CN109120039A - 一种并联充电和独立电感均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联充电和独立电感均衡电路及其控制方法，本发明可以实现并联充电，当任意一个单体电池达到设定的截止电压时便将该单体电池隔离出充电电路，最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的。放电均衡通过对Mosfet开关的PWM控制从而将最高SOC（荷电状态也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示）单体电池中的能量转移到最低SOC单体电池中，有效减小各单体电池间的不一致性。

Description

一种并联充电和独立电感均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种并联充电和独立电感均衡电路及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。

背景技术

随着时代的发展，锂离子电池作为蓄电池的一种，凭借其在功率、效率、安全性、使用寿命等方面的优越性，在电动汽车、分布式发电等领域已经得到了深入的研究和广泛的应用。然而在实际应用中，通常需要将大量的锂离子电池串联使用，使其达到系统功能和电压要求。但是锂离子电池种类繁多、即使是同一类型的锂离子电池在容量、内阻、自放电率等特性上均有一定的差异。串联的电池组中，单体电池间的不一致性会缩短电池的使用寿命、可能会造成某个单体电池的过充电或过放电，甚至威胁电池组的安全运行。

发明内容

针对电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联的锂离子单体电池之间能量不一致的问题，本发明提供了一种并联充电和独立电感均衡电路及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种并联充电和独立电感均衡电路，由电池组、电感L、继电器NC_j、Mosfet开关M_i、Mosfet开关P_i、Mosfet开关N_i、Mosfet开关Q_i、Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关B、Mosfet开关G、高反向电压肖基特二极管I、高反向电压肖基特二极管R、高反向电压肖基特二极管D_i1、高反向电压肖基特二极管D_i2、高反向电压肖基特二极管K、高反向电压肖基特二极管E_i1构成；

所述电池组由n个单体电池C_i组成，每两个相邻的单体电池间串接一个常闭继电器NC_j，高反向电压肖基特二极管D_i1的阴极和Mosfet开关P_i的漏极都接在电池C_i的正极上；高反向电压肖基特二极管的D_i1阳极接在Mosfet开关M_i的源极上，M_i的漏极接在高反向电压肖基特二极管I的阴极和高反向电压肖基特二极管R的阴极上，高反向电压肖基特二极管I的阳极接在Mosfet开关A₁的源极上，Mosfet开关A₁的漏极接在单体电池C₁的正极上，高反向电压肖基特二极管R的阳极接在电感L的输出端和Mosfet开关G的漏极上；Mosfet开关P_i的源极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阳极上，高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极接在电感L的输入端和高反向电压肖基特二极管K的阴极上；

高反向电压肖基特二极管D_i2的阳极和高反向电压肖基特二极管E_i2的阴极都接在电池C_i的负极上，高反向电压肖基特二极管D_i2的阴极接在Mosfet开关N_i的漏极上，Mosfet开关N_i的源极接在Mosfet开关A₂和Mosfet开关B的漏极上，Mosfet开关A₂的源极接在高反向电压肖基特二极管J的阳极上，高反向电压肖基特二极管J的阴极接在单体电池C_n的负极上，Mosfet开关B的源极接在高反向电压肖基特二极管K的阳极上，高反向电压肖基特二极管K的阴极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极和电感L的输入端上；高反向电压肖基特二极管E_i2的阳极接在Mosfet开关Q_i的源极上，Mosfet开关Q_i的漏极接在Mosfet开关G的源极上；

其中，j=1,2,3...,n-1，i=1,2,3...,n。

所述继电器型号为G8N-1L-DC12。

所述均衡电路进行充电均衡时，使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开，从而将单体电池C_i隔离出充电电路。

所述均衡电路进行放电均衡时，控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的。

一种并联充电和独立电感均衡电路的控制方法，所述方法包括充电均衡和放电均衡控制：

充电均衡：使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开，从而将单体电池C_i隔离出充电电路；直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；其中，a=2,3,...n，b=1,2,...n-1；

放电均衡：控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的；

其中α为正数，表示阈值。

本发明的有益效果是：本发明可以实现并联充电，当任意一个单体电池达到设定的截止电压时便将该单体电池隔离出充电电路，最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的。放电均衡通过对Mosfet开关的PWM控制从而将最高SOC（荷电状态也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，常用百分数表示）单体电池中的能量转移到最低SOC单体电池中，有效减小各单体电池间的不一致性。

附图说明

图1是本发明的原理图；

图2是n个单体电池的充电均衡电路原理图；

图3是n个单体电池的放电均衡电路原理图；

图4是4个单体电池的充电均衡电路原理图；

图5是4个单体电池充电均衡等效电路图；

图6是4个单体电池的放电均衡电路原理图；

图7是4个单体电池放电均衡等效电路图；

其中，如附图所示，灰色部分为断开状态，黑色部分为导通或工作状态。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种并联充电和独立电感均衡电路，由电池组、电感L、继电器NC_j、Mosfet开关M_i、Mosfet开关P_i、Mosfet开关N_i、Mosfet开关Q_i、Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关B、Mosfet开关G、高反向电压肖基特二极管I、高反向电压肖基特二极管R、高反向电压肖基特二极管D_i1、高反向电压肖基特二极管D_i2、高反向电压肖基特二极管K、高反向电压肖基特二极管E_i1构成；

所述电池组由n个单体电池C_i组成，每两个相邻的单体电池间串接一个常闭继电器NC_j，高反向电压肖基特二极管D_i1的阴极和Mosfet开关P_i的漏极都接在电池C_i的正极上；高反向电压肖基特二极管的D_i1阳极接在Mosfet开关M_i的源极上，M_i的漏极接在高反向电压肖基特二极管I的阴极和高反向电压肖基特二极管R的阴极上，高反向电压肖基特二极管I的阳极接在Mosfet开关A₁的源极上，Mosfet开关A₁的漏极接在单体电池C₁的正极上，高反向电压肖基特二极管R的阳极接在电感L的输出端②和Mosfet开关G的漏极上；Mosfet开关P_i的源极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阳极上，高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极接在电感L的输入端①和高反向电压肖基特二极管K的阴极上；

高反向电压肖基特二极管D_i2的阳极和高反向电压肖基特二极管E_i2的阴极都接在电池C_i的负极上，高反向电压肖基特二极管D_i2的阴极接在Mosfet开关N_i的漏极上，Mosfet开关N_i的源极接在Mosfet开关A₂和Mosfet开关B的漏极上，Mosfet开关A₂的源极接在高反向电压肖基特二极管J的阳极上，高反向电压肖基特二极管J的阴极接在单体电池C_n的负极上，Mosfet开关B的源极接在高反向电压肖基特二极管K的阳极上，高反向电压肖基特二极管K的阴极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极和电感L的输入端①上；高反向电压肖基特二极管E_i2的阳极接在Mosfet开关Q_i的源极上，Mosfet开关Q_i的漏极接在Mosfet开关G的源极上；其中，j=1,2,3...,n-1，i=1,2,3...,n。

进一步地，可以设置所述继电器型号为G8N-1L-DC12。所述高反向电压肖基特二极管采用SR2200。

进一步地，可以设置所述均衡电路进行充电均衡时，使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开，从而将单体电池C_i隔离出充电电路。

进一步地，可以设置所述均衡电路进行放电均衡时，控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的。

一种并联充电和独立电感均衡电路的控制方法，所述方法包括充电均衡和放电均衡控制：

充电均衡：电池组在充电过程中（如图2），使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开（M₁、N_n始终处于断开状态），从而将单体电池C_i隔离出充电电路；直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；其中，a=2,3,...n，b=1,2,...n-1；

放电均衡：电池组在放电过程中（如图3），控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；检测各个单体电池的电压，电压最高的单体电池即SOC最高，电压最低的单体电池即SOC最低。若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的；否则，不做任何处理；

其中α为正数，表示阈值。

实施例2：以4个单体电池为例。

在充电过程中（如图4、5），假设单体电池达到充电截止电压的顺序依次为C₃、C₁、C₂、C₄，则具体电路控制方法如下：

使常闭继电器NC_i的处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、A₂、M_i（i=2,3,4）、N_i（i=1,2,3）导通（其它Mosfet开关均为断开状态），使得各单体电池直接并联在电源上。

（1）、当单体电池C₃达到所设定充电截止电压时，则控制与该单体电池C₃对应的Mosfet开关M₃、N₃断开，从而将单体电池C₃隔离出充电电路，达到保护该单体电池的目的。（2）、当单体电池C₁达到所设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C₁对应的Mosfet开关N₁断开，从而将单体电池C₁隔离出充电电路。（3）、当单体电池C₂达到所设定充电截止电压时，则控制与该单体电池C₂对应的Mosfet开关M₂、N₂断开，从而将单体电池C₂隔离出充电电路。（4）、当单体电池C₄达到所设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C₄对应的Mosfet开关M₄断开，从而将单体电池C₄隔离出充电电路。最终所有单体电池均隔离出充电电路，充电电路为断开状态；所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡。

在放电过程中（如图6、7）控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态。假设C₄为最高SOC单体电池，电压为V₄ ；C₂为最低单体电池，电压为V₂，且V₄—V₂≥α（α为阈值）。

采用PWM控制Mosfet开关P₄、Q₄、M₂、N₂、B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C₄为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C₂中，从而达到均衡的目的。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种并联充电和独立电感均衡电路，其特征在于：由电池组、电感L、继电器NC_j、Mosfet开关M_i、Mosfet开关P_i、Mosfet开关N_i、Mosfet开关Q_i、Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关B、Mosfet开关G、高反向电压肖基特二极管I、高反向电压肖基特二极管R、高反向电压肖基特二极管D_i1、高反向电压肖基特二极管D_i2、高反向电压肖基特二极管K、高反向电压肖基特二极管E_i1构成；

所述电池组由n个单体电池C_i组成，每两个相邻的单体电池间串接一个常闭继电器NC_j，高反向电压肖基特二极管D_i1的阴极和Mosfet开关P_i的漏极都接在电池C_i的正极上；高反向电压肖基特二极管的D_i1阳极接在Mosfet开关M_i的源极上，M_i的漏极接在高反向电压肖基特二极管I的阴极和高反向电压肖基特二极管R的阴极上，高反向电压肖基特二极管I的阳极接在Mosfet开关A₁的源极上，Mosfet开关A₁的漏极接在单体电池C₁的正极上，高反向电压肖基特二极管R的阳极接在电感L的输出端和Mosfet开关G的漏极上；Mosfet开关P_i的源极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阳极上，高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极接在电感L的输入端和高反向电压肖基特二极管K的阴极上；

高反向电压肖基特二极管D_i2的阳极和高反向电压肖基特二极管E_i2的阴极都接在电池C_i的负极上，高反向电压肖基特二极管D_i2的阴极接在Mosfet开关N_i的漏极上，Mosfet开关N_i的源极接在Mosfet开关A₂和Mosfet开关B的漏极上，Mosfet开关A₂的源极接在高反向电压肖基特二极管J的阳极上，高反向电压肖基特二极管J的阴极接在单体电池C_n的负极上，Mosfet开关B的源极接在高反向电压肖基特二极管K的阳极上，高反向电压肖基特二极管K的阴极接在高反向电压肖基特二极管E_i1的阴极和电感L的输入端上；高反向电压肖基特二极管E_i2的阳极接在Mosfet开关Q_i的源极上，Mosfet开关Q_i的漏极接在Mosfet开关G的源极上；

其中，j=1,2,3...,n-1，i=1,2,3...,n。

2.根据权利要求1所述的并联充电和独立电感均衡电路，其特征在于：所述继电器型号为G8N-1L-DC12。

3.根据权利要求1所述的并联充电和独立电感均衡电路，其特征在于：所述均衡电路进行充电均衡时，使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开，从而将单体电池C_i隔离出充电电路。

4.根据权利要求1所述的并联充电和独立电感均衡电路，其特征在于：所述均衡电路进行放电均衡时，控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的。

5.一种控制权利要求1所述的并联充电和独立电感均衡电路的方法，其特征在于：所述方法包括充电均衡和放电均衡控制：

充电均衡：使常闭继电器NC_i处于断开状态，采用PWM控制Mosfet开关A₁、Mosfet开关A₂、Mosfet开关M_a、Mosfet开关N_b均为导通状态，其它Mosfet开关均为断开状态，使得各单体电池直接并联在电源上，若某个单体电池C_i达到设定的充电截止电压时，则控制与该单体电池C_i对应的Mosfet开关M_i、Mosfet开关N_i断开，从而将单体电池C_i隔离出充电电路；直至最终所有单体电池都达到充电截止电压，此时所有单体电池均隔离出充电电路；最终所有单体电池都因达到所设定的充电截止电压而停止充电从而达到强制均衡目的；其中，a=2,3,...n，b=1,2,...n-1；

放电均衡：控制常闭继电器NC_i，使其处于闭合状态，Mosfet开关均为关断状态，则各个单体电池为串联状态；若C_x为最高SOC单体电池，电压为V_x；C_y为最低SOC单体电池，电压为V_y，且V_x—V_y≥α为阈值时，采用PWM控制Mosfet开关P_x、Mosfet开关Q_x、Mosfet开关M_y、Mosfet开关N_y、Mosfet开关B处于导通状态，再采用PWM控制Mosfet开关G的通断，当Mosfet开关G处于导通状态时，单体电池C_x为电感L进行充能；当Mosfet开关G处于断开状态时，电感L中的能量则转移到SOC最低的单体电池C_y中，从而保持各单体电池间的一致性，达到均衡的目的；

其中α为正数，表示阈值。