CN101741122A - 一种串联电池组均衡设备 - Google Patents

Abstract

一种串联电池组均衡设备。在串联的多个电池组中，每个电池组连接一均衡模块；所述的均衡模块由分流模块和反激变压器单元组成。均衡模块中，分流模块跨接在相邻的两节单体电池之间；分流模块中：开关管MOSFET的栅极接第一节单体电池正极，开关管MOSFET的源极接储能电感，门极接控制器，储能电感接第一节单体电池负极，二极管的阴极接MOSFET源极，二极管的阳极接第二节电池的负极。所述的反激变压器单元中：控制反激变压器的开关管MOSFET的栅极接第三节电池阳极，源极接变压器原边同名端，门极由控制器控制，反激变压器原边异名端和副边同名端均接第三节电池负极，反激变压器副边异名端接反激变压器保护二极管的阳极，保护二极管的阴极接第一节电池正极。

Description

一种串联电池组均衡设备

技术领域

本发明涉及一种串联电池组充放电过程中各电池电压、电量均衡调节方法及装置，它适用于电动汽车用锂离子串联电池组以及其它高功率串联电池组。

背景技术

串联电池组在使用期间，各电池之间必然会产生能量和性能差异，充电时，容量小、性能差的电池会产生过充电现象，而在放电时，容量小、性能差的电池又会产生过放电现象。不断的反复过冲过放会使差电池的容量越来越小，性能越来越差，这种恶性循环过程加速了差电池的损坏。而串联电池组的可用容量是由最差的一只电池容量决定的，差电池的性能恶化将大大缩短整个电池组的放电时间，从而影响其使用寿命，这个问题对于频繁充放电的动力电池尤为突出。

目前，通过综合分析国内外的电池均衡研究情况，对现有的电池均衡电路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。

1)能量耗散型

能量耗散型是通过给电池组中每只单体电池并联一个电阻进行放电分流，从而实现均衡的。这种电路结构简单，只将容量高的单体电池的能量消耗，存在能量浪费和热管理的问题。能量耗散型一般有两种类型：①恒定分流电阻均衡充电电路，即每只单体电池都始终并联一个分流电阻。这种电路的可靠性高，缺点在于无论电池处于充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率。因此一般在能量充足、可靠性要求高的场合适用，如卫星电源等。②开关控制分流电阻均衡充电电路，分流电阻通过开关控制，在充电过程中，当单体电池电压达到终止电压时开始均衡。这种均衡电路工作在充电期间，可对充电时电压偏高者进行分流，缺点是由于均衡时间的限制，导致分流时产生的大量热需要管理。

如专利1667909中，公开了一种用于均衡锂电池组能量的电池均衡方法，其均衡方法是以偶数个串联电池为一组进行均衡，获得该偶数个串联电池的正端与负端电压差的中间值，与该偶数个串联电池的中间点电压进行比较，当中间值电压高于中间端点电压时，对中间端点以上的电池进行放电，当中间值电压低于中间端点电压时，对中间端点以下的电池进行放电，该方法虽然不需要测量电池的电压就能够实现电池能量均匀分布的目的，但是均衡所用的分流电阻会消耗能量，如果均衡的时间过长还会产生大量热量。

2)能量非耗散型

能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小，但电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。

能量转换式均衡是通过开关信号，由锂离子电池组整体向单体电池进行补充。一种是单体电压向整体电压转换电路。当单体电池电压达到设定值时，均衡模块开始工作，进行分流，从而降低充电电压，分出的电流经模块转换，把能量馈回充电总线，达到均衡的目的。另一种是整体电压向单体电压转换的电路，是一种补充式充电均衡电路。从成本和均衡效率来考虑，能量转换式可应用于助动车等中小功率场合，但不适合扩展到更大的电池组中。还有就是对上述两种结构的改进行拓扑，双向转换电路结构。如专利10149455A，公开了一种电池系统的电压平衡装置及电压平衡方法，该装置包括：变压器，由初级绕组、多个次级绕组和磁性芯体构成；第一开关，与初级绕组串联，并联于电池系统；多个第二开关分别与次级绕组串联，并联于各个电芯。该电路可以通过控制开关的导通和关断，达到使电池组总能量向单体能量流动的目的，从而实现了电池组的能量均衡分配。该方法虽然从理论上不消耗能量，但是由于变压器的结构复杂，初次级线圈的工艺有很高的要求，若是有漏磁等问题，同样会导致能量的损失。而且该装置的整体结构与控制方法比较复杂，应用于电动车辆比较困难。

能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把锂离子电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电池上。这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡必须有多次传输，所以速度较慢，不适于串联较多的电池组。改进的电容开关均衡方式可通过选择，将电压高的单体电池的能量直接转移到电压低的单体电池上，而不用通过整个电池组依次转移，使均衡效率提高。能量转移式均衡中，单体电池能量的判断可通过模糊控制等智能算法来实现。如日本专利P2008-206395A中，公开了一种串联电池组矫正设备，该设备中的电池均衡功能主要由MOSFET和电感实现，通过控制MOSFET实现两个相邻电池单体间的能量流动，从而达到电池组均衡的目的。但是该方法的均衡效率较低，只能适用于串联数目较少的电池组。

综上所述，在现有技术中，系统比较复杂，成本较高，可靠性也大受影响，因此对于高功率大容量的电池组，尤其对于电动车辆，工况变化大，可靠性要求高，上述均衡装置实用推广存在较大困难。

发明内容

本发明的目的克服现有电池组均衡技术的缺点，提出一种对电池组的充放电过程中进行均衡的装置，该均衡装置结构简单，可级联，易扩展，能量转换效率高，适用于电动汽车用锂离子串联电池组以及其它高功率串联电池组。

本发明的均衡功能是通过比较两电池的电压，来判定是否启动相应控制电路做电压均衡，若启动分流模块，则是对相邻单体均衡；若启动反激变压器则将该组最后一节电池的能量反馈到整组电池中。通过分流模块和反激变压器的配合使用各单体之间的能量均衡目的，能量的传递途径是通过对单体的补流与释放能量实现的。

本发明均衡设备采用模块化结构，串联的多个电池组中，每个电池组连接一个均衡模块。均衡模块主要由分流模块和反激变压器单元构成。其中分流模块包括储能电感，开关管MOSFET和二极管；反激变压器单元包括变压器、开关管MOSFET和二极管。

在每个均衡模块中，分流模块跨接在相邻的两节单体电池之间。分流模块的开关管MOSFET的栅极接第一节单体电池正极，开关管MOSFET的源极接储能电感，开关管MOSFET的门极接控制器控制，储能电感接第一节单体电池负极。二极管的阴极接MOSFET源极，二极管的阳极接第二节电池的阴极。

在每个均衡模块中，反激变压器单元中控制反激变压器的开关管MOSFET栅极接第三节电池阳极，控制反激变压器的开关管MOSFET的源极接反激变压器原边同名端，控制反激变压器的开关管MOSFET的门极由控制器控制，反激变压器原边异名端和副边同名端都接在第三节电池负极，反激变压器副边异名端接反激变压器保护二极管阳极，反激变压器保护二极管阴极接第一节电池正极。

本发明的工作过程为：当电池组中相邻单体电池电压出现偏差时，控制器通给分流模块中的开关管MOSFET导通信号，电压高的单体电池中的能量被分流到储能电感中，储能电感上的电流线性增加。当分流模块中的开关MOSFET关断时，一方面电源继续给电池组充电，同时电感为了续流，与二极管和电压较低的电池形成回路，这样能量就流动到了电压较低的电池中，实现了能量的转移。二极管，开关管MOSFET以及相应的电感构成了均衡分流模块，将能量由电压高的电池向电压低的电池转移从而实现均衡。当电池组的最后一节单体电池的电压大于第一节电池的电压时，反激变压器单元中的开关管MOSFET导通，变压    器的初级绕组电感储能，当反激变压器单元中的开关管MOSFET关断时，初级绕组中的能量通过变压器被重新分配到电池组各单体中。

反激变压器的匝数比一般为1∶n，其中n为电池组的单体数目。由于整个电池包电压等级较高，若只用一组均衡设备，变压器设计非常困难，因此本发明设计了一种级联方式，通过将电包分组，然后把每组的首尾电池单元叠加复用到相邻的两个均衡设备里，即可将几组均衡设备连在一起使用。

附图说明

图1是本发明装置均衡模块级联图；

图2是本发明单一均衡模块图；

图3均衡电池CELLi的电流图。

具体实施方式

图1是本发明装置均衡模块级联图。本发明均衡装置采用模块化结构，将整个电池包CELL₁、CELL₂......CELL_n分成多个电池组，每个电池组连接一个均衡模块，如均衡模块1、2......m，其中m为大于0的整数。如图1所示，串联的m组电池中，每3节单体电池为一组，每个电池组连接一个均衡模块，采用叠加分组的方式即CELL1、CELL2、CELL3为电池组1，连接均衡模块1，CELL3、CELL4、CELL5为电池组2，连接均衡模块2，依次类推。这样均衡模块1和均衡模块2都能对CELL3进行均衡，均衡模块1可以通过反激变压器单元将CELL3的能量分配到CELL1、CELL2、CELL3中，而均衡模块2可以通过分流模块将CELL3的能量转移到CELL4中。

均衡模块包括分流模块和反激变压器单元。以下以第一均衡模块1为例说明其结构，其余均衡模块的结构与第一均衡模块1相同。第一均衡模块1由第一分流模块1和第二分流模块2组成。第一分流模块1由第一开关管MOSFET Q1、第一二极管D1和第一储能电感L1构成。第一分流模块1跨接在第一电池CELL1和第二电池CELL2两端，第一开关管MOSFETQ1的栅极接第一电池CELL1正极，第一开关管MOSFET Q1的源极分别接第一储能电感L1的一端和第一二级管D1的阴极，Q1的门极由控制器控制。第一储能电感L1的另一端接第一电池CELL1负极，第一二极管D1的阳极接第二电池CELL2的负极。

第二分流模块2由第二开关管MOSFET Q2、第二二极管D2和第二储能电感L2构成。第二分流模块2跨接在第二电池CELL2和第三电池CELL3两端，第二开关管MOSFET Q2的栅极接第二电池CELL2正极，第二开关管MOSFET Q2的源极分别接第二储能电感L2的一端和第二二级管D2的阴极，第二开关管MOSFET Q2的门极由控制器控制。第二储能电感L2的另一端接第二电池CELL2负极，第二二极管D2的阳极接第三电池CELL3的负极。

第一均衡模块1中的反激变压器单元包括第一变压器T1、第三开关管MOSFET Q3和第三二极管D3。Q3的栅极接第三电池CELL3阳极，Q3的源极接第一变压器T1原边同名端，Q3的门极由控制器控制，第一变压器T1原边的异名端接CELL3负极，第一变压器T1副边同名端接CELL3负极，第一变压器T1副边异名端接第三二极管D3阳极，第三二极管D3阴极接第一电池CELL1正极。第一分流模块1的功能是把第一电池CELL1中的多余能量转移到第二电池CELL2中，而第二分流模块2的功能是把CELL2中的多余能量转移到CELL3中。反激变压器单元的功能是将CELL3中的多余能量重新分配到CELL1、CELL2、CELL3中。其余均衡模块2、3、......m的结构以及与所均衡的电池组的连接方式和第一均衡模块1相同。

本发明均衡装置的工作原理是：分流模块实现相邻单体电池的能量均衡，反激变压器单元实现能量的循环流动。分流模块的工作过程是通过比较相邻两电池的电压，若相邻两电池的电压差超过了均衡的门限值，则启动相应控制电路做电压均衡，最终达到相邻两电池的电压均衡。反激变压器单元可以将单体能量转移到整体电池组中去。本发明的均衡装置能量的传递途径是通过对单体的补流与释放能量实现的，可以减少转化过程中能量损耗，减少控制系统的复杂性。

图2是本发明的均衡模块图，是图1级联图的一部分。控制器实时监测CELL_n-2，CELL_n-1，CELL_n三个单体电池的电压值，即V_CELLn-2，V_CELLn-1，V_CELLn。同时计算三个单体电池的两两电压差值，如ΔV₁＝V_CELLn-2-V_CELLn-1，ΔV₂＝V_CELLn-1-V_CELLn，ΔV₃＝V_CELLn-V_CELLn-2。当监测到ΔV₁＞10mv，则开启分流模块的开关管MOSFET Q_n-2，其中Q_n-2的控制方式采用PWM控制，开关频率f为5kHZ，占空比D为0.42。当Q_n-2导通时，CELL_n-2对电感L_n-2充电；当Q_n-2关断时，电感L_n-2中的能量经第n-2二极管D_n-2续流转移到CELL_n-1中。这样经过一断时间的导通关断重复操作，最终将CELL_n-2中多余的能量转移到CELL_n-1中，实现了两个单体电池的均衡。如果ΔV₂＞10mv，则开启分流模块的开关管MOSFET Q_n-1，其中Q_n-1的控制方式采用PWM控制，开关频率f为5kHZ，占空比D为0.42。当Q_n-1导通时，CELL_n-1对电感L_n-1充电；当Q_n-1关断时，电感L_n-1中的能量经第n-1二极管D_n-1续流转移到CELL_n中。这样经过一断时间的导通关断重复操作，最终将CELL_n-1中多余的能量转移到CELL_n中，实现了两个单体电池的均衡。如果ΔV₃＞10mv，则开启反激变压器单元，开启反激变压器单元的开关管MOSFET Q_n，控制方式同样采用PWM控制，开关频率f为5kHZ，占空比D为0.5。反激变压器将CELL_n中的多余能量重新分配到三个电池组中。

本发明装置使电源在保证满充单体不过充的情况下继续对其它单体充电，分析如下：假设单体电池CELL1已被充满电，为使它不过充，必须保证流过它的净电流为零。当开关Qi开通时，电池与电感形成回路，流过电感Li的电流线性增加：

在t＝DT时，I_i(t)达到最大值，则流过电池CELLi的电流如图3所示：要净电流为零，则需满足：S₁+S₃＝S₂，可以推出：

但是要保证此式成立比较困难，在CELL_i还未满充的情况下，上式确实可保证满充的电池都不过充。如果CELL_i先达到满充，通过反激变换器回馈到充电总线上的电流会使总的充电电流增大，这就会导致电池组中的其它满充的电池继续接受能量，所以有可能会使之过充。因此，一般情况下，电池组中单体电池在进行均衡能量的过程中，为了使储存在电感中的能量在一个开关周期内不累积，其相应开关的占空比不得大于1/2，实现能量的自动转移流动。为了简化电路设计的复杂性，将开关器件的占空比设置为相同，那么要保证单体电池的不过充，较好的解决办法是在充电开始瞬间立即开启电压均衡模块，使所有的电池电压先均衡到同一水平，然后让所有单体电压以同样的斜率上升直至满充，到达充电终止电压时，电源开关关断。它是以电池达到满充与否来判断是否该让均衡模块工作，而不是以电池组中是否出现了电压不均衡来判断是否该让均衡模块工作。

本发明均衡装置的优点如下：

①模块式设计、结构方便灵活，每只均衡器只负责相邻两只电池的均衡，电池组中电池个数可任意增减，均衡器个数等于电池个数。可适应各类场合，有很强的通用性，与电池之间的连接规范简单适合批量生产；

②动态均衡，无论电池处于静止、充电、放电的哪种状态，均衡器均可工作，使整组电池的荷电状态趋于一致；

③能量转移型、效率高，均衡器将高荷电状态电池的能量向低荷电状态的电池转移，整个电池组的能量几乎没有损耗；

本发明均衡装置在充电开始瞬间立即开启电压均衡模块，使所有的电池电压先均衡到同一水平，然后让所有单体电压以同样的斜率上升直至满充。放电过程也如此，均衡模块在放电开始瞬间就开启，使各个单体保持一致的斜率下降。该方案中开关频率较低，导通损耗小，结构简单，容易实现快速高效的能量转移，从而使电池迅速达到均衡状态。

本发明均衡装置适用于电动汽车用锂离子串联电池组以及其它高功率串联电池组。

Claims (6)

1.一种串联电池组均衡设备，其特征在于所述串联的多个电池组中，每3节单体电池为一组，每个电池组连接一个均衡模块；所述的均衡模块由分流模块和反激变压器单元组成；在每个均衡模块中，分流模块跨接在相邻的两节单体电池之间；分流模块中：开关管MOSFET的栅极接第一节单体电池正极，开关管MOSFET的源极接储能电感，开关管MOSFET的门极接控制器，储能电感接第一节单体电池负极，二极管的阴极接MOSFET源极，二极管的阳极接第二节电池的阴极；

所述的反激变压器单元中：控制反激变压器的开关管MOSFET栅极接第三节电池阳极，控制反激变压器的开关管MOSFET的源极接反激变压器原边同名端，控制反激变压器的开关管MOSFET的门极由控制器控制，反激变压器原边异名端和副边同名端都接在第三节电池负极，反激变压器副边异名端接反激变压器保护二极管阳极，反激变压器保护二极管阴极接第一节电池正极。

当电池组中相邻的单体电池电压出现偏差时，控制器给分流模块中的开关管MOSFET导通信号，电压高的单体电池中的能量被分流到所述的储能电感中，储能电感上的电流线性增加；当所述的分流模块中的开关MOSFET关断时，一方面电源继续给电池组充电，同时电感为了续流，与分流模块中的二极管和电压较低的电池形成回路，如此能量便流动到了电压较低的电池中，实现了能量的转移；当电池组的最后一节单体电池的电压大于第一节电池的电压时，所述的反激变压器单元中的开关管MOSFET导通，变压器的初级绕组电感储能，当所述的反激变压器单元中的开关管MOSFET关断时，变压器初级绕组中的能量通过变压器被重新分配到电池组各单体电池中。

2.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于所述的第一均衡模块(1)由第一分流模块(1)和第二分流模块(2)组成；第一分流模块(1)由第一开关管MOSFET(Q1)、第一二极管(D1)和第一储能电感(L1)构成；分流模块(1)跨接在第一电池(CELL1)和第二电池(CELL2)两端，第一开关管MOSFET(Q1)的栅极接第一电池(CELL1)的正极，第一开关管MOSFET(Q1)的源极分别接第一储能电感(L1)的一端和第一二级管(D1)的阴极，第一开关管MOSFET(Q1)的门极由控制器控制；第一储能电感(L1)的另一端接第一电池(CELL1)负极，第一二极管(D1)的阳极接第二电池(CELL2)的负极；第二分流模块(2)由第二开关管MOSFET(Q2)、第二二极管(D2)和第二储能电感(L2)构成；分流模块(2)跨接在第一电池(CELL2)和第二电池(CELL3)两端，第二开关管MOSFET(Q2)的栅极接第一电池(CELL2)的正极，第二开关管MOSFET(Q2)的源极分别接第一储能电感(L2)的一端和第二二级管(D2)的阴极，第二开关管MOSFET(Q2)的门极由控制器控制；第二储能电感(L2)的另一端接第二电池(CELL2)负极，第二二极管(D2)的阳极接第三电池(CELL3)的负极，其余第二均衡模块(2)、第三均衡模块(3)、......第m均衡模块(m)的组成结构以及与所均衡的电池组的连接方式和第一均衡模块(1)相同。

3.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于反激变压器单元包括第一变压器(T1)、第三开关管MOSFET(Q3)和第三二极管(D3)；第三开关管MOSFET(Q3)的栅极接第三电池(CELL3)的阳极，第三开关管MOSFET(Q3)的源极接第一变压器(T1)的原边同名端，第三开关管MOSFET(Q3)的门极由控制器控制；第一变压器(T1)原边的异名端接第三电池(CELL3)的负极；第一变压器(T1)的副边同名端接第三电池(CELL3)的负极，第一变压器(T1)的副边异名端接第三二极管(D3)的阳极，第三二极管(D3)的阴极接第一电池(CELL1)的正极。

4.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于第二均衡模块(2)、第三均衡模块(3)、.......第m均衡模块(m)之间采用级联结构，其级联的方式是通过将串联的电池分组，按照每组电池的最后一节电池和相邻的下一组的第一节电池共用的原则，在每组电池中加入均衡模块。

5.按照权利要求4所述的电池组均衡设备，其特征在于级联结构中：第一均衡模块(1)所均衡的电池包括第一电池(CELL1)、第二电池(CELL2)、第三电池(CELL3)，第二均衡模块(2)所均衡的电池包括第三电池(CELL3)、第四电池(CELL4)、第五电池(CELL5)，第三均衡模块(3)、.......第m均衡模块(m)所均衡的电池与第一均衡模块(1)和第二均衡模块(2)的分组方式相同。

6.按照权利要求1所述的电池组均衡设备，其特征在于所述的均衡设备的控制方法是：对于第m均衡模块(m)控制器实时监测第n-2电池(CELL_n-2)、第n-1电池(CELL_n-1)、第n-1电池(CELL_n)三个单体的电压值，即V_CELLn-2，V_CELLn-1，V_CELLn；同时计算三节单体电池的两两电压差值，如ΔV₁＝V_CELLn-2-V_CELLn-1，ΔV₂＝V_CELLn-1-V_CELLn，ΔV₃＝V_CELLn-V_CELLn-2当监测到ΔV₁＞10mv，则开启分流模块的第n-2开关管MOSFET(Q_n-2)，其中第n-2开关管MOSFET(Q_n-2)采用PWM控制；当第n-2开关管MOSFET(Q_n-2)导通时，第n-2电池(CELL_n-2)对第n-2电感(L_n-2)充电；当第n-2开关管MOSFET(Q_n-2)关断时，第n-2电感(L_n-2)中的能量经第n-2二极管(D_n-2)续流转移到第n-1电池(CELL_n-1)中；如此经过一断时间的导通关断重复操作，最终将第n-2电池(CELL_n-2)中多余的能量转移到第n-2电池(CELL_n-1)中，实现了两个单体电池的均衡；如果ΔV₂＞10mv，则开启分流模块中的第n-1开关管MOSFET(Q _n-1)，其中第n-1开关管MOSFET(Q_n-1)的控制方式采用PWM控制；当第n-1开关管MOSFET(Q_n-1)导通时，第n-1电池(CELL_n-1)对第n-1电感(L_n-1)充电；当第n-1开关管MOSFET(Q_n-1)关断时，第n-1电感(L_n-1)中的能量经第n-1二极管(D_n-1)二极管续流转移到第n电池(CELL_n)中；如果ΔV₃＞10mv，则开启反激变压器单元，开启反激变压器单元中的第n开关管MOSFET(Q_n)，控制方式采用PWM控制；第一均衡模块(1)、......，第m-1.均衡模块(m-1)的均衡方法与第m均衡模块(m)中的均衡方法相同。

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