CN106058986A

CN106058986A - 基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路

Info

Publication number: CN106058986A
Application number: CN201610518361.4A
Authority: CN
Inventors: 徐小强; 谭显烽; 李正
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2016-10-26

Abstract

本发明公开了一种基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其由正极电路d0、负极电路d1、主电路d2、单片机和开关电路Sn组成，n＝0、1、2、....；其中正极电路d0、负极电路d1通过导线分别连接所有电池的正极和负极，并且分别通过开关电路Sn与单片机相连；主电路d2用于电池完成充放电。本发明具有反应迅速、控制方便、能量损耗较少、节能环保和电路简单等优点，可以对由磷酸铁锂构成的汽车电池进行主动均衡，并且可靠性强，工作效率高。

Description

基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路

技术领域

本发明属于电池均衡领域，具体涉及一种基于磷酸铁锂的汽车均衡电路。

背景技术

目前主流的电动汽车、电动车蓄电池由大量的磷酸铁锂低压小电池组成，而且每只电池的特性不一，在工作过程中会因为个别电池容量偏低使整体电池组不能完全充放电。同时也会严重减短电池的寿命，给电动汽车的使用成本及环境污染带来压力。为了解决这个问题，电池均衡技术得到了深入研究和广泛应用，使不同特性的电池能同步充电和放电。

磷酸铁锂汽车电池通常由几个电池组并联，每个电池组由多个电池串联构成。但是这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为电池容量的不匹配将会降低整个电池包的容量。电池容量的不匹配包括充电状态(SOC)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下，电池包的总容量都只能达到最弱电池的容量。在大多数情况下，引起电池失配的原因是工艺控制和检测手段的不完善，而不是锂离子本身的化学属性变化。采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联磷酸铁锂电池包的性能。

现有技术中常见的电池均衡电路包括无源电阻均衡电路和包含电容、电感或变压器的有源均衡电路。无源电阻均衡电路通过电阻分流，以热量的形式消耗掉多余的电量，效率低，不节能。而常见的包含电容、电感或变压器的有源均衡电路由于存在电路过于复杂，且缺乏稳定性等缺陷，也不能满足生产需求。

中国专利文献(申请号：201010572115.x)公开了一种电池均衡装置，该装置利用均衡电阻对电压较高的电池进行放电，能源利用率低，发热严重，充电速度低。

中国专利文献(申请号：201310076819.1)公开了一种电池均衡电路，该电池均衡电路是利用电感作为储能原件，将较高电量的电池中多余的电量转移到电量较低的电池。此种电路可靠性差，过于复杂。

中国专利文献(申请号：201410126118.9)公开了一种电池均衡电路，该电池均衡电路则是利用超级电容进行电量的转移，从而达到均衡的效果。在每一次充放电后都要根据所述超级电容两端的电压计算转移的电量。此种电路过于繁琐，不利于操作。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种简单可靠，无需加入电感和电容，并且通过串联限流电阻来保护电池，能量损耗较少的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路，是由正极电路d0、负极电路d1、主电路d2、单片机和开关电路Sn组成，n＝0、1、2、....，其中：正极电路d0、负极电路d1通过导线分别连接所有电池的正极和负极，并且分别通过开关电路Sn与单片机相连；主电路d2用于电池完成充放电。

所述的正极电路d0，由限流电阻R0、R1、R2、R3和mos管T0、T3、T6、T9组成；所述限流电阻R0、R1、R2、R3，其一端并接于同一导线上，其另一端分别经mos管T0、T3、T6、T9、T10与单片机的I/O端口相连。

所述的负极电路d1，由mos管T1、T4、T7、T10组成，其一端并接于同一导线上，其另一端分别与电池BT0、BT1、BT2、BT3的负极相连。

所述的主电路d2，由磷酸铁锂电池BT0、BT1、BT2、BT3和mos管T2、T5、T8组成，其中：磷酸铁锂电池BT0、BT1、BT2的负极分别与mos管T2、T5、T8的源极相连；磷酸铁锂电池BT1、BT2、BT3的正极分别与mos管T2、T5、T8的漏极相连；磷酸铁锂电池BT0的正极与mos管T0的源极相连，电池BT3的负极与mos管T10的源极相连。

所述的开关电路Sn，其一端并接于单片机的I/O端口，在n不等于0时，其另一端分别与mos管T3n、T3n+1的栅极和反相器bn-1的输入端相连。

所述的单片机，采用STM32F103ZET6单片机。

本发明提供的上述基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路，其在使电动汽车或电动车的多个蓄电池同步充电和放电中的应用。

本发明应用时，由独立的正极电路d0和负极电路d1分别连接所有电池的正极和负极，并由单片机采集电池的电量，通过排序算法得出需要均衡的电池，利用I/O端口输入和输出相应电压控制MOS管的通断；导通支路上的MOS管后使其对应的电池并联到d0和d1上，并且每一个电池都串联一个相同特性的限流电阻R，用来保护电池；同时关断电池之间接有反相器的mos管，从而使所有需要均衡的电池并联到同一电路当中，根据并联电路两端电压相等的特性来完成电池的均衡。

本发明利用电池之间的充放电达到主动均衡，高电量电池给低电量电池充电，直至电量均衡。

所述的排序算法是冒泡排序算法，主要是：在要排序的一组数中，对当前还未排好序的范围内的全部数，自上而下对相邻的两个数依次进行比较和调整，让较大的数往下沉，较小的往上冒，即每当两相邻的数比较后发现它们的排序与排序要求相反时，就将它们互换。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

(1)反应迅速，控制方便，输入控制信号的数量与需要控制的电池数量相同。控制信号少，一个输出电压控制一个电池是否需要被均衡。

(2)没有电容和电感作为储能原件，也没有大量的能量损耗。能量损耗较少，节能环保。

(3)电路所用器件利于集成，占体积小，发热少，电池个数可以变化，均衡电路可以进行扩展。

(4)电路简单，用类似于总线的结构将需要均衡的电池连接起来构成均衡回路，可以对由磷酸铁锂构成的汽车电池进行主动均衡，可靠性强，工作效率高。

附图说明

图1为基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路图。

图2是只有两个电池进行均衡时的工作过程中的简化电路图。

图3是所有电池进行均衡时的工作过程中的简化电路图。

图中：BT0、BT1、BT2、BT3是磷酸铁锂电池，b0、b1、b2是反相器，T1至T10是MOS管，d0、d1、d2是三条主要的电路，R0、R1、R2、R3是限流电阻，S0、S1、S2、S3是单片机输出的控制电压信号。

具体实施方式

本发明公开了一种基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路，该电池均衡电路包括连接所有电池正极的支路和连接所有电池负极的支路，并且分别用两条主线d0和d1连通，所有电池的正极电路d0中均串有相同物理特性的限流电阻Rn，n＝0、1、2、...。通过控制晶体管的栅极电压来控制支路的通断，同一个电池的正极、负极支路可以用同一个控制信号控制通断。该汽车电池均衡电路的特点是将所有需要均衡的电池组同向并联起来，利用并联电路电压相等的特性完成电池电压的均衡，控制和采样均由单片机完成。单片机负责控制开关的通断以及对电池状态的检测。

下面将结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的基于磷酸铁锂的汽车均衡电路，其结构如图1所示，由正极电路d0、负极电路d1、主电路d2、单片机和开关电路Sn组成，n＝0，1，2，....。

所述的正极电路d0，其通过导线与所有电池BTn的正极相连，n＝0、1、2、....，用于连接需要均衡的电池的正极。该正极电路d0由限流电阻R0、R1、R2、R3和mos管T0、T3、T6、T9、T10组成。所述限流电阻R0、R1、R2、R3，其一端并接于同一导线上，其另一端分别经mos管T0、T3、T6、T9与单片机相连。

所述的负极电路d1，其通过导线与所有电池BTn的负极相连，n＝0、1、2、....，用于连接需要均衡的电池的负极。该负极电路d1由mos管T1、T4、T7、T10组成，其一端并接于同一导线上，其另一端分别与电池BT0、BT1、BT2、BT3的负极相连。

所述的主电路d2，其通过导线与正极电路d0和负极电路d1分别相连，用于电池组的充放电。该主电路d2由磷酸铁锂电池BT0、BT1、BT2、BT3和mos管T2、T5、T8组成，其中：电池BT0、BT1、BT2的负极分别与mos管T2、T5、T8的源极相连；电池BT1、BT2、BT3的正极分别与mos管T2、T5、T8的漏极相连；电池BT0的正极与mos管T0的源极相连，电池BT3的负极与mos管T10的源极相连。

所述的开关电路Sn，其通过导线与mos管Tn的栅极相连，n＝0、1、2、....，用于导通或关闭MOS管。该开关电路Sn由开关S0，S1，…Sn组成，n＝0、1、2、....。所述开关S0、S1、…、Sn，其一端并接于单片机的I/O端口，其另一端分别与mos管T3n、T3n+1的栅极和反相器bn-1的输入端相连(n＝0时开关Sn不与反相器连接)。

所述的单片机，采用STM32F103ZET6单片机，其I/O端口与开关电路Sn相连，用于输出控制信号。

本发明提供的基于磷酸铁锂的汽车均衡电路，其工作过程如下：

在平衡开始前，需要断开外部充电电源或降低电源电压，防止磷酸铁锂电池因过充而爆炸。

当单片机检测到电池BT0、BT1需要均衡时，只需要输出S0和S1为“1”(mos管的导通电压)，其它控制信号S均为“0”(低于导通电压)，电池BT0和BT1并联，且正极与正极相连，存在电压差，则高电压电池会给低电压电池充电，直至电池BT0和BT1电量相等，完成均衡，如图2。

当单片机检测到所有电池BTn都需要均衡时，则输出S全为“1”，所有电池BTn并联在一起，将所有电池并联等效成只有两个并联时的情况，可知最后电量可以达到平衡，如图3。然后输出S全变为“0”，d0和d1上所有开关Tn均断开，主电路d2上开关Tn均导通，所有电池都被串联在电路中同时放电，直到放电结束，进入下一个周期。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征是由正极电路d0、负极电路d1、主电路d2、单片机和开关电路Sn组成，n＝0、1、2、....；其中正极电路d0、负极电路d1通过导线分别连接所有电池的正极和负极，并且分别通过开关电路Sn与单片机相连；主电路d2用于电池完成充放电。

2.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征在于所述的正极电路d0，由限流电阻R0、R1、R2、R3和mos管T0、T3、T6、T9组成；所述限流电阻R0、R1、R2、R3，其一端并接于同一导线上，其另一端分别经mos管T0、T3、T6、T9、T10与单片机的I/O端口相连。

3.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征在于所述的负极电路d1，由mos管T1、T4、T7、T10组成，其一端并接于同一导线上，其另一端分别与电池BT0、BT1、BT2、BT3的负极相连。

4.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征在于所述的主电路d2，由磷酸铁锂电池BT0、BT1、BT2、BT3和mos管T2、T5、T8组成，其中：磷酸铁锂电池BT0、BT1、BT2的负极分别与mos管T2、T5、T8的源极相连；磷酸铁锂电池BT1、BT2、BT3的正极分别与mos管T2、T5、T8的漏极相连；磷酸铁锂电池BT0的正极与mos管T0的源极相连，电池BT3的负极与mos管T10的源极相连。

5.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征在于所述的开关电路Sn，其一端并接于单片机的I/O端口，在n不等于0时，其另一端分别与mos管T3n、T3n+1的栅极和反相器bn-1的输入端相连。

6.根据权利要求1所述的基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路,其特征在于所述的单片机，采用STM32F103ZET6单片机。

7.根据权利要求1至6中任一所述基于磷酸铁锂的汽车电池均衡电路的应用,其特征在于该汽车电池均衡电路在使电动汽车或电动车的多个蓄电池同步充电和放电中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用,其特征在于应用时，由独立的正极电路d0和负极电路d1分别连接所有电池的正极和负极，并由单片机采集电池的电量，通过排序算法得出需要均衡的电池，利用I/O端口输入和输出相应电压控制MOS管的通断；导通支路上的MOS管后使其对应的电池并联到d0和d1上，并且每一个电池都串联一个相同特性的限流电阻R，用来保护电池；同时关断电池之间接有反相器的mos管，从而使所有需要均衡的电池并联到同一电路当中，根据并联电路两端电压相等的特性来完成电池的均衡。

9.根据权利要求7所述的应用,其特征是利用电池之间的充放电达到主动均衡，高电量电池给低电量电池充电，直至电量均衡。

10.根据权利要求7所述的应用,其特征在于所述的排序算法是冒泡排序算法，主要是：在要排序的一组数中，对当前还未排好序的范围内的全部数，自上而下对相邻的两个数依次进行比较和调整，让较大的数往下沉，较小的往上冒，即每当两相邻的数比较后发现它们的排序与排序要求相反时，就将它们互换。