CN104485703A - 一种锂离子储能电池电压均衡方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂离子储能电池电压均衡方法及其电路，其电路包括至少有第一单体电池和第二单体电池串联的电池组、电性连接各单体电池的电压采样电路、可控制电压采样电路及接收其反馈数据的DSP电路和由DSP电路控制的双向DC/DC变流电路，针对N节单体电池，双向DC/DC变流电路包括有N-1个均衡单元，均衡单元包括第一单体电池、第二单体电池、第一N-MOS型场效应管、第二N-MOS场效应管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感和电容。本发明电路结构简单易于实现，变流电路工作在较高的频率下，大大减小了电感的体积，且都为贴片元器件，体积小，容易集成与PCB电路中。双向能量流动控制，在锂离子电池组的充电或放电都可快速的实现电池的均衡。

Description

一种锂离子储能电池电压均衡方法及其电路

技术领域

本发明涉及锂离子储能电池技术领域，具体涉及一种锂离子储能电池电压均衡方法及其电路。

背景技术

锂离子单体工作电压为3.7V或3.2V，单体电压较低，为了满足储能系统电压和容量的要求，一般将电池单体串联起来。但由于锂离子单体在内阻、自放电率、荷电状态、端电压等方面存在个体差异，长时间运行会造成单体的容量不同，严重影响电池组的效率，因此对电池组各单体的容量均衡是保证电池组长期高效运行的关键技术。

现有技术中，锂离子容量均衡的方法主要有电阻消耗法、开关电容法、多绕组变压器法、开关电感法、多模块开关均衡法、DC/DC变流器法等。如公开号为CN102593888A的申请文件公开的蓄电池均衡充放电控制系统，每个蓄电池单体通过一个开关与电阻连接，当检测到某个蓄电池单体电压过高，CPU控制开关导通使它对电阻放电，这种结构放电速度快、简单、成本低，但缺点也很明显，能量消耗大，效率低。公开号为CN102496976A的申请文件公开的串联锂电池均衡充电装置，设计通过多绕组正激变压器转移单体电池过多能量的办法，每个电池单体通过MOSFET开关管与变压器一个绕组相连，当该电池单体电压过高，单片机控制MOSFET管开关工作，通过正激变换器将过高的能量转移到变换器与副边绕组相连的能量低的单体中，实现能量的转移。该均衡方法不消耗能量，但是也存在一些缺点，如设计多绕组正激变压器难度大，变压器原、副边通过磁耦合来传递能量，在实际应用中过多的副边绕组在无反馈控制下各自输出电压容易受到负载的影响，很难做到输出电压一致性，并且变压器体积和重量较大，不利于集成，难以得到实质应用。公开号为CN102201682A的申请文件公开的电池管理系统，其中的电池均衡模块采用了开关电感均衡法，两节电池与开关电感电路相连接，通过控制开关管T11、T12，在开关周期内对电感L的充电以及放电的方法来实现电池多余能量的转移。具体实现方法是，在开关周期中，开关导通时电池1向电感充电，电感储能，开关关断时，电感的能量通过二极管向电池2放电，该电路仅靠电感进行能量传递，并且只有在开关关断状态下才向负载输出电流，因此电路工作效率不高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种运用锂离子电池组双向DC/DC变流均衡法，电路拓扑机构简单易于集成、能耗小、工作效率高、可快速实现电池组电压均衡的电路及均衡方法。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明的一种锂离子储能电池电压均衡电路，包括至少有第一单体电池和第二单体电池串联的电池组、电性连接各单体电池的电压采样电路、可控制电压采样电路及接收其反馈数据的DSP电路和由DSP电路控制的双向DC/DC变流电路，针对N节单体电池，双向DC/DC变流电路包括有N-1个均衡单元，均衡单元包括第一单体电池、第二单体电池、第一N-MOS型场效应管、第二N-MOS场效应管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感和电容，第一单体电池的负极与第二单体电池的正极相连串接，第一单体电池的正极连接第一电感的一端，第一电感的另一端连接第一N-MOS型场效应管的漏极，第一N-MOS型场效应管的源极连接第一单体电池的负极，第二单体电池的负极连接第二电感的一端，第二电感的另一端连接第二场效应管的漏极，第二N-MOS型场效应管的源极连接第二单体电池的正极，第一二极管的负极和正极分别连接第一N-MOS型场效应管的源极和漏极，第二二极管的负极和正极分别连接第二N-MOS型场效应管的源极和漏极。电路结构简单容易实现，开关频率高，大大减小了储能元件电感、电容的体积，减小了PCB板的面积，容易模块化。采用上述均衡单元的双向DC/DC变流电路可实现双向电流流动控制，在锂电池组充电或放电都可快速的实现电池电压均衡。

所述均衡单元的电容，两端分别连接第一N-MOS型场效应管的漏极和第二N-MOS型场效应管的源极。电容C起储能，并且作为平波，保持输出电压的稳定。同时均衡单元通过电容C作为输入和输出电压隔离，抑制电磁干扰。

进一步，所述第一N-MOS型场效应管内部集成上述第一二极管，第二N-MOS场效应管内部集成上述第二二极管，电子元件体积更小，容易集成于PCB电路中。

一种锂离子储能电池电压均衡电路的均衡方法，应用于上述锂离子储能电池电压均衡电路，包括如下步骤：

步骤S1：电压采样电路实时监测电池组的各单体电池信息；

步骤S2：DSP电路根据电压采样电路采集的电池信息确定需均衡的单体电池，即比较相邻单体电池的电压。

步骤S3：DSP电路控制对需均衡的均衡单元进行处理，电压高的单体电池作为电路的输入，电压低的单体电池作为电路的输出，控制电流从输入流向输出，直至二者电压均衡；

步骤S4：重复步骤S1至步骤S3。

本方法实现双向能量流动控制，控制锂离子电池组的充电和放电从而快速实现电池组的均衡。

与现有的锂离子电池组均衡方法相比，本发明的优势体现在：

1.在开关管导通和关断期间，都有电流输出给负载，提高了电路的工作效率。

2.电容C起储能，并且作为平波，保持输出电压的稳定。同时通过电容C作为输入和输出电压隔离，抑制电磁干扰。

3.电路工作的输入、输出电流连续，减小了电感的纹波电流。

4.电路结构简单容易实现，开关频率高，大大减小了储能元件电感、电容的体积，减小了PCB板的面积，容易模块化。

5.双向电流流动控制，在锂电池组充电或放电都可快速的实现电池电压均衡。

附图说明

图1是本发明的锂离子储能电池电压均衡电路的原理示意图。

图2是本发明的锂离子储能电池电压均衡电路的构成示意图。

图3是本发明的均衡单元中双向DC/DC变流电路原理示意图。

图4是本发明实施例中的第一N-MOS型场效应管导通时的工作原理图。

图5是本发明实施例中的第二N-MOS型场效应管导通时的工作原理图。

图6是本发明的多节锂离子电池组均衡电路中双向DC/DC变流电路连接示意图。

具体实施方式

实施例

下面结合附图和实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

图1为本发明锂离子储能电池电压均衡电路的实施例的原理示意图，每相邻2节单体电池共用1个均衡电路，并且从单体电池的正负极引线与均衡电路相连接，因此N节电池有N-1个均衡电路。在串联电池组的充放电过程中，如果有的电池电压比其它电池高，与之相连的均衡电路开始工作，自动控制将电池多余的能量通过均衡电路旁路流入其它低压的电池中，最终实现锂离子电池组能量的均衡。

图2为本发明均衡电路实施例的构成示意图，所述的均衡电路包括电压采样电路、DSP电路、双向DC/DC变流电路。其中，电压采样电路与锂离子电池组的单体电池连接，实时采样单体电池的电压，并将信号传输到DSP电路处理。电压采样电路与DSP电路连接。DSP电路包括DSP控制器、DSP外围辅助电路。双向DC/DC变流电路与DSP电路连接，属于均衡电路的主电路，作为能量转移的通道。DSP电路采取定频率调整占空比的脉冲调制方式，控制双向DC/DC变流电路中的开关器件，实现输入输出能量的双向转移。DSP电路主要实现单体电池电压采样、变流换相控制、PWM控制三大功能。

图3是本发明实施例的均衡单元中双向DC/DC变流基本电路原理示意图，最小的均衡单元包括有每相邻两个单体电池和对应的均衡电路中双向DC/DC变流电路，具体包括第一单体电池BT1、第二单体电池BT2、第一N-MOS型场效应管Q1、第二N-MOS型场效应管Q2、第一二极管、第二二极管、第一电感L1和第二电感L2，第一单体电池BT1的负极与第二单体电池BT2的正极相连串接，第一单体电池BT1的正极连接第一电感L1的一端，第一电感L1的另一端连接第一N-MOS型场效应管Q1的漏极，第一N-MOS型场效应管Q1的源极连接第一单体电池BT1的负极，第二单体电池BT2的负极连接第二电感L2的一端，第二电感L2的另一端连接第二场效应管Q2的漏极，第二N-MOS型场效应管Q2的源极连接第二单体电池BT2的正极，第一二极管的负极和正极分别连接第一N-MOS型场效应管Q1的源极和漏极，第二二极管的负极和正极分别连接第二N-MOS型场效应管Q2的源极和漏极。

上述均衡单元的第二个实施例是还包括有电容C，电容C两端分别连接第一N-MOS型场效应管Q1的漏极和第二N-MOS型场效应管Q2的源极。

上述均衡单元的第三个实施例是所述第一N-MOS型场效应管Q1内部集成上述第一二极管，第二N-MOS场效应管Q2内部集成上述第二二极管。

本发明的工作原理如下：

在电池组的充放电过程中，由于锂离子电池的个体差异可能会造成第一单体电池BT1和第二单体电池BT2的工作电压不同，导致电池容量的差别。

双向DC/DC变流电路为双向Cuk电路，电路的两端分别与第一单体电池BT1和第二单体电池BT2相连接。能量的流动方向通过控制第一N-MOS型场效应管Q1或第二N-MOS型场效应管Q2确定。如果第一N-MOS型场效应管Q1Q1工作Q1，第二N-MOS型场效应管Q2不工作。第一单体电池BT1作为电路输入端，第二单体电池BT2作为电路输出端，电流从第一单体电池BT1流出，并流入到第二单体电池BT2，从而第二单体电池BT2电压将升高，第一单体BT1电压降下降，最终二者电压相等。反之，如果第二N-MOS型场效应管Q2工作，第一N-MOS型场效应管Q1不工作，那么能量将从第二单体电池BT2输出，转移输入到第一单体电池BT1中。

结合图4和图5,图4为本实施例的第一N-MOS型场效应管导通时的工作原理图；图5是本实施例中的第二N-MOS型场效应管导通时的工作原理图。

图4和图5是在一个开关周期中的工作原理图。第一N-MOS型场效应管Q1导通时(第二N-MOS型场效应管Q2关断)，如图4所示。第一单体电池BT1电压加在第一电感L1两端，第一电感L1储能，电流i1增大，同时电容C的能量向第二单体电池BT2、第二电感L2放电，第二电感L2储能，电流i2增大。第一N-MOS型场效应管Q1关断时(第二N-MOS型场效应管Q2内部的第二二极管导通)，如图5所示。第一单体电池BT1和第一电感L1一起向电容C充电，电流i1减小，同时第二电感L2向第二单体电池BT2放电，电流i2减小。一个开关周期内保持能量的守恒，输出电压与输入电压的变压比M为：

$M=\frac{D}{1-D}---\left(1\right)$

D为开关占空比，分析可见，一部分电流从第一单体电池BT1流出，并流入到第二单体电池BT2中，最终当它们的能量相等时，它们的电压相等。在第一N-MOS型场效应管Q1的导通、关断过程中，第二单体电池BT2均处于充电的状态，有效地利用了开关动作时间，提高了电路的效率。电容C起储能、平波，保持输出电压稳定，同时作为输入和输出的电压隔离，抑制电磁干扰的作用。

图6为本发明应用于多个单体电池串联的主电路结构图，3个单体电池串联，其中第一N-MOS型场效应管Q1、第二N-MOS型场效应管Q2，第一电感L1、第二电感L2,第一电容C1构成第一单体电池BT1、第二单体电池BT2能量的均衡单元，第三N-MOS型场效应管Q3、第四N-MOS型场效应管Q4，第三电感L3、第四电感L4，第二电容C2构成第二单体电池BT2、第三单体电池BT3能量的均衡单元，依次类推，对于N节串联单体电池，相邻两个单体电池共用一个均衡单元，那么需要N-1个均衡单元，即2×(N-1)个电感，2×(N-1)个开关管，(N-1)个电容。

本实施例的锂离子储能电池电压均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：

步骤S1：电压采样电路采集电池组的电池信息；

步骤S2：DSP电路根据电压采样电路采集的电池信息确定需均衡的单体电池；

步骤S3：DSP电路控制对需均衡的均衡单元进行处理，判断第一单体电池电压VBAT1和第二单体电池电压VBAT2，若VBAT1>VBAT2,则DSP电路输出g1信号驱动第一N-MOS型场效应管的栅极，若VBAT1<VBAT2,则DSP电路输出g2信号驱动第二N-MOS型场效应管的栅极；

步骤S4：DSP电路关闭均衡单元，同时控制电压采样电路对进行均衡处理的单体电池进行采样，根据采样的电池信息重新确定需均衡的单体电池，返回执行步骤S3，若所有单体电池均达到均衡状态则均衡电路停止工作或返回步骤S1；

上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种锂离子储能电池电压均衡电路，包括至少有第一单体电池和第二单体电池串联的电池组、电性连接电池组的电压采样电路、可控制电压采样电路及接收其反馈数据的DSP电路和由DSP电路控制的双向DC/DC变流电路，其特征在于：针对N节单体电池，双向DC/DC变流电路包括有N-1个均衡单元，均衡单元包括第一单体电池、第二单体电池、第一N-MOS型场效应管、第二N-MOS场效应管、第一二极管、第二二极管、第一电感、第二电感和电容，第一单体电池的负极与第二单体电池的正极相连串接，第一单体电池的正极连接第一电感的一端，第一电感的另一端连接第一N-MOS型场效应管的漏极，第一N-MOS型场效应管的源极连接第一单体电池的负极，第二单体电池的负极连接第二电感的一端，第二电感的另一端连接第二场效应管的漏极，第二N-MOS型场效应管的源极连接第二单体电池的正极，第一二极管的负极和正极分别连接第一N-MOS型场效应管的源极和漏极，第二二极管的负极和正极分别连接第二N-MOS型场效应管的源极和漏极，所述电容两端分别连接第一N-MOS型场效应管的漏极和第二N-MOS型场效应管的源极。

2.根据权利要求1所述的锂离子储能电池电压均衡电路，其特征在于：所述第一二极管集成在所述第一N-MOS型场效应管的内部，所述第二二极管集成在所述第二N-MOS场效应管内部。

3.一种锂离子储能电池电压均衡电路的均衡方法，锂离子储能电池电压均衡电路为权利要求1至2中任意一项所述的锂离子储能电池电压均衡电路，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：电压采样电路实时监测电池组的各单体电池信息；

步骤S2：DSP电路根据电压采样电路采集的电池信息确定需均衡的单体电池，即比较相邻单体电池的电压。

步骤S3：DSP电路控制对需均衡的均衡单元进行处理，电压高的单体电池作为电路的输入，电压低的单体电池作为电路的输出，控制电流从输入流向输出，直至二者电压均衡；

步骤S4：重复步骤S1至步骤S3。