CN103579701A - 储能锂电池并联扩容电路及储能锂电池并联扩容电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种储能锂电池并联扩容电路，包括两个以上的电池组单元，各电池组单元的正极输出端、负极输出端分别并联连接，电池组单元内包括电池组N1和单片机M1，电池组N1的负极与电池组N1负极和电池组单元的负极输出端之间的节点之间依次串联开关S1以及限流电阻R1；在开关S1以及限流电阻R1的串联电路的两端并联开关S2，开关S1以及开关S2均与单片机M1的控制端口连接并控制其断开和闭合工作；各电池组单元之间通过单片机的通信总线连通控制。本发明还公开了一种储能锂电池并联扩容方法。本发明具有储能容量大，电池组之间的初始电压均衡稳定，结构简单，成本低，增强了锂电池组的安全性和稳定性，具有广泛的应用前景。

Description

储能锂电池并联扩容电路及储能锂电池并联扩容电压控制方法

技术领域

    本发明属于锂电池技术领域，具体地说是一种储能锂电池并联扩容电路及储能锂电池并联扩容方法。

背景技术

随着环保概念的逐渐推广，锂储能电池作为全世界重点推广的新型环保能源，不再局限于手机、MP3、MP4、数码相机、笔记本等中小型移动设备动力电源的应用，正逐步取代铅酸电池，成为电动工具、电动摩托车、电动自行车等工具的电源。国家也正将锂电池推广至通信基站，采用大功率锂电池作为通信基站的储能电源。同时，伴随新能源走向民用市场，很多家庭安装屋顶光伏发电系统或家用小型风力发电机系统，因此家庭储能系统就成为其必不可少的设备之一。部分基站及家庭储能系统需要存储的能量较大，因此需要多个锂电池箱并联使用。由于各个锂电池箱初始电压不完全一样，因此在并联时会出现内部环流影响整体性能，因此需要一种可靠的电池箱并联扩容的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有容量大，初始电压稳定的储能锂电池并联扩容电路及储能锂电池并联扩容电压控制方法。

一种储能锂电池并联扩容电路，包括两个以上的电池组单元，各电池组单元的正极输出端、负极输出端分别并联连接，电池组单元内包括电池组N1和单片机M1，电池组N1的正极、负极分别与电池组单元的正极输出端、负极输出端连接，电池组N1的两端与单片机M1的电压检测端口连接，电池组N1的负极与电池组N1负极和电池组单元负极输出端之间的节点之间依次串联开关S1以及限流电阻R1，开关S1包括场效应管Q1和场效应管Q2，电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极连接，场效应管Q2的漏极与限流电阻R1连接，场效应管Q1的栅极和场效应管Q2的栅极分别与单片机M1的第一控制端口连接；第一开关控制元件S1和限流电阻R1的两端并联开关S2，开关S2包括场效应管Q3和场效应管Q4，场效应管Q3的源极并联接入电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极之间的节点、场效应管Q3的漏极与场效应管Q4的漏极连接、场效应管Q4的源极接入限流电阻和电池组单元负极输出端之间的节点，场效应管Q3和场效应管Q4的栅极均与单片机M1的第二控制端口连接；各电池组单元内的单片机之间通过通信总线连接。

作为本发明的改进，所述的单片机M1的第二控制端口设有两个引脚，在单片机M1的第二控制端口和场效应管Q4的栅极之间串联接入场效应管Q5和场效应管Q6，单片机M1的第二控制端口还与场效应管Q5的栅极连接，场效应管Q5的源极接地，漏极与场效应管Q6栅极连接，场效应管Q6的漏极与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q6的源极接入电池组N1的正极。

作为本发明的进一步改进，所述的装置中电池组N1的负极接地，电池组N1的两端并联接入电阻R2和电阻R3，电阻R2和电阻R3之间的节点与单片机M1的电压检测端口连接，在场效应管Q5的漏极和场效应管Q6的栅极之间的节点接入电阻R4，电阻R4的另一端接入电池组N1的正极，在场效应管Q6的漏极和场效应管Q4的栅极之间的节点接入电阻R5，电阻R5的另一端接入限流电阻R1和场效应管Q4的源极之间的节点。

一种储能锂电池并联扩容电压控制方法，所述方法包括如下步骤：

（1）设定电池组单元之间的参考电压差Vx，通过各电池组单元中的单片机测得第n个电池组电压Vn以及第n+1个电池组电压V（n+1），其中n为大于1的自然数；

（2）通过△V=|Vn-V（n+1）|获得相邻两电池组单元的电压差值△V；

（3）判断电压差△V与参考电压差Vx大小，当Ua≤Ux时，第n个电池组的开关Sn导通，第n+1个电池组的开关S(n+1)断开，则第n个电池组单元和第n+1个电池组单元直接并联；当△V＞Ux时，第n个电池组的开关Sn断开，第n+1个电池组的开关S(n+1)导通，则第n电池组单元和第n+1电池组单元通过各自的限流电阻R1并联；并获得第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后的电压为Vm；

（4）第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后的电压Vm，将第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后作为一个新的电池组单元，新的电池组与第n+2个电池组单元进行并联；计算新的电池组单元的电压和第n+2个电池组单元的电压并联后的电压为△V=|Vm-V(n+2)|;

（5）重复执行步骤（3）、步骤（4），直至获得所有电池组单元并列后最终的电压。

与现有技术相比，本发明具有储能容量大，电池组单元之间的初始电压均衡稳定，结构简单，成本低，增强了锂电池组单元的安全性和稳定性，当△V和Vx相差较多时，利用限流电阻并联，减少电阻组的损害，稳定电压和电流后输出，使得输出的初始电压相同，可以保护用电设备，减少因电源电压和电流问题导致用电设备的故障。采用脉冲宽度调制PWM的控制方式，可以防止限流电阻R1因工作时间长发热过大到时烧毁，减少了电路故障。同时可以实现方便地实现多个锂电池组单元并联，增加锂电池的续航时间，可以提高具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明储能锂电池并联扩容电路。

图2为本发明储能锂电池并联扩容电压控制方法的流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种储能锂电池并联扩容电路，包括两个以上的电池组单元，各电池组单元的正极输出端、负极输出端分别并联连接，电池组单元内包括电池组N1和单片机M1，电池组N1的正极、负极分别与电池组单元的正极输出端、负极输出端连接，电池组N1的电极两端并联连接入电阻R2和电阻R3，电阻R2和电阻R3之间的节点与单片机M1的电压检测端口连接，电池组N1的负极与电池组N1负极和电池组单元的负极输出端之间的节点之间依次串联开关S1以及限流电阻R1，开关S1包括场效应管Q1和场效应管Q2，电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极连接，场效应管Q2的漏极与限流电阻R1连接，场效应管Q1的栅极和场效应管Q2的栅极分别与单片机M1的第一控制端口连接；开关S1和限流电阻R1的两端并联开关S2，开关S2包括场效应管Q3和场效应管Q4，场效应管Q3的源极并联接入电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极之间的节点、场效应管Q3的漏极与场效应管Q4的漏极连接，场效应管Q4的源极接入限流电阻和电池组单元负极输出端之间的节点，单片机M1的第二控制端口设有两个引脚，场效应管Q3和场效应管Q4的栅极与单片机M1的第二控制端口中的第一引脚连接，场效应管Q4的栅极与单片机M1的第二控制端口中的第二引脚连接。

在单片机M1的第二控制端口中的第二引脚与场效应管Q4的栅极之间串联接入场效应管Q5和场效应管Q6，单片机M1的第二控制端口中的第二引脚与场效应管Q5的栅极连接，场效应管Q5的源极接地，漏极与场效应管Q6栅极连接，场效应管Q6的漏极与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q6的源极接入电池组N1的正极。单片机M1通过第二控制端口采用脉冲宽度调制PWM的控制方式控制场效应管Q3和场效应管Q5工作，在场效应管Q5的漏极和场效应管Q6的栅极之间的节点接入电阻R4，电阻R4的另一端接入电池组N1的正极，在场效应管Q6的漏极和场效应管Q4的栅极之间的节点接入电阻R5，电阻R5的另一端接入限流电阻R1和场效应管Q4的源极之间的节点。

电池组单元的正极输出端和负极输出端分别并联，电池组单元内的单片机之间通过通讯总线连接，进行通信，使得各电池组单元在并联时可以通过各自的单片机控制开关S1和开关S2的断开和闭合，实现各电池组单元初始电压相同。

如图2所示，一种储能锂电池并联扩容方法，包括储能锂电池并联扩容电路，实现该方法包括如下步骤：

（1）设定n个池组单元之间的参考电压差Vx；单片机M1的电压检测端口检测到第一电池组单元中第一电池组N1通过电阻R2和电阻R3分压后的电压为V1，单片机M2的电压检测端口检测到第二电池组单元中第二电池组N2通过电阻R2和电阻R3分压后的电压为V2，单片机M3的电压检测端口检测到第三电池组单元中第三电池组N3通过电阻R2和电阻R3分压后的电压为V3，单片机Mn的电压检测端口检测到第n电池组单元中第n电池组Nn通过电阻R2和电阻R3分压后的电压为Vn，其中电池组单元n的个数为：n为大于1的自然数。

（2）单片机M1和单片机M2通过通信总线交换第一个电池组单元的电压和第二个电池组单元的电压信息，计算第一个电池组单元的电压和第二个电池组单元的电压并联后的电压差为△V=|V2-V1|。如果电压差△V和参考电压差Vx相差较小，不会产生内部环流电流过大损坏电池组单元，则两个电池箱可直接并联；如果电压差△V和参考电压差Vx相差较大，电流通过限流电阻发热消耗，另一部分转移至电压低的电池组单元，实现电池组单元之间的电压相同，达到两个电池组单元并联后初始电压相同。

（3）判断电压差△V是否大于参考电压差Vx，选择开关S1或开关S2导通的方式并联第一个电池组单元和第二个电池组单元。 

当Ua≤Ux时，第一个电池组单元和第二个电池组单元的开关S1均导通，开关S2均断开，则第一个电池组单元和第二个电池组单元直接并联。实现过程为：第一电池组单元中的单片机M1工作，单片机M1的第二控制端口中的第一引脚和第二引脚均输出高电平，使场效应管Q3、场效应管Q5导通，场效应管Q6的栅极电压被场效应管Q5降低，因此场效应管Q6导通；场效应管Q4的栅极会被场效应管Q6升高，因此场效应管Q4导通。由于第一电池箱N1的主回路场效应管Q3、场效应管Q4同时导通，第二电池组单元中的单片机M2工作与第一电池组单元同步，实现第一电池组单元和第二电池组单元直接并联在一起，并联后的初始电压为V12。

当Ua>Ux时，第一个电池组单元和第二个电池组单元的开关S2均导通，开关S2均断开，则第一个电池组单元和第二个电池组单元通过限流电阻并联。实现过程为：第一电池组单元中的单片机M1工作，单片机M1的第二控制端口中的第一引脚和第二引脚均输出低电平，使场效应管Q3、场效应管Q5关断，场效应管Q6的栅极会被电阻R4升高，因此场效应管Q6关断；场效应管Q4的栅极会被电阻R5降低，因此场效应管Q4关断。电池组N1电路中的场效应管Q3、场效应管Q4同时关断。单片机M1的第一控制端口输出高电平，使场效应管Q1、场效应管Q2导通。第二电池组单元中的单片机M2工作与第一电池组单元同步，因此第一个电池组单元和第二个电池组单元通过限流电阻R1消耗势能，另一部分转移至低电压的电池组单元，从而实现第一个电池组单元和第二个电池组单元并联，且均衡初始电压，均衡后的电压为V12。此时限流电阻R1会有电流通过而发热。

（4）第一个电池组单元和第二个电池组单元并联后的电压均衡为V12后，将第一个电池组单元和第二个电池组单元并联后作为一个新的电池组单元，新的电池组与第三个电池组单元进行并联；计算新的电池组单元的电压和第三个电池组单元的电压并联后的电压为△V1=|V12-V3|。

（5）重复执行步骤（3）、步骤（4），直至获得所有电池组单元并列后最终的电压。

为了防止电池组单元内的限流电阻过热而损坏，单片机1对第一控制端中第一场效应管和第二场效应管的占空比为：D2=1（其中D2=x/ Ua2，x为比例常数），当D2≥1时，单片机M1的第一控制端口会持续输出高电平，场效应管Q1、场效应管Q2及限流电阻R1持续导通。当D2＜1时，单片机M1的第一控制端口进入脉冲宽度调制PWM的控制状态，第一控制端口输出高电平的百分比等于D2。因此场效应管Q1、场效应管Q2及限流电阻R1的导通时间百分比为D2。这样可确保限流电阻R1发热量低于限流电阻R1设计的额定功率，防止限流电阻R发热过大而损坏。

本实施例中使用的场效应管Q1、场效应管Q2、场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5均为N沟道型场效应管，场效应管Q6为P沟道型场效应管。

以上为本发明较佳的实现方式，需要说明的是，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种储能锂电池并联扩容电路，包括两个以上的电池组单元，各电池组单元的正极输出端、负极输出端分别并联连接，其特征在于，电池组单元内包括电池组N1和单片机M1，电池组N1的正极、负极分别与电池组单元的正极输出端、负极输出端连接，电池组N1的两端与单片机M1的电压检测端口连接，电池组N1的负极与电池组N1负极和电池组单元负极输出端之间的节点之间依次串联开关S1以及限流电阻R1，开关S1包括场效应管Q1和场效应管Q2，电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极连接，场效应管Q1的源极与场效应管Q2的源极连接，场效应管Q2的漏极与限流电阻R1连接，场效应管Q1的栅极和场效应管Q2的栅极分别与单片机M1的第一控制端口连接；第一开关控制元件S1和限流电阻R1的两端并联开关S2，开关S2包括场效应管Q3和场效应管Q4，场效应管Q3的源极并联接入电池组N1的负极与场效应管Q1的漏极之间的节点、场效应管Q3的漏极与场效应管Q4的漏极连接、场效应管Q4的源极接入限流电阻和电池组单元负极输出端之间的节点，场效应管Q3和场效应管Q4的栅极均与单片机M1的第二控制端口连接；各电池组单元内的单片机之间通过通信总线连接。

2.根据权利要求1所述的储能锂电池并联扩容电路，其特征在于，所述的单片机M1的第二控制端口设有两个引脚，在单片机M1的第二控制端口和场效应管Q4的栅极之间串联接入场效应管Q5和场效应管Q6，单片机M1的第二控制端口还与场效应管Q5的栅极连接，场效应管Q5的源极接地，漏极与场效应管Q6栅极连接，场效应管Q6的漏极与场效应管Q4的栅极连接，场效应管Q6的源极接入电池组N1的正极。

3.根据权利要求2所述的储能锂电池并联扩容电路，其特征在于，所述的装置中电池组N1的负极接地，电池组N1的两端并联接入电阻R2和电阻R3，电阻R2和电阻R3之间的节点与单片机M1的电压检测端口连接，在场效应管Q5的漏极和场效应管Q6的栅极之间的节点接入电阻R4，电阻R4的另一端接入电池组N1的正极，在场效应管Q6的漏极和场效应管Q4的栅极之间的节点接入电阻R5，电阻R5的另一端接入限流电阻R1和场效应管Q4的源极之间的节点。

4.一种根据权利要求1所述的储能锂电池并联扩容电压控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）设定电池组单元之间的参考电压差Vx，通过各电池组单元中的单片机测得第n个电池组电压Vn以及第n+1个电池组电压V（n+1），其中n为大于1的自然数；

（2）通过△V=|Vn-V（n+1）|获得相邻两电池组单元的电压差值△V；

（3）判断电压差△V与参考电压差Vx大小，当Ua≤Ux时，第n个电池组的开关Sn导通，第n+1个电池组的开关S(n+1)断开，则第n个电池组单元和第n+1个电池组单元直接并联；当△V＞Ux时，第n个电池组的开关Sn断开，第n+1个电池组的开关S(n+1)导通，则第n电池组单元和第n+1电池组单元通过各自的限流电阻R1并联；并获得第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后的电压为Vm；

（4）第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后的电压Vm，将第n个电池组单元和第n+1个电池组单元并联后作为一个新的电池组单元，新的电池组与第n+2个电池组单元进行并联；计算新的电池组单元的电压和第n+2个电池组单元的电压并联后的电压为△V=|Vm-V(n+2)|;

（5）重复执行步骤（3）、步骤（4），直至获得所有电池组单元并列后最终的电压。

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