CN102522798B - 一种电池组模块之间的主动均衡电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种均衡电路，尤其涉及一种电池组模块之间的主动均衡电路。所述均衡电路包括：检测电路、管理模块、选通开关以及恒流稳压模块；所述检测电路，找出最大电压跟最小电压的电池组模块；所述管理模块，用于判断电压差并对所述选通开关发出控制信号；所述选通开关，用于接收管理模块发送的控制信号并进行开关动作；所述恒流稳压模块用于使最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电工作在恒压限流模式下。本发明减少了均衡功率器件、电感器件等，并且使得传导辐射都得到有效的控制，增大了主动均衡电流，提高了主动均衡效率，降低了均衡模块的成本，并使整个电路EMC及EMI可控。
Description
技术领域
本发明提供一种均衡电路，尤其涉及一种电池组模块之间的主动均衡电路。
背景技术
锂电池在当今社会发展的大前提下，伴随着电动汽车，混合动力汽车，基站，后备电源，移动电源以及电网储能等应用。电池串联已经在各种应用下得到广泛的应用。但是，这种串联的电池组模块给管理系统带来了很大的麻烦——单体电池以及电池模块之间的容量不匹配。这个问题会随使用时间的延长而越来越严重，最终导致电池完全失效——不能充电、不能放电。
当然解决这种问题的办法就是均衡技术。目前为止，很多工程师都采用过电阻消耗式均衡，也就是在串联的每一个电池都旁路一个开关器件和一个功率电阻，如果有某一个或者多个电池组模块或者单体电池的电压过高，就开启对应电池的旁路电阻，这样将高电压的电池或者电池模块的电能消耗到电阻上，相当于将多余的电量消耗到旁路电阻上，这样电池的电压就不会过高，从而保护了电池不受过充电的影响而损坏。这种技术在小电池组模块或者长期处于浮充的电池是有很好的效果的。主要是在充电过程中均衡，在放电过程中禁止均衡。但是像用在电动汽车，以及其他大功率快速充放电的用电器中就显得微不足道了。
这里还有其他的解决方案，如TI的bq78pl114芯片能通过一系列电感和开关器件实现主动均衡。主动均衡——就是将模块或者单体电池多余的电量转移到其他欠电量的模块或者单体，均衡电流的跟消耗式均衡相比大了很多，效果也明显了，但是最主要的是这种均衡将能量转移到其他电池模块中去了，并非消耗在电阻上，所以不发热。效率提高了。当然由于使用了开关电源的原理，这使得我们的整个系统在EMC（电磁兼容）上显得非常麻烦，电池组模块的整个输出线上的传导和对空间的辐射都将增大。
另外还有一种解决方案，飞电容模式，就是用开关器件将一个容量较大的电容轮换的切换到串联电池组模块的每个电池上，这样同样能起到均衡的效果，电压高的电池自动将电能存储到电容中，而电压低的电池自动从电容中获取电能。这种工作方式理论上非常优秀，但是这种方式需要快速的切换到串联电池的每个电池上，给继电器的选择带来了麻烦，如果选用普通机械继电器，则寿命不长，如果选用半导体光控继电器，则价格昂贵。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种电池组模块之间的主动均衡电路，旨在解决现有电阻消耗式均衡技术在大功率快速充放电用电器中没有效果，以及现有主动均衡技术由于使用了开关电源的原理在EMC上非常麻烦，以及现有利用飞电容模式实现的均衡技术如果选用普通继电器则使用寿命不长，而选用半导体光控继电器则价格昂贵的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种电池组模块之间的主动均衡方法，包括下述步骤：
检测各个电池组模块的电压，将所述各个电池组模块的电压排序，找出最大电压和最小电压的电池组模块；
判断最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值，没有达到所述设定均衡标准压差值时，不进行均衡；
当所述最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差达到所述设定均衡标准压差值时，将最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电，所述充电工作在恒压限流模式下。
上述方法中，所述判断最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值，没有达到所述设定均衡标准压差值时，不进行均衡的步骤前包括一个步骤：
设定均衡标准压差值。
本发明实施例的另一目的在于提供一种电池组模块之间的主动均衡电路，所述均衡电路包括：
检测电路、管理模块、选通开关以及恒流稳压模块；
所述检测电路，用于检测各个电池组模块的电压，将所述各个电池组模块的电压排序，找出最大电压跟最小电压的电池组模块；
所述管理模块，与所述检测电路连接，用于判断最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值并对所述选通开关发出控制信号；
所述选通开关，分别与各个电池组模块的正负极以及管理模块连接，用于接收管理模块发送的控制信号并进行开关动作，当所述电压差没有达到所述设定均衡标准压差值时，所述选通开关全部断开，当所述电压差达到所述设定均衡标准压差值时，将连接最大电压的电池组模块正负极与恒流稳压模块的输入端的选通开关闭合，并且将连接最小电压电池组模块正负极与恒流稳压模块的输出端的选通开关闭合，利用最大电压电池组模块通过恒流稳压模块转换后给最小电压电池组模块充电；
所述恒流稳压模块的两个输入端与和最大电压电池组模块正负极相连的选通开关连接，所述恒流稳压模块的两个输出端与和最小电压电池组模块正负极相连的选通开关连接，用于使最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电工作在恒压限流模式下。
上述结构中，所述管理模块为单片机U1，所述单片机U1的输入端口IN与所述检测电路连接，所述单片机的U1的输出端口OUT与所述选通开关相连。
在本发明实施例中，当管理模块检测到某个电池组模块的电压与其他电池组模块的电压差达到均衡开启的电压差时，这时候管理模块开启均衡电路，将高电压的电池组模块向低电压的电池组模块充电。达到将每个电池组模块的容量充到理想的满电，或者是在放电时均衡将高电压的电池组模块向低电压电池组模块充电，使得所有电池的容量均达到最大放电容量，也就是使得电池组模块达到最大的工作模式，从而提高了电池组模块的寿命以及效率，减少了均衡功率器件、电感器件等，并且使得传导辐射都得到有效的控制，增大了主动均衡电流，提高了主动均衡效率，降低了均衡模块的成本，并使整个电路EMC及EMI可控。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡方法的实现流程；
图2为本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡电路的结构图；
图3为本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡电路的示例电路图；
具体实施方式
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。
图1示出本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
该主动均衡方法包括下述步骤：
在步骤S101中，检测各个电池组模块的电压，将所述各个电池组模块的电压排序，找出最大电压和最小电压的电池组模块；
在步骤S102中，判断各个电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值，没有达到所述设定均衡标准压差值时，不进行均衡；
在步骤S103中，当所述电池组模块之间的电压差达到所述设定均衡标准压差值时，将最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电，所述充电工作在恒压限流模式下。
作为本发明一实施例，所述判断最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值，没有达到所述设定均衡标准压差值时，不进行均衡的步骤前包括一个步骤：
设定均衡标准压差值。
图2示出了本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡电路的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡电路，包括：
检测电路240、管理模块210、选通开关220以及恒流稳压模块230；
所述检测电路240，用于检测各个电池组模块的电压，将所述各个电池组模块的电压排序，找出最大电压跟最小电压的电池组模块；
所述管理模块210，与所述检测电路240连接，用于判断处于充电或放电状态中的最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值，并对所述选通开关220发出控制信号；
所述选通开关220，分别与各个电池组模块的正负极以及管理模块210连接，用于接收管理模块210发送的控制信号并进行开关动作，当所述电压差没有达到所述设定均衡标准压差值时，所述选通开关220全部断开，当所述电压差达到所述设定均衡标准压差值时，将连接最大电压的电池组模块正负极与恒流稳压模块230的输入端的选通开关220闭合，并且将连接最小电压电池组模块正负极与恒流稳压模块230的输出端的选通开关220闭合，利用最大电压电池组模块通过恒流稳压模块230转换后给最小电压电池组模块充电；
所述恒流稳压模块230的两个输入端与和最大电压电池组模块正负极相连的选通开关220连接，所述恒流稳压模块230的两个输出端与和最小电压电池组模块正负极相连的选通开关220连接，用于使最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电工作在恒压限流模式下。
作为本发明一实施例，所述所述管理模块210为单片机U1，所述单片机U1的输入端口IN与所述检测电路240连接，所述单片机的U1的输出端口OUT与所述选通开关220相连。
图3示出了本发明一实施例提供的电池组模块之间的主动均衡电路的示例电路图，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。
作为本发明一实施例，所述恒流稳压模块230为一DC/DC转换器，所述DC/DC转换器包括：
控制输入的电压与电流的DC/DC控制模块231；
与所述DC/DC控制模块连接的电气隔离模块232；
与所述电气隔离模块连接的，反馈输出的电压与电流的DC/DC反馈模块233。
作为本发明一实施例，所述电气隔离模块232包括：
光耦OC1和变压器T1；
所述光耦OC1和所述变压器T1都连接于所述DC/DC控制模块231与所述DC/DC反馈模块233之间，所述光耦OC1的输入端与所述DC/DC反馈模块233连接，所述光耦OC1的输出端与所述DC/DC控制模块231连接。
作为本发明一实施例，所述选通开关220为一组继电器。
作为本发明一实施例，电池组模块BT1的负极与电池组模块BT2的正极相连，电池组模块BT2的负极与电池组模块BT3的正极相连，每个电池组模块的正负极各连接一个继电器，电池组模块BT1的正极分别与继电器K221的第一受控开关的第一端以及继电器K222的第一受控开关的第一端相连，电池组模块BT1的负极分别与继电器K221的第二受控开关的第一端以及继电器K222的第二受控开关的第一端相连，继电器K221的第一受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第一输入端相连，继电器K221的第二受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第二输入端相连，继电器K221的控制端的第一端接地，继电器K221的控制端的第二端与限流电阻R221的第一端相连，R221的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连，继电器K222的第一受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第一输出端连接，继电器K222的第二受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第二输出端连接，继电器K222的控制端的第一端接地，继电器K222的控制端的第二端与限流电阻R222的第一端相连，限流电阻R222的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连；电池组模块BT2的正极分别与继电器K223的第一受控开关的第一端以及继电器K224的第一受控开关的第一端相连，电池组模块BT2的负极分别与继电器K223的第二受控开关的第一端以及继电器K224的第二受控开关的第一端相连，继电器K223的第一受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第一输入端相连，继电器K223的第二受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第二输入端相连，继电器K223的控制端的第一端接地，继电器K223的控制端的第二端与限流电阻R223的第一端相连，R223的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连，继电器K224的第一受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第一输出端连接，继电器K224的第二受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第二输出端连接，继电器K224的控制端的第一端接地，继电器K224的控制端的第二端与限流电阻R224的第一端相连，限流电阻R224的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连；电池组模块BT3的正极分别与继电器K225的第一受控开关的第一端以及继电器K226的第一受控开关的第一端相连，电池组模块BT1的负极分别与继电器K225的第二受控开关的第一端以及继电器K226的第二受控开关的第一端相连，继电器K225的第一受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第一输入端相连，继电器K225的第二受控开关的第二端与DC/DC控制模块231的第二输入端相连，继电器K225的控制端的第一端接地，继电器K225的控制端的第二端与限流电阻R225的第一端相连，R225的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连，继电器K226的第一受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第一输出端连接，继电器K226的第二受控开关的第二端与DC/DC反馈模块233的第二输出端连接，继电器K226的控制端的第一端接地，继电器K226的控制端的第二端与限流电阻R226的第一端相连，限流电阻R226的第二端与单片机U1的输出端口OUT相连。
图3示出的发明实施例只包括只有三个电池组模块的情况，如果有更多的电池组模块可以按相同的方式接线。
在本发明实施例中，当电池组模块处于静态（电池在不充电或者小电流放电时，电池本身的电压回恢复到电池的容量平台，如磷酸铁锂电池在静态时，无论电池容量是10%还是90%，电压都会在3.2～3.35之间）或者电池组模块在工作状态时电压差比较小时，不需要均衡，管理模块210将主动均衡电路的输入输出继电器控制断开，即K1～Kn控制断开，这种情况下，由于主动均衡电路的供电是有输入级的电池供电，在断开的情况下，主动均衡电路的功耗为0，保证了在休眠或者待机状态下的管理模块210的整体低功耗。当电池组模块处于充电或者放电过程中并且电池组模块之间的电压差达到设定均衡的电压差时，这时候主动均衡电路开始工作，工作模式如下：
假设BT1,BT2～BTn各个电池组的电压分别为V1,V2,～Vn，管理模块将V1～Vn排序，找出最大的电压Vmax和Vmin，Vmax、Vmin属于V1～Vn，Vmax对应BTmax，Vmin对应BTmin，管理模块210会控制与BTmin对应的继电器Kmin闭合将BTmin与DC/DC反馈模块连接233，然后控制与BTmax对应的继电器Kmax闭合将BTmax与DC/DC控制模块231连接。这时候DC/DC转换器工作在恒压限流模式下。输出电压最大为电池组模块的电压，电流为均衡有效电流。为了延长继电器的寿命，可以先将DC/DC转换器的输出连通，再给DC/DC转换器供电，这样避免在上电瞬间出现触点电流过大而影响继电器的寿命。
在本发明实施例中，当管理模块检测到某个电池组模块的电压与其他电池组模块的电压差达到均衡开启的电压差时，这时候管理模块开启均衡电路，将高电压的电池组模块向低电压的电池组模块充电。达到将每个电池组模块的容量充到理想的满电，或者是在放电时均衡将高电压的电池组模块向低电压电池组模块充电，使得所有电池的容量均达到最大放电容量，也就是使得电池组模块达到最大的工作模式，从而提高了电池组模块的寿命以及效率，减少了均衡功率器件、电感器件等，并且使得传导辐射都得到有效的控制，增大了主动均衡电流，提高了主动均衡效率，降低了均衡模块的成本，并使整个电路EMC及EMI可控。
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)
1.一种电池组模块之间的主动均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括：
检测电路、管理模块、选通开关以及恒流稳压模块；
所述检测电路，用于检测各个电池组模块的电压，将所述各个电池组模块的电压排序，找出最大电压跟最小电压的电池组模块；
所述管理模块，与所述检测电路连接，用于判断最大电压与最小电压电池组模块之间的电压差是否达到设定均衡标准压差值并对所述选通开关发出控制信号；
所述选通开关，分别与各个电池组模块的正负极以及管理模块连接，用于接收管理模块发送的控制信号并进行开关动作，当所述电压差没有达到所述设定均衡标准压差值时，所述选通开关全部断开，当所述电压差达到所述设定均衡标准压差值时，将连接最大电压的电池组模块正负极与恒流稳压模块的输入端的选通开关闭合，并且将连接最小电压电池组模块正负极与恒流稳压模块的输出端的选通开关闭合，利用最大电压电池组模块通过恒流稳压模块转换后给最小电压电池组模块充电；
所述恒流稳压模块的两个输入端与和最大电压电池组模块正负极相连的选通开关连接，所述恒流稳压模块的两个输出端与和最小电压电池组模块正负极相连的选通开关连接，用于使最大电压的电池组模块给最小电压的电池组模块充电工作在恒压限流模式下。
2.如权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述恒流稳压模块为一DC/DC转换器，所述DC/DC转换器包括：
控制输入的电压与电流的DC/DC控制模块；
与所述DC/DC控制模块连接的电气隔离模块；
与所述电气隔离模块连接的，反馈输出的电压与电流的DC/DC反馈模块。
3.如权利要求2所述的主动均衡电路，其特征在于，所述电气隔离模块包括：
光耦和变压器；
所述光耦和所述变压器都连接于所述DC/DC控制模块与所述DC/DC反馈模块之间，所述光耦的输入端与所述DC/DC反馈模块连接，所述光耦的输出端与所述DC/DC控制模块连接。
4.如权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述选通开关为一组继电器，每个电池组模块正负极各连接一个继电器，所述继电器包括一个控制端和两个受控开关，第一继电器的控制端与所述管理模块相连，所述第一继电器的第一受控开关的第一端与所述电池组模块的正极相连，所述第一继电器的第一受控开关的第二端与所述恒流稳压模块的一个输入端相连，所述第一继电器的第二受控开关的第一端与所述电池组模块的负极相连，所述第一继电器的第二受控开关的第二端与所述恒流稳压模块的另一输入端相连，第二继电器的控制端与所述管理模块相连，所述第二继电器的第一受控开关的第一端与所述电池组模块的正极相连，所述第二继电器的第一受控开关的第二端与所述恒流稳压模块的一个输出端相连，所述第二继电器的第二受控开关的第一端与所述电池组模块的负极相连，所述第二继电器的第二受控开关的第二端与所述恒流稳压模块的另一输出端相连。
5.如权利要求1所述的主动均衡电路，其特征在于，所述管理模块为单片机U1，所述单片机U1的输入端口IN与所述检测电路连接，所述单片机的U1的输出端口OUT与所述选通开关相连。
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