CN102280912B - 一种电池组充放电路均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了种电池组充放电均衡电路，采用升降压电源模块可以实现电池组充电过程对电量低于平均水平的单体电池进行充电电流补偿和高于平均水平的单体电池进行充电电流分流，使电池组的各节电池容量均衡；采用升降压电源模块可以实现电池组放电过程对电量低于平均水平的单体电池进行放电电流补偿和高于平均水平的单体电池进行放电电流分流，使电池组的各节电池容量均衡。

Description

一种电池组充放电路均衡电路

技术领域

本发明涉及电池管理系统，特别涉及一种电池管理系统中在蓄电池组充电、放电过程中对蓄电池组中单个蓄电池进行控制使整个蓄电池组的所有电池均衡充电和放电的电池组充放电均衡电路。

背景技术

电池管理系统(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM BMS)，是用来对电池工作进行管理使电池组工作在最佳状态，使用BMS能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理系统的发展，也会增添其它的功能。比如：

1、准确估测动力电池组的荷电状态(State of Charge，即SOC)，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。

2、动态监测动力电池组的工作状态：在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。

3、单体电池间的均衡：即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。

其一般结构是：包括采集板、主控板、显示屏三大模块。其中：采集板采集电压、电流、温度(霍尔)，使用16位单片机；主控板：与整车系统进行通讯，控制充电机，也使用16位单片机；显示屏一般采用彩色液晶屏：使用串口液晶屏，带触摸，实现人机交互功能。

目前BMS的一般功能是：

1)容量预测SOC：在充放电过程中在线实时监测电池容量，随时给出电池系统的剩余容量。

2)过流、过压、温度保护：当电池系统出现过流、过压、匀压和温度超标时，能自动切断电池充放电回路，并通知管理系统发出示警信号。

3)自动充电控制：当电池的荷电量不足45％时，根据当前电压，对充电电流提出要求，当达到或是超过70％的荷电量时停止充电。

4)充电均衡：在充电过程中，通过调整单体电池充电电流方式，保证系统内所有电池的电池端电压在每一时刻有良好的一致性。

5)自检报警：自动检测电池功能是否正常，及时对电池有效性进行判断，若发现系统中有电池失效或是将要失效或是与其它电池不一致性增大时，则通知管理系统发出示警信号。

6)通讯功能：采用CAN总线的方式与整车管理系统进行通讯。

7)参数设置：可以设置系统运行的各种参数。

8)上位机管理系统：电池管理系统设计了相应的上位机机管理系统，可以通过串口读取实时数据，可实现BMS数据的监控、数据转储和电池性能分析等功能，数据可灵活接口监视器、充电机、警报器、变频器、功率开关、继电器开关等，并可与这些设备联动运行。

其中，关于第4)充电均衡

1、电池失衡原因：通常我们把因单体电池的性能差异而导致的电池组性能降低的现象称为电池匹配失衡。大多数情况下，引起匹配失衡的原因是电池的制作工艺和检测手段的不完善，而不是锂离子电池本身的化学属性变化。即使在生产出电池后进行检测分类再进行组合，也会出现电池匹配失衡的现象。比如：各单体的自放电量不同导致电池组在搁置过程中的容量失衡、单体之间电阻不同导致个别单体在电池组充电过程中过充等。电池匹配失衡主要表现在两个方面：电池荷电状态失衡(即：所有单体的容量相同，但在电池组制作或搁置过程中，单体的荷电状态不同)和电池容量或能量的失衡。采用电池均衡处理技术便可解决以上两种失衡问题，从而改进串联电池组的电性能。电池荷电态失衡需在电池组初次充、放电时进行均衡调整电池,此后只需在充电期间进行均衡即可，而容量或能量失衡则必须在充、放电过程都进行均衡。

2、电池均衡目的：电池的充放电特性以及单体电池存在一定差异的这一实际情况，需要对电池组中各单体之间实现均衡控制，从而避免个别单体的过充、过放所导致的电池组失效，使其性能接近单体电池的平均水平。

3、电池均衡原理：电池组均衡是指在电池组的使用过程中，保证各单体电池的荷电状态相同。为了改进串联电池组的电性能，使不匹配的单体电池达到同样的荷电状态，要求一些电池的充电或放电量比其它电池多，所以要给电池组增加额外的元件和电路，对串联单体进行均衡管理。这种均衡是通过对电压最高的单体电池分流来实现的。通过数据采集电路，检测每只串联电池的电压，进而判断其在整个电池组中所处的状态，当它的电压超出总平均电压一定幅度后，控制与该只电池并联的分流电路导通，对其进行分流。通常的分流电路是由一个功率晶体管和限流电阻串联，再与单体电池并联组成。在充电过程中控制功率晶体管道通，将高电压电池的电流部分分流，从而使它的充电速度比其它电池慢；在放电过程中导通功率晶体管，增加高电压电池的负载，使它的放电速度比其它电池快，从而实现了电池均衡。当所有电池都达到同样的荷电状态时，从电池组中获得的总电能相对于均衡前会增加，且各单体电池不会过充、过放，从而延长了电池组的使用寿命。

目前，传统的均衡电路有两种一种是能耗型如图1所示，另一种是能量转移型如图2所示。

如图1所示为能耗型的均衡电路，工作原理和不足如下：

图中U18-U14的控制IC检测电池电压用，当其中一节电压超过过设定值时，相应的IC驱动MOS管Q17-Q13动作，电池通过电阻与充电电流进行分流，使这节电池的充电电池小于其它节电池。这种均流电路的缺点是均衡电流小只能用在小容量电池上，而且均衡时电阻发热历害。只能在电池充电且电压超过设定值时相应的电路才会动作，放电时不会工作。

如图2所示为能量转移型的均衡电路，其工作原理和不足如下：

当检测到电池之间电压不平衡时图中Q21、Q19、Q17与Q20、Q18、Q16轮流导通，这样让C79、C83轮流与相邻之间的电池并联，让电池与电容之间的电压相等。到下一个周期的时候再与另一个电池并联，这样就使高电压电池的电荷通过电容转移到下一个电池，直至所有电池电压完全一样。这种电路的缺点是：①头尾的两节电池电荷的搬迁能力总是比较差，只是中间几节的一半均衡能力；②接力棒(击鼓传花)的电荷传递模式损耗比较大，特别是当第一只电池的电压高，最后一只的电压低的时候，要把第一只的电荷传给第二只，再传给第三只，最后传给第四只，这个过程的损耗大③当电池电压趋于平衡时，转移电荷的能力会变的很差。

发明内容

为克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种电池组充放电均衡电路，采用升降压电源模块可以实现电池组充电过程对电量低于平均水平的单体电池进行充电电流补偿和高于平均水平的单体电池进行充电电流分流，使电池组的各节电池容量均衡；采用升降压电源模块可以实现电池组放电过程对电量低于平均水平的单体电池进行放电电流补偿和高于平均水平的单体电池进行放电电流分流，使电池组的各节电池容量均衡。

本发明为了实现其技术目的所采用的技术方案是：一种电池组充放电均衡电路，设置在电池管理系统中，所述的均衡电路包括一组与电池组中单体电池数量相当的升压降压开关电源；每个升降压开关电源连接在单体电池两极与电池组的两级之间，包括升压模块和降压模块，所述的升压模块和降压模块的控制端分别接所述的电池管理系统的升压控制信号输出端和降压控制信号输出端；

在充电过程中，当所述的单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号有效；当所述的单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号输出端的信号有效；

在放电过程中，当所述的单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号有效；当所述的单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号输出端的信号有效。

进一步的，上述的一种电池组充放电均衡电路中：所述的升压降压开关电源中升压模块和降压模块通过变压器连接，包括升压控制开关场效应管、降压控制开关场效应管，第一控制二极管、第二控制二极管，第一电解电容和第二电解电容；

所述的变压器源极同相端接单体电池的正极，变压器源极异相端接所述的升压控制开关场效应管的源极和所述的第一控制二极管的N极，所述的升压控制开关场效应管的漏极和所述的第一控制二极管的P极接所述的单体电池的负极，所述的升压控制开关场效应管的栅极接所述的电池管理系统的升压控制信号输出端；

所述的第一电解电容两端分别接所述的单体电池的正、负极；

所述的变压器次极异相端接电池组的正极，变压器次极同相端接所述的降压控制开关场效应管的源极和所述的第二控制二极管的N极，所述的降压控制开关场效应管)的漏极和所述的第二控制二极管的P极接所述的电池组的负极，所述的降压控制开关场效应管的栅极接所述的电池管理系统的降压控制信号输出端；

所述的第二电解电容两端分别接所述的电池组的正、负极。

更进一步的，上述的一种电池组充放电均衡电路中：还包括第一限流电阻、第二限流电阻、第三限流电阻、第四限流电阻；

所述的第一限流电阻和第二限流电阻串连连接在所述的升压控制开关场效应管的栅极与单体电池的负极之间，所述的电池管理系统的升压控制信号输出端连接到所述的第一限流电阻和第二限流电阻之间；

所述的第四限流电阻串接在所述的降压控制开关场效应管的栅极与电池组的负极之间，所述的电池管理系统的降压控制信号输出端通过所述的第三限流电阻接入到所述的第四限流电阻与降压控制开关场效应管的栅极之间。

本发明的有益效果，使用本均衡电路时，当BMS(电池管理系统)系统检测到其中一节电池容量低于其它节电池，并且在充电过程时，BMS就启动该节电池均衡板的升压电路来分流，以达到与其它节电池同时充满的效果。如果是在放电过程时，BMS就启动该节电池均衡板的降压过程，即在总线电压上通过均衡板降压给这只电池补充电池以达到与其它节电池同时放到规定容量。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1是目前能耗型的均衡电路原理图。

图2是目前能量转移型的均衡电路。

图3是本发明均衡模块框图。

图4是本发明中的升压降压开关电源电路原理图。

具体实施方式

实施例1，如图3所示，本实施例是电池管理系统BMS中关于电池均衡电路，如图3所示，本电池组有N个单体电池串连或者并联，每个单体电池对应一个升压降压开关电源。该电池组充放电均衡电路，设置在电池管理系统中，本均衡电路包括一组与电池组中单体电池数量相当的升压降压开关电源；每个升降压开关电源连接在单体电池两极与电池组的两级之间，包括升压模块和降压模块，升压模块和降压模块的控制端分别接电池管理系统的升压控制信号输出端和降压控制信号输出端；关于升压控制信号输出端和降压控制信号输出端的输出信号按下列描述：

在充电过程中，当单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号有效；当单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号输出端的信号有效；

在放电过程中，当单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号有效；当单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号输出端的信号有效。

图4所示是本实施例中一个具体的升压降压开关电源原理图，从图中可以看出，本实施例中升压降压开关电源中的升压模块和降压模块通过变压器T1连接，仅仅包括升压控制开关场效应管Q2、降压控制开关场效应管Q1，第一控制二极管D8、第二控制二极管D6，第一电解电容E1和第二电解电容E2；还有第一限流电阻R22、第二限流电阻R23、第三限流电阻R9、第四限流电阻R16等少数的电子元器件。其连接关系如下：

1、变压器T1源极同相端3接单体电池的正极，变压器T1源极异相端4接升压控制开关场效应管Q2的源极和第一控制二极管D8的N极，升压控制开关场效应管Q2的漏极和第一控制二极管D8的P极接单体电池的负极，升压控制开关场效应管Q2的栅极与单体电池的负极之间串连连接第一限流电阻R22和第二限流电阻R23，电池管理系统的升压控制信号输出端连接到第一限流电阻R22和第二限流电阻R23之间。组成第一回路。

2、第一电解电容(E1)两端分别接所述的单体电池的正、负极组成第二回路。

3、变压器T1次极异相端6接电池组的正极，变压器T1次极同相端4接降压控制开关场效应管Q1的源极和第二控制二极管D6的N极，降压控制开关场效应管Q1的漏极和第二控制二极管D6的P极接电池组的负极，第四限流电阻R16串接在降压控制开关场效应管Q1的栅极与电池组的负极之间，电池管理系统的降压控制信号输出端通过第三限流电阻R9接入到第四限流电阻R16与降压控制开关场效应管Q1的栅极之间。这是第三回路。

4、所述的第二电解电容E2两端分别接电池组的正、负极组成第四回路。

本实施例的工作原理如下：

当检测电路检测到任意一节电池电量高于电池组电池平均水平时，控制电路输出该节电池升降压开关电源的PWM升压控制信号，Q2启动工作，Q1不工作，升降压开关电源表现为升压电源，将该节电池多于平均水平的电量回馈到电池组，从而使该节电池达到平均水平。

当检测电路检测到任意一节电池电量低于电池组电池平均水平时，控制电路输出该节电池升降压开关电源的PWM降压控制信号，Q1工作，Q2不工作，升降压开关电源表现为降压电源，将电池组提供的电量补偿充到该节电池，从而使该节电池达到平均水平。

本实施例的工作效果如下

当BMS(电池管理系统)系统检测到其中一节电池容量低于其它节电池，并且在充电过程时，BMS就启动该节电池均衡板的升压电路来分流，以达到与其它节电池同时充满的效果。如果是在放电过程时，BMS就启动该节电池均衡板的降压过程，即在总线电压上通过均衡板降压给这只电池补充电池以达到与其它节电池同时放到规定容量。

总之：本实施例可以做到微功耗充电放电均衡同时均衡电流大，可以实现大容量电池组的均衡。

Claims (2)

1.一种电池组充放电均衡电路，设置在电池管理系统中，其特征在于：所述的均衡电路包括一组与电池组中单体电池数量相当的升压降压开关电源；每个升降压开关电源连接在单体电池两极与电池组的两极之间，包括升压模块和降压模块，所述的升压模块和降压模块的控制端分别接所述的电池管理系统的升压控制信号输出端和降压控制信号输出端； 

在充电过程中，当所述的单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号有效；当所述的单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号输出端的信号有效； 

在放电过程中，当所述的单体电池电量高于平均水平时，所述的升压控制信号有效；当所述的单体电池电量低于平均水平时，所述的降压控制信号输出端的信号有效； 

所述的升压降压开关电源中升压模块和降压模块通过变压器(T1)连接，包括升压控制开关场效应管(Q2)、降压控制开关场效应管(Q1)，第一控制二极管(D8)、第二控制二极管(D6)，第一电解电容(E1)和第二电解电容(E2)； 

所述的变压器(T1)源极同相端(3)接单体电池的正极，变压器(T1)源极异相端(4)接所述的升压控制开关场效应管(Q2)的源极和所述的第一控制二极管(D8)的N极，所述的升压控制开关场效应管(Q2)的漏极和所述的第一控制二极管(D8)的P极接所述的单体电池的负极，所述的升压控制开关场效应管(Q2)的栅极接所述的电池管理系统的升压控制信号输出端； 

所述的第一电解电容(E1)两端分别接所述的单体电池的正、负极； 

所述的变压器(T1)次极异相端(6)接电池组的正极，变压器(T1)次极同相端(4)接所述的降压控制开关场效应管(Q1)的源极和所述的第二控制二极管(D6)的N极，所述的降压控制开关场效应管(Q1)的漏极和所述的第二 控制二极管(D6)的P极接所述的电池组的负极，所述的降压控制开关场效应管(Q1)的栅极接所述的电池管理系统的降压控制信号输出端； 

所述的第二电解电容(E2)两端分别接所述的电池组的正、负极。 

2.根据权利要求1所述的一种电池组充放电均衡电路，其特征在于：还包括第一限流电阻(R22)、第二限流电阻(R23)、第三限流电阻(R9)、第四限流电阻(R16)； 

所述的第一限流电阻(R22)和第二限流电阻(R23)串连连接在所述的升压控制开关场效应管(Q2)的栅极与单体电池的负极之间，所述的电池管理系统的升压控制信号输出端连接到所述的第一限流电阻(R22)和第二限流电阻(R23)之间； 

所述的第四限流电阻(R16)串接在所述的降压控制开关场效应管(Q1)的栅极与电池组的负极之间，所述的电池管理系统的降压控制信号输出端通过所述的第三限流电阻(R9)接入到所述的第四限流电阻(R16)与降压控制开关场效应管(Q1)的栅极之间。