CN106849266B - 一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路 - Google Patents

一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，包括均衡切换电路和均衡充放电电路。均衡切换电路用于选择需要进行充放电的电池，均衡充放电电路用于对选中的电池进行充放电。均衡切换电路中采用继电器作为选择电池的通断开关元件，既能实现无损耗均衡，同时电路结构简单，充放电效率高。若想增加电池的数量，只需要增加对应的继电器的数量，电路复杂度不增加，且整个电路中只需要一个均衡充放电电路，一个储能元件，该储能元件可以是单个蓄电池、超级电容或电池模组本身。均衡充放电电路可以双向传递电能，还可以适应电池和储能元件之间的电压差。

Description

一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路
技术领域
本发明涉及电池均衡电路领域，具体是一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路。
背景技术
随着环境污染和能源危机的不断加剧，以混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车为代表的新能源汽车将受到越来越多的重视，必将成为未来汽车行业的主流方向。作为新能源汽车的主要动力来源，电池性能具有至关重要的作用。电池管理系统是用来对新能源汽车动力电池组进行安全监控及有效管理的核心管理控制部件，而电池均衡技术则是电池管理系统中的核心技术之一。
传统的能耗型均衡是在电荷量较多的电池上并联电阻，将多余的能量消耗掉，这种均衡方案消耗了电池组的部分能量，只能解决电池组充电过程，不能解决放电过程，变相的降低了电池组的整体的容量，电池组能量使用率低，而且电阻耗能会发热，这样会影响电池组的工作性能和安全性能。
典型的带变压器的非能耗型均衡电路，通过多绕组的变压器与所需均衡的电池之间传递电能，这种结构的主要优点是能源利用效率高，既能充电时均衡，又能放电时均衡，但是缺点也很明显，变压器的制作工艺要求高，制作困难，均衡电路管理的电池数量有限。
发明内容 本发明的目的是提供一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，以解决现有技术电池均衡电路结构复杂、所管理的电池数量有限的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：包括控制电路、检测电路、均衡充放电电路和接入均衡充放电电路中的储能元件，其中：
检测电路为电池电压检测电路，检测电路的输入端连接锂电池，检测电路的输出端连接控制电路，由检测电路检测锂电池的电压及充放电状态，并将检测的电压信号反馈给控制电路；
均衡充放电电路为双向电能传递电路，均衡充放电电路一端连接锂电池，均衡充放电电路另一端连接储能元件，由均衡充放电电路实现锂电池向储能元件放电以及储能元件向锂电池充电，且锂电池向储能元件充电过程、储能元件向锂电池充电过程分别各自由开关元件控制，开关元件接入控制电路由控制电路控制；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断锂电池是否需要充电或放电，当锂电池的电压高于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行锂电池向储能元件放电过程，当锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行储能元件向锂电池充电过程。
所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：所述均衡充放电电路包括变压器T，NPN型三极管Q1、Q2，PNP型三极管Q3，电容C1、C2、C3，作为储能元件的储能电容C4，二极管D1、D2，电阻R1、R2，变压器T的初级线圈一端与储能电容C4一端连接，变压器T的初级线圈另一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极与储能电容C4的另一端共接接地，电容C1、电阻R1相互串联后再接入变压器T的初级线圈两端之间，二极管D1阴极与三极管Q1的集电极共接，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极共接，变压器T的次级线圈一端与锂电池正极连接，变压器T的次级线圈另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极与锂电池的负极连接，电容C2、电阻R2相互串联后再接入变压器T的次级线圈两端之间，二极管D2阴极与三极管Q2的集电极连接，二极管D2的阳极与三极管Q2的发射极共接，电容C3一端连接至锂电池正极与变压器次级线圈对应端之间，电容C3另一端连接至三极管Q2发射极与三极管Q3集电极之间，所述三极管Q1、三极管Q2分别作为开关元件，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3的基极接入控制电路由控制电路控制。
所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：当用于多个锂电池依次串联或并联构成的电池模组时，在均衡电路中加入均衡切换电路，所述均衡切换电路由多个一一对应于各个锂电池的双刀单掷继电器构成，每个锂电池通过各自对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，由多个双刀单掷继电器切换接入均衡充放电电路的锂电池，各个双刀单掷继电器分别接入控制电路由控制电路控制；
所述检测电路的输入端分别连接各个锂电池，检测电路的输出端连接控制电路，由检测电路检测各个锂电池的电压及充放电状态，并将检测的电压信号反馈给控制电路；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断各个锂电池是否需要充电或放电，当某一个锂电池的电压高于预设值时，该锂电池通过其对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行该锂电池向储能元件放电过程，当该锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行储能元件向该锂电池充电过程。
所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：通过增加双刀单掷继电器数量，可扩展电池模组中锂电池数量。
所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：所述均衡切换电路采用无载切换，即当控制电路控制均衡切换电路介入时或退出时，均衡充放电电路呈开路状态。
所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：所述均衡充放电电路可以适应锂电池和储能元件之间的电压差。
本发明设计了一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路。这种均衡电路结构简单，其中的均衡切换电路可以切换多节电池。电池数量增加，只需相应增加双刀单掷继电器数量，电路的复杂性并不增加；其中的均衡充放电电路可以实现电能的双向无损耗传递。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、均衡电路中选取双刀单掷继电器作为选择电池的开关通断元件，继电器技术成熟，驱动简单，成本低，效率高。2、均衡电路管理多节电池复杂度不增加，电池数量增加，只需均衡切换电路中增加对应的双刀单掷继电器即可。3、均衡充放电电路可以双向传递电流，既对电池充电时均衡充放电电路中的电流的方向和对电池放电时均衡充放电电路中的电流的方向相反。均衡充放电电路可以适应电池和储能元件之间的电压差。
附图说明
图1为本发明涉及的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路的系统框架示意图。
图2为本发明涉及的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路的示意图。
图3为本发明涉及的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路的均衡充放电电路图。
图4为本发明涉及的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路的充电流程图。
图5 为本发明涉及的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路的放电流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，包括控制电路、检测电路、均衡充放电电路和接入均衡充放电电路中的储能元件，其中：
检测电路为电池电压检测电路，检测电路的输入端连接锂电池，检测电路的输出端连接控制电路，由检测电路检测锂电池的电压及充放电状态，并将检测的电压信号反馈给控制电路；
均衡充放电电路为双向电能传递电路，均衡充放电电路一端连接锂电池，均衡充放电电路另一端连接储能元件，由均衡充放电电路实现锂电池向储能元件放电以及储能元件向锂电池充电，且锂电池向储能元件充电过程、储能元件向锂电池充电过程分别各自由开关元件控制，开关元件接入控制电路由控制电路控制；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断锂电池是否需要充电或放电，当锂电池的电压高于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行锂电池向储能元件放电过程，当锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行储能元件向锂电池充电过程。
如图3所示，均衡充放电电路包括变压器T，NPN型三极管Q1、Q2，PNP型三极管Q3，电容C1、C2、C3，作为储能元件的储能电容C4，二极管D1、D2，电阻R1、R2，变压器T的初级线圈一端与储能电容C4一端连接，变压器T的初级线圈另一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极与储能电容C4的另一端共接接地，电容C1、电阻R1相互串联后再接入变压器T的初级线圈两端之间，二极管D1阴极与三极管Q1的集电极共接，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极共接，变压器T的次级线圈一端与锂电池正极连接，变压器T的次级线圈另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极与锂电池的负极连接，电容C2、电阻R2相互串联后再接入变压器T的次级线圈两端之间，二极管D2阴极与三极管Q2的集电极连接，二极管D2的阳极与三极管Q2的发射极共接，电容C3一端连接至锂电池正极与变压器次级线圈对应端之间，电容C3另一端连接至三极管Q2发射极与三极管Q3集电极之间，所述三极管Q1、三极管Q2分别作为开关元件，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3的基极接入控制电路由控制电路控制。
电阻R1与电容C1的串联电路、电阻R2与电容C2的串联电路都是用来吸收电感产生的尖峰电压，保护开关管。所述电容C3起滤波作用，减少电压波动。
如图2所示，当用于多个锂电池依次串联或并联构成的电池模组时，在均衡电路中加入均衡切换电路，所述均衡切换电路由多个一一对应于各个锂电池的双刀单掷继电器构成，每个锂电池通过各自对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，由多个双刀单掷继电器切换接入均衡充放电电路的锂电池，各个双刀单掷继电器分别接入控制电路由控制电路控制；通过增加双刀单掷继电器数量，可扩展电池模组中锂电池数量。
检测电路的输入端分别连接各个锂电池，检测电路的输出端连接控制电路，由检测电路检测各个锂电池的电压及充放电状态，并将检测的电压信号反馈给控制电路；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断各个锂电池是否需要充电或放电，当某一个锂电池的电压高于预设值时，该锂电池通过其对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行该锂电池向储能元件放电过程，当该锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过开关元件控制均衡充放电电路进行储能元件向该锂电池充电过程。
均衡切换电路采用无载切换，即当控制电路控制均衡切换电路介入时或退出时，均衡充放电电路呈开路状态。
均衡充放电电路可以适应锂电池和储能元件之间的电压差。
本发明中，控制电路控制检测电路实时检测电池模组中每节电池的电压及充放电状态，检测电路检测得到的电压信号反馈给控制电路，控制电路经过分析判断电池是否需要充电或者放电。当某节电池的电压低于平均值或者高于平均值时，控制电路控制均衡切换电路介入，选择需要进行均衡充放电的电池，然后控制均衡充放电电路完成对该节电池的均衡充放电。
如图2、图3和图4所示，在充电过程中，当检测到某一节电池（以BT1为例）充电时的电压高于平均值时，控制电路控制均衡切换电路介入，选择需要进行均衡充电的电池，然后控制电路控制均衡充放电电路完成对该节电池的均衡充电。具体过程如下：首先三极管Q1截止，三极管Q2导通，电池BT1给次级绕组充能，自身电压降低，此时初级绕组电路无电流。断开三极管Q2，导通三极管Q1，变压器次级绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过初级绕组及二极管D1存在储能电容C4中，完成电池BT1的降压。
如图2、图3和图5所示，在放电过程中，当检测到某一节电池（以电池BT1为例）放电时的电压低于平均值时，控制电路控制均衡切换电路介入，选择需要进行均衡放电的电池，然后控制电路控制均衡充放电电路完成对该节电池的均衡放电。具体过程如下：首先开关管三极管Q1导通、三极管Q2截止，储能电容C4给变压器的初级绕组充能，此时次级绕组电路无电流。断开三极管Q1，导通三极管Q2，变压器初级绕组的电流被切断，变压器中磁场能量通过次级绕组及二极管D2释放给目标电池BT1，完成电池BT1升压。

Claims (3)

1.一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：包括控制电路、检测电路、均衡充放电电路和接入均衡充放电电路中的储能元件，其中：
检测电路为电池电压检测电路，检测电路的输入端连接锂电池，检测电路的输出端连接控制电路，由检测电路检测锂电池的电压及充放电状态，并将检测的电压信号反馈给控制电路；
均衡充放电电路为双向电能传递电路，均衡充放电电路一端连接锂电池，均衡充放电电路另一端连接储能元件，由均衡充放电电路实现锂电池向储能元件放电以及储能元件向锂电池充电，且锂电池向储能元件充电过程、储能元件向锂电池充电过程分别各自由双刀单掷继电器控制，双刀单掷继电器接入控制电路由控制电路控制；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断锂电池是否需要充电或放电，当锂电池的电压高于预设值时，控制电路通过双刀单掷继电器控制均衡充放电电路进行锂电池向储能元件放电过程，当锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过双刀单掷继电器控制均衡充放电电路进行储能元件向锂电池充电过程；
所述均衡充放电电路包括变压器T，NPN型三极管Q1、Q2，PNP型三极管Q3，电容C1、C2、C3，作为储能元件的储能电容C4，二极管D1、D2，电阻R1、R2，变压器T的初级线圈一端与储能电容C4一端连接，变压器T的初级线圈另一端与三极管Q1的集电极连接，三极管Q1的发射极与储能电容C4的另一端共接接地，电容C1、电阻R1相互串联后再接入变压器T的初级线圈两端之间，二极管D1阴极与三极管Q1的集电极共接，二极管D1的阳极与三极管Q1的发射极共接，变压器T的次级线圈一端与锂电池正极连接，变压器T的次级线圈另一端与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的发射极与锂电池的负极连接，电容C2、电阻R2相互串联后再接入变压器T的次级线圈两端之间，二极管D2阴极与三极管Q2的集电极连接，二极管D2的阳极与三极管Q2的发射极共接，电容C3一端连接至锂电池正极与变压器次级线圈对应端之间，电容C3另一端连接至三极管Q2发射极与三极管Q3集电极之间，所述三极管Q1、三极管Q2分别作为开关元件，三极管Q1、三极管Q2、三极管Q3的基极接入控制电路由控制电路控制；
当用于多个锂电池依次串联或并联构成的电池模组时，在均衡电路中加入均衡切换电路，所述均衡切换电路由多个一一对应于各个锂电池的双刀单掷继电器构成，每个锂电池通过各自对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，由多个双刀单掷继电器切换接入均衡充放电电路的锂电池，各个双刀单掷继电器分别接入控制电路由控制电路控制；
控制电路根据检测电路输出的电压信号判断各个锂电池是否需要充电或放电，当某一个锂电池的电压高于预设值时，该锂电池通过其对应的双刀单掷继电器接入均衡充放电电路，控制电路通过双刀单掷继电器控制均衡充放电电路进行该锂电池向储能元件放电过程，当该锂电池的电压低于预设值时，控制电路通过双刀单掷继电器控制均衡充放电电路进行储能元件向该锂电池充电过程；
所述均衡切换电路采用无载切换，即当控制电路控制均衡切换电路介入时或退出时，均衡充放电电路呈开路状态。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：通过增加双刀单掷继电器数量，可扩展电池模组中锂电池数量。
3.根据权利要求1所述的一种用于锂电池充放电能源管理的均衡电路，其特征在于：所述均衡充放电电路能适应锂电池和储能元件之间的电压差。
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