CN105656142B - 一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路 - Google Patents

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，属于电池充放电技术领域。本发明包括基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路和电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路两部分。单体电池选择电路用于选择将要进行电压均衡的单体电池，换向电路和超级电容器用于对选择的单体电池进行电压均衡管理。电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路实现电池模块与单体电池间充放电主动均衡管理，外部电源与单体电池间充放电主动均衡管理和外部电源和电池模块间充放电主动均衡管理。本发明的均衡电路均衡过程简单可靠，易于控制，主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。

Description

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路
技术领域
本发明属于电池充放电技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路。
背景技术
现代电动汽车多采用串联式动力电池组，锂离子动力电池将会在未来一段时间内大量使用。动力电池的安全、高效使用对于电动汽车的正常运行具有重要的意义。
电池组在使用过程中，由于各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减。由于在制作过程中的工艺等原因，即使是同批次、同型号的电池，也存在容量、内阻等方面的差异，并且在长期的使用过程中，这种差异会越来越大，进而导致动力电池组充放电时的不均衡。不均衡性对串联电池组的性能影响很大，将会降低电池组的整体容量，缩短使用寿命。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，作为车载动力电池组电池管理系统的一部分，是对现有充放电均衡的一种改进，该均衡电路简单可靠，易于控制，对动力电池组进行均衡时，基本不消耗动力电池组电能，主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。
本发明提供的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，包括基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路和电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路两部分。
基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路包括电压采集模块、单体电池选择电路、换向电路和超级电容器。单体电池选择电路用于选择将要进行电压均衡的单体电池，换向电路和超级电容器用于对选择的单体电池进行电压均衡管理。电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路包括电压采集模块、单体电池选择电路、换向电路和电压均衡电路。电压均衡电路连接有电池模块和外部电源，用于对选择的单体电池进行电压均衡管理，或对电池模块进行电压均衡管理。电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路能实现电池模块与单体电池间充放电主动均衡管理，外部电源与单体电池间充放电主动均衡管理和外部电源和电池模块间充放电主动均衡管理。
电压采集模块连接电池模块中的各个单体电池，实时采集各单体电池的电压，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元。
单体电池选择电路包括N+1条并联的支路，其中，奇数支路的输出端并联一起作为一个公共输出端，偶数支路的输出端并联一起作为一个公共输出端；每条支路上串联两个MOSFET，且两个MOSFET并联的二极管反向串联，每个单体电池的正极和负极均串联有一条支路，N为单体电池的个数。
换向电路包括4个MOSFET，2个MOSFET分为一组；第一组的两个MOSFET的漏极并联一起作为一个输出端，两个MOSFET的源极分别连接到单体选择电路的两个公共输出端上；第二组的两个MOSFET的源极并联一起作为一个输出端，两个MOSFET的漏极分别连接到单体选择电路的两个公共输出端。在基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路中，换向电路的两个输出端分别连接到超级电容器的正极和负极。在电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路中，换向电路的两个输出端与电压均衡电路的一个副边电路相连。电压均衡电路的副边电路是由一个MOSFET和变压器的副边绕组串联组成。电池管理系统的控制单元通过控制相应MOSFET的通断，通过单体电池选择电路选择需要均衡的单体电池，通过换向电路使需要均衡的单体电池的正负极与超级电容器或电压均衡电路的正负极极性相同。
电压均衡电路包括变压器和MOSFET，电压均衡电路的原边电路由外部电源或电池模块与一个MOSFET和变压器的一个绕组串联组成，副边电路由对应的变压器绕组和一个MOSFET串联组成，超级电容器的两端就是均衡电路输出端。电压均衡电路可以实现能量的双向交换，即可以实现电池单体的充放电双向均衡。
所述的MOSFET均由电池管理系统的控制单元控制开断。
相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：
1)本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路均衡过程简单可靠，易于控制；
2)本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路利用既可以用外部电源或电池模块对单体电池进行均衡，也可以是同一电池模块的单体电池间利用超级电容进行充放电均衡；
3)本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路可以实现外部电源对电池模块进行充放电主动均衡管理；
4)本发明提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路的主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而延长电池寿命。
附图说明
图1是基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路；
图2是电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路；
图3是本发明均衡电路单体电池向超级电容器放电时的等效电路图；
图4是本发明均衡电路超级电容器向单体电池充电时的等效电路图；
图5是本发明均衡电路单体电池向电池模块放电时的等效电路图；
图6是本发明均衡电路电池模块向单体电池充电时的等效电路图；
图7是本发明均衡电路单体电池向外部电源放电时的等效电路图；
图8是本发明均衡电路外部电源向单体电池充电时的等效电路图；
图9是本发明均衡电路外部电源向电池模块充电时的等效电路图；
图10是本发明均衡电路电池模块向外部电源放电时的等效电路图。
图中：
101-超级电容器； 102-换向电路； 103-单体电池选择电路； 104-电池模块；
105-电压采集模块； 106-单体电池； 107-电压均衡电路； 108-外部电源；
109-变压器； 2-MOSFET
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，包括基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路和电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路两部分。基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路，如图1所示，包括超级电容器101、换向电路102、单体电池选择电路103、电池模块104和电压采集模块105。电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路如图2所示，包括换向电路102、单体电池选择电路103、电压采集模块105、电压均衡电路107、电池模块104以及外部电源108。
图1中，电压采集模块105用于实时采集某电池模块104中各单体电池的电压，与各个单体电池106相连接，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元。单体电池选择电路103用于选择将要进行电压均衡的单体电池106，换向电路102使单体电池选择电路103的输出端极性与超级电容器101的极性一致，从而进行单体电池106的电压均衡管理。在本发明电路中，MOSFET(金属-氧化层半导体场效晶体管)可以采用如下任意一种器件或者任意两种器件的组合替换：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管或DUAL PMOS管。图1和图2中标号2指代MOSFET。
单体电池选择电路103由多个MOSFET组成，如图1所示，单体电池选择电路103包括N+1条并联的支路，其中奇数支路的输出端并联在一起作为单体电池选择电路103的一个公共输出端，偶数支路的输出端并联在一起作为单体电池选择电路103的另外一个公共输出端。每条支路上两个MOSFET以源极相连的方式串联在一起。MOSFET并联的二极管的作用是使得电路可以双向导通，因为MOSFET是单向导通，故给其并联一个反方向导通的二极管。
在没有控制信号时，就能阻止双向电流的流动。动力电池组由多个电池模块104串联组成，每个电池模块104又由多个单体电池106串联组成，每个单体电池106的正极和负极均串联有单体电池选择电路103中的一条支路，N为单体电池106的个数。MOSFET由电池管理系统的控制单元控制。电池管理系统的控制单元通过控制相应MOSFET的通断分别将不同的单体电池引向换向电路103，从而选择出将要进行电压均衡的单体电池。
如图1和图2所示，换向电路102由4个MOSFET组成，分为两组，每组两个MOSFET。图1中，其中一组的两个MOSFET的源极并联在一起作为一个输出端连接到超级电容101的负极，两个漏极分别连接到单体选择电路103的两个公共输出端上；另外一组的两个MOSFET的漏极并联在一起连接到超级电容101的正极，两个源级分别连接到单体选择电路103的两个公共输出端上。在基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路中，换向电路102的两个输出端与超级电容器101并联。各MOSFET由电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制MOSFET的通断，分别将单体电池选择电路3的输出端接通到超级电容器101的两端，使选择单体电池的正负极极性与超级电容器101的极性相一致，从而实现选择单体电池的充放电均衡。
图2中，电压采集模块105、单体电池选择电路103和换向电路102的连接结构和工作方法，与基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路中的基本一致。不同之处在于，图2中的电压均衡电路的副边电路由一个MOSFET和变压器109的一个绕组串联组成。电压均衡电路107包括变压器109和MOSFET。电压均衡电路107可以实现电池模块104与单体电池106间充放电主动均衡管理，外部电源108与单体电池106间充放电主动均衡管理、以及外部电源108和电池模块104间充放电主动均衡管理。外部电源108和电池模块104分别串联一个MOSFET后连接到变压器109的一个绕组上。通过控制电压均衡电路107的MOSFET的通断控制在三种充放电主动均衡模式间进行模式选择。MOSFET由电池管理系统的控制单元控制。
所述的电压采集模块105实时对单体电池106的电压进行采集，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元。电池管理系统的控制单元计算出当前整个电池模块104的总电压U，除以电池模块104中单体电池的个数M得到单体电池的平均电压Um。取单体电池均衡电压上限为Umax，Umax＝Um*(1+X％)；单体电池均衡电压下限为Umin，Umin＝Um*(1-X％)，其中X表示一个数值，值根据均衡策略的需要设定。如果某一单体电池电压高于限值Umax或低于限值Umin，则判断为需要对此单体电池进行均衡管理。
在基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路中，电池管理系统的控制单元通过控制单体电池选择电路103中的MOSFET的通断选择电压较高的单体电池，对超级电容器101充电，然后再通过选择电压较低的单体电池，使超级电容器101对其充电，从而实现电压较高的单体电池对电压较低的单体电池的充电。
对于电池模块、外部电源和单体电池间的充放电均衡管理，单体电池或电池模块均衡电压上下限设置算法与单体电池上下限设置算法相同。电池模块均衡电压上限Ummax设置为电池模块平均电压Umm*(1+X％)，电池模块均衡电压下限Ummin设置为电池模块平均电压Umm*(1-X％)，其中X的值可以根据均衡策略的需要任意设定。当电池模块的电压高于限值Ummax或低于限值Ummin时，则需要为该电池模块进行均衡管理。电池管理系统的控制单元控制电压均衡电路107中的MOSFET的通断选择工作模式。
单体电池向超级电容器放电过程等效电路如图3所示。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池106的电压为U0’，且U0’高于单体电池均衡电压上限Umax。图3所选择的单体电池106连接单体电池选择电路103的两条支路，第一条支路上MOSFET301和MOSFET302源极相连串联在一起，第二条支路上MOSFET303和MOSFET304源极相连串联在一起，第一条支路连接换向电路102的MOSFET305，第二条支路连接换向电路102的MOSFET306。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET302和304截断，控制MOSFET301、303、305和306导通，对所选择的单体电池106进行超级电容放电，单体电池放电结束后，电池管理系统的控制单元控制MOSFET301、302、303、304、305和306断开。
超级电容器向单体电池充电过程等效电路如图4所示。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池106的电压为U0，且U0低于单体电池均衡电压下限Umin。被选择的单体电池106与超级电容器101之间的连接同图3。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET301、303、305和306截断，控制MOSFET302和304导通，使超级电容上存储的较高的单体放电的能量对被选择的单体电池106进行充电，单体电池充电结束，电池管理系统的控制单元控制MOSFET305、301、302、303、304和306断开。然后控制电压较高的对超级电容放电，再对通过超级电容对电压较低单体充电，这样反复的进行。由电压采集模块105实时监测所选单体电池的电压，直到相互充放电的两个单体电池的电压基本一致。通过同样的方法将其他电压较高的单体电池放电到电压较低的单体电池上，直至所有单体的电压趋于一致。
单体电池向电池模块放电过程等效电路如图5所示。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池106的电压为U0’，且U0’高于单体电池均衡电压上限Umax。图5所示，所选择的单体电池106连接单体电池选择电路103的两条支路，第一条支路上MOSFET501和MOSFET502源极相连串联在一起，第二条支路上MOSFET503和MOSFET504源极相连串联在一起，第一条支路连接换向电路102的MOSFET505，第二条支路连接换向电路102的MOSFET506，换向电路102的MOSFET505和MOSFET506之间串联电压均衡电路107的MOSFET507后连接到变压器109的一个绕组(次级线圈)上。电池模块104两端串联MOSFET508后连接到变压器109的一个绕组(初级线圈)上。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET508截断，并控制MOSFET507的导通和截断时间，使得电路在变压器109的次级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对电池模块104进行充电。由电压采集模块105实时监测所选单体电池的电压，当该单体电池的电压达到平均电压Um时，电池管理系统的控制单元控制MOSFET508和507断开，单体电池放电结束。
电池模块向单体电池充电过程等效电路如图6所示。单体电池与电压均衡电路的连接结构同图5。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池电压为U0，且U0低于单体电池均衡电压下限Umin。则电池管理系统控制单元控制MOSFET507截断，并控制MOSFET508的导通和截断时间，使得电路在变压器109的初级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对所选单体电池106进行充电。由电压采集模块105实时监测所选电池模块电压，当所述电池模块电压达到平均电压Umm时，电池管理系统的控制单元控制MOSFET508和507断开，电池模块充电结束。
单体电池向外部电源放电过程等效电路如图7所示。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池电压为U0’，且U0’高于单体电池均衡电压上限Umax。图7所示，所选择的单体电池106连接单体电池选择电路103的两条支路，第一条支路上MOSFET701和MOSFET702源极相连串联在一起，第二条支路上MOSFET703和MOSFET704源极相连串联在一起，第一条支路连接换向电路102的MOSFET705，第二条支路连接换向电路102的MOSFET706，换向电路102的MOSFET705和MOSFET706之间串联电压均衡电路107的MOSFET707后连接到变压器109的一个绕组(次级线圈)上。外部电源108两端串联MOSFET708后连接到变压器109的一个绕组(初级线圈)上。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET708截断，并控制MOSFET707的导通和截断时间，使得电路在所述变压器109的次级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对外部电源108进行充电。由电压采集模块105实时监测所选单体电池电压，当该单体电池电压达到平均电压Um时，电池管理系统的控制单元控制MOSFET707和708断开，单体电池放电结束。
外部电源向单体电池充电过程等效电路如图8所示。单体电池与电压均衡电路的连接结构同图6。设定由单体电池选择电路103选择的单体电池电压为U0，且U0低于单体电池均衡电压下限Umin。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET707截断，并控制MOSFET708的导通和截断时间，使得电路在变压器109的初级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对所选单体电池106进行充电。由电压采集模块105实时监测所选单体电池电压，当所述单体电池电压达到平均电压Um时，电池管理系统的控制单元控制MOSFET707和708断开，单体电池充电结束。
外部电源向电池模块充电过程等效电路如图9所示。图9所示，外部电源108两端串联MOSFET901后连接到变压器109的一个绕组(初级线圈)上，电池模块104两端串联MOSFET902后连接到变压器109的一个绕组(次级线圈)上。设定电池模块电压为U0，且U0低于电池模块均衡电压下限Ummin。则电池管理系统的控制单元控制MOSFET902截断，并控制MOSFET901的导通和截断时间，使得电路在所述变压器109的初级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对所选电池模块104进行充电。由电压采集模块105实时监测所选电池模块电压，当所述电池模块电压达到平均电压Umm时，电池管理系统控制MOSFET901和902断开，电池模块充电结束。
电池模块向外部电源放电过程等效电路如图10所示。设定电池模块电压为U0，且U0高于电池模块均衡电压上限Ummax。则电池管理系统控制MOSFET901截断，并控制MOSFET902的导通和截断时间，使得电路在变压器109的次级线圈产生交变电压U1。交变电压U1经过变压器109转换，对外部电源108进行充电。由电压采集模块105实时监测所选电池模块电压，当所述电池模块电压达到平均电压Umm时，电池管理系统的控制单元控制MOSFET901和902断开，电池模块放电结束。

Claims (5)

1.一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于，包括基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路，以及电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路；
基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路包括电压采集模块、单体电池选择电路、换向电路和超级电容器；电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路包括电压采集模块、单体电池选择电路、换向电路和电压均衡电路；
电压采集模块连接各个单体电池，实时采集单体电池电压，发送给电池管理系统的控制单元；单体电池选择电路包括N+1条并联的支路，其中，奇数支路的输出端并联一起作为一个公共输出端，偶数支路的输出端作为或并联一起作为一个公共输出端；每条支路上串联两个MOSFET，且两个MOSFET并联的二极管反向串联，每个单体电池的正极和负极均串联有一条支路，N为单体电池的个数；
换向电路包括4个MOSFET，2个MOSFET分为一组；第一组的两个MOSFET的漏极并联一起作为一个输出端，两个MOSFET的源极分别连接到单体选择电路的两个公共输出端上；第二组的两个MOSFET的源极并联一起作为一个输出端，两个MOSFET的漏极分别连接到单体选择电路的两个公共输出端；在基于超级电容器的单体电池间充放电主动均衡电路中，换向电路的两个输出端分别连接到超级电容器的正极和负极；在电池模块、单体电池和外部电源间充放电主动均衡电路中，换向电路的两个输出端与电压均衡电路的一个副边电路相连；
电压均衡电路包括变压器和MOSFET，电压均衡电路的原边电路由外部电源或电池模块与一个MOSFET和变压器的一个绕组串联组成，副边电路由对应的变压器绕组和一个MOSFET串联组成；超级电容器的两端就是电压均衡电路的输出端；
电池管理系统的控制单元通过控制相应MOSFET的通断，通过单体电池选择电路选择需要均衡的单体电池，通过换向电路使需要均衡的单体电池的正负极与超级电容器或电压均衡电路的正负极极性相同。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于，所述的MOSFET采用如下任意一种器件或者任意两种器件的组合进行替换：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管或DUAL PMOS管。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于，所述的MOSFET均由电池管理系统的控制单元控制开断。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于，所述的电池管理系统的控制单元，接收各单体电池电压，计算得到当前整个电池模块的总电压以及单体电池的平均电压Um；
对于单体电池，取单体电池均衡电压上限为Umax，Umax＝Um*(1+X％)；单体电池均衡电压下限为Umin，Umin＝Um*(1-X％)；当单体电池电压高于限值Umax或低于限值Umin时，判断需要为该单体电池进行均衡管理；其中X是根据均衡策略的需要设定的数值；
对于电池模块，取电池模块均衡电压上限为Ummax，Ummax＝Umm*(1+X％)；电池模块均衡电压下限为Ummin，Ummin＝Umm*(1-X％)；当电池模块电压高于限值Ummax或低于限值Ummin时，判断需要为该电池模块进行均衡管理；Umm为电池模块平均电压。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于，所述的电压均衡电路，通过控制MOSFET的通断，在均衡变压器上耦合出相应的均衡电压，实现电池模块与单体电池间充放电主动均衡、外部电源与单体电池间充放电主动均衡、以及外部电源和电池模块间充放电主动均衡。
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Assignor: BEIHANG University

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Denomination of invention: A charge discharge active equalization circuit for Li ion power battery pack

Granted publication date: 20180223

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