CN108599282A - 一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统及方法，主动均衡系统包括锂离子动力电池组、电压采集模块、主控制器、单体电池选通电路、换向电路和辅助电池电路，电压采集模块输入端分别连接锂离子动力电池组和辅助电池电路，电压采集模块输出端连接主控制器，单体电池选通电路、换向电路和辅助电池电路依次连接，单体电池选通电路连接锂离子动力电池组，辅助电池电路包括依次串联连接的限流模块、电流传感器和辅助电池。与现有技术相比，本发明具有主动均衡电路对电池组进行有效管理、提升电池组容量、电路结构简洁、成本低和电路安全性好等优点。

Description

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，尤其是涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统及方法。

背景技术

近年来，锂电池在电动汽车上大量使用，主要是由于锂离子电池具有体积小，能量密度高，无记忆效应，循环寿命高，自放电率低等优点。但目前阻碍电动汽车大范围普及的瓶颈仍然是其电池续航问题，可见，锂离子电池的高效利用以及寿命的提高对电动汽车的继续发展至关重要。

影响锂离子电池组寿命重要的一个因素就是单体电池的一致性。由于单体间的工作环境温度，电池容量，内阻，SOC以及自放电的差异，导致单体电池成组后，随着充放电循环次数增加，单体电池间的差异逐渐分化，进而导致电池组性能恶化。

为了解决单体电池的一致性问题，通常利用电力电子技术，在电池组内部设计均衡电路。均衡电路一般分为两种，一种是非人为干预的系统自均衡的被动均衡，另一种是人为干涉的以人为设定的目标为目的的主动均衡，具体包括能量耗散式均衡和能量转移式均衡。其主要功能是无论电池组在充电、放电还是放置过程中，都可利用在电池组内部对于电池单体之间的差异性进行主动均衡，以消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性。但由于均衡过程当中的能量转移会因均衡电源自身的功效特性而产生热损耗，以及电池的电化学特性中极化内阻的变化，并不能用简单的能量均衡方式而真正解决问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，所述的系统包括锂离子动力电池组、电压采集模块、主控制器、单体电池选通电路、换向电路和辅助电池电路，所述的电压采集模块输入端分别连接锂离子动力电池组和辅助电池电路，所述的电压采集模块输出端连接主控制器，所述的单体电池选通电路、换向电路和辅助电池电路依次连接，所述的单体电池选通电路连接锂离子动力电池组。

优选地，所述的辅助电池电路包括依次串联连接的限流模块、电流传感器和辅助电池。

优选地，所述的限流模块包括电感线圈以及分别与电感线圈并联的第一限流支路、第二限流支路，所述的第一限流支路和第二限流支路均分别包括串联连接的MOS管和续流二极管，所述的第一限流支路和第二限流支路的续流二极管导通方向相反，所述的第一限流支路中第十一MOS管和第一续流二极管的导通方向相同，所述的第二限流支路中的第十二MOS管和第二续流二极管的导通方向相同，所述的第十一MOS管两端并联有与自身导通方向相反的二极管，所述的第十二MOS管两端并联有与自身导通方向相反的二极管。

优选地，所述的限流模块为电阻。

优选地，所述的单体电池选通电路设于单体电池两端，所述的单体电池选通电路分为偶数选通支路和奇数选通支路，所述的偶数选通支路一端和奇数选通支路一端交替连接于锂离子动力电池组中各单体电池两端，所述的偶数选通支路另一端连接偶数选通支路公共输出端，所述的奇数选通支路另一端连接奇数选通支路公共输出端。

优选地，每条单体电池选通电路上串联两个以漏极相连的MOS管，每个MOS管两端均并联有与对应MOS管导通方向相反的二极管。

优选地，所述的换向电路分为第一组换向电路和第二组换向电路，第一组换向电路包括并联连接的第一换向支路和第二换向支路，第二组换向电路包括并联连接的第三换向支路和第四换向支路，所述的第一换向支路和第二换向支路并联后连接辅助电池电路的一端，所述的第三换向支路和第四换向支路并联后连接辅助电池电路的另一端，所述的奇数选通支路公共输出端分别连接第一换向支路和第四换向支路，所述的偶数选通支路公共输出端分别连接第二换向支路和第三换向支路。

优选地，所述的换向电路为双刀双掷继电器。

优选地，所述的换向电路分为两组，每组换向电路包括两条并联的换向支路，各换向支路上串联两个以漏极相连的MOS管，每个MOS管两端均并联有与对应MOS管导通方向相反的二极管。

一种采用上述任一项所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡系统的主动均衡方法，所述的方法包括以下步骤：

S1、所述的电压采集模块采集锂离子动力电池组中的各单体电池电压和辅助电池电压，若锂离子动力电池组中处于整体放电状态，则进入步骤S2，若锂离子动力电池组处于整体充电状态，则进入步骤S3，若锂离子动力电池组整体处于静置状态，则进入步骤S4；

S2、若电压采集模块采集的辅助电池电压高于电池组中最低单体电池电压，则选择该电压最低的单体电池，主控制器导通电压最低单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用辅助电池对单体电池进行充电；若电压采集模块采集的辅助电池电压低于电池组中最低单体电池电压，则暂不进行均衡操作，使电池组继续放电，重复步骤S2直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值；

S3、若电压采集模块采集的电池组中最高单体电池电压高于辅助电池的电压，则选择该电压最高的单体电池，主控制器导通电压最高单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，电压最高单体电池对辅助电池进行充电；若电压采集模块采集的电池组中最高单体电池电压低于辅助电池的电压，则暂不进行均衡操作，使电池组继续充电，重复步骤S3直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值；

S4、选择电压低于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用辅助电池对单体电池进行充电，选择电压高于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用单体电池对辅助电池进行充电，辅助电池对单体电池进行充电、单体电池对辅助电池进行充电两个过程交替进行，直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)主动均衡电路对电池组进行有效管理：本发明提供的锂离子动力电池组主动均衡电路利用辅助电池对电池组内的单体电池进行均衡管理，既能实现能量的转移，又能实现能量的储存，进而实现对电池组的高效管理；

(2)提升电池组容量：本发明提供的锂离子动力电池组主动均衡电路利用辅助电池对电池组内的单体电池进行均衡管理，能有效提升电池组容量；

(3)电路结构简洁、成本低：本发明提供的锂离子动力电池组主动均衡电路结构简单，成本低，易于控制；

(4)电路安全性好：本发明提供的锂离子动力电池组主动均衡电路设置有限流模块，能有效遏止电流的突变，降低了电路元件被击穿的可能性，增加了电路的安全性。

附图说明

图1是基于辅助电池的单体电池间主动均衡电路原理简图。

图2是基于辅助电池的单体电池间主动均衡电路具体实施图

图3是本发明均衡电路中辅助电池向单体电池充电时的等效电路图。

图4是本发明均衡电路中单体电池向辅助电池充电时的等效电路图。

图中：1、电压采集模块；2、电池模块；3、单体电池选通电路；4、换向电路；5、限流模块；6、辅助电池；7、选通MOS管；8、选通二极管；9、电感线圈；10、续流二极管；11、电流传感器，101、选中单体电池；202、第二MOS管；203、第三MOS管；204、第四MOS管；205、第五MOS管；206、第六MOS管；208、第八MOS管；209、第九MOS管；210、第十MOS管；211、第十一MOS管；212、第一续流二极管；306、第十二MOS管；312、第二续流二极管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明的基本原理如图1所示，当选择第N个电池进行均衡管理时，闭合开关S_N和S_N+1，根据辅助单体电池电压和第N个电池电压的大小，确定换向电路的导通方向，使辅助电池与该单体电池并联。

如图2所示，本发明提供了一种锂离子动力电池组主动均衡电路的具体实施方式，该均衡电路为基于辅助电池的单体电池间主动均衡电路。如图2所示，包括电压采集模块1、电池模块2、单体电池选通电路3、换向电路4、限流模块5、辅助电池6、电流传感器11。

如图2所示，电压采集模块1实时采集电池模块2中每个单体电池的电压信号，同时也采集辅助电池6的电压信号，电流传感器11采集辅助电池6的电流信号，采集到的电压信号和电流信号均发送给电池管理系统的控制单元。单体电池选通电路3用于选择需要进行均衡的单体电池，根据辅助单体电池电压和需要均衡的单体电池电压的大小，确定换向电路4的导通方向。并通过换向电路4使单体电池与辅助电池6相并联，以此实现该单体电池的均衡管理。在本发明均衡电路中，所用的MOS管可以采用如下任意一种器件或者任意两种器件的组合进行替换：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管或DUAL PMOS管。

如图2所示，单体电池选通电路3由N+1条支路构成，其中，奇数支路并联在一起分别形成两个公共输出端，偶数支路并联在一起分别形成两个公共输出端，N为单体电池的个数。每条支路上以漏极相连的方式串联两个选通MOS管7(场效应开关管)，与两个MOS管并联的选通二极管8也反向串联，且选通二极管8的导通方向与其所并联的选通MOS管7导通方向相反。并联反向导通的二极管目的是为了使电路可以双向导通，每个单体电池的正负极均串联有一条支路。

如图2所示，换向电路4由8个MOS管构成，每2个MOS管为一组，两个MOS管反向串联，与两个MOS管并联的二极管也反向串联，且二极管的导通方向与其所并联的MOS管导通方向相反。前两组的4个MOS管的两个源极分别与单体电池选通电路3中的两个公共输出端相连，另外两个源极并联在一起作为一个公共输出端。后两组的4个MOS管的两个源极分别与单体电池选择电路3中的另外两个公共输出端相连，另外两个源极并联在一起作为一个公共输出端。换向电路4的两个公共输出端分别与辅助电池6的正负极相连。电池管理系统根据电压采集模块采集的电压信号，控制相应的MOS管的通断，利用单体电池选通电路3选择出需要进行均衡的单体电池，再利用电流换向电路4使单体电池选通电路3中的两个公共输出端分别与辅助电池的正负极相连，使需要均衡的单体电池与辅助电池并联，从而进行均衡管理。本实施例中，换向电路也可以由一个双刀双掷继电器来替代，在此种形式下，单体电池选通电路的偶数支路并联在一起形成一个公共输出端，偶数支路并联在一起形成一个公共输出端，两个公共输出端分别与双刀双掷继电器的两个输入触点相连，继电器的一个输出触点与辅助电池6负极相连，另一个输出触点与限流模块5相连后再与辅助电池正极相连。

如图2所示，限流模块5包括串联在换向电路公共输出端上的电感线圈9，以及与电感线圈9并联的两个导通方向相反的续流二极管10，两个续流二极管10分别与一个导通方向相同的MOS管串联，且两个MOS管都并联有一个导通方向与其相反的二极管。当电路中电流突变时，电感线圈9中会产生反向感应电动势，电路中其他元件会有被反向击穿的危险，并联在电感线圈9两端的续流二极管10可以和电感线圈9构成回路。使产生的反向感应电动势通过电流的形式消耗掉，起到了平滑电流保护电路元件的作用。在本实施例中，限流模块5也可以由一个串联在换向电路输出端上的合适阻值的电阻代替，阻值的选取以为不超过设计的均衡电流为准。若此均衡电路中选用的开关原件本身具有较大的电阻，也可不设置限流模块。

本发明电路中的所有MOS管的导通与截止(或者继电器触点的切换)均由电池管理系统的控制单元根据相关信号和算法做出控制。在没有控制信号时，电路中的MOS管和二极管可以阻止双向电流的流动。

电池管理系统的控制单元通过对电池组中所有单体电池包括辅助电池的电压、荷电状态和容量的比较判断，其均衡方法为：在电池组的动态充放电过程中，当电池组处于整体放电的过程时，选择电压较低的电池与辅助单体电池并联，当电池组处于整体充电的过程时，选择电压较高的电池与辅助单体电池并联；在电池组的静置条件下，辅助电池可以通过单体选通电路与具有最低电压的单体电池相并联，对单体电池进行充电，辅助电池也可以通过单体选通电路与具有比辅助电池电压高的单体电池相并联，单体电池对辅助电池进行充电，如此反复，实现需要均衡的电池单体与辅助单体间的能量转移，并实现能量在辅助单体上的存储和输出，使电池组具有更好的一致性。

如图2所示，本实施例以四块单体电池构成的电池组为例，当然，本实施例并不限定单体电池的数目，其他实施例中，可以串联五块甚至更多的单体电池。另外，辅助单体电池为和电池组中电池单体同一型号，但也可以选择容量相等或更小的电池。本实施例的均衡充放电过程如下：

设定电池组处于整体放电的过程中，选中单体电池101为某一时刻电压较低的单体电池，辅助电池6对选中单体电池101进行充电时的等效电路如图3所示。其被电池管理系统选择需要进行均衡管理，如图3所示，选中单体电池101连接单体电池选通电路3的两条支路，第一条支路上第二MOS管202和第三MOS管203以漏极相连的方式串联在一起，第二条支路上第八MOS管208和第九MOS管209以漏极相连的方式串联在一起，单体电池选通电路3第一条支路连接换向电路4的一条支路，该支路上的第四MOS管204和第五MOS管205以漏极相连的方式串联在一起，第五MOS管205的源极与电感线圈9相串联，限流模块5的一条支路与电感线圈9并联，该支路上的第六MOS管206与第一续流二极管212以导通方向相同的方式串联，电感线圈9与电流传感器11相连后再与辅助电池6正极相连。单体电池选通电路3的第二条支路连接换向电路4的一条支路，该支路上的第十MOS管210和第十一MOS管211以漏极相连的方式串联在一起，第十一MOS管211的源极与辅助电池6的负极相连。电池管理系统的控制单元控制第二MOS管202、第四MOS管204、第九MOS管209、第十一MOS管211截止，控制第三MOS管203、第五MOS管205、第八MOS管208、第六MOS管206、第十MOS管210导通，使辅助电池6对单体电池101进行充电。充电结束后，电池管理系统的控制单元控制第二MOS管202、第三MOS管203、第四MOS管204、第五MOS管205、第六MOS管206、第八MOS管208、第九MOS管209、第十MOS管210、第十一MOS管211截止。

设定电池组处于整体充电的过程中，选中单体电池101为某一时刻电压较高的单体电池，选中单体电池101对辅助电池6进行充电时的等效电路图如图4所示。其被电池管理系统选择需要进行均衡管理，如图4所示，选中单体电池101连接单体电池选通电路3的两条支路，第一条支路上第二MOS管202和第三MOS管203以漏极相连的方式串联在一起，第二条支路上第八MOS管208和第九MOS管209以漏极相连的方式串联在一起，单体电池选通电路3第一条支路连接换向电路4的一条支路，该支路上的第四MOS管204和第五MOS管205以漏极相连的方式串联在一起，第五MOS管205的源极与电感线圈9相串联，限流模块5的一条支路与电感线圈9并联，该支路上的第十二MOS管306与第二续流二极管312以导通方向相同的方式串联，电感线圈9与电流传感器11相连后再与辅助电池6正极相连。单体电池选通电路3的第二条支路连接换向电路4的一条支路，该支路上的第十MOS管210和第十一MOS管211以漏极相连的方式串联在一起，第十一MOS管211的源极与辅助电池6的负极相连。电池管理系统的控制单元控制第三MOS管203、第五MOS管205、第八MOS管208、第十MOS管210截止，控制第二MOS管202、第四MOS管204、第九MOS管209、第十一MOS管211、第十二MOS管306导通，使选中单体电池101向辅助电池6进行充电。充电结束后，电池管理系统的控制单元控制第二MOS管202、第三MOS管203、第四MOS管204、第五MOS管205、第十二MOS管306、第八MOS管208、第九MOS管209、第十MOS管210、第十一MOS管211截止。

选择电压低于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用辅助电池对单体电池进行充电，选择电压高于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用单体电池对辅助电池进行充电，辅助电池对单体电池进行充电、单体电池对辅助电池进行充电两个过程交替进行，直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值。

本发明主要利用辅助电池单体进行动力电池组中单体电池间的均衡。该主动均衡电路包括由场效应开关管组成的选通电路和换向电路，电感线圈和续流二极管，以及辅助电池单体。其他外围系统包括电池组，电压采集模块，电流传感器，及场效应开关管控制。主动均衡电路可以通过对电池电压、荷电状态和容量的判断，利用选通电路和换向电路选择需要均衡的电池单体与辅助单体进行并联，实现需要均衡的电池单体与辅助单体间的能量转移，并实现能量在辅助单体上的存储和输出。最终由均衡算法完成电池组内单体容量的充分利用，从而实现均衡。本发明的主动均衡电路结构简单，均衡过程快速高效，安全可靠，能有效管理电池组充放电状态，提高电池组使用寿命。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的系统包括锂离子动力电池组、电压采集模块(1)、主控制器、单体电池选通电路(3)、换向电路(4)和辅助电池电路，所述的电压采集模块输入端分别连接锂离子动力电池组和辅助电池电路，所述的电压采集模块输出端连接主控制器，所述的单体电池选通电路、换向电路和辅助电池电路依次连接，所述的单体电池选通电路连接锂离子动力电池组。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的辅助电池电路包括依次串联连接的限流模块(5)、电流传感器(11)和辅助电池(6)。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的限流模块(5)包括电感线圈(9)以及分别与电感线圈(9)并联的第一限流支路、第二限流支路，所述的第一限流支路和第二限流支路均分别包括串联连接的MOS管和续流二极管，所述的第一限流支路和第二限流支路的续流二极管导通方向相反，所述的第一限流支路中第十一MOS管(211)和第一续流二极管(212)的导通方向相同，所述的第二限流支路中的第十二MOS管(306)和第二续流二极管(312)的导通方向相同，所述的第十一MOS管(211)两端并联有与自身导通方向相反的二极管，所述的第十二MOS管(306)两端并联有与自身导通方向相反的二极管。

4.根据权利要求2所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的限流模块为电阻。

5.根据权利要求1所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的单体电池选通电路设于单体电池两端，所述的单体电池选通电路分为偶数选通支路和奇数选通支路，所述的偶数选通支路一端和奇数选通支路一端交替连接于锂离子动力电池组中各单体电池两端，所述的偶数选通支路另一端连接偶数选通支路公共输出端，所述的奇数选通支路另一端连接奇数选通支路公共输出端。

6.根据权利要求5所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，每条单体电池选通电路上串联两个以漏极相连的MOS管，每个MOS管两端均并联有与对应MOS管导通方向相反的二极管。

7.根据权利要求5所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的换向电路分为第一组换向电路和第二组换向电路，第一组换向电路包括并联连接的第一换向支路和第二换向支路，第二组换向电路包括并联连接的第三换向支路和第四换向支路，所述的第一换向支路和第二换向支路并联后连接辅助电池电路的一端，所述的第三换向支路和第四换向支路并联后连接辅助电池电路的另一端，所述的奇数选通支路公共输出端分别连接第一换向支路和第四换向支路，所述的偶数选通支路公共输出端分别连接第二换向支路和第三换向支路。

8.根据权利要求5所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的换向电路为双刀双掷继电器。

9.根据权利要求5所述的一种锂离子动力电池组充放电主动均衡系统，其特征在于，所述的换向电路分为两组，每组换向电路包括两条并联的换向支路，各换向支路上串联两个以漏极相连的MOS管，每个MOS管两端均并联有与对应MOS管导通方向相反的二极管。

10.一种采用如权利要求1～9任一项所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡系统的主动均衡方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1、所述的电压采集模块采集锂离子动力电池组中的各单体电池电压和辅助电池电压，若锂离子动力电池组中处于整体放电状态，则进入步骤S2，若锂离子动力电池组处于整体充电状态，则进入步骤S3，若锂离子动力电池组整体处于静置状态，则进入步骤S4；

S2、若电压采集模块采集的辅助电池电压高于电池组中最低单体电池电压，则选择该电压最低的单体电池，主控制器导通电压最低单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用辅助电池对单体电池进行充电；若电压采集模块采集的辅助电池电压低于电池组中最低单体电池电压，则暂不进行均衡操作，使电池组继续放电，重复步骤S2直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值；

S3、若电压采集模块采集的电池组中最高单体电池电压高于辅助电池的电压，则选择该电压最高的单体电池，主控制器导通电压最高单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，电压最高单体电池对辅助电池进行充电；若电压采集模块采集的电池组中最高单体电池电压低于辅助电池的电压，则暂不进行均衡操作，使电池组继续充电，重复步骤S3直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值；

S4、选择电压低于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用辅助电池对单体电池进行充电，选择电压高于辅助电池电压的单体电池，主控制器导通选中单体电池与辅助电池间的单体电池选通电路和换向电路，利用单体电池对辅助电池进行充电，辅助电池对单体电池进行充电、单体电池对辅助电池进行充电两个过程交替进行，直至锂离子动力电池组中各单体电池间的电压差小于设定值。