CN107895976A - 一种锂电池均衡充电电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂电池均衡保护电路，包括电池CELL‑1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1和芯片U1，所述电池CELL‑1的正极连接MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极和芯片U3的脚2，MOS管Q1的栅极连接芯片U1的脚1，MOS管Q2的栅极连接芯片U1的脚5，MOS管Q1的源极连接电阻R1、电阻R2和MOS管Q2的源极，电阻R2的另一端连接电容C1和芯片U1的脚7。本发明在充电过程中检测电池组中各单体电池的电压与设定电池充电电压进行比较。然后检测到电池组中单体电池达到设定电池充电电压时控制电子开关打开将能量通过电子开关转移到能量低的电池上去。实现在充电过程中所有单体电池一次达到均衡的效果。并且在每次充电过程中优化了电池的储存容量，让电池更持久的保持最佳存电量。
Description
技术领域
本发明涉及一种保护电路，具体是一种锂电池均衡保护电路。
背景技术
近年来，由串联的、高功率密度、高峰值功率锂聚合物或锂铁磷酸(LiFePO4)电池组成的大型电池组被普遍用于全电动(EV或者BEV)和混合燃气/电动汽车(HEV和插电式混合电动汽车或PHEV)、储能***(ESS)等各种应用。据预测，电动汽车市场对大规模串联/并联电池组将有很强的需求。PEV和EV销售在2012～2020年度的复合增长率(CAGR)将达到37.4％。对大容量电池的需求越来越强烈，而电池价格一直非常高，是EV或PHEV价格最高的组件，对于能行驶一百公里范围的电池价格通常就要超过10,000美元。高成本可以通过使用低成本/翻新电池来减轻成本压力，但这类电池会有较大的容量不匹配问题，这会缩短可使用时间和在一次充电后的行驶距离。即使是成本较高、质量较好的电池也会老化，不断重复使用会导致电池失配。要提高具不匹配电池的电池组容量可以通过两种方式来实现：开始时采用较大的电池，但这样做非常不符合成本效益；或采用主动均衡技术，主动均衡技术可恢复电池组的电池容量，正有快速上升势头。
以目前的电池制造水平和工艺，电芯在生产过程中各个单体会存在细微的差别，也就是一致性问题。这种不一致性会使电芯的各项参数大相径庭。要想让它们组装在一起形成一个整体，则必须在作用过程中采用均衡的手段。好比木桶效应，弥补短板，才能最大程度提升性能。
另一方面，电芯在采用串联/并联电池阵列组成电池组装车使用过程中，也会由于自放电程度以及部位温度等原因导致单体不一致性的现象出现，单体电池的不一致性从而又影响电池组的充放电特性。
当一个电池组中的每节电池具备相同的电荷状态(SoC)时，这些电池就是“均衡”的。SoC指的是个别电池随着它的充电和放电，相对于其最大容量的剩余容量。例如：一个剩余容量为5A-hr的10A-hr电池具有50％的SoC。所有的电池都必须保持在某个SoC范围之内以避免受损或寿命缩短。可容许的SoC最小值和最大值因应用而异。在最重视电池运行时间的应用中，所有电池都可以在20％的SoC最小值和100％的最大值(满充电状态)之间工作。而就要求电池寿命最长的应用而言，可能将SoC范围限制在30％最小值和70％最大值之间。在电动型汽车和电网存储***中，这些数值是典型的SoC限制，电动型汽车和电网存储***使用非常大和非常昂贵的电池，更换费用极高。电池管理***(BMS)的主要作用是，仔细监视电池组中的所有电池，确保每一节电池的充电或放电都不超出该应用充电状态限制的最小值和最大值。
目前市场上现有的锂电池均衡技术方案主要有被动均衡和主动均衡两种技术方案。
被动均衡就是将单体电池中容量稍多的能量消耗掉，实现整体的均衡。主动均衡则是将单体电池能量稍高的能量通过储能环节转移到能量稍低的电池上去。
现有被动均衡缺点：采用电阻耗能，会产生热量，同时损耗了电池的储存电量，降低了电动车的续航里程。损耗了电池放电循环次数，降低了电池的有效使用寿命。
现有主动均衡缺点：采用变压器和开关矩阵的设计方案，导致电路相对来说较为复杂，成本高。在能量转换过程中增加了电池无效的充放电循环次数，损耗了电池储存电量降低了电池有效使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂电池均衡充电电路，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种锂电池均衡充电电路，包括电池CELL-1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1和芯片U1，所述电池CELL-1的正极连接MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极和芯片U3的脚2，MOS管Q1的栅极连接芯片U1的脚1，MOS管Q2的栅极连接芯片U1的脚5，MOS管Q1的源极连接电阻R1、电阻R2和MOS管Q2的源极，电阻R2的另一端连接电容C1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的正极连接电池CELL-1的负极、MOS管Q3的漏极、MOS管Q4的漏极和芯片U3的脚3，MOS管Q3的栅极连接芯片U2的脚1，MOS管Q4的栅极连接芯片U2的脚5，MOS管Q3的源极连接电阻R3、电阻R4和MOS管Q4的源极，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U2的脚7，芯片U2的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的负极连接电阻R3的另一端、电容C2的另一端、芯片U2的脚8和芯片U3的脚8。
作为本发明的优选方案：所述芯片U1的型号为TL494，芯片U2的型号为TL494，芯片U3的型号为LTC6804。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、避免了被动均衡技术采用电阻耗能和主动均衡技术能量转移中导致电池储存电量的损失。提高了电动车的有效续航里程
2、避免了被动均衡技术采用电阻耗能和主动均衡技术能量转移中导致电池充放电循环次数的损失。延长了电池的有效使用寿命，减少了因电池报废导致的环境污染。
3、通过悬充均衡技术达到及时自动保养电池的目的，可以极大的减少动力电池保养的成本。优化电池各阶段性能和延长使用寿命。
附图说明
图1是一种锂电池均衡保护电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例中，一种锂电池均衡充电电路，包括电池CELL-1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1和芯片U1，所述电池CELL-1的正极连接MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极和芯片U3的脚2，MOS管Q1的栅极连接芯片U1的脚1，MOS管Q2的栅极连接芯片U1的脚5，MOS管Q1的源极连接电阻R1、电阻R2和MOS管Q2的源极，电阻R2的另一端连接电容C1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的正极连接电池CELL-1的负极、MOS管Q3的漏极、MOS管Q4的漏极和芯片U3的脚3，MOS管Q3的栅极连接芯片U2的脚1，MOS管Q4的栅极连接芯片U2的脚5，MOS管Q3的源极连接电阻R3、电阻R4和MOS管Q4的源极，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U2的脚7，芯片U2的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的负极连接电阻R3的另一端、电容C2的另一端、芯片U2的脚8和芯片U3的脚8。
芯片U1的型号为TL494，芯片U2的型号为TL494，芯片U3的型号为LTC6804。
本发明的工作原理是：在电池每次充电过程中，当通过U3检测单体电池CELL-1的电压与设定电池电压接近时，U3发出信号到U1，U1的脚1和脚5分别输出一个频率和宽度一样但相位相反的方波脉冲信号控制Q1和Q2高频(例如：50Khz)交替导通传递能量到单体电池CELL-2的正极。当通过U3检测单体电池CELL-2的电压与设定电池电压接近时，U3发出信号到U2，U2的脚1和脚5分别输出一个频率和宽度一样但相位相反的方波脉冲信号控制Q3和Q4高频(例如：50Khz)交替导通传递能量到单体电池CELL2的负极。R1和R3是电流检测电阻。当电流通过R1和R2时产生电压信号。U1和U2分别检测R1和R3上的电压信号，U1控制Q1、Q2的导通时间长短和频率高低，U2控制Q3、Q4的导通时间长短和频率高低，达到调整旁路电流大小的效果。根据充电电流的大小来调整电流检测电阻的阻值，控制开关管的导通时间和频率，实现充电电流被开关管导通旁路转移到能量低的电池上去。确保这期间能量高的电池不会放电。最后实现电池组中各单体电池的均衡。
本设计是在锂电池充电过程中实现悬充均衡技术。在充电过程中检测电池组中各单体电池的电压与设定电池充电电压进行比较。然后检测到电池组中单体电池达到设定电池充电电压时控制电子开关打开将能量通过电子开关转移到能量低的电池上去。实现在充电过程中所有单体电池一次达到均衡的效果。运用了脉宽调制和频率调制技术控制电子开关器件控制和调整电流和两个电子开关器件(包含MOS管，IGBT,三极管，晶闸管等)交替导通传递能量，在每次充电过程中所有单体电池一次实现均衡，优化了电池的储存容量，让电池更持久的保持最佳存电量的效果并且在每次充电过程中优化了电池的储存容量，让电池更持久的保持最佳存电量。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，这些描述只是解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方法。这些方式都将落入本发明的保护范围之中。
Claims (2)
1.一种锂电池均衡保护电路，包括电池CELL-1、MOS管Q1、MOS管Q2、电阻R1和芯片U1，其特征在于，所述电池CELL-1的正极连接MOS管Q1的漏极、MOS管Q2的漏极和芯片U3的脚2，MOS管Q1的栅极连接芯片U1的脚1，MOS管Q2的栅极连接芯片U1的脚5，MOS管Q1的源极连接电阻R1、电阻R2和MOS管Q2的源极，电阻R2的另一端连接电容C1和芯片U1的脚7，芯片U1的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的正极连接电池CELL-1的负极、MOS管Q3的漏极、MOS管Q4的漏极和芯片U3的脚3，MOS管Q3的栅极连接芯片U2的脚1，MOS管Q4的栅极连接芯片U2的脚5，MOS管Q3的源极连接电阻R3、电阻R4和MOS管Q4的源极，电阻R4的另一端连接电容C2和芯片U2的脚7，芯片U2的脚4连接芯片U3的脚1，电池CELL-2的负极连接电阻R3的另一端、电容C2的另一端、芯片U2的脚8和芯片U3的脚8。
2.根据权利要求1所述的锂电池均衡保护电路，其特征在于，所述芯片U1的型号为TL494，芯片U2的型号为TL494，芯片U3的型号为LTC6804。
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