CN102163854A - 一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，包括一个主控制模块及与其通信连接的用于与一组串联相接顺次设置的单体电池对应连接的一组均衡模块组；各均衡模块均包括一个反激变压器、两个开关和一个或两个以上并联实现的电容组，每个均衡模块反激变压器的一个绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，该均衡模块的电容组与该绕组并联，另一个绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的正负极连接，每个绕组回路上串联有一个开关。该均衡电路实现所有单体电池间的能量平衡，属于无损均衡、均衡电流大、均衡效率高、可扩展性好、便于实现，能够达到大电流快速充电、增强电池安全性能、提高电池放电能力和使用寿命等目的。

Description

一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路

技术领域

本发明涉及一种锂电池组充放电均衡电路，尤其涉及一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路。

背景技术

随着锂离子动力电池技术的进步，电池的一致性得到很大提高。尽管如此，各个单体之间的差异依然存在，有些电池容量偏大，有些偏小。容量偏小的电池电压变化比较快，充电时最先达到充电截止电压，放电时最先达到放电截止电压。类似于木桶短板效应，容量偏小的电池限制了整个电池组的性能。随着循环次数的增加，个别电池的过冲过放以及老化程度的差异，导致电池不一致性加剧，严重影响了电池性能。这一难题给BMS提出了新的挑战，即在电池组工作时实现各个单体电池之间的充放电均衡。一个好的均衡电路可以充分发挥电池性能，延长电池使用寿命。

均衡分为能量耗散型和非能量耗散型均衡。能量耗散型以电阻均衡法为代表，其损耗大、温升大、不适合大电流充电，无法实现放电均衡；非能量耗散型包含开关电容法、共享变压器法和双向可逆DC/DC。开关电容法时间常数大、均衡过程缓慢，效率低；共享变压器法损耗大，成本高，实现困难；中国公开号CN101222149A公开了一种名称为“串联储能电源三单体直接均衡器”的专利，该专利公开了一种采取Boost和Flyback两种工作模式组合的均衡电路，然而它只能实现相邻三个串联储能单体间直接双向能量传递，并且电路结构复杂，实现困难。综上，现有均衡技术都存在各种各样的不足，多单体串联电池系统任意两个单体之间实现高效率、大电流充放电均衡仍然是BMS研发中面临的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，以解决现有均衡电路无法实现任意两个单体之间实现高效率、大电流充放电均衡的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，包括一个主控制模块及与其通信连接的用于与一组串联相接顺次设置的单体电池对应连接的一组均衡模块组，每个均衡模块用于与一个单体电池一一对应；各均衡模块均包括一个反激变压器、两个开关和一个或两个以上并联实现的电容组，每个均衡模块反激变压器的一个绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，该均衡模块的电容组与该绕组并联，另一个绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的正负极连接，每个绕组回路上串联有一个开关，用于与每个反激变压器的同名端对应连接的单体电池相应极端的极性相反。

所述开关为开关管。

每个均衡模块反激变压器的原边绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，且该均衡模块的电容与该原边绕组并联，副边绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的对应负正极连接。

所述原边绕组回路上串联的开关管串接在原边绕组的同名端；所述副边绕组回路上串联的开关管串接在副边绕组的非同名端。

所述反激变压器为双向可逆DC/DC平面反激变压器。

所述开关管为MOSFET开关管。

本发明的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路的均衡模块由反激变压器、两个开关管和一个或两个以上并联实现的电容组组成，同时集成了其他功能电路，通过PWM信号控制连接反激变压器原副边绕组的两个开关管互补导通，通过控制反激变压器原边绕组和副边绕组的导通顺序，一方面实现电流旁路，另一方面实现能量在两个相邻电池之间向上转移或向下转移。N个单体电池之间通过直接或间接能量转移，最终实现N个单体之间的能量均衡。该均衡电路可以实现向上均衡和向下均衡、充电均衡和放电均衡等功能，最终能够实现所有单体电池间的能量平衡，属于无损均衡、均衡电流大、均衡效率高、可扩展性好、便于实现，能够达到大电流快速充电、增强电池安全性能、提高电池放电能力和使用寿命等目的。

附图说明

图1所示为本发明的结构示意图；

图2所示为充电或放电模式下，多单体串联均衡拓扑结构示意图；

图3所示为恒流充电模式下，三单体串联均衡拓扑结构示意图；

图4所示为向上均衡模式下，开关管S10闭合、S11断开时的电流流向示意图；

图5所示为向上均衡模式下，开关管S10断开、S11闭合时的电流流向示意图；

图6所示为向下均衡模式下，开关管S20断开、S21闭合时的电流流向示意图；

图7所示为向下均衡模式下，开关管S20闭合、S21断开时的电流流向示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

如图1～图2所示为本新型多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，由图可知，包括一个主控制模块及与其通信连接的用于与一组串联相接顺次设置的单体电池对应连接的一组均衡模块组，每个均衡模块用于与一个单体电池一一对应；各均衡模块均包括一个反激变压器、两个开关和一个或两个以上并联实现的电容组，每个均衡模块反激变压器的一个绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，该均衡模块的电容组与该绕组并联，另一个绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的正负极连接，每个绕组回路上串联有一个开关，用于与每个反激变压器的同名端对应连接的单体电池相应极端的极性相反。主控制模块负责信息处理、对各个均衡模块控制以及均衡策略的管理等；均衡模块同时集成了其他功能电路，负责单体电池的电压采集、温度采集以及实现均衡等功能。

本实施例中的反激变压器为双向可逆DC/DC平面反激变压器；开关管为MOSFET开关管，均衡模块中的单体电容可以用多个电容并联实现。

以N节单体串联成组为例，其均衡拓扑结构示意图如图2所示：最下方电池为Cell1，最上方电池为CellN，串联的电池个数不限。每个均衡模块主要由一个双向可逆DC/DC平面反激变压器、两个开关管以及一个电容组成。反激变压器原边绕组经由一个开关管连接当前电池正极和负极，反激变压器副边绕组经由另外一个开关管连接当前电池的正极（也即上节电池的负极）和上一节电池的正极，电容与单体电池并联。第N节电池（末端电池）的均衡模块并不参与均衡，仅实现电压采集、温度采集及通信等功能。各均衡模块之间以及与控制模块之间通过总线进行通信。本实施例中原边绕组回路上串联的开关管串接在原边绕组的同名端，副边绕组回路上串联的开关管串接在副边绕组的非同名端。

通过PWM信号控制连接反激变压器原副边绕组的两个开关管互补导通。通过控制反激变压器原边绕组和副边绕组的导通顺序，一方面实现电流旁路，另一方面实现能量在两个相邻电池之间向上转移或向下转移。N个单体电池之间通过直接或间接能量转移，最终实现N个单体之间的能量均衡。通过选取合适的开关管、PWM控制信号、变压器尺寸以及绕组方式等参数，可以实现大电流均衡，理论均衡电流可达数百安培。

如图3～图7所示为三单体串联均衡的拓扑结构示意图，以三个单体锂电池Cell1、Cell2和Cell3串联成组为例说明均衡模块在充电时的工作情况：充电机对电池组实施恒流充电，充电电流为Ic。根据示意图3，两个DC/DC反激变压器T1、T2（虚线框部分）分别并联至Cell1和Cell2两端，T1、T2的原边绕组定义为P，副边绕组定义为S。反激变压器T1原边绕组上端定义为a，原边绕组下端定义为c，副边绕组上端定义为b，副边绕组下端定义为d。a连接至Cell1正极，c经由开关管S10连接至Cell1负极，b经由开关管S11连接至Cell1正极，d则连接至上节电池Cell2的正极。反激变压器T2原边绕组上端定义为e，原边绕组下端定义为g，副边绕组上端定义为f，副边绕组下端定义为h。e连接至Cell2正极，g经由开关管S20连接至Cell2负极，f经由开关管S21连接至Cell2正极，h则连接至上节电池Cell3的正极。电容C1并联至Cell1的正负极，电容C2并联至Cell2的正负极。C3和T3与Cell3的连接方式与上述连接类似，因第三个均衡模块（末端均衡模块）并不参与均衡，仅仅实现电压和温度采集以及通信等功能，此处不做详细说明。

如图4～图5所示为向上均衡模式下的电流流向图：假定Cell1的电压远远高于Cell2和Cell3的电压，随着充电继续，Cell1的电压率先达到均衡点（设置均衡点电压为3.8V），此时开启向上均衡模式，能量实现从Cell1向Cell2的转移。通过PWM信号控制开关管S10和S11互补导通，设置均衡电流等于充电电流Ic，PWM周期为2*t。首先，S10闭合、S11断开，电流Ip从Cell1正极经T1原边绕组流到Cell1负极，原边绕组存储能量（图4）；经过时间t之后，S10断开、S11闭合，存储在原边绕组的能量耦合至T1副边，电流Is自上而下流经T1副边绕组，经d点流入Cell2正极，持续时间同样为t（图5）。电流Ip和Is波形为斜波，峰值近似相等，并且Ip和Is在一个完整的PWM周期内的平均值相等，等于充电电流Ic。均衡开启的时间内，T1一方面实现电流旁路，旁路电流等于Ic，流经Cell1的电流之和为零，电压停止上升；T1另一方面实现能量转移，Cell1向Cell2转移电流能力接近Ic，因此均衡期间，流过Cell2的充电电流接近2*Ic，Cell2充电加速，电压急速上升。

如图6～图7所示为向下均衡模式下的电流流向图：假定Cell3的电压远远高于Cell2和Cell1的电压，随着充电继续，Cell3的电压率先达到均衡点（设置均衡点电压为3.8V），此时开启向下均衡模式，能量实现从Cell3向Cell2的转移。通过PWM信号控制开关管S20和S21互补导通，设置均衡电流等于充电电流Ic，PWM周期为2*t。首先，S21闭合、S20断开，电流Is从Cell3正极出发，经h点流过T2副边绕组，最终流入Cell3负极，副边绕组存储能量（图6）；经过时间t之后，S21断开、S20闭合，存储在副边绕组的能量耦合至T2原边，电流Ip自下而上流经T2原边，经e点流入Cell2正极，持续时间同样为t（图7）。与向上均衡模式相同，电流Ip和Is波形为斜波，峰值近似相等，并且Ip和Is在一个完整的PWM周期内的平均值相等，等于充电电流Ic。均衡开启的时间内，T2一方面实现电流旁路，旁路电流等于Ic，流经Cell3电流之和为零，电压停止上升；T2另一方面实现能量转移，Cell3向Cell2电流转移能力接近Ic，因此均衡期间，流过Cell2的充电电流接近2*Ic，Cell2充电加速，电压急速上升。

该DC/DC双向均衡电路既可以实现电池组充电均衡，又可以实现电池组放电均衡，均衡原理基本相同，通过电池间能量转移，最终达到均衡目的。不相邻的两节电池之间需要均衡时，可以通过级联均衡实现。假设Cell1的电压大于Cell2的电压，Cell2的电压大于Cell3的电压，则可以同时开启Cell1和Cell2的向上均衡功能，能量实现从Cell1到Cell2的转移以及从Cell2向Cell3的转移，两级均衡最终可以实现三节电池间的能量均衡。

本发明作为一种双向均衡模式，可以实现向上均衡和向下均衡、充电均衡和放电均衡等功能，最终能够实现所有单体电池间的能量平衡。该均衡电路属于无损均衡、均衡电流大、均衡效率高、可扩展性好、便于实现，能够达到大电流快速充电、增强电池安全性能、提高电池放电能力和使用寿命等目的。

由于上述技术方案运用，本新型均衡方法与现有其他方法相比具有以下优点：

（1）无损均衡技术（或低损耗），均衡时能量损失非常小，一方面能够节约能源，另一方面可以抑制电池工作环境的温升。

（2）大电流均衡技术，均衡能力经实际验证可达四五十安培以上。

（3）双向均衡技术，既可以实现向上均衡，又可以实现向下均衡，能够同时实现电池组的充电均衡和放电均衡。

（4）级联均衡技术，既可以实现相邻两个单体间直接均衡，也可以同时开启多个均衡单元，通过级联均衡技术实现不相邻单体间的间接均衡。

（5）每个单体电池配备一块均衡单元，拓扑结构简单实用、可扩展性极好，不受电池数量限制。

另外，在本发明中，开关管在回路中的位置可根据实际需要调整，并且也不局限于MOSFET开关管，也可以由其他类型开关管实现，该类似变换属于本领域技术人员的常规技术手段，落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：包括一个主控制模块及与其通信连接的用于与一组串联相接顺次设置的单体电池对应连接的一组均衡模块组，每个均衡模块用于与一个单体电池一一对应；各均衡模块均包括一个反激变压器、两个开关和一个或两个以上并联实现的电容组，每个均衡模块反激变压器的一个绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，该均衡模块的电容组与该绕组并联，另一个绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的正负极连接，每个绕组回路上串联有一个开关，用于与每个反激变压器的同名端对应连接的单体电池相应极端的极性相反。

2.根据权利要求1所述的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：所述开关为开关管。

3.根据权利要求2所述的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：每个均衡模块反激变压器的原边绕组用于与对应该单体电池的正负极连接，且该均衡模块的电容与该原边绕组并联，副边绕组用于与顺次连接的相邻下一单体电池的对应负正极连接。

4.根据权利要求2或3所述的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：所述原边绕组回路上串联的开关管串接在原边绕组的同名端；所述副边绕组回路上串联的开关管串接在副边绕组的非同名端。

5.根据权利要求4所述的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：所述反激变压器为双向可逆DC/DC平面反激变压器。

6.根据权利要求5所述的多单体串联动力锂电池组充放电均衡电路，其特征在于：所述开关管为MOSFET开关管。

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