CN108649639A - 一种电池组均衡电路及均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组均衡电路及均衡方法，其特征在于：包括电池组电路、开关选择电路、均衡器电路和测控单元，电池组电路包括n个单体电池；开关选择电路与电池组电路连接；测控单元包括控制模块、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块连接每个单体电池，用于检测每个单体电池的电压，电流检测模块连接均衡器电路，用于检测均衡电流，控制模块分别与均衡器电路、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块连接，驱动模块连接开关选择电路，用于根据控制模块的控制均衡电池组的电压；均衡器电路还连接开关选择电路，用于根据控制模块的控制均衡电池组电流。本发明公开的电池组均衡电路及均衡方法可以采取多种均衡策略实现电池组的充放电均衡。

Description

一种电池组均衡电路及均衡方法

技术领域

本发明涉及电子电路领域，特别涉及一种电池组均衡电路及均衡方法。

背景技术

在新能源体系的产业化工程中，电池的性能是影响整个***性能的关键因素之一，同时在成本中占有较高的比例，甚至可以说电池对整个新能源产业起着决定性作用。但单体电池在制造过程中产生的体质差异和使用过程中所处的不同内、外部环境，导致单体电池的一致性逐渐变差。根据“短板效应原理”，电池组在容量利用率、循环使用寿命等方面较单体电池严重下降。因此需要应用电池均衡电路对其进行调节，以保持电池组的容量，延长电池组的寿命。目前的均衡电路主要包括被动均衡和主动均衡两个。

但是，上述两种不同的均衡策略各有优缺点：被动式均衡电路实现简单且廉价，但是其采用电阻并联到单体电池放电的方法来消耗多余的电量的电池，能量消耗大，而且还会产生热量，造成均衡电流小的问题。

主动均衡电路效率更高，减少了充电和电容不匹配效应，可以在充电和放电过程中工作，但是其电路结构复杂，极容易出现差错，成本与故障率较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电池组均衡电路及均衡方法，以解决现有的均衡电路均衡速度低，均衡能量转移效率低的问题从而实现电池组高效的充放电均衡。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种电池组均衡电路，包括电池组电路、开关选择电路、均衡器电路和测控单元，

其中，所述电池组电路包括n个单体电池E1-En；

所述开关选择电路与所述电池组电路连接；

所述测控单元包括控制模块、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块，所述电压检测模块连接每个所述单体电池，用于检测每个单体电池的电压，所述电流检测模块连接所述均衡器电路，用于检测均衡电流，所述控制模块分别与所述均衡器电路、所述驱动模块、所述电压检测模块和所述电流检测模块连接，所述驱动模块连接所述开关选择电路，用于根据控制模块的控制均衡电池组的电压；

所述均衡器电路还连接开关选择电路，用于根据控制模块的控制均衡电池组电流。

可选的，所述开关选择电路包括第一选择模块和所述第二选择模块，

所述第一选择模块包括m个双通道继电器Q1-Qm，所述双通道继电器Qi与所述单体电池Ei连接，所述双通道继电器Qi的第一触点与所述单体电池Ei的正极连接构成第一正极通道，所述双通道继电器Qi的第二触点与所述单体电池Ei的负极连接构成第一负极通道，所述双通道继电器Q1-Qm的第一正极通道的引脚均通过第一正极母线与所述均衡器电路连接，所述双通道继电器Q1-Qm的第一负极通道的引脚均通过第一负极母线与所述均衡器电路连接，

所述第二选择模块包括h个双通道继电器K1-Kh，所述双通道继电器Ki与所述单体电池Ei连接，所述双通道继电器Ki的第一触点与所述单体电池Ei的正极连接构成第二正极通道，所述双通道继电器Ki的第二触点与所述单体电池Ei的负极连接构成第二负极通道，所述双通道继电器K1-Kh的第二正极通道的引脚均通过第二正极母线与所述均衡器电路连接，所述双通道继电器K1-Kh的第二负极通道的引脚均通过第二负极母线与所述均衡器电路连接。

可选的：所述均衡器电路包括场效应管VT、电感L1、电感L2和保护二极管D，场效应管VT的栅极与控制模块连接，场效应管VT的漏极与所述第二正极母线之间连接有电感L2，场效应管VT的漏极与所述第一正极母线之间连接有电感L1，电感L1与电感L2之间串联有电容C，场效应管VT的源极分别与第一负极母线和第二负极母线连接，场效应管VT的漏极与电容C之间的节点与场效应管VT的源极之间连接有保护二极管D。

可选的，所述控制模块通过输出PWM信号控制场效应管VT的通关占空比以均衡电流。

可选的，所述场效应管VT为P沟道增强型场效应管。

可选的，所述控制模块包括中央处理器或微处理器。

可选的，所述电压检测模块包括电压检测电路，所述电流检测模块包括电流传感器。

可选的，场效应管VT为P沟道增强型MOS管。

根据本发明的另一方面，还提供了一种电池组均衡方法，该方法包括：

步骤S1、设置均衡条件，所述均衡条件包括电池单体的SOC阈值或电压阈值；

步骤S2、采集每个电池单体的电流和电压，并计算电池单体的SOC；

步骤S3、将每个单体电池的SOC值或电压值按照大小依次排列，并判断每个电池单体的SOC值或电压值是否符合均衡条件，若符合均衡条件，则执行步骤S4；若不符合均衡条件，则执行步骤S2；

步骤S4、若电池单体的电压值不符合均衡条件，则将SOC值或电压值最大的单体电池与SOC值或电压值最小的单体电池配对进行均衡，直至SOC值或电压值最大的单体电池和SOC值或电压值最小的单体电池处于阈值范围内；

步骤S5、重复执行步骤S2-S4，直至每个单体电池均不符合均衡条件。

可选的，均衡过程包括：

步骤S41、驱动模块控制与SOC值或电压值最大的单体电池连接的双通道继电器K导通，与SOC值或电压值最小的单体电池连接的双通道继电器Q导通；

步骤S42、控制模块输出PWM信号控制场效应管VT导通，SOC值或电压值最大的单体电池对电感L1进行充电，电容C对SOC值或电压值最小的单体电池和电感L2进行充电；

步骤S43、电感L2充电完成后，控制模块输出PWM信号控制场效应管VT关断，电感L2对电容C充电，电感L1对SOC值或电压值最小的单体电池充电；

步骤S44、电容C充电完成后，重复步骤S42-步骤S43，直至每个电池单体的SOC值或电压值均不符合均衡条件。

采用上述技术方案，由于可以采用各种均衡策略实现串联电池组的充放电均衡，使得电池组可以快速高效的实现电池组的充放电均衡。

附图说明

图1为本发明实施例的电池组均衡电路的结构示意图；

图2为本发明实施例的电池组均衡电路的开关选择电路结构示意图；

图3为本发明实施例的电池组均衡电路的测控单元结构示意图；

图4为本发明实施例的电池组均衡电路的均衡器电路结构示意图；

图5为本发明实施例的电池组均衡方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

一种电池组均衡电路，如附图1所示，包括电池组电路、开关选择电路、均衡器电路和测控单元，测控单元连接均衡器电路和开关选择电路，开关选择电路还分别连接电池组电路和均衡器电路。

其中，电池组电路包括n个单体电池E1-En，其中n＞1，在本发明的实施例中以n＝10为例进行说明。

附图2所示为开关选择电路的结构示意图，如附图2所示，开关选择电路包括第一选择模块和第二选择模块。

第一选择模块包括10个双通道继电器Q1-Q10，双通道继电器Qi与单体电池Ei连接，双通道继电器Qi的第一触点与单体电池Ei的正极连接构成第一正极通道，双通道继电器Qi的第二触点与单体电池Ei的负极连接构成第一负极通道，双通道继电器Q1-Q10的第一正极通道的引脚均通过第一正极母线与均衡器电路连接，双通道继电器Q1-Q10的第一负极通道的引脚均通过第一负极母线与均衡器电路连接，第二选择模块包括10个双通道继电器K1-K10，双通道继电器Ki与单体电池Ei连接，双通道继电器Ki的第一触点与单体电池Ei的正极连接构成第二正极通道，双通道继电器Ki的第二触点与单体电池Ei的负极连接构成第二负极通道，双通道继电器K1-K10的第二正极通道的引脚均通过第二正极母线与均衡器电路连接，双通道继电器K1-K10的第二负极通道的引脚均通过第二负极母线与均衡器电路连接。

附图3所示为测控单元的结构示意图，如附图3所示，测控单元包括控制模块、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块，电压检测模块连接每个单体电池，用于检测每个单体电池的电压，电流检测模块连接均衡器电路，控制模块分别与均衡器电路、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块连接，驱动模块连接开关选择电路，用于根据控制模块的控制均衡电池组的电压，控制模块通过输出PWM信号控制均衡器电路以均衡电流。

其中，控制模块可以是中央处理器或微处理器，在本发明的实施例中，控制模块为中央处理器，压检测模块可以是电压检测电路，电流检测模块可以是电流传感器。

附图4所示为均衡器电路的结构示意图，如附图4所示，均衡器电路包括场效应管VT、电感L1、电感L2和保护二极管D，场效应管VT的栅极与控制模块连接，场效应管VT的漏极与第二正极母线之间连接有电感L2，场效应管VT的漏极与第一正极母线之间连接有电感L1，电感L1与电感L2之间串联有电容C，场效应管VT的源极分别与第一负极母线和第二负极母线连接，场效应管VT的漏极与电容C之间的节点与场效应管VT的源极之间连接有保护二极管D。其中场效应管VT为P沟道增强型MOS管，电流检测模块分别连接电感L1和电感L2，用于检测电感L1的电流和电感L2的电流。

本发明实施例的均衡电路是这样实现均衡的：

初始时，第一选择模块和第二选择模块的所有继电器都是与单体电池关断的状态。

电压检测电路检测每个单体电池的电压输入到控制模块，中央处理器对单体电池的电压U_i与中央处理器内预设的电池组均衡条件的电压U进行判断，其中U是一个范围值，在本发明的实施例中例如可以是Umin～Umax，对所有的电压值进行大小排列，其中Ui>Umax或者Ui<Umin是需要均衡的电池，在本实施例中，以电池E1的电压值大于Umax，电池E10的电压值小于Umin为例进行说明，此时通过控制单元控制电压值最大的电池放电给电压值最小的电池进行充电。

下面以电池E1放电给电池E10为例进行说明：

储能与放能过程：中央处理器控制驱动模块控制继电器K1和继电器Q10导通，中央处理器输出PWM信号至场效应管VT，此时场效应管VT的漏极和源极形成通道，电池E1给电感L2充电，当给电感L2充电充满电后，电感L2给电容C充电，当给电容C充满电后，均衡器电路中形成两个回路：场效应管VT导通时，电池E1、电感L2和场效应管VT组成的充电通道，电池E10、电感L1、电容C和场效应管VT组成的放电通道，场效应管VT关断时，电池E1、电感L2、电容C和二极管D组成的充电通道，电池E10、电感L1和二极管D组成的放电通道。

上述充电通道用于电池E1给均衡电路充电。

上述放电通道用于均衡电路给电池E10放电。

重复上述储能与放能过程直至电池E1的电压不大于均衡条件的电压U。

其他电压大于U的电池的均衡过程与上述过程一样，在此不再赘述。

上述实施例是以电压为均衡条件进行描述的，除此之外，还可以以SOC值为均衡条件进行论述判断。

实施例2

一种电池组均衡方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1、设置均衡条件，所述均衡条件包括电池单体的SOC阈值或电压阈值，现有技术中，一般是设置电压阈值，但是由于本发明的实施例中设置有电压采集模块和电流采集模块，SOC是根据电流和电压值计算的，所以本发明的实施例可以以SOC阈值或电压阈值为均衡条件；

步骤S2、采集每个电池单体的电流和电压，并计算电池单体的SOC，若平衡条件是电压阈值，则至采集电池单体的电压即可，若平衡条件是SOC阈值，则需要采集每个电池单体的电流和电压，并计算电池单体的SOC；

步骤S3、将每个单体电池的SOC值或电压值按照大小依次排列，并判断每个电池单体的SOC值或电压值是否符合均衡条件，若符合均衡条件，则执行步骤S2；若不符合均衡条件，则执行步骤S4；

步骤S4、若电池单体的电压值不符合均衡条件，则将SOC值或电压值最大的单体电池与SOC值或电压值最小的单体电池配对进行均衡，直至SOC值或电压值最大的单体电池满足均衡条件；

步骤S5、重复执行步骤S2-S4，直至每个单体电池符合均衡条件。

具体的：下面以SOC值或电压值最大的单体电池为E1，SOC值或电压值最小的单体电池为E10为例对均衡过程进行说明：

步骤S41、驱动模块控制与SOC值或电压值最大的单体电池连接的双通道继电器K导通，与SOC值或电压值最小的单体电池连接的双通道继电器Q导通；

步骤S42、控制模块输出PWM信号控制场效应管VT导通，SOC值或电压值最大的单体电池对电感L2进行充电，电容C对SOC值或电压值最小的单体电池和电感L1进行充电；

步骤S43、电感L2充电完成后，控制模块输出PWM信号控制场效应管VT关断，电感L2对电容C充电，电感L1对SOC值或电压值最小的单体电池充电；

步骤S44、电容C充电完成后，重复步骤S42-步骤S43，直至每个电池单体的SOC值或电压值均不符合均衡条件。

本发明的电池组依据不同的均衡策略，通过开关选择电路组成储能通道，单体电池或电池组的能量抽取到非隔离式均衡器之中储存下来，通过开关选择电路组成放能通道，将非隔离式均衡器之中存储的能量释放给单体电池或电池组。开关选择电路设置的储能和放能通道可以开放给任意需要的单体电池或整个电池组，因此，电池组可以快速高效的实现电池组的充放电均衡。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池组均衡电路，其特征在于：包括电池组电路、开关选择电路、均衡器电路和测控单元，

所述电池组电路包括n个单体电池E1-En，其中n≥1；

所述开关选择电路与所述电池组电路连接；

所述测控单元包括控制模块、驱动模块、电压检测模块和电流检测模块，所述电压检测模块连接每个所述单体电池，用于检测每个单体电池的电压，所述电流检测模块连接所述均衡器电路，用于检测均衡电流，所述控制模块分别与所述均衡器电路、所述驱动模块、所述电压检测模块和所述电流检测模块连接，所述驱动模块连接所述开关选择电路，所述驱动模块用于根据控制模块来控制均衡单体对应的继电器，所述均衡单体为需要均衡的电池；

所述均衡器电路还连接开关选择电路。

2.根据权利要求1所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述开关选择电路包括第一选择模块和所述第二选择模块，

所述第一选择模块包括m个双通道继电器Q1-Qm，其中m＝n，所述双通道继电器Qi与所述单体电池Ei连接，所述双通道继电器Qi的第一触点与所述单体电池Ei的正极连接构成第一正极通道，所述双通道继电器Qi的第二触点与所述单体电池Ei的负极连接构成第一负极通道，所述双通道继电器Q1-Qm的第一正极通道的引脚均通过第一正极母线与所述均衡器电路连接，所述双通道继电器Q1-Qm的第一负极通道的引脚均通过第一负极母线与所述均衡器电路连接，

所述第二选择模块包括h个双通道继电器K1-Kh，其中h＝n，所述双通道继电器Ki与所述单体电池Ei连接，所述双通道继电器Ki的第一触点与所述单体电池Ei的正极连接构成第二正极通道，所述双通道继电器Ki的第二触点与所述单体电池Ei的负极连接构成第二负极通道，所述双通道继电器K1-Kh的第二正极通道的引脚均通过第二正极母线与所述均衡器电路连接，所述双通道继电器K1-Kh的第二负极通道的引脚均通过第二负极母线与所述均衡器电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述均衡器电路包括场效应管VT、电感L1、电感L2和保护二极管D，场效应管VT的栅极与控制模块连接，场效应管VT的漏极与所述第二正极母线之间连接有电感L2，场效应管VT的漏极与所述第一正极母线之间连接有电感L1，电感L1与电感L2之间串联有电容C，场效应管VT的源极分别与第一负极母线和第二负极母线连接，场效应管VT的漏极与电容C之间的节点与场效应管VT的源极之间连接有保护二极管D，

所述电流检测模块分别连接电感L1和电感L2，用于检测电感L1的电流和电感L2的电流。

4.根据权利要求3所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述控制模块通过输出PWM信号控制场效应管VT的通关占空比以均衡电流。

5.根据权利要求3所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述场效应管VT为P沟道增强型场效应管。

6.根据权利要求1所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述控制模块包括中央处理器或微处理器。

7.根据权利要求1所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述电压检测模块包括电压检测电路，所述电流检测模块包括电流传感器。

8.根据权利要求3所述的一种电池组均衡电路，其特征在于：所述场效应管VT包括P沟道增强型MOS管。

9.一种电池组均衡方法，所述方法应用于权利要求1-7任一项所述的均衡电路，其特征在于：方法包括如下步骤：

步骤S1、设置均衡条件，所述均衡条件包括电池单体的SOC阈值或电压阈值；

步骤S2、采集每个电池单体的电流和电压，并计算电池单体的SOC；

步骤S3、将每个单体电池的SOC值或电压值按照大小依次排列，并判断每个电池单体的SOC值或电压值是否符合均衡条件，若符合均衡条件，则执行步骤S4；若不符合均衡条件，则执行步骤S2；

步骤S4、若电池单体的电压值符合均衡条件，则将SOC值或电压值最大的单体电池与SOC值或电压值最小的单体电池配对进行均衡，直至SOC值或电压值最大的单体电池和SOC值或电压值最小的单体电池处于阈值范围内；

步骤S5、重复执行步骤S2-S4，直至每个单体电池均不符合均衡条件。

10.根据权利要求9所述的一种电池组均衡方法，其特征在于：所述均衡过程包括：

步骤S41、驱动模块控制与SOC值或电压值最大的单体电池连接的双通道继电器K导通，与SOC值或电压值最小的单体电池连接的双通道继电器Q导通；

步骤S42、控制模块输出PWM信号控制场效应管VT导通，SOC值或电压值最大的单体电池对电感L2进行充电，电容C对SOC值或电压值最小的单体电池和电感L1进行充电；

步骤S43、电感L2充电完成后，控制模块输出PWM信号控制场效应管VT关断，电感L2对电容C充电，电感L1对SOC值或电压值最小的单体电池充电；

步骤S44、电容C充电完成后，重复步骤S42-步骤S43，直至每个电池单体的SOC值或电压值均不符合均衡条件。