CN116799915B - 一种锂电池组的降压均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池组的降压均衡电路，包括：多个开关单元，开关单元包括第一和第二开关子单元；电池单体的正极通过第一开关子单元、高频MOS管以及电感连接充放电模块正极，负极通过第二开关子单元连接充放电模块负极；二极管D1负极连接高频MOS管和电感之间的通路，正极连接充放电模块的负极；二极管D2正极连接充放电模块正极，负极连接第一开关子单元；高频MOS管、电感、二极管D1构成降压变换器；任一过压的电池单体连接的开关单元可被配置为允许该电池单体通过降压变换器向充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体连接的开关单元可被配置为允许充放电模块通过二极管D2向该电池单体充电。本发明简化了均衡电路的结构。

Description

一种锂电池组的降压均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电池均衡领域，具体涉及一种锂电池组的降压均衡电路及其控制方法。

背景技术

锂电池组是电动汽车的重要组成部分。由于电池组是由多个单体电池串联连接而成，随着电池的使用，电池组中各单体间的差异性逐渐扩大，导致电池单体间一致性差。由于电池的短板效应，使电池组容量不能充分发挥，导致电池组的整体容量减少。因此，对电动汽车的电池组进行有效的均衡管理，有利于提高电池组中各单体电池的一致性，减少电池的容量损失，延长电池的使用寿命及电动汽车续驶里程，具有十分重要的意义。

相关技术中，大多是在锂电池组的每个电池单体上并联直流变换器，通过多个直流变换器之间的配合工作，将多余能量转换至其他低电量电池中。然而，由于使用的直流变换器数量较多，因此电路复杂，不利于电池管理系统的小型和轻量化，且成本高昂。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种锂电池组的降压均衡电路和控制方法。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种锂电池组的降压均衡电路，包括：充放电模块、低频开关阵列、高频MOS管、电感、二极管D1和二极管D2；

其中，所述低频开关阵列包括多个开关单元，每个开关单元均包括第一开关子单元和第二开关子单元；所述第一开关子单元包括一对源极互连的低频MOS管，所述第二开关子单元包括一对漏极互连的低频MOS管；

所述多个开关单元和所述锂电池组包含的多个电池单体一一对应连接；其中，每个电池单体的正极均依次通过一个第一开关子单元、所述高频MOS管以及所述电感连接所述充放电模块的正极，每个电池单体的负极均通过一个第二开关子单元连接所述充放电模块的负极；

所述二极管D1的负极连接所述高频MOS管和所述电感之间的通路，正极连接所述充放电模块的负极；

所述二极管D2的正极连接所述充放电模块的正极，负极连接每个第一开关子单元；

其中，所述高频MOS管、所述电感、二极管D1构成降压变换器；任一过压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许该电池单体通过所述降压变换器向所述充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许所述充放电模块通过二极管D2向该电池单体充电。

可选地，所述降压均衡电路还包括：检测模块和控制模块；

所述检测模块，被配置为对各电池单体的电压进行检测；

所述控制模块，被配置为根据所述电压检测模块的检测结果，输出用于控制所述低频MOS管和所述高频MOS管的开关信号。

可选地，所述充放电模块包括：超级电容或锂电池。

可选地，所述充放电模块的容量不超过各电池单体之间的最大容量差。

可选地，所述充放电模块的容量是电池单体的额定容量的1％～3％。

可选地，所述电感的感值为5μH～90μH。

本发明还提供了一种锂电池组的降压均衡电路的控制方法，其特征在于，应用于上述锂电池组的降压均衡电路，所述控制方法按周期执行以下控制步骤：

确定锂电池组中各电池单体的电压，并确定所述降压均衡电路中的充放电模块的电量；

计算电池单体的电压与电池额定电压的电压差，并计算所述充放电模块的电量与其容量的差作为亏电量；

根据电池单体的电压差估算电池单体需要充电或放电的电量；

根据各电池单体需要充电或放电的电量以及所述充放电模块的电量和亏电量，确定本周期内要进行充电或放电的目标电池单体；

向所述目标电池单体进行充电或放电。

可选地，根据各电池单体需要充电或放电的电量以及所述充放电模块的电量和亏电量，确定本周期内要进行充电或放电的目标电池单体，包括：

确定各需要充电的电池单体中，所需充电量与所述充放电模块的电量最为接近的电池单体，并确定其所需充电量和所述充放电模块的电量的第一电量差；

确定各需要放电的电池单体中，所需放电量与所述充放电模块的亏电量最为接近的电池单体，并确定其所需放电量和所述充放电模块的亏电量的第二电量差；

比较所述第一电量差和所述第二电量差的大小，取较小者对应的电池单体作为本周期内要进行充电或放电的目标电池单体。

可选地，向所述目标电池单体进行充电或放电，包括：

若目标电池单体需要放电，则利用PWM信号持续驱动所述降压均衡电路中的高频MOS管，打开其连接的开关单元中的第一低频MOS管，同时关断其连接的开关单元中的第二低频MOS管，以使其向所述充放电模块放电；

若目标电池单体需要充电，则关断所述PWM信号，打开其连接的开关单元中的第二低频MOS管，同时关断其连接的开关单元中的第一低频MOS管，以使所述充放电模块向其充电；

其中，所述第一低频MOS管为：所述降压均衡电路的第一开关子单元和第二关子单元中，与电池单体直连的低频MOS管；所述第二低频MOS管为：所述第一开关子单元和第二关子单元中，不与电池单体直连的低频MOS管；目的电池单体以外的其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管均关断。

可选地，所述周期的长度为1～2分钟。

本发明提供的锂电池组的降压均衡电路，包括充放电模块、低频开关阵列、高频MOS管、电感、二极管D1和二极管D2；其中，高频MOS管、电感、二极管D1构成降压变换器；任一过压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许该电池单体通过降压变换器向充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许充放电模块通过二极管D2向该电池单体充电。由此可见，本发明仅通过一个降压变换器即可实现锂电池组的主动均衡，极大地减少了直流变换器的使用数量、简化了均衡电路结构，有效地减小了均衡电路的复杂度，更有利于电池管理系统的小型和轻量化。

以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种锂电池组的降压均衡电路的结构示意图；

图2中示出了图1所示降压均衡电路在实现电池降压放电时的一种电流走向；

图3中示出了图1所示降压均衡电路在实现电池降压放电时的另一种电流走向；

图4中示出了图1所示降压均衡电路在实现电池充电时的电流走向；

图5是本发明实施例提供的一种锂电池组的降压均衡电路的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

为了减少直流变换器的使用数量、简化均衡电路结构，减小均衡电路的复杂度，本发明实施例提供了一种锂电池组的降压均衡电路。参见图1所示，该降压均衡电路包括：充放电模块、低频开关阵列、高频MOS管B1、电感L、二极管D1和二极管D2。

其中，高频MOS管B1、电感L、二极管D1构成降压变换器。电感L的感值优选为5μH～90μH。

低频开关阵列包括多个开关单元K_i，i＝1,2,3…，每个开关单元K_i均包括第一开关子单元和第二开关子单元；每个第一开关子单元均包括一对源极互连的低频MOS管，图中用SL1和SR1表示，每个第二开关子单元均包括一对漏极互连的低频MOS管，图中用SL2和SR2表示。

需要说明的是，图1中低频MOS管和高频MOS管均示例为N型MOS管，实际中并不局限于此；低频MOS管和高频MOS管也可以均为P型MOS管，或者它们中部分为N型MOS管，部分为N型MOS管，这都是本领域技术人员可适应调整的。

上述的多个开关单元K_i和锂电池组包含的多个电池单体C_i一一对应连接。具体而言，如图1所示，每个电池单体C_i的正极均依次通过一个第一开关子单元、高频MOS管B1以及电感L连接充放电模块的正极，每个电池单体的负极均通过一个第二开关子单元连接充放电模块的负极。其中，充放电模块可以包括：超级电容或锂电池。

继续参见图1所示，二极管D1的负极连接高频MOS管B1和电感L之间的通路，正极连接充放电模块的负极。

继续参见图1所示，二极管D2的正极连接充放电模块的正极，负极连接每个第一开关子单元。

基于上述电路结构，任一过压的电池单体C_i连接的开关单元K_i均可被配置为：允许该电池单体C_i通过降压变换器向充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体C_i连接的开关单元K_i均可被配置为：允许充放电模块通过二极管D2向该电池单体C_i充电。

具体而言，参见图2所示，假设电池单体C₁是一个过压的电池单体，则利用PWM(pulse width modulation，脉宽调制)信号持续驱动高频MOS管B1，此时高频MOS管B1、二极管D1和电感L构成降压变换器，可以将电池单体C₁的电压降压变换至充放电模块。因此，打开电池单体C₁连接的开关单元中的第一低频MOS管，同时关断电池单体C₁连接的开关单元中的第二低频MOS管，即可打开电池单体C₁向充放电模块放电的通道。

其中，第一低频MOS管指的是：第一开关子单元和第二关子单元中，与电池单体C_i直连的低频MOS管，也就是图中的SL1和SL2；第二低频MOS管指的是：第一开关子单元和第二关子单元中，不与电池单体直连的低频MOS管，也就是图中的SR1和SR2。

与此同时，电池单体C₁以外的其他电池单体和充放电模块之间的充/放电通道是不开启的，也就是说，电池单体C₁以外的其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管均是关断着的。

在实际应用中，PWM信号、低频MOS管的开关信号以及高频MOS管的开关信号均可以由外部电路提供。

继续参见图2所示，在电池单体C₁向充放电模块放电的过程中，第一低频MOS管SL1和SL2开启，第二低频MOS管SR1和SR2虽然关断，但由于MOS管本身自带寄生二极管，因此可允许电流从电池单体C₁流向充放电模块，但不允许电流从充放电模块流向电池单体C₁。由此，在高频MOS管B1的导通区间内，电流通过电感L直接流向充放电模块，如图2中的虚线所示。在高频MOS管B1的关断区间内，电流通过电感L和二极管D1续流，电流仍持续流向充放电模块，从而实现了电池单体C₁向充放电模块的主动降压放电，如图3中的虚线所示。

参见图4所示，假设电池单体C₃是一个欠压的电池单体，则关闭PWM信号，此时高频MOS管B1、二极管D1电感L构成的降压变换器不工作，充放电模块可以直接通过二极管D2向电池单体C₃充电。因此，打开电池单体C₃连接的开关单元中的第二低频MOS管，同时关断电池单体C₃连接的开关单元中的第一低频MOS管，即可打开充放电模块向电池单体C₃充电的通道。

与此同时，电池单体C₃以外的其他电池单体和充放电模块之间的充/放电通道同样是不开启的，也就是说，电池单体C₃以外的其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管均是关断着的。

其中，在充放电模块向电池单体C₃充电的过程中，第二低频MOS管开启，第一低频MOS管虽然关断，但由于MOS管本身自带寄生二极管，因此可允许电流从充放电模块流向电池单体C₃，但不允许电流从电池单体C₃流向充放电模块。由此，电流通过二极管D2直接流向电池单体C₃从而给电池单体C₃充电，如图4中的虚线所示。

在实际应用中，为了避免充放电模块对电池单体过充电，可以使用容量较小的充放电模块，这样利用超级电容与电池单体之间的电压差，即可实现充放电模块向电池单体的被动式充电。

优选地，充放电模块的容量不超过各电池单体之间的最大容量差。例如，充放电模块的容量可以是电池单体的额定容量的1％～3％，当然并不局限于此。

本发明实施例提供的锂电池组的降压均衡电路中，任一过压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许该电池单体通过降压变换器向充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许充放电模块通过二极管D2向该电池单体充电。由此可见，本发明实施例仅通过一个降压变换器即可实现锂电池组的主动均衡，极大地减少了直流变换器的使用数量、简化了均衡电路结构，有效地减小了均衡电路的复杂度，更有利于电池管理系统的小型和轻量化。

另外，基于对图2～图4的说明内容可知，本发明实施例中使用一对源极互连的低频MOS管构成第一开关子单元，以及使用一对漏极互连的低频MOS管构成第二开关子单元，其作用不仅仅是开启或关闭电池单体和充放电模块之间的充/放电的通路，更为重要的是可以避免充/放电模式转换时电池单体之间的正负极短路。

在一种实现方式中，本发明实施例提供的降压均衡电路还可以包括：检测模块和控制模块。

其中，检测模块可以被配置为对各电池单体的电压进行检测；控制模块可以被配置为根据电压检测模块的检测结果，输出用于控制低频MOS管和高频MOS管的开关信号。

可以理解的是，控制模块根据电压检测模块的检测结果，可以确定需要充电的电池单体有哪些，以及需要放电的电池单体有哪些，从而选择其中的任一电池单体为其充电或者放电。此时，如果要对该电池单体充电，则打开该电池单体连接的开关单元中的第二低频MOS管，关断该电池单体连接的开关单元中的第一低频MOS管，同时关断其他所有电池单体连接的开关单元中的低频MOS管。而如果要让该电池单体放电，则打开该电池单体连接的开关单元中的第一低频MOS管，关断该电池单体连接的开关单元中的第二低频MOS管，同时关断其他所有电池单体连接的开关单元中的低频MOS管。

其中，控制模块在选择任一电池单体为其充电或者放电时，具体的选择方式存在多种，后续在对该降压均衡电路的控制方法进行说明时会举例说明。

在实际应用中，检测模块可以使用采样电阻实现，或者还可以配合使用模数转换器，这都是可以的。控制模块可以是MCU等处理器芯片及其外围电路，具体电路结构非本发明实施例的发明点，相关技术已经成熟，本发明实施例不再进行赘述。

基于本发明实施例提供的锂电池组的降压均衡电路，本发明实施例还提供了一种锂电池组的降压均衡电路的控制方法，如图5所示，该控制方法按周期执行以下控制步骤：

S1：确定锂电池组中各电池单体的电压，并确定降压均衡电路中的充放电模块的电量。

具体的，可以从降压均衡电路内置的检测模块或外部电路提供的对各电池单体的电压的检测结果确定各电池单体的电压。其中，对充放电模块的电量检测可参见相关现有技术，例如电动车中对电池电量进行检测方式或者用电容电量计算公式计算超级电容的电量的方式等。

S2：计算电池单体的电压与电池额定电压的电压差，并计算充放电模块的电量与其容量的差作为亏电量。

S3：根据电池单体的电压差估算电池单体需要充电或放电的电量。

在一种实现方式中，只要知道电池单体的初始电量，通过检测电池单体的充/放电电流，对电流按时间进行积分，即可对电池单体的电量进行跟踪检测，这样是可以准确计算出电池单体实际的充电量或放电量的。

然而上述实现方式需要额外进行电流检测以及相应的计算和数据跟踪，代价较高。因此，实际中通常采用离线标定的方式将电池单体的电压与其电量的对应关系进行定标，从而根据电池单体的电压进行查表，直接查询其电压对应的电量，从而确定电池单体需要充电或放电的电量。

S4：根据各电池单体需要充电或放电的电量以及充放电模块的电量和亏电量，确定本周期内要进行充电或放电的目标电池单体。

具体的，确定各需要充电的电池单体中，所需充电量与充放电模块的电量最为接近的电池单体，并确定其所需充电量和所述充放电模块的电量的第一电量差；确定各需要放电的电池单体中，所需放电量与充放电模块的亏电量最为接近的电池单体，并确定其所需放电量和充放电模块的亏电量的第二电量差；比较第一电量差和第二电量差的大小，取较小者对应的电池单体作为本周期内要进行充电或放电的目标电池单体。

S5：向目标电池单体进行充电或放电。

具体的，若目标电池单体需要放电，则利用PWM信号持续驱动降压均衡电路中的高频MOS管，打开其连接的开关单元中的第一低频MOS管，同时关断其连接开关单元中的第二低频MOS管，以使其向充放电模块放电。当然，同时还要关断其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管。

若目标电池单体需要充电，则关断PWM信号，打开其连接的开关单元中的第二低频MOS管，同时关断其连接的开关单元中的第一低频MOS管，以使充放电模块向其充电；当然，同时还要关断其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管。

基于图5所示方法可以理解的是，该方法中，每次都在有限的周期内最大化地利用充放电模块的电量或其可充电空间，来选择电池单体进行充/放电，从而提高电池单体的充/放电效率，使得锂电池组尽快地达到均衡。

需要说明的是，本发明实施例提供的该控制方法是一种优选控制方法，能够达到更快、更优的均衡效果，但并不代表该控制方法是对本发明实施例提供的降压均衡电路的控制方式的限定。例如，在另一种控制方法中，可以在每个周期的前半周期内选择电压最高的电池单体对其进行放电，相应的在后半周期内选择电压最低的电池单体对其进行充电，这样也可以达到均衡的效果。

综上，本发明实施例提供的锂电池组的降压均衡电路，仅通过一个降压变换器即可实现锂电池组的主动均衡，极大地减少了直流变换器的使用数量、简化了均衡电路结构，有效地减小了均衡电路的复杂度，更有利于电池管理系统的小型和轻量化。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图以及公开内容，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在本发明的描述中，“包括”一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外,相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种锂电池组的降压均衡电路的控制方法，其特征在于，应用于锂电池组的降压均衡电路，所述降压均衡电路包括：充放电模块、低频开关阵列、高频MOS管、电感、二极管D1和二极管D2；

其中，所述低频开关阵列包括多个开关单元，每个开关单元均包括第一开关子单元和第二开关子单元；所述第一开关子单元包括一对源极互连的低频MOS管，所述第二开关子单元包括一对漏极互连的低频MOS管；

所述多个开关单元和所述锂电池组包含的多个电池单体一一对应连接；其中，每个电池单体的正极均依次通过一个第一开关子单元、所述高频MOS管以及所述电感连接所述充放电模块的正极，每个电池单体的负极均通过一个第二开关子单元连接所述充放电模块的负极；

所述二极管D1的负极连接所述高频MOS管和所述电感之间的通路，正极连接所述充放电模块的负极；

所述二极管D2的正极连接所述充放电模块的正极，负极连接每个第一开关子单元；

其中，所述高频MOS管、所述电感、二极管D1构成降压变换器；任一过压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许该电池单体通过所述降压变换器向所述充放电模块降压放电；任一欠压的电池单体连接的开关单元均可被配置为：允许所述充放电模块通过二极管D2向该电池单体充电

所述控制方法按周期执行以下控制步骤：

确定锂电池组中各电池单体的电压，并确定所述降压均衡电路中的充放电模块的电量；

计算电池单体的电压与电池额定电压的电压差，并计算所述充放电模块的电量与其容量的差作为亏电量；

根据电池单体的电压差估算电池单体需要充电或放电的电量；

根据各电池单体需要充电或放电的电量以及所述充放电模块的电量和亏电量，确定本周期内要进行充电或放电的目标电池单体；

向所述目标电池单体进行充电或放电。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据各电池单体需要充电或放电的电量以及所述充放电模块的电量和亏电量，确定本周期内要进行充电或放电的目标电池单体，包括：

确定各需要充电的电池单体中，所需充电量与所述充放电模块的电量最为接近的电池单体，并确定其所需充电量和所述充放电模块的电量的第一电量差；

确定各需要放电的电池单体中，所需放电量与所述充放电模块的亏电量最为接近的电池单体，并确定其所需放电量和所述充放电模块的亏电量的第二电量差；

比较所述第一电量差和所述第二电量差的大小，取较小者对应的电池单体作为本周期内要进行充电或放电的目标电池单体。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，向所述目标电池单体进行充电或放电，包括：

若目标电池单体需要放电，则利用PWM信号持续驱动所述降压均衡电路中的高频MOS管，打开其连接的开关单元中的第一低频MOS管，同时关断其连接的开关单元中的第二低频MOS管，以使其向所述充放电模块放电；

若目标电池单体需要充电，则关断所述PWM信号，打开其连接的开关单元中的第二低频MOS管，同时关断其连接的开关单元中的第一低频MOS管，以使所述充放电模块向其充电；

其中，所述第一低频MOS管为：所述降压均衡电路的第一开关子单元和第二关子单元中，与电池单体直连的低频MOS管；所述第二低频MOS管为：所述第一开关子单元和第二关子单元中，不与电池单体直连的低频MOS管；目的电池单体以外的其他电池单体连接的开关单元中的低频MOS管均关断。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述周期的长度为1～2分钟。