CN107415765A - 一种电动汽车电池均衡充放电系统 - Google Patents

一种电动汽车电池均衡充放电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池均衡充放电系统，主要解决了单电池在工作期间受冲击而发生损坏，并且随着充放电循环的增加，各单电池电压逐渐老化的问题。该系统包括主控电路，与主控电路连接的TL494正交方波生成电路，与主控电路连接的反激式开关电源电路，以及与主控电路连接的辅助电源电路；所述主控电路包括STM32单片机，均与STM32单片机连接的复位电路和ADC电压采集电路，其中反激式开关电源电路、辅助电源电路均与STM32单片机连接。通过上述方案，可智能灵活的控制单电池的充放电，提高单电池的利用效率，实现了电池组的使用性能最大化，以及避免单体电池过充电和过放电目的，具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种电动汽车电池均衡充放电系统
技术领域
本发明属于电池充放电领域，具体地讲，是涉及一种电动汽车电池均衡充放电系统。
背景技术
受到能源危机以及环境保护等因素的影响，纯电动汽车作为一种新兴的交通工具，得益于其能源利用率高、无排放、噪声小和能量来源多样化等优点成为汽车行业中重要的研究领域。传统的电动汽车存在续航里程受限、蓄电池工作寿命太短以及蓄电池规格和质量的制约等缺陷，而锂离子电池具有较高能量密度、高工作电压、无记忆效应、循环寿命长、无污染、质量轻、自放电小这等优势，可以很好地解决以上问题，所以基于锂离子电池的电动汽车受到越来越多的关注，锂离子电池已经成为纯电动汽车的候选能源之一。
由于电动汽车对动力电源在容量和电压上的需求较高，因此动力电池组通常是由单体电池串联组成。然而，现有的技术使得单体电池在生产和使用过程中不能保证其相关电池参数的一致性，单体蓄电池之间的不一致最显著的问题就是单体电池荷电状态的不一致，为了使电池组的使用性能最大化以及避免单体电池过充电和过放电，需要对电动汽车的磷酸铁锂动力电池组进行均衡充电。电池均衡充电的意义就在于使锂离子电池单体电压偏差保持在预期的范围内，从而保证每个单电池在工作寿命期间不受到过应力冲击而发生损坏。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车电池均衡充放电系统，主要解决现有技术中存在的单电池在工作期间受冲击而发生损坏，并且随着充放电循环的增加，各单电池电压逐渐老化的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种电动汽车电池均衡充放电系统，包括主控电路，与主控电路连接的TL494正交方波生成电路，与主控电路连接的反激式开关电源电路，以及与主控电路连接的辅助电源电路；所述主控电路包括STM32单片机，与STM32单片机连接的复位电路，与STM32单片机连接的ADC电压采集电路其中反激式开关电源电路、辅助电源电路均与STM32单片机连接；
所述TL494正交方波生成电路包括芯片TL494，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端接STM32单片机的电阻R5，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端与5V电源连接的电容C1，一端与5V电源连接、另一端与STM32单片机连接的电阻R11，一端与芯片TL494的第6引脚连接、另一端接地的电阻R12，一端与芯片TL494的第5引脚连接、另一端接地的电容C3，一端与芯片TL494的第9引脚连接、另一端接地的电阻R13，基极与芯片TL494第9引脚连接、发射极接地的三极管Q1，正极与芯片TL494的第9引脚连接的二极管D1，一端与二极管D1负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R6，一端与芯片TL494的第10引脚连接、另一端接地的电阻R20，基极与芯片TL494第10引脚连接、发射极接地的三极管Q5，正极与芯片TL494的第10引脚连接的二极管D4，一端与二极管D4负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R19；其中芯片TL494的第1、7、16引脚接地，芯片TL494的第2、13、14、15引脚接5V电源，芯片TL494的第8、11、12引脚接电源VCC。
进一步地，所述反激式开关电源电路包括栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D1负极连接的MOS管Q2，栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D4负极连接的MOS管Q4，初级线圈与MOS管Q2漏极连接的变压器T1，与MOS管Q4漏极连接的变压器T1初级线圈上的第3抽头，一端与输入端VIN连接电阻R14，与电阻R14另一端连接的变压器T1初级线圈上的第2抽头，一端与变压器T1初级线圈上的第2抽头连接、另一端接地的电容C4，一端与输出端Vo1连接的电感L1，负极与电感L1连接的二极管D2，负极与电感L1连接的二极管D3，与二极管D2正极连接的变压器T1次级线圈上的第1抽头，与二极管D3正极连接的变压器T1次级线圈上的第3抽头，正极与变压器T1次级线圈上的第1抽头连接的二极管D5，正极与变压器T1次级线圈上的第3抽头连接的二极管D6，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接的电阻R16，与电阻R16另一端连接的变压器T1次级线圈上的第2抽头，一端与输出端Vo1连接、另一端与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的电容C2，源极与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的MOS管Q3，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接、另一端与MOS管Q3栅极连接的电阻R18，以及一端与MOS管Q3漏极连接、另一端与输出端Vo2连接的电阻R15；其中，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的源极接地，MOS管Q1漏极与变压器T1初级线圈的第1抽头连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用STM32单片机作为控制回路的核心，通过控制输出电压和输出电流，实现了阶段性充电，可灵活的控制蓄电池的充电，提高蓄电池的利用效率，并有助于提高蓄电池的使用寿命和性能，而且STM32单片机具有高性能、低成本、低功耗的优点。
(2)本发明采用反激式开关电源电路，电路比较简单，比正激式开关电源少用了一个大的储能滤波电感，以及一个续流二极管，而且，反激式开关电源的体积要比正激式开关电源的体积小，价格便宜。
(3)本发明相较于恒压充电法避免了充电电压过高引起充电初期电流过大的缺点；相较于恒流充电法充电时不需要根据剩余单电池容量来选择电流；相较于恒压限流充电法，充电范围不受单电池容量的影响；相较于脉冲充电法，充电时间短，而且充电更加均衡，使得单电池的使用寿命更长。
(4)本发明采用多路并联充电电路的方式，分别实现对每个储能单元进行均衡充电的目的。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图。
图2为本发明反激式开关电源电路原理图。
图3为本发明TL494正交方波生成电路原理图。
图4为本发明的辅助电源原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1至图4所示，一种电动汽车电池均衡充放电系统，包括主控电路，与主控电路连接的TL494正交方波生成电路，与主控电路连接的反激式开关电源电路，以及与主控电路连接的辅助电源电路；所述主控电路包括STM32单片机，与STM32单片机连接的复位电路，与STM32单片机连接的ADC电压采集电路其中反激式开关电源电路、辅助电源电路均与STM32单片机连接；
所述TL494正交方波生成电路包括芯片TL494，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端接STM32单片机的电阻R5，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端与5V电源连接的电容C1，一端与5V电源连接、另一端与STM32单片机连接的电阻R11，一端与芯片TL494的第6引脚连接、另一端接地的电阻R12，一端与芯片TL494的第5引脚连接、另一端接地的电容C3，一端与芯片TL494的第9引脚连接、另一端接地的电阻R13，基极与芯片TL494第9引脚连接、发射极接地的三极管Q1，正极与芯片TL494的第9引脚连接的二极管D1，一端与二极管D1负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R6，一端与芯片TL494的第10引脚连接、另一端接地的电阻R20，基极与芯片TL494第10引脚连接、发射极接地的三极管Q5，正极与芯片TL494的第10引脚连接的二极管D4，一端与二极管D4负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R19；其中芯片TL494的第1、7、16引脚接地，芯片TL494的第2、13、14、15引脚接5V电源，芯片TL494的第8、11、12引脚接电源VCC。
进而，所述反激式开关电源电路包括栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D1负极连接的MOS管Q2，栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D4负极连接的MOS管Q4，初级线圈与MOS管Q2漏极连接的变压器T1，与MOS管Q4漏极连接的变压器T1初级线圈上的第3抽头，一端与输入端VIN连接电阻R14，与电阻R14另一端连接的变压器T1初级线圈上的第2抽头，一端与变压器T1初级线圈上的第2抽头连接、另一端接地的电容C4，一端与输出端Vo1连接的电感L1，负极与电感L1连接的二极管D2，负极与电感L1连接的二极管D3，与二极管D2正极连接的变压器T1次级线圈上的第1抽头，与二极管D3正极连接的变压器T1次级线圈上的第3抽头，正极与变压器T1次级线圈上的第1抽头连接的二极管D5，正极与变压器T1次级线圈上的第3抽头连接的二极管D6，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接的电阻R16，与电阻R16另一端连接的变压器T1次级线圈上的第2抽头，一端与输出端Vo1连接、另一端与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的电容C2，源极与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的MOS管Q3，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接、另一端与MOS管Q3栅极连接的电阻R18，以及一端与MOS管Q3漏极连接、另一端与输出端Vo2连接的电阻R15；其中，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的源极接地，MOS管Q1漏极与变压器T1初级线圈的第1抽头连接。
本发明运用TL494将接收到的PWM信号作为开通与关段信号，然后通过TL494自身电子结构生成相互正交的两路信号以满足下一环节反激式变换器开关电源的需要，通过辅助电源电路将电压转换为STM32单片机所需的5V电压，以及运放芯片需要的3.3V电压，辅助电源电路如图4所示，采用芯片ASM1117与芯片ME6219A，然后并联电容组成降压模块，同时得到可供STM32单片机使用的5V电源，以及可供运放芯片使用的3.3V电源；本发明还包括可供用户操作的用户界面。
当变压器T1的初级线圈正好被直流脉冲电压激励时，变压器T1的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器T1初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出。反激式开关电源电路的工作分开关闭合和开关断开两个阶段，在开关闭合阶段，变压器T1的初级线圈直接连接在输入电压上，初级线圈中的电流和变压器T1磁芯中的磁场增加，在磁性中储存能量，次级线圈中产生的电压是反向的，使得二极管D2、D3、D5、D6处于反偏状态而不能导通，此时，由电容C2向负载提供电压和电流；在开关断开阶段，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中的磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压，此时二极管D2、D3、D5、D6处于正偏状态，导通的电流流入电容C2和负载。磁芯中存储的能量转移至电容C2和负载中。
用户界面是一个可触控显示屏，包括显示部分与按键部分；其中显示部分显示ADC电压采集电路采集到的电压，充电电流以及放电电流；所述按键部分包括放电键，充电键，停止放电键以及停止充电键，当ADC电压采集电路采集到的单电池电压过低时，则在用户界面按下充电键对单电池进行充电，同时ADC电压采集电路将采集到的信息实时反馈到STM32单片机上，然后STM32单片机根据设定的值，当采集的数值等于或者超过设定值时，STM32单片机发出“停止充电”并显示在显示屏上，然后按下停止充电键停止充电，如果单电池被充入的电压过高时，则会显示“放电”，然后按下放电键进行放电，然后STM32单片机根据采集的电压信息与设置的安全电压数值比较，在范围内则显示“停止放电”，即按下停止放电键。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电动汽车电池均衡充放电系统，其特征在于，包括主控电路，与主控电路连接的TL494正交方波生成电路，与主控电路连接的反激式开关电源电路，以及与主控电路连接的辅助电源电路；所述主控电路包括STM32单片机，与STM32单片机连接的复位电路，与STM32单片机连接的ADC电压采集电路其中反激式开关电源电路、辅助电源电路均与STM32单片机连接；
所述TL494正交方波生成电路包括芯片TL494，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端接STM32单片机的电阻R5，一端与芯片TL494的第4引脚连接、另一端与5V电源连接的电容C1，一端与5V电源连接、另一端与STM32单片机连接的电阻R11，一端与芯片TL494的第6引脚连接、另一端接地的电阻R12，一端与芯片TL494的第5引脚连接、另一端接地的电容C3，一端与芯片TL494的第9引脚连接、另一端接地的电阻R13，基极与芯片TL494第9引脚连接、发射极接地的三极管Q1，正极与芯片TL494的第9引脚连接的二极管D1，一端与二极管D1负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R6，一端与芯片TL494的第10引脚连接、另一端接地的电阻R20，基极与芯片TL494第10引脚连接、发射极接地的三极管Q5，正极与芯片TL494的第10引脚连接的二极管D4，一端与二极管D4负极连接、另一端与三极管Q1集电极连接的电阻R19；其中芯片TL494的第1、7、16引脚接地，芯片TL494的第2、13、14、15引脚接5V电源，芯片TL494的第8、11、12引脚接电源VCC。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车电池均衡充放电系统，其特征在于，所述反激式开关电源电路包括栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D1负极连接的MOS管Q2，栅极与TL494正交方波生成电路中二极管D4负极连接的MOS管Q4，初级线圈与MOS管Q2漏极连接的变压器T1，与MOS管Q4漏极连接的变压器T1初级线圈上的第3抽头，一端与输入端VIN连接电阻R14，与电阻R14另一端连接的变压器T1初级线圈上的第2抽头，一端与变压器T1初级线圈上的第2抽头连接、另一端接地的电容C4，一端与输出端Vo1连接的电感L1，负极与电感L1连接的二极管D2，负极与电感L1连接的二极管D3，与二极管D2正极连接的变压器T1次级线圈上的第1抽头，与二极管D3正极连接的变压器T1次级线圈上的第3抽头，正极与变压器T1次级线圈上的第1抽头连接的二极管D5，正极与变压器T1次级线圈上的第3抽头连接的二极管D6，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接的电阻R16，与电阻R16另一端连接的变压器T1次级线圈上的第2抽头，一端与输出端Vo1连接、另一端与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的电容C2，源极与变压器T1次级线圈上的第2抽头连接的MOS管Q3，一端同时与二极管D5负极和二极管D6负极连接、另一端与MOS管Q3栅极连接的电阻R18，以及一端与MOS管Q3漏极连接、另一端与输出端Vo2连接的电阻R15；其中，MOS管Q1的源极与MOS管Q2的源极接地，MOS管Q1漏极与变压器T1初级线圈的第1抽头连接。
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