CN107579575A - 基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法 - Google Patents

基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法 Download PDF

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江印
许津
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Abstract

本发明公开一种基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法，其中基于开关耦合电容的电池均衡电路包括N节电池单体、微控制器、耦合电容和N个半桥电路。本发明能够实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性；克服了传统Cell to Cell型电容均衡电路均衡速度和均衡效率低的难题；本发明具有效率高、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。

Description

基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法
技术领域：
本发明涉及一种基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法。
背景技术：
全球正面临着前所未有的能源和环境危机，备受世人关注。电动汽车具有节能环保的优势，是解决这一重大危机的关键途径，已成为未来汽车工业发展的必然趋势。动力电池作为电动汽车的心脏，其性能对整车的动力性、经济性和安全性至关重要。其中，锂离子动力电池具有体积小、重量轻、无记忆效应、能量密度高和单体电压高等优点，作为动力源广泛应用在电动汽车中。为了满足负载电压和功率的要求，需要将成千节锂离子电池单体串、并联成组使用。然而，由于制造工艺的限制，各个电池单体的内阻、容量等存在微小差异。在数次充放电循环后，这种差异会引起电池单体电压的不平衡，进而导致某节电池单体的过充或过放，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命，甚至会引起爆炸、起火等安全事故。因此，串联电池组需要电池均衡器来平衡电池单体电压，从而提高电池组的可用容量和循环寿命。
目前，电池均衡电路主要有耗散均衡和非耗散均衡两大类。
耗散均衡是通过给电池组中每个电池单体并联一个电阻，将电压高的电池单体进行放电分流，从而实现电池单体电压的均衡。耗散均衡具有成本低、体积小和控制简单等优点，但是电池单体多余的能量是通过电阻放电消耗掉，存在效率低和热管理等问题。
非耗散均衡采用电容、电感或变压器等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。根据能量流，非耗散均衡方法能够分为以下四类：(1)Cell to Cell；(2)Cell to Pack；(3)Pack to Cell；(4)Any Cells to Any Cells。Cell to Cell均衡方法只能实现能量从一个电池单体到其相邻电池单体传递，特别是当电压高和电压低的电池单体分别处在电池组的两端时，其均衡速度和均衡效率会极大降低。对于Cell to Pack的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体传递到整个电池组。这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适合于某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。对于Pack to Cell的均衡方法，能量能够直接从整个电池组传递到电压最低的电池单体，能够实现较大的均衡电流，但是这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适合于某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。Any Cells to Any Cells的均衡方法能够实现能量从任意电池单体到任意电池单体的直接传递，具有较高的均衡效率和均衡速度。
中国发明专利申请(申请号201010572115.X)公开了一种利用均衡电阻对电池组中电池单体进行均衡的电路，主要包括控制器、电阻切换电路和均衡电阻。首先根据采集的电压值确定每个电池单体的剩余电量，然后控制电阻切换电路将均衡电阻与电量较高的电池单体并联，给该电池单体放电，从而实现电池单体间电量的均衡。实质上该电路是通过能量消耗的方式限制电池单体电压过高，存在能量浪费和热管理等问题。
中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电循环，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体的数量较多，并且电压最高和最低的电池单体间相邻多个电池单体时，这种“击鼓传花”的均衡方式，使得均衡效率和速度会大大降低，不适用于电池单体串联较多的大电池组中。
发明内容：
本发明的目的是为克服上述现有技术中无法有效消除大电池组内电池单体之间不一致性的问题，公开了一种基于开关耦合电容的电池均衡电路及实现方法，能够实现电池组中任意节电池单体到任意节电池单体的直接、自动均衡，极大提高了均衡效率和速度，有效改善了电池单体间的不一致性；克服了传统Cell to Cell型电容均衡电路均衡速度和均衡效率低的难题；本发明具有效率高、体积小、成本低、可靠性高、易于模块化、控制简单、无需电压检测电路等优点。
本发明采用如下述技术方案：一种基于开关耦合电容的电池均衡电路，包括N节电池单体、微控制器、耦合电容和N个半桥电路；
所述半桥电路连接于微控制器、耦合电容和电池单体；
所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，PWM+和PWM-；
所述半桥电路由两个串联的MOS管组成，其中上端MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，下端MOS管的源极连接于该电池单体的负极；
所述半桥电路的上端MOS管由PWM+控制，下端MOS管由PWM-控制；
所述耦合电容由一块大金属板和N个小金属板组成；
所述大金属板与小金属板平行组成星型结构；
所述大金属板与小金属板的平行距离相间隔开；
N个小金属板分别连接于N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点。
本发明还采用如下述技术方案：一种基于开关耦合电容的电池均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号PWM+和PWM-控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，即工作状态I和工作状态II；
(2)工作状态I：当所述N个半桥电路中上端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中上端的N-1节电池单体并联，其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(3)工作状态II：当所述N个半桥电路中下端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中下端的N-1节电池单体并联，其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(4)这两个状态交替工作，能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体传递。
本发明具有如下有益效果：
(1)能够实现电池组中任意电池单体到任意电池单体的直接均衡，极大提高了均衡效率和均衡速度；
(2)无需电压检测电路，能够获得自动均衡，减小了电路体积，降低了使用成本；
(3)只需一对状态互补的PWM信号控制均衡电路交替工作在两个状态，控制简单、可靠性高；
(4)均衡电路的开关应力较小；
(5)该均衡电路易于模块化，只需连接两个均衡电路的大金属板，即可实现电池模块之间的均衡，无需其他外层均衡电路，减小了电路体积；
(6)该均衡电路能够工作在电池组的充电、放电或静止状态；
(7)该均衡电路适用于锂离子、镍氢、铅酸等电池，无需改变电路中器件的参数。
附图说明：
图1为本发明的基于开关耦合电容的电池均衡电路的组成示意图。
图2为本发明的工作状态I的原理图。
图3为本发明的工作状态II的原理图。
图4为本发明的均衡电路的均衡路径图；(a)相邻电池单体间的能量传递；(b)每相隔一个电池单体的能量传递；(c)第一节电池单体到最后一节电池单体的能量传递。
图5为本发明的均衡电流iC和电容电压VC的实验波形图。
图6为本发明的均衡实验图。
图7为本发明的均衡电路模块化图。
具体实施方式：
本发明公开一种基于开关耦合电容的电池均衡电路，包括N节电池单体、微控制器、耦合电容和N个半桥电路。半桥电路连接于微控制器、耦合电容和电池单体；微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，PWM+和PWM-；半桥电路由两个串联的MOS管组成，其中上端MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极；下端MOS管的源极连接于该电池单体的负极；半桥电路的上端MOS管由所述PWM+控制，下端MOS管由所述PWM-控制；耦合电容由一块大金属板和N个小金属板组成；大金属板与小金属板平行组成星型结构；大金属板与小金属板的平行距离尽量小但不能接触，以尽量提高耦合电容值；N个小金属板分别连接于N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点。
本发明基于开关耦合电容的电池均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号(PWM+和PWM-)控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，即工作状态I和工作状态II；
(2)工作状态I：当所述N个半桥电路中上端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中上端的N-1节电池单体并联。其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(3)工作状态II：当所述N个半桥电路中下端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中下端的N-1节电池单体并联。其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(4)经过这两个状态的交替工作，实现了能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体的同时、直接、自动传递。
本发明的工作原理为：
微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制所述半桥电路，使其交替工作在状态I和状态II，从而实现了能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体的同时、直接、自动传递。
实施例一：
以4节电池单体为例，并假设VB11＞VB12＞VB13＞VB14。
如图1所示，耦合电容由五个金属板组成：四个小金属板(C11-C14)和一个大金属板C10。五个金属板构成星型结构电容，其等效电容值为Ceq＝16μF。半桥电路由两个串联的MOS管组成，分别是Q11-Q12,Q13-Q14,Q15-Q16,Q17-Q18。半桥电路的上端连接于电池单体的正极，下端连接于该电池单体的负极。四个小金属板(C11-C14)分别连接于半桥电路的中点。控制信号PWM+通过驱动电路连接于半桥电路中上端MOS管的栅极，即Q11,Q13,Q15,Q17的栅极。控制信号PWM-通过驱动电路连接于半桥电路中下端MOS管的栅极，即Q12,Q14,Q16,Q18的栅极。
如图2所示，为本发明的工作状态I的原理图。MOS管Q11,Q13,Q15,Q17导通，Q12,Q14,Q16,Q18关断，耦合电容与上端电池单体(B11-B13)并联。从图中可以看出有6个充电均衡路径(i1A,i2A,i3A,i4A,i5A,i6A)，实现了上端电池单体(B11-B13)对耦合电容的同时充电。
如图3所示，为本发明的工作状态II的原理图。MOS管Q12,Q14,Q16,Q18导通，Q11,Q13,Q15,Q17关断，耦合电容与下端电池单体(B12-B14)并联。从图3中可以看出有6个放电均衡路径(i1B,i2B,i3B,i4B,i5B,i6B)，实现了耦合电容对下端电池单体(B12-B14)的同时充电。
如图4所示，为均衡电路的所有均衡路径。图4(a)表明本发明均衡电路能够实现相邻电池单体间的能量传递；图4(b)表明本发明均衡电路能够实现每相隔一个电池单体的直接能量传递；图4(c)表明本发明均衡电路能够实现第一节电池单体到最后一节电池单体的直接能量传递。基于以上分析，本发明均衡电路能够实现任意电池单体对任意电池单体的同时、直接、自动均衡，具有较高的均衡效率和均衡速度。
图5给出了本发明的均衡电流iC和电容电压VC的实验波形图。表明本发明均衡电路控制简单。
图6给出了本发明的均衡实验图。初始电池单体电压分别为VB11＝3.209V，VB12＝3.160V，VB13＝3.110V，VB14＝2.679V，最大初始电压差为0.53V。在6000s后，所有的电池单体电压同时收敛到3.096V附近，其最大电压差为2mV。实验结果表明本发明均衡电路能够获得任意电池单体对任意电池单体的同时均衡，且均衡速度快，均衡效率高。
图7给出了本发明的均衡电路模块化图。可以看出，只需连接两个模块的耦合电容的大金属板即可获得电池组之间的自动均衡，而不需要其他的外层均衡电路，有效减小了均衡电路体积，降低了使用成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于开关耦合电容的电池均衡电路，其特征在于：包括N节电池单体、微控制器、耦合电容和N个半桥电路；
所述半桥电路连接于微控制器、耦合电容和电池单体；
所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中MOS管开关的控制驱动信号；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的高频PWM信号，PWM+和PWM-；
所述半桥电路由两个串联的MOS管组成，其中上端MOS管的漏极连接于一节电池单体的正极，下端MOS管的源极连接于该电池单体的负极；
所述半桥电路的上端MOS管由PWM+控制，下端MOS管由PWM-控制；
所述耦合电容由一块大金属板和N个小金属板组成；
所述大金属板与小金属板平行组成星型结构；
所述大金属板与小金属板的平行距离相间隔开；
N个小金属板分别连接于N个半桥电路的中点，即两个串联MOS管相连接的点。
2.一种基于开关耦合电容的电池均衡电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)微控制器的脉冲宽度调制PWM信号输出端发送一对状态互补的PWM信号PWM+和PWM-控制N个半桥电路中上端和下端MOS管交替导通，即工作状态I和工作状态II；
(2)工作状态I：当N个半桥电路中上端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中上端的N-1节电池单体并联，其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(3)工作状态II：当N个半桥电路中下端MOS管导通时，所述耦合电容与串联电池组中下端的N-1节电池单体并联，其中，电压较高的电池单体给耦合电容充电，同时耦合电容给电压较低的电池单体充电；
(4)这两个状态交替工作，能量从任意电压较高的电池单体到任意电压较低的电池单体传递。
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