CN1186868C - 串联蓄电池组自动均衡装置 - Google Patents

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Abstract

串联蓄电池组自动均衡装置，适用于电动汽车EV和混合电动汽车HEV中的串联蓄电池组的均衡。它包括：一组n个待充电串联蓄电池，n个测控均衡模块和一个主控制器。测控均衡模块包括：电源电路、辅助CPU、电压检测电路、均衡电路、电流环通讯接口。所述均衡电路包括：一个开关管(Q)一个二极管(D)及一个电感(L)其中测控均衡模块第1个或第n个的均衡电路中没有电感；连接方式为开关管(Q)与二极管(D)反并联后，共同与电感(L)串联，分别跟蓄电池的正、负极相连，其中二极管(D)的阴极接蓄电池的正极，电感(L)接蓄电池的负极。本发明具有：结构简单效率高、成本低廉、功耗小的特点，蓄电池组无论处于充电、放电还是静置状态，都能实现电池的均衡。

Description

串联蓄电池组自动均衡装置
技术领域
本发明涉及一种串联蓄电池组的自动均衡装置，适用于各种蓄电池组，如：铅酸、锂离子、镍氢、镉镍蓄电池，尤其适用于电动汽车EV和混合电动汽车HEV中的串联蓄电池组的均衡。
背景技术
串联蓄电池组的应用已经十分广泛，例如充当UPS的备用电源，或者在电动汽车和混合电动汽车中作为电动机的驱动电源。由于各个蓄电池的性能有所差异，在电动汽车蓄电池组充电过程后期，会同时存在过充电和欠充电的问题。这是因为，虽然蓄电池组的端电压还没有达到终止充电的条件，但一部分蓄电池单元已经充电终结，继续充电过程中，这部分蓄电池单元必然处于过充电状态；当蓄电池组端电压已经达到终止充电的条件，仍然可能有部分单体蓄电池没有完全充电。另一方面，在放电过程中，也同样会出现部分蓄电池提前放电结束，从而造成蓄电池的过放电问题。无论对于哪种蓄电池，欠充电和过充、放电都会严重的伤害蓄电池，大大降低了蓄电池的寿命。毫无疑问，蓄电池寿命的缩短意味着成本的提高。对于EV和HEV来说，成本本身就是一个制约其发展的主要因素，蓄电池成本的提高会更加阻碍它们的发展。此外，对于锂离子电池，过充电不仅会伤害电池，而且是严重的安全隐患。
实现电池的均衡主要依靠均衡电路部分。已知的均衡方式主要分为两类：主动的均衡方式和被动的均衡方式。被动的均衡方式是通过一个放电电阻使电压高的电池电压降低；主动均衡方式通常是通过某种方法将电荷从高电势转移到低电势，能量无损失。
已知的第一种设计是根据1997 IEEE，“Switched Capacitor System for Automatic SeriesBattery Equalization”，文中提出的方法是n+1个电容串联并通过开关与n个串联电池组连接。所有开关的切换由固定的方波来控制。当电容被来回反复地充电放电时，电荷由高电势转移到低电势，最终达到电池电压的均衡，这种方法简单有效，成本低，但是由于开关电阻的存在，均衡过程需要较长的时间，另外，当毗邻的两个电池之间的电压值相差很小的时候，均衡过程的持续时间将会更长。由于这是一个被动的均衡充放电过程，当均衡过程完成后，开关将继续导通截止，将会消耗许多不必要的能量。
已知的第二种设计是根据专利“一种串联电池组自动均衡充电装置”，公开日2002年9月4日，公开号CN 1367565A。该方法是在充电过程中，当某一支电池电压较其他电池先达到设定的最高值时，就让该电池通过一个用MOS管与功率电阻串联构成的放电网络放电。这是一种被动均衡方法，通过电阻放电的方法显然会带来能量损耗以及电池工作环境温度升高。
已知的第三种设计是根据专利“蓄电池均衡充电器”，公开日2001年3月21日，公开号CN 2424560Y，由一个同轴变压器提供准确的匹配电压，通过整流电路对蓄电池充电。该方法的主要缺点是变压器的设计和制造上难度较大、线路损耗大、成本高；另外，由于每一个电池模块都需要一条独立的充电线，这会使得安装不便，尤其是对于空间狭窄的电动汽车或者混合电动汽车来说，安装和维护都会非常麻烦。
本发明的目的是提供一种与现有技术相比，结构简单效率高、成本低廉功耗小的串联蓄电池组均衡装置，使电池组无论处于充电、放电还是静置状态，都能实现电池的均衡。
发明内容
本发明要解决的技术存问题是，提供一种串联蓄电池组自动均衡装置。
解决其技术问题所采用的技术方案：串联蓄电池组自动均衡装置包括：一组测控均衡模块和一个主控制器；所述的测控均衡模块包括：电源电路、辅助CPU、电压检测电路、均衡电路、电流环通讯接口各一个；其特征：所述的均衡电路包括：一个开关管、一个二极管及一个电感，最后一个测控均衡模块的均衡电路中没有电感；各个均衡电路中的开关管与二极管反并联连接后，第一个均衡电路的二极管的阴极接串联蓄电池组中第一节蓄电池的正极，第一个均衡电路的二极管的阳极通过第一个均衡电路的电感接串联蓄电池组中第一节蓄电池的负极，第二个均衡电路的二极管的阴极接第一个均衡电路的二极管的阳极，第二个均衡电路的二极管的阳极通过第二个均衡电路的电感接串联蓄电池组中第二节蓄电池的负极，依次类推，直至倒数第二个均衡电路的二极管的阳极通过倒数第二个均衡电路的电感接串联蓄电池组中倒数第二节蓄电池的负极，最后一个均衡电路的二极管的阳极接串联蓄电池组中最后一节接蓄电池的负极，最后一个均衡电路的二极管的阴极接倒数第二个均衡电路的二极管的阳极。
本发明的有益效果：①在均衡电路中包括一个电感、一个开关及一个与其反并联的二极管。整个均衡电路中由n-1个电感、n个开关管和n个二极管；电路结构简单，这不但使得控制方便，而且大大提高了安全可靠性，降低了成本。②串联蓄电池组自动均衡装置采用了模块化集成，当串联蓄电池组中的电池数量发生变化时，可以方便的增加或减少。③由于测控均衡模块体积小，尤其适用于空间狭窄电动汽车上的蓄电池组，从而提高蓄电池组的使用效率和寿命。④本装置中的均衡电路是一个主动均衡电路，在能量损耗方面较之被动均衡电路，大大降低了能量的损耗。
附图说明
图1为串联蓄电池组自动均衡装置系统示意图
图2为系统中一个蓄电池和与其对应的测控均衡模块框图
图3为各均衡电路之间的连接，以及内部连接的结构示意图
图4为开关管Q6导通情况
图5为开关管Q6关断情况
具体实施例
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明是一种串联蓄电池组自动均衡装置。
图1为本发明串联蓄电池组自动均衡装置系统示意图，本系统包括：一组n个待充电串联蓄电池，n个测控、均衡模块和一个主控制器。
图2所示为由其中一个蓄电池和与其对应的测控均衡模块组成的电池模块的电路框图。
测控均衡模块包括：电源电路、辅助CPU、电压检测电路、均衡电路、电流环通讯接口。
本发明串联蓄电池组自动均衡装置系统中，n个串联电池分别与n个测控、均衡模块连接。无论蓄电池组处于充电、放电还是静置状态，各个单体电池的电压信号由电压检测电路实时采集，并反馈到辅CPU。辅CPU通过电流环与主控制器进行通讯。各模块中的电压信号都由其辅CPU传送到主控制器。主控制器通过对这些电压信号的比较，找出电压值最高的一路，并给该路及其他各路中的辅CPU各发送一个信号。各个辅CPU根据接收到的信号控制其对应均衡电路中的开关管Q的导通和截止。
在本发明串联蓄电池组自动均衡装置系统中，各均衡电路是串联连接的。
图3所示为各均衡电路之间的连接，以及内部连接的结构示意图。
所述控制均衡电路包括：一个开关管、一个二极管及一个电感，最后一个测控均衡模块的均衡电路中没有电感；各个均衡电路中的开关管与二极管反并联连接后，第一个均衡电路的二极管D1的阴极接串联蓄电池组中第一节蓄电池V1的正极，第一个均衡电路的二极管D1的阳极通过第一个均衡电路的电感L1接串联蓄电池组中第一节蓄电池V1的负极，第二个均衡电路的二极管D2的阴极接第一个均衡电路的二极管D1的阳极，第二个均衡电路的二极管D2的阳极通过第二个均衡电路的电感L2接串联蓄电池组中第二节蓄电池V2的负极，依次类推，直至倒数第二个均衡电路的二极管的阳极通过倒数第二个均衡电路的电感接串联蓄电池组中倒数第二节蓄电池的负极，最后一个均衡电路的二极管Dn的阳极接串联蓄电池组中最后一节接蓄电池Vn的负极，最后一个均衡电路的二极管Dn的阴极接倒数第二个均衡电路的二极管的阳极。
当第X个模块中电池电压最高时，令Qx导通，其他开关关断，此时，电感LX-1和LX充电，LX-1承受正向电压Vx，LX承受反向电压。当Qx关断时，电感LX-1通过Dx-1，Dx-2，...D1向上面各个模块对应的电池充电，同样，LX通过DX+1，DX+2，...Dn向下面对应的电池充电，如图4、5所示。当各电池电压值间差异小于一定值时，所有的开关管关断。均衡过程停止。
以10只镍氢蓄电池组成串联蓄电池组为例，每只单体电池容量为90Ah(安时)，电池组平均端电压12V，单体电池电压最高为12.06V。主控制器选用89C2051，并通过8255扩展接口，以适应电池组中电池数目多的情况。测控均衡模块中，采用5V直流电源，辅CPU选用89C2051，电压检测电路选用DS2438。均衡电路中，各个电感的电感值均为0.1Mh，开关管选用MOS或IGPT管。
无论电池组处于充电、放电还是静置状态，各个单体电池的电压信号由电压检测电路实时采集，并反馈到辅CPU。辅CPU通过电流环与主控制器进行通讯。各模块中的电压信号都由其辅CPU传送到上位机。主控制器通过对这些电压信号的比较，找出满足条件的一路，即电压值最高，且高于平均电压值0.02V，设为第6路。于是，主控制器给其他各路发送指令，令它们对应的开关管Q截止，并给第6路一个20KHz，占空比为50％的脉冲信号(在实际工作中，脉冲的频率和占空比可以由用户给定。但注意：当电压值最高的一路为第1路或者第10路，即位于均衡电路的两端，则占空比不能超过1/2，其他情况下不能超过2/3。)则Q6在脉冲控制下导通和关断，能量通过电感由高电压的电池向其他电池转移。当第6路电池的电压与平均电压值之差小于0.02V时，Q6关断。若此时另有一路满足条件，则控制该路中的开关管导通和关断，否则令所有开关管关断，蓄电池均衡电路处于待命状态。
控制开关的选择条件是电压值最高，且高于平均电压值0.02V。这样可以避免当电压值差异非常小的情况下，开关频繁反复动作，造成能量损耗和开关管的寿命降低。
最终均衡结果是：
每个单体蓄电池的端电压12V±0.02V
当电压值最高的一路为第X(X为2，3，……9时)路，对应的电池电压Vx达到12.02V所用的时间为130min
当电压值最高的一路为第1路或者第10路，对应的电池电压达到12.02V所用的时间为32min
本发明采用一个单体蓄电池对应一个均衡模块，利用模块中的电感作为储能元件，在开关管的开通和关断控制下，将端电压高的电池的部分能量转移给其他电池。从而使该电池电压降低，而其他单体蓄电池的电压升高，达到串联电池组的自动均衡。对于以串联方式工作的电池组，无论其处于充电、放电、还是静置状态，均衡过程都在进行，直到达到要求的均衡度，从而提高蓄电池的使用寿命。

Claims (1)

1.串联蓄电池组自动均衡装置，该装置包括：一组测控均衡模块和一个主控制器；所述的测控均衡模块包括：电源电路、辅助CPU、电压检测电路、均衡电路、电流环通讯接口各一个；其特征：所述的均衡电路包括：一个开关管、一个二极管及一个电感，最后一个测控均衡模块的均衡电路中没有电感；各个均衡电路中的开关管与二极管反并联连接后，第一个均衡电路的二极管(D1)的阴极接串联蓄电池组中第一节蓄电池(V1)的正极，第一个均衡电路的二极管(D1)的阳极通过第一个均衡电路的电感(L1)接串联蓄电池组中第一节蓄电池(V1)的负极，第二个均衡电路的二极管(D2)的阴极接第一个均衡电路的二极管(D1)的阳极，第二个均衡电路的二极管(D2)的阳极通过第二个均衡电路的电感(L2)接串联蓄电池组中第二节蓄电池(V2)的负极，依次类推，直至倒数第二个均衡电路的二极管的阳极通过倒数第二个均衡电路的电感接串联蓄电池组中倒数第二节蓄电池的负极，最后一个均衡电路的二极管(Dn)的阳极接串联蓄电池组中最后一节接蓄电池(Vn)的负极，最后一个均衡电路的二极管(Dn)的阴极接倒数第二个均衡电路的二极管的阳极。
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