CN102437619A - 一种动力电池组双向平衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池组双向平衡电路，应用于串联电池组，包括一DC/DC转换电路、均衡开关电路、MCU微处理器，所述DC/DC转换电路的输入端与串联电池组的两端连接，所述DC/DC转换电路的输出端连接有一恒流电路，所述恒流电路的输出端经均衡开关电路与串联电池组的单节电池两端连接，所述MCU微处理器分别与串联电池组、均衡开关电路和DC/DC转换电路连接。本发明通过在DC/DC转换电路的输出端增加一个恒流电路，保证了均衡电流的恒定，避免了因大电流损坏单体电池的情况；进一步，在MCU微处理器的控制下，实现了串联电池组的双向均衡，在不增加充电时间的基础上，保证了各单体电池不发生过充又都充满的效果，可广泛应用于动力电池的BMS***。

Description

一种动力电池组双向平衡电路

技术领域

本发明涉及动力电池组电池管理***，尤其是一种动力电池组双向平衡电路。

背景技术

由于电动车与不断电***等产品的耗能较大，为避免过高的电流，电池的串并联应用成了普遍的现象。串联锂离子电池组是由2个或者更多个电池串联构成的。在这种结构中，电池电压等于单个电池电压之和。加上负载之后，即在电池组的放电过程中，负载的电流是由串联的所有电池共同提供。如果对电池进行充电，充电器需要向串联的电池组提供充电电流。在这两种情况下，所有电池的放电和充电电流是相同的。在整个生命周期内，电池可能会进行数百次甚至数千次的充放电。此时，各个电池的老化程度会有所不同。有些电池会变得与其它电池有些失配（或者更严重一些）。当电池组的电池之间差异愈加显著，电池组的使用效率就愈差，导致电池组的使用寿命也随之降低。如果这种现象没有得到改善，一个或多个电池可能会欠充电或过充电，这两种现象都会导致电池组所储存的电能浪费或者发生危险。改善这种状况的方法被称为均衡。均衡是强制所有电池具有相同电压的过程，这是通过均衡电路实现的。对于电动车来说，电池均衡的目的就是使得电动车可以从电池中获得最大可用容量。在电池充电的过程中，不均衡的电池可能过早达到充电截止电压而迫使充电器关闭，电池均衡电路通过控制使得所有电池的电压差不多相等时才关闭充电器。

按照电池均衡的功能特点，可以分为充电、放电和动态双向均衡。充电均衡在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作以限制单体电压不高于充电截止电压。与充电均衡类似，放电均衡在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。而双向动态均衡则不论在充电状态、放电装态还是浮置状态，都可以通过能量转换的方式实现组中单体电压的均衡，实时保持相近的SOC（state of charge,荷电状态）。

对动力锂电池组来说，任何小电流均衡或大电流只做充电均衡而放电不均衡，皆无实际使用意义。单向充电均衡功能的确可以使得电池组的充电效率增加并且防止过充，但是对于只进行充电均衡的电池组来说，在放电使用中带来的负面影响使得这种均衡经常得不偿失。只使用充电均衡时，小容量的电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性反而更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高而小容量单体已经过放的情况。当然，只使用放电均衡也有类似情形发生，大容量电池浅充足放，小容量电池过充足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品。只有动态双向均衡集中了两种均衡的优点，尽管单体电池之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。

均衡控制的方案不同，BMS（Battery Management System,电池管理***）复杂程度也不同。被动均衡相对来说电路简单，但是均衡能力也最差，通常会造成不少的能量浪费；主动均衡可以将剩余电能较多的电池的电能转移到能量较少的电池，从而达到电能平衡的目的。现有技术中存在以下技术方案：

现有技术1：

使用电阻分流的被动均衡方式；形式有多样，或者是采用专用集成电路实现，或者是使用分立元件实现；

该技术中由于使用了电阻作为电池的旁路；充电时，减少SOC相对较高的电池的充电电流，放电时增加SOC相对较高的电池的放电电流；好处是可以实现电池包的每一块电池都可以同时充满，同时放完；但这样，并没有提升电池包的实际容量，而是降低了充电效率和放电效率。

现有技术2：

使用电容、电感或者电池，作为电池之间能量转移的载体；

该技术中由于使用了电感和电容，导致了BMS***的体积过大，而且这些高容量的元件，价格很不菲；

使用了额外的电池所谓能量转移的载体，一方面给该电池充放电都会存在额外的损耗；另一方面，对该电池的相对频繁的充放电，该电池的寿命也会缩短，反而影响电池***的使用寿命。

现有技术3：

使用DC/DC模块，能量从整串电池转移到剩余电量最低的电池；

由于均衡电流是通过DC/DC直接输出至单块电池的，所以，有可能会形成瞬间很大的电流，这会影响电池的寿命；

市场上成熟的DC/DC模块，基本上都是恒压输出；如果恒压输出，给锂电池充电时，其充电电流是随着电池的变化而变化的，可以用下面的公式计算：

（其中I_C：充电电流；U_DC：DC/DC模块的输出电压；U_B：电池的电压；R：充电回路的电阻，包括DC/DC的输出电阻、导线电阻以及锂电池的内阻）

由于R很小，而且不同回路的差异可能很大，所以在某些情况，充电电流可能是非常大的；在某些测试中，由于大电流而造成回路上有电子元件被烧坏。为此有必要限定充电电流的大小。

现有技术4：

使用数字运放，当单块电池出现SOC低的时候，自动开启旁路电流源，以减轻该电池的输出功率，从而实现平衡；

数字运放的输出电流很有限，相对的电池均衡效果并不是很理想；另外如果只是用电阻的分压来确定电池均衡的状态，也不够准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的问题，提供一种动力电池双向均衡电路。该双向均衡电路能自动实现动力电池的双向均衡，使电池组在充电时每节电池皆充满而又无过充，在放电时每节电池都放完而又无过放，从而达到提高蓄能容量，延长循环使用寿命的目的。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种动力电池组双向平衡电路，应用于串联电池组，包括一DC/DC转换电路、均衡开关电路、MCU微处理器，所述DC/DC转换电路的输入端与串联电池组的两端连接，所述DC/DC转换电路的输出端连接有一将所述DC/DC转换电路的恒压输出转换为恒流输出的恒流电路，所述恒流电路的输出端经均衡开关电路与串联电池组的单节电池两端连接，所述MCU微处理器分别与串联电池组、均衡开关电路和DC/DC转换电路连接。

进一步作为优选的实施方式，所述均衡开关电路包括多个常开状态的继电器，所述每个继电器的控制端经光电耦合器与MCU微处理器的I/O端口连接。

进一步作为优选的实施方式，所述恒流电路与均衡开关电路之间还设有用于回路检测的检测电路。

进一步作为优选的实施方式，所述DC/DC转换电路为BQ24620芯片。

进一步作为优选的实施方式，所述MCU微处理器包括信号调理电路、AD采样电路、MCU，串联电池组各节电池的电压、电流和温度数据经信号调理电路、AD采样电路输入给MCU，MCU根据电池模型计算各电池的SOC，驱动DC/DC转换电路对相应电池进行均衡处理。

本发明的有益效果是：本发明动力电池双向均衡电路通过在DC/DC转换电路的输出端增加一个恒流电路，实现了均衡电路的恒压输出转换成恒流输出，保证了均衡电流的恒定，避免了因大电流损坏单体电池的情况；进一步，在MCU微处理器的控制下，通过DC/DC转换电路实现了串联电池组的双向均衡，在不增加充电时间的基础上，保证了各单体电池不发生过充又都充满的效果，各节电池之间的误差小于±30mv。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明动力电池双向均衡电路的原理方框图；

图2是本发明动力电池双向均衡电路中MCU微处理器的原理方框图；

图3是本发明动力电池双向均衡电路实施例的电路原理图；

图4是本发明动力电池双向均衡电路实施例的BQ24620芯片的电路原理图。

具体实施方式

参照图1,一种动力电池组双向平衡电路，应用于串联电池组，包括一DC/DC转换电路1、均衡开关电路3、MCU微处理器4，所述DC/DC转换电路1的输入端与串联电池组的两端连接，所述DC/DC转换电路1的输出端连接有一将所述DC/DC转换电路1的恒压输出转换为恒流输出的恒流电路2，所述恒流电路2的输出端经均衡开关电路3与串联电池组的单节电池两端连接，所述MCU微处理器4分别与串联电池组、均衡开关电路3和DC/DC转换电路4连接。

参照图2,所述MCU微处理器4包括信号调理电路、AD采样电路、MCU，串联电池组各节电池的电压、电流和温度数据经信号调理电路、AD采样电路输入给MCU，MCU根据电池模型计算各电池的SOC，驱动DC/DC转换电路1对相应电池进行均衡处理。

本发明动力电池双向均衡电路通过在DC/DC转换电路1之后增加了一将恒压输出转换为恒流输出的恒流电路2，保证了均衡电流的恒定。并且本发明通过将整个串联电池组的两端的剩余电能转移到该串联电池组中单体电池SOC最低的电池上，保证了在不增加充电时间的基础上，各单体电池不发生过充又都充满的效果，各节电池之间的误差小于±30mv。

参照图3,本发明的具体实施例中，均衡开关电路3包括多个常开状态的继电器，所述每个继电器的控制端经光电耦合器与MCU微处理器4的I/O端口连接。由于均衡电路由MCU微处理器控制，串联电池组各电池的电流、电压等模拟数据输入给信号调理电路，经过差分运算、放大器滤波、幅值调整处理后，再经AD采样传送给MCU，MCU根据各电池的电压、电流、温度等参数，结合电池模型，计算出各电池的SOC值，以选择出SOC值低的电池，MCU驱动DC/DC转换电路1和均衡开关电路3，以实现剩余能量向该SOC低的电池的转移。

进一步，一旦均衡电路中有两个继电器同时闭合，平衡回路就会出现短路状况。为了避免此种情况的发生，所述恒流电路2与均衡开关电路3之间还设有用于回路检测的检测电路（参见图3中上方竖着的4个光电耦合器），一旦均衡回路出现短路，检测电路信号有效；每次均衡开启前，都首先检查该信号。

进一步作为优选的实施方式，参照图4,所述DC/DC转换电路1为BQ24620芯片。

BQ24620是一款高集成的芯片，基于开关模式的电池充电，特别的适用于磷酸铁锂电池的应用；

该芯片提供一个恒定频率的的同步PWM控制器，具有高精度的电压和电路校准，充电预测、中断和充电状态监控等功能；

BQ24620对电池充电，有三个阶段：预处理阶段、衡流阶段、和恒压阶段；当充电电流减少到某个小值时，会结束充电；BQ24620有一个内部的的充电计时器，提供了安全支持。

当电池电压跌落至内部阀值是，芯片会自动的重新开始一个充电周期；而当输入电压跌落至电池电压以下，芯片会进入一个低静态电流的睡眠模式。

因此，本发明均衡电路，通过MCU微处理器4控制均衡电路的开启，当需要开启对某块电池的均衡时，MCU微处理器4将该电池对应的均衡开关闭合，使得该电池连接到恒流电路2的输出端，然后MCU微处理器4驱动DC/DC转换电路1，这样均衡电流会增大到设定值，并保持直到MCU微处理器4结束均衡。

当串联电池组处于充电状态时，开启该均衡电路，能有效的增大特定一块电池的充电电流，使其可以比其他电池高功率的充电，以增加其SOC的上升速度；

当串联电池组处于放电状态时，开启该均衡电路，可以减少特定一块电池的放电电流，使其可以比其他电池更低功率的放电，以减少其SOC下降速度。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种动力电池组双向平衡电路，应用于串联电池组，包括一DC/DC转换电路（1）、均衡开关电路（3）、MCU微处理器（4），其特征在于：所述DC/DC转换电路（1）的输入端与串联电池组的两端连接，所述DC/DC转换电路（1）的输出端连接有一将所述DC/DC转换电路（1）的恒压输出转换为恒流输出的恒流电路（2），所述恒流电路（2）的输出端经均衡开关电路（3）与串联电池组的单节电池两端连接，所述MCU微处理器（4）分别与串联电池组、均衡开关电路（3）和DC/DC转换电路（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池组双向平衡电路，其特征在于：所述均衡开关电路（3）包括多个常开状态的继电器，所述每个继电器的控制端经光电耦合器与MCU微处理器（4）的I/O端口连接。

3.根据权利要求2所述的一种动力电池组双向平衡电路，其特征在于：所述恒流电路（2）与均衡开关电路（3）之间还设有用于回路检测的检测电路。

4.根据权利要求1所述的一种动力电池组双向平衡电路，其特征在于：所述DC/DC转换电路（1）为BQ24620芯片。

5.根据权利要求1所述的一种动力电池组双向平衡电路，其特征在于：所述MCU微处理器（4）包括信号调理电路、AD采样电路、MCU，串联电池组各节电池的电压、电流和温度数据经信号调理电路、AD采样电路输入给MCU，MCU根据电池模型计算各电池的SOC，驱动DC/DC转换电路（1）对相应电池进行均衡处理。

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