CN113315202A - 电池组均衡电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电池组均衡电路，包括n对串联的电池对，且每对电池对包括两个串联的单体电池。还包括n个电阻与2n个开关元件，电阻的一端连接电池对中两个单体电池的连接极，另一端分别通过两个开关元件分别连接两个单体电池的另一电极。此外，还提供了一种电池组均衡电路的控制方法。上述电池组均衡电路及其控制方法，电池对中的两个单体电池共用一个电阻，电阻数量仅为传统均衡方法的一半，对比传统的均衡方法启用所有电阻，本发明只需要启用一半的电阻即可达到电压均衡的目的，降低了单体电池的能耗，能量利用率较高，并且电阻的数量较少，电路结构较简单、成本较低。

Description

电池组均衡电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池组均衡技术领域，特别是涉及一种电池组均衡电路及其控制方法。
背景技术
锂离子电池具有可靠性高、环保无污染、无记忆效应、自放电率低等优点而被广泛应用于电动汽车、光伏系统等相关领域。在电池的实际使用过程中，由于电池组中各个电池的初始容量差异、衰减特性不对称、温度分布不均匀等现象，导致单体电池充放电不均衡。如果单体电池长期工作在不均衡状态下，能量储存性能会严重下降，甚至还会发生火灾或爆炸等严重事故。为了让电池单体工作在最佳性能状态，充分发挥电池组的性能，采用电池均衡技术减小串联电池组内每个单体电池之间的个体差异是十分必要的。
传统的电池均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类，其中被动均衡分为固定电阻法和可控电阻法两种，主动均衡主要包含电容法、电感法和变压法三大类。
固定电阻被动均衡法，是每节单体电池与一个固定阻值的电阻相连，通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，从而达到与电量低的单体电压均衡的效果。但是，均衡过程是通过消耗多余电量来达到均衡状态，在电路中会损耗掉很多电量，能量的利用率较低。
发明内容
基于此，有必要针对传统的电池均衡方法能量的利用率较低的问题，提供一种能量利用率较高的电池组均衡电路及其控制方法。
一种电池组均衡电路，包括n对串联的电池对，且每对电池对包括两个串联的单体电池，还包括n个电阻与2n个开关元件，所述电阻的一端连接所述电池对中两个单体电池的连接极，另一端分别通过两个开关元件分别连接所述两个单体电池的另一电极。
进一步的，所述开关元件为晶体管。
进一步的，还包括与2n个电容与2n个切换元件，所述电容通过切换元件电连接单体电池，且切换所述切换元件时，所述电容与相邻单体电池中的一个单体电池形成接通的并联回路。
进一步的，所述2n个电容串联，所述切换元件包括切换端与两个选择端，所述切换端连接相邻电容的连接端，所述两个选择端分别连接单体电池的两级。
进一步的，还包括检测模块与控制模块，所述检测模块与单体电池电连接，用于检测所述单体电池的输出电压，所述控制模块与所述检测模块电连接，用于获取所述输出电压并根据所述输出电压控制所述开关元件与切换元件。
一种电池组均衡电路的控制方法，包括以下步骤：
获取相邻单体电池的输出电压并得出电压差；
判断所述电压差是否小于第一阈值；若是，则
控制开关元件接通输出电压较大的单体电池与电阻的串联回路。
进一步的，还包括以下步骤：
判断所述电压差是否大于第二阈值；若是，则
控制开关元件断开电阻所在的串联回路，且控制切换元件接通电容所在的并联回路。
进一步的，所述控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤包括以下步骤：
接通相邻单体电池中输出电压较大的单体电池与电容的并联回路；
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第三阈值；若是，则
接通相邻单体电池中输出电压较小的单体电池与所述电容的并联回路。
进一步的，所述控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤之后还包括以下步骤：
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第一阈值；若是，则
控制切换元件断开电容所在并联回路，且控制开关元件接通电阻所在的串联回路。
上述电池组均衡电路，电池对中的两个单体电池共用一个电阻，电阻数量仅为传统均衡方法的一半，对比传统的均衡方法启用所有电阻，本发明只需要启用一半的电阻即可达到电压均衡的目的，降低了单体电池的能耗，能量利用率较高，并且电阻的数量较少，电路结构较简单、成本较低。
附图说明
图1为一个实施例的电池组均衡电路的电路图；
图2为单体电池B2n-1与电阻Rn接通时的闭合回路图；
图3为单体电池B2n-1对电容C2n-1充电时的电路图；
图4为电容C2n-1对单体电池B2n充电时的电路图；
图5为一个实施例在电池组均衡电路的控制方法流程图；
图6为图5中电压差不小于第一阈值时的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，在一个实施例中，一种电池组均衡电路，包括n对串联的电池对、n个电阻与2n个开关元件，n是自然数。每对电池对包括两个串联的单体电池，总共2n个电池单体。电阻的一端连接电池对中两个单体电池的连接极，另一端分别通过两个开关元件分别连接两个单体电池的另一电极。为了便于描述，选择任意相邻的两对电池对中四个单体电池、两个电阻、四个开关元件、四个电容与四个切换元件进行描述。其中，四个单体电池分别为单体电池B2n-1、B2n、B2n+1与B2n+2，两个电阻分别为电阻Rn与Rn+1，四个开关元件分别为开关元件Q2n-1、Q2n、Qn+1与Q2n+2，开关元件为晶体管，比如三极管、场效应管、晶闸管等。四个电容分别为电容C2n-1、C2n、C2n+1与C2n+2，四个切换元件分别为切换元件K2n-1、K2n、K2n+1与K2n+2。具体的，由单体电池B2n-1与单体电池B2n组成的电池对中，单体电池B2n-1通过开关元件Q2n-1与电阻Rn构成串联回路，单体电池B2n通过开关元件Q2n与电阻Rn构成串联回路，两个串联回路共用一个电阻Rn。在单体电池B2n-1与单体电池B2n之间的电压差较小的情况下，当单体电池B2n-1的输出电压大于单体电池B2n时，开关元件Q2n-1接通，单体电池B2n-1通过开关元件Q2n-1与电阻Rn构成的串联回路形成导通的闭合回路，箭头方向为电流流向(参见图2)，单体电池B2n-1通过电阻Rn消耗电能，电压下降，直至达到电压均衡状态。反之，当单体电池B2n-1的输出电压小于单体电池B2n时，开关元件Q2n接通，单体电池B2n通过开关元件Q2n与电阻Rn构成的串联回路形成导通的闭合回路。当单体电池B2n-1的输出电压与单体电池B2n的输出电压均衡时，开关元件Q2n-1与Q2n均断开。同理，由单体电池B2n+1与单体电池B2n+2组成的电池对中，电压均衡的工作原理相同。
上述电池组均衡电路，电池对中的两个单体电池共用一个电阻，电阻数量仅为传统均衡方法的一半，对比传统的均衡方法启用所有电阻，本实施例只需要启用一半的电阻即可达到电压均衡的目的，降低了单体电池的能耗，能量利用率较高，并且电阻的数量较少，电路结构较简单、成本较低。
在本实施例中，电池组均衡电路，还包括与2n个电容与2n个切换元件。电容通过切换元件电连接单体电池，且切换元件时，电容与相邻单体电池中的一个单体电池形成接通的并联回路。2n个电容串联，切换元件包括切换端与两个选择端，切换端连接相邻电容的连接端，两个选择端分别连接单体电池的两电极。为了便于描述，选择与两对电池对中四个单体电池B2n-1、B2n、B2n+1与B2n+2对应连接的四个电容与四个切换元件进行描述。其中，四个电容分别为电容C2n-1、C2n、C2n+1与C2n+2，四个切换元件分别为切换元件K2n-1、K2n、K2n+1与K2n+2。具体的，切换元件K2n-1的两个选择端分别连接单体电池B2n-1的两极，切换端连接电容C2n-1的一端。电容C2n-1的另一端分别连接电容C2n的一端与切换元件K2n的切换端，切换元件K2n的两个选择端分别连接电池B2n的两极。同理，电容C2n的另一端连接电容C2n+1的一端，并且通过切换元件K2n+1连接单体电池B2n+1的两极，电容C2n+2的另一端通过切换元件K2n+2连接单体电池B2n+2的两极。在单体电池B2n-1与单体电池B2n之间的电压差较大的情况下，电池组均衡电路采用电容均衡的方式。当单体电池B2n-1的输出电压大于单体电池B2n时，切换元件K2n-1、K2n动作，使电容C2n-1与单体电池B2n-1构成的并联回路接通，单体电池B2n-1对电容C2n-1充电(参见图3)。然后使电容C2n-1与单体电池B2n-1构成的并联回路断开，电容C2n-1与单体电池B2n构成的并联回路接通，电容C2n-1将电能输送至单体电池B2n，使单体电池B2n-1与单体电池B2n达到电压均衡状态(参见图4)。同理，可实现其他单体电池件的电压均衡。
开关电容主动均衡法的核心原理是转移电量，把电量从电压高的电池转移到电压低的电池中。在电池单体上并联着电容，通过电容的“媒介”作用实现能量的转移。但是，均衡过程只能在相邻电池单体间进行能量转移，并且，因为电容作为能量转移媒介有一个缓冲期，所以当电池组中各单体电压差较小时，无法完成大电流均衡，均衡效果不理想。
上述电池组均衡电路，单体电池间的电压差较大时，采用电容均衡的方式，单体电池间的电压差较小时，采用电阻均衡的方式，弥补了开关电容主动均衡方案的不足之处。
在本实施例中电池组均衡电路还包括检测模块与控制模块，检测模块与单体电池电连接，用于检测单体电池的输出电压。控制模块与检测模块电连接，用于获取输出电压并根据输出电压控制开关元件与切换元件。
此外，还提供了一种电池组均衡电路的控制方法。
如图5与图6所示，一种电池组均衡电路的控制方法，包括以下步骤：
步骤S510，获取相邻单体电池的输出电压并得出电压差。
步骤S520，判断电压差是否小于第一阈值。若是，则进入步骤S530。若否，则进入步骤S640。
步骤S530，控制开关元件接通输出电压较大的单体电池与电阻的串联回路。
步骤S640，判断电压差是否大于第二阈值。若是，则进入步骤S650。
步骤S650，控制开关元件断开电阻所在的串联回路，且控制切换元件接通电容所在的并联回路。
在本实施例中，控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤包括以下步骤：
接通相邻单体电池中输出电压较大的单体电池与电容的并联回路。
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第三阈值；若是，则接通相邻单体电池中输出电压较小的单体电池与所述电容的并联回路。
在本实施例中，控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤之后还包括以下步骤：
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第一阈值；若是，则控制切换元件断开电容所在并联回路，且控制开关元件接通电阻所在的串联回路。
第一阈值小于等于第三阈值，第三阈值小于等于第二阈值。
本发明电阻数量只有传统的一半，当单体电池间的电压差较大时，采用电容均衡的方式，当单体电池间的电压差较小时，采用电阻均衡的方式，弥补了传统的开关电容主动均衡方案的不足之处。总体电路设计简单，成本降低，易于实现，均衡效果理想。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种电池组均衡电路，包括n对串联的电池对，且每对电池对包括两个串联的单体电池，其特征在于，还包括n个电阻与2n个开关元件，所述电阻的一端连接所述电池对中两个单体电池的连接极，另一端分别通过两个开关元件分别连接所述两个单体电池的另一电极。
2.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述开关元件为晶体管。
3.根据权利要求1所述的电池组均衡电路，其特征在于，还包括与2n个电容与2n个切换元件，所述电容通过切换元件电连接单体电池，且切换所述切换元件时，所述电容与相邻单体电池中的一个单体电池形成接通的并联回路。
4.根据权利要求3所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述2n个电容串联，所述切换元件包括切换端与两个选择端，所述切换端连接相邻电容的连接端，所述两个选择端分别连接单体电池的两级。
5.根据权利要求3所述的电池组均衡电路，其特征在于，还包括检测模块与控制模块，所述检测模块与单体电池电连接，用于检测所述单体电池的输出电压，所述控制模块与所述检测模块电连接，用于获取所述输出电压并根据所述输出电压控制所述开关元件与切换元件。
6.一种电池组均衡电路的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取相邻单体电池的输出电压并得出电压差；
判断所述电压差是否小于第一阈值；若是，则
控制开关元件接通输出电压较大的单体电池与电阻的串联回路。
7.根据权利要求6所述的电池组均衡电路，其特征在于，还包括以下步骤：
判断所述电压差是否大于第二阈值；若是，则
控制开关元件断开电阻所在的串联回路，且控制切换元件接通电容所在的并联回路。
8.根据权利要求7所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤包括以下步骤：
接通相邻单体电池中输出电压较大的单体电池与电容的并联回路；
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第三阈值；若是，则
接通相邻单体电池中输出电压较小的单体电池与所述电容的并联回路。
9.根据权利要求8所述的电池组均衡电路，其特征在于，所述控制切换元件接通电容所在的并联回路的步骤之后还包括以下步骤：
判断相邻的单体电池的电压差是否小于第一阈值；若是，则
控制切换元件断开电容所在并联回路，且控制开关元件接通电阻所在的串联回路。
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