CN102751752A - 一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统 - Google Patents

一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统 Download PDF

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一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，包括下位机和N套相同的控制电路，N为蓄电池组中包含的锂离子蓄电池单体的个数，控制电路包括由两个达林顿三极管串联构成的电子开关和一个分流电阻。下位机发出的电平型指令控制分流电阻的接通与断开。正常接通时，两组旁路电路同时接通，每个分流电阻只承担了原来负载电流的一半。如果一路电子开关短路失效，也不会影响均衡控制的性能；如果一路电子开关开路失效，该路旁路电路断开，另一组旁路电路也可继续工作，不影响均衡控制的功能。另外，旁路控制开关由原来的继电器改为电子开关，克服了继电器中机械触点的可靠性低及开关次数限制等固有缺陷，提高了系统可靠性。

Description

一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统
技术领域
本发明涉及一种用于对蓄电池组的充电进行控制的控制系统。
背景技术
锂离子蓄电池与传统的镉镍电池、氢镍电池相比，具有比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、安全性好等优点。目前国内外对于锂离子蓄电池的航天应用都逐渐加大了力度，并开始投入使用。
锂离子蓄电池性能优越，同时其使用要求也比较严格。在工程应用中，锂离子电池单体或由单体电池并联组成的电池模块必然要串联组成电池组，必须考虑充电过程中各电池单体或电池模块性能失衡的现象。而且随着时间的推移，这种失衡现象愈加严重，严重影响电池组的寿命和可靠性，均衡充电控制是锂离子电池组充电的关键技术。
常用的均衡充电控制系统如图1所示，为采用继电器控制通断分流电阻的控制方式，该控制方式受机械触点可靠性低及开关次数限制等固有缺陷影响，一旦继电器开路失效，均衡功能便完全丧失；而且继电器短路失效(触点粘连)，某一节单体将会持续放电，导致该节单体过放，严重影响系统的控制可靠性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用电子开关控制的两路旁路电路并联的高可靠均衡充电控制系统，可以解决锂离子蓄电池组在长期充放电过程中，串联的单体电池电压失衡现象，延长电池使用寿命。
本发明的技术解决方案是：一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，包括下位机和N套相同的控制电路，N为蓄电池组中包含的锂离子蓄电池单体的个数，所述的控制电路包括由两个达林顿三极管串联构成的电子开关和一个分流电阻，分流电阻通过电子开关串接在对应的锂离子蓄电池单体的正极和负极之间；下位机对各锂离子蓄电池单体的状态进行监测，当锂离子蓄电池单体处于放电状态时，下位机通过指令控制与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关断开；当锂离子蓄电池单体处于未放电状态时，下位机选取电压值不小于控制阈值电压的所有锂离子蓄电池单体组成控制电池组进行充电控制，下位机将控制电池组中电压最低的锂离子蓄电池单体对应的电子开关断开，同时下位机将控制电池组中除电压最低的锂离子蓄电池单体外的其余锂离子蓄电池单体的电压均与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压进行比较，如果某锂离子蓄电池单体的电压与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压的差值大于预设的差异电压最大值，则打开与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关，接入对应的分流电阻，如果某锂离子蓄电池单体的电压与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压的差值小于预设的差异电压最小值，则断开与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关。
所述的控制电路还包括一个由达林顿三极管构成的备份电子开关，备份电子开关与分流电阻串接在锂离子蓄电池组单体的正极和负极之间。
所述的控制电路还包括一个备份分流电阻，备份分流电阻通过电子开关串接在锂离子蓄电池单体的正极和负极之间。
所述的控制电路还包括一个备份分流电阻，备份分流电阻通过电子开关或者备份电子开关串接在锂离子蓄电池单体的正极和负极之间。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，采用电子开关替代典型的继电器开关，并且采用两串两并设计。下位机发出的电平型指令控制分流电阻的接通与断开。正常接通时，两组旁路电路同时接通，每个分流电阻只承担了原来负载电流的一半，减少了单组电路的发热。如果一路电子开关短路失效，也不会影响均衡控制的性能；如果一路电子开关开路失效，该路旁路电路断开，另一组旁路电路也可继续工作，不影响均衡控制的功能。另外，旁路控制开关由原来的继电器改为电子开关，克服了继电器中机械触点的可靠性低及开关次数限制等固有缺陷，提高了系统可靠性。下位机采用闭环控制，当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≥Vmax时，下位机发出电平型指令将相应的电子开关接通，分流电阻接入；当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≤Vmin时，下位机发出电平型指令将相应的电子开关断开，分流电阻断开，控制原理简单，容易实现，可靠性高，能有效解决锂离子蓄电池组在长期的充放电过程中的单体电压失衡现象，从而延长锂离子蓄电池组的使用寿命。
附图说明
图1为现有的均衡充电控制系统原理图；
图2为本发明均衡充电控制系统原理图；
图3为本发明均衡充电控制系统中下位机的控制流程图。
具体实施方式
如图2所示，本发明锂离子蓄电池组均衡充电控制系统主要包括电阻R1～R10、三极管Q1～Q6和下位机。
电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5、三极管Q6组成开关电路。其中，三极管Q1和三极管Q3，三极管Q1和三极管Q5，三极管Q2和三极管Q4，三极管Q2和三极管Q6均可以组成NPN+NPN型，PNP+PNP型，NPN+PNP型，或者PNP+NPN型达林顿三极管，用来作为高速电子开关。
下位机的指令输出端通过电阻R1和电阻R2分别与三极管Q1和三极管Q2的基极相连。电阻R9和电阻R10为并联在单体电池两端的分流电阻。若Q1、Q2选择PNP型三极管，则下位机指令为低电平有效。当下位机输出低电平指令时，三极管Q1和三极管Q2导通，从而驱动三极管Q3、三极管Q4、三极管Q5和三极管Q6导通。此时电阻R9和电阻R10同时接入锂离子单体电池两端，该单体电池开始分流。一般情况下，分流电阻按照分流电流为C/200～C/150(C为蓄电池组容量)取值。旁路电路接通时，电阻R9和电阻R10分别承担正常旁路电流的一半(以150Ah蓄电池组为例，取R9＝R10＝8Ω，当电阻R9和电阻R10同时接通时，分流电流值为1A，电阻R9和电阻R10分别流过0.5A的电流)。若有一组旁路开路失效，另一组旁路电流仍能正常工作，不影响蓄电池组的均衡充电控制功能。
下位机的控制流程如图3所示。若蓄电池处于未放电状态，下位机进行以下操作：
下位机每秒周期性监测遥测参数“充电电流”和“放电电流”，判断蓄电池是否处于放电状态(例如当充电电流≤0.1A且放电电流≥1A时，认为蓄电池处于放电状态)，下位机控制将蓄电池单体对应均衡充电控制系统的开关断开。
每隔一定的时间(如60秒)判断一次蓄电池是否处于未放电状态。当放电电流小于设定值(如0.3A)时，认为蓄电池处于未放电状态，可以进行均衡处理。具体操作如下：
1、定义lockcount60为60秒计数器，初始化为0；
2、每过一秒判断一次蓄电池是否处于放电状态，当充电电流小于0.1A且放电电流大于1A时，认为蓄电池处于放电状态，通过电平指令将该蓄电池对应的均衡充电控制系统的开关断开并置遥测位；
3、当clockcount60＝60时，判断一次蓄电池是否处于未放电状态，同时置clockcount60＝0，如果放电电流小于0.3A，认为蓄电池处于未放电状态；
4、采集所有蓄电池单体的电压，对单体电压进行判断，选择出单体电压大于3V的蓄电池；
5、从满足条件的单体电压中取出最小值，判断该单体的均衡开关状态，如果为接通状态，将均衡开关断开并置遥测位；
6、其余蓄电池单体电压与最小值进行比较，当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≥Vmax(如60mV)时，将相应均衡充电控制系统的开关接通并置遥测位，分流电阻接入；当某个蓄电池单体电压与最小值电压相差≤Vmin(如20mV)时，将相应均衡充电控制系统的开关断开并置遥测位，分流电阻断开。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，其特征在于包括：下位机和N套相同的控制电路，N为蓄电池组中包含的锂离子蓄电池单体的个数，所述的控制电路包括由两个达林顿三极管串联构成的电子开关和一个分流电阻，分流电阻通过电子开关串接在对应的锂离子蓄电池单体的正极和负极之间；下位机对各锂离子蓄电池单体的状态进行监测，当锂离子蓄电池单体处于放电状态时，下位机通过指令控制与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关断开；当锂离子蓄电池单体处于未放电状态时，下位机选取电压值不小于控制阈值电压的所有锂离子蓄电池单体组成控制电池组进行充电控制，下位机将控制电池组中电压最低的锂离子蓄电池单体对应的电子开关断开，同时下位机将控制电池组中除电压最低的锂离子蓄电池单体外的其余锂离子蓄电池单体的电压均与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压进行比较，如果某锂离子蓄电池单体的电压与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压的差值大于预设的差异电压最大值，则打开与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关，接入对应的分流电阻，如果某锂离子蓄电池单体的电压与电压最低的锂离子蓄电池单体的电压的差值小于预设的差异电压最小值，则断开与该锂离子蓄电池单体对应的电子开关。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，其特征在于：所述的控制电路还包括一个由达林顿三极管构成的备份电子开关，备份电子开关与分流电阻串接在锂离子蓄电池组单体的正极和负极之间。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，其特征在于：所述的控制电路还包括一个备份分流电阻，备份分流电阻通过电子开关串接在锂离子蓄电池单体的正极和负极之间。
4.根据权利要求2所述的一种锂离子蓄电池组均衡充电控制系统，其特征在于：所述的控制电路还包括一个备份分流电阻，备份分流电阻通过电子开关或者备份电子开关串接在锂离子蓄电池单体的正极和负极之间。
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