CN106740241B - 一种锂电池主动均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电池管理芯片LTC6804的电动汽车锂电池主动均衡系统，单片机通过电池管理芯片来采集电池电压，并确定锂电池主动均衡方案，均衡电路中使用N‑MOSFET和P‑MOSFET串联形成的双向开关，能够实现能量的双向传递，且两组双向开关仅需要一个控制信号，极大减小系统控制难度。每个电池要串联一个充电允许开关，防止误充电的发生，提高了系统的安全可靠性。控制两个N‑MOSFET即可实现单体‑单体均衡电路和单体‑整体均衡电路的切换，使电路结构清晰，且便于控制。单体‑单体均衡电路和单体‑整体均衡电路组成的双层均衡电路,使动力锂电池组达到最佳的均衡效果。本发明电路结构简洁，成本低，均衡速度快，电路具有层次性，易于模块化，利于多个均衡电路的堆叠，可广泛应用于电动汽车。

Description

一种锂电池主动均衡系统
技术领域
本发明涉及一种基于电池管理芯片LTC6804的锂电池主动均衡系统,尤其适用于电动汽车。
背景技术
锂电池是电动汽车动力的源泉,电动汽车的性能很大程度上取决于锂电池,因此锂电池的维护显得尤其重要。制造工艺的不同和各种坏境因素会导致锂电池容量不同，锂电池单体的电压差异会随着充放电次数的增多而逐渐扩大，这种电压差异会导致电池组性能下降和工作年限缩短,因此为动力锂电池组设计均衡电路来实现锂电池单体电压的均衡显得尤其重要。锂电池的均衡分为被动均衡和主动均衡。其中，被动均衡电路将锂电池单体多余的电能消耗在电阻上,其电路简单，控制简便,但能量利用低下且均衡速度缓慢。主动均衡电路通过储能器件将能量在电池组内部传递,主动均衡的方法主要包括：电容均衡法，电感均衡法，变压器均衡法。主动均衡的能量传递方向分为：单体-单体，单体-整体，整体-单体。主动均衡能量利用率高，均衡速度快，但是其控制复杂，成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种锂电池主动均衡系统解决传统主动均衡控制复杂,成本高的缺点。
本发明是这样实现的，
一种锂电池主动均衡系统，该系统包括：
电池管理芯片用于采集电池电压，所述电池管理芯片的采集引脚和多节18650锂电池相连；单片机，其SPI端口与电池管理芯片的SPI端口相连；MOSFET阵列，由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成，与单片机的控制引脚和电池管理芯片的控制引脚相连；由MOSFET阵列中P-MOSFET和N-MOSFET管导通和关断形成单体-单体均衡电路实现单体到单体的能量转移；由MOSFET阵列中P-MOSFET管和N-MOSFET管导通和关断形成单体-整体均衡电路实现单体到整体的能量转移；该系统中包括通过MOSFET阵列控制与每节18650锂电池形成回路的超级电容；以及原边与每节18650锂电池形成回路，副边与所有18650锂电池串联后形成回路的反激变压器。
进一步地，所述电池管理芯片采用型号为LTC6804的芯片。
进一步地，通过所述电池管理芯片的Sn端口控制多对由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成的双向开关。
进一步地，18650锂电池数量为12节。
进一步地，所述MOSFET阵列包括每节18650锂电池的正极依次连接的第一N-MOSFET管与第一P-MOSFET管，每节18650锂电池的负极依次连接的第二P-MOSFET管、第二N-MOSFET管以及第三N-MOSFET管组成的均衡控制开关；
MOSFET阵列还包括超级电容的正极依次连接的P-MOSFET管Q1、N-MOSFET管Q2与N-MOSFET管Q3以及反激变压器原边相连的N-MOSFET管Q4组成的均衡模式控制开关。
进一步地，所述均衡模式控制开关N-MOSFET管Q2与P-MOSFET管Q1通过电阻R10与电池管理芯片控制端相连。
进一步地，若检测到某单体电池作为输出电池需要将能量转移到另一个单体电池作为接受电池，则需要按以下步骤完成单体-单体的能量转移：
步骤1：将N-MOSFET管Q3的控制信号置为高电平，则N-MOSFET管Q3导通，电路工作在单体-单体均衡模式。
步骤2：控制MOSFET阵列使得输出电池与超级电容并联，则输出电池将能量转移至超级电容；
步骤3：控制接受电池连接的MOSFET阵列，接受电池与超级电容并联，超级电容将能量传递到接受电池。
进一步地，若检测到某单体电池作为输出电池需要将能量转移到整个电池组,则需要按以下步骤完成单体-整体的能量转移：
步骤1：将N-MOSFET管Q4的控制信号置为高电平，则N-MOSFET管Q4导通，电路工作在单体-整体均衡模式。
步骤2：将输出电池与反激变压器的原边并联能量储存在反激变压器的原边；
步骤3：将N-MOSFET管Q4的控制信号置为低电平，则N-MOSFET管Q4关断，此时反激变压器原边的能量释放到副边，则完成了单体电池到整个电池组的能量转移。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明成本低，耗材少，效率高，控制简单。采用的LTC6804是美国linear公司是第三代多节电池监控芯片，可测量多达12个串接电池电压并具有低于1.2mV的总测量误差，可在290us内完成12节电池电压的测量,并且可选择较低的采集速率来实现高噪声抑制。本发明的主动均衡电路由单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路构成，其中单体-单体均衡电路采用超级电容来传递能量，超级电容充电速度快，循环使用寿命长，深度充放电可重复100万次，电流放电能力强，能量转换效率高。采用反激式变压器来传递能量，反激式变压器能量传递效率高，且输出稳定，因此在单体向电池组传递能量时可以为电池组提供稳定可靠的充电电流。
LTC6804可以迅速采集12节锂电池电压，将数据传给STM32F103单片机。单片机通过LTC6804的Sn控制12对由P-MOSFET和N-MOSFET组成的双向开关，极大降低了控制难度。利用超级电容和反激变压器传递能量，均衡速度快，效率高。控制两个N-MOSFET的开关即可实现单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路的切换,电路结构清晰,且便于控制。单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路组成的双层均衡电路,使动力锂电池组达到最佳的均衡效果。电路具有层次性，易于模块化，利于多个均衡电路的堆叠。
附图说明
图1是本发明主动均衡系统框图；
图2是LTC6804引脚配置图；
图3是本发明提供的系统的电路原理图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，电池管理芯片用于采集电池电压，电池管理芯片的采集引脚和多节18650锂电池相连；单片机，其SPI端口与电池管理芯片的SPI端口相连；MOSFET阵列，由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成，与单片机的控制引脚和电池管理芯片的控制引脚相连；由MOSFET阵列中P-MOSFET管和N-MOSFET管导通和关断形成单体-单体均衡电路实现单体到单体的能量转移；由MOSFET阵列中P-MOSFET管和N-MOSFET管导通和关断形成单体-整体均衡电路实现单体到整体的能量转移；该系统中包括通过MOSFET阵列控制与每节18650锂电池形成回路的超级电容；以及原边与每节18650锂电池形成回路，副边与所有18650锂电池串联后形成回路的反激变压器。
本实施例中电池管理芯片采用型号为LTC6804的芯片(参见图2)。单片机的型号为STM32F103，STM32F103单片机的SPI端口与电池管理芯片LTC6804的SPI相连。LTC6804芯片的采集引脚和12节18650锂电池相连。STM32F103单片机的控制引脚和LTC6804芯片的控制引脚与MOSFET阵列相连。MOSFET阵列控制着单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路的导通和关断。单体-单体均衡电路与超级电容相连。单体-整体均衡电路与反激变压器相连。超级电容5和反激变压器与12节18650锂电池构成回路，实现能量转移。
这里所述的单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路指的是MOSFET阵列以及超级电容和反激变压器，在不同的导通状态下的一种电路状态。单体-单体均衡电路通过超级电容在锂电池单体之间传递能量，单体-整体均衡电路通过反激变压器在单体锂电池和整个电池组之间传递能量。
STM32F103单片机通过电池管理芯片LTC6804来采集电池电压，确定锂电池主动均衡方案。并通过电池管理芯片LTC6804的Sn控制对由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成的双向开关。主动均衡电路由单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路构成，单体-单体均衡电路通过超级电容在锂电池单体之间传递能量,单体-整体均衡电路通过反激变压器在单体锂电池和整个电池组之间传递能量,两个电路分步运行，最终实现锂电池组的动态均衡。N-MOSFET管和P-MOSFET管串联形成的双向开关，能够实现能量的双向传递，且两组双向开关仅需要一个控制信号，极大减小系统控制难度。每个电池要串联一个充电允许开关，防止误充电的发生，提高了系统的安全可靠性，控制两个N-MOSFET管即可实现单体-单体均衡电路和单体-整体均衡电路的切换。
参见图3，实际系统中为12节电池，本图中仅以4节电池为模型以作说明，MOSFET阵列包括每节18650锂电池的正极依次连接的第一N-MOSFET管与第一P-MOSFET管，每节18650锂电池的负极依次连接的第二P-MOSFET管、第二N-MOSFET管与第三N-MOSFET管组成的均衡控制开关；MOSFET阵列包括还超级电容的正极依次连接的P-MOSFET管Q1、N-MOSFET管Q2与N-MOSFET管Q3以及反激变压器原边相连的N-MOSFET管Q4组成的均衡模式控制开关。
具体地，参见图3(本图仅以4节电池为模型以作说明)，包括C0～C4端分别于电池管理芯片(LTC6804)的C0～C4相连，S1～S4控制端分别与电池管理芯片(LTC6804)的S1～S4相连，GPIO1控制端与电池管理芯片(LTC6804)的GPIO1相连，电阻R9和电容C24，电阻R7和电容C23，电阻R5和电容C22，电阻R3和电容C21，均为RC滤波电路，能提高电池管理芯片(LTC6804)的采样精度。电阻R2，电阻R4，电阻R6，电阻R8，电阻R10用于为MOSFET控制信号输入端提供保护。二极管D1,二极管D2,二极管D3,二极管D4为齐纳二极管并联在锂电池，可以防止锂电池的过充，保护锂电池。以18650锂电池Cell4为例，MOSFET管Q41，MOSFET管Q42,MOSFET管Q43,MOSFET管Q44,MOSFET管Q45为Cell4的均衡控制开关。18650锂电池Cell4的正极依次连接的MOSFET管Q43，MOSFET管Q44，分别作为第一N-MOSFET管与第一P-MOSFET管，每节18650锂电池的负极依次连接的MOSFET管Q41，MOSFET管Q42，MOSFET管Q45分别作为第二P-MOSFET管、第二N-MOSFET管以及第三N-MOSFET管组成均衡控制开关；二极管VD41，二极管VD42，MOSFET管Q41,MOSFET管Q42和二极管VD43,二极管VD44,MOSFET管Q43,MOSFET管Q44构成两个双向开关。MOSFET管Q41,MOSFET管Q42,MOSFET管Q43,MOSFET管Q44共用LTC6804的控制信号S4。MOSFET管Q45为充电允许开关，由单片机单独GPIO控制,其作用是防止误充电的发生。二极管VD45用于为Cell4放电提供通路。Cell3，Cell2，Cell1的均衡控制开关结构同Cell4，此处不再一一赘述。
均衡模式控制开关包括与超级电容串联连接的N-MOSFET管Q3、N-MOSFET管Q2以及P-MOSFET管Q1，N-MOSFET管Q2以及P-MOSFET管Q1之间通过电阻R10与电池管理芯片控制端相连，与18650锂电池的均衡控制开关相配合与每节18650锂电池形成回路。
均衡模式控制开关包括与反激变压器的原边连接的N-MOSFET管Q4。
N-MOSFET管Q3导通,N-MOSFET管Q4关断时电路工作在单体-单体均衡模式。N-MOSFET管Q4导通，N-MOSFET管Q3关断电路工作在单体-整体均衡模式。与MOSFET管并联的二极管VD1,二极管VD2与P-MOSFET管Q1,N-MOSFET管Q2构成一个双向开关，由电池管理芯片的GPIO1控制。超级电容C20用于传递能量，如果超级电容C20电压变化率过快，则会产生一个很大的冲击电流,所以串联L1来限制冲击电流。锂电池给超级电容C20充电时，二极管VD3用于提供通路。反激变压器T1，N-MOSFET管Q4，二极管VD4构成基本的反激电路拓扑，在N-MOSFET管Q4导通时将能量储存在原边，N-MOSFET管Q4关断时将能量释放到副边。
举例说明能量转移的过程：
若检测到Cell4需要将能量转移到Cell2，则需要按以下步骤完成单体-单体的能量转移：
步骤1：将MOSFET管Q3的控制信号置为高电平，则MOSFET管Q3导通，电路工作在单体-单体均衡模式。
步骤2：控制S4和GPIO1输出高电平。MOSFET管Q2,MOSFET管Q42,MOSFET管Q43，二极管VD1，二极管VD3,二极管VD41,二极管VD44,二极管VD45导通，Cell4与超级电容C20并联，则Cell4将能量转移至超级电容C20，S1和GPIO1输出低电平，第一阶段的能量转移结束。
步骤3：将Cell2的充电允许MOSFET管Q25的控制信号置为高电平。MOSFET管Q1,MOSFET管Q3,MOSFET管Q21,MOSFET管Q24,MOSFET管Q25，二极管VD2,二极管VD22,二极管VD23导通，Cell2与超级电容C20并联，超级电容C20将能量传递到Cell2，将MOSFET管Q3，MOSFET管Q25的控制信号置为低电平，则完成了Cell4-Cell2的能量转移。
若检测到Cell3需要将能量转移到整个电池组,则需要按以下步骤完成单体-整体的能量转移：
步骤1：将MOSFET管Q4的控制信号置为高电平，则MOSFET管Q4导通,电路工作在单体-整体均衡模式。
步骤2：控制S3输出高电平。MOSFET管Q32，MOSFET管Q33，二极管VD31，二极管VD34，二极管VD35导通，此时能量储存在反激变压器的原边。
步骤3：将MOSFET管Q4的控制信号置为低电平，同时控制S3输出低电平。则MOSFET管Q4关断，此时反激变压器原边的能量通过二极管VD4释放到副边，则完成了Cell2到整个电池组的能量转移。
以上所述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 (8)

1.一种锂电池主动均衡系统，其特征在于，该系统包括：
电池管理芯片用于采集电池电压，所述电池管理芯片的采集引脚和多节18650锂电池相连；
单片机，其SPI端口与电池管理芯片的SPI端口相连；
MOSFET阵列，由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成，与单片机的控制引脚和电池管理芯片的控制引脚相连；
由MOSFET阵列中P-MOSFET管和N-MOSFET管导通和关断形成单体-单体均衡电路实现单体到单体的能量转移；
由MOSFET阵列中P-MOSFET管和N-MOSFET管导通和关断形成单体-整体均衡电路实现单体到整体的能量转移；
该系统中还包括通过MOSFET阵列控制与每节18650锂电池形成回路的超级电容；
以及原边与每节18650锂电池形成回路，副边与所有18650锂电池串联后形成回路的反激变压器。
2.按照权利要求1所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，所述电池管理芯片采用型号为LTC6804的芯片。
3.按照权利要求2所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，通过所述电池管理芯片的Sn端口控制多对由P-MOSFET管和N-MOSFET管组成的双向开关。
4.按照权利要求1所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，18650锂电池数量为12节。
5.按照权利要1或2所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，所述MOSFET阵列包括每节18650锂电池的正极依次连接的第一N-MOSFET管与第一P-MOSFET管，每节18650锂电池的负极依次连接的第二P-MOSFET管、第二N-MOSFET管以及第三N-MOSFET管组成的均衡控制开关；MOSFET阵列还包括超级电容的正极依次连接的P-MOSFET管Q1、N-MOSFET管Q2与N-MOSFET管Q3以及反激变压器原边相连的N-MOSFET管Q4组成的均衡模式控制开关。
6.按照权利要5所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，所述均衡模式控制开关N-MOSFET管Q2与P-MOSFET管Q1通过电阻R10与电池管理芯片控制端相连。
7.按照权利要5所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，
若检测到某单体电池作为输出电池需要将能量转移到另一个单体电池作为接受电池，则需要按以下步骤完成单体-单体的能量转移：
步骤1：将N-MOSFET管Q3的控制信号置为高电平，则N-MOSFET管Q3导通，电路工作在单体-单体均衡模式。
步骤2：控制MOSFET阵列使得输出电池与超级电容并联，则输出电池将能量转移至超级电容；
步骤3：控制接受电池连接的MOSFET阵列，接受电池与超级电容并联，超级电容将能量传递到接受电池。
8.按照权利要5所述的锂电池主动均衡系统，其特征在于，
若检测到某单体电池作为输出电池需要将能量转移到整个电池组,则需要按以下步骤完成单体-整体的能量转移：
步骤1：将N-MOSFET管Q4的控制信号置为高电平，则N-MOSFET管Q4导通，电路工作在单体-整体均衡模式。
步骤2：将输出电池与反激变压器的原边并联，能量储存在反激变压器的原边；
步骤3：将N-MOSFET管Q4的控制信号置为低电平，则N-MOSFET管Q4关断，此时反激变压器原边的能量释放到副边，则完成了单体电池到整个电池组的能量转移。
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