開關，NMOS開關電路以MOSFET為核心，其使用壽命遠遠長於繼電器的壽命，且體積比一般的繼電器要小，成本也較低；NMOS開關電路驅動電流小、體積小，每組開關的驅動功率小於0.1W，比普通繼電器的驅動功率要小得多。
11‧‧‧多路復用器
12‧‧‧差動放大器
21‧‧‧數模轉換器
22‧‧‧微控制器
23‧‧‧控制信號
34‧‧‧脈寬調製器
4‧‧‧鋰電池組
41‧‧‧電芯1~N
第一圖：係本創作鋰電池組主動電荷均衡系統一架構模擬示意圖。
第二圖：係本創作鋰電池組主動電荷均衡系統一電池組狀態監測模擬示意圖。
第三圖：係本創作鋰電池組主動電荷均衡系統一均衡控制狀態擬示意圖。
第四圖：係本創作鋰電池組主動電荷均衡系統之均衡控制模組架構示意圖。
11‧‧‧多路復用器
12‧‧‧差動放大器
21‧‧‧數模轉換器
22‧‧‧微控制器
23‧‧‧控制訊號
4‧‧‧鋰電池組
41‧‧‧電芯1~N

Claims (3)

  1. 一種鋰電池組主動電荷均衡系統，係電性連接至少一鋰電池組，該鋰電池組係由複數個電芯串連所組成，而該鋰電池組主動電荷均衡系統包括有：一多工模組，包括有一多路復用器及一差動放大器，該等電芯正、負極依序與多路復用器電性連接，該多路復用器之輸出端係連接該差動放大器之輸入端；一控制模組，包括有一數模轉換器及一微控制器，該數模轉換器之輸入端係連接該差動放大器之輸出端，該微控制器之輸入端係連接該數模轉換器之輸出端，且該微控制器可輸出一控制信號；複數均衡控制模組，係對應電性連接每一個電芯，該均衡控制模組包括有一變壓器、一NMOS管、一信號回饋單元及一脈寬調製器，該變壓器具有主邊線圈及副邊線圈，該變壓器之主邊線圈及該NMOS管共同與該鋰電池組順序串聯成第一迴路，該變壓器之副邊線圈係與每一個所對應之電芯串聯成第二迴路，該信號回饋單元其一端係連接於該變壓器之副邊線圈與所對應之電芯之間，及其另一端係連接於該脈寬調製器，用以接收該變壓器之副邊線圈的輸出信號並傳遞到該脈寬調製器，該脈寬調製器又係與其NMOS管連接、以及共同與該控制模組之微控制器連接，使該微控制器之控制信號可通過該脈寬調製器以控制該NMOS管的導通。
  2. 如請求項1所述之鋰電池組主動電荷均衡系統，其中該變壓器之副邊線圈與所對應之電芯之間另可連接有二極體。
  3. 如請求項1所述之鋰電池組主動電荷均衡系統，其中該NMOS管具有漏極、源極及柵極，而該鋰電池組的正極與該變壓器之主邊線圈的一端連接，該變壓器之主邊線圈另一端則與該NMOS管之漏極連接，而該NMOS管之源極與該鋰電池組之負極連接，而該脈寬調製器與該NMOS管之柵極連接。
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