CN104184187B - 一种电动汽车动力电池充放电均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车动力电池充放电均衡系统及方法，该系统包括双向均衡电路、电流采集放大电路、参考电压生成电路、比较电路、PWM调节控制电路和通道选择电路。本发明还提供一种电动汽车动力电池充放电均衡系统的均衡方法。本发明通过电流采集放大电路采集双向均衡电路的均衡电流并生成采样电压，与参考电压进行比较，调节输出PWM信号的占空比，实现电池单体充放电均衡电流的自动调节，使得电池单体在充电时，可以充入更多的能量，电池单体在放电时，可以尽量延长放电时间，使整个充放电过程中各电池单体电压都限制在合适的电压值范围内，确保充放电的安全性，实现对电池单体的保护以及电动汽车行驶里程的增加。

Description

一种电动汽车动力电池充放电均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及动力电池充放电均衡技术领域，具体是一种电动汽车动力电池充放电均衡系统及方法。

背景技术

锂电池由于具有较高的安全性、很好的循环性等优势而广泛作为各类电动汽车的动力电池。然而，锂电池在即将达到过充电电压上限值时，锂离子几乎完全从正极脱嵌到负极，电池端电压会快速上升，出现充电曲线的上翘现象，这样会导致电池很容易达到过充电保护电压。由于锂电池不具有水溶液电解质蓄电池中常有的过充电保护机制，一旦过充电，不仅正极由于锂离子脱嵌过多而发生结构不可逆变化，负极可能形成金属锂从表面析出，而且可能发生隔膜的分解反应等副反应，由此导致电池循环寿命的急速衰减。因此，动力电池的充电特性和充电控制是必须予以特别了解和重视的。

常规动力电池组的充电方式是先恒流后恒压，即在充电前期采用恒流方式进行充电，当电池组电压达到充电电压值时改为恒压充电，停止充电是以电池组中某个电池单体电压达到最大值作为判断条件，此时还有很多电池单体处于尚未充满的状态。在动力电池的放电过程中，由于电池特性的差异，某些电池单体电压下降较快，在动力电池组中电压最低的那个电池单体的电压下降到电池放电的最低允许值时，动力电池组停止放电，充电机对其充电后才能再次运行，此时还有很多电池单体处于可以放电的状态，由于电池的短板效应而导致整个动力电池组不能继续放电，影响了整个动力电池组的放电能力。

目前，常采用充放电均衡电路来解决上述问题。在进行充放电均衡时，通过检测电池单体的电压，对其进行低充高放，由于动力电池组的安时值比较大，当电池单体电压与正常值相差较大时，使用毫安级的小电流进行均衡，在充放电系统中几乎没有效果，在理想情况下，可以使用尽可能大（几安至几十安）的充放电电流来对电池单体进行充放电。由于均衡电路中电子元器件的限制及电路板空间和散热等因素，均衡电路也无法实现这样大的电流，比较理想且可实现的电流大约在几安左右，使用几安的电流来对电池单体进行充放电均衡时，当电池单体电压接近正常电压时，会出现电压波动而导致充放电产生振荡现象，此现象是由于电池单体电压接近正常值时，充电电流偏大的原因。此时可适当减小充放电电流，使电池单体电压平缓接近正常值。在不同的电压阶段采用不同的均衡电流对电池单体进行恒流充放电，当电池单体电压与正常电压值偏差较大时，采用较大的电流进行充放电，持续充放电过程中，电池单体与正常电压值的偏差逐渐减小，此时亦相应减小均衡电流，使电池单体电压平缓接近正常值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电动汽车动力电池充放电均衡系统及方法，能够给处于不同电压阶段的电池单体施加以不同的充放电均衡电流。

本发明的技术方案为：

一种电动汽车动力电池充放电均衡系统，包括用于对电池单体进行充放电均衡的双向均衡电路，还包括电流采集放大电路、参考电压生成电路、比较电路、PWM调节控制电路和通道选择电路；

所述电流采集放大电路，用于根据电池单体的充放电均衡电流，生成采样电压，并将采样电压放大后输入比较调节电路；

所述参考电压生成电路，用于根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压，生成参考电压，并将参考电压输入比较电路；

所述比较电路，用于将放大后的采样电压与参考电压进行比较，并将两者的比较结果输入PWM调节控制电路；

所述PWM调节控制电路，用于根据比较电路的比较结果，调节输出的PWM信号的占空比，并将PWM信号输入通道选择电路；

所述通道选择电路，用于对电池单体的充放电均衡通道进行选择，并根据选择结果将PWM信号加载到双向均衡电路相应的均衡控制端。

所述的电动汽车动力电池充放电均衡系统，所述双向均衡电路包括变压器、第一NMOS管、第二NMOS管、蓄电池和采样电阻，所述电流采集放大电路包括反相放大器、同相放大器、第一二极管和第二二极管，所述参考电压生成电路包括中央处理器、数模转换电路和电压跟随器，所述比较电路包括比较器，所述PWM调节控制电路包括第一线性光耦和PWM控制器，所述通道选择电路包括第二线性光耦、第一输出缓冲器、第二输出缓冲器和PNP三极管；

所述变压器的初级线圈的一端连接蓄电池的正极，通过蓄电池接地，另一端连接第一NMOS管的漏极，蓄电池的负极和第一NMOS管的源极接地；所述变压器的次级线圈的一端连接被选通电池单体的正极，另一端连接第二NMOS管的漏极，被选通电池单体的负极通过采样电阻接地，第二NMOS管的源极接地，第一NMOS管和第二NMOS管的漏极和源极之间均反相并联一个续流二极管；

所述反相放大器的同相输入端接地，其反相输入端连接到被选通电池单体与采样电阻之间的节点，其输出端连接第一二极管的阳极；所述同相放大器的同相输入端连接到被选通电池单体与采样电阻之间的节点，其反相输入端接地，其输出端连接第二二极管的阳极；所述第一二极管和第二二极管的阴极连接比较器的反相输入端；

所述中央处理器的输入端连接电池管理系统的输出端，中央处理器的输出端连接数模转换电路的输入端，数模转换电路的输出端通过电压跟随器连接比较器的同相输入端；所述比较器的输出端连接第一线性光耦的阴极，所述第一线性光耦的阳极连接到电源电压，其发射极接地，其集电极连接PWM控制器的脉冲宽度调节输入端；

所述第二线性光耦的阳极连接电池管理系统的使能控制端，其阴极和发射极接地，其集电极通过第一分压电阻连接到电源电压，PNP三极管的基极连接到第一分压电阻与第二线性光耦的集电极之间的节点，其发射极连接到电源电压，其集电极通过第二分压电阻接地；所述第一输出缓冲器的控制端连接到PNP三极管的集电极与第二分压电阻之间的节点，其输入端连接PWM控制器的输出端，其输出端连接第一NMOS管的栅极；所述第二输出缓冲器的控制端连接到第二线性光耦的集电极与第一分压电阻之间的节点，其输入端连接PWM控制器的输出端，其输出端连接第二NMOS管的栅极。

所述的一种电动汽车动力电池充放电均衡系统的均衡方法，包括以下步骤：

（1）在双向均衡电路对电池单体进行充放电均衡过程中，电流采集放大电路根据电池单体的充放电均衡电流生成采样电压，并将采样电压放大，参考电压生成电路根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压生成参考电压；

（2）比较电路将放大后的采样电压与参考电压进行比较，PWM调节控制电路根据两者的比较结果，调节输出的PWM信号的占空比；

（3）通道选择电路对电池单体的充放电均衡通道进行选择，并根据选择结果将PWM信号加载到双向均衡电路相应的均衡控制端。

所述的电动汽车动力电池充放电均衡系统的均衡方法，步骤（1）中，所述参考电压生成电路根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压生成参考电压，具体包括：

电池管理系统采集电池单体在充放电均衡过程中的实时电压，并将其发送给中央处理器；

中央处理器判断电池单体在充放电均衡过程中的实时电压所处的电压阶段，并根据该电压阶段对应的理想充放电均衡电流的预设值控制数模转换电路生成相应的参考电压。

由上述技术方案可知，本发明通过电流采集放大电路采集双向均衡电路的均衡电流并生成采样电压，与参考电压进行比较，调节输出PWM信号的占空比，实现电池单体充放电均衡电流的自动调节，使得电池单体在充电时，可以充入更多的能量，电池单体在放电时，可以尽量延长放电时间，使整个充放电过程中各电池单体电压都限制在合适的电压值范围内，确保充放电的安全性，实现对电池单体的保护以及电动汽车行驶里程的增加。

附图说明

图1是本发明具体实施例的结构示意图；

图2是本发明具体实施例的电流闭环调节电路结构示意图；

图3是本发明具体实施例的通道选择电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1～图3所示，一种电动汽车动力电池充放电均衡系统，包括双向均衡电路1、电流采集放大电路2、参考电压生成电路3、比较电路4、PWM调节控制电路5和通道选择电路6。

双向均衡电路1包括变压器T、第一NMOS管Q1、第二NMOS管Q2、蓄电池11、采样电阻R1；变压器T的初级线圈的一端连接蓄电池11的正极，另一端连接第一NMOS管Q1的漏极，蓄电池11的负极接地，第一NMOS管Q1的源极接地；变压器T的次级线圈的一端连接被选通电池单体12的正极，另一端连接第二NMOS管Q2的漏极，被选通电池单体12的负极通过采样电阻R1接地，第二NMOS管Q2的源极接地，第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的漏极和源极之间均反相并联一个续流二极管。

电流采集放大电路2包括反相放大器U1、同相放大器U2、第一二极管D1、第二二极管D2；反相放大器U1的同相输入端通过电阻R4接地，其反相输入端通过电阻R2连接到被选通电池单体12与采样电阻R1之间的节点，其输出端连接第一二极管D1的阳极，电阻R3的一端连接到电阻R2与反相放大器U1之间的节点，另一端连接到反相放大器U1与第一二极管D1之间的节点；同相放大器U2的同相输入端通过电阻R5连接到被选通电池单体12与采样电阻R1之间的节点，其反相输入端通过电阻R7接地，其输出端连接第二二极管D2的阳极，电阻R6的一端连接到电阻R7与同相放大器U2之间的节点，另一端连接到同相放大器U2与第二二极管D2之间的节点；反相放大器U1和同相放大器U2均为单电源供电。

参考电压生成电路3包括数模转换电路31、电阻R12、电压跟随器U4，数模转换电路31的输入端连接中央处理器的输出端，数模转换电路31的输出端通过电阻R12连接电压跟随器U4的同相输入端。

比较电路4包括比较器U3；第一二极管D1和二二极管D2的阴极通过电阻R8连接比较器U3的反相输入端，电压跟随器U4的反相输入端和输出端连接比较器U3的同相输入端，电阻R9的一端连接到第一二极管D1（或第二二极管D2）与电阻R8之间的节点，另一端接地，比较器U3的反相输入端和输出端之间串接有补偿电路，该补偿电路由串联的电容C2和电阻R13构成。

PWM调节控制电路5包括第一线性光耦PC1、PWM控制器U5、补偿电阻R11和补偿电容C1；第一线性光耦PC1的发光二极管的阴极通过电阻R10连接比较器U3的输出端，第一线性光耦PC1的发光二极管的阳极连接到电源电压V1，第一线性光耦PC1的光敏三极管的发射极接地（此处的“地”指的是PWM调节控制电路5的地），第一线性光耦PC1的集电极连接PWM控制器U5的脉冲宽度调节输入端，补偿电阻R11的一端连接到第一线性光耦PC1的光敏三极管的集电极与PWM控制器U5的脉冲宽度调节输入端之间的节点，另一端通过补偿电容C11接地。

通道选择电路6包括第二线性光耦PC2、第一输出缓冲器U6、第二输出缓冲器U7、PNP三极管Q3；第二线性光耦PC2的发光二极管的阳极连接电池管理系统的使能控制端EN，其发光二极管的阴极和光敏三极管的发射极接地，其光敏三极管的集电极通过第一分压电阻R15连接到电源电压V2；PNP三极管Q3的基极通过电阻R16连接到第一分压电阻R15与第二线性光耦PC2的光敏三极管的集电极之间的节点，PNP三极管Q3的发射极连接到电源电压V2，其集电极通过第二分压电阻R17接地；第一输出缓冲器U6的控制端连接到PNP三极管Q3的集电极与第二分压电阻R17之间的节点，其输入端连接PWM控制器U5的输出端，其输出端连接第一NMOS管Q1的栅极；第二输出缓冲器U7的控制端连接到第二线性光耦PC2的光敏三极管的集电极与第一分压电阻R15之间的节点，其输入端连接PWM控制器U5的输出端，其输出端连接第二NMOS管Q2的栅极。

本发明的工作原理：

PWM控制器U5输出控制信号PWMOUT，该信号加载到第一输出缓冲器U6和第二输出缓冲器U7的输入端，由通道选择电路6进行通道切换。通道切换原理如下：

当电池管理系统的使能控制端EN为高电平时，第二线性光耦PC2导通，第二输出缓冲器U7的信号使能引脚为低电平，PWM控制器U5输出的控制信号PWMOUT由第二输出缓冲器U7的输出端输出，记为PWM2；PNP三极管Q3的基极为低电平，PNP三极管Q3导通，第二分压电阻R17对地为高电平，第一输出缓冲器U6截止，PWM控制器U5输出的控制信号PWMOUT无法由第一输出缓冲器U6的输出端输出。反之，当电池管理系统的使能控制端EN为低电平时，第二线性光耦PC2截止，第二输出缓冲器U7的信号使能引脚为高电平，PWM控制器U5输出的控制信号PWMOUT无法由第二输出缓冲器U7的输出端输出；PNP三极管Q3的基极为高电平，PNP三极管Q3截止，第二分压电阻R17对地为低电平，第一输出缓冲器U6的信号使能引脚为低电平，PWM控制器U5输出的控制信号PWMOUT由第一输出缓冲器U6的输出端输出，记为PWM1。

动力电池组在正常工作或充电时，电池管理系统实时采集各电池单体的电压值，对于电压较高的电池单体，电池管理系统控制通道选择电路6切换到变压器T的次级线圈，将电压较高电池单体的能量转移到蓄电池11，对于电压较低的电池单体，电池管理系统控制通道选择电路6切换到变压器T的初级线圈，利用蓄电池11对电压较低的电池单体进行充电，具体工作过程如下：

变压器T为双向能量转换变压器，第一NMOS管Q1为初级驱动开关管、第二NMOS管Q2 为次级驱动开关管。PWM控制器U5输出的控制信号PWMOUT经过第一输出缓冲器U6及第二输出缓冲器U7分别产生控制信号PWM1和PWM2，分别加载到第一NMOS管Q1和第二NMOS管Q2的输入端。当PWM1信号通道工作时，有电流经蓄电池11正极、变压器T的初级线圈、第一NMOS管Q1到地，在变压器T的次级线圈产生感应能量，经第二NMOS管Q2内部的续流二极管形成续流回路，给被选通电池单体12进行充电。当PWM2信号通道工作时，有电流经被选通电池单体12正极、变压器T的次级线圈、第二NMOS管Q2到地，在变压器T的初级线圈产生感应能量，经第一NMOS管Q1内部的续流二极管形成续流回路，给蓄电池11进行充电。

在被选通电池单体12与地之间串联着一个电阻很小的采样电阻R1，当变压器T的初级线圈工作时，在次级线圈上有一个充电电流存在，当变压器T的次级线圈工作时，在次级线圈上有一个放电电流存在，因此，次级线圈在被选通电池单体12充电或放电过程中，在采样电阻R1上始终有一个电流流过，在充电和放电过程中，其方向不同，在电压上表现为正电压或负电压，该电压后端并接有一个反相放大器U1和同相放大器U2，其放大倍数由R2、R3、R6、R7决定，根据采样电阻R1阻值的不同，可以选择合适的放大倍数。当采样电压为正电压时，经同相放大器U2放大后，送到比较器U3的反相输入端，当采样电压为负电压时，经反相放大器U1放大后，送到比较器U3的反相输入端。

流过采样电阻R1的电流（也即充电电流或放电电流）由一个参考电压来控制，该参考电压由中央处理器根据被选通电池单体12的电压值来确定变压器T次级回路的充放电电流，最终控制数模转换电路31产生参考电压，不同的参考电压值对应不同的充放电电流值。参考电压经过电压跟随器U4加载到比较器U3的同相输入端，采样电压经过同相放大器U2或反相放大器U1放大后，加载到比较器U3的反相输入端，与参考电压相比较，得到一个输出控制量，改变第一线性光耦PC1的导通强度，从而改变PWM控制器U5的输出占空比，实现闭环调节。具体调节过程如下：

PWM控制器U5是一个PWM控制波形生成器， 其COMP端是脉冲宽度调节输入端，其内部有一个几千欧的上拉电阻为外部的第一线性光偶PC1提供电流通路，当第一线性光偶PC1的阻值发生变化时，流过第一线性光偶PC1的电流也发生相应的变化，通过电流的变化，来调节PWM控制器U5输出的PWMOUT信号占空比的变化。当参考电压为某一电压值时，若采样电压高于参考电压，则第一线性光耦PC1的发光二极管发光增强，光敏三极管的集电极电阻变小，流过光敏三极管的电流增加，PWM控制器U5输出的PWMOUT信号占空比相应减小,从而使第一NMOS管Q1或第二NMOS管Q2的导通时间变短；反之，若采样电压低于参考电压，则第一线性光耦PC1的发光二极管发光减弱，光敏三极管的集电极电阻变大，流过光敏三极管的电流减小，PWM控制器U5输出的PWMOUT信号占空比相应增加,从而使第一NMOS管Q1或第二NMOS管Q2的导通时间变长。

在能量转移过程中，电池管理系统实时采集被选通电池单体12的电压值，结合充放电曲线，根据被选通电池单体12电压值的变化施加以不同的充放电电流，实现动态电流均衡。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种电动汽车动力电池充放电均衡系统，包括用于对电池单体进行充放电均衡的双向均衡电路，其特征在于：还包括电流采集放大电路、参考电压生成电路、比较电路、PWM调节控制电路和通道选择电路；

所述电流采集放大电路，用于根据电池单体的充放电均衡电流，生成采样电压，并将采样电压放大后输入比较电路；

所述参考电压生成电路，用于根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压，生成参考电压，并将参考电压输入比较电路；

所述比较电路，用于将放大后的采样电压与参考电压进行比较，并将两者的比较结果输入PWM调节控制电路；

所述PWM调节控制电路，用于根据比较电路的比较结果，调节输出的PWM信号的占空比，并将PWM信号输入通道选择电路；

所述通道选择电路，用于对电池单体的充放电均衡通道进行选择，并根据选择结果将PWM信号加载到双向均衡电路相应的均衡控制端；

所述双向均衡电路包括变压器、第一NMOS管、第二NMOS管、蓄电池和采样电阻，所述电流采集放大电路包括反相放大器、同相放大器、第一二极管和第二二极管，所述参考电压生成电路包括中央处理器、数模转换电路和电压跟随器，所述比较电路包括比较器，所述PWM调节控制电路包括第一线性光耦和PWM控制器，所述通道选择电路包括第二线性光耦、第一输出缓冲器、第二输出缓冲器和PNP三极管；

所述变压器的初级线圈的一端连接蓄电池的正极，通过蓄电池接地，另一端连接第一NMOS管的漏极，蓄电池的负极和第一NMOS管的源极接地；所述变压器的次级线圈的一端连接被选通电池单体的正极，另一端连接第二NMOS管的漏极，被选通电池单体的负极通过采样电阻接地，第二NMOS管的源极接地，第一NMOS管和第二NMOS管的漏极和源极之间均反相并联一个续流二极管；

所述反相放大器的同相输入端接地，其反相输入端连接到被选通电池单体与采样电阻之间的节点，其输出端连接第一二极管的阳极；所述同相放大器的同相输入端连接到被选通电池单体与采样电阻之间的节点，其反相输入端接地，其输出端连接第二二极管的阳极；所述第一二极管和第二二极管的阴极连接比较器的反相输入端；

所述中央处理器的输入端连接电池管理系统的输出端，中央处理器的输出端连接数模转换电路的输入端，数模转换电路的输出端通过电压跟随器连接比较器的同相输入端；所述比较器的输出端连接第一线性光耦的阴极，所述第一线性光耦的阳极连接到电源电压，其发射极接地，其集电极连接PWM控制器的脉冲宽度调节输入端；

所述第二线性光耦的阳极连接电池管理系统的使能控制端，其阴极和发射极接地，其集电极通过第一分压电阻连接到电源电压，PNP三极管的基极连接到第一分压电阻与第二线性光耦的集电极之间的节点，其发射极连接到电源电压，其集电极通过第二分压电阻接地；所述第一输出缓冲器的控制端连接到PNP三极管的集电极与第二分压电阻之间的节点，其输入端连接PWM控制器的输出端，其输出端连接第一NMOS管的栅极；所述第二输出缓冲器的控制端连接到第二线性光耦的集电极与第一分压电阻之间的节点，其输入端连接PWM控制器的输出端，其输出端连接第二NMOS管的栅极。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车动力电池充放电均衡系统的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在双向均衡电路对电池单体进行充放电均衡过程中，电流采集放大电路根据电池单体的充放电均衡电流生成采样电压，并将采样电压放大，参考电压生成电路根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压生成参考电压；

（2）比较电路将放大后的采样电压与参考电压进行比较，PWM调节控制电路根据两者的比较结果，调节输出的PWM信号的占空比；

（3）通道选择电路对电池单体的充放电均衡通道进行选择，并根据选择结果将PWM信号加载到双向均衡电路相应的均衡控制端；

步骤（1）中，所述参考电压生成电路根据电池单体在充放电均衡过程中的实时电压生成参考电压，具体包括：

电池管理系统采集电池单体在充放电均衡过程中的实时电压，并将其发送给中央处理器；中央处理器判断电池单体在充放电均衡过程中的实时电压所处的电压阶段，并根据该电压阶段对应的理想充放电均衡电流的预设值控制数模转换电路生成相应的参考电压。