CN114156993A - 蓄电池均衡电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蓄电池均衡电路及控制方法，包括多个相互串联的单体电池，每个单体电池均具有正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路，两种切换电路之间通过一个储能元器件连通。一个电池单体的正极输入切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输出切换电路串联构成充电电路；一个电池单体的正极输出切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输入切换电路串联构成放电电路；每个切换电路均通过外部控制电路控制连通，从而使一个或多个单体电池的正负极相连。上述蓄电池均衡电路及控制方法，实现在放电过程中的动态均衡，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。

Description

蓄电池均衡电路及控制方法
技术领域
本发明涉及蓄电池保护系统领域，特别是涉及一种蓄电池均衡电路及控制方法。
背景技术
蓄电池作为能量存储介质，已经广泛应用于社会的各行各业。特别是近年来在通信电源、UPS电源、各种动力车辆、太阳能发电、风力发电、国家智能电网等行业中，已经成为动力或电源储能系统中最关键的组件之一。电池系统内串联在一起的电池组在使用时需要进行充电或放电，在每次充电、放电以后，电池组里各个单体电池的特性都会不一样，如端电压、内阻、老化程度、剩余容量(SOC)、电池健康度(SOH)等等，并且会随着时间的推移进一步加剧单体电池之间的差异性。
在传统的电池组放电中，当其中的某一个电池芯达到需要保护的最小端电压时，则整个电池组将被强制停止放电，但在这个时候，其它的状态良好的一些电池芯中可能还有很多剩余的能量没有被释放出来，因此这将极大地影响电池组的能量使用率。
在目前常见的磷酸铁锂电池组放电中，都是参照电池的端电压作为判断依据，当电池的端电压达到一定数值时，就强制停止放电，但是实际使用中，在不同的环境下，如环境温度较高时，电池中可能还有很多剩余的电量没有释放出来，而在环境温度较低时，就会出现电池过放电的现象，并会对电池造成损害。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种相比于现有技术更科学、可靠，且更能充分地利用磷酸铁锂电池组能量的蓄电池均衡电路及控制方法。
一种蓄电池均衡电路，包括多个相互串联的单体电池，每个所述单体电池均具有正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路，所述两种切换电路之间通过一个储能元器件连通；一个所述电池单体的正极输入切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输出切换电路串联构成充电电路；一个所述电池单体的正极输出切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输入切换电路串联构成放电电路；每个所述切换电路均通过外部控制电路控制连通，从而使一个或多个单体电池的正负极相连。
进一步的，一个所述单体电池的正极输入切换电路是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输入切换电路；一个所述单体电池的正极输出切换电路是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输出切换电路。
进一步的，所述外部控制电路包括串联在各切换电路上的控制开关组件，用于连通各切换电路。
进一步的，所述控制开关组件包括相互串联的二极管和均衡开关。
进一步的，所述正极输入切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第一N-MOSFET和第一肖特基二极管；所述第一N-MOSFET的S极连接单体电池的正极，其D极连接第一肖特基二极管的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第一肖特基二极管的阳极与储能元器件连接。
进一步的，所述正极输出切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第一P-MOSFET和第二肖特基二极管；所述第一P-MOSFET的S极连接单体电池的正极，其D极连接第二肖特基二极管的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第二肖特基二极管的阴极与储能元器件连接。
进一步的，所述负极输入切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第二N-MOSFET和第三肖特基二极管；所述第二N-MOSFET的S极连接单体电池的负极，其D极连接第三肖特基二极管的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第三肖特基二极管的阳极与储能元器件连接。
进一步的，所述负极输出切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第二P-MOSFET和第四肖特基二极管：所述第二P-MOSFET的S极连接单体电池的负极，其D极连接第四肖特基二极管的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第四肖特基二极管的阴极与储能元器件连接。
一种蓄电池均衡电路的控制方法，用于控制上述蓄电池均衡电路，包括：
当蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于预定值时，外部控制电路会控制正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路的连通，使电量较高的一个或多个单体电池对储能元器件进行充电；
重新对正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路进行连通，使储能元器件释放储存的能量，相应的一个或多个单体电池被充电。
进一步的，当对所述蓄电池组充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值。
上述蓄电池均衡电路及控制方法，对串联的各单体电池的正、负极输入、输出切换电路进行控制连通，并将各正极输入、输出和各负极输入、输出切换电路通过储能元器件连通，在蓄电池组充电过程中，当发现单体电池之间电量和电压差异较大时，就会对电量和电压较高的单体电池进行适量放电，并把放出来的电量转移到其它的单体电池中，为其它的电池进行充电，实现在充电过程中的动态均衡；同样在蓄电池组接通负载进行放电的过程中，电量和电压高的单体电池通过放电电路和充电电路将多出的电量转移给电量和电压较小的单体电池，实现在放电过程中的动态均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。
附图说明
图1为多个单体电池串联的均衡电路连接结构示意图；
图2为一个单体电池的充电电路和放电电路的示意图；
图3为单体电池16把能量转移给单体电池1～15的工作时序示意图。
图中：1a、正极输入切换电路；1b、正极输出切换电路；1c、负极输入切换电路；1d、负极输出切换电路；101、第一N-MOSFET；102、第一肖特基二极管；103、第一P-MOSFET；104、第二肖特基二极管；105、第二N-MOSFET；106、第三肖特基二极管；107、第二P-MOSFET；108、第四肖特基二极管。
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，一种蓄电池均衡电路，包括多个相互串联的单体电池，每个所述单体电池均具有正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路，所述两种切换电路之间通过一个储能元器件连通；一个所述电池单体的正极输入切换电路1a、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输出切换电路1d串联构成充电电路；一个所述电池单体的正极输出切换电路1b、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输入切换电路1c串联构成放电电路；每个所述切换电路均通过外部控制电路控制连通，从而使一个或多个单体电池的正负极相连。
上述蓄电池均衡电路，根据需要可以将一个单体电池的正负极独立连通，也可以将多个单体电池的正负极连通；被连通的单体电池的正负极与所述储能元器件之间构成串联回路。例如，当正极输入切换电路1a和负极输出切换电路1d导通时，单体电池15被连通，此时单体电池15与储能电器件之间构成串联回路，储能电器件对单体电池15进行充电；当正极输入切换电路1a和负极输出切换电路1d导通时，单体电池1～15被连通，此时单体电池1～15与储能电器件之间构成串联回路，储能电器件对单体电池1～15进行充电。
上述蓄电池均衡电路及控制方法，对串联的各单体电池的正、负极输入、输出切换电路进行控制连通，并将各正极输入、输出和各负极输入、输出切换电路通过储能元器件连通，在蓄电池组充电过程中，当发现单体电池之间电量和电压差异较大时，就会对电量和电压较高的单体电池进行适量放电，并把放出来的电量转移到其它的单体电池中，为其它的电池进行充电，实现在充电过程中的动态均衡；同样在蓄电池组接通负载进行放电的过程中，电量和电压高的单体电池通过放电电路和充电电路将多出的电量转移给电量和电压较小的单体电池，实现在放电过程中的动态均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。
在本实施例中，一个所述单体电池的正极输入切换电路1a是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输入切换电路1c；一个所述单体电池的正极输出切换电路1b是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输出切换电路1d。精简结构，降低成本，便于使用。
在本实施例中，所述外部控制电路包括串联在各切换电路上的控制开关组件，用于连通各切换电路。
在本实施例中，所述控制开关组件包括相互串联的二极管和均衡开关。通过外部控制电路的控制部分控制均衡开关的连通，达到对切换电路连通的控制。
如图2所示，在本实施例中，所述正极输入切换电路1a上的控制开关组件包括相互串联的第一N-MOSFET101和第一肖特基二极管102；所述第一N-MOSFET101的S极连接单体电池的正极，其D极连接第一肖特基二极管102的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第一肖特基二极管102的阳极与储能元器件连接。
在本实施例中，所述正极输出切换电路1b上的控制开关组件包括相互串联的第一P-MOSFET103和第二肖特基二极管104；所述第一P-MOSFET103的S极连接单体电池的正极，其D极连接第二肖特基二极管104的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第二肖特基二极管104的阴极与储能元器件连接。
在本实施例中，所述负极输入切换电路1c上的控制开关组件包括相互串联的第二N-MOSFET105和第三肖特基二极管106；所述第二N-MOSFET105的S极连接单体电池的负极，其D极连接第三肖特基二极管106的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第三肖特基二极管106的阳极与储能元器件连接。
在本实施例中，所述负极输出切换电路1d上的控制开关组件包括相互串联的第二P-MOSFET107和第四肖特基二极管108：所述第二P-MOSFET107的S极连接单体电池的负极，其D极连接第四肖特基二极管108的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第四肖特基二极管108的阴极与储能元器件连接。
通过在串联有P-MOSFET或N-MOSFET的电路上串联肖特基二极管，可防止反向高压击穿对应的MOSFET。因为功率MOSFET都含有反向的寄生体二极管，如果不在MOSFET外面串联肖特基二极管，当MOSFET被施加反向电压的情况下，寄生体二极管会把电流引向单体电池，破坏电路工作特性，甚至引起电池故障。
在上述蓄电池均衡电路的基础上，本实施例还提出了一种蓄电池均衡电路的控制方法，包括：
当蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于预定值时，外部控制电路会控制正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路的连通，使电量较高的一个或多个单体电池对储能元器件进行充电；随后重新对正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路进行连通，使储能元器件释放储存的能量，相应的一个或多个单体电池被充电。
如图3所示，储能元器件选用电感17，单体电池选用磷酸铁锂电池，均衡电路选用16个串联的单体电池，并分别以1～16编号。在使用过程中，用对蓄电池组的充电电流或蓄电池组对外界的放电电流以及时间来计算其中单体电池充电、放电过程中的动态电量大小，当单体电池之间的动态电量和端电压差值大于设定值时，就进行电量和电压的动态均衡，通过外部控制电路将电量较高的单体电池的正负极选通，对电感17进行充电，电感中电流上升，开始储存能量，相应的单体电池被放电；在电感17不饱和的情况下，电感储存的焦耳能量P为：P＝I*I*L/2(I为电感上升到的最大电流，单位是安培，L是电感的电感量，单位是亨利)。在电感被充电后，需要马上切换输入、输出切换电路，重新进行单体电池组合的正负极的选通，被选通的单体电池组合的正负极和电感构成新的串联回路，电感开始放电，电感中的电流下降，开始释放上次存储的能量，相应的单体电池组合被充电；最终，电感释放的焦耳能量大于90％*P，P为上次电感储存的能量。并且在使用过程中，始终控制单体电池动态电量值和电压值在充电时不大于最大允许额定值，在放电时不小于最小允许额定值。单体电池16把能量转移给单体电池1～15的均衡电路工作时序为例：当检测到单体电池16上的动态电量较高时，通过外部控制电路接通开关18和开关19，此时电感17被充电，相应的单体电池16被放电；然后将开关18断开，并接通开关20，使单体电池1～15、开关19和开关20构成串联回路。由于电感17的续流效应，电感在前先时间储存的能量将释放给单体电池1～15，依此类推，在不同的控制时序下，可以完成16个单体电池串联的均衡。
根据上述过程，就完成了某一个单体电池可以进行单独放电或充电的过程，不论蓄电池组正在被充电中，或是蓄电池组正在向外放电中，都可以实现某一个单体电池的单独充电放电，可以保证串联在一起的单体电池在任何状态下都可以电压接近或容量接近，保护在充电过程中不会产生个别单体电池严重过压，同时也保证在放电过程中，不会有个别单体电池严重欠压，以最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。
在本实施例中，当对所述蓄电池组充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值。
所述共享储能元器件每次释放的电量大于上一次储存电量的90％。
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 (10)

1.一种蓄电池均衡电路，其特征在于，包括多个相互串联的单体电池，每个所述单体电池均具有正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路，所述两种切换电路之间通过一个储能元器件连通；一个所述电池单体的正极输入切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输出切换电路串联构成充电电路；一个所述电池单体的正极输出切换电路、储能元器件和其自身或另一个单体电池的负极输入切换电路串联构成放电电路；每个所述切换电路均通过外部控制电路控制连通，从而使一个或多个单体电池的正负极相连。
2.根据权利要求1所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，一个所述单体电池的正极输入切换电路是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输入切换电路；一个所述单体电池的正极输出切换电路是与其正极相连的另一个所述单体电池的负极输出切换电路。
3.根据权利要求1所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述外部控制电路包括串联在各切换电路上的控制开关组件，用于连通各切换电路。
4.根据权利要求3所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述控制开关组件包括相互串联的二极管和均衡开关。
5.根据权利要求3所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述正极输入切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第一N-MOSFET和第一肖特基二极管；所述第一N-MOSFET的S极连接单体电池的正极，其D极连接第一肖特基二极管的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第一肖特基二极管的阳极与储能元器件连接。
6.根据权利要求3所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述正极输出切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第一P-MOSFET和第二肖特基二极管；所述第一P-MOSFET的S极连接单体电池的正极，其D极连接第二肖特基二极管的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第二肖特基二极管的阴极与储能元器件连接。
7.根据权利要求3所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述负极输入切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第二N-MOSFET和第三肖特基二极管；所述第二N-MOSFET的S极连接单体电池的负极，其D极连接第三肖特基二极管的阴极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第三肖特基二极管的阳极与储能元器件连接。
8.根据权利要求3所述的蓄电池均衡电路，其特征在于，所述负极输出切换电路上的控制开关组件包括相互串联的第二P-MOSFET和第四肖特基二极管：所述第二P-MOSFET的S极连接单体电池的负极，其D极连接第四肖特基二极管的阳极，其G极为控制端并与所述外部控制电路连接，所述第四肖特基二极管的阴极与储能元器件连接。
9.一种蓄电池均衡电路的控制方法，用于控制上述权利要求1至8任意一项所述蓄电池均衡电路，其特征在于，包括：
当蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于预定值时，外部控制电路会控制正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路的连通，使电量较高的一个或多个单体电池对储能元器件进行充电；
重新对正极输入、输出和负极输入、输出两种切换电路进行连通，使储能元器件释放储存的能量，相应的一个或多个单体电池被充电。
10.根据权利要求9所述的蓄电池均衡电路的控制方法，其特征在于，当对所述蓄电池组充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值。
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