CN104201732A - 一种4节串联电池组双向充放电均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种4节串联电池组双向充放电均衡电路，均衡电路包括两组MOS管和四个储能电感；第一组MOS管的个数为3，分别为第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管,且通过漏极和源极依次连接起来；第二组MOS管的个数为3，分别为第四MOS管、第五MOS管且第六MOS管，且通过漏极和源极依次连接起来；所有前述MOS管的栅极用于与电池管理系统的控制电路连接，接受控制电路的控制信号；本发明电路结构巧妙，其应用能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和电站中蓄电池储能系统的成本。

Description

一种4节串联电池组双向充放电均衡电路

技术领域

本发明涉及一种串联电池组均衡技术，特别涉及一种用于混合动力电动汽车、纯电动汽车或蓄能电站的电池管理系统的4节串联电池组双向充放电均衡电路。

背景技术

串联电池在经过多个充放电循环后，各电池模块的剩余容量的分布大致会出现三种情况：个别电池模块的剩余容量偏高；个别电池模块的剩余容量偏低；个别电池模块的剩余容量偏高和个别电池模块的剩余容量偏低。

针对上述三种情况，国内外学者均提出了自己的解决方案。如针对情况个别电池模块剩余容量偏高的情况，有研究者提出了并联电阻分流法，它通过控制相应的开关将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡的过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法、同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采用了变压器，使得均衡电路的成本增加。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，由均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电。放电均衡是在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的单体电池补充能量来防止过放电。动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，它是在整个充放电过程中对电池组进行均衡，使得均衡电路的功能更加完善。

发明内容

本发明的目的是在串联电池组的电池管理系统中采用一种均衡电路（EQU）来保证电池组中的电池模块（可包含多个电池单体）在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的成本。

为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

一种4节串联电池组双向充放电均衡电路，串联电池组由4节电池模块组成，从串联电池组正端开始到负端截止，均衡电路包括两组MOS管和四个储能电感；第一组MOS管的个数为3，分别为第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管,且通过漏极和源极依次连接起来，第一MOS管的漏极连接电池组正端，第三MOS管的源极连接电池组负端；第二组MOS管的个数为3，分别为第四MOS管、第五MOS管且第六MOS管，且通过漏极和源极依次连接起来，第四MOS管的漏极连接电池组正端，第六MOS管的源极连接电池组负端；所有前述MOS管的栅极用于与电池管理系统的控制电路连接，接受控制电路的控制信号；储能电感第一端为a端，第二端为b端；第一电池模块的负极与第二电池模块的正极连接点处连接第一储能电感的a端，第一储能电感的b端连接第一MOS管的源极、第二MOS管的漏极，第二电池模块的负极与第三电池模块的正极的连接点处连接第二储能电感的a端和第三储能电感的a端，其中第二储能电感的b端连接第二MOS管的源极第三MOS管的漏极，第三储能电感的b端连接第五MOS管的漏极、第六MOS管的源极，第三电池模块的负极与第四电池模块的正极的连接点处连接第四储能电感的a端，第四储能电感的b端连接第六MOS管的漏极第五MOS管的源极；控制电路通过控制各MOS管的闭合与断开来实现均衡电路的功能。

进一步优选的，所述电池模块包含两个以上电池单体，电池单体是铅酸电池或锂离子电池。

进一步优选的，所述控制电路控制信号的频率的大小为10khz-20khz。

进一步优选的，所述控制电路控制信号的占空比满足储能电感在每个信号周期内复位，即一个周期内储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明电路结构巧妙，在串联电池组电池管理系统中采用上述电池均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和电站中蓄电池储能系统的成本。

附图说明

图1是4节电池模块串联的均衡电路原理图。

图2a是对B2进行放电均衡过程中B2放电的电路原理图。

图2b是对B2进行放电均衡过程中B1、B3、B4充电的电路原理图。

图2c是对B2进行充电均衡过程中B1、B3、B4放电的电路原理图。

图2d是对B2进行充电均衡过程中B2充电的电路原理图。

图3a是对B2进行放电均衡过程的仿真结果图。

图3b是对B2进行充电均衡过程的仿真结果图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的目的和效果，下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但本发明的实施不限于此，以下若有未特别详细说明的内容，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

图1中所示为四节电池模块串联的均衡电路原理图，串联电池组由4节电池模块（B₁、B₂、B₃、B₄）组成，从串联电池组正端VCC开始到负端GND截止，均衡电路包括两组MOS管和四个储能电感；第一组MOS管的个数为3，分别为第一MOS管S1、第二MOS管S2和第三MOS管S12,且通过漏极和源极依次连接起来，第一MOS管S1的漏极连接电池组正端VCC，第三MOS管S12的源极连接电池组负端GND；第二组MOS管的个数为3，分别为第四MOS管S34、第五MOS管S3且第六MOS管S4，且通过漏极和源极依次连接起来，第四MOS管S34的漏极连接电池组正端VCC，第六MOS管S4的源极连接电池组负端GND；所有前述MOS管的栅极用于与电池管理系统的控制电路连接，接受控制电路的控制信号；储能电感第一端为a端，第二端为b端；第一电池模块B1的负极与第二电池模块B2的正极连接点处连接第一储能电感L12的a端，第一储能电感的b端连接第一MOS管S1的源极、第二MOS管S2的漏极，第二电池模块B2的负极与第三电池模块B3的正极的连接点处连接第二储能电感L2的a端和第三储能电感L3的a端，其中第二储能电感的b端连接第二MOS管S2的源极第三MOS管S12的漏极，第三储能电感的b端连接第五MOS管S3的漏极、第六MOS管S4的源极，第三电池模块B3的负极与第四电池模块B4的正极的连接点处连接第四储能电感L34的a端，第四储能电感的b端连接第六MOS管S4的漏极第五MOS管S3的源极；控制电路通过控制各MOS管的闭合与断开来实现均衡电路的功能。

在对电池组充电过程中，当第一电池模块B1的能量过高时，为防止其过充电，需要对第一电池模块B1进行放电均衡，控制电路控制第一MOS管S1闭合，此时，第一电池模块B1、第一MOS管S1、第一储能电感L12形成闭合回路，第一电池模块B1对第一储能电感L12充电，当第一MOS管S1闭合时间达到预设值时，断开第一MOS管S1，此时第一储能电感L12、电池模块（B2、B3、B4）及MOS管（S2、S12）形成闭合回路，第一储能电感L12为二电池模块（B2、B3、B4）充电，实现能量从第一电池模块B1到第二电池模块B2、B3、B4的转移；在电池组放电过程中，当第一电池模块B1能量过低时，为防止其过放电，需要对第一电池模块B1进行充电均衡，控制电路控制MOS管（S2、S12）闭合，此时第一储能电感L12、电池模块（B2、B3、B4）及MOS管（S2、S12）形成闭合回路，电池模块（B2、B3、B4）为第一储能电感L12充电，当MOS管（S2、S12）闭合时间到达预设值时，断开MOS管（S2、S12），此时，通过第一MOS管S1的续流二极管，第一电池模块B₁、第一MOS管S1、第一储能电感L12形成闭合回路，储能电感为第一电池模块B₁充电，实现了能量从电池模块（B2、B3、B4）到第一电池模块B1的转移。

图2a、2b以编号为2的第二电池模块B₂为例（对于其他电池模块也类似，不再赘述），在充电过程中，当第二电池模块B₂中的能量明显高于其余电池模块时，对第二电池模块B₂进行放电均衡的原理图。图2c、2d以编号为2的第二电池模块B₂为例，在放电过程中，当第二电池模块B₂中的能量明显低于其余电池模块时，对第二电池模块B₂进行充电均衡的原理图。

在对电池组充电过程中，当第二电池模块B₂的能量过高时，为防止其过充电，需要对第二电池模块B₂进行放电均衡，图2a中，控制电路控制与第二电池模块B₂并联的第二MOS管S2闭合，此时，第二电池模块B₂、第一储能电感L12、第二MOS管S2、第二储能电感L2形成闭合回路，第二电池模块B₂对储能电感（L₁₂、L₂电流方向如图2a所示进行充电，电流方向如图2a所示，第一储能电感L12、第二储能电感L2进行储能。当第二MOS管S2闭合时间达到预设时间值时，断开第二MOS管S2，此时电路中电流变化如图2b所示，通过第一MOS管S1的体二极管，第一储能电感L12、第一MOS管S1、第一电池模块B1形成闭合回路，第一储能电感L12对第一电池模块B1充电，实现能量从第二电池模块B₂到第一电池模块B₁的转移。通过第三MOS管S12的体二极管，第二储能电感L2、第三电池模块B₃、第四电池模块B₄、第三MOS管S12形成闭合回路，第二储能电感L2对第三电池模块B₃、第四电池模块B₄充电，实现能量从第二电池模块B₂到第三电池模块B₃、第四电池模块B₄的转移，整个过程实现了能量从第二电池模块B₂到电池组剩余电池模块（B₁、B₃、B₄）的转移。

在对电池组进行放电过程中，当第二电池模块B₂的能量过低时，为防止其过放电，需要对第二电池模块B₂进行充电均衡，图2c中，控制电路控制与第二电池模块B₂并联的第二MOS管S2断开， 第一MOS管S1、第三MOS管S12闭合，第一储能电感L12、第一MOS管S1、第一电池模块B₁形成闭合回路,第一电池模块B₁对第一储能电感L12充电，第二储能电感L2、第三电池模块B₃、第四电池模块B₄、第三MOS管S12形成闭合回路，第三电池模块B₃、第四电池模块B₄对第二储能电感L2充电，电流方向如图2c所示，第一储能电感L12、第二储能电感L2储能。当第一MOS管S1、第三MOS管S12闭合时间达到预先设定时间值时，第一MOS管S1、第三MOS管S12断开，此时电路中电流方向如图2d所示，通过与第二电池模块B₂并联的第二MOS管S2的体二极管，第一储能电感L12、第二电池模块B₂、第二储能电感L2、与第二电池模块B₂并联的第二MOS管S2形成闭合回路，第一储能电感L12、第二储能电感L2同时为第二电池模块B2充电，实现了能量从电池模块（B₁、B₃、B₄）到第二电池模块B2的转移。

对于B₂的整个充放电均衡过程，最终实现了能量从第二电池模块B₂转移到电池组其余所有剩余电池模块或者能量从其余所有剩余电池模块转移到第二电池模块B2，实现了对第二电池模块B₂双向快速均衡的目的。

在对电池组充电过程中，当第三电池模块B₃的能量过高时，为防止其过充电，需要对第三电池模块B₃进行放电均衡，控制电路控制第五MOS管S3闭合，此时，第三电池模块B₃、第五MOS管S3及储能电感（L34、L3）形成闭合回路，第三电池模块B₃对储能电感（L34、L3）充电，当第五MOS管S3闭合时间达到预设值时，断开第五MOS管S3，此时通过第六MOS管S4的体二极管，第四储能电感L34、第四电池模块B₄、第六MOS管S4形成闭合回路，第四储能电感L34为第四电池模块B₄充电，通过第四MOS管S34的体二极管，第三储能电感L3、电池模块（B₁和B2）、第四MOS管S34形成闭合回路，第三储能电感L3为电池模块（B1、B2）充电，实现能量从B3到剩余电池模块（B₁、B2、B4）的转移；在电池组放电过程中，当第三电池模块B₃能量过低时，为防止其过放电，需要对第三电池模块B₃进行充电均衡，控制电路控制MOS管（S4、S34）闭合，此时第四储能电感L34、第四电池模块B₄、第六MOS管S4形成闭合回路，第四电池模块B₄为第四储能电感L34充电，第三储能电感L3、第一电池模块B₁和B2、第四MOS管S34形成闭合回路，第一电池模块B₁、B2为第三储能电感L3充电，当MOS管（S4、S34）闭合时间达到预设值时，通过第五MOS管S3的体二极管，第三电池模块B₃、第五MOS管S3及储能电感（L34、L3）形成闭合回路，储能电感（L34、L3）对第三电池模块B3充电，实现能量从电池模块（B₁、B2、B4）到第三电池模块B₃的转移。

在对电池组充电过程中，当第四电池模块B₄的能量过高时，为防止其过充电，需要对第四电池模块B₄进行放电均衡，控制电路控制第六MOS管S4闭合，此时，第四电池模块B₄、第六MOS管S4、第四储能电感L34形成闭合回路，第四电池模块B₄对第四储能电感L34充电，当第六MOS管S4闭合时间达到预设值时，断开第六MOS管S4，此时通过MOS管（S34、S3）的体二极管，第四储能电感L34、电池模块（B₁、B2、B3）及MOS管（S3、S34）形成闭合回路，L34为电池模块（B₁、B2、B3）充电，实现能量从第四电池模块B₄到电池模块（B₁、B2、B3）的转移；在电池组放电过程中，当第四电池模块B₄能量过低时，为防止其过放电，需要对第四电池模块B₄进行充电均衡，控制电路控制MOS管（S3、S34）闭合，此时第四储能电感L34、电池模块（B₁、B2、B3）及MOS管（S3、S34）形成闭合回路，电池模块（B₁、B2、B3）为第四储能电感L34充电，当闭合时间到达预设值时，断开MOS管（S3、S34），此时，通过第六MOS管S4的体二极管，第四电池模块B₄、第六MOS管S4、第四储能电感L34形成闭合回路，第四储能电感L34为第一电池模块B₁充电，实现了能量从电池模块（B₁、B2、B3）到第二电池模块B₂的转移。

如上即可较好实现本发明并取得本发明前述技术效果。

Claims (4)

1.一种4节串联电池组双向充放电均衡电路，串联电池组由4节电池模块（B₁、B₂、B₃、B₄）组成，其特征在于从串联电池组正端（VCC）开始到负端（GND）截止，均衡电路包括两组MOS管和四个储能电感；第一组MOS管的个数为3，分别为第一MOS管（S1）、第二MOS管（S2）和第三MOS管（S12）,且通过漏极和源极依次连接起来，第一MOS管（S1）的漏极连接电池组正端（VCC），第三MOS管（S12）的源极连接电池组负端（GND）；第二组MOS管的个数为3，分别为第四MOS管（S34）、第五MOS管（S3）且第六MOS管（S4），且通过漏极和源极依次连接起来，第四MOS管（S34）的漏极连接电池组正端（VCC），第六MOS管（S4）的源极连接电池组负端（GND）；所有前述MOS管的栅极用于与电池管理系统的控制电路连接，接受控制电路的控制信号；储能电感第一端为a端，第二端为b端；第一电池模块（B1）的负极与第二电池模块（B2）的正极连接点处连接第一储能电感（L12）的a端，第一储能电感的b端连接第一MOS管（S1）的源极、第二MOS管（S2）的漏极，第二电池模块（B2）的负极与第三电池模块（B3）的正极的连接点处连接第二储能电感（L2）的a端和第三储能电感（L3）的a端，其中第二储能电感的b端连接第二MOS管（S2）的源极第三MOS管（S12）的漏极，第三储能电感的b端连接第五MOS管（S3）的漏极、第六MOS管（S4）的源极，第三电池模块（B3）的负极与第四电池模块（B4）的正极的连接点处连接第四储能电感（L34）的a端，第四储能电感的b端连接第六MOS管（S4）的漏极第五MOS管（S3）的源极；控制电路通过控制各MOS管的闭合与断开来实现均衡电路的功能。

2.据权利要求1所述的一种4节串联电池组双向充放电均衡电路，其特征在于，所述电池模块包含两个以上电池单体，电池单体是铅酸电池或锂离子电池。

3.根据权利要求1所述的串联电池组双向充放电均衡电路，其特征在于，所述控制电路控制信号的频率的大小为10khz-20khz。

4.根据权利要求3所述的一种4节串联电池组双向充放电均衡电路，其特征在于，所述控制电路控制信号的占空比满足储能电感在每个信号周期内复位，即一个周期内储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。