CN103855762A - 一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，特别涉及一种利用储能电容来实现串联电池组能量转移的均衡电路。该电路包括一组串联的锂离子电池，每个电池对应一个比较器；由两个等值电阻组成的分压支路，该支路用于采样电池组的平均电压，并将平均电压值作为基准电压输送到每个比较器的输入端；每个比较器的输出端连接到对应均衡支路的场效应晶体管。当电池组中存在高压电池单体时，相应的比较器输出高电压，对应的均衡支路导通，储能电容吸收高压电池的能量，直到其电压下降到平均值，此时另一均衡支路导通，储能电容向低压电池放电，均衡电路重复上述工作直到串联电池组的每一个单体电池电压相等。该电路结构简单、成本低廉，可以快速实现电池组内的能量均衡，最大程度的利用电池组全部储能为无线传感器供能，延长其工作的寿命。

Description

一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统

技术领域

本发明公开了一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，特别涉及一种利用储能电容来实现串联电池组电能转移的均衡电路。

背景技术

无线传感器网络在环境监测、智能家居、交通运输、精细农业等领域具有广泛的应用前景，越来越受到人们的重视。传感器节点作为无线传感器网络的重要组成单元，通常散布于一定的区域内协助实时监测、感知和采集各种环境和监测对象的信息。传感器节点在实际应用中的工况环境决定了节点电源大多数情况下无法接入正常的电力系统。例如Crossbow公司的MICAz节点如果采用3000mAh的电池设置在1％的工作周期，然而每隔17周就需要更换一次电池。此外由于节点常被布置在恶劣及复杂的环境中，进一步增加了更换电池的成本。充分利用电池组的全部能量，延长其工作寿命便成为了传感器节点设计的关键问题。

自锂离子电池开发成功以来，由于其具有比能量高、工作电压高，无记忆性、自放电率低、循环寿命长、无污染等独特优势，现已广泛应用于无线传感器领域。普通锂离子电池的工作端电压一般在3.6～4.1V之间，由于节点负载对电源电压和功率需求的差异，通常将多个锂离子电池串联成组作为供能单元。然而，锂离子电池由于自身化学特性以及工况环境的不同，电池组内单体电池的容量、内阻等性能不一致，导致弱体电池决定电池组整体性能。为了充分利用电池组内部所有能量，防止弱体电池过充或者过放情况的发生，致使电池组提前结束工作，因此对供能单元进行能量均衡显得十分必要。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，本发明可以实现供能电池组内所有单体电池电压保持一致，防止弱体电池提前放电或者充电结束导致串联电池组无法工作，避免浪费电池组内其他正常电池的剩余能量，极大的延长了无线传感器的工作时间。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，其特征在于，包括串联电池组、分压电路、比较器控制电路、均衡电路和储能电容C，所述的电池组由电池B1与B2串联而成；所述的分压电路由电阻R1与R2串联而成，分压点路接在电池组的正负两端；所述的比较器控制电路由比较器COMP1、COMP2组成，所述的比较器COMP1的3端与COMP2的6端同时连接在电阻R1与R2之间，比较器COMP1的2端与COMP2的7端同时连接在电池B2的正极，所述的比较器COMP1的4端与COMP2的10端接地，比较器COMP1的5端与COMP2的9端同时通过电阻R3接到电池组的正极；所述均衡电路由场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成，所述Q1与Q3的门极G同时连接在比较器COMP1的1端，所述Q2与Q4的门极G同时连接在比较器COMP2的8端，所述场效应管Q1的漏极D接电池组的正极，所述场效应管Q2的漏极D接电容C的正极，效应管Q2的源极S接电池B2的正极，所述场效应管Q3的漏极D接电池B2的正极，所述场效应管Q4的漏极D接电池组的负极，场效应管Q4的源极S接电池B2的负极；所述的储能电容C的正极接场效应管Q1的源极S，储能电容C的负极接场效应管Q3的源极S。

本发明的有益效果是：

由于锂离子电池组内单体电池的工况、环境、温度、化学特性的不同，锂离子电池组内部容易出现能量不一致的现象，表现为电池电压波动，即电池B1的电压高于电池B2或者电池B2的电压高于B1。此时，如果不进行能量均衡，电压与能量的离散度将越来越大，最终导致低电压电池提前放电结束，串联电池无法继续工作，高电压电池中还有大量剩余能量全部浪费。

当电池B1的能量高于B2的能量时，即电池B2的电压低于电池组平均值，此时比较器COMP1的输出为高电压，连接在COMP1的输出端的场效应管Q1和Q3导通，电池B1与电容C构成回路，电池B1开始对电容C进行充电过程，电容C的电压不断上升而电池B1的电压不断下降直至B1的电压低于电池组平均电压。这时，COMP1输出变为低电平，COMP2的输出变为高电平，连接在COMP2的输出端的场效应管Q2和Q4导通，电池B2与电容C构成回路，电容C开始对电池B2进行充电，把储存在电容C的能量转移到电池B2内，电池B2电压与能量不断上升而电容C的电压不断下降，高能量电池B1也处于开路状态，电池B1的电压不断上升恢复至高于平均电压，比较器控制电路不断重复上述的过程持续的将B1的能量转移到电池B2中，直到两节电池的能量与电压非常接近，即电池组能量处于均衡状态。当电池B2的能量高于B1的能量时，即电池B2的电压高于电池组平均值时，均衡过程上述的类似。

该电路结构简单、成本低廉，可以自动快速实现电池组内部的能量均衡，充分利用电池组内每个单体的能量，防止弱体电池过充或者过放，导致电池组提前结束充电或者供电，充分延长无线传感器的工作时间。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是电路原理图；

图2是均衡过程中电池端电压采样曲线。

图1中，B1、B2为锂离子电池，COMP1、COMP2为比较器，Q1、Q2、Q3、Q4为场效应管，C为储能电容，R1、R2、R3为电阻。

图2中，B1Voltage为高电压电池B1的端电压采样曲线，B2_Voltage为低电压电池B2的端电压采样曲线。

具体实施方式

如图1中，由等值电阻R1、R2组成的分压支路，将串联电池组的电压均分，并将平均电压作为基准电压输送到每个比较器的输入端。比较器COMP1的正端接电池组平均电压，负端接电池B2的正极，当电池组B1的电压大于电池B2的电压时，比较器COMP1输出为高电压，相应的场效应管Q1和Q3导通，高压电池B1为电容C充电，此时B1的端电压开始下降，直到B1的端电压小于B2的端电压。由于比较器COMP2的正端接电池B2的正极，负端接电池组平均电压，当B1的端电压小于B2的端电压时，即电池组的平均电压小于B2的电压，比较器COMP2输出高电压，相应的场效应管Q2和Q4导通，储存在电容C的能量转移到电池B2中，这时电池B1开路，电压不断恢复直至高于电池B2，比较器COMP2输出低电压，而COMP1又开始输出高电压，不断重复循环上述过程，当电池B1和B2的电压非常接近时，均衡系统停止工作。

图2中，B1Voltage为高电压电池B1的端电压采样曲线，B2_Voltage为低电压电池B2的端电压采样曲线，在系统启动均衡之后，高电压电池电压不断下降，而低电压电池不断上升，经过一段时间均衡后，两个电池的电压值之差小于系统启动阀值，完成了锂离子电池组的均衡过程，场效应管选用英飞凌公司的IPG20N04型号。

Claims (3)

1.一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，其特征在于，包括串联电池组、分压电路、比较器控制电路、均衡电路和储能电容(C)，所述的电池组由电池(B1)与电池(B2)串联而成；所述的分压电路由等值电阻(R1)与电阻(R2)串联而成，分压电路接在电池组的正负两端；所述的比较器控制电路由比较器(COMP1)、比较器(COMP2)组成，所述的比较器(COMP1)的3端与比较器(COMP2)的6端同时连接在电阻(R1)与电阻(R2)之间，比较器(COMP1)的2端与比较器(COMP2)的7端同时连接在电池(B2)的正极；所述均衡电路由场效应管(Q1)、场效应管(Q2)、场效应管(Q3)、场效应管(Q4)组成，所述场效应管(Q1)与场效应管(Q3)的门极(G)同时连接在比较器(COMP1)的1端，所述场效应管(Q2)与场效应管(Q4)的门极(G)同时连接在比较器(COMP2)的8端；所述的储能电容(C)的正极接场效应管(Q1)的源极(S)，储能电容(C)的负极接场效应管(Q3)的源极(S)。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，其特征在于，所述的比较器(COMP1)的4端与比较器(COMP2)的10端接地，比较器(COMP1)的5端与比较器(COMP2)的9端同时通过电阻(R3)接到电池组的正极。

3.根据权利要求1所述的所述的一种适用于无线传感器的锂离子电池组能量管理系统，其特征在于，所述场效应管(Q1)的漏极(D)接电池组的正极，所述场效应管(Q2)的漏极(D)接电容(C)的正极，效应管(Q2)的源极(S)接电池B2的正极，所述场效应管(Q3)的漏极(D)接电池(B2)的正极，所述场效应管(Q4)的漏极(D)接电池组的负极，场效应管(Q4)的源极(S)接电池(B2)的负极。

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