CN203690972U - 一种基于储能电容的电池组能量管理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于储能电容的电池组能量管理系统，特别涉及一种利用储能电容来实现串联电池组能量转移的均衡电路。该电路包括一组串联的锂离子电池，每个电池对应一个比较器；由两个等值电阻组成的分压支路，该支路用于采样电池组的平均电压，并将平均电压值作为基准电压输送到每个比较器的输入端；每个比较器的输出端连接到对应均衡支路的场效应晶体管。当电池组中存在高压电池单体时，相应的比较器输出高电压，对应的均衡支路导通，储能电容吸收高压电池的能量，直到其电压下降到平均值，此时另一均衡支路导通，储能电容向低压电池放电，均衡电路重复上述工作直到串联电池组的每一个单体电池电压相等。该电路结构简单、成本低廉，可以快速实现电池组内的能量均衡，最大程度的利用电池组全部储能为系统供能，延长其工作的寿命。

Description

一种基于储能电容的电池组能量管理系统

技术领域

本实用新型公开了一种基于储能电容的电池组能量管理系统，特别涉及一种利用储能电容来实现串联电池组电能转移的均衡电路。 

背景技术

自锂离子电池开发成功以来，由于其具有比能量高、工作电压高，无记忆性、自放电率低、循环寿命长、无污染等独特优势，现已广泛应用于无线传感器领域。普通锂离子电池的工作端电压一般在3.6～4.1V之间，由于节点负载对电源电压和功率需求的差异，通常将多个锂离子电池串联成组作为供能单元。然而，锂离子电池由于自身化学特性以及工况环境的不同，电池组内单体电池的容量、内阻等性能不一致，导致弱体电池决定电池组整体性能。为了充分利用电池组内部所有能量，防止弱体电池过充或者过放情况的发生，致使电池组提前结束工作，因此对供能单元进行能量均衡显得十分必要。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本实用新型的目的在于，提供一种基于储能电容的电池组能量管理系统，本实用新型可以实现供能电池组内所有单体电池电压保持一致，防止弱体电池提前放电或者充电结束导致串联电池组无法工作，避免浪费电池组内其他正常电池的剩余能量，极大的延长了无线传感器的工作时间。 

为了实现上述任务，本实用新型采用如下的技术解决方案： 

一种基于储能电容的电池组能量管理系统，其特征在于，包括串联电池组、分压电路、比较器控制电路、均衡电路和储能电容C，所述的电池组由电池B1与B2串联而成；所述的分压电路由等值电阻R1与R2串联而成， 分压电路接在电池组的正负两端；所述的比较器控制电路由比较器COMP1、COMP2组成，所述的比较器COMP1的同向输入端(3)与COMP2的反向输入端(6)同时连接在电阻R1与R2之间，比较器COMP1的反相输入端(2)与COMP2的同相输入端(7)同时连接在电池B2的正极；所述均衡电路由场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成，所述Q1与Q3的门极G同时连接在比较器COMP1的输出端(1)，所述Q2与Q4的门极G同时连接在比较器COMP2的输出端(8)；所述的储能电容C的正极接场效应管Q1的源极S，储能电容C的负极接场效应管Q3的源极S；所述的比较器COMP1的接地端(4)接地，比较器COMP1的供电端(5)通过电阻R3接到电池组的正极；所述场效应管Q1的漏极D接电池组的正极，所述场效应管Q2的漏极D接电容C的正极，效应管Q2的源极S接电池B2的正极，所述场效应管Q3的漏极D接电池B2的正极，所述场效应管Q4的漏极D接电池组的负极，场效应管Q4的源极S接电池B2的负极。 

本实用新型的有益效果是： 

由于锂离子电池组内单体电池的工况、环境、温度、化学特性的不同，锂离子电池组内部容易出现能量不一致的现象，表现为电池电压波动，即电池B1的电压高于电池B2或者电池B2的电压高于B1。此时，如果不进行能量均衡，电压与能量的离散度将越来越大，最终导致低电压电池提前放电结束，串联电池无法继续工作，高电压电池中还有大量剩余能量全部浪费。 

当电池B1的能量高于B2的能量时，即电池B2的电压低于电池组平均值，此时比较器COMP1的输出为高电压，连接在COMP1的输出端的场效应管Q1和Q3导通，电池B1与电容C构成回路，电池B1开始对电容C进行充电过程，电容C的电压不断上升而电池B1的电压不断下降直至B1的电压低于电池组平均电压。这时，COMP1输出变为低电平，COMP2的输出变为高电平，连接在COMP2的输出端的场效应管Q2和Q4导通，电池B2与电容C构成回路，电容C开始对电池B2进行充电，把储存在电容C的能量转移到电池B2内，电池B2电压与能量不断上升而电容C的电压 不断下降，高能量电池B1也处于开路状态，电池B1的电压不断上升恢复至高于平均电压，比较器控制电路不断重复上述的过程持续的将B1的能量转移到电池B2中，直到两节电池的能量与电压非常接近，即电池组能量处于均衡状态。当电池B2的能量高于B1的能量时，即电池B2的电压高于电池组平均值时，均衡过程上述的类似。 

该电路结构简单、成本低廉，可以自动快速实现电池组内部的能量均衡，充分利用电池组内每个单体的能量，防止弱体电池过充或者过放，导致电池组提前结束充电或者供电，充分延长系统的工作时间。 

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的解释说明。 

图1是电路原理图； 

图2是均衡过程中电池端电压采样曲线。 

图1中，B1、B2为锂离子电池，COMP1、COMP2为比较器，Q1、Q2、Q3、Q4为场效应管，C为储能电容，R1、R2、R3为电阻。 

图2中，B1_Voltage为高电压电池B1的端电压采样曲线，B2_Voltage为低电压电池B2的端电压采样曲线。 

具体实施方式

如图1中，由等值电阻R1、R2组成的分压支路，将串联电池组的电压均分，并将平均电压作为基准电压输送到每个比较器的输入端。比较器COMP1的正端接电池组平均电压，负端接电池B2的正极，当电池组B1的电压大于电池B2的电压时，比较器COMP1输出为高电压，相应的场效应管Q1和Q3导通，高压电池B1为电容C充电，此时B1的端电压开始下降，直到B1的端电压小于B2的端电压。由于比较器COMP2的正端接电池B2的正极，负端接电池组平均电压，当B1的端电压小于B2的端电压时，即电池组的平均电压小于B2的电压，比较器COMP2输出高电压，相应的场效应管Q2和Q4导通，储存在电容C的能量转移到电池B2中，这时电池 B1开路，电压不断恢复直至高于电池B2，比较器COMP2输出低电压，而COMP1又开始输出高电压，不断重复循环上述过程，当电池B1和B2的电压非常接近时，均衡系统停止工作。 

图2中，B1_Voltage为高电压电池B1的端电压采样曲线，B2_Voltage为低电压电池B2的端电压采样曲线，在系统启动均衡之后，高电压电池电压不断下降，而低电压电池不断上升，经过一段时间均衡后，两个电池的电压值之差小于系统启动阀值，完成了锂离子电池组的均衡过程，场效应管选用英飞凌公司的IPG20N04型号。 

Claims (3)

1.一种基于储能电容的电池组能量管理系统，其特征在于，包括串联电池组、分压电路、比较器控制电路、均衡电路和储能电容C，所述的电池组由电池B1与B2串联而成；所述的分压电路由等值电阻R1与R2串联而成，分压电路接在电池组的正负两端；所述的比较器控制电路由比较器COMP1、COMP2组成，所述的比较器COMP1的同向输入端(3)与COMP2的反向输入端(6)同时连接在电阻R1与R2之间，比较器COMP1的反相输入端(2)与COMP2的同相输入端(7)同时连接在电池B2的正极；所述均衡电路由场效应管Q1、Q2、Q3、Q4组成，所述Q1与Q3的门极G同时连接在比较器COMP1的输出端(1)，所述Q2与Q4的门极G同时连接在比较器COMP2的输出端(8)；所述的储能电容C的正极接场效应管Q1的源极S，储能电容C的负极接场效应管Q3的源极S。 

2.根据权利要求1所述的所述的一种基于储能电容的电池组能量管理系统，其特征在于，所述的比较器COMP1的接地端(4)接地，比较器COMP1的供电端(5)通过电阻R3接到电池组的正极。 

3.根据权利要求1所述的所述的一种基于储能电容的电池组能量管理系统，其特征在于，所述场效应管Q1的漏极D接电池组的正极，所述场效应管Q2的漏极D接电容C的正极，效应管Q2的源极S接电池B2的正极，所述场效应管Q3的漏极D接电池B2的正极，所述场效应管Q4的漏极D接电池组的负极，场效应管Q4的源极S接电池B2的负极。 

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