CN102055224A - 一种电池电压均衡电路及其方法 - Google Patents

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刘洋成
洛志宏
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Abstract

本发明涉及一种电池电压均衡电路及其方法，其中电路包括与N+1个依次串联电池连接配合的N个依次串联电容以及用于切换N个所述电容与前N个或后N个所述电池一一依次并联的控制开关；方法包括通过控制开关重复在N个所述电容与前N个或后N个所述电池一一依次并联两种连接方式间切换；N为任一自然数。这种电路及其方法，通过配置电容容值大小和控制开关频率有效地调节均衡电流，保障电池组在任何工况下，只要单体电池电压差值超过设置的均衡阀值，均可控制电池均衡器工作有效降低单体电池电压差值，提高系统安全性，延长电池使用寿命。

Description

一种电池电压均衡电路及其方法
技术领域
本发明涉及电池和电池管理，具体涉及一种电池电压均衡电路及其方法。
背景技术
现在，电动汽车和混合动力汽车越来越多的采用将多个电池并串联后组成的电池组作为其储能单元。电池寿命、价格对整车的可靠性、成本有着很大的影响，因此对其合理有效的管理，不仅能充分发挥电池的特点，也可以延长其寿命。电池管理系统应有的主要功能包括：显示荷电状态（SOC）；提供电池温度、电压、电流等状态信息；电池状态异常报警；电池性能异常早期报警；提供电池老化信息；记录电池关键数据以及可靠的安全管理和热管理。同时，由于电池组由单体电池串联组成，电池组的整体性能受到单体电池的不均衡性制约，而不断重复的过充电和过放电则会加剧单体电池间的不均衡性，缩短电池组使用寿命。因此，电池管理系统中增加了电池均衡器来解决此问题，其常规均衡控制原理是：单体电池电压与平均单体电池电压相比较，控制功率开关将电池电压高于平均电压的单体电池分流，从而所有单体电池电压在均衡电路的作用下趋向平均电池电压。
现有技术中，为了克服单体电池间的不均衡性，通常采用对容量较高的电池进行均衡放电，或者用对容量较低的电池均衡充电的方式来提高电池组的容量。但是，采用电阻放电式的均衡模式，会将均衡电路与从控制模块集成封装在一起，一方面这会将宝贵的电能浪费掉，另一方面由于模块内散热条件不好引起温度过高监控均衡失效的可能。而采用从电池组取电通过直流（DC）-直流（DC）变换器对容量较低电池充电的方式结构复杂，成本较高。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，如何提供一种电池电压均衡电路及其方法，结构简单且能效高。
本发明的第一个技术问题这样解决：构建一种电池电压均衡电路，连接N+1个依次串联电池，包括N个依次串联电容，所述电容通过用于切换N个所述电容与前N个或后N个所述电池一一依次并联的控制开关与所述电池电连接，N为任一自然数。
按照本发明提供的均衡电路，包括第1至第N个依次串联的电容，与第1至第N+1个依次串联的电池电连接，它们的连接方式包括以下二种，通过控制开关能在这二种方式间切换：
㈠第i个电容与第i个电池并联，i是1至N的任一自然数；
㈡第i个电容与第i+1个电池并联，i是1至N的任一自然数。
按照本发明提供的均衡电路，所述控制开关包括但不限制于以下三种形式：
㈠所述控制开关是一个N+1刀双掷开关，其固定端与所述电容电连接，选择端与所述电池电连接；
㈡所述控制开关是一个N+2刀双掷开关，其固定端与所述电池电连接，选择端与所述电容或空NULL电连接；
㈢所述控制开关是二组每组N+1个同时导通或断开的场效应管开关，同一时刻只有一组导通。
按照本发明提供的均衡电路，还包括与所述控制开关控制端依次电连接的均衡控制单元和电池压差检测单元。
按照本发明提供的均衡电路，所述电容又称为均衡电容；所述控制开关又称切换控制开关。
本发明的另一个技术问题这样解决：构建一种电池电压均衡方法，利用控制开关切换电连接，包括以下依次的重复步骤：
A ) N个依次串联电容通过控制开关与N+1个依次串联电池中前N个电池一一依次并联；
B）N个依次串联电容通过控制开关与N+1个依次串联电池中后N个电池一一并联；N为任一自然数。
按照本发明提供的均衡方法，使用第1至第N个依次串联的电容，与第1至第N+1个依次串联的电池电连接，其方法是重复以下切换电连接的步骤：
A’)通过控制开关切换至第一种电连接方式：使第i个电容与第i个电池并联，i是1至N的任一自然数；
B’ )通过控制开关切换至第二种电连接方式：使第i个电容与第i+1个电池并联，i是1至N的任一自然数。
按照本发明提供的均衡方法，还包括检测到所述串联电池之间没有电压差或小于均衡阀值停止所述重复步骤A)和B)。
按照本发明提供的均衡方法，还包括检测到所述串联电池之间存在电压差或大于均衡阀值开启所述重复步骤A)和B)。
按照本发明提供的均衡方法，包括但不限制于采用以下方式：所述电容容值是560uF，所述重复的频率是10kHz。
本发明提供的电池电压均衡电路及其方法，对N+1个串联电池配置N个均衡电容，在须要均衡时通过切换控制开关使每个均衡电容不停地在相邻两个电池间轮流导通，通过配置电容容值大小和控制开关频率有效调节均衡电流，保障电池组在任何工况下，只要单体电池电压差值超过设置的均衡阀值，均可控制电池均衡器工作有效降低单体电池电压差值，提高系统安全性，延长电池使用寿命。 
附图说明
下面结合附图和具体实施例进一步对本发明进行详细说明：
图1是本发明一种具体实施例的四电池电压均衡电路原理示意图；
图2是本发明一种具体实施例的三电池电压均衡电路原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例第一均衡电路对4个串联电池配置3个均衡电容，其控制开关是一个4刀双掷开关，其固定端与所述电容电连接，选择端与所述电池电连接，其中电阻Ron仅表示电路中存在的电池、开关、电容的等效电阻，并非实际串入电阻。其工作原理是：
每个均衡电容被用来转移串联充电电池中相连两电池之间的电荷，随着开关不停的前后导通，这些电容将任意个数串联的电池阵列均衡到同一电压，并且这种均衡方式不受电池串是否在充电的状态的影响，只要存在电压差，打开均衡控制电路，则电压均衡过程就会开始，趋向于最终所有电池达到电压平衡，假设电池电压                                                
Figure 2010105970896100002DEST_PATH_IMAGE001
>
Figure 395809DEST_PATH_IMAGE002
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Figure 2010105970896100002DEST_PATH_IMAGE003
>
Figure 250633DEST_PATH_IMAGE004
，那么当双掷开关连到上面的时候， 
Figure 30370DEST_PATH_IMAGE001
将电荷转到
Figure 2010105970896100002DEST_PATH_IMAGE005
上，
Figure 363262DEST_PATH_IMAGE002
将电荷转到
Figure 613853DEST_PATH_IMAGE006
上，
Figure 436315DEST_PATH_IMAGE003
将电荷转到
Figure 2010105970896100002DEST_PATH_IMAGE007
上；当双掷开关连到下面的时候，
Figure 641032DEST_PATH_IMAGE005
将电荷转到
Figure 777615DEST_PATH_IMAGE002
上，
Figure 446494DEST_PATH_IMAGE008
将电荷转到
Figure 439858DEST_PATH_IMAGE003
上，
Figure 131870DEST_PATH_IMAGE007
将电荷转到
Figure 868882DEST_PATH_IMAGE004
上，就这样，双掷开关以一定的频率上下连接，电荷也不断地被从高电压的电池转到低电压的电池中，最后达到所有电池电压基本相同的状态，并且只要开关不停的切换，电荷的转移就会消除电池之间的压差。在实际系统中则使用上下互补导通的超低导通阻抗场效应MOS功率管来等效代替双掷开关，使得等效开关开通时的电阻减少，进而减少能耗。
如图2所示，本发明实施例第二均衡电路对3个串联电池配置2个均衡电容，其控制开关是一个4刀双掷开关，其固定端与所述电池电连接，选择端与所述电容或空NULL电连接，其工作原理与第一均衡电路一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1. 一种电池电压均衡电路，连接N+1个依次串联电池，其特征在于，包括N个依次串联电容，所述电容通过用于切换N个所述电容与前N个或后N个所述电池一一依次并联的控制开关与所述电池电连接，N为任一自然数。
2.根据权利要求1所述均衡电路，其特征在于，所述控制开关是一个N+1刀双掷开关，其固定端与所述电容电连接，选择端与所述电池电连接。
3.根据权利要求1所述均衡电路，其特征在于，所述控制开关是一个N+2刀双掷开关，其固定端与所述电池电连接，选择端与所述电容或空电连接。
4.根据权利要求1所述均衡电路，其特征在于，所述控制开关是二组、每组N+1个同时导通或断开的场效应管开关。
5.根据权利要求1所述均衡电路，其特征在于，还包括与所述控制开关控制端依次电连接的均衡控制单元和电池压差检测单元。
6.一种电池电压均衡方法，其特征在于，利用控制开关切换电连接，包括以下依次的重复步骤：
A ) N个依次串联电容通过控制开关与N+1个依次串联电池中前N个电池一一依次并联；
B）N个依次串联电容通过控制开关与N+1个依次串联电池中后N个电池一一并联；N为任一自然数。
7.根据权利要求6所述均衡方法，其特征在于，还包括检测到所述串联电池之间没有电压差或小于均衡阀值停止所述重复步骤A)和B)。
8.根据权利要求7所述均衡方法，其特征在于，还包括检测到所述串联电池之间存在电压差或大于均衡阀值开启所述重复步骤A)和B)。
9.根据权利要求6所述均衡方法，其特征在于，所述电容容值是560uF，所述重复的频率是10kHz。
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