CN212588134U - 带充电补电功能的锂电池均衡控制电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，包括MCU主控单元、充放电控制单元以及若干个电芯串联成的电芯组，所述MCU主控单元的第一端通过采集及均衡电路单元与各个电芯电连接，所述充放电控制单元包括MOS驱动电路、充电MOS管Qc和放电MOS管Qd，MCU主控单元的第二端连接充放电控制单元的输入端，充放电控制单元的输出端分别连接充电MOS管Qc的栅极、放电MOS管Qd的栅极，所述充电MOS管Qc的两端并联有充电补电电路。本实用新型通过添加充电补电电路，大幅度延长被动均衡的开启时间，使均衡效率显著提升，减少了锂电池均衡错均、误均的概率，且性价比高。
Description
技术领域
本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种带充电补电功能的锂电池均衡控制电路。
背景技术
随着社会的不断进步，锂电池作为新能源突发性增长，锂电池的应用在各个领域逐步普及，尤其是电动车辆上，如电动小轿车、电动公交车、电动面包车、电动货车、电动出租车等，并已逐步投入市场。
一个锂电池包由N串电芯组成，根据化学特性，如果某两串电芯的电压相差过大，这就会造成电量的不均衡，比如一串电芯的电压是3.6V，另一串电芯的电压是2.5V，相差过大容易造成电池报废。最大单体电压和最小单体电压的差值如果达到了某个极限，导致出现故障的概率极大，那么无论是放电还是充电都不应该在继续进行。为了尽量避免这种情况的出现，锂电池配备的BMS电池管理系统会设计有电压均衡功能。BMS电池管理系统，英文全称为Battery Management System，即锂电池专门用来进行锂电池运行管理的模块。
电压均衡分为主动与被动两种类型：被动均衡是设计硬件电压，使用电压比较器，当某串电池电压与其它电池电压相比过高时（比如相差达到50ms），或是使用别的元件来消耗掉高电压电池的电量，或是将高电压电池的电量灌入低电压电池中；主动均衡在原理上也一样，只不过可以由程序来控制均衡的更多细节，用串转并的译码器作成开关电路，控制系统只在充电过程中均衡，可以更为灵活的设定均衡的电压阈值等等。
锂电池有其特殊的电压平台特性，尤其是磷酸铁锂电池，在平台阶段，在几十毫伏的电压区间内聚集了约85%以上的容量，电芯电压-SOC相关性曲线非常平坦，在充放电的末端，随着电芯内阻的增大，电芯电压-SOC相关性曲线才变得稍微陡一些，但充放电这两个阶段的容量往往只占总容量的10%左右。
基于锂电池这个特性，现有多串锂电池BMS电池管理系统的被动均衡功能使用时，有以下局限性：
1. 均衡时间较短。被动均衡的开启时间会安排在电池模组的充电末端，但充电末端的容量只占据了电芯容量的5%不到，可供开启被动均衡时间较短。
2. 存在错均、误均现象。有的BMS为延长均衡时间，将均衡开启电压调低至锂电池电压平台上，但现有的电芯电压采集电路由于精度的原因，在识别真正的电芯电压精度上存在偏差，导致本来SOC较高的电芯没有开启均衡，SOC较低的电芯反而误被开启了均衡，导致模组电芯SOC不均一性进一步恶化。
发明内容
本实用新型提出一种带充电补电功能的锂电池均衡控制电路及其控制方法以解决上述技术问题。
为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：
一种锂电池均衡控制电路，包括MCU主控单元、充放电控制单元以及若干个电芯串联成的电芯组，所述MCU主控单元的第一端通过采集及均衡电路单元与各个电芯电连接，所述充放电控制单元包括MOS驱动电路、充电MOS管Qc和放电MOS管Qd，MCU主控单元的第二端连接充放电控制单元的输入端，充放电控制单元的输出端分别连接充电MOS管Qc的栅极、放电MOS管Qd的栅极，充电MOS管Qc的漏极和放电MOS管Qd的漏极相连接，放电MOS管Qd的源极连接电芯组的负极，所述充电MOS管Qc的两端并联有充电补电电路。
作为优选，所述充电补电电路包括补电MOS管Qb和补电电阻Rp，所述补电MOS管Qb的漏极和充电MOS管Qc的漏极相连接，补电电阻Rp的两端分别连接补电MOS管Qb的源极、充电MOS管Qc的源极。
作为优选，所述采集及均衡电路单元包括采样电路和若干个并联于电芯两端的电芯均衡电路，所述电芯均衡电路与采样电路电连接。
作为进一步的优选，所述电芯均衡电路包括串联的均衡电阻和均衡MOS管，所述均衡MOS管的漏极连接电芯的正极，均衡电阻的两端分别连接电芯的负极、均衡MOS管的源极，均衡MOS管的栅极均与采样电路电连接。
作为优选，所述电芯组为磷酸铁锂电池。
作为进一步的优选，各电芯的均衡开启电压为3.45V，电芯过压保护恢复电压值为3.34V，电芯过充保护电压为3.65V。
与现有技术相比较，本实用新型在BMS电池管理系统的充电控制回路中添加了充电补电电路，大幅度延长被动均衡的开启时间，使均衡效率显著提升，减少了锂电池均衡错均、误均的概率，且性价比高；通过该充电补电电路，在一定条件下可以将所有串联电芯的电压可以控制在较小范围（如20mV）以内，且不会触发单体充电保护，降低单体过充电保护时充电开关切断大电流时被电压击穿的风险，增加BMS工作的可靠性。
附图说明
图1为本实用新型带充电补电功能的锂电池均衡控制电路的一种电路图。
图中，1-MCU主控单元，2-充放电控制单元，3-采集及均衡电路单元，4-充电补电电路，5-MOS驱动电路，6-采样电路。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本实用新型进行详细描述。但这些实施方式并不限制本实用新型，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本实用新型的保护范围内。
在本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
如图1所示，一种带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，包括MCU主控单元1、充放电控制单元2以及若干个电芯串联成的电芯组，所述MCU主控单元1的第一端通过采集及均衡电路单元3与各个电芯电连接，所述充放电控制单元1包括MOS驱动电路5、充电MOS管Qc和放电MOS管Qd，MCU主控单元1的第二端连接充放电控制单元2的输入端，充放电控制单元2的输出端分别连接充电MOS管Qc的栅极、放电MOS管Qd的栅极，充电MOS管Qc的漏极和放电MOS管Qd的漏极相连接，放电MOS管Qd的源极连接电芯组的负极，所述充电MOS管Qc的两端并联有充电补电电路4。
本实用新型采用的电芯组一般由n个电芯CELLi串联而成，其中i、n为正整数且1≤i≤n。MCU主控单元1为BMS电池管理系统的主控芯片及周边电路，用于电芯数据的采集和充放电控制单元2的驱动，实现锂电池的均衡控制。
本实用新型的一种实施方式，充电补电电路4可以包括补电MOS管Qb和补电电阻Rp，其中补电MOS管Qb的漏极和充电MOS管Qc的漏极相连接，补电电阻Rp的两端分别连接补电MOS管Qb的源极、充电MOS管Qc的源极。
采集及均衡电路单元3包括用于采集各个电芯的电压值的采样电路6和若干个并联于电芯两端用于均衡电芯电压的电芯均衡电路，电芯均衡电路与采样电路6电连接。
具体的，每个电芯均衡电路均包括串联的均衡电阻和均衡MOS管，所述均衡MOS管的漏极连接电芯的正极，均衡电阻的两端分别连接电芯的负极、均衡MOS管的源极，如图1中并联于电芯CELLn两端的均衡电阻Rn和均衡MOS管Qn，各个均衡MOS管的栅极连入采样电路6。其中，采样电路6的构成及均衡MOS管的栅极与采样电路6的连接方式均为常规电路，此处不做赘述。
这里每个电芯的被动均衡逻辑如下：若其中一个电芯的电压值大于均衡开启电压，且该电芯电压值与最低电芯电压值的差值大于第一差值，则开启该电芯的被动均衡；若其中一个电芯开启被动均衡后的电压值小于均衡开启电压，或该电芯开启被动均衡后的电压值大于均衡开启电压且该电芯电压值与最低电芯电压值的差值小于第二差值，则关闭该电芯的被动均衡。
此处，电芯组一般采用磷酸铁锂电池，一般均设有过压保护。充电补电电路4的开启和关闭条件如下：当电芯过压保护中，且最高电芯电压值小于3.55V或最低电芯电压值大于电芯过压保护恢复电压值，则开启充电补电电路，即开启补电MOS管Qb；若最高电芯电压值与最低电芯电压值的差值小于第二差值且最高电芯电压值大于均衡开启电压，或最高电芯电压值大于电芯过充保护电压，则关闭充电补电电路，即关断补电MOS管Qb。
其中，所述各电芯的均衡开启电压为3.45V，电芯过压保护恢复电压值为3.34V，电芯过充保护电压为3.65V，第二差值为20mV。这些数值的选取为根据多次试验和经验所得。
本实用新型在锂电池BMS充电回路控制开关上，并联一个由一个电子开关和一个功率电阻串联组成的充电补电电路4，构建了一种与电芯组连接的新型BMS电池管理系统。在锂电池充满电且满足一定的电压条件之后，通过开启该充电补电电路4，可以实现对电池进行小电流充电，延长均衡时间，降低均衡错均、误均的风险，并可以在一定条件下，将模组内所有串联电芯的电压控制在较小范围内（如20mV），避免触发单体充电保护，降低大电流条件下关断充电保护开关的概率，增加系统的可靠性。
基于上述锂电池均衡控制电路，本实用新型提供了一种锂电池均衡控制方法，包括如下步骤：
步骤101，MCU主控单元通过充电MOS管Qc对电芯组进行充电并通过采集及均衡电路单元采集各个电芯的电压值；
步骤102，当第i个电芯的电压值U CELLi高于均衡开启电压后，若第i个电芯电压值与最低电芯电压值的差值大于第一差值，则打开电芯CELLi的均衡开关Qi，开启电芯CELLi的被动均衡；
步骤103，通过充电MOS管Qc对电芯组继续充电，直到最高电芯电压值UCELLmax大于3.65V触发过充电保护，关断充电MOS管Qc；
步骤104，充电过程中，当最高电芯电压值UCELLmax<3.55V且最低电芯电压值UCELLmin高于电芯过压保护恢复电压值，开启补电MOS管Qb通过补电电路持续补电，当最高电芯电压值UCELLmax高于电芯过充保护电压时，关闭补电MOS管Qb。此时，电池处于充电末端阶段，电芯电压-SOC曲线较陡，比较小的补电电流即可将电芯电压维持在均衡开启电压之上，CELLn的被动均衡可以继续进行；
步骤105，此后的最高电芯电压值UCELLmax回落过程中，当最高电芯电压值UCELLmax<3.55V且最低电芯电压值UCELLmin高于电芯过压保护恢复电压值，重新开启补电MOS管Qb，重复执行步骤104，使已启动均衡的各电芯的电压始终保持在均衡开启电压以上；
步骤106，当已开启均衡的电芯CELLi的电压值U CELLi与最低单体电压值UCELLmin的差值小于第二差值，且电芯CELLi的电压值U CELLi大于均衡开启电压时或电芯CELLi的电压值U CELLi 低于均衡开启电压，关闭电芯CELLi的均衡开关CELLi，关闭电芯CELLi的被动均衡；
步骤107，当最高电芯电压值与最低电芯电压值的差值UCELLmax-UCELLmin小于第二差值且最高电芯电压值UCELLmax大于均衡开启电压时，关闭补电MOS管Qb，关闭所有已开启被动均衡电芯的被动均衡。
如此，锂电池模组的均衡完成，所有串联电芯的电压差值被控制在小于第二差值。
其中，所述各电芯的均衡开启电压为3.45V，电芯过压保护恢复电压值为3.34V，电芯过充保护电压为3.65V，第一差值为50mV，第二差值为20mV。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由本申请的权利要求指出。
应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (6)
1.一种带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，包括MCU主控单元、充放电控制单元以及若干个电芯串联成的电芯组，所述MCU主控单元的第一端通过采集及均衡电路单元与各个电芯电连接，所述充放电控制单元包括MOS驱动电路、充电MOS管Qc和放电MOS管Qd，MCU主控单元的第二端连接充放电控制单元的输入端，充放电控制单元的输出端分别连接充电MOS管Qc的栅极、放电MOS管Qd的栅极，充电MOS管Qc的漏极和放电MOS管Qd的漏极相连接，放电MOS管Qd的源极连接电芯组的负极，所述充电MOS管Qc的两端并联有充电补电电路。
2.根据权利要求1所述的带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，所述充电补电电路包括补电MOS管Qb和补电电阻Rp，所述补电MOS管Qb的漏极和充电MOS管Qc的漏极相连接，补电电阻Rp的两端分别连接补电MOS管Qb的源极、充电MOS管Qc的源极。
3.根据权利要求2所述的带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，所述采集及均衡电路单元包括采样电路和若干个并联于电芯两端的电芯均衡电路，所述电芯均衡电路与采样电路电连接。
4.根据权利要求3所述的带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，所述电芯均衡电路包括串联的均衡电阻和均衡MOS管，所述均衡MOS管的漏极连接电芯的正极，均衡电阻的两端分别连接电芯的负极、均衡MOS管的源极，均衡MOS管的栅极均与采样电路电连接。
5.根据权利要求4所述的带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，所述电芯组为磷酸铁锂电池。
6.根据权利要求5所述的带充电补电功能的锂电池均衡控制电路，其特征在于，各电芯的均衡开启电压为3.45V，电芯过压保护恢复电压值为3.34V，电芯过充保护电压为3.65V。
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