CN103915877A - 锂离子动力电池组均衡控制管理系统及其均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池组均衡控制管理系统及其均衡控制方法，所述系统包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、均衡控制模块以及电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块连接，所述电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块分别与电池模块连接；所述方法在充电过程中，电池信息监控模块不断对单个电池的信息进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元，当某节电池的电压偏离某区间值时，MCU中央控制单元通过控制K系列开关和光耦继电器对该节电池进行充放电。本发明电路简单，电池均衡方式有效且易于实现，充电、放电具有相同的均衡效果。

Description

锂离子动力电池组均衡控制管理系统及其均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种电池均衡控制管理系统，尤其是一种锂离子动力电池组均衡控制管理系统及其均衡控制方法，属于电池管理技术领域。

背景技术

汽车的发展是现代工业技术最重要的成就之一，然而全世界大量汽车的应用，已经产生并正在继续引发严重的环境与人类生存问题。出于能源和环境的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的共同推动下取得了快速的发展。然而，能量储存装置的安全性和使用成本问题影响了电动汽车的推广应用，而延长能量存储装置的使用寿命是降低使用成本和提高安全性能的有效途径之一。锂离子电池以其能量密度大、电压平台高等优良的性能成为纯电动汽车的理想动力源。然而，锂离子电池的抗滥用能力较差。锂离子电池，特别是成组锂离子电池的安全性和长寿命成为锂离子电池使用管理中急需解决的问题。锂离子电池单体在生产过程中、长时间静置及长期充放电过程中电池组内各单体荷电量差距会越来越大，呈发散趋势，从而造成电池组内部电池离散性加大，个别电池性能衰减加剧，导致整组电池失效。所以通过对锂离子电池组均衡控制管理技术的研究，来提高电池的安全性、延长电池使用寿面，从而提高电动汽车的安全性能并降低使用成本对于电动汽车发展具有重要的意义。

电池组均衡控制管理方法可以分为两类：被动均衡和主动均衡。

主动均衡是运用外部电路在单体间传输能量，以达到单体间的平衡。由于主动均衡法不依靠电池本身特性进行均衡，所以这种方法在各种电池系统中都可以使用。另外，由于锂离子电池的温度必需控制在特定范围之内，所以主动均衡是针对于锂离子电池均衡的唯一方法。

目前，锂离子动力电池组的均衡控制管理方法有：

1)耗散电阻分流法，它是一种既可靠有简易的方法。它可以工作与两种模式：监测模式和连续工作模式。在监测模式时，电压监测装置需要监测每个单体的电压，一个智能控制器整合单体电压的不平衡状态，进一步控制接通耗散电阻，来消耗高电压单体的能量。在连续工作模式下，所有继电器由相同的信号控制，同时开启或关闭。在充电时，继电器开启，具有较高电压的单体会获得较少的充电电流，相当于在等待其他单体与其平衡。这种方法能量损耗大，在监测模式下需要智能控制，成本较高。

2)PWM控制分流法。PWM控制分流法是一种无能量耗散分流法。在这种方法中，电池管理系统监测相邻各单体的电压差，运用PWM信号控制一对MOSFET开关，从而控制流过相邻两单体的电流。所以，流过高电压单体的平均电流就会比低电压单体的小。这种电路的缺点是需要精确的电压检测，并且相对复杂。在对n个单体进行均衡时，这种方法需要2×(n-1)个MOSFET和n-1个传感器。

3)完全分流法。完全分流法用一个主充电器代替串联充电器。这个主充电器是一个电流控制转换器。当其中一个单体达到其最高电压，此单体便会被两个开关完全分流。当这组电池中的最后一个单体充电结束后便结束充电。这个方法十分直接，但是电池组由大量单体组成时，电池组电压会在一个很大的范围内波动，这时就需要一个降压变换器从而增加部分成本和系统复杂度。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种锂离子动力电池组均衡控制管理系统，该系统电路简单，电池均衡方式有效且易于实现，充电、放电具有相同的均衡效果，可以均衡设置电压电流调节和DC-DC均衡电压调节，可以实现大电流快速均衡，转换效率高，发热少。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的均衡控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、均衡控制模块以及电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块连接，所述电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块分别与电池模块连接，其中：

所述电池信息监控模块，用于监测电池模块中每节电池的电压、电流和温度信息，并反馈至MCU中央控制单元；

所述MCU中央控制单元，用于对电池信息监控模块反馈的信息进行分析，再对电池散热模块和均衡控制模块发送指令，使电池模块中的每节电池得到散热控制和均衡控制；

所述均衡控制模块，包括充电机、Flyback转换器、PWM控制器、DC/DC变换器、外部12V电源、K系列开关、控制电路以及多副边耦合变压器，所述PWM控制器、F1yback转换器和充电机串联后与K系列开关并联，所述K系列开关分别与DC/DC变换器和控制电路连接，所述DC/DC变换器连接外部12V电源；所述电池模块中的每节电池在多副边耦合变压器上都有对应的二次绕组。

作为一种实施方案，所述MCU中央控制单元通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块连接。

作为一种实施方案，所述电池模块由4～8节电池串联组成。

作为一种实施方案，所述电池散热模块由风扇和相应的电路组成，所述风扇用于对电池模块中的电池进行送风散热。

作为一种实施方案，所述电池信息监控模块由监测芯片和PWM串联组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器；所述电池模块中的每节电池上有监测芯片，所述监测芯片测得的数值通过PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡控制模块。

作为一种实施方案，所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上。

作为一种实施方案，所述MCU中央控制单元通过红外发射器与电池信息监控模块连接，所述MCU中央控制单元通过红外发射器与均衡控制模块连接。

作为一种实施方案，所述系统还包括高压动力母线，所述高压动力母线的正端与电池模块的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块的负端相连。

作为一种实施方案，所述控制电路由若干个MOSFET管、若干个二极管、若干个三极管、若干个电容器以及若干个光耦继电器组成，所述电池模块中的每节电池正负极均连接一个MOSFET管，所述每个MOSFET管串联一个光耦继电器。

优选的，所述电流传感器为电流互感器；所述电压传感器为电压互感器；所述PWM控制器为UC2825A；所述电池模块由6节电池串联组成；所述外部12V电源为车载12V电池。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

锂离子动力电池组均衡控制管理系统的均衡控制方法，其特征在于所述方法包括：在充电过程中，电池信息监控模块不断对单个电池的信息进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元，当某节电池的电压偏离某区间值时，MCU中央控制单元通过控制K系列开关和光耦继电器对该节电池进行充放电；同时，多副边耦合变压器的每个逆变副边近似一个恒压源的均衡单元，给电池模块中的每节电池进行均衡，所有的副边均衡单元通过PWM控制器控制三极管的脉宽实现均衡充电特性的调节。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的均衡控制管理系统在充电、放电状态具有相同的均衡效果。采用变压器耦合多副边结构，利用电池模块(电池组)的总电压作为均衡充电的输入，只要动力电池处于成组状态，无论在充电还是放电状态都可对其进行均衡化处理，提高了均衡效果，大大简化了均衡充电的控制网络，系统运行安全可靠。

2、本发明的均衡控制管理系统可实现均衡设置电压电流调节。采用的多副边耦合变压器具有单一的磁芯并且每节电池在此变压器上都有其对应的二次绕组，电池模块(电池组)产生的电流流入变压器原边，并在各个副边产生二次侧的感应电流，较小阻抗的二次侧会获得更多的感应电流。

3、本发明的均衡控制管理系统能实现大电流快速均衡。均衡控制电路不是采用纯电阻进行放电，而是用MOSFET管代替电阻，MOSFET管工作在线性导电区，表现为可变电阻的特性，采用PI闭环调节控制，通过单片机调节给定，而使MOSFET表现为不同的阻值，从而实现大电流快速均衡，达到控制均衡时间的作用。

4、本发明的均衡控制管理系统均衡转换效率高，发热少。利用Flyback(反激式)转换器、高速PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制器和MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半场效晶体管)，设计了回馈型均衡充电保护单元，这种反馈使能量损失几乎为零，同时这种反馈增加了电池模块(电池组)中的充电电流，使得电池模块没有分流的单体电池的充电电流增加，充电效率较高。

5、本发明的均衡控制管理系统可达到取长补短，削峰填谷的效果，实现DC-DC均衡电压可调节。“低充高放”均衡系统，即对电池模块(电池组)中电量特别高的单体使用电阻放电法(采用MOSFET管代替电阻)进行放电处理，而对电量特别低的电池使用外部DC/DC转换器进行补充电处理，使两端电池往中间看齐，从而保证电池模块(电池组)电压的相对一致性。该均衡方式不仅解决了电阻均衡方式能量消耗大、能量利用率不高等不利影响，而且借助外部DC/DC充电装置让能量循环使用，使能量效率提高，有效解决了均衡过程中的均衡效率与能量利用率不能同时提高的问题。

附图说明

图1为本发明的锂离子动力电池组均衡控制管理系统的结构原理框图。

图2为本发明的锂离子动力电池组均衡控制管理系统中均衡控制模块的电路原理图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实施例的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，包括MCU中央控制单元1、电池信息监控模块2、电池散热模块3、均衡控制模块4、电池模块5以及高压动力母线(图中未示)，所述MCU中央控制单元1分别与电池信息监控模块2、电池散热模块3和均衡控制模块4连接，所述电池信息监控模块2、电池散热模块3和均衡控制模块4分别与电池模块5连接，所述高压动力母线的正端与电池模块5的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块5的负端相连，所述电池模块5由6节电池串联组成，其中：

所述电池信息监控模块2，用于监测电池模块5中每节电池的电压、电流和温度信息并反馈至MCU中央控制单元1；

所述MCU中央控制单元1，用于对电池信息监控模块2反馈的信息进行分析，再对电池散热模块3和均衡控制模块4发送指令，控制电池模块5中的每节电池充电均衡；

所述均衡控制模块4如图2所示，包括充电机4-1、Flyback转换器4-2、PWM控制器4-3、DC/DC变换器4-4、外部12V电源4-5、K系列开关(K1～K5)、控制电路4-6以及多副边耦合变压器(一次绕组N1，二次绕组N2)，所述PWM控制器4-3、F1yback转换器4-2和充电机4-1串联后与K系列开关并联，所述K系列开关分别与DC/DC变换器4-4和控制电路4-6连接，所述DC/DC变换器4-4连接外部12V电源4-5；所述控制电路4-6由7个MOSFET管(Q1～Q7)、12个二极管(D1～D12)、2个三极管(P1和P2)、8个电容器(C1～C8)以及7个光耦继电器(S1～S7)组成，所述电池模块5的6节电池分别为电池E1～E6，其中电池E1的正极连接MOSFET管Q1，负极连接MOSFET管Q2，MOSFET管Q1与光耦继电器S1串联，MOSFET管Q2与光耦继电器S2串联；电池E2的正极连接MOSFET管Q2，负极连接MOSFET管Q3，MOSFET管Q3与光耦继电器S3串联……电池E6的正极连接MOSFET管Q6，负极连接MOSFET管Q7，MOSFET管Q6与光耦继电器S6串联，MOSFET管Q7与光耦继电器S7串联；MCU中央控制单元1负责控制K系列开关(K1～K5)和光耦继电器(S1～S7)的开关状态，光耦继电器(S1～S7)直接控制电池的充放电，开关K1～K4的接入，用于实现电压的正负交替；所述多副边耦合变压器的二次绕组N2与每节电池对应；

本实施例中，所述MCU中央控制单元1通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块2、电池散热模块3和均衡控制模块4连接。所述电池散热模块3由风扇和相应的电路组成，所述风扇用于对电池模块5中的电池进行送风散热；所述电池信息监控模块2由监测芯片和PWM组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器，所述电流传感器、电压传感器、温度传感器和PWM串联，所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块5中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上，电流传感器、电压传感器和温度传感器测得的数值通过PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元1，继而控制电池散热模块3和均衡控制模块4；所述MCU中央控制单元1通过红外发射器与电池信息监控模块2连接，所述MCU中央控制单元1通过红外发射器与均衡控制模块4连接；所述电流传感器采用电流互感器，所述电压传感器采用电压互感器，所述PWM控制器4-2采用UC2825A，所述外部12V电源4-5采用车载12V电池。

如图1和图2所示，本实施例的均衡控制原理如下：

在充电过程中，电池信息监控模块不断对单个电池的信息(电流、电压、温度)进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元，当某节电池的电压偏离某区间值时，MCU中央控制单元通过控制K系列开关和光耦继电器对该节电池进行充放电；

以电池E2为例，当电池E2的电压高于某上限值时，光耦继电器S2、S3以及开关K5闭合，电池E2与MOSFET管Q2和Q3形成闭合回路，开始对电池进行放电，其端电压将下降，达到设定的电压值时断开以上开关，停止放电；同理，当电池E2的电压低于某下限值时，光耦继电器S2和S3闭合，开关K2和K4同时闭合形成回路，使外部12V电源4-5给电池E2额外单独补充电，达到设定电压值时停止充电；电池模块5中其余电池的充放电原理与电池E2相似；

同时，多副边耦合变压器的每个逆变副边近似一个恒压源的均衡单元，给电池模块5中的每节电池进行均衡，所有的副边均衡单元通过PWM控制器4-2控制三极管P1和P2的脉宽实现均衡充电特性的调节。

由此可见，本系统大大简化了控制逻辑和硬件结构，无论在充电还是放电状态都可对其进行均衡化处理，有效地延长了动力电池的均衡时间，提高了均衡效果。

如图1和图2所示，本实施例的散热控制原理如下：

MCU中央控制单元1不断地判断每节电池温度的变化值是否超过或达到了预定值△t1，选择是否开启电池散热模块3对电池模块5进行散热；当电池的温升或温度达到预定值时，开启电池散热模块3进行散热；当某节电池的温度继续增加，并且达到最高值时，关闭该节电池的充电电路。

综上所述，本发明的锂离子动力电池组均衡控制管理系统电路简单，电池均衡方式有效且易于实现，充电、放电具有相同的均衡效果，可以均衡设置电压电流调节和DC-DC均衡电压调节，可以实现大电流快速均衡，转换效率高，发热少。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：包括MCU中央控制单元、电池信息监控模块、电池散热模块、均衡控制模块以及电池模块，所述MCU中央控制单元分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块连接，所述电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块分别与电池模块连接，其中：

所述电池信息监控模块，用于监测电池模块中每节电池的电压、电流和温度信息，并反馈至MCU中央控制单元；

所述MCU中央控制单元，用于对电池信息监控模块反馈的信息进行分析，再对电池散热模块和均衡控制模块发送指令，使电池模块中的每节电池得到散热控制和均衡控制；

所述均衡控制模块，包括充电机、Flyback转换器、PWM控制器、DC/DC变换器、外部12V电源、K系列开关、控制电路以及多副边耦合变压器，所述PWM控制器、F1yback转换器和充电机串联后与K系列开关并联，所述K系列开关分别与DC/DC变换器和控制电路连接，所述DC/DC变换器连接外部12V电源；所述电池模块中的每节电池在多副边耦合变压器上都有对应的二次绕组。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过单片机的输入/输出引脚分别与电池信息监控模块、电池散热模块和均衡控制模块连接。

3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述电池模块由4～8节电池串联组成。

4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述电池散热模块由风扇和相应的电路组成，所述风扇用于对电池模块中的电池进行送风散热。

5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述电池信息监控模块由监测芯片和PWM串联组成，所述监测芯片包括电流传感器、电压传感器和温度传感器；所述电池模块中的每节电池上有监测芯片，所述监测芯片测得的数值通过PWM进行DC-DC转换，传输至MCU中央控制单元，继而控制电池散热模块和均衡控制模块。

6.根据权利要求5所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述电压传感器、电流传感器和PWM通过外接电路与电池模块中的每节电池并联，所述温度传感器贴在每节电池的外部，温度传感器连接在温度测量引脚上。

7.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述MCU中央控制单元通过红外发射器与电池信息监控模块连接，所述MCU中央控制单元通过红外发射器与均衡控制模块连接。

8.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述系统还包括高压动力母线，所述高压动力母线的正端与电池模块的正端相连，高压动力母线的负端与电池模块的负端相连。

9.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡控制管理系统，其特征在于：所述控制电路由若干个MOSFET管、若干个二极管、若干个三极管、若干个电容器以及若干个光耦继电器组成，所述电池模块中的每节电池正负极均连接一个MOSFET管，所述每个MOSFET管串联一个光耦继电器。

10.锂离子动力电池组均衡控制管理系统的均衡控制方法，其特征在于所述方法包括：在充电过程中，电池信息监控模块不断对单个电池的信息进行数据采集和转换，将得到的数据通过红外发射器反馈至MCU中央控制单元，当某节电池的电压偏离某区间值时，MCU中央控制单元通过控制K系列开关和光耦继电器对该节电池进行充放电；同时，多副边耦合变压器的每个逆变副边近似一个恒压源的均衡单元，给电池模块中的每节电池进行均衡，所有的副边均衡单元通过PWM控制器控制三极管的脉宽实现均衡充电特性的调节。