CN104242394A - 串联电池主动均衡电路及其均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的串联电池主动均衡电路，包括测量单元、数字控制单元、功率变换单元、电池组单元。本发明通过两个MOSFET的巧妙配合实现了低损耗均衡技术，延长使用寿命，由于隔离变换效率极高，从而使大电流均衡得以实现，通过双控互逆原理实现的双向均衡技术，可以实现电池组内任意单体电池与电池模块间直接双向能量转移，结构设计简单实用，可以支持多个电池组串联和级联，可扩展性极好。

Description

串联电池主动均衡电路及其均衡方法
技术领域
 本发明涉及一种电池均衡电路，特别涉及一种串联电池主动均衡电路及其均衡方法。
背景技术
单体锂离子动力电池电压一般比较低,在电动汽车上通常是串联使用的。由于各单体锂离子电池因制造工艺造成初始容量、电压、内阻等不完全相同，导致在使用过程中造成单体锂离子电池的过充电和过放电现象，严重时会导致个别单体锂离子电池提前老化、失效，动力锂离子电池组的电容量下降、工作寿命缩短，为了减小不平衡性对动力电池组的影响,充电过程中要使用均衡电路。
传统的电池组均衡方式主要可以分为两大类，分别是能量消耗型和非能量消耗型。能量消耗型均衡方式通常在每只单体电池上并联一个可控分流电阻。当电池电压达到或超过限制电压时，导通分流电阻回路，使流过单体电池的充电电流减小，从而使单体电池的电压维持限制值以内。由于流过电阻的电能最终以热能的形式得到了释放，因此称作能量消耗型均衡方式。能量消耗型均衡系统以其结构简单、控制方便、运行稳定性强等优点，在早期的低容量、低电压的电池组系统中得到了广泛应用。
但是随着电池技术的不断发展，对于目前的大容量、高电压等级的电池组系统，这种方法的能耗太大，显然是不可取的。非能量消耗型均衡系统，一般需要一个电压转换器，在主控制器检测到某单体电压偏高时，将电压偏高单体的能量通过变换器反馈到电压偏低的单体，均衡过程中能量被重新利用，从而达到电压和能量的均衡。
此外，传统的均衡方式大多数为过分依赖充电过程的被动均衡方式。即电池组在使用电池过程中若长时间不充电，单体电池之间便得不到均衡，电池单体间的不均衡差异便会越来越大，从而给下一次充电均衡造成很大负担，甚至数次充电仍达不到平衡效果。虽然现在一些新型的电池组均衡系统，它们对传统的能量消耗型被动均衡方式进行了一些改进，可以在充电、放电以及静态情况下进行均衡。但是传统均衡方法中存在的均衡效率低、均衡时间长、能耗高等问题依然没有得到解决。与被动均衡相对应，主动均衡不需借助充电过程，可以在任意状态下对电池组进行均衡控制，从理论上讲是低能耗，高效率的均衡方式。但是从目前主动均衡技术研究的现状分析，主动均衡方案由于涉及的元器件过多，实际结构复杂，系统的安全运行稳定性等问题依然很多，大多数均衡方案还处在理论研究阶段，并未得到实际应用。
发明内容
针对上述现有技术中的不足之处，本发明提供一种结构简单、稳定性高、低能耗、高效率的串联电池主动均衡电路。
    为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种串联电池主动均衡电路，包括测量单元、数字控制单元、功率变换单元、电池组单元，所述电池组单元负极接地，所述电池组单元包括若干个单体电池，单体电池两端均与测量单元相连，所述功率变换单元包括若干个MOSFET、变压器、检测电阻，所述MOSFET与检测电阻连接，所述MOSFET包括输入MOSFET与输出MOSFET，其中输入MOSFET与变压器输入反相端连接，输出MOSFET和变压器输出同相端相连，所述变压器输入同相端与电池组单元连接，所述数字控制单元与MOSFET栅极连接。
    作为优选，所述数字控制单元包括单片机（MCU）。
    作为优选，所述单片机（MCU）的PWM驱动电路与MSDFET栅极连接。
作为优选，所述与输入MOSFET连接的检测电阻的另一端接地。
    一种如上述的串联电池主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
1）通过测量单元测量到是放电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过升压方式补偿放电不平衡。
3）通过测量单元测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间。
2）通过测量单元测量到是充电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过降压方式给不足的电池充电进行充电不平衡补偿。
4）通过测量单元测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间。
通过以上技术方案可以看出，本发明结构简单、操作方便，均衡能量传输直接、均衡电流大、损耗功耗小，同时，延长电池组的工作寿命，适应性好，可靠性高，适宜推广应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图来进一步详细说明本发明。
    一种如图1所示的串联电池主动均衡电路，包括数字控制单元1、功率变换单元2、电池组单元3及测量单元4，所述电池组单元3负极接地，所述电池组单元3包括若干个单体电池，单体电池两端均与测量单元4相连，所述功率变换单元2包括若干个MOSFET（Q1、Q2、Q3、Q4...）、变压器、检测电阻（R1、R2、R3、R4...），所述MOSFET与检测电阻连接，所述MOSFET包括输入MOSFET(Q1、Q3)与输出MOSFET(Q2、Q4)，其中输入MOSFET(Q1、Q3)与变压器输入反相端连接，输出MOSFET(Q2、Q4)和变压器输出同相端相连，所述变压器输入同相端与电池组单元3连接，所述数字控制单元1与输入MOSFET(Q1、Q3)栅极连接。
    进一步的，所述数字控制单元1主要包括单片机（MCU）。
    进一步的，所述单片机（MCU）的PWM驱动电路与输入MSDFET（Q1、Q3）栅极连接。
进一步的，所述与输入MOSFET(Q1、Q3)连接的检测电阻（R1、R3）的另一端接地。
如上述的串联电池主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
1）通过测量单元4测量到是放电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过升压方式补偿放电不平衡。
3）通过测量单元4测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间。
2）通过测量单元4测量到是充电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过降压方式给不足的电池充电进行充电不平衡补偿。
4）通过测量单元4测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间。
具体如下：
  当测量单元4测量到是充电状态时，MCU连接PWM1信号控制输入MOSFET(Q1、Q3)的栅极，通过 PWM波，控制输入MOSFET(Q1、Q3)的占空比，从而使电路工作在降压同步模式，输入MOSFET（Q1、Q3）开关打开时间内变压器（T1、T3）存储能量，输入MOSFET（Q1、Q3）打开时间内MCU控制输出MOSFET(Q2、Q4)关闭，使输出回路无电流输出，输入MOSFET（Q1、Q3）开关关闭时，变压器（T1、T3）电压反向抬高，变压器的能量传入输出绕组，MCU控制输出MOSFET(Q2、Q4)打开，给电池进行充电，其他路同上叙述，为了进一步提高效率；根据单片机（MCU）的A/D数字采样的电池电压和输入输出电流，控制最大输出电流、最大输入电流，根据平均电压的最大误差电压，确定给那组充电充长时间。
    当测量单元4测试到电池方向为放电模式，功率变换单元为放电均衡模式，单片机（MCU）根据A/D数字采样的电池电压和输入输出电流，控制最大输出电流、最大输入电流，根据平均电压的最大误差电压，确定给那组电池放电，放电时间是多少。在这种模式下，单片机（MCU）根据检测结果选择让那一路电池做放电均衡，例如选择第一路电池做放电均衡，这时单片机（MCU）控制输入MOSFET(Q2)，单片机（MCU）发送PWM波，控制输入MOSFET(Q2)的占空比，从而使电路工作在升压同步模式，输入MOSFET(Q2)开关打开时间内变压器（T1）存储能量，输入MOSFET(Q2)打开时间内单片机（MCU）控制MOSFET(Q1)关闭，使输出回路无电流输出。当输入MOSFET(Q2)关闭时间内，变压器T1电压反向抬高，变压器的能量传入输出绕组，单片机（MCU）控制输入MOSFET(Q1)打开，给电池组进行充电，其他路同上所述。本发明通过两个MOSFET的巧妙配合实现了低损耗均衡技术，延长使用寿命，由于隔离变换效率极高，从而使大电流均衡得以实现，通过双控互逆原理实现的双向均衡技术，可以实现电池组内任意单体电池与电池模块间直接双向能量转移，结构设计简单实用，可以支持多个电池组串联和级联，可扩展性极好。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种串联电池主动均衡电路，其特征在于：包括数字控制单元、功率变换单元、电池组单元及测量单元，所述电池组单元负极接地，所述电池组单元包括若干个单体电池，单体电池两端均与测量单元相连，所述功率变换单元包括若干个MOSFET、变压器、检测电阻，所述MOSFET与检测电阻连接，所述MOSFET包括输入MOSFET与输出MOSFET，其中输入MOSFET与变压器输入反相端连接，输出MOSFET和变压器输出同相端相连，所述变压器输入同相端与电池组单元连接，所述数字控制单元与MOSFET栅极连接。
2.根据权利要求1所述的串联电池主动均衡电路，其特征在于：所述数字控制单元包括单片机（MCU）。
3. 根据权利要求2所述的串联电池主动均衡电路，其特征在于：所述单片机（MCU）的PWM驱动电路与MSDFET栅极连接。
4. 根据权利要求1所述的串联电池主动均衡电路，其特征在于：所述与输入MOSFET连接的检测电阻的另一端接地。
5. 一种如权利要求1-4中任意一条所述的串联电池主动均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过测量单元测量到是放电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过升压方式补偿放电不平衡；
2）通过测量单元测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间；
3）通过测量单元测量到是充电状态时，通过单片机（MCU）控制MOSFET做功率变换的储能变换，通过单片机（MCU）控制MOSFET功率变换电路的同步输出整流，通过降压方式给不足的电池充电进行充电不平衡补偿；
4）通过测量单元测量的电量差异和补偿周期，调整占空比，从而调整了补偿电流和时间。
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