CN105871022A - 一种电池组主动均衡电路及方法 - Google Patents

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Abstract

一种电池组主动均衡电路及方法，所述电路包括均衡控制单元和电容器，所述均衡控制单元与电池单元一一对应并联连接；其中，每个所述均衡控制单元包括第一开关元件、第二开关元件和一电感器，所述第一开关元件和所述第二开关元件串联后与对应的所述电池单元并联，所述第一开关元件和所述第二开关元件交替开闭；所述电感器的第一端接所述与两个所述功率开关的串联节点；每个所述电容器分别连接在两个相邻的所述均衡控制单元上的电感器的第二端之间，不需要巡检单元电池的电压，不限制电池组串联的数量，没有瞬间大电流，在一个PWM周期内即可完成能量的转移，串联的电容器组具有并行电压均衡的特点，提高了均衡的速度。

Description

一种电池组主动均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术，特别是涉及一种电池组主动均衡电路及方法。
背景技术
目前蓄电池在UPS、EPS、新能源及电动汽车等领域获得越来越广泛的应用。但蓄电池单体电压低、容量小，为了满足高压大容量的应用要求，一般将蓄电池单体串并联使用。由于蓄电池单体自身制作工艺等原因，不同单体之间诸如电解液密度、电极等效电阻等都存在着差异，这些差异都可能会导致在使用过程中电池单元充电与放电速率的不同。当它们串联在一起组成电池组时，就有可能在充电时有部分电池提前充满电，而放电时部分电池提前放完电的情况出现。如果不进行均衡的话，就使得电池的实际容量与标定容量有差别。日积月累，可能会明显地减低整个电池组的表现。长时间的不均衡会导致整个蓄电池组寿命缩短，严重影响整个系统的正常工作。
目前基于电感作为能量转移载体的主动式电压均衡方案，利用电感平衡相邻两节串联电池的电压。利用一个具有极性反转的同步整流型BUCK-BOOST电路进行电压均衡，由于同步整流的原因，其电感必然工作于电感电流连续模式(CCM)。基于电压均衡的要求，其开关管必然具有同样的导通时间，即驱动是互补且对称的。这样，在电池电压已经均衡的情况下，若均衡电路继续工作，非但没有实质性的节能效果，而且由于电池处于不断的充电-放电过程，线路的阻抗会带来额外的损耗。若要让均衡电路在此时停止工作，必然需要增加电池组单体电压的检测功能实施条件判断，这样又导致线路复杂。在电池电压不均衡的情况下，电池电压有差异。假设电池容量较大，内阻很小。由于每个开关管的导通时间一样，而作用在电感两端的电压却有差异，必然导致电感伏秒不平衡。长此，电感趋向饱和，均衡电路失效。
发明内容
本发明目的在于提供一种电池组主动均衡电路，旨在解决目前的主动式电压均衡方案会带来额外的损耗、线路复杂的问题。
本发明提供了一种电池组主动均衡电路，用于控制串联电池组中各个电池单元之间的电压均衡，所述电路包括与所述电池单元数量相同的均衡控制单元和比所述电池单元数量少一个的电容器，所述均衡控制单元与所述电池单元一一对应并联连接；
其中，每个所述均衡控制单元包括第一开关元件、第二开关元件和一电感器，所述第一开关元件和所述第二开关元件串联后与对应的所述电池单元并联，所述第一开关元件和所述第二开关元件交替开闭；所述电感器的第一端接所述与两个所述功率开关的串联节点；每个所述电容器分别连接在两个相邻的所述均衡控制单元上的电感器的第二端之间。
优选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件为光耦继电器；
所述第一开关元件的原边输入端和所述第二开关元件的原边输入端接直流电源；所述第一开关元件的原边输出端和所述第二开关元件的原边输出端分别接入占空比为50％的互补驱动信号；
所述第一开关元件的副边输入端接所述电池单元的正极，所述第一开关元件的副边输出端接和所述第二开关元件的副边输入端，所述第二开关元件的副边输出端接所述电池单元的负极。
优选地，还包括驱动单元，所述驱动单元接入控制信号，分别向第一开关元件和所述第二开关元件输出驱动信号，以控制所述第一开关元件和所述第二开关元件交替开闭。
优选地，所述驱动单元的数量与所述电池单元数量相同。
优选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件为功率开关管，所述第一开关元件和所述第二开关元件分别接入占空比为50％的PWM互补驱动信号。
优选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件同为N型MOSFET，或同为P型MOSFET。
优选地，所述第一开关元件和所述第二开关元件其中一个为N型MOSFET，另一个为P型MOSFET。
优选地，所述驱动单元包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一电阻、第二电阻及双通道驱动电路，其中：
所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的原边输入端接直流电源，所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的原边输出端分别接所述控制信号；
所述第一光电耦合器的副边输入端接所述直流电源正极，所述第一光电耦合器的副边输出端接所述双通道驱动电路的第二输入端，且通过所述第一电阻接所述直流电源负极；所述第二光电耦合器的副边输入端接所述双通道驱动电路的第一输入端，且通过所述第二电阻接所述直流电源正极，所述第二光电耦合器的副边输出端接所述直流电源负极；
所述双通道驱动电路的第一输出端和第二输出端分别接所述第一开关元件和所述第二开关元件。
优选地，所述第一开关元件和第二开关元件具有体二极管，或分别并联一续流二极管。
本发明还提供了一种电池组主动均衡方法，基于上述的电池组主动均衡电路，所述方法包括：
S1，控制每个所述均衡控制单元中其中一个开关元件导通，使与所述电容器并联导通的电池单元通过所述电感器为该电容器充电；
S2，关闭步骤S1中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电容器充电；
S3，控制每个所述均衡控制单元中另一个开关元件导通，使所述电容器向与其并联导通的相邻另一个电池单元放电；
S4，关闭步骤S3中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电池单元放电；
其中，上述步骤S1-S4，在一个PWM周期内完成；通过步骤S1-S4，各个所述电池单元实现电压均衡。
上述的电池组主动均衡电路不需要巡检单元电池的电压，不限制电池组串联的数量，没有瞬间大电流，在一个PWM周期内即可完成能量的转移，串联的电容器组具有并行电压均衡的特点，提高了均衡的速度。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中电池组主动均衡电路多电池的结构示意图；
图2为本发明较佳实施例中电池组主动均衡电路两电池的结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中两电池的电压均衡过程；
图4为图2所示电池组主动均衡电路中利用光耦继电器作为开关元件的电路原理图；
图5为图2所示电池组主动均衡电路中利用光耦继电器作为开关元件的电路原理图；
图6为图2所示电池组主动均衡电路中利用N型MOSFET作为开关元件的电路原理图；
图7为图2所示电池组主动均衡电路中利用N型和P型MOSFET作为开关元件的电路原理图；
图8为图6和7所示驱动单元的电路原理图；
图9为图8所示双通道驱动电路较佳实施例中的三极管驱动电路原理图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
请参阅图1，本发明较佳实施例中电池组主动均衡电路用于控制串联电池组10中各个电池单元BT1-BTn的之间的电压均衡，电路包括与电池单元BT1-BTn数量相同的均衡控制单元20和比电池单元BT1-BTn数量少一个的电容器(C1-Cn-1)，均衡控制单元20与电池单元BT1-BTn一一对应并联连接。每个均衡控制单元20包括第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)、第二开关元件(S2，S4，…，S2n)和一电感器(L1-Ln)，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)串联后与对应的电池单元BT1-BTn并联，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)交替开闭；电感器(L1-Ln)的第一端接与两个功率开关的串联节点；每个电容器(C1-Cn-1)分别连接在两个相邻的均衡控制单元20上的电感器(L1-Ln)的第二端之间。
更具体地，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)在PWM驱动信号下控制，实现一个开关周期内交替开闭，即分别驱动第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)的驱动信号PWMA和PWMB是两个占空比为50％(有死区时间)的互补驱动信号，频率可以根据实际情况调整。
在一个实施例中，PWMA为高电平时，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)全部导通；PWMA为低电平时，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)全部关断。PWMB为高电平时，第二开关元件(S2，S4，…，S2n)全部导通；PWMB为低电平时，第二开关元件(S2，S4，…，S2n)全部关断。死区时间内，所有开关元件都关断，电感电流通过开关元件并联的二极管续流。需要说明的是，若开关元件为MOSFET时，上述的二极管为其体二极管。
在另一个实施例中，电池组10主动均衡电路还包括驱动单元30，驱动单元30接入控制信号，分别向第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)输出驱动信号，以控制第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)交替开闭。本实施例中，驱动单元30的数量与电池单元BT1-BTn数量相同，分别控制每个均衡控制单元20中的开关元件开闭。在其他实施方式中，驱动单元30可以是一个，具有两种输出端口，控制所有均衡控制单元20中的开关元件。
请参阅图2和图3，在一个实施例中，电池单元为两个，BT1和BT2，考虑电池单元的BT1和电池单元BT2电压均衡过程。
假设电池电压VBT1>VBT2。当PWMA为高电平时(此时PWMB为低电平)，第一开关元件S1、S3导通，第二开关元件S2、S4关断。电容器C1通过电感器L1、L2与电池单元BT1并联。在开关元件开通的瞬间，由于电感器L1、L2的存在，抑制了开启电流，防止出现电弧或电磁干扰等问题。此时电池单元BT1对电容器C1进行充电。由于线路阻抗的存在，闭合电路是一个二阶的RLC电路，通过电感量的合适选取，使电路处于临界阻尼状态，能够实现电池单元BT1对电容器C1的快速平稳充电。稳态时，电容器C1的电压等于电池单元BT1的端电压。
当PWMA为低电平时(此时PWMB为高电平)，第一开关元件S1、S3关断，第二开关元件S2、S4导通。电容器C1通过电感器L1、L2与电池单元BT2并联。由于VBT1>VBT2，此时电容器C1对电池单元BT2进行放电。同理，稳态时，电容器C1的电压等于电池单元BT2的端电压。
在所有开关管都关闭的死区时间内，电感的剩余电流通过开关管的体二极管或开关的并联二极管续流。死区时间保证了奇、偶开关管不会出现共通的现象。
由于电池单元BT1的电压比电池单元BT2的电压高，电池单元BT1将多余的能量转移到电容器C1上，然后电容器C1再将这部分能量转移到电压低的电池单元BT2上，实现了串联电池组的电压均衡。
在均衡过程中，忽略线路本身的阻抗，基本实现了无损能量转移。扩展到多节串联电池单元的电压均衡，每相邻两节电池单元的电压均衡过程与上述过程一致。从而实现了无限多节串联电池组的电压均衡，且相比传统的飞渡电容均衡方案，无需额外的电压检测线路。对于串联电池组的电压均衡过程，只需要一个PWM周期的四个阶段即可完成能量的无损转移，提高了均衡的速度。
在一个实施例中，请结合图2、图4和图5，第一开关元件(S1，S3)和第二开关元件(S2，S4)为光耦继电器U1和U2。
第一开关元件(S1，S3)的原边输入端和第二开关元件(S2，S4)(光耦继电器)的原边输入端接直流电源；第一开关元件(S1，S3)的原边输出端和第二开关元件(S2，S4)的原边输出端分别接入占空比为50％的互补驱动信号；第一开关元件(S1，S3)的副边输入端接电池单元BT1、BT2的正极，第一开关元件(S1，S3)的副边输出端接和第二开关元件(S2，S4)的副边输入端，第二开关元件(S2，S4)的副边输出端接电池单元BT1、BT2的负极。本实施例中，整个光耦继电器U1和U2看作一个独立的开关元件。而在其他实施方式中，光耦继电器U1和U2可以拆分成两部分，其原边可以看作驱动单元20，副边可以看作开关元件。开关元件与驱动单元合为一体，电路简单，成本低。光耦实现电气隔离，提高可靠性。当光耦继电器原边的发光二极管点亮时，副边开关管导通；当发光二极管灭时，开关管关断，电路简单，容易控制。扩展到多节串联蓄电池组的应用，只需要增加相应的电容、电感、光耦继电器以及驱动电阻即可，容易实现。
在另一个实施例中，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)为功率开关管，第一开关元件(S1，S3，…，S2n-1)和第二开关元件(S2，S4，…，S2n)分别接入占空比为50％的PWM互补驱动信号。如此，采用更低内阻的功率开关管能够进一步降低线路损耗，提高开关频率，加快电压均衡速度。
第一种功率开关管实现方式，请结合图2和图6，第一开关元件(S1，S3)和第二开关元件(S2，S4)同为N型MOSFET，或同为P型MOSFET(图未示出)。可以直接通过PWM驱动芯片(驱动单元30)直接驱动两个MOSFET，以实现一个开关周期内交替开闭，PWM驱动芯片的两个驱动信号PWMA和PWMB是两个占空比为50％(有死区时间)的互补驱动信号，频率可以根据实际情况调整。
第二种功率开关管实现方式，请结合图2和图7，第一开关元件(S1，S3)和第二开关元件(S2，S4)其中一个为N型MOSFET，另一个为P型MOSFET。
利用P型及N型MOSFET作为开关元件，可进一步简化驱动电路，降低控制电路复杂度，从而提高电路可靠性。还可进一步提高开关频率，加快蓄电池组电压均衡速度。且MOSFET体二极管作为电感电流的续流通路，可简化电路并提高电路可靠性。
在其中一个实施例中，请结合图2、6、7、8及9，驱动单元30包括第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2、第一电阻R1、第二电阻R2及双通道驱动电路IC1。
第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2的原边输入端接直流电源，第一光电耦合器U1和第二光电耦合器U2的原边输出端分别接控制信号；第一光电耦合器U1的副边输入端接直流电源正极，第一光电耦合器U1的副边输出端接双通道驱动电路IC1的第二输入端，且通过第一电阻R1接直流电源负极；第二光电耦合器U2的副边输入端接双通道驱动电路IC1的第一输入端，且通过第二电阻R2接直流电源正极，第二光电耦合器U2的副边输出端接直流电源负极；双通道驱动电路IC1的第一输出端和第二输出端分别接第一开关元件(S1)和第二开关元件(S2)。
利用P型及N型MOSFET作为开关元件，无需自举升压控制，驱动线路简单。驱动电路由双通道驱动电路IC1、若干电阻及信号隔离光耦组成。双通道驱动电路IC1及光耦副边的供电可直接采用电池供电，无需额外的供电电路，成本低，即上述的直流电源为电池单元提供。
另外，进一步地，利用NPN及PNP三极管构成图腾柱驱动电路，两个图腾柱驱动电路构成双通道驱动电路IC1。如此，驱动电路的双通道驱动电路IC1，既可以采用普通的双通道驱动IC如TC4427、MIC4424、UCC27324、UCC27424、UCC27524、FAN3224等，也可以采用分立器件NPN及PNP三极管构成的图腾柱作为驱动。这样可进一步降低成本。
本发明还提供了一种电池组主动均衡方法，基于上述的电池组主动均衡电路，所述方法包括：
步骤S1，控制每个所述均衡控制单元中其中一个开关元件导通，使与所述电容器并联导通的电池单元BT1通过所述电感器为该电容器充电；
步骤S2，关闭步骤S1中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电容器充电；
步骤S3，控制每个所述均衡控制单元中另一个开关元件导通，使所述电容器向与其并联导通的相邻另一个电池单元BT2放电；
步骤S4，关闭步骤S3中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电池单元放电；
其中，上述步骤S1-S4，在一个PWM周期内完成。通过步骤S1-S4，各个所述电池单元实现电压均衡。
总之本方案，开关元件不限于光耦继电器，MOSFET，也可以用继电器等其他形式的开关代替。驱动电路也可以用半桥驱动IC以及N型MOSFET替代。两个互补的PWM驱动信号，也可以用一个PWM信号实现，在光耦的副边再通过电路变为两个PWM信号分别驱动奇、偶两个开关管。
本方案以较低的成本和较简单的控制，实现了串联数量没有限制的蓄电池组的电压均衡，具有不需要巡检单元电池电压、没有额外的能量损耗、没有瞬间的大电流及电磁干扰等特点，提高了系统可靠性。不管电池组是处于充电、放电还是静态过程，都可以不间断的实现电压均衡，延长电池组的使用寿命。
不需要巡检单元电池的电压，不限制电池组串联的数量，没有瞬间大电流，在一个PWM周期内即可完成能量的转移，串联的电容器组具有并行电压均衡的特点，提高了均衡的速度。采用光耦继电器的驱动电路简单可靠，采用更低内阻的MOSFET能够进一步降低线路损耗，提高开关频率，加快电压均衡速度。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池组主动均衡电路，用于控制串联电池组中各个电池单元之间的电压均衡，其特征在于，所述电路包括与所述电池单元数量相同的均衡控制单元和比所述电池单元数量少一个的电容器，所述均衡控制单元与所述电池单元一一对应并联连接；
其中，每个所述均衡控制单元包括第一开关元件、第二开关元件和一电感器，所述第一开关元件和所述第二开关元件串联后与对应的所述电池单元并联，所述第一开关元件和所述第二开关元件交替开闭；所述电感器的第一端接所述与两个所述功率开关的串联节点；每个所述电容器分别连接在两个相邻的所述均衡控制单元上的电感器的第二端之间。
2.如权利要求1所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件为光耦继电器；
所述第一开关元件的原边输入端和所述第二开关元件的原边输入端接直流电源；所述第一开关元件的原边输出端和所述第二开关元件的原边输出端分别接入占空比为50％的互补驱动信号；
所述第一开关元件的副边输入端接所述电池单元的正极，所述第一开关元件的副边输出端接和所述第二开关元件的副边输入端，所述第二开关元件的副边输出端接所述电池单元的负极。
3.如权利要求1所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元接入控制信号，分别向第一开关元件和所述第二开关元件输出驱动信号，以控制所述第一开关元件和所述第二开关元件交替开闭。
4.如权利要求3所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元的数量与所述电池单元数量相同。
5.如权利要求1或3所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件为功率开关管，所述第一开关元件和所述第二开关元件分别接入占空比为50％的PWM互补驱动信号。
6.如权利要求5所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件同为N型MOSFET，或同为P型MOSFET。
7.如权利要求3所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第一开关元件和所述第二开关元件其中一个为N型MOSFET，另一个为P型MOSFET。
8.如权利要求7所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述驱动单元包括第一光电耦合器、第二光电耦合器、第一电阻、第二电阻及双通道驱动电路，其中：
所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的原边输入端接直流电源，所述第一光电耦合器和所述第二光电耦合器的原边输出端分别接所述控制信号；
所述第一光电耦合器的副边输入端接所述直流电源正极，所述第一光电耦合器的副边输出端接所述双通道驱动电路的第二输入端，且通过所述第一电阻接所述直流电源负极；所述第二光电耦合器的副边输入端接所述双通道驱动电路的第一输入端，且通过所述第二电阻接所述直流电源正极，所述第二光电耦合器的副边输出端接所述直流电源负极；
所述双通道驱动电路的第一输出端和第二输出端分别接所述第一开关元件和所述第二开关元件。
9.如权利要求1所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第一开关元件和第二开关元件具有体二极管，或分别并联一续流二极管。
10.一种电池组主动均衡方法，基于权利要求1至9任一项所述的电池组主动均衡电路，其特征在于，所述方法包括：
S1，控制每个所述均衡控制单元中其中一个开关元件导通，使与所述电容器并联导通的电池单元通过所述电感器为该电容器充电；
S2，关闭步骤S1中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电容器充电；
S3，控制每个所述均衡控制单元中另一个开关元件导通，使所述电容器向与其并联导通的相邻另一个电池单元放电；
S4，关闭步骤S3中导通的开关元件，进入死区时间，所述电感器继续向所述电池单元放电；
其中，上述步骤S1-S4，在一个PWM周期内完成；通过步骤S1-S4，各个所述电池单元实现电压均衡。
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