CN203119557U - 一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，它包括若干相级联的电池，所述每个电池的两端分别并接有当电池电压超出最大设定值、低于最小设定值或电池温度超出温度设定值时不导通、当电池电压在最大设定值和最小设定值之间或温度低于温度设定值时导通的均衡模块，各均衡模块串联联，所述各均衡模块之间互相通信。本实用新型在相邻均衡模块之间引入了通信，这样可以使整个电池串中，所有均衡模块的动作协调一致。通信方式采用单根数据线，相邻模块之间级联的方式实现，这样可以节省隔离芯片，一定程度上降低了成本，均衡模块功率损耗小，效率高，设计简单，易于实现，均衡性能好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池组主动均衡装置，尤其涉及一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置。
背景技术
在串联电池组中，虽然通过单体电池的电流相同，单数由于其容量不同，电池的放电深度也会不同，容量大的总会浅充浅放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长；容量小的衰减加快。寿命缩短，两者之间的差异会越来越大。而电池组的使用寿命和整组容量取决于最小的那节单体电池。
目前单体电池之间均衡技术多采用被动式装置，主要通过能量消耗，限制电压最高的电池单元的充电电流，来实现和电压较低的电池单元的充电平衡。这种装置存在以下缺点：
1.假负载体积较大导致电池箱尺寸较大，比较笨重；
2.功率白白消耗在假负载上，造成了能量的浪费，均衡效率很低，且发热严重；
3.需要额外增加单节电池电压和温度采集电路，增加了电池巡检的复杂度。
另外，采用主动均衡方式的装置，多采用开关切换式，通过切换，将容量高的电池电量通过DC-DC变换到容量低的电池，这种装置存在以下缺点；
1.每节电池都需要对应一个切换开关，控制复杂；
2.系统接线复杂，系统稳定性差；
3.外部元件多，不利于产品小型化，电池箱内部安装；
4.DC-DC模块或控制模块故障，整个均衡系统即瘫痪，系统可靠性差。
申请号为200520140583.4，专利名称为均衡电池组，虽然也公开了一种利用均衡电路自动均衡个电池的容量，但是各均衡模块之间并不进行通信，容易造成其中一些均衡模块的误动作，所有的均衡模块动作不一致，对电池组的均衡效果不好。
实用新型内容
本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，它具有系统功率损耗小、效率高，采用单数据线的通信方式节省隔离芯片、简化结构、降低成本的优点。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，它包括至少两个相级联的电池，所述每两个电池的两端分别并接有当电池电压超出最大设定值、低于最小设定值或电池温度超出温度设定值时不导通、当电池电压在最大设定值和最小设定值之间或温度低于温度设定值时导通的均衡模块，各均衡模块串联且相互通信。
所述均衡模块包括单片机，单片机分别与温度采集模块、DC/DC模块、有保护和监视作用的监控电路和差分运放电压采样电路连接，单片机与差分运放电压采用样电路均与低压降稳压源连接，单片机上还设有通信输入端口和通信输出端口，差分运放电压采样电路设有三个采样输入端，其中一个采用输入端与电池的正极连接，其余两个分别与所述相邻电池的节点连接和电池的负极连接。
所述低压降稳压源直接从所述电池组取电。
所述DC/DC模块采用双向buck-boost变换器。
所述均衡模块的通信输入口与相邻均衡模块的通信输出口利用单根数据线通信，第一块均衡模块的输出端悬空，底端均衡模块的输入端与监控装置连接。
本实用新型的工作原理：单片机根据采样到的电池电压，对电池电压进行过压和欠压比较，在任何一节电池电压超出正常范围时，都屏蔽双向DC/DC模块驱动，禁止进行能量传递，直到电池电压回到正常范围内。单片机同时对电池温度进行采样，一旦温度超过85℃，同样的关闭双向DC/DC模块驱动，直到温度恢复到70℃以下，才重新启动。
本实用新型的有益效果：本实用新型在相邻均衡模块之间引入了通信，这样可以使整个电池串中，所有均衡模块的动作协调一致。通信方式采用单根数据线，相邻模块之间级联的方式实现，这样可以节省隔离芯片，一定程度上降低了成本，系统接线少，外部元件数量少，便于电池箱内部安装；整个系统接线简单，故障点少，运行稳定性更高；均衡模块功率损耗小，效率高，设计简单，易于实现，均衡性能好，集成单节电池电压、单节电池温度采集功能，简化电池巡检系统设计，使用非隔离的双向buck-boost变换器结构，使得均衡模块体积可做到很小，可集成到电池箱中，甚至可集成到电池PACK中，每个均衡模块只负责一部分均衡操作，一个均衡模块故障，其他均衡模块仍然可以正常工作，系统更健壮。
附图说明
图1为本实用新型的系统框图；
图2为本实用新型中均衡模块的框图；
图3为双向buck-boost变换器电路图。
其中，1.均衡模块，2.监控装置，3.单片机，4.差分运放电压采样电路，5.低压降稳压源，6.监控电路，7.DC/DC模块，8.温度采集模块。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1，一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，它包括若干相级联的电池，所述每两个电池的两端分别并接有当电池电压超出最大设定值、低于最小设定值或电池温度超出温度设定值时不导通、当电池电压在最大设定值和最小设定值之间或温度低于温度设定值时导通的均衡模块1，各均衡模块1串联且相互通信，通过不同均衡模块1的级联，可以实现对多节串联电池进行均衡管理，其中B1-是第一件电池负极，B1+(B2-)是第一件电池的正极，同时也是第二件电池负极，B2+是第二件电池正极。一个均衡模块1与相邻的两个单体电池的正负极连接，实现均衡管理。均衡模块1主要对相邻两节单体电池之间的荷电状态差异进行判断，并把荷电状态高的电池多余荷电传递到荷电状态较低的单节电池中，实现电池容量最大化，并延长电池组循环寿命。
由于单个均衡模块1仅是对相邻两节电池进行管理，当串联电池数比较多时，为了避免误动作，在相邻均衡模块1之间引入了通信，这样可以使整个电池串中，所有均衡模块1的动作协调一致。通信方式采用单根数据线，相邻均衡模块1之间级联的方式实现，这样可以节省隔离芯片，一定程度上降低了成本。图1中CIN是通信入端，COUT是通信出端，每个均衡模块1的CIN与下一均衡模块1的COUT相连，最底端均衡单元1的CIN与监控装置相连，最上端均衡模块1的COUT无电气连接。
如图2所示，所述均衡模块1包括单片机3，单片机3分别与温度采集模块8、DC/DC模块7、有保护和监视作用的监控电路6和差分运放电压采样电路4连接，单片机3与差分运放电压采用样电路4均与低压降稳压源5连接，单片机3上还设有通信输入端口和通信输出端口，差分运放电压采样电路4设有三个采样输入端，其中一个采用输入端与电池的正极连接，其余两个分别与所述相邻电池的节点连接和电池的负极连接，监控电路6为利用单片机为核心芯片或DSP控制器设计的监控电路。
所述低压降稳压源5直接从所述电池组取电。
考虑到均衡模块1中的DC/DC模块7需要双向降压传递能量，且两节电池电压相对公共点来说极性刚好是相反的，本着设计简单和低成本原则，我们选取了如图3所示的双向buck-boost变换器拓扑结构作为DC/DC模块，此拓扑不仅实现了能量的双向降压传递，且省却了电气的隔离。
所述均衡模块1的通信输入口与相邻均衡模块1的通信输出口利用单根数据线通信，第一块均衡模块1的输出端悬空，末端均衡模块1的输入端与监控装置2连接。
所述监控装置2为上位机或微处理器。
该主动均衡装置的特点是，每两节电池之间配置一个均衡模块1，每个均衡模块1根据设定的工作方式自主工作，实现相邻的两节电池之间的自动均衡（将电量从容量高的电池通过DC-DC变换到容量低的电池）。通过级联，实现整组蓄电池组之间的自动均衡。
1）当电池1的容量高于电池2的容量，且容量差超过给定值时，则第一个均衡模块1启动DC-DC变换，将电量从电池1变换到电池2中。
2）当电池1、电池2的容量基本一致，容量差没有超出给定值；但电池2的容量高于电池3的容量，且容量差超过给定值，则均衡单元2启动DC-DC变换，将电量从电池2变换到电池3的容量；第二个均衡模块2的均衡操作将使电池2的容量降低，电池3的容量提高，当电池2的容量降低到电池1与电池2的容量差超过给定值时，则第一个均衡模块1也启动工作，将电量从电池1的容量转换到电池2。这样就实现了电池1、电池2、电池3之间的自动均衡，3节以上电池的自动均衡原理以此类推。
每个均衡模块1只需要5跟接线（均衡侧3根，通信侧2根），接线简单；均衡模块1级联传导式均衡，不需要进行开关切换，工作更可靠。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，它包括若干相级联的电池，其特征是，所述每两个电池的两端分别并接有当电池电压超出最大设定值、低于最小设定值或电池温度超出温度设定值时不导通、当电池电压在最大设定值和最小设定值之间或温度低于温度设定值时导通的均衡模块，各均衡模块串联，所述各均衡模块之间互相通信。
2.如权利要求1所述一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，其特征是，所述均衡模块包括单片机，单片机分别与温度采集模块、DC/DC模块、有保护和监视作用的监控电路和差分运放电压采样电路连接，单片机与差分运放电压采用样电路均与低压降稳压源连接，单片机上还设有通信输入端口和通信输出端口，差分运放电压采样电路设有三个采样输入端，其中一个采用输入端与电池的正极连接，其余两个分别与所述相邻电池的节点连接和电池的负极连接。
3.如权利要求2所述一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，其特征是，所述低压降稳压源直接从所述电池组取电。
4.如权利要求2所述一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，其特征是，所述DC/DC模块采用双向buck-boost变换器。
5.如权利要求2所述一种基于级联式结构的电池组主动均衡装置，其特征是，所述均衡模块的通信输入口与相邻均衡模块的通信输出口利用单根数据线通信，第一块均衡模块的输出端悬空，末端均衡模块的输入端与监控装置连接。
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