CN103779889A - 一种电池组的均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电池组的均衡电路，电池组1包括多个串联连接的单个电池，其特征在于，包括模拟开关阵列2、电压采集芯片3、第一能量总线4、第二能量总线5、自动正负极性转换桥6、双向DC/DC直流变换器7、供电系统8、主被动选择开关9、MCU控制单元10和电压监控单元11，本发明的电池组的均衡电路结构简单，可以很方便的实现电池组中电池的均衡控制，电路的前级采用模拟开关阵列，把电池能量到通到“能量总线”上，再通过正负极性转换电路把能量总线连接到一个双向的DC/DC直流变换器上，使得单只电池可以与供电系统进行能量交换而达到均衡的目的，本均衡电路，独立了能量来源和电池，具有操作灵活，系统可靠的优点。

Description

一种电池组的均衡电路

技术领域

本发明属于电池管理系统的技术领域，具体涉及一种电池组的均衡电路。

背景技术

在电池发展历史上，电池一致性一直被提及，但从来没有被今天这样强调过，对于真正的动力、储能应用，串联上百只电池很常见，在上百串电池中任何一串出现问题，会带来严重后果，尽管可以通过各种pack方式减小这种影响，但还是杯水车薪。受制于安全性的要求，目前的高压电池组基本由磷酸铁锂组成。磷酸铁锂生产过程用到铁原料，铁这种元素三种化合态：单质、+2价、+3价，很容易转化，即使在被认为廉价的铅酸电池中，都十分忌讳任何价态的铁元素，因为+2、+3价的铁离子很容易相互转换，即使电池不通过电流情况下，+2铁在电池正极容易被氧化为+3价，而在电池负极容易被还原为+2价，所以离子态的铁会在电池之间传递能量，锂离子正负极之间只有不到20微米的隔膜，铁离子很容易扩散到另外一个电极上去，所以只需要极其微量的铁离子，就可以产生很可观的自放电电流。电池在生产过程中会有很多不一致性因素，如容量、内阻、温度敏感度等，但远没有自放电不一致性危害那么大。

电池的一致性问题成为磷酸铁锂电池之类的高能电池在高电压电池组应用上最大的瓶颈。世界上个没有两片完全一样的树叶，也不可能有完全一样的电池，电池的不均衡性是绝对的，所一般需要外部电路来辅助电池调节电池状态这种电路一般称之为均衡系统。

因此，需要一种锂离子电池组的均衡电路以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中铅蓄电池正极添加剂的缺陷，提供一种可以用于铅蓄电池正极添加剂的铋金属有机框架材料的制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的铋金属有机框架材料的制备方法采用如下技术方案：

       一种电池组的均衡电路，所述电池组包括多个串联连接的单个电池，其特征在于，包括模拟开关阵列、电压采集芯片、第一能量总线、第二能量总线、自动正负极性转换桥、双向DC/DC直流变换器、供电系统、主被动选择开关、MCU控制单元和电压监控单元，所述电压采集芯片连接所述电池组和MCU控制单元，所述第一能量总线分别连接所述单个电池的一端，所述第二能量总线分别连接所述单个电池的另一端，所述第一能量总线和第二能量总线与所述电池组之间均设置有所述模拟开关阵列，所述第一能量总线和第二能量总线均连接所述自动正负极转换桥和电压监控单元，所述电压监控单元连接所述MCU控制单元，所述自动正负极转换桥连接所述双向DC/DC直流变换器，所述双向DC/DC直流变换器连接所述供电系统，所述双向DC/DC直流变换器通过所述主被动选择开关连接所述MCU控制单元。

更进一步的，所述模拟开关阵列为photoMOS光电耦合器。由低速的松下款photoMOS构成，具有开关速度底，开关可靠，隔离可靠度度高的特点，这种开关的输入端的LED产生光，光通过隔离介质到达对面的光伏电池堆，从而产生电压，此电压推动两个反向串联的MOS开关管，达到类似隔离继电器的效果。

 更进一步的，所述自动正负极性转换桥包括两个P沟道MOS和两个N沟道MOS。利用输入电压的自举作用选择对应的MOS导通，实现类似全桥整流的作用，而且是双向导通的。

发明原理：在正常工作情况下电压采集芯片通过对电池组的测量，把电池组内的单节电池电压输送的到MCU控制单元，MCU控制单元通过计算对比，从而决定哪一个电池需要被优先均衡，从而发出控制指令命令相应的开启动作。设需要执行均衡的单个电池的编号为n，那么首先MCU控制单元会打开模拟开关阵列中的第n和n+1两个开关，经过适当延时之后，通过主被动选择开关控制双向DC/DC直流变换器的能量流动方向，以执行均衡的功能。

 当某只电池电压过高需要放电的时候，这只电池通过模拟开关阵列、自动正负极性转换桥连接到双向DC/DC直流变换器上，双向DC/DC直流变换器把电池的能量输送到供电系统上，实现了这只电池的对外放电，而不是通过电阻消耗掉。

当某只电池由于自放电高等原因出现电压过低或SOC落后而需要补充电时候，这只电池通过模拟开关阵列、自动正负极性转换桥连接到双向DC/DC直流变换器上，双向DC/DC直流变换器把供电系统的能量输送给此电池，给此电池进行充电。

有益效果：本发明的电池组的均衡电路结构简单，可以很方便的实现电池组中电池的均衡控制，电路的前级采用模拟开关阵列，把电池能量到通到“能量总线”上，再通过正负极性转换电路把能量总线连接到一个双向的DC/DC直流变换器上，使得单只电池可以与供电系统进行能量交换而达到均衡的目的，本均衡电路，独立了能量来源和电池，具有操作灵活，系统可靠的优点。

附图说明

图1 为本发明的电池组的均衡电路的结构示意图；

       图2为模拟开关阵列的原理示意图；

       图3为自动正负极性转换桥的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1、图2和图3所示，本发明的一种电池组的均衡电路，电池组1包括多个串联连接的单个电池，包括模拟开关阵列2、电压采集芯片3、第一能量总线4、第二能量总线5、自动正负极性转换桥6、双向DC/DC直流变换器7、供电系统8、主被动选择开关9、MCU控制单元10和电压监控单元11。

电压采集芯片3连接电池组1和MCU控制单元10。第一能量总线4分别连接单个电池的一端，第二能量总线5分别连接单个电池的另一端，第一能量总线4和第二能量总线5与电池组1之间均设置有模拟开关阵列2，第一能量总线4和第二能量总线4均连接自动正负极转换桥6和电压监控单元11。其中，模拟开关阵列2为photoMOS光电耦合器。由低速的松下款photoMOS构成，具有开关速度底，开关可靠，隔离可靠度度高的特点，这种开关的输入端的LED产生光，光通过隔离介质到达对面的光伏电池堆，从而产生电压，此电压推动两个反向串联的MOS开关管，达到类似隔离继电器的效果。自动正负极性转换桥6包括两个P沟道MOS和两个N沟道MOS。利用输入电压的自举作用选择对应的MOS导通，实现类似全桥整流的作用，而且是双向导通的。

电压监控单元11连接MCU控制单元10，自动正负极转换桥6连接双向DC/DC直流变换器7，双向DC/DC直流变换器7连接供电系统8，双向DC/DC直流变换器7通过主被动选择开关9连接MCU控制单元10。其中，双向DC/DC直流变换器7通过对引脚的控制可以控制功率输送方向，而且连接自动正负极极转换桥6的方向是采用限流限压的控制模式。以达到均衡电量的精确计量。

发明原理：在正常工作情况下电压采集芯片3通过对电池组1的测量，把电池组1内的单节电池电压输送的到MCU控制单元10，MCU控制单元通过计算对比，从而决定哪一个电池需要被优先均衡，从而发出控制指令命令相应的开启动作。设需要执行均衡的单个电池的编号为n，那么首先MCU控制单元10会打开模拟开关阵列2中的第n和n+1两个开关，经过适当延时之后，通过主被动选择开关9控制双向DC/DC直流变换器7的能量流动方向，以执行均衡的功能。

当某只电池电压过高需要放电的时候，这只电池通过模拟开关阵列2、自动正负极性转换桥6连接到双向DC/DC直流变换器7上，双向DC/DC直流变换器7把电池的能量输送到供电系统8上，实现了这只电池的对外放电，而不是通过电阻消耗掉。

当某只电池由于自放电高等原因出现电压过低或SOC落后而需要补充电时候，这只电池通过模拟开关阵列2、自动正负极性转换桥6连接到双向DC/DC直流变换器7上，双向DC/DC直流变换器7把供电系统8的能量输送给此电池，给此电池进行充电。

MCU控制单元10会记录下每次放电终止和充电终止时的电压值，在前级程序确定需要对电池均衡的时候，MCU控制单元10会调出历史数据进行对比，以确定无误，避免往复均衡，同时MCU会记录下每只电池累积的均衡电量，每隔一段时间会进行总体的分析，挑出那些微短路的电池。

过对多级串联电池组的故障模式的分析，我们把电池组的故障模式分为三大类型：一、电芯性能衰减，包括可逆容量异常衰减、内阻明显升高、CC百分比减少等；二、电池组机构的损坏，包括松动、温度异常、进水等；三、为SOC差异，包括由于自放电过大、温度不一致、配组瑕疵等不影响实际电芯容量而会影响电池组成组性能的故障模式。

第一种失效模式，往往意味着电芯寿命的终结，不管哪种均衡方式都不可能修复电池组，反而会因为往复均衡、严重发热等问题严重伤害BMS系统的健壮性，对于电芯自身的性能异常的衰退，最好采取拆机替换电芯的方式。

第二种失效模式，与本内容无关，不予说明。

第三种失效模式囊括了很多故障模式，统一为SOC差异模式是由于这些故障可以使用统一的模型来解释，而且可以利用统一的均衡处理方法来校正个别电池的SOC状态。

在对电池失效故障模式的详细分析中提出了一种新的均衡技术方案.电池可以看成一个容性很大的电子元器件，对于大型电池组，电池电压在几秒之内的不会有太大的变化，从而在时间轴上给“分时复用”均衡能量总线留下了操作空间。

按照本发明的技术可以很好地解决，第三种失效模式导致的电池组性能衰退，结合检测电路可以检测出来第二种失效模式额报警。

与一般均衡技术不同的是，本方案设计了一组均衡能量总线，均衡能量总线既可以给电压过高的电池分流，又可以给电压过低的电池分流。通过每个电池两端的电子开关，结合不同的控制方案控制开关的开闭，可以在电池组任意工作状态实现不同的均衡方案，如放电均衡，充电动态均衡，主动补电均衡，被动分流均衡等。

本技术通过连接在每个电池两端的开关（S1-Sn+1）打破串联电池电流值一致的限制，通过对电池前后记录、电压差值、电流值等信息状态，打开相应额开关，如果需要均衡的是第n只电池，那么就打开Sn和Sn+1两个开关，这样电池就通过正负极转换开关接到直流变送器DC/DC上，然后开启DC/DC，如果是电池需要补电，那么通过外部电源给单只电池补电，如果电池电压过高，那么通过DC/DC把电池多余的能量转移出去，以实现同一套硬件电路的不同均衡方式。

因为能量总线的正负极性随着需要均衡的电池未知的不同而发生颠倒转换，在能量总线和DC/DC之间设计一组MOS桥电路用来转换正负极。

DC/DC的设计上采用与传统DC/DC完全不同的控制方法，两边的输入输出电路都采用效率优先的控制策略，以减少系统的发热，进一步提高均衡能力，而且输出采用恒流限压模式，符合容性负载的需求，而且每次被输送的安时数可以被很好地统计存储下来，作为系统检修的重要依据。

电池与均衡总线之间的连接放弃传统的电容驱动或者磁隔离驱动等高频开关驱动方式，取代之的采用可靠性和抗干扰度都比较高的光隔离驱动方式，而且连驱动开关的电源也是有光电池提供，彻底把高压电路和控制电路隔离开来，避免了磁隔离的辐射污染，而且低频开关本身不会产生高频谐波，EMC特性好，提高数字电路部分的可靠性。随着频率的降低，开关损耗和导通损耗也随之降低。

本发明的电池组的均衡电路结构简单，可以很方便的实现电池组中电池的均衡控制，电路的前级采用模拟开关阵列，把电池能量到通到“能量总线”上，再通过正负极性转换电路把能量总线连接到一个双向的DC/DC直流变换器上，使得单只电池可以与供电系统进行能量交换而达到均衡的目的，本均衡电路，独立了能量来源和电池，具有操作灵活，系统可靠的优点。

Claims (3)

1.一种电池组的均衡电路，所述电池组（1）包括多个串联连接的单个电池，其特征在于，包括模拟开关阵列（2）、电压采集芯片（3）、第一能量总线（4）、第二能量总线（5）、自动正负极性转换桥（6）、双向DC/DC直流变换器（7）、供电系统（8）、主被动选择开关（9）、MCU控制单元（10）和电压监控单元（11），所述电压采集芯片（3）连接所述电池组（1）和MCU控制单元（10），所述第一能量总线（4）分别连接所述单个电池的一端，所述第二能量总线（5）分别连接所述单个电池的另一端，所述第一能量总线（4）和第二能量总线（5）与所述电池组（1）之间均设置有所述模拟开关阵列（2），所述第一能量总线（4）和第二能量总线（4）均连接所述自动正负极转换桥（6）和电压监控单元（11），所述电压监控单元（11）连接所述MCU控制单元（10），所述自动正负极转换桥（6）连接所述双向DC/DC直流变换器（7），所述双向DC/DC直流变换器（7）连接所述供电系统（8），所述双向DC/DC直流变换器（7）通过所述主被动选择开关（9）连接所述MCU控制单元（10）。

2.如权利要求1所述的锂离子电池组的均衡电路，其特征在于，所述模拟开关阵列（2）为photoMOS光电耦合器。

3.如权利要求1所述的锂离子电池组的均衡电路，其特征在于，所述自动正负极性转换桥（6）包括两个P沟道MOS和两个N沟道MOS。

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