CN204046239U - 一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，对动力电池组的每个电池包设置有电压采集模块和电压均衡电路；电压采集模块连接各电池单体及电池管理系统；电压均衡电路包括变压器和均衡开关MOS管，电池包中的每个电池单体、动力电池组中的每个电池包以及整个动力电池组的正负极之间均串联两个均衡开关MOS管和同芯变压器的一个绕组；各个均衡开关MOS管都连接电池管理系统。电池管理系统控制均衡开关MOS管的通断在变压器上耦合出相应的均衡电压，实现充放电。本实用新型的主动均衡过程灵活、快速、高效，可有效管理电池充放电状态，提高电池组的使用效率，延长电池寿命，均衡方式灵活，适用性强。

Description

一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路

技术领域

本实用新型属于电池充放电技术领域，具体涉及一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路。

背景技术

现代电动汽车多采用串联式动力电池组，锂离子动力电池将会在未来一段时间内大量使用。动力电池的安全、高效使用对于电动汽车的正常运行具有重要的意义。

电池组中的单体由于在制作过程中的工艺等原因，很难保证所有的单体具有很好的一致性，因此单体电池之间存在着差异，即使是同批次、同型号的电池，也存在容量、内阻等方面的差异。在连续的充放电循环之后，会加剧这种单体的不一致性，将使得某些单体电池的容量加速衰减，并且在长期的使用过程中，这种差异会越来越大，进而导致动力电池组充放电时的不均衡。不均衡性对串联电池组的性能影响很大，将会降低电池组的整体容量，降低电池组的总体使用效率，缩短电池组使用寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的动力电池组充放电时的不均衡问题，本实用新型提供一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，作为车载动力电池组电池管理系统的一部分，是对现有主动充放电均衡方法的一种改进和完善。

动力电池组由若干电池单体串联而成，多个电池单体串联组成电池包，一个或多个电池包串联组成动力电池组。本实用新型提供的一种锂离子动力电池充放电主动均衡电路，针对动力电池组中的每个电池包，都设置有电压采集模块和电压均衡电路。

所述的电压采集模块连接电池包中的各个电池单体。电压采集模块实时采集各电池单体的电压发送给电池管理系统。所述的电压均衡电路包括均衡变压器和均衡开关MOS管，均衡变压器为一个多绕组的同芯变压器。

在动力电池组中某个电池包a的电压均衡电路中，电池包a中的每个电池单体、整个动力电池组中的每个电池包以及整个动力电池组的正负极之间均串联两个均衡开关MOS管和同芯变压器的一个绕组，通过同芯的变压器实现能量的耦合交换。各均衡开关MOS管受控于电池管理系统。电池管理系统通过控制相应均衡开关MOS管的通断，在变压器上耦合出相应的均衡电压，实现对电池单体、电池包和动力电池组充放电的主动均衡。

电压均衡电路包括电池单体电压均衡电路E、电池包电压均衡电路F和动力电池组电压均衡电路H。对于动力电池组中的电池包a，电池包a中每个电池单体均连接一个电池单体电压均衡电路E。动力电池组中的每个电池包均连接一个电池包电压均衡电路F。整个动力电池组连接一个动力电池组电压均衡电路H。各均衡电路E、F和H通过同芯的变压器耦合。所有的均衡开关MOS管均通过电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制相应的均衡开关MOS管的通断选择并均衡电池单体、电池包和动力电池组。

均衡电路E、F或H的输入端为对应的电池单体、电池包或动力电池组的正负两极，输出端为对应变压器绕组线圈。均衡电路E、F和H都包括第一均衡开关MOS管、第二均衡开关MOS管以及对应的变压器绕组。第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管，串联设置在所处均衡电路E、F或H的输入端与输出端之间的任意位置。当电池单体、电池包或动力电池组进行放电时，控制第一均衡开关MOS管的导通使得正极与对应的变压器绕组导通，控制第二均衡开关MOS管的导通和关断时间，使得在对应变压器绕组上产生交变电压。交变电压经变压器转换，产生均衡电流，提供给需要充电的电池单体、电池包或动力电池组进行充电。当电池单体、电池包或动力电池组进行充电时，控制第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管的通断，使得变压器耦合的均衡电流到达正极，而反向的电流被阻断。

所述的均衡开关MOS管采用如下任意一种器件或者任意两种器件的组合实现：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管、DUAL PMOS管。

本实用新型为电压均衡电路提供了一种具体实现方式，如下：

电池单体电压均衡电路E包括：电容E、MOS管EA、二极管EA、MOS管EB、二极管EB以及变压器的初级线圈E。电池包电压均衡电路F包括：电容F、MOS管FA、二极管FA、MOS管FB、二极管FB以及变压器的次级线圈F。动力电池组电压均衡电路H包括：电容H、MOS管HA、二极管HA、MOS管HB、二极管HB以及变压器的次级线圈F。所述电池单体的正负两极作为均衡电路E的输入端，该均衡电路E输入端之间顺次串联有MOS管EA和二极管EA的并联电路、变压器的初级线圈、MOS管EB和二极管EB的并联电路，且该电路E输入端之间还并联有电容E，变压器的初级线圈E作为电路E的输出端。所述电池包的正负两极作为均衡电路F的输入端，该均衡电路F输入端之间顺次串联有MOS管FA和二极管FA的并联电路、变压器的次级线圈F、以及MOS管FB和二极管FB的并联电路，且该均衡电路F输入端之间还并联有电容F，变压器的次级线圈F作为电路F的输出端。所述动力电池组的正负两极作为均衡电路H的输入端，该均衡电路H输入端之间顺次串联有MOS管HA和二极管HA的并联电路、变压器的次级线圈H、以及MOS管HB和二极管HB的并联电路，且该均衡电路H输入端之间还并联有电容H，变压器的次级线圈H作为均衡电路H的输出端。并联的一对MOS管和二极管组成NMOS管，MOS管的源极连接对应的输入端，MOS管的漏极连接对应的输出端。

本实用新型的锂离子动力电池充放电主动均衡电路，实现了5种工作模式：电池单体与电池单体之间的双向均衡、电池包与电池包之间的双向均衡、电池单体与电池包之间的双向均衡、电池单体与动力电池组之间的双向均衡、电池包与动力电池组之间的双向均衡。

本实用新型的锂离子动力电池充放电主动均衡电路，其优点和积极效果在于：

1.本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路既可以实现多个电池单体的同时充电均衡，也可以实现多个电池单体同时放电均衡，还可以实现多个电池单体有充有放的均衡，均衡方式非常灵活，使均衡的效率大大提高；

2.本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路能够利用电池单体、电池包、电池组进行相互均衡，能够实现电池单体、电池包、动力电池组之间多种组合方式的双向主动均衡，包括：电池单体与电池单体之间、电池包与电池包之间、电池单体与电池包之间、电池单体与电池组之间、电池包与电池单体之间的主动均衡，均衡方式灵活多变，适用性强；

3.本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路采用与电压采样电路(即本实用新型的电压采集模块)并联的连接方式，这样均衡电流的大小就不会影响到电池单体电压的采样精度；同时还具有均衡电流大的优点，均衡电流可以达到5A-20A，使均衡过程的效率大大提高，均衡电流的大小取决于变压器的设计；

4.本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路仅通过控制MOS管的导通和关断便能实现多种工作模式下的主动均衡，均衡过程安全可靠、易于控制；

5.本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路的主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，提高电池组的使用效率，进而延长电池寿命。

附图说明

图1是本实用新型提供的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路的结构示意图；

图2是本实用新型均衡电路工作模式—电池单体和电池单体之间双向均衡的等效电路图；

图3是本实用新型均衡电路工作模式—电池包和电池包之间双向均衡的等效电路图；

图4是本实用新型均衡电路工作模式—电池单体和电池包之间双向均衡的等效电路图；

图5是本实用新型均衡电路工作模式—电池单体和动力电池组之间双向均衡的等效电路图；

图6是本实用新型均衡电路工作模式—电池包和动力电池组之间双向均衡的等效电路图。

图中：

1-电压采集模块；   2-动力电池组；   3-电压均衡电路   4-电池包；

5-电池单体；       6-变压器；       7-电池单体电压均衡电路E；

8-电池包电压均衡电路F；             9-动力电池组电压均衡电路H；

10-电容E；        11-MOS管EA；     12-二极管EA；    13-MOS管EB；

14-二极管EB；     15-MOS管FA；     16-二极管FA；    17-MOS管FB；

18-二极管FB；     19-MOS管HA；     20-二极管HA；    21-MOS管HB；

22-二极管HB；     23-电容F         24-电容H

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型提供的锂离子动力电池充放电主动均衡电路，可以同时实现所有电池单体之间的充放电双向均衡，能够实现较大的均衡电流(均衡电流的大小取决于均衡变压器的设计)，能够实现电池单体与单体之间、电池单体与电池包之间、电池单体与电池组之间、电池包与电池包之间以及电池包与电池组之间多种工作模式的双向能量流动，使得主动均衡过程快速、高效，能够有效管理电池充放电状态，进而提高电池组的使用效率，延长电池寿命。

动力电池组2由若干电池单体5串联而成，多个的电池单体5串联组成一个电池包4，一个或多个电池包4串联组成动力电池组2。针对动力电池组2中的每个电池包4，都设置一个如图1所示的锂离子动力电池充放电主动均衡电路，主要包括：电压采集模块1和电压均衡电路3。

电压采集模块1与电池包4中的各个电池单体相连接，用于实时采集各个电池单体5的电压，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统。电压均衡电路3包括均衡变压器和均衡开关MOS管，均衡变压器为一个多绕组的同芯变压器6。电压均衡电路3用于对动力电池组中的电池单体5、电池包4、动力电池组2进行充放电控制，实现电压均衡管理。电压采集模块1和电压均衡电路3与电池管理系统中控制电池包4的模块连接。电压采集模块1连接电池管理系统中对应模块的输入端，电压均衡电路3中均衡开关MOS管连接电池管理系统中对应模块的输出端。各均衡开关MOS管受控于电池管理系统。

设动力电池组2中包含N个电池包4，对于其中的第i电池包4标记为b_i，则在电池包b_i的电压均衡电路3中，电池包b_i中的每个电池单体5、动力电池组2中的每个电池包b_j(j＝1,2,…,N)以及整个动力电池组2，分别通过两个均衡开关MOS管连接到变压器对应的一个绕组上，通过同芯的变压器6实现能量的耦合交换。电池管理系统的控制单元通过控制相应均衡开关MOS管的通断，在变压器6上耦合出相应的均衡电压，对电池单体5、电池包4和动力电池组2的充放电进行主动均衡。具体地，各电压均衡电路都包括连接第一均衡开关MOS管、第二均衡开关MOS管以及对应的变压器绕组。当电池单体、电池包或动力电池组进行放电时，控制第一均衡开关MOS管的通断使得正极与对应的变压器绕组导通，控制第二均衡开关MOS管的导通和关断时间，使得在对应变压器绕组上产生交变电压。交变电压经变压器转换，产生均衡电流提供给需要充电的电池单体、电池包或动力电池组进行充电。当电池单体、电池包或动力电池组进行充电时，控制第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管的通断，使得变压器耦合的均衡电流到达正极，而反向的电流被阻断。

所述的均衡开关MOS管可以采用如下任意一种器件或者任意器件的组合实现：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管、DUAL PMOS管。如图1所示，本实用新型实施例中均衡开关MOS管均为NMOS管。

所述的均衡开关MOS管，可以放置在所处均衡电路的电池单体、电池包或动力电池组的正负极与变压器绕组线圈之间的任意位置。例如，第一均衡开关MOS管设置在正极与变压器绕组之间，第二均衡开关MOS管设置在负极与变压器绕组之间；第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管设置在正极与变压器绕组之间；第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管设置在负极与变压器绕组之间。

电压均衡电路3包括电池单体电压均衡电路E7(简称电路E)、电池包电压均衡电路F8(简称电路F)以及动力电池组电压均衡电路H9(简称电路H)，各均衡电路通过同芯的变压器6耦合。在动力电池组中电池包bi的电压均衡电路中，电池包bi中的每个电池单体5均连接一个电池单体电压均衡电路E7。图1中标号为7的框内为3个电池单体电压均衡电路E。由MOS管EA11、MOS管EB13控制电池单体电压均衡电路E7的充电和放电过程。动力电池组中的每个电池包4均连接一个电池包电压均衡电路F8，由MOS管FA15、MOS管FB17控制电池包电压均衡电路F8的充电和放电过程。动力电池组2连接一个动力电池组电压均衡电路H9，由MOS管HA19、MOS管HB21控制电池组电压均衡电路H9的充电和放电过程。所有的MOS管均通过电池管理系统的控制单元控制，电池管理系统的控制单元通过控制相应的MOS管的通断选择均衡电池单体5、电池包4、动力电池组2。

如图1所示，电池单体电压均衡电路E7包括电容E10、MOS管EA11、二极管EA12、MOS管EB13、二极管EB14以及变压器的初级线圈E。电池包电压均衡电路F8包括电容F23、MOS管FA15、二极管FA16、MOS管FB17、二极管FB18以及变压器的次级线圈F。动力电池组电压均衡电路H9包括电容H24、MOS管HA19、二极管HA20、MOS管HB21、二极管HB22以及变压器的次级线圈H。所述电池单体5的两极作为电路E7的输入端，该电路E7输入端之间顺次串联有MOS管EA11和二极管EA12的并联电路、变压器6的初级线圈E、以及MOS管EB13和二极管EB14的并联电路，其中MOS管EA11与MOS管EB13的方向相反，二极管EA12与二极管EB14的方向相反，且该均衡电路E7输入端之间还并联有电容E10，变压器6的初级线圈E回路作为电路E7的输出端。MOS管EA11和二极管EA12组成NMOS管，MOS管EB13和二极管EB14组成NMOS管，NMOS管的源极均连接均衡电路E的输入端，NMOS管的漏极均连接均衡电路E的输出端。所述电池包4的两极作为电路F8的输入端，该电路F8输入端之间顺次串联有MOS管FA15和二极管FA16的并联电路、变压器6的次级回路F、以及MOS管FB17和二极管FB18的并联电路，其中MOS管FA15与MOS管FB17的方向相反，二极管FA16与二极管FB18的方向相反，且该电路F输入端之间还并联有电容F23，其中变压器6的次级回路F作为电路F8的输出端。MOS管FA15和二极管FA16组成NMOS管，MOS管FB17和二极管FB18组成NMOS管，NMOS管的源极连接均衡电路F的输入端，NMOS管的漏极连接均衡电路F的输出端。所述的动力电池组2的两极作为电路H9的输入端，该电路H9输入端之间顺次串联有MOS管HA19和二极管HA20的并联电路、变压器6的次级回路H、以及MOS管HB21和二极管HB22的并联电路，其中MOS管HA19与MOS管HB21的方向相反，二极管HA20与二极管HB22的方向相反，且该电路H输入端之间还并联有电容H24，其中变压器6的初级回路H作为电路H9的输出端。MOS管HA19和二极管HA20组成NMOS管，MOS管HB21和二极管HB22组成NMOS管，NMOS管的源极连接均衡电路H的输入端，NMOS管的漏极连接均衡电路H的输出端。

所述的电压采集模块1实时对动力电池组2中各电池包4中的各个电池单体电压进行采集，将采集得到的电压数据发送给电池管理系统的控制单元。电池管理系统计算出当前整个动力电池组2的总电压U，除以总的电池单体个数N得到电池单体的平均电压U_m。根据U_m取电池单体均衡电压上限为U_maxcell和电池单体均衡电压下限为U_mincell。如果某一电池单体电压高于限值U_maxcell或低于限值U_mincell，则电池管理系统判断为需要对此电池单体进行均衡管理。根据U_m与电池包内电池单体个数M取电池包电压均衡电压上限U_maxpkt和电池单体均衡电压下限为U_minpkt。如果某一电池包电压高于限值U_maxpkt或低于限值U_minpkt，则电池管理系统判断为需要对此电池包进行均衡管理。当电池单体5、电池包4的电压高于所设定的上限值时进行放电，当电池单体5、电池包4的电压低于所设定的下限值时进行放电。具体上下限值可由用户根据需要来设定。

所述的电压均衡电路3对所选择的电池单体、电池包、动力电池组进行电压均衡管理。通过控制MOS管E11的通断，回路可以在变压器6初级线圈E两端产生交变电压U_E。通过控制MOS管F17的通断，回路可以在变压器6次级线圈F两端产生交变电压U_F。通过控制MOS管H21的通断，回路可以在变压器6次级线圈H两端产生交变电压U_H。

所述的电压均衡电路3根据均衡对象的不同，有5种不同的工作模式，包括：电池单体与电池单体之间的双向均衡、电池包与电池包之间的双向均衡、电池单体与电池包之间的双向均衡、电池单体与动力电池组之间的双向均衡、电池包与动力电池组之间的双向均衡。通过控制MOS管的导通和关断，能够有效控制电流的方向，从而实现均衡充电或者均衡放电。实现锂离子动力电池的主动均衡，均衡过程快速、高效、灵活。

所述电池单体与电池单体之间的双向均衡，其均衡模式既可以是一对电池单体之间，也可以是多个电池单体之间；既可以是一个电池单体放电，多个电池单体充电，也可以是多个电池单体放电，一个电池单体充电，或者是多个电池单体放电同时多个电池单体充电。等效电路图如图2所示，其中有m+n节电池单体参与均衡过程(m≥1，n≥1)。图2中左侧n个电池单体分别连接变压器6的一个初级线圈，其中电池单体5_i的电压均衡电路为电路E_i，电池单体5_i的正极到负极之间顺次串联MOS管EA11_i与二极管EA12_i的并联电路、变压器6的初级线圈E_i、以及MOS管EB13_i与二极管EB14_i的并联电路，同时电池单体5_i的正负两极之间还串联电容E10_i，i＝1,2,…,n。图2中右侧m个电池分别连接变压器6的一个初级线圈，其中电池单体5’_j的电压均衡电路为电路E’_j，电池单体5’_j的正极到负极之间顺次串联MOS管EA’11’_j与二极管EA’12’_j的并联电路、变压器6的初级线圈E’_j、以及MOS管EB’13’_j与二极管EB’14’_j的并联电路，同时电池单体5’_j的正负两极之间还串联电容E’10’，j＝1,2,…,m。当n节电池单体5放电，m节单体电池5’充电时。电池管理系统控制MOS管EA11_i关断，并控制MOS管EB13_i的导通和关断时间，使得电路E_i在变压器初级线圈E_i产生交变电压U₁，交变电压U₁经过变压器6的转换，加载至电路E’_j。电池管理系统控制MOS管EA’11’_j导通，并控制MOS管EB’13’_j关断。由于电容E’10’_j的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池单体5’_j充电。当电池管理系统控制MOS管EB13_i和MOS管EA’11’_j关断时，均衡过程停止。反之，当n节电池单体5_i充电，m节单体电池5’_j放电时，其工作过程和原理相类似。电池管理系统控制MOS管EA’11’_j关断，并控制MOS管EB’13’的导通和关断时间，使得电路E’_j在变压器初级线圈E’_j产生交变电压U’₁，交变电压U’₁经过变压器6的转换，加载至电路E_i。电池管理系统控制MOS管EA11_i导通，并控制MOS管EB13_i关断。由于电容E10_i的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池单体5_i充电。当电池管理系统控制MOS管EB’13’_j和MOS管EA11_i关断时，均衡过程停止。

所述电池包与电池包之间的双向均衡的均衡模式既可以是一对电池包之间，也可以是多个电池包之间；既可以是一个电池包放电，多个电池包充电，也可以是多个电池包放电，一个电池包充电，或者是多个电池包放电多个电池包充电。等效电路图如图3所示，其中有m+n个电池包参与均衡过程(m≥1，n≥1)。图3中左侧n个电池包分别连接变压器6的一个次级线圈，其中电池包4_i的电压均衡电路为电路F_i，电池包4_i的正负极之间串联电容F23_i，电池包4_i的正极到负极之间顺次串联MOS管FA15_i与二极管FA16_i的并联电路、变压器6的次级线圈F_i、以及MOS管FB17_i与二极管FB18_i的并联电路，i＝1,2,…,n。图3中右侧m个电池包分别连接变压器6的一个次级线圈，其中电池包4’_j的电压均衡电路为电路F’_j，电池包4’_j的正负极之间串联电容F’23’_j，电池包4’_j的正极到负极之间顺次串联MOS管FA’15’_j与二极管FA’16’_j的并联电路、变压器6的次级线圈F’_j、以及MOS管FB’17’_j与二极管FB’18’_j的并联电路，j＝1,2,…,m。当n个电池包4_i(i＝1,2,…,n)放电，m个电池包4’_j(j＝1,2,…,m)充电时。电池管理系统控制MOS管FA15_i关断，并控制MOS管FB17_i的导通和关断时间，使得电路F_i在变压器6的次级线圈F_i产生交变电压U₂，交变电压U₂经过变压器6的转换，加载至电路F’_j。电池管理系统控制MOS管FA’15’_j导通，并控制MOS管FB’17’_j关断。由于电容F’23’_j的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池包4’_j充电。当电池管理系统控制MOS管FA17_i和MOS管FA’15’_j关断时，均衡过程停止。反之，当n个电池包4_i充电，m个电池包4’_j放电时，电池管理系统控制MOS管FA’15’_j关断，并控制MOS管FB’17’_j的导通和关断时间，使得电路F’_j在变压器次级线圈F’_j产生交变电压U’₂，交变电压U’₂经过变压器6的转换，加载至电路F_i。电池管理系统控制MOS管FA15_i导通，并控制MOS管FB17_i关断。由于电容F23_i的滤波的作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池包4_i充电。当电池管理系统控制MOS管FB’17’_j和MOS管FA15_i关断时，均衡过程停止。

所述电池单体与电池包之间的双向均衡的均衡模式既可以是一个电池单体和一个电池包之间，也可以是多个电池单体和一个电池包之间。等效电路图如图4所示，其中有n节电池单体与电池包参与均衡过程(n≥1)。图4左侧有n个电池单体，标记第i个电池单体为5_i，电池单体5_i的正负极之间串联电容E10_i，电池单体5_i的正极到负极之间顺次串联MOS管EA11_i与二极管EA12_i的并联电路、变压器6的次级线圈E_i、MOS管EB13_i与二极管EB14_i的并联电路，i＝1,2,…,n。图4右侧有1个电池包4，电池包4的正负极之间串联电容F23，电池包4的正极到负极之间顺次串联MOS管FA15与二极管FA16的并联电路、变压器6的次级线圈F、MOS管FB17与二极管FB18的并联电路。当n节电池单体5_i(i＝1,2,…,n)放电，电池包4充电时。电池管理系统控制MOS管EA11_i关断，并控制MOS管EB13_i的导通和关断时间，使得电路E在变压器6的初级线圈E产生交变电压U₃，交变电压U₃经过变压器6的转换，加载至电路F。电池管理系统控制MOS管FA15导通，并控制MOS管FB17关断。由于电容F23的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池包4充电。当电池管理系统控制MOS管EB13_i和MOS管FA15关断时，均衡过程停止。反之，当电池包4放电，n节电池单体5_i(i＝1,2,…,n)充电时。电池管理系统控制MOS管FA15关断，并控制MOS管FB17的导通和关断时间，使得电路F在变压器6的次级线圈F产生交变电压U₄，交变电压U₄经过变压器6的转换，加载至电路E。电池管理系统控制MOS管EA11_i导通，并控制MOS管EB13_i关断。由于电容E10_i的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池单体5_i充电。当电池管理系统控制MOS管EA11_i和MOS管FB17关断时，均衡过程停止。

所述电池单体与动力电池组之间的双向均衡的均衡模式既可以是一个电池单体和电池组之间，也可以是多个电池单体和电池组之间。等效电路图如图5所示，其中n个电池单体和动力电池组参与均衡过程(n≥1)。图5中变压器6左侧有n个电池单体，标记第i个电池单体为5_i，电池单体5_i的正极到负极之间顺次串联MOS管EA11_i与二极管EA12_i的并联电路、变压器6的次级线圈E_i、MOS管EB13_i与二极管EB14_i的并联电路，i＝1,2,…,n。图5中变压器6右侧为动力电池组2，动力电池组2的正负极之间串联电容H24，电池组2的正极到负极之间顺次串联MOS管HA19与二极管HA20的并联电路、变压器6的次级线圈H、MOS管HB21与二极管HB22的并联电路。当n个电池单体5_i(i＝1,2,…,n)放电，动力电池组2充电时。电池管理系统控制MOS管EA11_i关断，并控制MOS管EB13_i的导通和关断时间，使得电路E在变压器6的初级线圈E产生交变电压U₅，交变电压U₅经过变压器6的转换，加载至电路H。电池管理系统控制MOS管HA19导通，并控制MOS管HB21关断。由于电容H24的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为动力电池组2充电。当电池管理系统控制MOS管EB13_i和MOS管HA19关断时，均衡过程停止。反之，当动力电池组2放电，n个电池单体5_i(i＝1,2,…,n)充电时。电池管理系统控制MOS管HA19关断，并控制MOS管HB21的导通和关断时间，使得电路H在变压器6的次级线圈H产生交变电压U₆，交变电压U₆经过变压器6的转换，加载至电路E。电池管理系统控制MOS管EA11_i导通，并控制MOS管EB13_i关断。由于电容E10_i的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池单体5_i充电。当电池管理系统控制MOS管EA11_i和MOS管HB21关断时，均衡过程停止。

所述电池包与动力电池组之间的双向均衡的均衡模式既可以是一个电池包和电池组之间，也可以是多个电池包和电池组之间。等效电路图如图6所示，其中n个电池包与动力电池组参与均衡(n≥1)。图6中变压器6左侧为n个电池包，标记第i个电池包为4_i，第i个电池包的正负极之间串联电容F23_i，电池包4_i的正极到负极之间串联MOS管FA15_i与二极管FA16_i并联电路、变压器6的次级线圈F_i、以及MOS管FB17_i与二极管FB18_i的并联电路，i＝1,2,…,n。图6中变压器6右侧为动力电池组2，动力电池组2的正负极之间串联电容H24，电池组2的正极到负极之间顺次串联MOS管HA19与二极管HA20的并联电路、变压器6的次级线圈H、MOS管HB21与二极管HB22的并联电路。当n个电池包4_i(i＝1,2,…,n)放电，动力电池组2充电时。电池管理系统控制MOS管FA15_i关断，并控制MOS管FB17_i的导通和关断时间，使得电池包电压均衡电路F在变压器6的次级线圈F产生交变电压U₇，交变电压U₇经过变压器6的转换，加载至动力电池组电压均衡电路H。电池管理系统控制MOS管HA19导通，并控制MOS管HB21关断。由于电容H24的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为动力电池组2充电。当电池管理系统控制MOS管FB17_i和MOS管HA19关断时，均衡过程停止。反之，当动力电池组2放电，n个电池组4_i(i＝1,2,…,n)充电时，电池管理系统控制MOS管HA19关断，并控制MOS管HB21的导通和关断时间，使得动力电池组电压均衡电路H在变压器6的次级线圈H产生交变电压U₈，交变电压U₈经过变压器6的转换，加载至电池包电压均衡电路F。电池管理系统控制MOS管FA15_i导通，并控制MOS管FB17_i关断。由于电容F23_i的滤波作用，输出电压转换为平滑的直流电压，为电池包4_i充电。当电池管理系统控制MOS管FA15_i和MOS管HB21关断时，均衡过程停止。

图2～图6中，变压器6左右两侧放置的电池单体、电池包和动力电池组，仅是一个示意，为了方便描述充电和放电的过程，在实际使用中，并不限定具体放置位置。

本实用新型中还可以将变压器6换成具有相同接口的放电电阻阵列，将相应单体的绕组替换成放电电阻。对于动力电池组中电池包a，其电压均衡电路中用放电电阻阵列替换，则电池包a中的每个电池单体、动力电池组中的每个电池包以及整个动力电池组的正负极之间均串联两个均衡开关MOS管和一个放电电阻。通过控制两个均衡开关MOS管的通断，实现对电池单体、电池包或动力电池组的放电。由于采用采样电路和均衡电路分离的方案，使均衡电流的大小不影响采样的精度，这样就可以实现电池单体的大电流的放电均衡，也就是实现大电流的被动均衡。均衡电流的大小取决于所选的放电电阻的大小以及放电电阻的散热情况。

本实用新型中所采用的电池管理系统(BMS)是基于英飞凌XC2000系列单片机设计的混合动力汽车电池管理系统，广泛应用于纯电动汽车、混合动力汽车、储能电站、后备电源等场合。其主要特点如下：

1)工作电压范围：9V～48V，具有反接保护，过压保护和过流保护；

2)工作温度范围：–40to 105℃；

3)每个模块低压供电通讯和电池组采样均衡分别采用分离的接插件，既可以实现有效的电器隔离，也便于管理维护。每个模块可对应管理一个电池包4。

BMS的输入接口：

1)每个模块具有12节单体电压检测输入，检测电压精度可达±3mV；

2)每个模块具有7路温度传感器信号输入接口；

3)每个模块具有系统供电使能输入。

BMS的输出电路：

每个模块具有管理12节单体的能力，平均均衡电流5A，最大均衡电流可达20A。

Claims (7)

1.一种锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：针对动力电池组中的每个电池包都设置有电压采集模块和电压均衡电路； 

所述的电压采集模块连接电池包中的各个电池单体；所述的电压均衡电路包括均衡变压器和均衡开关MOS管，均衡变压器为一个多绕组的同芯变压器； 

动力电池组中的某个电池包a的电压均衡电路中，电池包a中的每个电池单体、动力电池组中的每个电池包以及整个动力电池组的正负极之间均串联两个均衡开关MOS管和同芯变压器的一个绕组；各均衡开关MOS管受控于电池管理系统。 

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的电压均衡电路包括电池单体电压均衡电路E、电池包电压均衡电路F和动力电池组电压均衡电路H；每个电池单体均连接一个电池单体电压均衡电路E，动力电池组中的每个电池包均连接一个电池包电压均衡电路F，整个动力电池组连接一个电池组电压均衡电路H；各电压均衡电路E、F和H通过同芯的变压器耦合；均衡电路E、F或H的输入端为对应的电池单体、电池包或动力电池组的正负两极，输出端为对应的变压器绕组线圈；均衡电路E、F和H都包括第一均衡开关MOS管、第二均衡开关MOS管以及对应的变压器绕组；第一均衡开关MOS管和第二均衡开关MOS管串联设置在所处均衡电路E、F或H的输入端与输出端之间的任意位置。 

3.根据权利要求1或2所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的均衡开关MOS管采用如下任意一种器件或者任意两种器件的组合实现：NMOS管、PMOS管、DUAL NMOS管、DUAL PMOS管。 

4.根据权利要求2所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的电池单体电压均衡电路E，包括电容E、MOS管EA、二极管EA、MOS管EB、二极管EB和变压器的初级线圈E；电池单体的正负两极作为均衡电路E的输入端，输入端之间顺次串联有MOS管EA和二极管EA的并联电路、变压器的初级线圈E、以及MOS管EB和二极管EB的并联电路，其中MOS管EA与其中MOS管EB的方向相反，二极管EA与二极管EB的方向相反，且输入端之间还并联有电容E，变压器的初级线圈E作为均衡电路E的输出端；所述的MOS管EA和二极管EA组成NMOS管，MOS管EB和二极管EB组成NMOS管，NMOS管的源极连接均衡电路E的输入端，NMOS管的漏极连接均衡电路E的输出端。 

5.根据权利要求2所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的电池包电压均衡电路F，包括电容F、MOS管FA、二极管FA、MOS管FB、二极管FB和变压器的次级线圈F；电池包的正负两极作为均衡电路F的输入端，输入端之间顺次串联有MOS 管FA和二极管FA的并联电路、变压器的次级线圈F、以及MOS管FB和二极管FB的并联电路，其中MOS管FA与MOS管FB的方向相反，二极管FA与二极管FB的方向相反，且输入端之间还并联有电容F，变压器的次级线圈F作为均衡电路F的输出端；所述的MOS管FA和二极管FA组成NMOS管，MOS管FB和二极管FB组成NMOS管，NMOS管的源极连接均衡电路F的输入端，NMOS管的漏极连接均衡电路F的输出端。 

6.根据权利要求2所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的动力电池组电压均衡电路H，包括电容H、MOS管HA、二极管HA、MOS管HB、二极管HB和变压器的次级线圈H；动力电池组的正负两极作为均衡电路H的输入端，输入端之间顺次串联有MOS管HA和二极管HA的并联电路、变压器的次级线圈H、以及MOS管HB和二极管HB的并联电路，其中MOS管HA与MOS管HB的方向相反，二极管HA与二极管HB的方向相反，且输入端之间还并联有电容H，变压器的次级线圈H作为均衡电路H的输出端；所述的MOS管HA和二极管HA组成NMOS管，MOS管HB和二极管HB组成NMOS管，NMOS管的源极连接均衡电路H的输入端，NMOS管的漏极连接均衡电路H的输出端。 

7.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组充放电主动均衡电路，其特征在于：所述的均衡变压器，用放电电阻阵列替换；在动力电池组中电池包a的电压均衡电路中，电池包a中的每个电池单体、动力电池组中的每个电池包以及整个动力电池组的正负极之间均串联两个均衡开关MOS管和一个放电电阻。