CN209516668U - 一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器 - Google Patents

Abstract

一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器，包括多个三单体型锂离子电池组的奇数组控制模块和电池电压采集模块，奇数组控制模块在传统开关电感均衡电路的基础上增加了电容C、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8等器件，重新设计了均衡电路，以实现奇数个单体电池串联电池组中非相邻单体电路之间的均衡控制。

Description

一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器

技术领域

本发明涉及锂电池领域，特别涉及一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器。

背景技术

由于锂离子电池的固有特性，单个电池在充放电过程中具有安全工作电压范围，比如2.6V至4.2V之间。充电过程中，当电池电压高于上限时,会引起电池起火或爆炸；放电过程中，当电池电压低于下限时,又会引起电池的损坏。在大功率应用场合，需要几十乃至上百支单体电池串联构成电池组。由于电池组中各单体电池存在不一致性，所以在充电过程中会存在某一单体电池已经达到电压上限电，而其它电池仍处于可充电状态，这样会导致发生过充问题；在放电过程中,会存在某一单体电池电压达到了下限电压，而其余电池仍处于安全工作电压范围，这样也会导致电池整体效率低或者某个单体电池处于深度放电状态。过充和过放会都会对锂电池造成不可恢复的损害，而且锂电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，故一旦有某个电池出现深度放电，整个电池组就必须停止工作，同样，一旦有某个电池出现过度充电，充电过程也要立即停止，否则电池寿命会严重衰减，甚至引起安全隐患。可能出现的极端情况是，锂电池组内某些单体锂电池容量已达最大容量，某些则已至最低容量，导致整个锂电池组既无法充电也无法放电。

为解决以上电池不一致性所导致的问题，故需要采用了一些电池均衡控制方法。现有均衡方法按照均衡原理分为能量耗散型和能量非耗散型两类，按照均衡的判断准则可分为基于电压的均衡和基于SOC的均衡。能量非耗散型中基于电容与电感的均衡控制应用广泛，基于电压的均衡方法是指通过单体锂电池的负载电压差异来判断锂电池组的不一致性情况，据此控制均衡模块的开启和关闭。基于电压的均衡方法是一种较简单的均衡策略，也是现在应用最广的。

传统分散型均衡系统基于电感的能量非耗散型均衡方案具有结构简单、易于控制等优点，目前已得到了一定的应用，但是这种方法只能实现相邻两单体之间的能量传递，当不均衡单体不相邻时，能量需要在单体电池间层层传递，能量的传输路径长。当电池间的能量传输的距离较远时，传输速度慢且增加开关损耗，增大了均衡时间且降低了均衡效率，即均衡速度变慢，效率降低，均衡损耗较大。

针对这个问题，以降低均衡损耗、提高均衡速度和效率为研究目标，通过优化改进传统开关电感均衡电路变得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型为了解决现有技术问题，发明基于开关电容电感的混合式均衡电路，并通过分组分层结构的方式应用于模块化电池组中的一种串联锂离子电池组均衡控制器。

本实用新型的技术方案是：一种串联锂离子电池组均衡控制器，包括多个三单体型锂离子电池组的奇数组控制模块和电池电压采集模块。奇数组控制模块包括：电池单体B1和B2相连点引出的电感L1，电感L1另一端连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT1和D1、VT2和D2，两组并联电路分别返回接入电池单体B1和B2的另一端；电池单体B2和B3相连点引出的电感L2，电感L2另一端通过功率MOS管VT5连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT9和D3、VT10和D4，两组并联电路分别通过功率MOS管VT4和VT6返回接入电池单体B2和B3的另一端；功率MOS管VT4和VT6与并联电路VT9和D3、VT10和D4的连接端电信号直连后连接到电容C，该电容C的另一端不仅通过功率MOS管VT7和VT8组成的并联电路，接回三单体型锂离子电池组的正极，还通过功率MOS管VT3接回电池单体B2和B3相连点。

作为一种优选：电池电压采集模块采用LTC6802电池管理芯片及其外围电路。

作为一种优选：奇数组控制模块可以多层分布设置，即三个奇数组控制模块可以被一个奇数组控制模块控制。

综上所述，本实用新型的有益效果是：解决现有串联锂离子电池组中奇数型单体电池之间不均衡性所导致电池组整体寿命低以及传统开关电感均衡电路不能实现非相邻单体电池间均衡所导致均衡时间长、效率低等问题，发明了一种基于电感电容的均衡电路，该电路通过电感电容均衡控制可快速实现串联电池组中任意单体电池间能量传递，达到串联电池组均衡目的。

附图说明

图1为本实用新型的三单体型锂离子电池组的奇数组控制模块电路图。

图2为本实用新型的电池电压采集模块电路图。

图3为采用本实用新型奇数组控制模块电路的分层控制框图。

具体实施方式

如图1所示：为奇数型三个单体电池串联的电池模块均衡电路图，B1，B2，B3为电池单体；VT1、VT2、VT9、VT10、D1、D2、D3、D4、L1、L2组成传统的电感均衡电路。其它器件如电容C、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8是为解决传统电感均衡电路不能均衡非相邻单体电池的问题而优化添加设计的。即本电路的创新点在于在传统开关电感均衡电路的基础上增加了电容C、VT3、VT4、VT5、VT6、VT7、VT8等器件，重新设计了均衡电路，以实现奇数个单体电池串联电池组中非相邻单体电路之间的均衡控制。具体连接方式如下所述：

电池单体B1和B2相连点引出的电感L1，电感L1另一端连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT1和D1、VT2和D2，两组并联电路分别返回接入电池单体B1和B2的另一端；电池单体B2和B3相连点引出的电感L2，电感L2另一端通过功率MOS管VT5连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT9和D3、VT10和D4，两组并联电路分别通过功率MOS管VT4和VT6返回接入电池单体B2和B3的另一端；功率MOS管VT4和VT6与并联电路VT9和D3、VT10和D4的连接端电信号直连后连接到电容C，该电容C的另一端不仅通过功率MOS管VT7和VT8组成的并联电路，接回三单体型锂离子电池组的正极，还通过功率MOS管VT3接回电池单体B2和B3相连点。

相邻电池单体间均衡控制：

若相邻单体电池出现非均衡情况，其均衡控制原理如下：

B1与B2之间均衡控制：VB1-VB2≥ξV(ξ为一阈值电压，比如ξ＝0.7)，B1能量要转移到B2，首先VT1导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT1对L1充电，电量储存于L1中，接着功率MOS管全部关断，L1通过D2二极管放电，将能量转移至B2，达到均衡。如果VB2-VB1≥ξV，B2中的能量要转移到B1,首先VT2导通，其它功率MOS管关断，B2通过VT2对L1充电，电量储存于L1中，接着全部功率MOS管关断，L1通过D1二极管放电，将能量转移至B1，最终B1和B2达到均衡。

B2与B3之间均衡控制：VB2-VB3≥ξV，B2能量要转移到B3，首先VT4、VT9、VT5导通，其它功率MOS管关断，B2对L2充电，电量储存于L2中，接着VT6导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT6和D4二极管放电，将能量转移至B3，达到均衡。如果VB3-VB2≥ξV，B3能量要转移到B2，首先VT5、VT10、VT6导通，其它功率MOS管关断，B3对L2充电，电量储存于L2中，接着VT4导通，其它功率MOS管关断，L2通过VT4和D3二极管放电，将能量转移至B2，达到均衡。以上是相邻单体电池之间的均衡控制，与传统开关电感均衡控制电路不同的地方在于增加了VT4、VT5、VT6三个功率MOS管，增加这三个功率MOS管的目的是为了非相邻单体电池均衡控制。

非相邻单体电池均衡控制：

若非相邻单体电池出现非均衡情况，其均衡控制原理如下：

VB1-VB3≥ξV，B1能量要转移到B3，首先VT4、VT7导通，其它功率MOS管关断，B1通过VT7、VT4、D4、D3对C充电，电量储存于C中，接着VT3、VT6功率MOS管导通，其它全部关断，C通过VT3、VT6放电，将能量转移至B3，达到均衡。如果VB3-VB1≥ξV，B3能量要转移到B1,首先VT7、VT6导通，其它功率MOS管关断，B3通过D2、D1、VT7、VT6对电容C充电，电量储存于C中，接着VT4、VT8导通，其它功率MOS管关断，C通过VT8、VT4放电，将能量转移至B1，达到均衡。以上是非相邻单体电池之间的均衡控制，与传统开关电感均衡控制电路相比，在功能上解决了非相邻单体电池均衡控制问题。

如图2所示：应用LTC6802电池管理芯片同时采集电池电压值，该采集电路为公知技术，图中Kn(n∈1…12)表示采集不同单体电池的控制信号。

当串联电池组中单体电池个数越来越多时，非相邻电池间的均衡控制电路也会越来越复杂。所以，在大功率电池组中，可采用分组分层方式进行多级均衡控制。本发明中的均衡控制电路也可应用于分组分层多级均衡控制中。分组分层均衡控制结构如图3。图3中的电池模块及内部均衡控制为图2中三单体电池串联均衡控制。2级均衡控制和1级均衡控制中的电路都是图1所示三单体电池串联均衡控制电路中除去电池后的均衡控制电路。工作原理与图1中均衡控制原理相似。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器，其特征在于：包括多个三单体型锂离子电池组的奇数组控制模块和电池电压采集模块；

所述的奇数组控制模块包括：电池单体B1和B2相连点引出的电感L1，电感L1另一端连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT1和D1、VT2和D2，两组并联电路分别返回接入电池单体B1和B2的另一端；电池单体B2和B3相连点引出的电感L2，电感L2另一端通过功率MOS管VT5连接两组功率MOS管与二极管并联电路VT9和D3、VT10和D4，两组并联电路VT9和D3、VT10和D4分别通过功率MOS管VT4和VT6返回接入电池单体B2和B3的另一端；功率MOS管VT4和VT6与并联电路VT9和D3、VT10和D4的连接端的电信号直连后连接到电容C，该电容C的另一端不仅通过功率MOS管VT7和VT8组成的并联电路，接回三单体型锂离子电池组的正极，还通过功率MOS管VT3接回电池单体B2和B3的相连点。

2.根据权利要求1所述的一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器，其特征在于：所述的电池电压采集模块采用LTC6802电池管理芯片及其外围电路。

3.根据权利要求1所述的一种奇数型串联锂离子电池组均衡控制器，其特征在于：所述的奇数组控制模块可以多层分布设置，即三个奇数组控制模块可以被一个奇数组控制模块控制。