CN105162200A

CN105162200A - 一种分层电池组均衡电路

Info

Publication number: CN105162200A
Application number: CN201510587163.9A
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 郭向伟; 李文彪; 姚远; 陈凌宇
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明公开了一种分层电池组均衡电路，包括底层电池模块控制电路、电池组主控制电路和均衡子单元。底层电池模块控制电路分别控制相应的底层电池模块，使得底层电池模块内的电池单体实现充放电过程中的动态均衡。电池组主控制电路通过输出相应的控制信号给均衡子单元，通过均衡子单元实现串联电池组中的各底层电池模块之间的电量均衡。本发明通过底层电池模块控制电路和电池组主控制电路的相互分工协作，可以实现电池组充放电过程中各单体电池的电量动态均衡，使得电池组摆脱短板效应，提高电池组的容量利用率，延长电池组的循环与使用寿命，降低***的运行与维护成本。本发明可以应用于混合\纯电动汽车、微型电动车或蓄能装置中。

Description

一种分层电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及一种分层电池组均衡电路，适用于混合\纯电动汽车、微型电动车或蓄能装置中。

背景技术

电动汽车或蓄能装置的核心是电池，而二次电池存在着诸多缺点，比如使用不当寿命将大大缩短、存储能量不能过大、串并联使用问题和使用安全性等。电池均衡电路的出现主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。所以电池的核心在于电池均衡电路。一个性能优越的电池均衡电路能够保证电池组始终安全可靠地运行，充分发挥电池组性能，使得电池组摆脱短板效应，提高电池组的使用寿命，通过一系列的管理和控制，从而保障电动汽车或蓄能装置的正常工作。

在业内，电池均衡电路通常被称为电动汽车动力电池***的“大脑”，与动力电池、整车控制***共同构成电动汽车的三大核心技术。由于其在电动汽车中特有的重要性，电池均衡电路越来越受到来自包括资本市场、电动汽车产业内，以及国家政策层面的关注。而国内对于电池均衡电路这个概念最早是在2000年左右才提出的，而其产品真正进入市场迄今也只有四五年时间。与动力电池相比，电池均衡电路这项技术显然并未得到足够的发展，该项技术本身的不成熟性也极大地限制了国内电动汽车的发展。电池均衡电路作为各类电动汽车的关键技术之一，主要具有动力电池参数实时监控、故障诊断、SOC估算、短路保护和充放电模式选择等重要功能，拥有了这些技术和产品，就能够在新能源汽车产业中处于领先地位。

发明内容

本发明的目的是采用分层电池组均衡电路，克服现有技术存在的上述不足。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

一种分层电池组均衡电路，包括电池组、底层电池模块控制电路、电池组主控制电路和均衡子单元；电池组包括多个串联的底层电池模块，每个底层电池模块均各自连接一个底层电池模块控制电路，相邻底层电池模块之间的公共连接点均与一个均衡子单元连接，且多个底层电池模块串联形成的电池组的中间点连接有两个均衡子单元；所有均衡子单元均与电池组主控制电路连接；

通过电池组主控制电路输出控制信号，分配底层电池模块控制电路与均衡子单元的工作时间顺序，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。

进一步地，电池组由第一底层电池模块、第二底层电池模块、第三底层电池模块和第四底层电池模块串联组成，各底层电池模块均由四个单体电池串联组成，每个底层电池模块和单体电池均各自与一个均衡子单元相连接，第一底层电池模块的正极接电源VCC，第四底层电池模块的负极接地GND。

进一步地，每个均衡子单元由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感构成，两个带续流二极管的MOSFET为括上桥臂MOSFET和下桥臂MOSFET，上桥臂MOSFET的源极与下桥臂MOSFET的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET的漏极作为第一输出端，上桥臂MOSFET的栅极作为第二输出端，下桥臂MOSFET的栅极作为第三输出端，下桥臂MOSFET的源极作为第四输出端，储能电感另一端作为第五输出端；相邻单体电池之间的连接公共点与一个均衡子单元的第五输出端连接，四个单体电池串联后的中间点连接两个均衡子单元的第五输出端；与单体电池连接的均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制；与底层电池模块连接的均衡子单元中MOSFET的通断由电池组主控制电路控制。

进一步地，与第一底层电池模块1及第二底层电池模块2或底层电池模块中第一单体电池或第二单体电池相连的均衡子单元中，第一输出端与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第五输出端与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连；第四输出端接第四底层电池模块或底层电池模块的第四单体电池的负极；与第三底层电池模块、第四底层电池模块、底层电池模块的第三单体电池或第四单体电池相连的均衡子单元，第五输出端与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第四输出端与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连；第一输出端接第一底层电池模块或第一单体电池的正极。

进一步地，所述电池组由锂离子电池、锂聚合物电池、铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池组成。

进一步地，底层电池模块控制电路和电池组主控制电路控制的控制信号均满足：使均衡子单元中储能电感在每个开关周期内能够实现复位，即储能电感的电流由零增加，随后又减少到零。

当底层电池模块内的所有单体电池实现动态均衡后，由底层电池模块控制电路传递信号给电池组主控制电路，由电池组主控制电路输出控制信号，实现各底层电池模块之间的动态均衡，工作过程同单体电池之间的动态均衡。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明实现由4个底层电池模块串联组成的电池组之间的动态均衡，最优化电池组效能，防止发生单体电池的过充电、过放电、超温或过流等现象。本发明的电池组主控制电路输出控制信号，分配底层电池模块控制电路与均衡子电路的工作时间顺序，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。在充电过程中，当电池组中任何一个单体或底层电池模块能量过高时，可以将此单体或底层电池模块的能量均衡给电池组其它所有剩余单体；在放电过程中，当电池组中任何一个单体或底层电池模块能量过低时，可以将电池组其它所有剩余单体的能量均衡给这个能量过低的单体或底层电池模块。

本发明由于在电池均衡电路中采用上述分层均衡电路以及电池动态均衡技术，能够保证每个单体电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，使得电池组摆脱短板效应，提高电池组的可用容量，延长电池组的使用寿命，降低电池均衡电路成本。

附图说明

图1是分层电池组均衡电路结构图。

图2是均衡子单元原理图。

图3是底层电池模块均衡电路结构图。

图4是充电过程中均衡子单元的工作过程原理图。

图5是放电过程中均衡子单元的工作过程原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明（本发明只涉及均衡电路部分，控制电路是本领域技术人员可参照现有具体应用的电路参数值编程实现和设定的。为了符合本领域的惯常表达习惯，在确保清楚明确的前提下，以下个别元件用符号直接表示，以达到简洁明了的表达效果，例如本领域中直接用L1、L2、L3直接表示三个不同均衡子单元中的储能电感）。

图1是分层均衡电路结构图。该电路包括电池组、底层电池模块控制电路、电池组主控制电路和均衡子单元；电池组包括多个串联的底层电池模块，每个底层电池模块均各自连接一个底层电池模块控制电路，相邻底层电池模块之间的公共连接点均与一个均衡子单元连接，且多个底层电池模块串联形成的电池组的中间点连接有两个均衡子单元；所有均衡子单元均与电池组主控制电路连接；通过电池组主控制电路输出控制信号，分配底层电池模块控制电路与均衡子单元的工作时间顺序，使得各底层电池模块之间与底层电池模块内的各单体电池之间实现充放电过程中的动态双向无损均衡。

图2是均衡子单元原理图。每个均衡子单元都是由一个储能电感L、两个MOSFET和两个续流二极管组成，上桥臂MOSFET为Q_a，下桥臂MOSFET为Q_b。两个二极管分别并联在两个MOSFET的源极和漏极上。Q_a的源极与Q_b的漏极及储能电感L的一端相连，Q_a的漏极作为第一输出端a，Q_a的栅极作为第二输出端b，Q_b的栅极作为第三输出端c，Q_b的源极作为第四输出端d，L的另一端作为第五输出端e。第二输出端b、c与控制电路相连，由控制电路输出信号控制MOSFET的通断。与第一底层电池模块1、第二底层电池模块2、第一单体电池1或第二单体电池2相连的均衡子单元，第一输出端a与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第五输出端e与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连。第四输出端d接第四底层电池模块4或B4的负极。与第三底层电池模块3、第四底层电池模块4、单体电池3或单体电池4相连的均衡子单元，第五输出端e与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第四输出端d与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连。第一输出端a接第一底层电池模块1或B1的正极。

均衡子单元的工作原理如下。

在充电过程中，若B1(或B2)的电压高于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使B1（或B2）对应的均衡子单元中的S1a（或S2a）导通，此时电流流过单体电池B1（或B2）、S1a（或S2a）和储能电感L1（或L2），电感开始储能。S1a（或S2a）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1b（或S2b）的续流二极管释放能量给B3和B4。若B3(或B4)的电压高于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过充电，在一个开关周期内，先使B3（或B4）对应的均衡子单元中的S3b（或S4b）导通，此时电流流过单体电池B3（或B4）、S3b（或S4b）和储能电感L3（或L4），电感开始储能。S3b（或S4b）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S3a（或S4a）的续流二极管释放能量给B1和B2。

在放电过程中，若B1(或B2)的电压低于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使B1（或B2）对应的均衡子单元中的S1b（或S2b）导通，此时电流流过单体电池B2、B3、B4（或B3、B4），S1b（或S2b）和储能电感L1（或L2），电感开始储能。S1b（或S2b）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S1a（或S2a）的续流二极管释放能量给B1（或B2）。若B3(或B4)的电压低于相应底层电池模块中的所有单体，为了防止过放电，在一个开关周期内，先使B3（或B4）对应的均衡子单元中的S3a（或S4a）导通，此时电流流过单体电池B1、B2（或B1、B2、B3）、S1b（或S2b）和储能电感L3（或L4），电感开始储能。S3a（或S4a）导通一定时间后使其关断，此时电流通过S3b（或S4b）的续流二极管释放能量给B3（或B4）。

图3是底层电池模块均衡电路结构图，其由单体电池（B1、B2、B3、B4）、底层电池模块控制电路、和均衡子单元组成。四个单体电池串联连接，每个单体电池均与一个均衡子单元相连接。均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制。

图4是充电过程中均衡子单元的工作过程原理图。在充电过程中，若B1两端的电压高于其他单体，为了防止B1过充电，在一个开关周期内，使B1对应的均衡子电路中的S1a导通，则电流i_L1流过S1a、储能电感L1以及B1，电感L1开始储能。S1a导通一定时间后使其关断，此时电流流过S1b的续流二极管、L1及B₂、B₃、B₄，电感L1释放能量给B2、B3、B4，实现能量从B1到B2、B3、B4的转移。

图5是放电过程中均衡子单元的工作过程原理图。在放电过程中，若B1两端的电压低于其他单体，为了避免B1过放电，在一个开关周期内，使B1对应的均衡子电路中的S1b导通，则电流流过S1b、储能电感L1以及B2、B3、B4，B2、B3、B4放电为L3储存能量；S1b开通一定时间后使其关断，此时电流流过S1a的续流二极管、L1及B1，电感L1释放能量至B1，实现了能量从B2、B3、B4到B1的转移。

Claims

1.一种分层电池组均衡电路，其特征在于：包括电池组、底层电池模块控制电路、电池组主控制电路和均衡子单元；电池组包括多个串联的底层电池模块，每个底层电池模块均各自连接一个底层电池模块控制电路，相邻底层电池模块之间的公共连接点均与一个均衡子单元连接，且多个底层电池模块串联形成的电池组的中间点连接有两个均衡子单元；所有均衡子单元均与电池组主控制电路连接；

2.根据权利要求1所述的分层电池组均衡电路，其特征在于：电池组由第一底层电池模块、第二底层电池模块、第三底层电池模块和第四底层电池模块串联组成，各底层电池模块均由四个单体电池（B1、B2、B3和B4）串联组成，每个底层电池模块和单体电池均各自与一个均衡子单元相连接，第一底层电池模块的正极接电源VCC，第四底层电池模块的负极接地GND。

3.根据权利要求1所述的分层电池组均衡电路，其特征在于每个均衡子单元由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感构成，两个带续流二极管的MOSFET为括上桥臂MOSFET（Q_a）和下桥臂MOSFET（Q_b），上桥臂MOSFET（Q_a）的源极与下桥臂MOSFET（Q_b）的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET（Q_a）的漏极作为第一输出端（a），上桥臂MOSFET（Q_a）的栅极作为第二输出端（b），下桥臂MOSFET（Q_b）的栅极作为第三输出端（c），下桥臂MOSFET（Q_b）的源极作为第四输出端（d），储能电感另一端作为第五输出端（e）；相邻单体电池之间的连接公共点与一个均衡子单元的第五输出端（e）连接，四个单体电池串联后的中间点连接两个均衡子单元的第五输出端（e）；与单体电池连接的均衡子单元中MOSFET的通断由底层电池模块控制电路控制；与底层电池模块连接的均衡子单元中MOSFET的通断由电池组主控制电路控制。

4.根据权利要求3所述的分层电池组均衡电路，其特征在于与第一底层电池模块及第二底层电池模块或底层电池模块中第一单体电池或第二单体电池相连的均衡子单元中，第一输出端（a）与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第五输出端（e）与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连；第四输出端（d）接第四底层电池模块或底层电池模块的第四单体电池（B4）的负极；与第三底层电池模块、第四底层电池模块、底层电池模块的第三单体电池或第四单体电池相连的均衡子单元，第五输出端（e）与对应的底层电池模块或单体电池的正极相连，第四输出端（d）与对应的底层电池模块或单体电池的负极相连；第一输出端（a）接第一底层电池模块或第一单体电池（B1）的正极。

5.根据权利要求1所述的分层电池组均衡电路，其特征在于，所述电池组由锂离子电池、锂聚合物电池、铅酸电池、镍氢电池或镍镉电池组成。

6.根据权利要求1所述的分层电池组均衡电路，其特征在于底层电池模块控制电路和电池组主控制电路控制的控制信号均满足：使均衡子单元中储能电感在每个开关周期内能够实现复位，即储能电感的电流由零增加，随后又减少到零。