CN102222957B - 电池电量自动均衡电路及其实现方法 - Google Patents

电池电量自动均衡电路及其实现方法 Download PDF

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本发明涉及电池组管理技术领域,提供了一种电池电量自动均衡电路及其实现方法。本发明在串联电池组中使用反激式双向DC-DC变换器作为均衡主电路进行电能的转移,利用继电器实现需要均衡的电池与反激式双向DC-DC变换器的连接,并使用微处理器进行电池状态检测和均衡控制等。在应用时,通过MCU微控制器循环检测各节电池的电量,将电量最高和最低的两节电池分别连接在反激式双向DC-DC变换器的两端。以高电量电池作为输入,对低电量电池进行恒流模式或恒压模式的均衡充电,直到低电量电池的电量达到电池组的电量平均值。相对于传统电池均衡电路,本发明具有均衡过程简单、可控性强、速度快、效率高等优点。

Description

电池电量自动均衡电路及其实现方法
技术领域
[0001] 本发明属于电池组管理技术领域,涉及电力电子技术、电池组电量管理技术、微处理器自动测控等多个技术,尤其涉及一种电池电量自动均衡电路及其实现方法。
背景技术
[0002]目前,在电动汽车、新能源发电储能装置、不间断电源(UPS)等多种应用中,常使用由多节充电电池串、并联而构成的电池组来提高储能容量。然而,电池组在实际使用过程中,常出现寿命短于预期的现象,造成上述问题的主要原因有两点。一是电池组中的各节电池的初始容量、内阻、自放电率等参数在制造上即存在一定的差异,没有完全一致。此外,各节电池在电池组中的位置不同,其所处的温度、湿度等环境因素也存在差异,因而电池组中的各节电池的老化速率是不同的。二是由于电池间多是串联关系,在电池组充放电过程中会使个别电池加速老化。即在充电过程中,老化速率高的电池因容量减小,会提前达到满电状态,而其它电池尚未充满,如果要保持其它电池满电,就会对老化速率高的电池进行过度充电,进一步加速其老化、降低其寿命。在放电过程中,老化速率高的电池也类似地会发生电量提前耗尽或过度放电。因为上述个别电池加速老化,使得电池组寿命大大缩短。电池组中各节电池的差异不易避免,利用电池均衡电路可将各节电池不均等的电能量转移给其它电池,从而避免电池过充和过放现象的发生。
[0003]目前,实现电池电量均衡的电路主要分为能量耗散型和能量非耗散型两类。能量耗散型均衡电路的工作原理是将剩余电能较多的电池的电能转化为热量释放掉,达到电能平衡的目的。能量非耗散型均衡电路的工作原理是将剩余电能较多的电池的电能转移到能量较少的电池,从而达到电能平衡的目的。因此,能量非耗散型均衡电路具有效率高的优点。常见的能量非耗散型均衡电路包括电容式、电感式等类型。电容式均衡电路利用电容转移不均衡的电能,具有结构简单的优点,但均衡速度慢、效率偏低;传统的电感式均衡电路利用电感电流不可突变的原理进行电能转移,具有均衡速度较快的优点,但存在转移控制不方便、使用器件多、成本和安全性差等缺点。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种使用双向反激式DC-DC隔离变换器作为电量均衡的主工作电路、利用继电器组对各节电池进行选择、由微处理器(MCU)实现各电池电量实时检测和电量均衡控制的电池电量自动均衡电路及其实现方法,可实现易控制、速度快、效率高的电池电量自动均衡功能。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
[0006] 一种电池电量自动均衡电路,应用于由N节电池串联组成的串联电池组,包括反激式双向DC-DC变换器、继电器组、MCU微处理器,所述MCU微处理器与串联电池组、继电器组和反激式双向DC-DC变换器分别连接;
[0007] 所述继电器组由N个常开的继电器组成,每个继电器分别与所述串联电池组中的一节电池相并联;
[0008] 所述串联电池组中的N节电池分成高电位侧和低电位侧两组,且高电位侧的电池与低电位侧的电池分别经过相应的继电器连接至反激式双向DC-DC变换器的原、副边两侧。
[0009] 优选地,所述反激式双向DC-DC变换器包括主电路和控制电路;
[0010] 所述主电路包括两个开关管Sp S2及相应的反向并联二极管Dp D2、隔离变压器T和两个小电容Cp C2 ;所述控制电路采用PWM控制芯片,其包括两个PWM脉冲的输出端且该两输出端分别经隔离驱动电路连接至开关管S1和S2的门极。
[0011] 优选地,若所述N为偶数,则所述串联电池组的高电位侧和低电位侧分别包括N/2节电池;若所述N为奇数,则所述串联电池组的高电位侧包括[N/2]节电池、低电位侧包括[N/2J+1节电池。
[0012] 一种如上所述电池电量自动均衡电路的实现方法,包括步骤:
[0013] MCU微处理器实时循环监测串联电池组的各节电池,计算各节电池的当前电量S0C,得出当前时刻SOC最大的电池和SOC最小的电池,通过控制反激式双向DC-DC变换器来对这两节电池的SOC进行均衡处理。
[0014] 优选地,上述方法中,若所述SOC最大的电池和SOC最小的电池分别属于串联电池组的高电位侧和低电位侧,则MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对这两节电池的SOC进行均衡处理的过程进一步包括:
[0015] 通过闭合相应的继电器将所述SOC最大的电池和SOC最小的电池分别连接在反激式双向DC-DC变换器的两端,利用该反激式双向DC-DC变换器将SOC最大的电池作为输入、对SOC最小的电池进行均衡充电。
[0016] 优选地,上述方法中,若所述SOC最大的电池和SOC最小的电池同属于串联电池组的高电位侧/低电位侧,MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对这两节电池的SOC进行均衡处理的过程进一步包括:
[0017] 在低电位侧/高电位侧选择一节电池作为中间过渡电池;利用反激式双向DC-DC变换器将所述SOC最大的电池作为输入、对中间过渡电池进行均衡充电后,再将中间过渡电池作为输入、对所述SOC最小的电池进行均衡充电。
[0018] 优选地,上述方法中,在所述MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对两节电池进行均衡充电过程中,若这两节电池的SOC相差大,则采用恒流均衡模式;若这两节电池的SOC相差小,则采用恒压均衡模式。
[0019] 与现有技术相比,本发明实施例具有以下有益效果:
[0020] 1、与传统的电容、电感等无源器件均衡方式相比,本发明使用了反激式双向DC-DC模块,可实现电能双向易控的均衡;
[0021] 2、由于反激式双向DC-DC模块可以实现恒压、恒流的控制,因此可以在被充电电池电量较低时进行恒流充电,当其电量较高的时候进入恒压充电模式,从而可准确、高效、快速的实现均衡,有效防止发生电池过充电;
[0022] 3、利用直接均衡以及间接均衡等控制策略,使用简单地继电器组即实现了 N节电池的方便互联;
[0023] 4、采用MCU进行整体均衡功能的控制,具有良好的灵活性、扩展性以及人机交互性。
附图说明
[0024] 图1是本发明实施例提供的电池电量自动均衡电路的整体原理框图;
[0025] 图2是本发明实施例提供的双向DC-DC变换器主电路和继电器组连接原理结构;
[0026] 图3是本发明实施例提供的MCU检测和控制原理框图;
[0027] 图4是本发明实施例提供的双向DC-DC变换器原理框图。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0029] 本发明的主要技术要点包括:A、均衡主电路采用反激式双向DC-DC变换器。反激式双向DC-DC变换器自身的变压器既提供了储能电感,又利用原、副边实现了电气隔离的功能,使串联的不同电池有了可靠的隔离;该DC-DC变换器原、副边的可控开关管,使得电功率可在原、副边双向流动,简化了电池间的均衡连接。该拓扑结构简单、易控制、传递功率大、速度快、效率高。
[0030] B、采用继电器来选择各节电池,同时也减小了连接损耗。本发明中,以N (N彡2)节串联的电池为一组,高电位侧的N/2节电池与低电位侧的N/2节电池分别连接至反激式双向DC-DC电路原、副边两侧(如N非偶数,则高电位侧电池数目取整,与低电位侧电池数目相差I个即可)。上述连接设计,经反激式双向DC-DC变换器可直接实现高电位侧电池与低电位侧电池的能量交换;为实现高电位N/2节电池间或低电位N/2节电池间的电能的转移,可采用先将高电位侧电池A与低电位侧某电池B交换电能,然后再从低电位侧电池B向高电位侧某电池C交换电能的办法,实现电池A与电池C的电能交换,反之亦然。即间接实现能量转移,这样可大大简化线路连接。
[0031] C、采用MCU微处理器进行各电池电量检测和电量均衡控制。MCU微处理器循环检测串联的各节电池电压,判断各电池的实际容量,选择出最大容量电池、最小容量电池,然后将该两节电池分别通过继电器连接在反激式双向DC-DC变换器的两侧。MCU微处理器继而控制反激式双向DC-DC变换器,触发容量大电池侧的开关管,使大容量电池先向变压器电感充电。然后关断该开关管,利用反激式变压器续流的原理,使电感中的电流再流向容量小的电池,从而实现一次电能转移。重复以上触发过程,直到两电池容量几乎相等时,微处理停止本次均衡过程。
[0032] 如图1、图2所示,本实施例中电池电量均衡电路的基本工作过程是这样的:MCU微处理器实时循环监测各节电池的电压、电流、温度等参数,根据电池模型计算出电池的当前S0C,进而找出该时刻SOC最大、SOC最小的两节电池;如该两节电池分别属于串联电池组的高电位侧或低电位侧,则MCU微处理器通过I/O端口控制SOC最大、SOC最小两节电池各自的继电器闭合,将该两节电池分别连接在反激式双向DC/DC变换器的两端;MCU微处理器根据该两电池SOC差异的大小,确定进行恒流均衡模式还是恒压均衡模式,同时MCU微处理器根据该二电池的具体位置确定出电能转移的流向,进而给反激式双向DC-DC变换器发送均衡电压或均衡电流的幅值、电流方向指令。当两节电池电压相差较大时,使用恒流模式进行快速均衡;当该两电池电压接近该时刻电池组平均电压时,则采用恒压充电模式。反激式双向DC-DC变换器的控制电路根据输入指令,控制均衡主电路开关管SpS2的导通顺序和互补关系,直到两电池的电量不均衡现象达到规定的范围之内时,即停止本次均衡过程。
[0033] 如该两节电池同属于电池组的高电位侧(或低电位侧),上述均衡方法即不能直接使用。此时,MCU微处理器先在低电位侧(或高电位侧)选出另外一个SOC适当的一节电池(中间过渡电池)。再用前述均衡方法,将高电位侧SOC高的电池与中间过渡电池进行电量均衡。该两者间均衡完后,再用前述均衡方法,将中间过渡电池与高电位侧SOC低的电池进行电量均衡,从而实现简介实现了原二电池间的电量转移。即通过两次均衡,最终实现原两节电池间的电量均衡。
[0034] 转换到具体电路之一,如图3所示。该MCU微处理器电路主要由信号调理电路、MCU、模拟输入/输出电路、数字输入/输出电路等部分组成。信号调理电路将各电池的电压、电流、温度等信息传感输入,利用多个差分运算放大器滤波、幅值调整后,经A/D采样送给MCU。根据式安时计量法计算电池电量S0C,对实时测量的电流信号进行积分,从而得出电池充入或者放出的电量。具体计算公式如下:
[0035]
Figure CN102222957BD00061
[0036] 式中,5.%为电池的初始电量,为电池额定容量,为电池的充放电效率,J为
电池的充放电电流。通过该方法,MCU可确定各电池容量大小、SOC最高、最低电池所在位置、是否需要过渡电池,过渡电池所在位置,决定出均衡模式、转移能量方向。最后,通过模拟D/A和I/O输出口,给反激式双向DC-DC变换器控制发出具体均衡幅值和方向等控制信息。此外,MCU还可通过串行口输出电池组、变换器等的工作状态信息,便于上位机管理。
[0037] 转换到具体电路之二,如图4所示。该反激式双向DC-DC变换器由主电路和控制电路构成。主电路由两个开关管S1、S2及相应的反向并联二极管Dp D2、隔离变压器T和两个小电容(^、(:2组成。控制电路采用PWM控制芯片,其输出两路PWM脉冲经隔离后施加到开关管门极。如S1PWM导通、S2持续关闭,则电能流向是从Cjlj C2。如& PWM导通、S1持续关闭,则电能流向是从C2到Cp在具体工作中,MCU可以根据电池具体状态决定均衡器的工作模式,即恒流、恒压、以及参考量的大小,从而快速、准确地使电池达到平衡。
[0038] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电池电量自动均衡电路,应用于由N节电池串联组成的串联电池组,其特征在于,包括反激式双向DC-DC变换器、继电器组、MCU微处理器,所述MCU微处理器与串联电池组、继电器组和反激式双向DC-DC变换器分别连接; 所述继电器组由N个常开的继电器组成,每个继电器分别与所述串联电池组中的一节电池相并联; 所述串联电池组中的N节电池分成高电位侧和低电位侧两组,且高电位侧的电池与低电位侧的电池分别经过相应的继电器连接至反激式双向DC-DC变换器的原、副边两侧; 所述反激式双向DC-DC变换器包括主电路和控制电路; 所述主电路包括两个开关管Sp S2及相应的反向并联二极管Dp D2、隔离变压器T和两个小电容Cp C2 ;所述控制电路采用PWM控制芯片,其包括两个PWM脉冲的输出端且该两输出端分别经隔离驱动电路连接至开关管S1和S2的门极; 若所述N为偶数,则所述串联电池组的高电位侧和低电位侧分别包括N/2节电池;若所述N为奇数,则所述串联电池组的高电位侧包括[N/2]节电池、低电位侧包括[N/2]+l节电池。
2.一种如权利要求1所述电池电量自动均衡电路的实现方法,其特征在于,该方法包括步骤: MCU微处理器实时循环监测串联电池组的各节电池,计算各节电池的当前电量SOC,得出当前时刻SOC最大的电池和SOC最小的电池,通过控制反激式双向DC-DC变换器来对这两节电池的SOC进行均衡处理。
3.如权利要求2所述的实现方法,其特征在于,该方法中,若所述SOC最大的电池和SOC最小的电池分别属于串联电池组的高电位侧和低电位侧,则MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对这两节电池的SOC进行均衡处理的过程进一步包括: 通过闭合相应的继电器将所述SOC最大的电池和SOC最小的电池分别连接在反激式双向DC-DC变换器的两端,利用该反激式双向DC-DC变换器将SOC最大的电池作为输入、对SOC最小的电池进行均衡充电。
4.如权利要求2所述的实现方法,其特征在于,该方法中,若所述SOC最大的电池和SOC最小的电池同属于串联电池组的高电位侧/低电位侧,MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对这两节电池的SOC进行均衡处理的过程进一步包括: 在低电位侧/高电位侧选择一节电池作为中间过渡电池;利用反激式双向DC-DC变换器将所述SOC最大的电池作为输入、对中间过渡电池进行均衡充电后,再将中间过渡电池作为输入、对所述SOC最小的电池进行均衡充电。
5.如权利要求2至4任一所述的实现方法,其特征在于,该方法中,在所述MCU微处理器控制反激式双向DC-DC变换器对两节电池进行均衡充电过程中,若这两节电池的SOC相差大,则采用恒流均衡模式;若这两节电池的SOC相差小,则采用恒压均衡模式。
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