CN104852423B - 一种充电均衡控制电路、电池组充电管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种充电均衡控制电路、电池组充电管理系统及方法，电池组中的每个单体电池均并联一个第一电压转移电路，第一电压转移电路由一个MOSFET、一个电感和一个二极管组成，其中MOSFET的源极分别与二极管的负极和电感的一端电连接；第二电压转移电路由一个MOSFET、一个电容和一个电感和一个二极管组成；与各单体电池并联的第一电压转移电路中的各二极管的正极相互连通后与第二电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，第二电压转移电路中的二极管的负极、电容的正极分别与电池组的两端电连接。本发明能对电池电压、电流进行精确地控制，并可保证单体电池电压的精确一致。
Description
技术领域
本发明属于电池充电领域，具体涉及一种充电均衡控制电路、电池组充电管理系统及方法。
背景技术
通常，电池组由多个单体电池串联而成，电池之间容量的不均衡会影响整个电池组的性能。目前存在的电池组充电管理系统通常只有保护装置，而没有电压均衡装置，当某个单体电池的容量与其它电池的容量不均衡时会影响整个电池组的性能。在电池组充电时，如果电池组中某个电池达到满充状态，则整个电池组被停止充电，而其它单体电池有可能还没达到满充状态，这样，整个电池组就没有达到最大容量。在电池组放电时，如果某电池电压达到关断电压时，整个电池组便会停止放电，而此时其它电池有可能还有剩余容量，这样就会使整个电池组放电不彻底。经过多个充/放电周期后，容量最小的电池将比其它电池性能衰减的更快，进而使整个电池组的性能不断降低，久而久之，整个电池组不仅满足不了储能要求，而且还会严重缩短整个电池组的使用寿命。
为使电池组实现最好的性能，即当电池组充电时，每节电池都能充满，当电池组放电时，每节电池都能恰好达到关断电压。这样就要求有离子电池组充电管理系统对每节单体电池的电压、电流进行精确地控制，从而保证每节电池电压的精确一致。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种充电均衡控制电路、电池组充电管理系统及方法，既能确保各单体电池容量的满充，实现电池组蓄能的最大化，又可延长电池组的使用寿命，能在充电时，对电池电压、电流进行精确地控制，并可保证单体电池电压的精确一致。
为了实现上述目的，本发明提供一种充电均衡控制电路，包括由多节单体电池串联组成的电池组、多个第一电压转移电路和一个第二电压转移电路，所述电池组中的每个单体电池均并联一个第一电压转移电路，所述单体电池的正极与第一电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，所述单体电池的负极与第一电压转移电路中电感的一端电连接；
所述第一电压转移电路由一个MOSFET、一个电感和一个二极管组成，其中MOSFET的源极分别与二极管的负极和电感的一端电连接；
所述第二电压转移电路由一个MOSFET、一个电容和一个电感和一个二极管组成，其中电容的负极与MOSFET的漏极电连接，MOSFET的源极分别与电感的一端和二极管的正极电连接，电感的另一端与电容的正极电连接；
与各单体电池并联的第一电压转移电路中的各二极管的正极相互连通后与第二电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，第二电压转移电路中的二极管的负极、电容的正极分别与电池组的的两端电连接。
一种电池组充电管理系统，包括由多节单体电池串联组成的电池组和与其电连接的用于对其进行充电的电源，
电池电压检测电路，用于检测电池组中各单体电池的单体电压和电池组的总电压；
智能控制电路，用于接收电池电压检测电路的检测数据，并能根据电池组的充电状态来输出控制信号；
充电均衡控制电路，用于接收智能控制电路的控制信号，从而实现电池组内单体电池之间电量的转移；
其中电池组、电池电压检测电路、智能控制电路和充电均衡控制电路依次电连接；
其中充电均衡控制电路中所有MOSFET的栅极均与智能控制电路的控制端口电连接。
所述智能控制电路采用TMS320F28335芯片。
所述电池电压检测电路主要由设置在各单体电池上的电压传感器、设置在电池组两端的电压传感器相连组成。
一种电池组充电管理系统对电池组充电的方法，包括以下步骤：
(1)电池电压检测电路检测出第i节电池Bi的单体电压VBi和电池组的平均电压Vave，并将检测数据传输给智能控制电路；
(2)智能控制电路对Vave和VBi进行比较，当VBi>Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi开通，第i节电池Bi的多余电量会转移到与第i节电池对应的电感Li上；当VBi≦Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi关断，电感Li，第i+1节电池Bi+1、第i+2节电池Bi+2至最后一节电池Bn、第二电压转移电路中的电容Cr和与第i节电池对应的二极管Di构成放电回路，电感Li上的多余电量经Li→Bi+1…Bn→Cr→Di→Li转移到下游的电池和第二电压转移电路中的电容Cr上；
(3)当电容Cr上的电压超过设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFET Qr开通，电容Cr上的电量会转移到第二电压转移电路中的电感Lr上；当电容Cr上的电压不大于设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFET Qr关断，电感Lr上的电量通过第二电压转移电路中的二极管Dr反馈到主回路中，从而实现了能量的均衡。
本发明中电池电压检测电路检测电池组中各单体电池的电压和电池组的总电压，并将检测结果实时送入智能控制电路，智能控制电路根据当前电池组中各单体电池的充电情况，通过调整充电均衡控制电路的给定信号，实现充电均衡控制电路工作状态的调整，从而实现了电池组内电量的相互转移，完成对电池组充电全过程的均衡控制，能在充电时，对电池电压、电流进行精确地控制，并可保证单体电池电压的精确一致，这样就有效地确保了各单体电池容量的满充，既能实现电池组蓄能的最大化，又可延长电池组的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明中充电均衡控制电路的原理图；
图3是a组仿真结果图；
图4是b组仿真结果图；
图5是c组仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图2所示，图2为三节电池串联组成的电池组，一种充电均衡控制电路，包括由多节单体电池串联组成的电池组、多个第一电压转移电路和一个第二电压转移电路，所述电池组中的每个单体电池均并联一个第一电压转移电路，所述单体电池的正极与第一电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，所述单体电池的负极与第一电压转移电路中电感的一端电连接；
所述第一电压转移电路由一个MOSFET、一个电感和一个二极管组成，其中MOSFET的源极分别与二极管的负极和电感的一端电连接；
所述第二电压转移电路由一个MOSFET、一个电容和一个电感和一个二极管组成，其中电容的负极与MOSFET的漏极电连接，MOSFET的源极分别与电感的一端和二极管的正极电连接，电感的另一端与电容的正极电连接；
与各单体电池并联的第一电压转移电路中的各二极管的正极相互连通后与第二电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，第二电压转移电路中的二极管的负极、电容的正极分别与电池组的的两端电连接。
如图1所示，一种电池组充电管理系统，包括由多节单体电池串联组成的电池组和与其电连接的用于对其进行充电的电源，
电池电压检测电路，用于检测电池组中各单体电池的单体电压和电池组的总电压；
智能控制电路，用于接收电池电压检测电路的检测数据，并能根据电池组的充电状态来输出控制信号；
充电均衡控制电路，用于接收智能控制电路的控制信号，从而实现电池组内单体电池之间电量的转移；
其中电池组、电池电压检测电路、智能控制电路和充电均衡控制电路依次电连接；
其中充电均衡控制电路中所有MOSFET的栅极均与智能控制电路的控制端口电连接。
所述智能控制电路采用TMS320F28335芯片。
所述电池电压检测电路主要由设置在各单体电池上的电压传感器、设置在电池组两端的电压传感器相连组成。
一种电池组充电管理系统对电池组充电的方法，包括以下步骤：
(1)电池电压检测电路检测出第i节电池Bi的单体电压VBi和电池组的平均电压Vave，并将检测数据传输给智能控制电路；
(2)智能控制电路对Vave和VBi进行比较，当VBi>Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi开通，第i节电池Bi的多余电量会转移到与第i节电池对应的电感Li上；当VBi≦Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi关断，电感Li，第i+1节电池Bi+1、第i+2节电池Bi+2至最后一节电池Bn、第二电压转移电路中的电容Cr和与第i节电池对应的二极管Di构成放电回路，电感Li上的多余电量经Li→Bi+1…Bn→Cr→Di→Li转移到下游的电池和第二电压转移电路中的电容Cr上；
(3)当电容Cr上的电压超过设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFET Qr开通，电容Cr上的电量会转移到第二电压转移电路中的电感Lr上；当电容Cr上的电压不大于设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFET Qr关断，电感Lr上的电量通过第二电压转移电路中的二极管Dr反馈到主回路中，从而实现了能量的均衡。
该充电均衡控制电路是基于buck－boost变换的小型均衡电路，其中的电力功率器件MOSFET由智能控制电路即TMS320F28335芯片电路(DSP控制电路)输出的PWM控制信号控制，从而实现电池组内电量的相互转移，完成电池组控制电路电压均衡功能。
充电均衡控制电路工作原理分析：
设VBi为第i节电池的电压，Vave为电池组的平均电压。若VBi>Vave，开通Qi，此时Bi→Qi→Li构成回路，Bi上多余的电量将转移到Li上；若VBi≦Vave，关断Qi，此时Li→Bi+1…Bn→Cr→Di→Li构成回路，Li上的电量便转移到了后级电池以及Cr上。当Cr上的电压超过预设值时，开通Qr，此时Cr→Qr→Lr构成回路，Cr上多余的电量将转移到Lr上；当Cr上的电压低于预设值时，关断Qr，此时Lr上的电量通过Dr反馈到主回路中，从而实现了能量均衡。
该智能控制电路的控制算法采用模糊控制，具体分析如下：在电源系统中，电池组往往含有上百节单体电池，无法建立其精确的数学模型，因此，传统的控制理论与控制算法已无法满足此系统的要求。针对电池组充电管理系统的复杂性特点，引入模糊控制作为其控制算法。对于能量高于平均值较多的单体电池，控制其快速放电；对于能量高于平均值较少的电池，控制其缓慢放电，而这正符合模糊控制的特点。
经典的模糊控制器的两个输入分别为系统的偏差e和偏差的变化率ec＝de/dt。在电池组均衡管理系统中，其模糊控制器的两个输入分别为电压差值e和电压差值变化率ec,其中e和ec如下面公式(1)(2)所示。
电压差值e：e＝△V＝VBi-Vave (1)
电压差值变化率ec：ec＝e2-e1 (2)
式中VBi为第i节电池电压，Vave为电池组平均电压，e1为前一状态测得的电压差值，e2为后一状态测得的电压差值。
电池组均衡电路只需要对电池组中电压高于电池组平均电压的电池进行放电，因此本系统的输入偏差e始终大于零。
在电池组均衡控制系统中，引入模糊控制的目的在于充电结束时，使单体锂电池之间的电压差不超过0.05V，从而使各单体电池的电压尽可能的一致。
在对电池组均衡电路和模糊控制算法分析的基础上，基于Matlab中Simulink仿真软件，对电池组均衡电路模糊控制系统进行仿真研究。在仿真过程中选择3节电池组成电池组作为测试对象，将单体电池电压设置在a、b、c三组不同的不平衡状态：a组：VB1＝3.8V，VB2＝3.4V，VB3＝3.0V；b组：VB1＝4V，VB2＝3.8V，VB3＝3.1V；c组：VB1＝3.2V，VB2＝3.1V，VB3＝3.0V，得到的仿真结果如图3至图5所示。
由仿真实验结果可知，电池组内单体电池的充电速度是不一样的，初始电压较低的电池充电速度较快，而初始电压较高的电池充电速度较慢，但最终它们的满充电压是一致的，而这正是均衡电路所要实现的目的。该充电均衡控制电路和充电管理系统及方法对于锂离子电池组的充电均衡效果最好。
Claims (5)
1.一种充电均衡控制电路，包括由多节单体电池串联组成的电池组，其特征在于，还包括多个第一电压转移电路和一个第二电压转移电路，所述电池组中的每个单体电池均并联一个第一电压转移电路，所述单体电池的正极与第一电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，所述单体电池的负极与第一电压转移电路中电感的一端电连接；
所述第一电压转移电路由一个MOSFET、一个电感和一个二极管组成，其中MOSFET的源极分别与二极管的负极和电感的一端电连接；
所述第二电压转移电路由一个MOSFET、一个电容和一个电感和一个二极管组成，其中电容的负极与MOSFET的漏极电连接，MOSFET的源极分别与电感的一端和二极管的正极电连接，电感的另一端与电容的正极电连接；
与各单体电池并联的第一电压转移电路中的各二极管的正极相互连通后与第二电压转移电路中MOSFET的漏极电连接，第二电压转移电路中的二极管的负极、电容的正极分别与电池组的的两端电连接。
2.一种利用权利要求1中的充电均衡控制电路的电池组充电管理系统，包括由多节单体电池串联组成的电池组和与其电连接的用于对其进行充电的电源，其特征在于，
还包括电池电压检测电路，用于检测电池组中各单体电池的单体电压和电池组的总电压；
智能控制电路，用于接收电池电压检测电路的检测数据，并能根据电池组的充电状态来输出控制信号；
充电均衡控制电路，用于接收智能控制电路的控制信号，从而实现电池组内单体电池之间电量的转移；
其中电池组、电池电压检测电路、智能控制电路和充电均衡控制电路依次电连接；
其中充电均衡控制电路中所有MOSFET的栅极均与智能控制电路的控制端口电连接。
3.根据权利要求2所述的一种电池组充电管理系统，其特征在于，所述智能控制电路采用TMS320F28335芯片。
4.根据权利要求2或3所述的一种电池组充电管理系统，其特征在于，所述电池电压检测电路主要由设置在各单体电池上的电压传感器、设置在电池组两端的电压传感器相连组成。
5.一种利用权利要求4所述的电池组充电管理系统对电池组充电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)电池电压检测电路检测出第i节电池Bi的单体电压VBi和电池组的平均电压Vave，并将检测数据传输给智能控制电路；
(2)智能控制电路对Vave和VBi进行比较，当VBi>Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi开通，第i节电池Bi的多余电量会转移到与第i节电池对应的电感Li上；当VBi≦Vave时，智能控制电路控制与第i节电池正极相连的MOSFET Qi关断，电感Li，第i+1节电池Bi+1、第i+2节电池Bi+2至最后一节电池Bn、第二电压转移电路中的电容Cr和与第i节电池对应的二极管Di构成放电回路，电感Li上的多余电量经Li→Bi+1…Bn→Cr→Di→Li转移到下游的电池和第二电压转移电路中的电容Cr上；
(3)当电容Cr上的电压超过设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFETQr开通，电容Cr上的电量会转移到第二电压转移电路中的电感Lr上；当电容Cr上的电压不大于设定值时，智能控制电路控制第二电压转移电路中的MOSFET Qr关断，电感Lr上的电量通过第二电压转移电路中的二极管Dr反馈到主回路中，从而实现了能量的均衡。
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