CN103199589A - 一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法 - Google Patents

Abstract

一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法，属于锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法领域，本发明为解决现有锂离子电池组中串联的各电池单体之间不均衡导致的电池组整体寿命低，现有的普通双向均衡器均衡时间长的问题。本发明所述的锂离子电池组分为2N个三单体电池模块，每个三单体电池模块由相邻的三节锂离子电池组成，它还包括2N个三单体均衡子模块、均衡主模块、开关网络、N个集成电压采集电路、微控制器、第一能量传输总线、第二能量传输总线、第三能量传输总线和第四能量传输总线，开关网络包括2N+1个开关M1至M2N+1，所述三单体电池模块与三单体均衡子模块一一对应设置；本发明适用于串联动力电池组中。

Description

一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法。

背景技术

串联动力电池组由许多电池单体经过串联或者并联组成。由于电池单体的制作工艺差异，可能导致电池单体间内阻存在不一致，同时，受温度和老化的影响也可能存在差异。在经过一段时间的循环充放电后会出现单体之间的不均衡。如果继续使用，容易造成电池组内容量偏低的单体经历过充电和过放电现象，长时间工作在这种状态，容量偏低电池寿命缩短，最终成为电池组的负载，发热量增加，进而影响整个串联电池组的使用寿命和安全性。

发明内容

本发明目的是为了解决现有锂离子电池组中串联的各电池单体之间不均衡导致的电池组整体寿命低的问题，同时也为了解决现有的普通双向均衡器均衡时间长的问题，提供了一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法。

本发明所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，它包括锂离子电池组，所述锂离子电池组由6N节锂离子电池串联构成，N为大于或等于3的正整数，锂离子电池组分为2N个三单体电池模块，每个三单体电池模块由相邻的三节锂离子电池组成，锂离子电池组模块化快速均衡电路还包括2N个三单体均衡子模块、均衡主模块、开关网络、N个集成电压采集电路、微控制器、第一能量传输总线、第二能量传输总线、第三能量传输总线和第四能量传输总线，开关网络包括2N+1个开关M₁至M_2N+1，所述2N个三单体电池模块与2N个三单体均衡子模块一一对应设置；

2N个三单体电池模块分成N组电池模块，每组电池模块包括两个三单体电池模块，每个集成电压采集电路采集一组电池模块的端电压，并将采集的端电压发送给微控制器；

第2N个三单体均衡子模块的一端与均衡主模块的第一端口连接于节点a，第1个三单体均衡子模块的一端与均衡主模块的第二端口连接于节点f，均衡主模块的第三端口通过第一能量传输总线连接于接口b，均衡主模块的第四端口通过第二能量传输总线连接于节点c，均衡主模块的第五端口通过第四能量传输总线连接于节点d，均衡主模块的第六端口通过第三能量传输总线连接于连接口e；

微控制器内部集成有A/D转换器、SPI总线模块和CAN总线模块，微控制器通过SPI总线向集成电压采集电路发送指令并接收电压采集结果，微控制器控制三单体均衡子模块和均衡主模块的启动和停止，微控制器控制开关网络中M₁至M_2N+1开关的接通和断开；

2N个三单体电池模块串联形成2N-1个中间连接点，以临近锂离子电池组正极端的中间连接点为第1中间连接点，第1、2、3……N个中间连接点中奇数序号的中间连接点通过开关网络中的开关和第一能量传输总线与连接口b连接，偶数序号的中间连接点通过开关网络中的开关和第二能量传输总线与连接口c连接；第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的奇数序号的中间连接点通过开关网络中的开关和第四能量传输总线与连接口d连接，第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的偶数序号的中间连接点通过开关网络中的开关和第三能量传输总线与连接口e连接。

本发明所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路的均衡方法为，工作过程为：

步骤1、计算各电池单体的SOC初值：将电池组中的电池单体长时间静置，所述长时间为大于5小时，根据静置时，电池单体的开路电压同SOC的关系曲线估算出各电池单体初始SOC，即为SOC初值；如果电池单体处于充电或者放电状态，则利用微控制器采集充电或者放电电流，根据充放电时间和初始SOC计算各电池单体的当前SOC；

步骤2、三单体电池模块的内部均衡，获取每个三单体电池模块的SOC：首先根据步骤1得到的各电池单体SOC初值计算三节电池单体的平均SOC，如果单体SOC初值和三单体电池模块的平均SOC之间的差超过5%则认为需要继续均衡；均衡过程中霍尔电流采集电路实时获得三单体均衡子模块原边绕组和第一副边绕组、第二副边绕组、第三副边绕组的电流，并结合均衡时间实时计算单体SOC，当各单体SOC和三单体电池模块的平均SOC差低于5%时，三单体电池模块内部均衡结束；多个三单体电池模块同时进行均衡操作，三单体模块均衡的时间为三单体模块中耗时最大的一组；

步骤3、将步骤2获得的每个三单体电池模块的SOC进行比较，获取最大值和最小值，最终均衡后的SOC在最小SOC和最大SOC之间，将其间的每一个SOC作为一个目标SOC；

步骤4、构建一个矩阵，以锂离子电池组内电池的数目作为列，行的元素代表第N节电池经历的充放电过程，充电用1表示，放电用-1表示；根据构建的矩阵以及霍尔电流传感器采集的原边绕组和第一副边绕组、第二副边绕组、第三副边绕组的均衡电流，列写电池单体的均衡方程，均衡方程以各电池单体的均衡时间为未知数；

式（1）中I_N表示第N个三单体电池进行充电或者放电的电流，C_N表示电池额定容量，I_d表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池放电电流，I_c表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池充电电流，n1表示除第N个三单体电池外产生充电电流的电池数目，n2表示除第N个三单体电池外产生放电电流的电池数目，SOC_N表示第N节电池的SOC，SOC_终表示步骤3中所述的目标SOC，即均衡结束后达到的SOC；

步骤5、根据步骤4列写的矩阵，根据其中一行的充放电组合，配合获得的均衡电流，列写出每个三单体电池SOC方程，如公式（1）；每个三单体电池模块列写出一个方程，得到N个方程，其中包含N个关于均衡时间的未知数，求解方程获取方程的唯一解后，检验每节电池达到当前目标SOC时需要的时间，如果均衡时间有负数，则进行下一组方程的求解，如果结果都为正数，则记录为一组可行解；重复该步骤获得其他行对应的充放电组合下的所有可行解；记录每种可行解所对应的最终SOC，更新目标SOC并返回步骤4；

步骤6、当步骤5获得的目标SOC达到最大SOC时，筛选可行解结束；从所有可行解中选取所需均衡时间最少的一组作为最优方案，提取该方案中各节电池经历的充放电过程和对应时间；所述的所需均衡时间为各三单体电池模块均衡时间之和；

步骤7、将步骤6获得的方案首先分别对SOC最低和最高三单体电池模块进行均衡，然后是次低和次高SOC单体，直到所有三单体电池模块都完成均衡操作，该均衡电路的均衡结束。

本发明的优点：所述均衡电路分为子模块均衡和主模块均衡，子模块可以多个同时进行均衡操作，节省均衡时间；主模块均衡以最终均衡时间最短为最终目的，选择最节省时间的均衡策略。采用两个N沟道的MOSFET构成的双向开关，能够避免传统磁电式继电器在震动环境下造成的误动作，同时MOSFET自身导通阻抗低，减少开关网络带来的热损耗，有助于提升整体均衡效率。

附图说明

图1和图2是本发明所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路的电路结构示意图；

图3是本发明所述三单体均衡子模块的电路示意图；

图4是本发明所述开关网络中的双向MOSFET开关结构示意图；

图5是本发明所述集成电压采集电路结构示意图；

图6是本发明所述霍尔电流传感器结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，它包括锂离子电池组10，所述锂离子电池组10由6N节锂离子电池串联构成，N为大于或等于3的正整数，锂离子电池组10分为2N个三单体电池模块，每个三单体电池模块由相邻的三节锂离子电池组成，锂离子电池组模块化快速均衡电路还包括2N个三单体均衡子模块1、均衡主模块2、开关网络3、N个集成电压采集电路4、微控制器6、第一能量传输总线18、第二能量传输总线19、第三能量传输总线20和第四能量传输总线21，开关网络3包括2N+1个开关M₁至M_2N+1，所述2N个三单体电池模块与2N个三单体均衡子模块1一一对应设置；

2N个三单体电池模块分成N组电池模块，每组电池模块包括两个三单体电池模块，每个集成电压采集电路4采集一组电池模块的端电压，并将采集的端电压发送给微控制器6；

第2N个三单体均衡子模块1的一端与均衡主模块2的第一端口连接于节点a，第1个三单体均衡子模块1的一端与均衡主模块2的第二端口连接于节点f，均衡主模块2的第三端口通过第一能量传输总线18连接于接口b，均衡主模块2的第四端口通过第二能量传输总线19连接于节点c，均衡主模块2的第五端口通过第四能量传输总线21连接于节点d，均衡主模块2的第六端口通过第三能量传输总线20连接于连接口e；

微控制器6内部集成有A/D转换器、SPI总线模块和CAN总线模块，微控制器6通过SPI总线向集成电压采集电路4发送指令并接收电压采集结果，微控制器6控制三单体均衡子模块1和均衡主模块2的启动和停止，微控制器6控制开关网络3中M₁至M_2N+1开关的接通和断开；

2N个三单体电池模块串联形成2N-1个中间连接点，以临近锂离子电池组10正极端的中间连接点为第1中间连接点，第1、2、3……N个中间连接点中奇数序号的中间连接点通过开关网络3中的开关和第一能量传输总线18与连接口b连接，偶数序号的中间连接点通过开关网络3中的开关和第二能量传输总线19与连接口c连接；第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的奇数序号的中间连接点通过开关网络3中的开关和第四能量传输总线21与连接口d连接，第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的偶数序号的中间连接点通过开关网络3中的开关和第三能量传输总线20与连接口e连接。

具体实施方式二：下面结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述三单体均衡子模块1包括4个霍尔电流采集电路、4个自恢复保护电路和1个双向DC/DC变换器8，双向DC/DC变换器8包括1个原边绕组25、3个副边绕组、4个RCD吸收电路9和7个NMOS开关管，每个RCD吸收电路9包括1个电阻Rm、1个电容Cm和1个二极管Dm，7个NMOS开关管中有4个Sm开关管和3个Sw开关管；

每个三单体电池模块中的三个单体电池Bm-1、Bm-2、Bm-3串联后形成正极端、负极端和两个中间连接点，所述正极端通过一个自恢复保护电路同时与双向DC/DC变换器8的第一副边绕组26的同名端、原边绕组25的异名端连接，采用第一霍尔电流采集电路采集所述正极端输出的电流值；采用第二霍尔电流采集电路采集双向DC/DC变换器8的第一副边绕组26的同名端与原边绕组25的异名端之间的电流值；所述三单体电池模块的两个中间连接点分别通过一个自恢复保护电路与双向DC/DC变换器8的第二副边绕组27的同名端、第三副边绕组28的同名端连接，采用第三霍尔电流采集电路采集一个中间连接点与第二副边绕组27的同名端之间的电流值，采用第四霍尔电流采集电路采集另一个中间连接点与第三副边绕组28的同名端之间的电流值；三单体电池模块的负极端通过一个自恢复保护电路与第四Sw开关管Sw-4的源极相连接；

第一副边绕组26的同名端同时与第二RCD吸收电路9中的电阻Rm-2的一端和电容Cm-2的一端相连接，第一副边绕组26的异名端与第二RCD吸收电路9中的二极管Dm-2的阳极相连接，第二RCD吸收电路9中的二极管Dm-2的阴极同时与第二RCD吸收电路9中的电阻Rm-2的另一端和电容Cm-2的另一端相连接；

第一副边绕组26异名端连接第二Sm开关管Sm-2的源极，第二Sm开关管Sm-2的漏极连接第二Sw开关管Sw-2的漏极，第二Sw开关管Sw-2的源极与第二副边绕组27的同名端相连接，第二副边绕组27的同名端同时与第三RCD吸收电路9中的电阻Rm-3的一端和电容Cm-3的一端相连接，第二副边绕组27的异名端与第三RCD吸收电路9中的二极管Dm-3的阳极相连接，第三RCD吸收电路9中的二极管Dm-3的阴极同时与第三RCD吸收电路9中的电阻Rm-3的另一端和电容Cm-3的另一端相连接；

第二副边绕组27异名端连接第三Sm开关管Sm-3的源极，第三Sm开关管Sm-3的漏极连接第三Sw开关管Sw-3的漏极，第三Sw开关管Sw-3的源极与第三副边绕组28的同名端相连接，第三副边绕组28的同名端同时与第四RCD吸收电路9中的电阻Rm-4的一端和电容Cm-4的一端相连接，第三副边绕组28的异名端与第四RCD吸收电路9中的二极管Dm-4的阳极相连接，第四RCD吸收电路9中的二极管Dm-4的阴极同时与第四RCD吸收电路9中的电阻Rm-4的另一端和电容Cm-4的另一端相连接；

第三副边绕组28异名端连接第四Sm开关管Sm-4的源极，第四Sm开关管Sm-4的漏极连接第四Sw开关管Sw-4的漏极；

原边绕组25的异名端同时连接第一RCD吸收电路9中的电阻Rm-1的一端和电容Cm-1的一端，原边绕组25的同名端连接第一RCD吸收电路9中的二极管Dm-1的阳极，第一RCD吸收电路9中的二极管Dm-1的阴极同时与第一RCD吸收电路9中的电阻Rm-1的另一端和电容Cm-1的另一端相连接，原边绕组25的同名端同时连接第一Sm开关管Sm-1的源极，第一Sm开关管Sm-1的漏极同时与第四Sm开关管Sm-4的漏极和第四Sw开关管Sw-4的漏极相连接；

第2N个三单体均衡子模块1的自恢复保护电路F_2N-4的一端与锂离子电池组10的正极相连接，第1个三单体均衡子模块1自恢复保护电路F₁-1的一端与锂离子电池组10的负极相连接，第2N个三单体均衡子模块1的霍尔电流采集电路I_2N-1的一端a与均衡主模块2的原边绕组的异名端a相连接，第1个三单体均衡子模块1的自恢复保护电路F₁-1的一端f与均衡主模块2的第一NMOS开关管S1的漏极f相连接。

本实施方式中，所述三单体均衡子模块1的工作原理为：所述三单体均衡子模块1基于隔离双向反激变换器，隔离双向反激变换器可以实现能量从三节电池整体到其中任意一个单体的传递，也可以实现从三单体电池模块中的任意一节电池向电池模块整体的能量传递。

所述三单体均衡子模块1采用三副边绕组的结构，每个副边绕组与一个电池单体并联，当原边的开关管保持关断时，副边Sw开关管导通后，Sm开关管以一定频率和占空比工作，能量将从单体传递到模块。

以Bm-3向三单体电池模块传递能量为例，Sm-1、Sm-3、Sm-4保持关断状态，Sw-2保持导通，Sm-2以一定频率和占空比导通和关断，当Sm-2导通时电流从Bm-3正极经过第一副边绕组和Sm-2以及Sw-2流向Bm-3负极，原边绕组同名端为正，通过Dm-1给电容Cm-1充电，电容经Rm-1放电。当Sm-2关断时第一副边绕组通过Dm-2，Rm-2，Cm-2吸收原边绕组漏感尖峰，原边绕组同名端为负，电流通过Sm-1的体二极管给三单体电池模块充电。第一副边绕组Sw-2保持导通，Sm开关管Sm-2持续关断时，原边Sm开关管以一定频率和占空比工作，能量将从模块向单体传递。

以三单体电池模块向Bm-3传递能量为例，Sm-2、Sm-3、Sm-4保持关断状态，Sw-2持续导通，Sm-1以一定频率和占空比导通和关断，当Sm-1导通时电流从三单体电池模块正极流经原边绕组和Sm-1到达三单体电池模块负极，在此过程中第一副边绕组同名端为负，给电容Cm-2充电，同时经Rm-2放电。当Sm-1关断时原边绕组通过Dm-1，Rm-1，Cm-1吸收原边绕组25漏感尖峰，第一副边绕组同名端为正，电流通过Sm-2的体二极管和Sw-2给Bm-3单体充电。

在上述两方向的均衡过程中霍尔电流传感器Is-1和Is-2都实时采集均衡电流信息。MOSFET的驱动信号来自集成驱动控制芯片，通过电流反馈使均衡电流恒定。

所述多副边设计可以省去模块内的开关切换，同时隔离双向变换器使能量流动更加灵活，节约硬件资源。在三单体均衡模块中为了保证安全性还加入了自恢复保险丝，当出现过流故障时，保险丝呈现高阻状态防止对电池及其他电路的危害，当故障解除时，自恢复保险丝又恢复正常，导通阻抗可忽略不计。该均衡模块还配有集成霍尔电流传感器，可以监测流经霍尔电流传感器的电流方向和大小，无论是哪个方向的能量传递，都可以利用霍尔电流传感器获得原边和副边的电流信息。

具体实施方式三：下面结合图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式二的进一步说明，所述霍尔电流采集电路采用集成霍尔电流传感器29，用于采集三单体均衡子模块1中原边绕组25和副边绕组的电流幅值和电流方向，霍尔电流传感器29包括电流传感电路30、放大电路31和滤波电路32，电流通过电流传感电路30输入到放大电路31，放大后的电流信号再经过滤波电路32，经过滤波后的电流信号通过A/D转换接口输入微控制器6中。

本实施方式中，所述集成霍尔电流传感器29能够采集双向电流，根据不同的电压判断电流的方向和幅值。

本实施方式中，所述霍尔电流采集电路的工作原理为：霍尔电流采集电路设置在三单体均衡子模块的原边和副边，用来采集三单体均衡子模块内原边和副边的电流和方向。能够采集双向电流，根据电压的不同就可以判断电流的方向和幅值。流经传感器的电流经过霍尔电流传感器磁电转换后经过芯片内部的放大和滤波操作形成0-5V的线性电压信号，电流越大对应电压越大。电压信号接入微控制器的A/D转换器，微控制器根据电压大小参照传感器电流电压对应关系获得均衡过程中的电流信息。微控制器6将霍尔电流采集电路采集得到的电压信号进行A/D转换并获得电流信息。

具体实施方式四：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述均衡主模块2包括1个原边绕组22、2个副边绕组、3个RCD吸收电路9和3个NMOS开关管；

原边绕组22的异名端同时与第一RCD吸收电路9的电容C1的一端和电阻R1的一端相连接，原边绕组22的同名端同时与第一RCD吸收电路9的二极管D1的阳极和第一NMOS开关管S1的源极相连接，第一RCD吸收电路9的二极管D1的阴极同时与第一RCD吸收电路9的电容C1的另一端和第一RCD吸收电路9的电阻R1的另一端相连接；

第一副边绕组23的同名端同时连接第二RCD吸收电路9的电阻R2的一端和电容C2的一端，第一副边绕组23的异名端同时连接第二RCD吸收电路9的二极管D2的阳极和第二NMOS开关管S2的源极，第二RCD吸收电路9的二极管D2的阴极同时连接第二RCD吸收电路9的电阻R2的另一端和第二RCD吸收电路9的电容C2的另一端；

第二副边绕组24的同名端同时连接第三RCD吸收电路9的电阻R3的一端和电容C的一端，第一副边绕组23的异名端同时连接第三RCD吸收电路9的二极管D3的阳极和第三NMOS开关管S3的源极，第三RCD吸收电路9的二极管D3的阴极同时连接第三RCD吸收电路9的电阻R3的另一端和第三RCD吸收电路9的电容C3的另一端，微控制器6控制均衡主模块2的启动和停止。

本实施方式中，所述均衡主模块2的工作原理为：均衡主模块2利用隔离双向变换器实现电池包整体同各个三单体电池模块之间的能量双向传递。其结构采用带有一个原边绕组和两个副边绕组的隔离双向反激变换器，也可以是隔离双向正激变换器、隔离双向半桥变换器、隔离双向全桥变换器，原边绕组与电池包正负极相连，两个副边绕组分别与两组总线相连，第一副边绕组接第一能量传输总线18和第二能量传输总线19，第二副边绕组接第三能量传输总线20和第四能量传输总线21。原边和副边都有RCD吸收电路。原边和副边的开关管驱动控制信号来自各自的集成PWM驱动控制器，其启动和停止受微控制器控制。通过采样电阻对均衡电流进行采样，返回信息给控制器调节PWM信号占空比从而实现恒流输出。利用N+1个双N沟道MOSFET构成的开关网络实现三单体电池模块的切换，N为三单体模块数，三单体电池模块通过开关网络与两组总线相连，两组总线分别为第一能量传输总线18、第二能量传输总线19和第三能量传输总线20、第四能量传输总线21，利用开关网络选择需要进行均衡操作的三单体电池模块。

均衡主模块2的原边与电池包相连，两个副边绕组分别与第一能量传输总线18、第二能量传输总线19和第三能量传输总线20、第四能量传输总线21相连。其中第一能量传输总线18、第二能量传输总线19为偶数号三单体电池模块总线，电池正极与第一能量传输总线18相连，电池负极与第二能量传输总线19相连。第三能量传输总线20、第四能量传输总线21为奇数号三单体电池模块总线，电池正极与第四能量传输总线21相连，电池负极与第三能量传输总线20相连。开关网络在本发明中得到了简化，连接三单体电池模块和主均衡电路的开关数量仅为三单体电池模块数+1。开关由图4中所示的双MOSFET构成，可以实现电流的双向流动。当三单体电池模块与电池包传递能量时，根据三单体电池模块的编号奇偶性来选择与哪一组总线相连。当编号为偶数时，微控制器发出控制信号使相应的开关导通，将三单体电池正极与第一能量传输总线18相连，负极与第二能量传输总线19相连。当编号为奇数时，微控制器发出控制信号使相应的开关导通，将三单体电池正极与第四能量传输总线21相连，负极与第三能量传输总线20相连。当能量从三单体电池模块向电池包流动时，偶数号三单体电池模块接入，S1、S3保持关断状态，S2以一定频率和占空比导通和关断，当S2导通时电流从三单体电池模块正极通过总线流经第一副边绕组23和S2到达三单体电池模块负极，在此过程中原边绕组22同名端为正，经过D1给电容C1充电，同时经R1放电。当S2关断时第一副边绕组23通过D2，R2，C2吸收漏感尖峰，原边绕组22同名端为负，电流通过电池包和S1的体二极管给电池包充电。奇数号三单体电池模块接入，S1、S2保持关断状态，S3以一定频率和占空比导通和关断，当S3导通时电流从三单体电池模块正极通过总线流经第二副边绕组24和S3到达三单体电池模块负极，在此过程中原边绕组22同名端为正，经过D1给电容C1充电，同时经R1放电。当S3关断时第二副边绕组24通过D3，R3，C3吸收漏感尖峰，原边绕组22同名端为负，电流通过电池包和S1的体二极管给电池包充电。当能量从电池包向三单体电池模块流动时，偶数号三单体电池模块接入，S2、S3保持关断状态，S1以一定频率和占空比导通和关断，当S1导通时电流从电池包正极通过原边绕组22和S1到达负极，在此过程中第一副边绕组23同名端为负，经过D2给电容C2充电，同时经R2放电。当S1关断时原边绕组22通过D1，R1，C1吸收漏感尖峰，第一副边绕组23第一副边绕组23同名端为正，电流通过S2的体二极管给三单体电池模块充电。奇数号三单体电池模块接入，S2、S3保持关断状态，S1以一定频率和占空比导通和关断，当S1导通时电流从电池包正极通过原边绕组22和S1到达负极，在此过程中第二副边绕组24第二副边绕组24同名端为负，经过D3给电容C3充电，同时经R3放电。当S1关断时原边绕组22通过D1，R1，C1吸收漏感尖峰，第二副边绕组24同名端为正，电流通过S3的体二极管给三单体电池模块充电。在上述两方向的均衡过程中都可以利用三单体均衡模块内的霍尔电流传感器I_2N-1和I_2N-2经过计算获得均衡过程中的电流信息。当能量从三单体电池模块到电池包时，I_2N-2为三单体电池模块放电电流，（I_2N-2）-（I_2N-1）为变压器原边电流。当能量从到电池包到三单体电池模块时，I2N-2为三单体电池模块充电电流，（I_2N-2）-（I_2N-1）为变压器原边电流。原边和副边绕组MOSFET的驱动信号来自各自的集成驱动控制芯片，通过电流反馈使均衡电流恒定。

具体实施方式五：下面结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述开关网络3中的每个开关是由两个N沟道的MOSFET构成的双向开关，它包括第一N沟道MOSFET13、第二N沟道MOSFET14和光电耦合器12，光电耦合器12中的发光二极管的阳极经过限流电阻R1后接电源VCC1，发光二极管的阴极接地GND1，光电耦合器12中的光敏三极管的集电极经过电阻R2接电源VCC2，光敏三极管的发射极同时连接第一N沟道MOSFET13的栅极和第二N沟道MOSFET14的栅极，第一N沟道MOSFET13和第二N沟道MOSFET14的漏极同时接地GND2，第一N沟道MOSFET13和第二N沟道MOSFET14的控制信号来自微控制器6。

本实施方式中，所述开关网络3的工作原理为：开关网络3中的开关是由两个N沟道的MOSFET构成的双向开关，每个三单体电池模块的正极和负极都采用这样的开关与总线相连，MOSFET的控制信号来自微控制器，经过光电耦合器进行驱动，利用总线将目标三单体电池模块与主均衡模块的相应绕组相连。

具体实施方式六：下面结合图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述集成电压采集电路4包括切换开关15、A/D转换器16和缓存模块17，切换开关15的信号输出端连接A/D转换器16的信号输入端，A/D转换器16的信号输出端连接缓存模块17的信号输入端，集成电压采集电路4通过SPI总线与微控制器6相连接。

本实施方式中，所述集成电压采集电路4的工作原理为：集成电压采集电路4针对串联锂离子电池组，6节一组进行电压采集。电路内部集成A/D转换器和切换开关，接收微控制器发出的的控制指令，控制开关将电池单体逐一送入内部集成的A/D转换器进行转换并将转换信息放入缓存，切换开关将下一节电池接入A/D，6节单体电池电压采集结束后，利用SPI总线把各节电池电压的数字信息发送给微控制器，微控制器通过解码获得各节电池电压信息。

具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述微控制器6是8位、16位或32位微控制器，微控制器6集成CAN总线模块，能够将锂离子电池组模块化快速均衡电路的工作状态信息通过CAN总线发送给上位机。

本实施方式中，所述微控制器6的工作原理为：微控制器6控制总体的电路，包括集成电压采集电路控制指令的发出、电流采集电路的电压信号的A/D转换、PWM驱动控制器的启动和停止信号发出、开关网络的驱动控制信号发出。同时微控制器6还根据获得的电池电压信息根据实验数据查表获得各电池单体SOC，并随着电池充放电的进行利用安时计量法实时估算各节电池SOC。根据各节电池SOC的差异制定均衡策略，确定需要均衡的单体或模块，判断均衡结束时间。微控制器还能够通过CAN总线同上位机或电池管理***通信。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，所述自恢复保护电路由自恢复保险丝组成，每个三单体均衡子模块1与锂离子电池组10中的每个单体相连接处接有自恢复保险丝，开关网络3与锂离子电池组10中的每个单体相连接处接有自恢复保险丝，当自恢复保险丝所在支路发生短路故障时，自恢复保险丝呈高阻状态，故障解除时，自恢复保险丝自动恢复低导通阻抗状态。

具体实施方式九：本实施方式所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路的均衡方法，工作过程为：

步骤1、计算各电池单体的SOC初值：将电池组中的电池单体长时间静置，所述长时间为大于5小时，根据静置时，电池单体的开路电压同SOC的关系曲线估算出各电池单体初始SOC，即为SOC初值；如果电池单体处于充电或者放电状态，则利用微控制器6采集充电或者放电电流，根据充放电时间和初始SOC计算各电池单体的当前SOC；

步骤2、三单体电池模块的内部均衡，获取每个三单体电池模块的SOC：首先根据步骤1得到的各电池单体SOC初值计算三节电池单体的平均SOC，如果单体SOC初值和三单体电池模块的平均SOC之间的差超过5%则认为需要继续均衡；均衡过程中霍尔电流采集电路实时获得三单体均衡子模块1原边绕组25和第一副边绕组26、第二副边绕组27、第三副边绕组28的电流，并结合均衡时间实时计算单体SOC，当各单体SOC和三单体电池模块的平均SOC差低于5%时，三单体电池模块内部均衡结束；多个三单体电池模块同时进行均衡操作，三单体模块均衡的时间为三单体模块中耗时最大的一组；

步骤3、将步骤2获得的每个三单体电池模块的SOC进行比较，获取最大值和最小值，最终均衡后的SOC在最小SOC和最大SOC之间，将其间的每一个SOC作为一个目标SOC；

步骤4、构建一个矩阵，以锂离子电池组10内电池的数目作为列，行的元素代表第N节电池经历的充放电过程，充电用1表示，放电用-1表示；根据构建的矩阵以及霍尔电流传感器采集的原边绕组25和第一副边绕组26、第二副边绕组27、第三副边绕组28的均衡电流，列写电池单体的均衡方程，均衡方程以各电池单体的均衡时间为未知数；

式（1）中I_N表示第N个三单体电池进行充电或者放电的电流，C_N表示电池额定容量，I_d表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池放电电流，I_c表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池充电电流，n1表示除第N个三单体电池外产生充电电流的电池数目，n2表示除第N个三单体电池外产生放电电流的电池数目，SOC_N表示第N节电池的SOC，SOC_终表示步骤3中所述的目标SOC，即均衡结束后达到的SOC；

步骤5、根据步骤4列写的矩阵，根据其中一行的充放电组合，配合获得的均衡电流，列写出每个三单体电池SOC方程，如公式（1）；每个三单体电池模块列写出一个方程，得到N个方程，其中包含N个关于均衡时间的未知数，求解方程获取方程的唯一解后，检验每节电池达到当前目标SOC时需要的时间，如果均衡时间有负数，则进行下一组方程的求解，如果结果都为正数，则记录为一组可行解；重复该步骤获得其他行对应的充放电组合下的所有可行解；记录每种可行解所对应的最终SOC，更新目标SOC并返回步骤4；

步骤6、当步骤5获得的目标SOC达到最大SOC时，筛选可行解结束；从所有可行解中选取所需均衡时间最少的一组作为最优方案，提取该方案中各节电池经历的充放电过程和对应时间；所述的所需均衡时间为各三单体电池模块均衡时间之和；

步骤7、将步骤6获得的方案首先分别对SOC最低和最高三单体电池模块进行均衡，然后是次低和次高SOC单体，直到所有三单体电池模块都完成均衡操作，该均衡电路的均衡结束。

本发明所述的一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法，其工作过程为：电路启动后微控制器6向集成电压采集电路4发出电压采集指令，集成电压采集电路4利用内部切换开关15逐一将各节电池接入片内A/D转换器16，并将转换结果存入缓存模块17，通过SPI总线将所获得各电池单体电压信息回传给微控制器6。微控制器6根据实验获得的已知SOC同开路电压关系曲线估计各节电池单体初始SOC。微控制器6实时同电池管理***保持CAN总线通信，实时告知流过电池包的电流和方向，微控制器6根据安时计量法计算并更新每节电池单体的SOC，获得各节电池单体SOC后就可以对于每个三单体电池模块进行均衡，首先计算这三节电池单体的平均SOC，如果单体SOC和三单体平均SOC之间的差异超过5%则认为需要均衡。均衡过程中电流采集电路实时获得三单体均衡模块原边和副边的电流，并结合均衡时间实时计算单体SOC，当各单体和当前平均SOC差异低于5%时，认为三单体电池模块内部均衡结束。多个三单体电池模块可以同时进行均衡操作，节省均衡时间，三单体模块均衡的时间为三单体模块中最耗时的一组。

偶数号三单体电池模块通过开关网络3与能量传输总线18、19相连，能量传输总线18、19还与双向反激变换器的一个副边绕组相连，奇数号三单体电池模块通过开关网络3与能量传输总线20、21相连，能量传输总线20、21还与双向反激变换器的另一个绕组相连。双向反激变换器的原边和副边MOSFET的驱动控制都采用集成PWM驱动控制器，电流反馈使均衡电流恒定。利用开关网络3的开关能够实现电流的双向流动，同时MOSFET导通阻抗低，可通过的电流较大，克服了传统继电器开关网络抗震性能差的劣势。电流采集电路复用了三单体均衡模块的集成电流传感器，节省了硬件资源。开关网络中每个开关同三单体电池模块之间都串联了自恢复保险丝，避免由于短路故障损坏电池和电路，当故障解除仍可正常工作。

Claims (9)

1.一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，它包括锂离子电池组（10），所述锂离子电池组（10）由6N节锂离子电池串联构成，N为大于或等于3的正整数，其特征在于，锂离子电池组（10）分为2N个三单体电池模块，每个三单体电池模块由相邻的三节锂离子电池组成，锂离子电池组模块化快速均衡电路还包括2N个三单体均衡子模块（1）、均衡主模块（2）、开关网络（3）、N个集成电压采集电路（4）、微控制器（6）、第一能量传输总线（18）、第二能量传输总线（19）、第三能量传输总线（20）和第四能量传输总线（21），开关网络（3）包括2N+1个开关M₁至M_2N+1，所述2N个三单体电池模块与2N个三单体均衡子模块（1）一一对应设置；

2N个三单体电池模块分成N组电池模块，每组电池模块包括两个三单体电池模块，每个集成电压采集电路（4）采集一组电池模块的端电压，并将采集的端电压发送给微控制器（6）；

第2N个三单体均衡子模块（1）的一端与均衡主模块（2）的第一端口连接于节点a，第1个三单体均衡子模块（1）的一端与均衡主模块（2）的第二端口连接于节点f，均衡主模块（2）的第三端口通过第一能量传输总线（18）连接于接口b，均衡主模块（2）的第四端口通过第二能量传输总线（19）连接于节点c，均衡主模块（2）的第五端口通过第四能量传输总线（21）连接于节点d，均衡主模块（2）的第六端口通过第三能量传输总线（20）连接于连接口e；

微控制器（6）内部集成有A/D转换器、SPI总线模块和CAN总线模块，微控制器（6）通过SPI总线向集成电压采集电路（4）发送指令并接收电压采集结果，微控制器（6）控制三单体均衡子模块（1）和均衡主模块（2）的启动和停止，微控制器（6）控制开关网络（3）中M₁至M_2N+1开关的接通和断开；

2N个三单体电池模块串联形成2N-1个中间连接点，以临近锂离子电池组（10）正极端的中间连接点为第1中间连接点，第1、2、3……N个中间连接点中奇数序号的中间连接点通过开关网络（3）中的开关和第一能量传输总线（18）与连接口b连接，偶数序号的中间连接点通过开关网络（3）中的开关和第二能量传输总线（19）与连接口c连接；第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的奇数序号的中间连接点通过开关网络（3）中的开关和第四能量传输总线（21）与连接口d连接，第N+1、N+2……2N-1个中间连接点中的偶数序号的中间连接点通过开关网络（3）中的开关和第三能量传输总线（20）与连接口e连接。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述三单体均衡子模块（1）包括4个霍尔电流采集电路、4个自恢复保护电路和1个双向DC/DC变换器（8），双向DC/DC变换器（8）包括1个原边绕组（25）、3个副边绕组、4个RCD吸收电路（9）和7个NMOS开关管，每个RCD吸收电路（9）包括1个电阻Rm、1个电容Cm和1个二极管Dm，7个NMOS开关管中有4个Sm开关管和3个Sw开关管；

每个三单体电池模块中的三个单体电池Bm-1、Bm-2、Bm-3串联后形成正极端、负极端和两个中间连接点，所述正极端通过一个自恢复保护电路同时与双向DC/DC变换器（8）的第一副边绕组（26）的同名端、原边绕组（25）的异名端连接，采用第一霍尔电流采集电路采集所述正极端输出的电流值；采用第二霍尔电流采集电路采集双向DC/DC变换器（8）的第一副边绕组（26）的同名端与原边绕组（25）的异名端之间的电流值；所述三单体电池模块的两个中间连接点分别通过一个自恢复保护电路与双向DC/DC变换器（8）的第二副边绕组（27）的同名端、第三副边绕组（28）的同名端连接，采用第三霍尔电流采集电路采集一个中间连接点与第二副边绕组（27）的同名端之间的电流值，采用第四霍尔电流采集电路采集另一个中间连接点与第三副边绕组（28）的同名端之间的电流值；三单体电池模块的负极端通过一个自恢复保护电路与第四Sw开关管Sw-4的源极相连接；

第一副边绕组（26）的同名端同时与第二RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-2的一端和电容Cm-2的一端相连接，第一副边绕组（26）的异名端与第二RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-2的阳极相连接，第二RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-2的阴极同时与第二RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-2的另一端和电容Cm-2的另一端相连接；

第一副边绕组（26）异名端连接第二Sm开关管Sm-2的源极，第二Sm开关管Sm-2的漏极连接第二Sw开关管Sw-2的漏极，第二Sw开关管Sw-2的源极与第二副边绕组（27）的同名端相连接，第二副边绕组（27）的同名端同时与第三RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-3的一端和电容Cm-3的一端相连接，第二副边绕组（27）的异名端与第三RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-3的阳极相连接，第三RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-3的阴极同时与第三RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-3的另一端和电容Cm-3的另一端相连接；

第二副边绕组（27）异名端连接第三Sm开关管Sm-3的源极，第三Sm开关管Sm-3的漏极连接第三Sw开关管Sw-3的漏极，第三Sw开关管Sw-3的源极与第三副边绕组（28）的同名端相连接，第三副边绕组（28）的同名端同时与第四RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-4的一端和电容Cm-4的一端相连接，第三副边绕组（28）的异名端与第四RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-4的阳极相连接，第四RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-4的阴极同时与第四RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-4的另一端和电容Cm-4的另一端相连接；

第三副边绕组（28）异名端连接第四Sm开关管Sm-4的源极，第四Sm开关管Sm-4的漏极连接第四Sw开关管Sw-4的漏极；

原边绕组（25）的异名端同时连接第一RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-1的一端和电容Cm-1的一端，原边绕组（25）的同名端连接第一RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-1的阳极，第一RCD吸收电路（9）中的二极管Dm-1的阴极同时与第一RCD吸收电路（9）中的电阻Rm-1的另一端和电容Cm-1的另一端相连接，原边绕组（25）的同名端同时连接第一Sm开关管Sm-1的源极，第一Sm开关管Sm-1的漏极同时与第四Sm开关管Sm-4的漏极和第四Sw开关管Sw-4的漏极相连接；

第2N个三单体均衡子模块（1）的自恢复保护电路F_2N-4的一端与锂离子电池组（10）的正极相连接，第1个三单体均衡子模块（1）自恢复保护电路F₁-1的一端与锂离子电池组（10）的负极相连接，第2N个三单体均衡子模块（1）的霍尔电流采集电路I_2N-1的一端a与均衡主模块（2）的原边绕组的异名端a相连接，第1个三单体均衡子模块（1）的自恢复保护电路F₁-1的一端f与均衡主模块（2）的第一NMOS开关管S1的漏极f相连接。

3.根据权利要求2所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述霍尔电流采集电路采用集成霍尔电流传感器（29），用于采集三单体均衡子模块（1）中原边绕组（25）和副边绕组的电流幅值和电流方向，霍尔电流传感器（29）包括电流传感电路（30）、放大电路（31）和滤波电路（32），电流通过电流传感电路（30）输入到放大电路（31），放大后的电流信号再经过滤波电路（32），经过滤波后的电流信号通过A/D转换接口输入微控制器（6）中。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述均衡主模块（2）包括1个原边绕组（22）、2个副边绕组、3个RCD吸收电路（9）和3个NMOS开关管；

原边绕组（22）的异名端同时与第一RCD吸收电路（9）的电容C1的一端和电阻R1的一端相连接，原边绕组（22）的同名端同时与第一RCD吸收电路（9）的二极管D1的阳极和第一NMOS开关管S1的源极相连接，第一RCD吸收电路（9）的二极管D1的阴极同时与第一RCD吸收电路（9）的电容C1的另一端和第一RCD吸收电路（9）的电阻R1的另一端相连接；

第一副边绕组（23）的同名端同时连接第二RCD吸收电路（9）的电阻R2的一端和电容C2的一端，第一副边绕组（23）的异名端同时连接第二RCD吸收电路（9）的二极管D2的阳极和第二NMOS开关管S2的源极，第二RCD吸收电路（9）的二极管D2的阴极同时连接第二RCD吸收电路（9）的电阻R2的另一端和第二RCD吸收电路（9）的电容C2的另一端；

第二副边绕组（24）的同名端同时连接第三RCD吸收电路（9）的电阻R3的一端和电容C的一端，第一副边绕组（23）的异名端同时连接第三RCD吸收电路（9）的二极管D3的阳极和第三NMOS开关管S3的源极，第三RCD吸收电路（9）的二极管D3的阴极同时连接第三RCD吸收电路（9）的电阻R3的另一端和第三RCD吸收电路（9）的电容C3的另一端，微控制器（6）控制均衡主模块（2）的启动和停止。

5.根据权利要求1所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述开关网络（3）中的每个开关是由两个N沟道的MOSFET构成的双向开关，它包括第一N沟道MOSFET（13）、第二N沟道MOSFET（14）和光电耦合器（12），光电耦合器（12）中的发光二极管的阳极经过限流电阻R1后接电源VCC1，发光二极管的阴极接地GND1，光电耦合器（12）中的光敏三极管的集电极经过电阻R2接电源VCC2，光敏三极管的发射极同时连接第一N沟道MOSFET（13）的栅极和第二N沟道MOSFET（14）的栅极，第一N沟道MOSFET（13）和第二N沟道MOSFET（14）的漏极同时接地GND2，第一N沟道MOSFET（13）和第二N沟道MOSFET（14）的控制信号来自微控制器（6）。

6.根据权利要求1所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述集成电压采集电路（4）包括切换开关（15）、A/D转换器（16）和缓存模块（17），切换开关（15）的信号输出端连接A/D转换器（16）的信号输入端，A/D转换器（16）的信号输出端连接缓存模块（17）的信号输入端，集成电压采集电路（4）通过SPI总线与微控制器（6）相连接。

7.根据权利要求1所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述微控制器（6）是8位、16位或32位微控制器，微控制器（6）集成CAN总线模块，能够将锂离子电池组模块化快速均衡电路的工作状态信息通过CAN总线发送给上位机。

8.根据权利要求1所述一种锂离子电池组模块化快速均衡电路，其特征在于，所述自恢复保护电路由自恢复保险丝组成，每个三单体均衡子模块（1）与锂离子电池组（10）中的每个单体相连接处接有自恢复保险丝，开关网络（3）与锂离子电池组（10）中的每个单体相连接处接有自恢复保险丝，当自恢复保险丝所在支路发生短路故障时，自恢复保险丝呈高阻状态，故障解除时，自恢复保险丝自动恢复低导通阻抗状态。

9.一种锂离子电池组模块化快速均衡电路的均衡方法，其特征在于，工作过程为：

步骤1、计算各电池单体的SOC初值：将锂离子电池组中的电池单体长时间静置，所述长时间为大于5小时，根据静置时，电池单体的开路电压同SOC的关系曲线估算出各电池单体初始SOC，即为SOC初值；如果电池单体处于充电或者放电状态，则利用微控制器（6）采集充电或者放电电流，根据充放电时间和初始SOC计算各电池单体的当前SOC；

步骤2、三单体电池模块的内部均衡，获取每个三单体电池模块的SOC：首先根据步骤1得到的各电池单体SOC初值计算三节电池单体的平均SOC，如果单体SOC初值和三单体电池模块的平均SOC之间的差超过5%则认为需要继续均衡；均衡过程中霍尔电流采集电路实时获得三单体均衡子模块（1）原边绕组（25）和第一副边绕组（26）、第二副边绕组（27）、第三副边绕组（28）的电流，并结合均衡时间实时计算单体SOC，当各单体SOC和三单体电池模块的平均SOC差低于5%时，三单体电池模块内部均衡结束；多个三单体电池模块同时进行均衡操作，三单体模块均衡的时间为三单体模块中耗时最大的一组；

步骤3、将步骤2获得的每个三单体电池模块的SOC进行比较，获取最大值和最小值，最终均衡后的SOC在最小SOC和最大SOC之间，将其间的每一个SOC作为一个目标SOC；

步骤4、构建一个矩阵，以锂离子电池组（10）内电池的数目作为列，行的元素代表第N节电池经历的充放电过程，充电用1表示，放电用-1表示；根据构建的矩阵以及霍尔电流传感器采集的原边绕组（25）和第一副边绕组（26）、第二副边绕组（27）、第三副边绕组（28）的均衡电流，列写电池单体的均衡方程，均衡方程以各电池单体的均衡时间为未知数；

式（1）中I_N表示第N个三单体电池进行充电或者放电的电流，C_N表示电池额定容量，I_d表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池放电电流，I_c表示除第N个三单体电池外其他电池均衡过程中产生的对第N个三单体电池充电电流，n1表示除第N个三单体电池外产生充电电流的电池数目，n2表示除第N个三单体电池外产生放电电流的电池数目，SOC_N表示第N节电池的SOC，SOC_终表示步骤3中所述的目标SOC，即均衡结束后达到的SOC；

步骤5、根据步骤4列写的矩阵，根据其中一行的充放电组合，配合获得的均衡电流，列写出每个三单体电池SOC方程，如公式（1）；每个三单体电池模块列写出一个方程，得到N个方程，其中包含N个关于均衡时间的未知数，求解方程获取方程的唯一解后，检验每节电池达到当前目标SOC时需要的时间，如果均衡时间有负数，则进行下一组方程的求解，如果结果都为正数，则记录为一组可行解；重复该步骤获得其他行对应的充放电组合下的所有可行解；记录每种可行解所对应的最终SOC，更新目标SOC并返回步骤4；

步骤6、当步骤5获得的目标SOC达到最大SOC时，筛选可行解结束；从所有可行解中选取所需均衡时间最少的一组作为最优方案，提取该方案中各节电池经历的充放电过程和对应时间；所述的所需均衡时间为各三单体电池模块均衡时间之和；

步骤7、将步骤6获得的方案首先分别对SOC最低和最高三单体电池模块进行均衡，然后是次低和次高SOC单体，直到所有三单体电池模块都完成均衡操作，该均衡电路的均衡结束。

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