CN105244926A - 锂离子动力电池组均衡充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池组均衡充电系统，用于对锂离子动力电池组进行均衡充电管理，包括锂离子动力电池组、监测模块、控制模块以及均衡充电模块。所述监测模块、所述均衡充电模块分别与所述控制模块连接；所述锂离子动力电池组包括多节串联设置的锂离子动力电池；所述均衡充电模块包括均衡充电保护单元、充电机以及充电总线。所述均衡充电保护单元与每节所述锂离子动力电池并联设置，所述均衡充电保护单元的输出端与所述充电总线连接；所述充电总线并联于所述锂离子动力电池组的两端之间，所述充电机分别与所述充电总线、所述锂离子动力电池组连接；上述锂离子动力电池组均衡充电系统，通过形成反馈型均衡充电保护系统，充电效率较高。

Description

锂离子动力电池组均衡充电系统

技术领域

本发明涉及锂离子动力技术领域，特别是涉及一种锂离子动力电池组均衡充电系统。

背景技术

目前限制电动车辆产业化的一个主要因素是电池的性能和寿命，尤其当采用串联电池组作为动力电源时，电池间的不一致性会导致电池具有不同的充电特性，从而增加了电池组充电过程中电池单体发生过充的可能性，使得电池组的性能下降。对于电压敏感型的锂离子动力电池来说，过充是必须要避免的，否则电池的安全性能得不到保障。因此，为了满足锂离子动力电池的安全性能和寿命要求，需要采用电池均衡技术。传统的电池均衡技术，其充电效率不高。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种充电效率高的锂离子动力电池组均衡充电系统。

一种锂离子动力电池组均衡充电系统，用于对锂离子动力电池组进行均衡充电管理，包括锂离子动力电池组、监测模块、控制模块以及均衡充电模块；所述监测模块、所述均衡充电模块分别与所述控制模块连接；所述锂离子动力电池组包括多节串联设置的锂离子动力电池；所述均衡充电模块包括均衡充电保护单元、充电机以及充电总线；所述均衡充电保护单元与每节所述锂离子动力电池并联设置，所述均衡充电保护单元的输出端与所述充电总线连接；所述充电总线并联于所述锂离子动力电池组的两端之间，所述充电机分别与所述充电总线、所述锂离子动力电池组连接；所述监测模块用于对每节所述锂离子动力电池的电压进行监测，并将监测结果输出到所述控制模块；所述控制模块用于根据所述监测结果计算获得所述锂离子动力电池组的平均电压值，并判断每节所述锂离子动力电池的电压值与所述平均电压值的差值是否大于上限值或是否低于下限值；当所述控制模块判断所述差值大于所述上限值时，所述控制模块控制所述均衡充电保护单元对所述锂离子动力电池进行分流，并通过所述输出端输出到充电总线；当所述差值低于所述下限值时，所述控制模块控制所述充电机通过所述均衡充电保护单元为所述锂离子动力电池充电；当所述锂离子动力电池的电压值回复到预设电压值后，所述均衡充电保护模块停止工作。

在其中一个实施例中，所述均衡充电保护单元包括PWM控制器、返驰式转换器以及连接于每节锂离子动力电池两端的模拟开关和MOS管；所述返驰式转换器用于对充电机输入的电压进行升压转换；所述PWM控制器用于将所述锂离子动力电池的电压值与所述返驰式转换器转换后的电压值进行比较，并根据比较结果产生PWM控制信号控制所述MOS管的导通状况。

在其中一个实施例中，所述上限值为+5伏特，所述下限值为-5伏特。

在其中一个实施例中，所述预设电压值为锂离子动力电池组中所有串联设置的锂离子动力电池的平均电压值。

在其中一个实施例中，所述均衡充电模块还包括多副边耦合变压均衡单元；所述多副边耦合变压均衡单元包括主边侧电路以及副边侧电路；所述主边侧电路与所述锂离子动力电池组并联；每节所述锂离子动力电池均并联设置一副边侧电路。

在其中一个实施例中，所述主边侧电路包括主边侧线圈、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电容以及第二电容；所述第一电容与所述第二电容串联并连接于所述锂离子动力电池组的正极和负极之间；所述第一NPN三极管的集电极与所述锂离子动力电池组的正极连接，发射极与所述第二NPN三极管的集电极连接；所述第二NPN三极管的发射极与所述锂离子动力电池组的负极连接；所述第一NPN三极管的基极、所述第二NPN三极管的基极分别与所述控制模块连接；所述主边侧线圈的一端连接于所述第一NPN三极管与所述第二NPN三极管之间，另一端则连接于所述第一电容与所述第二电容之间；所述副边侧电路包括副边侧线圈、第一二极管、第二二极管以及第三电容；所述副边侧线圈一端与所述第一二极管的正极连接，另一端与所述第二二极管的正极连接；所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极连接后与所述锂离子动力电池的正极连接；所述第三电容与所述锂离子动力电池并联；所述锂离子动力电池的负极连接于所述副边侧线圈的中间节点。

在其中一个实施例中，还包括散热模块；所述散热模块与所述控制模块连接；所述散热模块置于所述锂离子动力电池组的一侧；所述散热模块用于对所述锂离子动力电池组进行散热降温。

在其中一个实施例中，所述监测模块还用于对每节所述锂离子动力电池的温度进行监测，并将温度监测结果输出到所述控制模块；所述控制模块根据所述温度监测结果判断所述锂离子动力电池组的温度是否超过第一预设温度值，若是，则所述控制模块控制所述散热模块工作，对所述锂离子动力电池组进行散热降温。

在其中一个实施例中，所述监测模块包括PWM单元以及设置于每节锂离子动力电池上的监测芯片；所述监测芯片用于对锂离子动力电池的电压和温度进行监测后将监测结果通过PWM单元进行DC-DC转换后输出给所述控制模块。

在其中一个实施例中，还包括电流转换模块，与所述均衡充电模块连接，用于对外部电源进行交直流转换。

上述锂离子动力电池组均衡充电系统，当锂离子动力电池的电压与锂离子动力电池组的平均电压值的差值大于上限值时，控制模块控制均衡充电保护单元对所述锂离子动力电池进行分流放电，并通过输出端将分流电流反馈到充电总线供其他未进行分流的单节锂离子动力电池充电。这种反馈使得均衡过程中的能量损失几乎为零，且使得锂离子动力电池组中没有分流的单体锂离子动力电池的充电电流增加，充电效率较高。同时，当差值低于下限值时，控制模块控制充电机通过均衡充电保护单元对所述锂离子动力电池进行充电，能够有效缩短均衡充电时间，提高了充电效率。

附图说明

图1为一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统的结构示意图；

图2为图1所示实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统中的均衡充电模块130的结构示意；

图3为另一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统中的均衡充电模块中的结构示意图；

图4为另一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统的结构示意图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示为一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统的结构框图，包括锂离子动力电池组110，监测模块120、均衡充电模块130以及控制模块140。其中，监测模块120、均衡充电模块130分别与控制模块140连接。具体地，监测模块120、均衡充电模块130通过红外通信方式与控制模块140进行数据传输。

锂离子动力电池组110包括多节串联设置的锂离子动力电池112。在本实施例中，锂离子动力电池组110包括6节串联设置的锂离子动力电池112。在其他的实施例中，锂离子动力电池组110的节数也可以根据需要进行设置，并不限于本实施例所示的6节。

监测模块120用于对锂离子动力电池112的电压进行监测，并将监测结果输出到控制模块140。具体地，监测模块120包括用于对每节锂离子动力电池112进行电压监测的监测芯片以及PWM单元。监测芯片上设有电压传感器。在本实施例中，电压传感器为电压互感器。

均衡充电模块130包括均衡充电保护单元210、充电总线220以及充电机230，其结构如图2所示。均衡充电保护单元210与每节锂离子动力电池112并联设置。均衡充电保护单元210的输出端与充电总线220连接。充电机230通过充电总线220以及均衡充电保护单元210对每节锂离子动力电池112进行均衡充电。其中，均衡充电保护单元210具体包括PWM控制器、返驰式(Flyback)转换器、连接于每节锂离子动力电池组112两端的模拟开关以及与模拟开关串联的MOS管。返驰式转换器为一升压型电压转换器，用于对充电机230的电压进行升压后输出向锂离子动力电池112进行供电。PWM控制器则用于在控制模块140的控制下对锂离子动力电池112的电压与返驰式转换器转换后的电压进行比较，并根据比较结果输出对应的两路PWM控制信号控制对应的MOS管，从而实现对电压值过低的锂离子动力电池112的充电。在本实施例中，PWM控制器采用UC3844，能够为系统获得更高精度的电压。由于MOS管工作在线性导电区，表现为可变电阻的特性，可以通过控制模块140的调节根据需要表现为不同的阻值，实现大电流快速均衡放电，能够有效的缩短充电均衡时间。在本实施例中，模拟开关为一继电器。

控制模块140用于根据监测模块120监测的结果进行相应的控制管理。具体地，控制模块140用于根据监测模块120监测的每节锂离子动力电池112的电压计算获得锂离子动力电池组110的平均电压值Vp。控制模块140在计算出锂离子动力电池组110的平均电压值Vp后，判断每节锂离子动力电池112的电压值与平均电压值Vp的差值ΔV是否在上限值Vmax和下限值Vmin之间。当控制模块140判断差值ΔV在上限值Vmax和下限值Vmin之间时，锂离子动力电池组110正常进行充电，均衡充电模块130不进行工作。

当差值ΔV不在上限值Vmax和下限值Vmin之间时，控制模块140需要进一步判断差值ΔV是大于上限值Vmax还是低于下限值Vmin。当控制模块140判断差值ΔV大于上限值Vmax时，控制模块140控制均衡充电模块130工作。具体地，控制模块140控制均衡充电保护单元210进行分流，并将分流电流转化为高压小电流后通过输出端输出到充电总线220上。输出到充电总线220上的分流电流用于对其他未进行分流的锂离子动力电池112进行充电，可以使得均衡过程中的能量损失几乎为零，且增加了锂离子动力电池组110中未进行分流的其他锂离子动力电池112的充电电流，充电效率较高。其中，在进行分流过程中，控制模块140控制连接于锂离子动力电池112两端的模拟开关以及MOS管工作，形成并联回路从而对锂离子动力电池112进行分流放电。当控制模块140判断差值ΔV低于下限值Vmin时，控制模块140控制充电机230通过充电总线220以及均衡充电保护单元210对电压值过低的锂离子动力电池112进行额外单独充电。具体地，返驰式转换器对充电机230的电压进行转换后输出。PWM控制模块将锂离子动力电池112的电压和返驰式转换器输出的电压值进行比较，并根据比较结果生成两路PWM控制信号控制模拟开关以及MOS管导通，实现对锂离子动力电池112的单独充电。通过对差值ΔV低于下限值Vmin的锂离子动力电池112进行单独充电，可以有效的缩短了充电均衡时间并提高了充电效率。当锂离子动力电池112的电压回复到预设电压值后，控制模块140控制均衡充电模块130停止工作。在本实施例中，上限值为+5V，下限值为-5V。预设电压值则为平均电压值Vp。在其他的实施例中，上限值Vmax、下限值Vmin以及预设电压值均可以根据锂离子动力电池112的额定电压进行相应的调整。

上述锂离子动力电池组均衡充电系统，当锂离子动力电池112的电压与锂离子动力电池组110的平均电压值Vp的差值ΔV大于上限值Vmax时，控制模块140控制均衡充电保护单元210对所述锂离子动力电池112进行分流放电，并通过输出端将分流电流反馈到充电总线220供其他未进行分流的单节锂离子动力电池112充电。这种反馈使得均衡过程中的能量损失几乎为零，且使得锂离子动力电池组110中没有分流的单体锂离子动力电池112的充电电流增加，充电效率较高。同时，当差值ΔV低于下限值Vmin时，控制模块140控制充电机230通过均衡充电保护单元210对所述锂离子动力电池112进行充电，能够有效缩短了均衡充电时间，提高了充电效率。

图3所示为另一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统中的均衡充电模块的结构示意图。如图所示，均衡充电模块300包括充电机310、由PWM控制器320、返驰式转换器330、电子开关组340、串联设置于每节锂离子动力电池两端的模拟开关S1～S7以及与模拟开关S1～S7串联的MOS管组成的均衡充电保护模块、充电总线(图中未示)，还包括多副边耦合变压均衡单元350。其中，电子开关组340用于实现电压的正负交替，避免充电过程中电源反接给锂离子动力电池带来损害。电子开关组340包括电子开关K1～K5，其连接关系如图3所示。在本实施例中，锂离子动力电池组包括六节锂离子动力电池A～F。

具体地，当控制模块根据检测结果判断其中某一电池如锂离子动力电池B的电压值与锂离子动力电池组的平均电压值Vp的差值ΔV大于上限值Vmax时，控制模块控制连接于锂离子动力电池B两端的模拟开关S2、S3闭合以及与模拟开关串联的MOS管导通，同时控制电子开关组340中的电子开关K5闭合形成分流放电回路。分流电流通过输出端反馈到充电总线(图中未示)以供其他未进行分流的锂离子动力电池充电，能量损耗低。当控制模块判断锂离子动力电池B的电压值与锂离子动力电池组的平均电压值Vp差值ΔV低于下限值Vmin时，控制模块控制模拟开关S2、S3以及电子开关K2、K4闭合，形成充电回路。充电机310的充电电压经过PWM控制器320以及返驰式转换器330的作用后实现对锂离子动力电池B的单独充电，能够有效的缩短均衡充电时间并提高了充电效率。

在本实施例中，多副边耦合变压均衡单元350包括主边侧电路352和副边侧电路354。主边侧电路352与锂离子动力电池组并联。锂离子动力电池组中的每节锂离子动力电池均并联设置有副边侧电路354。其中，主边侧电路352包括主边侧线圈N1、第一NPN三极管P1、第二NPN三极管P2、第一电容C1以及第二电容C2。其中，第一电容C1和第二电容C2串联并连接于锂离子动力电池组的正负极之间。第一NPN三极管P1的集电极连接于锂离子动力电池组的正极，发射极与第二NPN三极管P2的集电极连接。第二NPN三极管的发射极与锂离子动力电池组的负极连接。第一NPN三极管P1的基极和第二NPN三极管P2的基极分别与控制模块连接。主边侧线圈N1的一端连接于第一NPN三极管P1和第二NPN三极管P2之间，另一端连接于第一电容C1和第二电容C2之间。副边侧电路354包括副边侧线圈N2、第一二极管D1、第二二极管D2以及第三电容C3。副边侧线圈N2的一端连接于第一二极管D1的正极，另一端连接于第二二极管D2的正极。第一二极管D1的负极与第二二极管D2的负极连接后与锂离子动力电池的正极连接。锂离子动力电池的负极连接于副边侧线圈N2的中间节点。第三电容C3与锂离子动力电池并联设置。

在本实施例中，当控制模块在判断锂离子动力电池的电流或者电压需要超过预设值时，通过控制第一NPN三极管P1以及第二NPN三极管P2的导通或截止对锂离子动力电池进行充电均衡管理。锂离子动力电池组产生的电流流入主边侧电路352，并在副边侧电路354中的副边侧线圈N2中产生感应电流。由于各锂离子动力电池在生产、制作以及使用过程中引起的电池差异性，其阻抗并不一致。较小阻抗的副边侧电路会获得更多的感应电流，能够达到更好的均衡效果，减小系统的复杂性的同时降低了成本，减少了能量损耗，既能够保证生产效率又能够保证产品品质。

如图4所示，为另一实施例中的锂离子动力电池组均衡充电系统，其包括锂离子动力电池410、监测模块420、均衡充电模块430以及控制模块440，还包括散热模块450、以及电流转换模块460。

散热模块450与控制模块440连接，并设置于锂离子动力电池组410的一侧。散热模块450用于对锂离子动力电池组410进行散热降温。散热模块450包括散热风扇以及外围电路。在本实施例中，监测模块420中的监测芯片还包括温度传感器。具体地，温度传感器设置在每节锂离子动力电池412的外部，并连接于控制模块440的温度测量端。PWM单元则用于进行DC-DC转换。控制模块440还用于判断锂离子动力电池的温度是否超过第一预设温度值T1。当控制模块440判断出锂离子动力电池组410的温度超过第一预设温度值T1时，控制散热模块450工作。散热模块450为锂离子动力电池组410进行散热降温，避免充电过程中大电流对电路的损害。在本实施例中，控制模块440还用于在判断温度值超过允许温度值时，关闭锂离子动力电池组410的输入，并发出警报信号，确保电池的安全性。

电流转换模块460与均衡充电模块430连接，用于对外部电源进行交直流转换后向锂离子动力电池组410供电。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池组均衡充电系统，用于对锂离子动力电池组进行均衡充电管理，其特征在于，包括锂离子动力电池组、监测模块、控制模块以及均衡充电模块；所述监测模块、所述均衡充电模块分别与所述控制模块连接；所述锂离子动力电池组包括多节串联设置的锂离子动力电池；

所述均衡充电模块包括均衡充电保护单元、充电机以及充电总线；所述均衡充电保护单元与每节所述锂离子动力电池并联设置，所述均衡充电保护单元的输出端与所述充电总线连接；所述充电总线并联于所述锂离子动力电池组的两端之间，所述充电机分别与所述充电总线、所述锂离子动力电池组连接；

所述监测模块用于对每节所述锂离子动力电池的电压进行监测，并将监测结果输出到所述控制模块；

所述控制模块用于根据所述监测结果计算获得所述锂离子动力电池组的平均电压值，并判断每节所述锂离子动力电池的电压值与所述平均电压值的差值是否大于上限值或是否低于下限值；当所述控制模块判断所述差值大于所述上限值时，所述控制模块控制所述均衡充电保护单元对所述锂离子动力电池进行分流，并通过所述输出端输出到充电总线；当所述差值低于所述下限值时，所述控制模块控制所述充电机通过所述均衡充电保护单元为所述锂离子动力电池充电；当所述锂离子动力电池的电压值回复到预设电压值后，所述均衡充电保护模块停止工作。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述均衡充电保护单元包括PWM控制器、返驰式转换器以及连接于每节锂离子动力电池两端的模拟开关和MOS管；

所述返驰式转换器用于对充电机输入的电压进行升压转换；所述PWM控制器用于将所述锂离子动力电池的电压值与所述返驰式转换器转换后的电压值进行比较，并根据比较结果产生PWM控制信号控制所述MOS管的导通状况。

3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述上限值为+5伏特，所述下限值为-5伏特。

4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述预设电压值为锂离子动力电池组中所有串联设置的锂离子动力电池的平均电压值。

5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述均衡充电模块还包括多副边耦合变压均衡单元；所述多副边耦合变压均衡单元包括主边侧电路以及副边侧电路；所述主边侧电路与所述锂离子动力电池组并联；每节所述锂离子动力电池均并联设置一副边侧电路。

6.根据权利要求5所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述主边侧电路包括主边侧线圈、第一NPN三极管、第二NPN三极管、第一电容以及第二电容；所述第一电容与所述第二电容串联并连接于所述锂离子动力电池组的正极和负极之间；所述第一NPN三极管的集电极与所述锂离子动力电池组的正极连接，发射极与所述第二NPN三极管的集电极连接；所述第二NPN三极管的发射极与所述锂离子动力电池组的负极连接；所述第一NPN三极管的基极、所述第二NPN三极管的基极分别与所述控制模块连接；所述主边侧线圈的一端连接于所述第一NPN三极管与所述第二NPN三极管之间，另一端则连接于所述第一电容与所述第二电容之间；

所述副边侧电路包括副边侧线圈、第一二极管、第二二极管以及第三电容；所述副边侧线圈一端与所述第一二极管的正极连接，另一端与所述第二二极管的正极连接；所述第一二极管的负极和所述第二二极管的负极连接后与所述锂离子动力电池的正极连接；所述第三电容与所述锂离子动力电池并联；所述锂离子动力电池的负极连接于所述副边侧线圈的中间节点。

7.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，还包括散热模块；所述散热模块与所述控制模块连接；所述散热模块置于所述锂离子动力电池组的一侧；所述散热模块用于对所述锂离子动力电池组进行散热降温。

8.根据权利要求7所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述监测模块还用于对每节所述锂离子动力电池的温度进行监测，并将温度监测结果输出到所述控制模块；所述控制模块根据所述温度监测结果判断所述锂离子动力电池组的温度是否超过第一预设温度值，若是，则所述控制模块控制所述散热模块工作，对所述锂离子动力电池组进行散热降温。

9.根据权利要求8所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，所述监测模块包括PWM单元以及设置于每节锂离子动力电池上的监测芯片；所述监测芯片用于对锂离子动力电池的电压和温度进行监测后将监测结果通过PWM单元进行DC-DC转换后输出给所述控制模块。

10.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组均衡充电系统，其特征在于，还包括电流转换模块，与所述均衡充电模块连接，用于对外部电源进行交直流转换。