CN116054338A - 锂电池组的均衡充电电路拓扑结构及均衡充放电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了锂电池组的均衡充电电路拓扑结构及锂电池组的均衡充放电控制方法，将锂电池组中的每节电池轮流接入到充放电电路中，并检测每节电池的电压，通过转移电池和充放电电路中电容之间的电能实现锂电池组的均衡充放电控制。本发明基于开关电源升降压拓扑，通过控制开关管的导通逻辑来实现电池组的电压均衡，有体积小、效率高、工作频率高、可靠性强等特点，有效地解决锂电池组由于单元电池一致性差造成的可靠性差和寿命不长的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池充放电技术领域，尤其涉及锂电池组的均衡充电电路拓扑结构及均衡充放电控制方法。
背景技术
锂电池组分充电和放电两种工作模式；由于生产工艺的原因，锂电池组中单体充电电池容量总有差异，当锂电池组充电时，电池容量小的单体电池最先充满，而电池容量大的单体电池却未能充满，如果再进行充电，电池容量小的单体电池会因为过充而造成电池损坏，会导致锂电池单体过热而产生膨胀、爆炸现象，而如果不再进行充电，则电池容量大的单体未充满，因此导致锂电池组的使用效率低；当电池组放电时，电池容量小的单体电池最先放完，而电池容量大的单体电池却未能放完，此时如果再进行放电，电池容量小的单体电池会因为过放而造成电池损坏，如果不再进行放电，电池容量大的单体电池没有放完，而造成电池组的使用容量变低，当单体能量耗尽时容易产生反极性现象，长期会加速该锂电池单体容量减小的速度，使整个锂电池组容量下降，电池组的使用效率变低。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了锂电池组的均衡充电电路拓扑结构及均衡充放电控制方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：锂电池组的均衡充放电控制方法，方法为：将锂电池组中的每节电池轮流接入到充放电电路中，并检测每节电池的电压，通过转移电池和充放电电路中电容之间的电能实现锂电池组的均衡充放电控制。
进一步地，转移电池和充放电电路中电容之间的电能包括正向能量传输过程和反向能量传输过程。
进一步地，正向能量传输过程是将所测电压最高的电池的部分电能转移到充放电电路中的电容上。
进一步地，反向能量传输过程是将充放电电路中电容的电能转移到所测电压最低的电池上。
锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，包括通过若干节电池串联而成的锂电池组；
锂电池组中每节电池的正极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个正极开关，并且该节点与桥式开关电路的第一引脚相连接；
锂电池组中每节电池的负极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个负极开关，并且该节点与桥式开关电路的第二引脚相连接；
桥式开关电路的第三引脚和第四引脚对应连接在充放电电路的两端。
进一步地，桥式开关电路包括首尾相连的第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关，第一引脚位于第一切换开关和第三切换开关之间，第二引脚位于第二切换开关和第四切换开关之间，第三引脚位于第一切换开关和第二切换开关之间，第四引脚位于第三切换开关和第四切换开关之间。
进一步地，充放电电路包括电感、电容以及充放电开关，电感和电容形成串联支路，充放电开关与串联支路并联。
进一步地，电容的一端通过接地开关接地，电容的另一端接入检测每节电池的电压的第一模数转换芯片。
进一步地，桥式开关电路的第三引脚通过导线连接在充放电开关和电感之间的节点上，桥式开关电路的第四引脚通过导线连接在充放电开关和电容之间的节点上。
进一步地，锂电池组的正极通过电阻接入检测电池组充电状态的第二模数转换芯片。
本发明公开了锂电池组的均衡充电电路拓扑结构及均衡充放电控制方法，基于开关电源升降压拓扑，通过控制开关管的导通逻辑来实现电池组的电压均衡，具有体积小、效率高、工作频率高、可靠性强等特点，有效地解决锂电池组由于单元电池一致性差造成的可靠性差和寿命不长的问题。
附图说明
图1为本发明的均衡充电电路原理图。
图2为#3电池到电容的能量传递示意图。
图3为电容到#2电池的能量传递示意图。
图4为各电池电量图。
图5为#3电池到电容的能量传递仿真结果图。
图6为电容到#2电池的能量传递仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，包括通过#1～#12十二节电池串联而成的锂电池组；第一节电池的正端和第十二节电池的负端分别出一个接触点作为锂电池组的正极BAT+和负极BAT-，锂电池组的正极通过电阻R1接入检测电池组充电状态的第二模数转换芯片B，同时锂电池组的正极连接有控制充电回路导通的开关K0。
锂电池组中每节电池的正极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个正极开关K1、K3...K9、K11，并且该节点与桥式开关电路的第一引脚A相连接；
锂电池组中每节电池的负极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个负极开关K2、K4...K10、K12，并且该节点与桥式开关电路的第二引脚B相连接；
桥式开关电路的第三引脚C和第四引脚D对应连接在充放电电路的两端。
其中，桥式开关电路包括首尾相连的第一切换开关KA、第二切换开关KB、第三切换开关KC、第四切换开关KD，第一引脚A位于第一切换开关KA和第三切换开关KC之间，第二引脚B位于第二切换开关KB和第四切换开关KD之间，第三引脚C位于第一切换开关KA和第二切换开关KB之间，第四引脚D位于第三切换开关KC和第四切换开关KD之间。
充放电电路包括电感L1、电容C1以及充放电开关KX，电感L1和电容C1形成串联支路，充放电开关KX与串联支路并联。电容C1的一端通过接地开关KY接地，电容C1的另一端接入检测每节电池的电压的第一模数转换芯片A。
桥式开关电路的第三引脚C通过导线连接在充放电开关KY和电感L1之间的节点上，桥式开关电路的第四引脚D通过导线连接在充放电开关KY和电容C1之间的节点上。
与本实施例中，正常情况下开关K0导通，当电路充电时，电流由电池组正极BAT+经#12节电池流过开关K0流经电阻R1到达电池组负极BAT-；此时通过模数转换芯片B如检测到正电压值，电路将判定为此时为电池组充电状态。K1～K12开关分别与每个电池的正负极相连，控制电路将控制相邻开关轮流开通，电路只接通一只电池到总线上，总线上的电压方向随着开关的组合不同而不同，所以需要换相。此时充放电开关KX与充放电开关KY开路，其余开关KA～KD通断情况跟随接入总线电池的改变而改变。
下面以3#电池为例：当3#电池接入总线时，电流由3#电池正极出发，经过正极开关K3、第一切换开关KA及电感L1到达电容C1正极，电容C1负极经第四切换开关KD和负极开关K4回到3#电池负极，电容C1由3#电池为其充电。经过一定时间，电容C1电压与3#电池电压相等，此时断开与电池连接的正极开关K3、第一切换开关KA、第四切换开关KD及负极开关K4。接通充放电开关KY，此时可以通过模数转换芯片A进行电容C1上的电压检测，所测电压即为刚才所接通3#电池的电压，这样分别通过不同的开关组合，从而对电池组中的每节电池电压进行轮流测量。当电池的充电电压达到4V以上时，启动均衡充放电控制，将所测电压最高的电池能量转移到电压最低的电池上，此时的开关K1～K12将只在能量传递的两节电池上轮流开通，当电容接高电压电池时，电容C1上初始电压很低，而电池电压较高，直接连通会有比较大的损耗，所以电路组成一个如图2所示的正向能量传输电路进行正向能量传输过程。电路由第一切换开关KA或第三切换开关KC与充放电开关KX一起组成，第一切换开关KA或第三切换开关KC为主开关管，充放电开关KX为续流管，直到电容C1上的电压与电池电压相等时，充电完成，此时，需要将电容内的能量传递给电池电压低的电池，电路组成一个如图3所示反向能量传输电路进行反向能量传输过程。开关K1～Kn连通电压低的电池，电路由第一切换开关KA或第三切换开关KC与充放电开关KX一起组成，充放电开关KX为主开关管，第一切换开关KA或第三切换开关KC为续流管，将电容C1内的电压进行升压传递给低电压电池，当电容C1内的电压过低时(通常<2V)，又将电容接到电压高的电池上进行充电，直到所有的电池电压基本一致，当最高电压电池电压达到4.25V时，电池组不能再充电了，开关K0断开，充电均衡完成，均衡电路进入等待模式，电路必须要很小的耗电。
如图4所示某一时刻12节电池的实际电压，从图中可以看出，3#电池电压最高，2#电池电压最低。根据上文所述方法，现详细描述电荷是如何从3#电池向2#电池转移过程，并对均衡电路的工作过程进行仿真。假设测得3#电池电量为4.2V，2#电池电量为3.8V。为了便于仿真，电池用2000uF的电容代替，电容C1取值220uF(初始值为2V)。
首先进行正向能量传输，3#电池将部分电荷转移到电容C1上，仿真图如图2和图5所示：其中上部为电容C1两端的电压，中部为3#电池的电压，下部为电感L1的电流。从图中可以看出，电容C1的电压由2V上升到2.8715V，而3号电池的电压由4.2V降低为4.1122V。
接下来进行反向能量传输，电荷由电容C1向2#号电池的转移，如图3和图6所示，其中上部为2#电池的电压，中部为电容C1两端的电压，下部为电感L1的电流。从图中可以看出，电容C1的电压由2.3V降低为2.0874V，而2号电池的电压由3.8V上升到3.8114V。
通过以上仿真可知，当电池电量不均衡时，采用均衡电路通过正向反向能量传输工作，可以很好地实现电量从高电荷电池到低电荷电池的传送，从而实现整个电路的电量均衡。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.锂电池组的均衡充放电控制方法，其特征在于，所述方法为：将锂电池组中的每节电池轮流接入到充放电电路中，并检测每节电池的电压，通过转移电池和充放电电路中电容之间的电能实现锂电池组的均衡充放电控制。
2.根据权利要求1所述的锂电池组的均衡充放电控制方法，其特征在于：所述转移电池和充放电电路中电容之间的电能包括正向能量传输过程和反向能量传输过程。
3.根据权利要求2所述的锂电池组的均衡充放电控制方法，其特征在于：所述正向能量传输过程是将所测电压最高的电池的部分电能转移到充放电电路中的电容上。
4.根据权利要求2所述的锂电池组的均衡充放电控制方法，其特征在于：所述反向能量传输过程是将充放电电路中电容的电能转移到所测电压最低的电池上。
5.锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：包括通过若干节电池串联而成的锂电池组；
所述锂电池组中每节电池的正极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个正极开关，并且该节点与桥式开关电路的第一引脚相连接；
所述锂电池组中每节电池的负极均通过一路导线接到同一个节点上，每路导线上设置有一个负极开关，并且该节点与桥式开关电路的第二引脚相连接；
所述桥式开关电路的第三引脚和第四引脚对应连接在充放电电路的两端。
6.根据权利要求5所述的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：所述桥式开关电路包括首尾相连的第一切换开关、第二切换开关、第三切换开关、第四切换开关，所述第一引脚位于第一切换开关和第三切换开关之间，所述第二引脚位于第二切换开关和第四切换开关之间，所述第三引脚位于第一切换开关和第二切换开关之间，所述第四引脚位于第三切换开关和第四切换开关之间。
7.根据权利要求5所述的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：所述充放电电路包括电感、电容以及充放电开关，电感和电容形成串联支路，充放电开关与串联支路并联。
8.根据权利要求7所述的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：所述电容的一端通过接地开关接地，电容的另一端接入检测每节电池的电压的第一模数转换芯片。
9.根据权利要求7所述的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：所述桥式开关电路的第三引脚通过导线连接在充放电开关和电感之间的节点上，桥式开关电路的第四引脚通过导线连接在充放电开关和电容之间的节点上。
10.根据权利要求7所述的锂电池组的均衡充电电路拓扑结构，其特征在于：所述锂电池组的正极通过电阻接入检测电池组充电状态的第二模数转换芯片。
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