CN102832654A - 一种电池组主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池组主动均衡电路，包括一个输入输出可逆的DC/DC变换器和开关阵列，开关阵列由一组一端用于分别连接各单体电池正极的正极开关和一组一端用于分别连接各单体电池负极的负极开关构成，各正极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的正极（V2+），各负极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的负极（V2-），所述DC/DC变换器还包括第二直流接线端（V1+，V1-），第二直流接线端（V1+，V1-）与电池组正负极连接的回路中串设有一个控制开关（S13）。主要功能是既可以实现电池组充电均衡，又可以实现电池组放电均衡。

Description

一种电池组主动均衡电路

技术领域

本发明涉及一种电池组主动均衡电路，尤其涉及一种多单体串联动力锂电池组主动均衡电路。

背景技术

锂离子电池，尤其是锂离子动力电池的应用越来越广泛，成为新能源技术发展的一个重要方向。单体电池的容量越大，单体电池的容量差异也就越大。大容量锂电子电池成组使用过程中存在两类不一致性，第一类不一致性由实际容量差异导致，第二类不一致性由初始电量差异导致。由于不一致性，充电过程中某个单体会最先充满，放电过程中又有某个单体会最先放空，这些缺陷限制了整个电池组的充放电能力。随着循环次数的增加，电池不一致性会逐渐加剧，严重影响了电池组性能。这一难题给电池管理系统提出了新的挑战，即在电池组充放电时实现均衡。

现有的电池管理系统很多具有均衡功能，但是均衡能力有限，无法完全解决电池的两类不一致性。最近，以DC/DC变换器为代表的主动均衡法得到了广泛的研究，主动均衡法也成为电池管理系统均衡的发展方向。该方法能够实现双向均衡，均衡电流大、效率高，能够有效缓解并解决电池成组使用过程中表现的不一致性。但是现有的主动均衡系统，其电路构成比较复杂、开关元件使用过多。如申请号为201020266091.0的中国实用新型专利，该装置采用MOS开关管实现均衡通道切换，单纯的MOS管容易导致电池组短路，实现困难；该装置采用单体与单体电池均衡，无法实现单体电池与电池组之间的直接双向能量转移；此外，该方案中的MOS开关管需要高频动作，对控制要求过高，影响可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种电路简单的电池组主动均衡电路，用以解决现有主动均衡电路结构复杂、控制要求高的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种电池组主动均衡电路，包括一个输入输出可逆的DC/DC变换器和开关阵列，开关阵列由一组一端用于分别连接各单体电池正极的正极开关和一组一端用于分别连接各单体电池负极的负极开关构成，各正极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的正极（V2+），各负极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的负极（V2-），所述DC/DC变换器还包括第二直流接线端（V1+，V1-），第二直流接线端（V1+，V1-）与电池组正负极连接的回路中串设有一个控制开关（S13）。

所述正极开关、负极开关、控制开关为继电器。

所述输入输出可逆的DC/DC变换器由一个低压转高压和一个高压转低压的单向DC/DC变换器组合实现。

所述输入输出可逆的DC/DC变换器包含两个PWM控制端，能够动态调整均衡电流大小和方向。

本发明的电池组主动均衡电路，主要功能是：实现电池组与其中任意一个单体电池之间的能量转移，既可以实现电池组充电均衡，又可以实现电池组放电均衡，最终达到所有单体电量均衡的目的，缓解单体容量的不一致性问题。而且本发明的电路结构简单，所采用的开关数量较少（2N+1，N为电池单体数量）。通过采用可逆的DC/DC变换器，当某电池单体电压过高时，通过闭合该电池单体对应的正极开关和负极开关，以及对应的控制开关，使第一直流接线端为输入，第二直流接线端为输出，将单体电池能量转移至电池组；当某电池单体电压过高时，通过闭合该电池单体对应的正极开关和负极开关，以及对应的控制开关，使第一直流接线端为输出，第二直流接线端为输入，将电池组能量转移单体电池。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是本发明电池组向Cell11均衡的原理图；

图3是本发明Cell11向电池组均衡的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

一种电池组主动均衡电路，包括一个输入输出可逆的DC/DC变换器和开关阵列，开关阵列由一组一端用于分别连接各单体电池正极的正极开关和一组一端用于分别连接各单体电池负极的负极开关构成，各正极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的正极V2+，各负极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的负极V2-，所述DC/DC变换器还包括第二直流接线端V1+，V1-，第二直流接线端V1+，V1-与电池组正负极连接的回路中串设有控制开关S13。上述开关均为继电器。一般来说，控制开关设一个，并且连接在电池组正极，如图1中的S13。作为其他事实施方式，也可以在电池组负极也增加一个触头。

如图1的实施例，包括12（N）支串联锂电池组、一个DC/DC变换器及25（2N+1）个开关组成的开关阵列。12支单体电池的正极依次通过12个正极开关（S1+～S12+）与DC/DC变换器的V2+端子连接（虚线）；12支单体电池的负极依次通过12个负极开关（S1-～S12-）与DC/DC变换器的V2-端子连接（实线）；电池组总正通过开关S13与DC/DC变换器的V1+端子连接（虚线）， DC/DC变换器的V1-端子直接与电池组总负连接（实线）。经过合并，开关阵列与电池组及各单体电池的连接仅仅通过13（N+1）根均衡线即可实现。每次选通三个开关（S13必选）即可建立起某单体电池与DC/DC变换器，以及DC/DC变换器与电池组之间的连接回路。DC/DC变换器采用现有技术中的输入端输出端可逆的变换器，设有2个PWM使能端，通过PWM控制单体电池向电池组或者电池组向单体电池能量转移，以进行均衡。

具体实施过程如下：

电池组向单体电池转移能量。

PWM1使能，DC/DC变换器设置为从高压向低压转换模式，V1+和V1-为DC/DC变换器的输入端，V2+和V2-为输出端，实现电池组向单体电池转移能量。假设Cell11电量过低，需要电池组向Cell11转移能量，则闭合继电器S11+、S11-和S13。电池组正负极分别与DC/DC变换器的V1+和V1-连接，Cell11的正负极经由S11+和S11-分别与DC/DC变换器的V2+和V2-连接，电池组的能量通过DC/DC转移给Cell11。该情况下的原理及电流流向如图2所示。

单体电池向电池组转移能量。

PWM2使能，DC/DC变换器设置为从低压向高压转换模式，V1+和V1-为DC/DC变换器的输出端，V2+和V2-为输入端，实现单体电池向电池组转移能量。假设Cell10电量过高，需要Cell10向电池组转移能量，则闭合继电器S10+、S10-和S13。电池组正负极分别与DC/DC变换器的V1+和V1-连接，Cell10的正负极经由S10+和S10-分别与DC/DC变换器的V2+和V2-连接，Cell11的能量通过DC/DC转移给电池组。该情况下的电路原理图及电流流向如图3所示。

该主动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，通过单体电池与电池组之间的直接双向能量转移，最终达到所有单体电量均衡的目的，缓解单体容量的不一致性。

本发明属于无损均衡、均衡电流大、均衡效率高、可扩展性好、便于实现，能够达到电池组充放电均衡、提高电池充放电能力和循环使用寿命等目的。

由于上述技术方案运用，该主动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），均衡时能量损失很小，实现节能。

（2）大电流均衡技术，均衡能力可达10A以上。

（3）双向均衡技术，可以实现单体电池与电池组之间的直接双向能量转移，均衡效率高。

（4）拓扑结构简单实用，连接方便，可扩展性极好。

Claims (4)

1.一种电池组主动均衡电路，其特征在于，包括一个输入输出可逆的DC/DC变换器和开关阵列，开关阵列由一组一端用于分别连接各单体电池正极的正极开关和一组一端用于分别连接各单体电池负极的负极开关构成，各正极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的正极（V2+），各负极开关的另一端连接所述DC/DC变换器的第一直流接线端的负极（V2-），所述DC/DC变换器还包括第二直流接线端（V1+，V1-），第二直流接线端（V1+，V1-）与电池组正负极连接的回路中串设有一个控制开关（S13）。

2.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路，其特征在于，所述正极开关、负极开关、控制开关为继电器。

3.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路，其特征在于，所述输入输出可逆的DC/DC变换器由一个低压转高压和一个高压转低压的单向DC/DC变换器组合实现。

4.根据权利要求1所述的一种电池组主动均衡电路，其特征还在于，所述输入输出可逆的DC/DC变换器包含两个PWM控制端，能够动态调整均衡电流大小和方向。

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