CN102122836B

CN102122836B - 一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路

Info

Publication number: CN102122836B
Application number: CN201110096238.5A
Authority: CN
Inventors: 杨世春; 李明; 曹耀光; 崔海港; 王刚; 徐斌
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: CN102122836A

Abstract

本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，包括电压采集模块、电池单体选择电路、电压均衡电路、蓄电池和动力电池组。所述的锂离子动力电池充放电主动均衡电路作为车载动力电池组电池管理系统的一部分，是对现有充放电均衡方法的一种改进，该均衡电路简单可靠，易于控制，对动力电池组进行均衡时，基本不消耗动力电池组电能，主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。

Description

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路

技术领域

本发明属于电池充放电技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路。

背景技术

现代电动汽车多采用串联式动力电池组，锂离子动力电池将会在未来一段时间内大量使用。动力电池的安全、高效使用对于电动汽车的正常运行具有重要的意义。

电池组在使用过程中，由于各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减。由于在制作过程中的工艺等原因，即使是同批次、同型号的电池，也存在容量、内阻等方面的差异，并且在长期的使用过程中，这种差异会越来越大，进而导致动力电池组充放电时的不均衡。不均衡性对串联电池组的性能影响很大，将会降低电池组的整体容量，缩短使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，作为车载动力电池组电池管理系统的一部分，是对现有充放电均衡方法的一种改进，该均衡电路简单可靠，易于控制，对动力电池组进行均衡时，基本不消耗动力电池组电能，主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。

本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，包括电压采集模块、电池单体选择电路、电压均衡电路、蓄电池和动力电池组。

电压采集模块用于实时采集动力电池组中各电池单体的电压，与动力电池组中的各个电池单体相连接，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元，电池单体选择电路用于选择将要进行电压均衡的动力电池组中电池单体，电压均衡电路和蓄电池用于对电池单体选择电路选择的动力电池组中电池单体进行电压均衡管理。

电池单体选择电路由多个继电器和换向开关组成，动力电池组由多个电池单体串联组成，每个电池单体均连接一个继电器，每个继电器与换向开关相连接，继电器和换向开关均通过电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制相应继电器的通断分别将换向开关接入端接通不同的电池单体，从而选择出将要进行电压均衡的电池单体。

所述的电压均衡电路由两个互相对称的电路E和电路F组成，电路E包括电容EA、MOS管E、续流二极管E、电阻E、电容EB和二极管E。电路F包括电容FA、MOS管F、续流二极管F、电阻F、电容FB和二极管F。所述连接电池单体选择电路的输出端的两端作为电路E的输入端，该电路E输入端之间顺次串联有MOS管E和二极管E的并联电路、续流二极管E、电阻E和电容EB的并联电路，且该电路E输入端之间还并联连接有电容EA，所述续流二极管E与二极管E之间具有支点A，该支点A与换向开关输出端相连接端之间连接有变压器的初级回路，作为电路E的输出端。所述的蓄电池的正负极作为电路F的输入端，蓄电池的正负极即电路F的输入端之间顺次串联有MOS管F和二极管F的并联电路、续流二极管F、电阻F和电容FB的并联电路，且蓄电池的正负极即电路F的输入端两端之间还并联连接有电容FA。续流二极管F和二极管F相连接的电路中具有支点B，该支点B与蓄电池的正极之间还并联连接有变压器的次级回路，作为电路F的输出端。

本发明的优点在于：

1.本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路均衡过程简单可靠，易于控制；

2.本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路利用车用蓄电池对动力电池组进行均衡，基本不消耗动力电池组电能；

3.本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路的主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。

附图说明

图1：本发明提供的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路的结构示意图；

图2：本发明均衡电路对电池单体充电时的等效电路图；

图3：本发明均衡电路控制电池单体放电时的等效电路图。

图中：

1-电压采集模块； 2-电池单体选择电路； 3-电压均衡电路 4-蓄电池；

5-稳压电路E； 6-稳压电路F； 7-变压器； 8-单体电池；

9-换向开关； 10-电容EA； 11-MOS管E； 12-续流二极管E；

13-电阻E； 14-电容EB； 15-二极管E； 16-电容FA；

17-MOS管F； 18-续流二极管F 19-电阻F； 20-电容FB；

21-二极管F； 22-动力电池组 23-继电器

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，如图1所示，包括：电压采集模块1、电池单体选择电路2、电压均衡电路3、蓄电池4和动力电池组22。

电压采集模块1用于实时采集动力电池组22中各电池单体的电压，与动力电池组22中的各个电池单体相连接，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元；电池单体选择电路2用于选择将要进行电压均衡的动力电池组22中电池单体，电压均衡电路3和蓄电池4用于对电池单体选择电路2选择的动力电池组22中电池单体进行电压均衡管理。

电池单体选择电路2由多个继电器23和换向开关9组成，动力电池组22由多个电池单体串联组成，每个电池单体之间均连接一个继电器23，该继电器与换向开关9相连接，继电器23和换向开关9均通过电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制相应继电器23的通断，分别将换向开关9接入端接通不同的电池单体，从而选择出将要进行电压均衡的电池单体。

所述的电压均衡电路3由两个互相对称的电路E和电路F组成，电路E包括电容EA10、MOS管E11、续流二极管E12、电阻E13、电容EB14和二极管E15。电路F包括电容FA16、MOS管F17、续流二极管F18、电阻F19、电容FB20和二极管F21。所述连接电池单体选择电路2的输出端的两端作为电路E的输入端，该电路E输入端之间顺次串联有MOS管E11和二极管E15的并联电路、续流二极管E12、电阻E13和电容EB14的并联电路，且该电路E输入端之间还并联连接有电容EA10，所述续流二极管E12与二极管E15之间具有支点A，该支点A与换向开关输出端相连接端之间连接有变压器的初级回路，作为电路E的输出端。所述的蓄电池的正负极作为电路F的输入端，蓄电池的正负极即电路F的输入端两端之间顺次串联有MOS管F17和二极管F21的并联电路、续流二极管F18、电阻F19和电容FB20的并联电路，且蓄电池的正负极即电路F的输入端两端之间还并联连接有电容FA16。续流二极管F18和二极管F21相连接的电路中具有支点B，该支点B与蓄电池的正极之间还并联连接有变压器的次级回路，作为电路F的输出端。当均衡电路应用于汽车时，所述的蓄电池为可充电池，优选为24V直流蓄电池。

所述的电压采集模块1实时对动力电池组22电池单体电压进行采集，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元。电池管理系统计算出当前整个动力电池组22的总电压U，除以电池单体个数N得到电池单体的平均电压U_m。取电池单体均衡电压上限为U_max，U_max＝U_m＊(1+20％)；电池单体均衡电压下限为U_min，U_min＝U_m＊(1-20％)。如果某一电池单体电压高于限值U_max或低于限值U_min，则电池管理系统判断为需要对此电池单体进行均衡管理。

所述的电池管理系统通过控制电池单体选择电路2中的继电器23通断选择电压高于限值U_max或低于限值U_min的电池单体，控制换向开关9对电压进行换向，保持对所述电压均衡电路3输出的电压方向不变。

所述的电压均衡电路3和蓄电池4对所选择的电池单体进行电压均衡管理。通过控制MOS管E11的通断，回路可以在变压器7初级线圈两端产生交变电压U₁。所述的电路F同电路E结构对称，同变压器7次级线圈共同组成回路，通过控制MOS管F17的通断，回路可以在变压器17次级线圈两端产生交变电压U₂。

对电池单体充电过程等效电路如图2所示。设定由电池单体选择电路B选择的电池单体电压为U₀，且U₀低于电池单体均衡电压下限U_min。则电池管理系统控制MOS管F11截断，并控制MOS管F17的导通和截断时间，使得电路F在所述变压器7的次级线圈产生交变电压U₂。交变电压U₂经过变压器7转换，加载至电路E，由于二极管E15和电容E14的整流作用，交变电压转变为直流电压U_d2，电压U_d2的大小可以通过MOS管F17通断的占空比进行控制。若控制使电压U_d2高于所选单体电池，则U_d2加载至所选单体电池时，对单体电池进行充电。由电压采集模块A实时监测所选单体电池电压，当所述单体电池电压达到平均电压U_m时，电池管理系统控制MOS管F17断开，选择电池单体选择电路2中的继电器23断开，电池单体充电结束。

电池单体放电过程等效电路如图3所示。设定由电池单体选择电路2选择的电池单体电压为U₀’，且U₀’高于电池单体均衡电压上限U_max。则电池管理系统控制MOS管F17截断，并控制MOS管E11的导通和截断时间，使得电路E在所述变压器7的初级线圈产生交变电压U₁。交变电压U₁经过变压器7转换，加载至电路F，由于二极管F21和电容F20的整流作用，交变电压转变为直流电压U_d1，电压U_d1的大小可以通过MOS管E11通断的占空比进行控制。若控制使电压U_d1高于蓄电池4，则U_d1加载至蓄电池4时，对蓄电池4进行充电。由电压采集模块1实时监测所选单体电池电压，当所述单体电池电压达到平均电压U_m时，电池管理系统控制MOS管E11断开，选择电池单体选择电路2中的继电器23断开，电池单体放电结束。

Claims

1.一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其特征在于：包括电压采集模块、电池单体选择电路、电压均衡电路、蓄电池和动力电池组；所述的电压采集模块与动力电池组中的各个电池单体相连接，用于实时采集各电池单体的电压，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元，电池管理系统计算出当前整个动力电池组的总电压U，除以电池单体个数N得到电池单体的平均电压U_m,取电池单体均衡电压上限为U_max，U_max=U_m*（1+20%）；电池单体均衡电压下限为U_min，U_min=U_m*（1-20%）;如果某一电池单体电压高于限值U_max或低于限值U_min，则电池管理系统判断为需要对此电池单体进行均衡管理。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的电池单体选择电路由多个继电器和换向开关组成，动力电池组由多个电池单体串联组成，每个电池单体均连接一个继电器，每个继电器与换向开关相连接，继电器和换向开关均通过电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制相应继电器的通断分别将换向开关接入端接通不同的电池单体，选择出将要进行电压均衡的电池单体。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路由两个互相对称的电路E和电路F组成，电路E包括电容EA、MOS管E、续流二极管E、电阻E、电容EB和二极管E；电路F包括电容FA、MOS管F、续流二极管F、电阻F、电容FB和二极管F；连接电池单体选择电路的输出端的两端作为电路E的输入端，该电路E输入端之间顺次串联有MOS管E和二极管E的并联电路、续流二极管E、电阻E和电容EB的并联电路，且该电路E输入端之间还并联连接有电容EA，所述的MOS管E和二极管E的并联电路中，MOS管E的S极和二极管E的正极连接在一起，MOS管E的D极和二极管E的负极连接在一起；所述的续流二极管E的正极与MOS管E和二极管E的并联电路的负极连接在一起，连接点是支点A，续流二极管E的负极与电阻E和电容EB组成的并联电路的正极连接在一起，支点A与电阻E和电容EB组成的并联电路的负极之间并联连接有变压器的初级回路，作为电路E的输出端；同时支点A也是变压器初级线圈的正极，电阻E和电容EB组成的并联电路的负极和变压器初级线圈的负极连接在一起;

所述的蓄电池的正负极作为电路F的输入端，蓄电池的正负极之间顺次串联有MOS管F和二极管F的并联电路、续流二极管F、电阻F和电容FB的并联电路，且蓄电池的正负极之间还并联连接有电容FA；所述的MOS管F和二极管F的并联电路中，MOS管F的S极和二极管F的正极连接在一起，MOS管F的D极和二极管F的负极连接在一起；所述的续流二极管F的正极与MOS管F和二极管F的并联电路的负极连接在一起，连接点是支点B，续流二极管F的负极与电阻F和电容FB组成的并联电路的正极连接在一起，支点B与电阻F和电容FB组成的并联电路的负极之间并联连接有变压器的次级回路，作为电路F的输出端;同时支点B也是变压器次级线圈的正极，电阻F和电容FB组成的并联电路的负极和变压器次级线圈的负极连接在一起。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的蓄电池为可充电电池。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的锂离子动力电池充放电主动均衡电路用于完成对电池单体进行充放电过程。