CN111064248A - 一种串联锂离子电池组均衡控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池均衡技术领域，具体为一种串联锂离子电池组均衡控制电路，包括电池组以及与电池组连接的均衡控制器，所述电池组包括四个依次串联的电池单体B1、B2、B3和B4，均衡控制器包括：晶体二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；功率MOS管VT1、VT2、VT3、VT5、VT13和VT14；电感L1、L2和L3；电容C1和C2；通过本发明提供的串联锂离子电池组均衡控制电路，与传统开关电感均衡控制电路不同的地方在于增加了VT4、VT6、VT8、VT9、VT11五个功率MOS管，目的是为了相邻与非相邻单体电池之间的均衡控制，降低均衡损耗，提高均衡速度和效率，具有突出的实质性特点和显著的效果。

Description

一种串联锂离子电池组均衡控制电路

技术领域

本发明涉及电池均衡技术领域，具体为一种串联锂离子电池组均衡控制电路。

背景技术

由于锂离子电池的固有特性，单个电池在充放电过程中具有安全工作电压范围，比如2.6V至4.2V之间。充电过程中，当电池电压高于上限时,会引起电池起火或爆炸；放电过程中，当电池电压低于下限时,又会引起电池的损坏。在大功率应用场合，需要几十乃至上百支单体电池串联构成电池组。由于电池组中各单体电池存在不一致性，所以在充电过程中会存在某一单体电池已经达到电压上限电，而其它电池仍处于可充电状态，这样会导致发生过充问题；在放电过程中,会存在某一单体电池电压达到了下限电压，而其余电池仍处于安全工作电压范围，这样也会导致电池整体效率低或者某个单体电池处于深度放电状态。过充和过放会都会对锂电池造成不可恢复的损害，而且锂电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，故一旦有某个电池出现深度放电，整个电池组就必须停止工作，同样，一旦有某个电池出现过度充电，充电过程也要立即停止，否则电池寿命会严重衰减，甚至引起安全隐患。可能出现的极端情况是，锂电池组内某些单体锂电池容量已达最大容量，某些则已至最低容量，导致整个锂电池组既无法充电也无法放电。为解决以上电池不一致性所导致的问题，故需要采用了一些电池均衡控制方法。现有均衡方法按照均衡原理分为能量耗散型和能量非耗散型两类，按照均衡的判断准则可分为基于电压的均衡和基于SOC的均衡。能量非耗散型中基于电容与电感的均衡控制应用广泛，基于电压的均衡方法是指通过单体锂电池的负载电压差异来判断锂电池组的不一致性情况，据此控制均衡模块的开启和关闭。基于电压的均衡方法是一种较简单的均衡策略，也是现在应用最广的。

传统分散型均衡系统基于电感的能量非耗散型均衡方案具有结构简单、易于控制等优点，目前已得到了一定的应用，但是这种方法只能实现相邻两单体之间的能量传递，当不均衡单体不相邻时，能量需要在单体电池间层层传递，能量的传输路径长。当电池间的能量传输的距离较远时，传输速度慢且增加开关损耗，增大了均衡时间且降低了均衡效率，即均衡速度变慢，效率降低，均衡损耗较大。为此，我们提出一种串联锂离子电池组均衡控制电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联锂离子电池组均衡控制电路，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种串联锂离子电池组均衡控制电路，包括电池组以及与电池组连接的均衡控制器，所述电池组包括四个依次串联的电池单体B1、B2、B3和B4，

均衡控制器包括：

晶体二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；

功率MOS管VT1、VT2、VT3、VT5、VT13和VT14；

电感L1、L2和L3；

电容C1和C2；

四个依次串联的晶体二极管D1、D2、D3和D4，D1的输出端与B1的正极电连接，D4的输入端与B4的负极电连接，VT1、VT2、VT3和VT5依次串联后与D1、D2、D3和D4并联接入电路，VT13和VT14串联后的两端分别与B1、B2的共线段和B3、B4的共线段电连接，D5和D6串联后的两端与VT13和VT14并联接入电路，L1的两端分别与VT1、VT2的共线段和B1、B2的共线段电连接，L3的两端分别与VT3、VT5的共线段和B3、B4的共线段电连接，L2的两端分别与B2、B3的共线段和D5、D6的共线段电连接，C1的两端分别接入B1的正极和D4、B4的共线段电连接，C2的两端分别与B1、B2的共线段和C1、D4的共线段电连接，C1与C2并联。

优选的，所述均衡控制器还包括：

功率MOS管VT4、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10、VT11、VT12、VT15、VT16、VT17、VT18、VT19、VT20、VT21和VT22；

VT4的两端分别电连接在L3与VT3、VT5的共线段，VT6的两端分别电连接在B4的负极和D4、VT5的共线段，VT7的两端分别电连接在B1、B2的共线段和C2、D4的共线段，VT16与VT17并联后与VT8串联，VT16与VT17的共线段与C2电连接，VT8与B1、B2的共线段电连接，VT9与L2电连接，VT10与VT12串联后接入电路，VT11与C1串联接入电路，VT15与VT18串联后的两端分别与C1、B1的共线段和B3、B4的共线段电连接，VT19与VT20并联后的两端接入B1、C1之间线路，VT21与C1串联且与C2串联，VT22与VT10串联接入电路。

优选的，所述均衡控制器用于均衡相邻单体电池和非相邻单体电池。

优选的，所述均衡控制器用于均衡相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B2之间均衡控制：VB1-VB2≥ξV，B1能量要转移到B2，首先VT1导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT1对L1充电，电量储存于L1中，接着功率MOS管全部关断，L1通过D2二极管放电，将能量转移至B2，B1与B2达到均衡，如果VB2-VB1≥ξV，首先VT2导通，其它功率MOS管关断，B2通过VT2对L1充电，电量储存于L1中，接着全部功率MOS管关断，L1通过D1二极管放电，将能量转移至B1，B1与B2达到均衡；

B2与B3之间均衡控制：VB2-VB3≥ξV，B2能量要转移到B3，首先VT8、VT13、VT9导通，其它功率MOS管关断，B2对L2充电，电量储存于L2中，接着VT9、V11导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT9、V11和D6二极管放电，将能量转移至B3，达到B2、B3均衡，如果VB3-VB2≥ξV，首先VT9、VT14、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3对L2充电，电量储存于L2中，接着VT8、VT9导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT8、VT9和D5二极管放电，将能量转移至B2，B2与B3达到均衡；

B3与B4之间均衡控制：VB3-VB4≥ξV，B3能量要转移到B4，首先VT3、VT4导通，其它功率MOS管关断，B3对L3充电，电量储存于L3中，接着VT6导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT6和D4二极管放电，将能量转移至B4，达到B3、B4均衡，如果VB4-VB3≥ξV，首先VT4、VT5、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4对L3充电，电量储存于L3中，接着VT4导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT4和D3二极管放电，将能量转移至B3，B3与B4达到均衡。

优选的，所述均衡控制器用于均衡非相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B3之间均衡控制：VB1-VB3≥ξV，B1能量要转移到B3，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT10、VT11功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT10、VT11放电，将能量转移至B3，B1和B3达到均衡，如果VB3-VB1≥ξV，B3能量要转移到B1,首先VT19、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3通过D2、D1、VT19、VT11对电容C1充电，电量储存于C1中，接着VT20、VT7、VT21导通，其它功率MOS管关断，C1通过VT20、VT7、VT21放电，将能量转移至B1，B1和B3达到均衡；

B2与B4之间均衡控制：VB2-VB4≥ξV，B2能量要转移到B4，首先VT16、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT8、VT16、D4、D3、对C2充电，电量储存于C2中，接着VT15、VT6功率MOS管导通，其它全部关断，C2通过VT15、VT16放电，将能量转移至B4，B2和B4达到均衡，如果VB4-VB2≥ξV，B4能量要转移到B2,首先VT15、VT16导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT16对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT17、VT7、VT22导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT17、VT7、VT22放电，将能量转移至B2，B2和B4达到均衡；

B1与B4之间均衡控制：VB1-VB4≥ξV，B1能量要转移到B4，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT12、VT6、VT21功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT12、VT6、VT21放电，将能量转移至B4，B1和B4达到均衡，如果VB4-VB1≥ξV，B4能量要转移到B1,首先VT15、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT6对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT18、VT7导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT18、VT7放电，将能量转移至B1，B1和B4达到均衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过本发明提供的串联锂离子电池组均衡控制电路，与传统开关电感均衡控制电路不同的地方在于增加了VT4、VT6、VT8、VT9、VT11五个功率MOS管，目的是为了相邻与非相邻单体电池之间的均衡控制，降低均衡损耗，提高均衡速度和效率，具有突出的实质性特点和显著的效果。

附图说明

图1为本发明4单体电池串联均衡控制电路示意图；

图2为本发明电池电压采集示意图；

图3为本发明电池组分组分层均衡控制框图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

一种串联锂离子电池组均衡控制电路，包括电池组以及与电池组连接的均衡控制器，电池组包括四个依次串联的电池单体B1、B2、B3和B4，

均衡控制器包括：

晶体二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；

功率MOS管VT1、VT2、VT3、VT5、VT13和VT14；

电感L1、L2和L3；

电容C1和C2；

四个依次串联的晶体二极管D1、D2、D3和D4，D1的输出端与B1的正极电连接，D4的输入端与B4的负极电连接，VT1、VT2、VT3和VT5依次串联后与D1、D2、D3和D4并联接入电路，VT13和VT14串联后的两端分别与B1、B2的共线段和B3、B4的共线段电连接，D5和D6串联后的两端与VT13和VT14并联接入电路，L1的两端分别与VT1、VT2的共线段和B1、B2的共线段电连接，L3的两端分别与VT3、VT5的共线段和B3、B4的共线段电连接，L2的两端分别与B2、B3的共线段和D5、D6的共线段电连接，C1的两端分别接入B1的正极和D4、B4的共线段电连接，C2的两端分别与B1、B2的共线段和C1、D4的共线段电连接，C1与C2并联。

均衡控制器还包括：

功率MOS管VT4、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10、VT11、VT12、VT15、VT16、VT17、VT18、VT19、VT20、VT21和VT22；

VT4的两端分别电连接在L3与VT3、VT5的共线段，VT6的两端分别电连接在B4的负极和D4、VT5的共线段，VT7的两端分别电连接在B1、B2的共线段和C2、D4的共线段，VT16与VT17并联后与VT8串联，VT16与VT17的共线段与C2电连接，VT8与B1、B2的共线段电连接，VT9与L2电连接，VT10与VT12串联后接入电路，VT11与C1串联接入电路，VT15与VT18串联后的两端分别与C1、B1的共线段和B3、B4的共线段电连接，VT19与VT20并联后的两端接入B1、C1之间线路，VT21与C1串联且与C2串联，VT22与VT10串联接入电路。

均衡控制器用于均衡相邻单体电池和非相邻单体电池。

均衡控制器用于均衡相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B2之间均衡控制：VB1-VB2≥ξV，B1能量要转移到B2，首先VT1导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT1对L1充电，电量储存于L1中，接着功率MOS管全部关断，L1通过D2二极管放电，将能量转移至B2，B1与B2达到均衡，如果VB2-VB1≥ξV，首先VT2导通，其它功率MOS管关断，B2通过VT2对L1充电，电量储存于L1中，接着全部功率MOS管关断，L1通过D1二极管放电，将能量转移至B1，B1与B2达到均衡；

B2与B3之间均衡控制：VB2-VB3≥ξV，B2能量要转移到B3，首先VT8、VT13、VT9导通，其它功率MOS管关断，B2对L2充电，电量储存于L2中，接着VT9、V11导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT9、V11和D6二极管放电，将能量转移至B3，达到B2、B3均衡，如果VB3-VB2≥ξV，首先VT9、VT14、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3对L2充电，电量储存于L2中，接着VT8、VT9导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT8、VT9和D5二极管放电，将能量转移至B2，B2与B3达到均衡；

B3与B4之间均衡控制：VB3-VB4≥ξV，B3能量要转移到B4，首先VT3、VT4导通，其它功率MOS管关断，B3对L3充电，电量储存于L3中，接着VT6导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT6和D4二极管放电，将能量转移至B4，达到B3、B4均衡，如果VB4-VB3≥ξV，首先VT4、VT5、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4对L3充电，电量储存于L3中，接着VT4导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT4和D3二极管放电，将能量转移至B3，B3与B4达到均衡。

均衡控制器用于均衡非相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B3之间均衡控制：VB1-VB3≥ξV，B1能量要转移到B3，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT10、VT11功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT10、VT11放电，将能量转移至B3，B1和B3达到均衡，如果VB3-VB1≥ξV，B3能量要转移到B1,首先VT19、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3通过D2、D1、VT19、VT11对电容C1充电，电量储存于C1中，接着VT20、VT7、VT21导通，其它功率MOS管关断，C1通过VT20、VT7、VT21放电，将能量转移至B1，B1和B3达到均衡；

B2与B4之间均衡控制：VB2-VB4≥ξV，B2能量要转移到B4，首先VT16、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT8、VT16、D4、D3、对C2充电，电量储存于C2中，接着VT15、VT6功率MOS管导通，其它全部关断，C2通过VT15、VT16放电，将能量转移至B4，B2和B4达到均衡，如果VB4-VB2≥ξV，B4能量要转移到B2,首先VT15、VT16导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT16对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT17、VT7、VT22导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT17、VT7、VT22放电，将能量转移至B2，B2和B4达到均衡；

B1与B4之间均衡控制：VB1-VB4≥ξV，B1能量要转移到B4，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT12、VT6、VT21功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT12、VT6、VT21放电，将能量转移至B4，B1和B4达到均衡，如果VB4-VB1≥ξV，B4能量要转移到B1,首先VT15、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT6对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT18、VT7导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT18、VT7放电，将能量转移至B1，B1和B4达到均衡。

以上均衡控制过程中，VB1，VB2，VB3，VB4分别为单体电池B1，B2，B3，B4的端电压，应用LTC6802电池管理芯片同时采集电池电压值。

将以上均衡控制电路应用于模块化电池组中：

当串联电池组中单体电池个数越来越多时，非相邻电池间的均衡控制电路也会越来越复杂。所以，在大功率电池组中，可采用分组分层方式进行多级均衡控制，本发明中的均衡控制电路也可应用于分组分层多级均衡控制中，分组分层均衡控制结构如图3，图3中的电池模块及内部均衡控制为3单体电池串联均衡控制或者图1中4单体电池串联均衡控制电路，这样整体串联电池组的电池数可以是偶数个也可以是奇数个，便于搭配组合，2级均衡控制和1级均衡控制中的电路都是3单体电池串联均衡控制电路中除去电池后的均衡控制电路，工作原理与图1中均衡控制原理相似。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种串联锂离子电池组均衡控制电路，包括电池组以及与电池组连接的均衡控制器，其特征在于：所述电池组包括四个依次串联的电池单体B1、B2、B3和B4，

均衡控制器包括：

晶体二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6；

功率MOS管VT1、VT2、VT3、VT5、VT13和VT14；

电感L1、L2和L3；

电容C1和C2；

四个依次串联的晶体二极管D1、D2、D3和D4，D1的输出端与B1的正极电连接，D4的输入端与B4的负极电连接，VT1、VT2、VT3和VT5依次串联后与D1、D2、D3和D4并联接入电路，VT13和VT14串联后的两端分别与B1、B2的共线段和B3、B4的共线段电连接，D5和D6串联后的两端与VT13和VT14并联接入电路，L1的两端分别与VT1、VT2的共线段和B1、B2的共线段电连接，L3的两端分别与VT3、VT5的共线段和B3、B4的共线段电连接，L2的两端分别与B2、B3的共线段和D5、D6的共线段电连接，C1的两端分别接入B1的正极和D4、B4的共线段电连接，C2的两端分别与B1、B2的共线段和C1、D4的共线段电连接，C1与C2并联。

2.根据权利要求1所述的一种串联锂离子电池组均衡控制电路，其特征在于，所述均衡控制器还包括：

功率MOS管VT4、VT6、VT7、VT8、VT9、VT10、VT11、VT12、VT15、VT16、VT17、VT18、VT19、VT20、VT21和VT22；

VT4的两端分别电连接在L3与VT3、VT5的共线段，VT6的两端分别电连接在B4的负极和D4、VT5的共线段，VT7的两端分别电连接在B1、B2的共线段和C2、D4的共线段，VT16与VT17并联后与VT8串联，VT16与VT17的共线段与C2电连接，VT8与B1、B2的共线段电连接，VT9与L2电连接，VT10与VT12串联后接入电路，VT11与C1串联接入电路，VT15与VT18串联后的两端分别与C1、B1的共线段和B3、B4的共线段电连接，VT19与VT20并联后的两端接入B1、C1之间线路，VT21与C1串联且与C2串联，VT22与VT10串联接入电路。

3.根据权利要求2所述的一种串联锂离子电池组均衡控制电路，其特征在于，所述均衡控制器用于均衡相邻单体电池和非相邻单体电池。

4.根据权利要求3所述的一种串联锂离子电池组均衡控制电路，其特征在于，所述均衡控制器用于均衡相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B2之间均衡控制：VB1-VB2≥ξV，B1能量要转移到B2，首先VT1导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT1对L1充电，电量储存于L1中，接着功率MOS管全部关断，L1通过D2二极管放电，将能量转移至B2，B1与B2达到均衡，如果VB2-VB1≥ξV，首先VT2导通，其它功率MOS管关断，B2通过VT2对L1充电，电量储存于L1中，接着全部功率MOS管关断，L1通过D1二极管放电，将能量转移至B1，B1与B2达到均衡；

B2与B3之间均衡控制：VB2-VB3≥ξV，B2能量要转移到B3，首先VT8、VT13、VT9导通，其它功率MOS管关断，B2对L2充电，电量储存于L2中，接着VT9、V11导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT9、V11和D6二极管放电，将能量转移至B3，达到B2、B3均衡，如果VB3-VB2≥ξV，首先VT9、VT14、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3对L2充电，电量储存于L2中，接着VT8、VT9导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT8、VT9和D5二极管放电，将能量转移至B2，B2与B3达到均衡；

B3与B4之间均衡控制：VB3-VB4≥ξV，B3能量要转移到B4，首先VT3、VT4导通，其它功率MOS管关断，B3对L3充电，电量储存于L3中，接着VT6导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT6和D4二极管放电，将能量转移至B4，达到B3、B4均衡，如果VB4-VB3≥ξV，首先VT4、VT5、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4对L3充电，电量储存于L3中，接着VT4导通，其它功率MOS管关断，L3通过VT4和D3二极管放电，将能量转移至B3，B3与B4达到均衡。

5.根据权利要求3所述的一种串联锂离子电池组均衡控制电路，其特征在于，所述均衡控制器用于均衡非相邻单体电池时，其均衡控制原理如下所示：

B1与B3之间均衡控制：VB1-VB3≥ξV，B1能量要转移到B3，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT10、VT11功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT10、VT11放电，将能量转移至B3，B1和B3达到均衡，如果VB3-VB1≥ξV，B3能量要转移到B1,首先VT19、VT11导通，其它功率MOS管关断，B3通过D2、D1、VT19、VT11对电容C1充电，电量储存于C1中，接着VT20、VT7、VT21导通，其它功率MOS管关断，C1通过VT20、VT7、VT21放电，将能量转移至B1，B1和B3达到均衡；

B2与B4之间均衡控制：VB2-VB4≥ξV，B2能量要转移到B4，首先VT16、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT8、VT16、D4、D3、对C2充电，电量储存于C2中，接着VT15、VT6功率MOS管导通，其它全部关断，C2通过VT15、VT16放电，将能量转移至B4，B2和B4达到均衡，如果VB4-VB2≥ξV，B4能量要转移到B2,首先VT15、VT16导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT16对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT17、VT7、VT22导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT17、VT7、VT22放电，将能量转移至B2，B2和B4达到均衡；

B1与B4之间均衡控制：VB1-VB4≥ξV，B1能量要转移到B4，首先VT19、VT8导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT19、D6、D5、VT8对C1充电，电量储存于C1中，接着VT12、VT6、VT21功率MOS管导通，其它全部关断，C1通过VT12、VT6、VT21放电，将能量转移至B4，B1和B4达到均衡，如果VB4-VB1≥ξV，B4能量要转移到B1,首先VT15、VT6导通，其它功率MOS管关断，B4通过VT15、VT6对电容C2充电，电量储存于C2中，接着VT18、VT7导通，其它功率MOS管关断，C2通过VT18、VT7放电，将能量转移至B1，B1和B4达到均衡。

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