CN103560561A - 一种锂电池管理系统的均衡充放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，该充放电装置由第一至第N个锂电池单体，第一至第N个电感和第一至第N个开关管组成的拓扑网络，所述第一至第N个锂电池单体之间通关过第r二极管和第r电感串联连接，所述第N个锂电池单体与第N个电感、第N个开关管串联连接，所述第N-1个电感的第一输入端通过第N-1个开关管与第N个电感的第一连接端连接，同时该第N-1个电感的第一输入端与第N个电感的第二连接端之间还依次串接有第N-1二级管和第N二级管。所述均衡充放电装置可以快速实现多个锂电池单体同时放电，以及各电压再分配。

Description

一种锂电池管理系统的均衡充放电装置

技术领域

发明涉及一种用于锂电池管理系统的均衡电池电压拓扑结构，特别是涉及一种锂电池管理系统的均衡充放电装置。

背景技术

锂离子电池单体电压约3.6V，在实际的工程应用中需满足用电设备的具体要求需将多个单体进行串并联组合连接后作为整体的电池包为系统供电。

而对于电池包中众多的单体，尤其对处于串联连接的单体而言，要保持其彼此间良好的一致性是十分关键的。实际上，即使是新电池，其性能和实际可用容量也会存在微小的差异，以电池包工作于放电状态为例，对于可用容量相对较大的电池，其放电深度就相对较浅，电池可持续的循环工作次数也较多，电池性能相对稳定；但对于可用容量相对较小的电池则不然，在放电后期，尤其整体电池包深度放电时，可用容量较小的电池就很容易处于过放电状态，这就会加速电池的老化，如此反复便会形成恶性循环，使电池的实际可用容量越来越小，性能迅速恶化。因此，对电池管理系统而言，单体间的不均衡状况是必须要考虑和处理的问题。所谓均衡充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高电池组的充电电压，对电池进行活化充电。

虽然要实现单体间的绝对均衡很困难，但可以采取一些均衡方法对单体间的差异进行抑制，并将其限制在一定的范围内，尽量避免个别电池频繁出现过充过放的情况。对于串联连接的电池而言，最直接有效的均衡目标就是保持各单体电压处于相接近的状态。实现对串联蓄电池组的各单体电池进行均充，目前主要有以下几种方法。

1.在电池组的各单体电池上附加一个并联均衡电路,以达到分流的作用。在这种模式下,当某个电池首先达到满充时，均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，继续对未充满的电池充电。但该方法简单，但会带来能量的损耗，不适合快充系统。

2.在充电前对每个单体逐一通过同一负载放电至同一水平,然后再进行恒流充电,以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态。但此方法对蓄电池组，由于个体间的物理差异，各单体深度放电后难以达到完全一致的理想效果。即使放电后达到同一效果，在充电过程中也会出现新的不均衡现象。

3.定时、定序、单独对蓄电池组中的单体蓄电池进行检测及均匀充电。在对蓄电池组进行充电时，能保证蓄电池组中的每一个蓄电池不会发生过充电或过放电的情况，因而就保证了蓄电池组中的每个蓄电池均处于正常的工作状态。

4.运用分时原理，通过开关组件的控制和切换，使额外的电流流入电压相对较低的电池中以达到均衡充电的目的。虽然此方法效率比较高，但控制比较复杂。

5.以各电池的电压参数为均衡对象，使各电池的电压恢复一致。均衡充电时，电容通过控制开关交替地与相邻的两个电池连接，接受高电压电池的充电，再向低电压电池放电，直到两电池的电压趋于一致。虽然该种均衡方法较好的解决了电池组电压不平衡的问题，但该方法主要用在电池数量较少的场合。

6.整个系统由单片机控制，单体电池都有独立的一套模块。模块根据设定程序，对各单体电池分别进行充电管理，充电完成后自动断开。但该方法比较简单，但在单体电池数多时会使成本大大增加，也不利于系统体积的减小。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，以解决锂电池单体均衡充放电的问题。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，该充放电装置由第一至第N个锂电池单体，第一至第N个电感和第一至第N个开关管组成的拓扑网络，所述第一至第N个锂电池单体之间通关过第r二极管和第r电感串联连接，所述第N个锂电池单体与第N个电感、第N个开关管串联连接，所述第N-1个电感的第一输入端通过第N-1个开关管与第N个电感的第一连接端连接，同时该第N-1个电感的第一输入端与第N个电感的第二连接端之间还依次串接有第N-1二级管和第N二级管。

所述第N二级管两端并联有一电容。

所述第N二极管与第N个锂电池单体之间还串接有一电容。

所述第N二极管的正极端与第r电感之间串接有一开关管。

所述开关管为MOS开关管。

本发明的优点在于：

1这种均衡方案可以快速实现多个锂电池单体同时放电，以及各电压再分配；

2可以精确控制每个单体电压的值；

3所需用的器件相对数目较小。

附图说明

图1:本发明锂电池管理系统的均衡充放电装置实施例结构示意图。

图2：锂电池单体电路结构示意图。

图3：锂电池电路充电电路完成结构示意图。

图4：锂电池电路充电电路结构示意图。

图5：锂电池电路能量反馈结构示意图。

图6：锂电池电路单体充电和补偿结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明，图1为以三个锂电池单体为例说明锂电池管理系统的均衡充放电装置。该充放电装置由第一至第3个锂电池单体，第一至第3个电感和第一至第3个开关管组成的拓扑网络。所述第一至第3个锂电池单体之间通关过二极管Dr和电感Lr串联连接。每一个锂电池单体分别与电感、开关管串联连接，例如，锂电池单体3与电感L3和开关管Q3串接，同时，与单体2连接的电感L2一输入端通过开关管Q2与电感L3连接，所述电感L2的此输入端与电感L3之间还串接有二极管D2和D3。所述二极管D2和D3的两端还分别并联有一电容C。所述二极管D3的正极端与所述电感Lr之间还串接有开关管Qr,二极管D3的正极端与单体3之间还串接有一电容Cr。

本实施例中所述的开关管可以是MOS管。当系统检测到第i个单体电压高于平均电压时，就采用控制MOS管开关方式控制其对应的开关MOS管Qi导通，则此单体放电，放出的能量存储于与单体串联的电感Li中。基于PWM方式进行开关的开通和关断，对电感能量传输。其中，每个单体对应的电路子结构形如图2所示电路。这种均衡方案可以快速实现多个锂电池单体同时放电，以及各电压再分配，所需用的器件相对数目较小。

当对Li电感充电结束后Qi开关被断开，此时，Li中的电能会充入存储于电容Ci和Cr中，如图3所示。由于Cr处于续流回路，电流会对电容Cr充电，当电容电压达到预设的最高值时，控制Qr导通，这样Cr中能量又转移到Lr中，端电压下降，如图4所示。当电容电压低于预设的最低值时，Qr断开，Lr中的能量即可回馈到电池组，如图5所示。

此时，如果检测到第i个电池电压偏低，可以通过一个单独的回路，经过Lr、Dr、Li、Qi-1、Ci+1、Cr对此电池电压进行充电和补偿，例如图6所示，假设单体2出现电压偏低的情况，可以由Lr、Dr、Li、Q1、C3、Cr对电池单体2进行电压补偿，能精确控制每个单体电压的值。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，其特征在于，该充放电装置由第一至第N个锂电池单体，第一至第N个电感和第一至第N个开关管组成的拓扑网络，所述第一至第N个锂电池单体之间通关过第r二极管和第r电感串联连接，所述第N个锂电池单体与第N个电感、第N个开关管串联连接，所述第N-1个电感的第一输入端通过第N-1个开关管与第N个电感的第一连接端连接，同时该第N-1个电感的第一输入端与第N个电感的第二连接端之间还依次串接有第N-1二级管和第N二级管。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，其特征在于，所述第N二级管两端并联有一电容。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，其特征在于，所述第N二极管与第N个锂电池单体之间还串接有一电容。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，其特征在于，所述第N二极管的正极端与第r电感之间串接有一开关管。

5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的一种锂电池管理系统的均衡充放电装置，其特征在于，所述开关管为MOS开关管。

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