CN104600801A

CN104600801A - 一种串联电池组充放电均衡电路及均衡方法

Info

Publication number: CN104600801A
Application number: CN201510024047.6A
Authority: CN
Inventors: 荆延杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2015-05-06

Abstract

本发明适用于电气技术领域，提供了一种串联电池组充放电均衡电路及均衡方法，包括串联电池组、控制电路，还包括：由多个主路开关管构成的主路开关管组，各个主路开关管的输入端分别与串联电池组中各个单体电池的正极相连接，输出端分别与控制电路的电压检测端相连接，控制端分别与控制电路中输出脉冲调制信号、控制主路通断的主路控制端相连接，构成控制主路通断的回路；由多个旁路开关管构成的旁路开关管组，各个旁路开关管的输入端分别与串联电池组中各个单体电池的负极相连接，输出端分别与控制电路的电压检测端相连接，控制端分别与控制电路中输出脉冲调制信号、控制旁路通断的旁路控制端相连接，构成控制旁路通断的回路。

Description

一种串联电池组充放电均衡电路及均衡方法

技术领域

本发明属于电气技术领域，尤其涉及一种串联电池组充放电均衡电路及均衡方法。

背景技术

随着新能源产业的发展，可将多个单体电池串联组合成串联电池组，为相关产品进行供电，然而当单体电池成组使用时，由于各单体电池存在差异，容易发生个别单体电池过充与过放现象，从而影响整体串联电池组正常使用。因此，串联电池组的电池管理系统中，会通过主动均衡电路，将有差异的单体电池进行无差异化处理，也就是保持串联电池组中各单体电池的电能储量趋向一致。

然而，现有的串联电池组充放电均衡电路中，串联电池组各单体电池的充放电曲线差异，导致不能够最大化利用电能且降低了单体电池的使用寿命。其原因在于，在串联电池组充放电均衡电路中，通常是通过电容或者电感，将电能储量高的单体电池的电能转移到电能储量低的单体电池。然而，通过电容或者电感，会在电能转移过程中耗散掉多余的能量，因此不能够最大化利用电能，且结构较为复杂，而且功能较为单一，缺乏灵活性。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种串联电池组充放电均衡电路及均衡方法，旨在解决现有的串联电池组充放电均衡电路中，串联电池组各单体电池的充放电曲线差异，导致不能够最大化利用电能且降低了单体电池的使用寿命的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种串联电池组充放电均衡电路，外接提供电源或者用户设备，包括由多个单体电池串联组成的串联电池组、控制电路，所述控制电路与所述串联电池组相连接，所述串联电池组充放电均衡电路还包括：

由多个主路开关管构成的主路开关管组，各个所述主路开关管的输入端分别与所述串联电池组中各个单体电池的正极相连接，各个所述主路开关管的输出端分别与所述控制电路的电压检测端相连接，各个所述主路开关管的控制端分别与所述控制电路中输出脉冲调制信号、控制主路通断的主路控制端相连接，构成控制主路通断的回路；

由多个旁路开关管构成的旁路开关管组，各个所述旁路开关管的输入端分别与所述串联电池组中各个单体电池的负极相连接，各个所述旁路开关管的输出端分别与所述控制电路的电压检测端相连接，各个所述旁路开关管的控制端分别与所述控制电路中输出脉冲调制信号、控制旁路通断的旁路控制端相连接，构成控制旁路通断的回路。

进一步地，在该串联电池组充放电均衡电路中，所述主路开关管的输出端和所述旁路开关管的输出端共接于所述控制电路的电压检测端。

进一步地，在该串联电池组充放电均衡电路中，所述主路开关管和旁路开关管为NPN型三极管，所述NPN型三极管的集电极、发射极和基极分别为所述开关管的输入端、输出端和控制端。

进一步地，在该串联电池组充放电均衡电路中，所述主路开关管和旁路开关管为NMOS管，所述NMOS管漏极、源极和栅极分别为所述开关管的输入端、输出端和控制端。

进一步地，在该串联电池组充放电均衡电路中，所述串联电池组包括单体电池BT1、BT2、BT3、BT4，所述控制电路为微控制单元MCU，所述主路开关管包括NPN型三极管Q1、Q3、Q5、Q7，所述旁路开关管包括NPN型三极管Q2、Q4、Q6、Q8；

所述NPN型三极管Q1、Q3、Q5、Q7的输入端分别与所述串联电池组中单体电池BT1、BT2、BT3、BT4的正极相连接，输出端分别与所述MCU的电压检测端A1、A2、A3、A4相连接，控制端分别与所述MCU中输出脉冲调制信号、控制主路通断的主路控制端B1、B2、B3、B4相连接，构成控制主路通断的回路；

所述NPN型三极管Q2、Q4、Q6、Q8的输入端分别与所述串联电池组中单体电池BT1、BT2、BT3、BT4的负极相连接，输出端分别与所述MCU的电压检测端A1、A2、A3、A4相连接，控制端分别与所述MCU中输出脉冲调制信号、控制旁路通断的旁路控制端B1、B2、B3、B4相连接，构成控制旁路通断的回路。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于串联电池组充放电均衡电路的均衡方法，包括：

控制电路获取每个所述单体电池的实时电压；

控制电路根据每个所述单体电池的实时电压，生成每两个所述单体电池的电压差值；

控制电路根据所述电压差值，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组中的单体电池充放电趋于均衡。

在本实施例中，串联电池组充放电均衡电路包括主路开关管组和旁路开关管组，控制电路可输出脉冲调制信号、控制主路开关管组的主路开关管导通和截止，进而控制主路的通断，也可以输出脉冲调制信号、控制旁路开关管组中的旁路开关管导通和截止，进而控制旁路的通断。解决了现有的串联电池组充放电均衡电路中，串联电池组各单体电池的充放电曲线差异，导致不能够最大化利用电能且降低了单体电池的使用寿命的问题。消除了串联电池组中各个单体电池之间电压的差异，从而在串联电池组正常使用的情况下，既可以最大化利用电能，也可以提高单体电池的使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的串联电池组充放电均衡电路的结构框图；

图2是本发明实施例提供的串联电池组充放电均衡电路的电路图；

图3是本发明实施例提供的基于串联电池组充放电均衡电路的均衡方法的实现流程图；

图4是本发明实施例提供的均衡方法中步骤S303的实现流程图；

图5是本发明实施例提供的步骤S402的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参考图1，图1是本发明实施例提供的串联电池组100充放电均衡电路的结构框图，详述如下：

一种串联电池组100充放电均衡电路，外接提供电源或者用户设备，包括由多个单体电池串联组成的串联电池组100、控制电路200，所述控制电路200与所述串联电池组100相连接，所述串联电池组100充放电均衡电路还包括：

由多个主路开关管构成的主路开关管组300，各个所述主路开关管的输入端分别与所述串联电池组100中各个单体电池的正极相连接，各个所述主路开关管的输出端分别与所述控制电路200的电压检测端相连接，各个所述主路开关管的控制端分别与所述控制电路200中输出脉冲调制信号、控制主路通断的主路控制端相连接，构成控制主路通断的回路；

由多个旁路开关管构成的旁路开关管组400，各个所述旁路开关管的输入端分别与所述串联电池组100中各个单体电池的负极相连接，各个所述旁路开关管的输出端分别与所述控制电路200的电压检测端相连接，各个所述旁路开关管的控制端分别与所述控制电路200中输出脉冲调制信号、控制旁路通断的旁路控制端相连接，构成控制旁路通断的回路。

其工作原理如下：

获取的电压最高的单体电池，电压最高的单体电池的主路开关导通，旁路开关截止，充电电流从旁路开关流过，不经过电压最高的单体电池，充入电压最高的单体电池的电压减少。为了避免充电两端电压电流突变，MCU以脉冲调制方式(Pulse Width Modulation，PWM)，输出脉冲调制信号、控制主路开关导通，旁路开关截止，使单体电池BT1以脉冲方式充电，由于控制了PWM的占空比，等效于电压最高的单体电池，以低于其他电池的电压电流充电。

在本实施例中，可以通过同时控制其中的多组单体串联电池组100的旁路与否的多组PWM状态，实现输出电压的控制，可以实现输出的稳压和调压功能，理论上可以实现0～n个单体串联电池组100串联最高电压的调整，减少串联电池组100组后级稳压调压的电路，并且具有极高的效率，其中n为正整数。

在本实施例中，可以通过检测整体充电电压或者单体串联电池组100充电电压，控制开关管组状态，来实现对串联电池组100单体串联电池组100的充放电过压过放保护功能。

在本实施例中，可以通过检测充放电电流，控制开关管组状态，来实现对串联电池组100单体串联电池组100的充放电过流短路保护功能。对于单体串联电池组100电流的检测，至少可以有以下两种方式：

1.通过检测到的电压值，和串联电池组100单体串联电池组100内阻参数和开关管内阻参数，计算出电流值；

2.通过在干路增加采样电阻，检测采样电阻两端的电压。

在本实施例中，串联电池组100单体串联电池组100存在一定的故障率，当多个单体串联电池组100串并联时，可能会存在个别单体串联电池组100损坏导致整个串联电池组100组不能工作。该发明，可以判断出损坏的单体串联电池组100，将其设定为一直处于旁路状态，从而实现屏蔽故障单体串联电池组100的功能。

在本实施例中，解决了现有的串联电池组100充放电均衡电路中，串联电池组100各单体电池的充放电曲线差异，导致不能够最大化利用电能且降低了单体电池的使用寿命的问题。消除了串联电池组100中各个单体电池之间电压的差异，从而在串联电池组100正常使用的情况下，既可以最大化利用电能，也可以提高单体电池的使用寿命。

实施例二

参考图2，图2是本发明实施例提供的串联电池组100充放电均衡电路的电路图，详述如下：

其中，所述串联电池组100包括单体电池BT1、BT2、BT3、BT4，所述控制电路200为微控制单元MCU，所述主路开关管包括NPN型三极管Q1、Q3、Q5、Q7，所述旁路开关管包括NPN型三极管Q2、Q4、Q6、Q8；

所述NPN型三极管Q1、Q3、Q5、Q7的输入端分别与所述串联电池组100中单体电池BT1、BT2、BT3、BT4的正极相连接，输出端分别与所述MCU的电压检测端A1、A2、A3、A4相连接，控制端分别与所述MCU中输出脉冲调制信号、控制主路通断的主路控制端B1、B2、B3、B4相连接，构成控制主路通断的回路；

所述NPN型三极管Q2、Q4、Q6、Q8的输入端分别与所述串联电池组100 中单体电池BT1、BT2、BT3、BT4的负极相连接，输出端分别与所述MCU的电压检测端A1、A2、A3、A4相连接，控制端分别与所述MCU中输出脉冲调制信号、控制旁路通断的旁路控制端B1、B2、B3、B4相连接，构成控制旁路通断的回路。

其工作原理如下：

假设单体电池BT1电压最高，Q1断开Q2闭合，充电电流从旁路Q2流过，不经过BT1，充入BT1的电能减少。为了避免充电两端电压电流突变，MCU以脉冲调制方式(Pulse Width Modulation，PWM)，输出脉冲调制信号、控制Q1、Q2的导通和截止，使单体电池BT1以脉冲方式充电，由于控制了PWM的占空比，等效于单体电池BT1以低于其他电池的电压电流充电。

为便于说明，下面以放电均衡过程和充电均衡过程为例，详述如下：

放电均衡过程：

放电时，MCU检测单体电池BT1各点电压，可以得出每个单体电池的电压，根据每个单体电池的电压，控制Q1、Q2的导通和截止，来实现放电均衡。

假设BT1电压最低，Q1断开Q2闭合，放电电流从旁流流过，不经过BT1，BT1释放的电压减少。为了避免BT1两端电压突变导致输出电压突变，MCU控制Q1和Q2以PWM方式断开和闭合，使电池BT1以脉冲方式放电，控制PWM的占空比，等效于电池BT1以低于其他电池的电压电流放电。假设电池单体电池为U，总电压为U*X，该例中，同一时间片内的旁路单体为1，电压变化范围为U*(X-1)～U*X。在负载端，通过并联电容，来稳定输出电压，此外，因为PWM频率较高，输出电压脉动很小。

放电均衡过程：

采用轮流休息算法，根据单体数目和需要电压，采用灵活的算法，比如单体数目比较多时，可以多个单体同时休息。假设负载需要4个单体电池串联输出，串联电池组100布置5个单体电池，放电时，电压最低的电池，旁路，依靠其他4个单体电池供电，间歇检测电压，当电压最低的单体电池变化时，对应地改变休息的单体。

实施例三

参考图3，图3是本发明实施例提供的基于串联电池组100充放电均衡电路的均衡方法的实现流程图，详述如下：

在步骤S301中，控制电路200获取每个所述单体电池的实时电压；

其中，控制电路200获取实时温度；

当所述实时温度大于预设温度时，控制电路200每隔预设时间，获取每个所述单体电池的实时电压。

在步骤S302中，控制电路200根据每个所述单体电池的实时电压，生成每两个所述单体电池的电压差值；

在步骤S303中，控制电路200根据所述电压差值，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组100中的单体电池充放电趋于均衡。

控制电路200根据所述电压差值，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号，并调节脉冲调制信号的占空比，控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组100中的单体电池充放电趋于均衡。

在本实施例中，消除了串联电池组100中各个单体电池之间电压的差异，从而在串联电池组100正常使用的情况下，既可以最大化利用电能，也可以提高单体电池的使用寿命。

实施例四

参考图4，图4是本发明实施例提供的均衡方法中步骤S303的实现流程图，详述如下：

在步骤S401中，控制电路200根据所述电压差值，判断所述电压差值是否处于预设范围内；

在步骤S402中，当所述电压差值不处于预设范围时，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组100中的单体电池充放电趋于均衡。

实施例五

参考图5，图5是本发明实施例提供的步骤S402的实现流程图，详述如下：

在步骤S501中，当所述电压差值不处于预设范围时，根据所述实时电压的高低，选取实时电压高的所述单体电池；

在步骤S502中，断开实时电压高的所述单体电池所在的主路，并接通实时电压高的所述单体电池所在的旁路，直至所述串联电池组100中的单体电池充放电趋于均衡。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现。所述的程序可以存储于可读取存储介质中，所述的存储介质，如随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器、电可擦写可编程存储器、寄存器等。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种串联电池组充放电均衡电路，外接提供电源或者用户设备，包括由多个单体电池串联组成的串联电池组、控制电路，所述控制电路与所述串联电池组相连接，其特征在于，所述串联电池组充放电均衡电路还包括：

2.如权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述主路开关管的输出端和所述旁路开关管的输出端共接于所述控制电路的电压检测端。

3.如权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述主路开关管和旁路开关管为NPN型三极管，所述NPN型三极管的集电极、发射极和基极分别为所述开关管的输入端、输出端和控制端。

4.如权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述主路开关管和旁路开关管为NMOS管，所述NMOS管漏极、源极和栅极分别为所述开关管的输入端、输出端和控制端。

5.如权利要求1所述的串联电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述串联电池组包括单体电池BT1、BT2、BT3、BT4，所述控制电路为微控制单元MCU，所述主路开关管包括NPN型三极管Q1、Q3、Q5、Q7，所述旁路开关管包括NPN型三极管Q2、Q4、Q6、Q8；

6.一种基于权利要求1至5任意一项权利要求所述的串联电池组充放电均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括：

控制电路获取每个所述单体电池的实时电压；

7.如权利要求6所述的均衡方法，其特征在于，所述控制电路获取每个所述单体电池的实时电压，具体为：

控制电路每隔预设时间，获取每个所述单体电池的实时电压。

8.如权利要求7所述的均衡方法，其特征在于，所述控制电路每隔预设时间，获取每个所述单体电池的实时电压，具体为：

控制电路获取实时温度；

当所述实时温度大于预设温度时，控制电路每隔预设时间，获取每个所述单体电池的实时电压。

9.如权利要求6所述的均衡方法，其特征在于，控制电路根据所述电压差值，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组中的单体电池充放电趋于均衡，具体为：

所述控制电路根据所述电压差值，判断所述电压差值是否处于预设范围内；

当所述电压差值不处于预设范围时，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组中的单体电池充放电趋于均衡。

10.如权利要求9所述的均衡方法，其特征在于，所述当所述电压差值不处于预设范围时，向所述主路或者所述旁路输出脉冲调制信号、控制所述主路通断或者所述旁路通断，直至所述串联电池组中的单体电池充放电趋于均衡，具体为：

当所述电压差值不处于预设范围时，根据所述实时电压的高低，选取实时电压高的所述单体电池；

断开实时电压高的所述单体电池所在的主路，并接通实时电压高的所述单体电池所在的旁路，直至所述串联电池组中的单体电池充放电趋于均衡。