CN107086624B - 一种锂离子电池主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池主动均衡电路，包括六个电芯串联组成的电池组，七条继电器驱动线路，升压模块线路及降压模块线路，其中七条继电器驱动线路分别接在六个电芯正负两端，由MCU根据电压采集模块反馈的压差信息，控制对应电芯均衡的开启或断开，所述升压模块线路对电压高的电芯进行升压并给电池组内其余电芯进行充电；所述降压模块所有电芯降压给电压低的电芯充电。

Description

一种锂离子电池主动均衡电路

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其涉及一种锂离子电池主动均衡电路。

背景技术

锂电池以其能量密度高、高低温性能好、循环寿命长、无污染等特点，越来越多的应用于各种行业和领域，由于锂电池的单节电池的电压只有2.8V～4.2V，要获得更高电压和容量的电池，必须将多节电池串联或并联组成电池组。因此，为防止电池组中各节电池过充电或过放电，使各单节电池的电压维持在合理范围，从而延长电池组的使用寿命，并随时了解电池组的工作状态，必须为电池组配置一套电池管理系统。

电池组中的单体由于在制作过程中的工艺等原因，很难保证所有的单体具有很好的一致 性，因此单体电池之间存在着差异，即使是同批次、同型号的电池，也存在容量、内阻等方 面的差异。在连续的充放电循环之后，会加剧这种单体的不一致性，将使得某些单体电池的容量加速衰减，并且在长期的使用过程中，这种差异会越来越大，进而导致动力电池组充放电时的不均衡。不均衡性对串联电池组的性能影响很大，将会降低电池组的整体容量，降低电池组的总体使用效率，缩短电池组使用寿命。

针对这种情况，在电池管理系统中会增加均衡电路消除电芯之前的压差，现有电池管理系统中最常见的均衡方式为被动式均衡，通过电阻以热能的形式将过多的能量消耗掉，达到各个电芯容量均衡，随着这种均衡形式成本小电路简单，但只能对过压的电芯进行均衡，对欠压的电芯无法实现均衡，且被动均衡的能量是直接损耗，造成了能量浪费，而且均衡所需要的时间长。

然而从未来BMS发展来看，主动均衡形式会逐步替代被动均衡形式，虽然其电路复杂，但能量利用率高，均衡效率高，故而合适的主动均衡电路逐步被研究。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种锂离子电池主动均衡电路，针对锂离子电池组中各个电芯进行主动均衡调节，实现电芯之间的能量转移，消除电芯之间的电压差异，延长电池使用寿命。

本发明揭示了一种锂离子电池主动均衡电路，包括六个电芯串联组成的电池组，七条继电器驱动线路，升压模块线路及降压模块线路，其中七条继电器驱动线路分别接在六个电芯正负两端，由BMU根据电压采集模块反馈的压差信息，控制对应电芯均衡的开启或断开，所述升压模块线路对高的电芯进行升压并给电池组内其余电芯进行充电；所述降压模块线路对低的电芯进行降压，并通过电池组内其余电芯的电压对该电芯充电。

所述升压模块线路包括Boost升压电路U2，共模电感L5、L7，继电器K7~K10，继电器K15及场效应管Q18、Q22，其中继电器K7和K10的输入回路连接场效应管Q18，继电器K8和K9的输入回路连接场效应管Q19，继电器K7和K8输出回路的一端连接共模电感L7的一个输入端，继电器K9和K10输入回路的一端连接共模电感L7的另一个输入端，共模电感L7的两个输入端连接Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端连接共模电感L5的两个输入端，共模电感L5的一个输出端连接串联电芯的负极，另一个输出端连接继电器K15输出回路一端，输出回路另一端连接串联电芯的正极，继电器K15的输入回路连接场效应管Q22，场效应管Q18、Q19、Q22的栅极连接BMU的主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K7~K10和K15通断。

所述降压模块线路包括Buck降压电路U5，共模电感L6、L7，继电器K11~K14，继电器K16及场效应管Q20、Q21、Q23，其中继电器K11和K14的输入回路连接场效应管Q20，继电器K12和K13的输入回路连接场效应管Q21，继电器K11和K12输出回路的一端连接共模电感L6的一个输入端，继电器K13和K14输入回路的一端连接共模电感L6的另一个输入端，共模电感L6的两个输入端连接Buck升压电路的输出端，Buck升压电路的输入端连接共模电感L8的两个输入端，共模电感L8的一个输出端连接串联电芯的负极，另一个输出端连接继电器K16输出回路一端，输出回路另一端连接串联电芯的正极，继电器K16的输入回路连接场效应管Q23，场效应管Q20、Q21、Q23的栅极连接BMU的主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K11~K14和K16通断。

七条继电器驱动线路包括继电器K0~K6，场效应管Q0~Q6，且每条继电器驱动线路均包括一个继电器和一个场效应管，且继电器输出回路的一端连接电芯正负端，输入回路与场效管连接，场效应管的栅极连接EMS系统的主控芯片，由主控芯片控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器的通断，七条继电器驱动线路中继电器K0、K2、K4和K6输出回路的连接继电器K8、K10、K12和K14输出回路，继电器K1、K3和K5输出回路连接继电器K7、K9、K11和K13输出回路。

作为优选，所述升压模块电路中，奇数节电芯的通断接入由场效应管Q18配合继电器K7和K10实现，偶数节电芯的通断接入由场效应管Q19配合继电器K8和K9实现。

作为优选，所述降压模块电路中，奇数节电芯的通断接入由场效应管Q20配合继电器K11和K14实现，偶数节电芯的通断接入由场效应管Q21配合继电器K12和K13实现。

所述继电器为AA36F光耦继电器。

与现有技术相比，本发明的一种锂离子电池主动均衡电路，具有如下有益之处：采用了简单的电路实现电池包内部各个电芯的主动均衡调节，有效避免长时间压差过大，影响电池使用寿命，同时本均衡电路只要出现压差即开启均衡调节，不限于是在充放电状态还是静止状态。

将出现压差的电芯与整个电池包电芯值进行对比判断，既可以实现单电芯升压给所有电芯充电，还可以实现所有电信降压给当点心充电，两种均衡条件自主选择，确保均衡时能量的充分利用，整个电路损耗在10%以下。

附图说明

图1是本发明所揭示的锂离子电池主动均衡电路的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示为本发明所揭示的一种锂离子电池主动均衡电路一种形态，其包括五节串联的电芯E1~E6，七条继电器驱动线路，升压模块线路及降压模块线路，所述七条继电器驱动线路分别接在六个电芯正负两端，由EMS系统根据电压采集模块反馈的压差信息，控制对应电芯均衡的开启或断开，所述升压模块线路通过变压器原边和副边的扎数比对高的电芯进行升压并给电池组内其余电芯进行充电具体值通过电芯最低电压升压致大于总压；所述降压模块线路总电芯降压至大于最低电芯电压。

具体说来，所述升压模块线路包括Boost升压电路U2，共模电感L5、L7，继电器K7~K10，继电器K15及场效应管Q18、Q19、Q22，其中继电器K7和K10的输入回路连接场效应管Q18，继电器K8和K9的输入回路连接场效应管Q19，继电器K7和K8输出回路的一端连接共模电感L7的一个输入端，继电器K9和K10输入回路的一端连接共模电感L7的另一个输入端，共模电感L7的两个输入端连接Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端连接共模电感L5的两个输入端，共模电感L5的一个输出端连接串联的六节电芯的负极，另一个输出端连接继电器K15输出回路一端，输出回路另一端连接串联的六节电芯的正极，继电器K15的输入回路连接场效应管Q22，场效应管Q18、Q19、Q22的栅极连接BMU的主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K7~K10和K15通断。

所述降压模块线路包括Buck降压电路U5，共模电感L6、L7，继电器K11~K14，继电器K16及场效应管Q20、Q21、Q23，其中继电器K11和K14的输入回路连接场效应管Q20，继电器K12和K13的输入回路连接场效应管Q21，继电器K11和K12输出回路的一端连接共模电感L6的一个输入端，继电器K13和K14输入回路的一端连接共模电感L6的另一个输入端，共模电感L6的两个输入端连接Buck升压电路的输出端，Buck升压电路的输入端连接共模电感L8的两个输入端，共模电感L8的一个输出端连接串联的六节电芯的负极，另一个输出端连接继电器K16输出回路一端，输出回路另一端连接串联的六节电芯的正极，继电器K16的输入回路连接场效应管Q23，场效应管Q20、Q21、Q23的栅极连接EMS系统的主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K11~K14和K16通断。

每条继电器驱动线路均包括继电器，场效应管及限流电阻，其中继电器输出回路的一端连接电芯，输入回路与场效管连接，场效应管的栅极连接EMS系统的主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，具体七条继电器驱动线路包括继电器K0~K6，场效应管Q0~Q6，限流电阻R7~14，其中继电器K0，场效应管Q0和限流电阻R14作为第一条驱动线路连接在电芯E1的负极，继电器K1，场效应管Q1和限流电阻R13作为第二条驱动线路连接在电芯E2的负极，继电器K2，场效应管Q2和限流电阻R12作为第三条驱动线路连接在电芯E3的负极，继电器K3，场效应管Q3和限流电阻R11作为第四条驱动线路连接在电芯E4的负极，继电器K4，场效应管Q4和限流电阻R10作为第五条驱动线路连接在电芯E5的负极，继电器K5，场效应管Q5和限流电阻R9作为第六条驱动线路连接在电芯E6的负极，继电器K6，场效应管Q6和限流电阻R8作为第七条驱动线路连接在电芯E6的正极，所述继电器K0、K2、K4和K6输出回路的另一端连接继电器K8、K10、K12和K14输出回路的一端，所述继电器K1、K3和K5输出回路的另一端连接继电器K7、K9、K11和K13输出回路的一端。

下面对本发明所揭示的主动均衡电路的工作原理进行描述：

与电芯连接的电压采集模块对各个电芯电压进行采集并将采集的电压进行判断，并通过BMU芯片发送信号，正常状态下均衡电路不开启，若电芯之间出现压差，则启动主动均衡电路；

当某一个电芯电压过高时，则BMU内的主控芯片控制该电芯正负两端连接的驱动线路的场效应管导通，同时控制升压模块线路中的场效应管导通，将电压过高的电芯两端电压送入Bosst升压电路中进行升压至一定电压值，然后给整个串联电芯充电直至电芯电压平衡；

如第三节电芯E3电压过高时，主控芯片对场效应管Q2，Q3，Q18栅极输出高电平信号，Q2，Q3，Q18导通，继电器K2，K3，K7，K10吸合，主控芯片对Q22栅极输出高电平信号，Q22导通，继电器K15吸合，第三节电芯经过U2升压至一定电压后给所有电池进行充电，直至电芯电压平衡，主控芯片对场效应管Q22栅极输出低电平信号，Q22断开，继电器K15断开，均衡关闭。

当某一个电芯电压过低时，BMU主控芯片控制降压模块线路中场效应管导通，将串联电芯的电压进行降压，同时主控芯片控制过低电芯正负两端连接的驱动线路的场效应管导通，将降压后的电压对低的电芯进行充电，直至不存在压差。

如当第三节电芯电压低时，主控芯片对场效应管Q23输出高电平，继电器K16导通，通过U5进行降压，主控芯片对场效应管Q2，Q3，Q20栅极输出高电平信号，Q2，Q3，Q20导通，继电器K2，K3，K11，K14吸合，给第三节电芯进行充电，直至电芯电压平衡。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (3)

1. 一种锂离子电池主动均衡电路，包括六个电芯串联组成的电池组， 七条继电器驱动线路，升压模块线路及降压模块线路，其中：

所述升压模块线路包括Boost升压电路U2，共模电感L5、L7，继电器K7~K10，继电器K15及场效应管Q18、Q22，其中继电器K7和K10的输入回路连接场效应管Q18，继电器K8和K9的输入回路连接场效应管Q19，继电器K7和K8输出回路的一端连接共模电感L7的一个输入端，继电器K9和K10输入回路的一端连接共模电感L7的另一个输入端，共模电感L7的两个输入端连接Boost升压电路的输入端，Boost升压电路的输出端连接共模电感L5的两个输入端，共模电感L5的一个输出端连接串联电芯的负极，另一个输出端连接继电器K15输出回路一端，输出回路另一端连接串联电芯的正极，继电器K15的输入回路连接场效应管Q22，场效应管Q18、Q19、Q22的栅极连接主控芯片MCU，由主控芯片MCU发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K7~K10和K15通断；

所述降压模块线路包括Buck降压电路U5，共模电感L6、L7，继电器K11~K14，继电器K16及场效应管Q20、Q21、Q23，其中继电器K11和K14的输入回路连接场效应管Q20，继电器K12和K13的输入回路连接场效应管Q21，继电器K11和K12输出回路的一端连接共模电感L6的一个输出端，继电器K13和K14输入回路的一端连接共模电感L6的另一个输出端，共模电感L6的两个输入端连接Buck升压电路的输出端，Buck升压电路的输入端连接共模电感L8的两个输出端，共模电感L8的一个输入端连接串联电芯的负极，另一个输入端连接继电器K16输出回路一端，输出回路另一端连接串联电芯的正极，继电器K16的输入回路连接场效应管Q23，场效应管Q20、Q21、Q23的栅极连接主控芯片，由主控芯片发送高低电平指令，控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器K11~K14和K16通断；

七条继电器驱动线路包括继电器K0~K6，场效应管Q0~Q6，且每条继电器驱动线路均包括一个继电器和一个场效应管，且继电器输出回路的一端连接电芯正负端，输入回路与场效管连接，场效应管的栅极连接BMU的主控芯片，由主控芯片控制场效应管的导通或断开，从而控制继电器的通断，七条继电器驱动线路中继电器K0、K2、K4和K6输出回路的连接继电器K8、K10、K12和K14输出回路，继电器K1、K3和K5输出回路连接继电器K7、K9、K11和K13输出回路。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池主动均衡电路，其特征在于：所述升压模块电路中，奇数节电芯的通断接入由场效应管Q18配合继电器K7和K10实现，偶数节电芯的通断接入由场效应管Q19配合继电器K8和K9实现。

3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池主动均衡电路，其特征在于：所述降压模块电路中，奇数节电芯的通断接入由场效应管Q20配合继电器K11和K14实现，偶数节电芯的通断接入由场效应管Q21配合继电器K12和K13实现。

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