CN105978108A - 汽车动力电池缓冲式主动均衡电路及均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种汽车动力电池缓冲式主动均衡电路及均衡方法，包括电路主控单元、电池组单元、电池通道切换单元、DC‑DC双向变换单元、缓冲电池单元，所述电路主控单元用于对电池组单元的电量进行采样，并计算电池组单元的当前状态，所述电池通道切换单元用于对电池组单元的通道进行切换，所述DC‑DC双向变换单元用于在电路主控单元的控制下完成所述电池通道切换单元与所述缓冲电池单元之间的双向导通，所述缓冲电池单元用于存储所述电池组单元中过高的电量，或者为所述电池组单元补充电量，本发明实施例还提出一种主动均衡方法，采用缓冲式主动均衡电路及方法，因为提供了额外的能量缓冲电池，使得电池组在极端的情况下，也能有效的动态平衡。
Description
技术领域
本发明涉及一种可充电电池的均衡电路，特别涉及一种汽车动力电池主动均衡电路及均衡方法。
背景技术
随着人们对环保要求的提高，绿色能源成为改善环境先行者，可充电电池的应用从电动工具到纯电动汽车等，不管是消费类还是工业类，应用已是越来越广泛，要求输出功率也是越来越大。由于单体可充电电池的电压受本身的化学特性限制，在很多的应用中都需要将电池串、并联使用，提高电池的输出功率，由于电芯制造的材料、工艺等原因，电芯在使用过程中，很容易出现内阻、电压、容量不平衡，电芯串并联使用的数量越多，产生的不平衡问题越严重，不平衡问题直接影响电池组的输出功率及使用循环寿命。
从目前的多节电池平衡特性分为两种：一种是被动均衡，其原理是将不平衡电池组中的高电量的电池，通过电阻放电的模式，消耗掉容量高的电池能量，以最低容量的电池为平衡基准；第二种是主动均衡，主动均衡从方式上又可分两种类型，第一种类型是将不平衡的电池组中容量最大的通过DC-DC隔离升压到总线，将单节电芯的能量转移到整个电池组；第二种类型是从电池组总的电压通过DC-DC隔离降压到单节电芯，给容量低的电芯充电，将整个电池组的能量转移到单节电池。
被动均衡特点:其结构简单，元件少，在很多小容量、低串数的产品中应用很广泛，因其原理是电能转为热能的消耗模式，平衡会产生热能，其缺点是不利于做大电流，由于平衡是消耗高容量电池到与低电池为基准，也将大大降低了电池组的有效容量。
主动均衡特点：结构复杂，控制繁琐，对于串数越多的应用，可实现的难度就越大。对于主动均衡来说，无论是从电池组总电压DC-DC给单节电池充电，还是从单节电芯DC-DC给到电池组总电压充电，其中都不可能避免的是电芯的能量要经过多次转换循环，才能得到电池组的平衡，在多次的循环中也将会损耗电池的有效容量，当电池组的某串在充满临界或是放空的临界状态，其它各组处于平衡时，这种方法将无法完成动态平衡。
发明内容
本发明实施例提出一种在汽车电池组之外，额外增加了一组专用于动态平衡电能的缓冲电池组，通过缓冲电池组与汽车电池组之间的能量双向转移，实现电量动态主动均衡的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路及均衡方法。
一种汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，包括电路主控单元、电池组单元、电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元、缓冲电池单元，所述电路主控单元连接电池组单元、电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元，用于对电池组单元的电量进行采样，并计算电池组单元的当前状态，依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元进行控制，以完成电池组单元和缓冲电池单元之间的电量转移，所述电池组单元连接在电路主控单元与电池通道切换单元之间，用于外部电量储存，所述电池通道切换单元连接在电池组单元与DC-DC双向变换单元缓冲电池单元之间，用于在电路主控单元的控制下完成对电池组单元的通道切换，所述DC-DC双向变换单元连接在电池通道切换单元与缓冲电池单元之间，用于在电路主控单元的控制下完成所述电池通道切换单元与所述缓冲电池单元之间的双向导通，所述缓冲电池单元与DC-DC双向变换单元连接，用于存储所述电池组单元中过高的电量，或者为所述电池组单元补充电量。
优选的，还在电池组单元与电池通道切换单元之间设置熔断保护单元，用于对电池组单元或电池通道切换单元的保护。
优选的，所述电路主控单元包含脉宽调制器、模数转换器件、通道切换控制器，所述脉宽调制器通过端口与所述DC-DC双向变换单元连接，用于根据主控单元计算的电池组单元的当前状态控制所述DC-DC双向变换单元的导通和关断状态，完成所述电池组单元和所述缓冲电池单元之间的电流转移，所述模数转换器件通过端口与所述电池组单元连接，用于采样电池组单元的电量，并计算电池组单元的当前状态，所述通道切换控制器与所述电池通道切换单元连接，用于依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元进行切换，以完成电池组单元和缓冲电池单元之间的电量转移。
优选的，所述电池组单元包括若干单体电池，所述若干单体电池串联连接。
优选的，所述电池通道切换单元包括电池单体切换MOSFET组和总线控制MOSFET组，所述电池单体切换MOSFET组包括若干组串联MOSFET，所述若干组串联MOSFET的个数与所述电池组单元中的单体电池的个数相对应，并且相邻两组串联MOSFET分别连接在一个单体电池的正极和负极，串联MOSFET的栅极连接所述电路主控单元的通道切换控制器，所述总线控制MOSFET组包括四个单体MOSFET，所述四个单体MOSFET的栅极连接所述电路主控单元的通道切换控制器，两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元的正极之间，另外两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元的负极之间。
优选的，所述DC-DC双向变换单元包括四个MOSFET、一个电感、两个电容，所述四个MOSFET采用全桥连接。
优选的，所述缓冲电池单元包括电池单体或多个电池单体并联。
一种汽车动力电池缓冲式主动均衡方法，包括：
利用电路主控单元对电池组单元的电量进行采样，并计算电池组单元的当前状态；
依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元进行切换，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元连接；
利用电路主控单元对DC-DC双向变换单元进行控制，完成所述电池组单元向缓冲电池单元的充电，或所述缓冲电池单元向电池组单元的补电。
优选的，根据主控单元计算的电池组单元的当前状态，利用脉宽调制器来控制所述DC-DC双向变换单元的导通和关断状态，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元连接，完成所述电池组单元和所述缓冲电池单元之间的电流转移。
优选的，利用所述模数转换器件采样电池组单元的电量，并计算电池组单元的当前状态。
本发明提供的一种汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，采用缓冲式主动均衡电路及方法，因为提供了额外的能量缓冲电池，使得电池组在极端的情况下，也能有效的动态平衡。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明实施例的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个较佳实施例的电路图。
图中：电路主控单元1、电池组单元2、熔断保护单元3、电池通道切换单元4、DC-DC双向变换单元5、缓冲电池单元6。
具体实施方式
为了使本发明解决的技术问题、采用的技术方案、取得的技术效果易于理解，下面结合具体的附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1，一种汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，包括电路主控单元1、电池组单元2、熔断保护单元3、电池通道切换单元4、DC-DC双向变换单元5、缓冲电池单元6。
所述电路主控单元1连接电池组单元2、电池通道切换单元4、DC-DC双向变换单元5，用于对电池组单元2的电量进行采样，并计算电池组单元2的当前状态，依据电池组单元2的当前状态对电池通道切换单元4、DC-DC双向变换单元5进行控制，以完成电池组单元2和缓冲电池单元6之间的电量转移，所述电池组单元2连接在电路主控单元1与电池通道切换单元4之间，用于外部电量储存，所述电池通道切换单元4连接在电池组单元2与DC-DC双向变换单元5缓冲电池单元6之间，用于在电路主控单元1的控制下完成对电池组单元2的通道切换，所述DC-DC双向变换单元5连接在电池通道切换单元4与缓冲电池单元6之间，用于在电路主控单元1的控制下完成所述电池通道切换单元4与所述缓冲电池单元6之间的双向导通，所述缓冲电池单元6与DC-DC双向变换单元5连接，用于存储所述电池组单元2中过高的电量，或者为所述电池组单元2补充电量。
进一步，还在电池组单元2与电池通道切换单元4之间设置熔断保护单元3，用于对电池组单元2或电池通道切换单元4的保护。
进一步，所述电路主控单元1包含脉宽调制器、模数转换器件、通道切换控制器，所述脉宽调制器通过端口与所述DC-DC双向变换单元5连接，用于根据主控单元计算的电池组单元2的当前状态控制所述DC-DC双向变换单元5的导通和关断状态，完成所述电池组单元2和所述缓冲电池单元6之间的电流转移，所述模数转换器件通过端口与所述电池组单元2连接，用于采样电池组单元2的电量，并计算电池组单元2的当前状态，所述通道切换控制器与所述电池通道切换单元4连接，用于依据电池组单元2的当前状态对电池通道切换单元4进行切换，以完成电池组单元2和缓冲电池单元6之间的电量转移。
如图1所示，所述电路主控单元1包括模数转换ADC，脉宽调制器PWM1、PWM2、PWM3、PWM4，端口控制P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P(0-N)，P(0-N)表示可以在现有个数的单体电池的基础上串联更多的电池。模数转换ADC与每节电池连接，所述熔断保护单元3与每节电池连接，
进一步，所述电池组单元2包括若干串联的单体电池，电池组负极接地。
进一步，所述电池通道切换单元4包括电池单体切换MOSFET组和总线控制MOSFET组，所述电池单体切换MOSFET组包括若干组串联MOSFET，所述若干组串联MOSFET的个数与所述电池组单元2中的单体电池的个数相对应，并且相邻两组串联MOSFET分别连接在一个单体电池的正极和负极，串联MOSFET的栅极连接所述电路主控单元1的通道切换控制器，所述总线控制MOSFET组包括四个单体MOSFET，所述四个单体MOSFET的栅极连接所述电路主控单元1的通道切换控制器，两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元5的正极之间，另外两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元5的负极之间。
如图1所示，所述电池通道切换单元4包括四个总线控制MOSFET和若干组电池单体切换MOSFET，四个总线控制MOSFET为Q5、Q6、Q7、Q8，电池单体切换MOSFET包括Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16……Qn-1、Qn，所述电池单体切换MOSFET与熔断保险连接，所述总线控制MOSFET与电池DC-DC双向变换单元5连接。
进一步，所述DC-DC双向变换单元5包括四个MOSFET、一个电感、两个电容，所述四个MOSFET采用全桥连接。所述DC-DC双向变换单元5包括MOSFETQ1、Q2、Q3、Q4和电感L1同滤波电容C1、C2，所述缓冲电池单元6由单体或多个单体并联，所述缓冲电池单元6与C1连接。
进一步，所述缓冲电池单元6包括电池单体或多个电池单体并联。
本发明还提出一种汽车动力电池缓冲式主动均衡方法，包括：
利用电路主控单元1对电池组单元2的电量进行采样，并计算电池组单元2的当前状态；
依据电池组单元2的当前状态对电池通道切换单元4进行切换，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元5连接；
利用电路主控单元1对DC-DC双向变换单元5进行控制，完成所述电池组单元2向缓冲电池单元6的充电，或所述所述缓冲电池单元6向电池组单元2的补电。
进一步，根据主控单元计算的电池组单元2的当前状态，利用脉宽调制器来控制所述DC-DC双向变换单元5的导通和关断状态，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元5连接，完成所述电池组单元2和所述缓冲电池单元6之间的电流转移。
进一步，利用所述模数转换器件采样电池组单元2的电量，并计算电池组单元2的当前状态。
为了充分说明本发明的缓冲式主动均衡电路的原理及主动均衡方法，下面列举了两个实施例。
具体实施例1：当电路主控单元1检测到BAT2的电量比其它电池要高时，其它电池都是一致的，就会将BAT2的电量转移到备份电池BAT中，过程如下：MCU端口控制将连接BAT2正、负极的Q11、Q12、Q13、Q14打开，其它电池通道全部关闭，再将端口P1.0制为低，P1.1制为高，MOSFET Q5关闭、Q6导通，BAT2的正极连接DC-DC的正端；端口控制P1.2为高，P1.3为低，MOSFET Q7导通，Q8关闭，BAT2的负极连接DC-DC的负端，DC-DC通过升压给备份电池BAT充电，将电量储存在备份电池BAT中。
具体实施例2：当电路主控单元1检测到BAT2的电量比其它电池要低时，其它电池都是一致的，就会将备份电池BAT的电量转移BAT2到中，过程如下：MCU端口控制将连接BAT2正、负极的Q11、Q12、Q13、Q14打开，其它电池通道全部关闭，再将端口P1.0制为低，P1.1制为高，MOSFET Q5关闭、Q6导通，BAT2的正极连接DC-DC的正端；端口控制P1.2为高，P1.3为低，MOSFET Q7导通，Q8关闭，BAT2的负极连接DC-DC的负端，DC-DC通过降压给BAT2充电，将备份电池BAT中的电量转移到BAT2中。
本发明已通过优选的实施方式进行了详尽的说明。然而，通过对前文的研读，对各实施方式的变化和增加对于本领域的一般技术人员来说是显而易见的。申请人的意图是所有的这些变化和增加都落在了本发明权利要求所保护的范围中。
Claims (10)
1.一种汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：包括电路主控单元、电池组单元、电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元、缓冲电池单元，所述电路主控单元连接电池组单元、电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元，用于对电池组单元的电量进行采样，并计算电池组单元的当前状态，依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元、DC-DC双向变换单元进行控制，以完成电池组单元和缓冲电池单元之间的电量转移，所述电池组单元连接在电路主控单元与电池通道切换单元之间，用于外部电量储存，所述电池通道切换单元连接在电池组单元与DC-DC双向变换单元缓冲电池单元之间，用于在电路主控单元的控制下完成对电池组单元的通道切换，所述DC-DC双向变换单元连接在电池通道切换单元与缓冲电池单元之间，用于在电路主控单元的控制下完成所述电池通道切换单元与所述缓冲电池单元之间的双向导通，所述缓冲电池单元与DC-DC双向变换单元连接，用于存储所述电池组单元中过高的电量，或者为所述电池组单元补充电量。
2.如权利要求1所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：还在电池组单元与电池通道切换单元之间设置熔断保护单元，用于对电池组单元或电池通道切换单元的保护。
3.如权利要求2所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：所述电路主控单元包含脉宽调制器、模数转换器件、通道切换控制器，所述脉宽调制器通过端口与所述DC-DC双向变换单元连接，用于根据主控单元计算的电池组单元的当前状态控制所述DC-DC双向变换单元的导通和关断状态，完成所述电池组单元和所述缓冲电池单元之间的电流转移，所述模数转换器件通过端口与所述电池组单元连接，用于采样电池组单元的电量，并计算电池组单元的当前状态，所述通道切换控制器与所述电池通道切换单元连接，用于依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元进行切换，以完成电池组单元和缓冲电池单元之间的电量转移。
4.如权利要求3所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：所述电池组单元包括若干单体电池，所述若干单体电池串联连接。
5.如权利要求4所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：所述电池通道切换单元包括电池单体切换MOSFET组和总线控制MOSFET组，所述电池单体切换MOSFET组包括若干组串联MOSFET，所述若干组串联MOSFET的个数与所述电池组单元中的单体电池的个数相对应，并且相邻两组串联MOSFET分别连接在一个单体电池的正极和负极，串联MOSFET的栅极连接所述电路主控单元的通道切换控制器，所述总线控制MOSFET组包括四个单体MOSFET，所述四个单体MOSFET的栅极连接所述电路主控单元的通道切换控制器，两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元的正极之间，另外两个单体MOSFET连接在电池单体切换MOSFET组与所述DC-DC双向变换单元的负极之间。
6.如权利要求5所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：所述DC-DC双向变换单元包括四个MOSFET、一个电感、两个电容，所述四个MOSFET采用全桥连接。
7.如权利要求6所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡电路，其特征在于：所述缓冲电池单元包括电池单体或多个电池单体并联。
8.一种汽车动力电池缓冲式主动均衡方法，其特征在于，包括：
利用电路主控单元对电池组单元的电量进行采样，并计算电池组单元的当前状态；
依据电池组单元的当前状态对电池通道切换单元进行切换，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元连接；
利用电路主控单元对DC-DC双向变换单元进行控制，完成所述电池组单元向缓冲电池单元的充电，或所述缓冲电池单元向电池组单元的补电。
9.如权利要求8所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡方法，其特征在于，还包括：根据主控单元计算的电池组单元的当前状态，利用脉宽调制器来控制所述DC-DC双向变换单元的导通和关断状态，以将需要电量转移的单体电池与DC-DC双向变换单元连接，完成所述电池组单元和所述缓冲电池单元之间的电流转移。
10.如权利要求9所述的汽车动力电池缓冲式主动均衡方法，其特征在于，还包括：利用所述模数转换器件采样电池组单元的电量，并计算电池组单元的当前状态。
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