CN102496979A - 一种极性自动切换的锂离子电池组均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，包括：两母线，采样与均衡分时复用的通道；继电器网络，一端与锂离子电池组的各电池单体连接，另一端与两母线连接，实现对不同电池单体的选通；采样模块，连接于两母线上，扫描采集各电池单体的电压；均衡模块，连接于两母线上，自动进行极性切换以与两母线极性匹配，并且对各电池单体进行均衡充电或均衡放电；计算控制模块，分别与继电器网络、采样模块和均衡模块连接，实时接收并处理来自采样模块的数据，再把处理结果的均衡指令发送给继电器网络和均衡模块。本发明安全可靠、结构简单、成本低廉，易于大规模生产，适用于由电池单体串联而成的电动汽车用锂离子动力电池组的均衡处理。

Description

一种极性自动切换的锂离子电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及动力锂离子电池组的充放电管理装置，特别涉及一种用于电动汽车的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，属于汽车能源技术领域。

背景技术

目前电动汽车的发展是推动节能减排和实现汽车绿色化的重要措施。作为混合动力汽车的关键部件，动力蓄电池对整车的动力性、经济性和安全性都有重大影响，因此，深入研究动力蓄电池管理和均衡技术对于提高混合动力汽车的性能、保证电池的安全运行、延长电池使用寿命等都具有重要的理论意义和工程应用价值。电池单体的电压与容量都有限，所以混合动力汽车的动力电池一般采用若干单体电池串联而成。由于制造误差等因素的存在，使得各单体电池之间必然存在内阻、端电压、容量等参数的差异；而在使用过程中各单体电池之间的通风散热差异、电能化学能的转换差异以及电池的过充电、过放电更进一步加剧了各单体电池之间的不一致性。为了解决这种不一致对电池组整体功能的影响，在电池组的使用过程中就需要采用电池均衡技术措施。电池均衡方法一般分为以下两种：

传统的被动平衡法——在电池管理***中，每个电池单元都通过一个开关连接到一个负载电阻上，这种电路可以对个别被选中的电池单元被动放电。但该方法只适用于在充电模式下抑制个别电池单元的电压攀升，且放电只能在该单体电池电压达到某固定的限制值时才能进行被动的开启。此类电路虽然简单易于实现，但为了限制功耗，一般只允许以100mA左右的小电流进行放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时，而且由于均衡是将高电压单体电池的能量通过电阻释放，因此能量损失很大。

主动平衡法——相关资料介绍过很多种主动平衡法，它们均需要一个用于转移能量的存储元件。如果用电容来做存储元件，将其与所有电池单元相连就需要一个庞大的开关阵列；若将能量存储在一个磁场中，则该电路中的关键元件是一个变压器，但是电磁能的转化总是不能够像理论那样完全，电磁的各种损耗是非常大的，而且其存在电路复杂、可靠性低的缺陷；至于使用电阻放电结合电源充电的主动均衡电路，因为在均衡充电时极性必须根据电池单体的不同需要进行切换，所以一旦设计不当，会造成电路过于复杂、安全性差的不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述现有技术中的不足，提供一种安全可靠、结构简单、成本低廉、便于大规模生产的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其通过硬件实现均衡充电电源的极性与母线极性的相应自动切换，克服单纯依靠软件控制时，软件跑飞所带来的安全隐患，保证电路的正常安全工作，从而实现根据电池组的电压情况并结合电池的荷电状态进行主动充电或放电均衡，达到电动汽车电池组性能一致的目的。

本发明是通过以下技术方案来解决其技术问题的：

一种极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，包括：

两母线，采样与均衡分时复用的通道；

继电器网络，一端与锂离子电池组的各电池单体连接，另一端与两母线连接，实现对不同电池单体的选通；

采样模块，连接于两母线上，扫描采集各电池单体的电压；

均衡模块，连接于两母线上，自动进行极性切换以与两母线极性匹配，并且对各电池单体进行均衡充电或均衡放电；

计算控制模块，分别与继电器网络、采样模块和均衡模块连接，实时接收并处理来自采样模块的数据，再把处理结果的均衡指令发送给继电器网络和均衡模块。

本发明所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其均衡模块包括均衡充电电源、均衡放电电阻和均衡用继电器网络，该均衡用继电器网络由若干通道开关组成，其分别连接均衡充电电源、均衡放电电阻和两母线，该两母线之间反向地并联有两二极管和电阻，所述若干通道开关由分别连接于两电平端的控制线圈控制，该两电平端的电平分别由连接于计算控制模块电平输出端且受两二极管控制导通的两线圈控制；所述继电器网络由若干继电器开关组成；所述计算控制模块为单片机。

本发明与现有电池均衡电路不同，采用了均衡用继电器网络，因而可以在硬件上实现均衡模块极性与母线极性自动地相应切换以保持匹配，从而保证电路的正常安全工作；克服了单纯依靠软件控制时，软件跑飞所带来的安全隐患，因为如果仅仅依靠单片机由软件控制继电器通道的闭合，则会可能出现软件跑飞情况，导致母线极性与均衡充电电源极性不符，造成电池单体均衡电路闭合成通路而不能充电，使电池单体短路或电池单体与均衡电源串联短路，从而引起电池单体或器件烧毁而产生安全隐患；实现了根据电池组的电压情况并结合电池的荷电状态进行主动的充电或放电均衡。所述极性自动切换的锂离子电池组均衡电路安全可靠、结构简单、成本低廉，易于大规模生产，适用于由电池单体串联而成的电动汽车用锂离子动力电池组的均衡处理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明继电器网络的示意图。

图3为本发明均衡模块的结构示意图。

图4为本发明均衡用继电器网络的结构示意图。

图5为本发明均衡用继电器网络控制原理图之一。

图6为本发明均衡用继电器网络控制原理图之二。

图7为本发明均衡用继电器网络控制原理图之三。

具体实施方式

为了更好地说明此发明，下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍和说明，但不局限于此。

请参阅图1，本发明所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路包括两母线、继电器网络、采样模块、均衡模块和计算控制模块。

所述两母线包括母线a和母线b，其为采样与均衡分时复用的通道，具有不同的极性，该两母线分别与继电器网络、采样模块和均衡模块相连接。

所述继电器网络用以实现对不同电池单体的选通，请参阅图2，其由若干继电器开关S1、S2、S3、S4、......Sn组成，它们的一端与锂离子电池组的各电池单体连接，另一端与两母线a和b连接。

所述采样模块用以扫描采集各电池单体的电压，其连接于两母线上。

所述均衡模块能够自动进行极性切换以与两母线a和b的极性匹配，并且对各电池单体进行均衡充电或均衡放电。该均衡模块连接于两母线a和b上，请参阅图3，其包括均衡充电电源、均衡放电电阻和均衡用继电器网络。请参阅图4，所述均衡用继电器网络由若干通道开关K1、K2、K3、K4、K5......Kn组成，其分别连接均衡充电电源、均衡放电电阻和两母线a和b。再请参阅图5，所述若干通道开关K1、K2、K3、K4、K5......Kn由分别连接于两电平端SC1和SC2的控制线圈控制，从而如图中，SC1端电平控制通道开关K1、K2的通断，SC2端电平控制通道开关K3、K4的通断。再请参阅图6，所述两母线a和b之间反向地并联有两二极管D1、D2和两电阻。请参阅图7，所述两电平端SC1和SC2分别通过线圈L1和L2与计算控制模块的电平输出端P相连接，而两线圈L1和L2受两二极管D1和D2控制导通，即控制线圈L1的通断受图6中二极管D1所在支路的通断的控制，线圈L2的通断受二极管D2所在支路的通断的控制，从而两电平端SC1和SC2的电平分别受两二极管D1和D2的通断的控制。简言之，所述均衡用继电器网络的控制原理为，两二极管D1和D2的通断控制两线圈L1和L2的通断，两线圈L1和L2的通断决定了两电平端SC1和SC2电平的高低，继而通过控制线圈控制通道开关K1、K2、K3、K4、K5......Kn的通断，从而实现均衡模块极性与母线极性的自动匹配变换。

所述计算控制模块分别与继电器网络、采样模块和均衡模块连接，其实时接收并处理来自采样模块的数据，再把处理结果的均衡指令发送给继电器网络和均衡模块。所述计算控制模块可以为单片机。

下面举例说明均衡模块通过图6和图7所示控制电路实现其极性与母线极性自动相应变换的方式。例如奇数序号的第3号电池单体需要充电均衡，此时母线极性为母线a高，母线b低；如图6和图7所示，二极管D2所在通道通电，从而线圈L2导电，而P端由单片机控制输出+5V高电平，所以SC1为高电平，SC2为低电平；由图4和图5可知，均衡继电器网络选取充电通道，即闭合通道开关K1、K2，断开通道开关K3、K4、K5，实现了均衡模块极性与母线极性相符。相应地，如果偶数号的电池单体需要均衡充电，则极性为母线a低，母线b高，二极管D1所在通道通电，从而线圈L1导电，P端同样是+5V高电平，所以SC1为低电平，SC2为高电平，则通道开关K3、K4闭合，通道开关K1、K2断开，实现了均衡模块极性与母线极性相符。

下面以一具体实施例介绍本发明的工作方式。

如图1所示，所述极性自动切换的锂离子电池组均衡电路对一组90节电池单体串联而成的动力电池组进行均衡管理，该90节电池单体分成6个相同的组，每组15个电池单体。由于6组是完全一样的，所以就只就其中一组进行介绍，一组电池组所需的继电器网络共需要16个通道。本实施例中，均衡电路的工作在一个周期内可分为三个阶段。

第一阶段是扫描采样阶段，通过控制模块使图2所示继电器网络的继电器开关S1、S2通道闭合，选通第1号电池单体，第1号电池单体即通过继电器网络与两母线连通，两母线与采样模块、均衡模块是连通的，但该两模块不同时使能，在此阶段采样模块使能，采集第1号电池单体电压，并转换成数字信号后送往计算控制模块，然后断开继电器开关S1、S2通道，再闭合继电器开关S2、S3通道，选通第2号电池单体，对第2号电池单体采样，如此依次采样直到第15号电池单体。15个电池单体采样完成后，计算控制模块将15个电池单体的电压数据打包，至此第一个阶段完成。

第二阶段是计算控制模块进行数据处理，根据设定的电压均衡阀值，计算出是否需要均衡、对哪个电池单体进行均衡、均衡时间等均衡指令信息。

第三阶段是均衡阶段，计算控制模块根据得到的处理结果，将均衡指令发送给继电器网络和均衡模块，如果不需要均衡则直接跳过该阶段或该阶段不做任何动作，如果需要均衡，则计算控制模块控制继电器网络选取通道，使需要均衡处理的电池单体与两母线连通，同时均衡模块使能，依据接收到的均衡指令对该电池单体进行均衡动作。

如果电池单体需要均衡放电，则通道开关K5闭合，接通放电电阻进行放电。具体过程如下：图7所示P端输出低电平，则SC1和SC2端均为低电平，所以通道开关K1、K2、K3、K4均断开，同时计算控制模块控制通道开关K5闭合，实现了均衡放电。

上述均衡过程中，具体的均衡时间与电池容量、电池品质等因素有关，在计算控制模块的程序中进行设定。均衡电流大小计算如下：均衡充电时，电流I＝(V-Vb)/2r，均衡充电电源电压V＝5伏特，电池单体电压Vb取3V计算，上述实施例中选取的继电器r＝10欧姆，则均衡充电电流I＝100毫安；当均衡放电时，电流I＝Vb/(2r+R)，电池单体电压Vb取3.6伏特计算，继电器电阻r依然是10欧姆，均衡放电电阻选取10欧姆，则放电电流I＝120毫安。两种情况均衡电流大小均非常合理。

这样三个阶段周期运行，实现对电池组的动态均衡，并且可以在算法上结合电池的荷电状态采用多种不同的充放电方案。经试验证明本发明所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路有着较好的均衡效果。

Claims (4)

1.一种极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其特征在于：所述均衡电路包括：

两母线，采样与均衡分时复用的通道；

继电器网络，一端与锂离子电池组的各电池单体连接，另一端与两母线连接，实现对不同电池单体的选通；

采样模块，连接于两母线上，扫描采集各电池单体的电压；

均衡模块，连接于两母线上，自动进行极性切换以与两母线极性匹配，并且对各电池单体进行均衡充电或均衡放电；

计算控制模块，分别与继电器网络、采样模块和均衡模块连接，实时接收并处理来自采样模块的数据，再把处理结果的均衡指令发送给继电器网络和均衡模块。

2.根据权利要求1所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其特征在于：所述均衡模块包括均衡充电电源、均衡放电电阻和均衡用继电器网络，该均衡用继电器网络由若干通道开关组成，其分别连接均衡充电电源、均衡放电电阻和两母线，该两母线之间反向地并联有两二极管和电阻，所述若干通道开关由分别连接于两电平端的控制线圈控制，该两电平端的电平分别由连接于计算控制模块电平输出端且受两二极管控制导通的两线圈控制。

3.根据权利要求1或2所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其特征在于：所述继电器网络由若干继电器开关组成。

4.根据权利要求1或2所述的极性自动切换的锂离子电池组均衡电路，其特征在于：所述计算控制模块为单片机。

Images