CN108667104A - 一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路 - Google Patents

一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路 Download PDF

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Abstract

一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，包括级联的电池单元、均衡电路、控制电路；所述级联的电池单元分为A、B、C三个桥臂，每个桥臂上有2（m+1）节电池，每个桥臂中间连有两个电感元件，A、B、C三个桥臂任意一个桥臂两个电感元件的连接节点，分别连接交流电源三相；所述均衡电路包括全桥模块，全桥模块与电池相连；所述级联的电池单元左边连有大电容C和直流电源Udc；所述控制电路连接级联的电池单元。采用本发明，电池可任意选择交流电网或者直流电网进行连接，连接于交流电网时可通过全桥控制电路进行整流后给电池充电。在充电过程、静置过程、使用过程中均可对电池组进行电量均衡。有效延长了电池组的使用寿命并且保障了使用的安全性。

Description

一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路
技术领域
本发明涉及电池组双端充电及均衡的技术领域，具体涉及一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路。
背景技术
电池技术的发展使其快速地应用于各种领域，其中动力锂离子电池对推进新能源汽车、新能源发电等的发展具有重要的工程应用价值，但受限于单节锂离子电池的电压和容量特性，通常需要多节单体电池串并联组成动力电池组。由于各个电池的化学特性不可避免地存在差异，再加上老化、温度、电流等因素的影响，使电池差异性逐渐增大，某些电池单体的剩余容量偏高和某些电池单体的剩余容量偏低，严重影响电池组容量和电池安全。国内外学者均提出了自己的解决方案，如针对个别电池单体剩余容量偏高的情况，提出了并联电阻分流法，通过控制MOSFET、IGBT等器件将剩余容量偏高的电池通过电阻消耗能量，该方法造成了能量的浪费，并且由于电阻发热导致温度上升，增加了电池热管理***的负荷。也有研究者提出了基于boost-buck电路的均衡法、使用变压器的均衡法等均衡电路，这些电路大量使用了变压器、电感等原件，增加了均衡电路的体积、成本以及控制的复杂程度。
目前锂离子电池组均衡的方法，主要有基于电压的均衡方法，例如：电流分流法和能量转移法，能量转移法按使用的储能原件主要分为：电感式、电容式和变压器式和荷电状态(State of Charge, SOC)均衡法，SOC均衡法是通过动态检测单体电池SOC，当出现SOC不一致时，自动启用均衡***对电池充放电，直到达到相同SOC，实现电池组均衡。
发明内容
为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供了一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，通过在电池组的电池管理***（BMS）中采用一种交直流充电电路和均衡电路，来保证电池组中的单体在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善电池组使用后不均衡的现象。提高电池组的可用容量，减小电池组的维护周期，延长电池组的使用寿命，降低电动汽车、混合动力汽车以及电池蓄能电站的运行成本。
本发明采取的技术方案为：
一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，在充电过程中，锂电池组任意选择与交流电网或直流电网直接相连；若连接交流电网，则先通过整流模块后给锂电池组充电；若连接直流电网，则直接给锂电池组充电；当锂电池组任何一个或者多个电池单体能量过高时，通过均衡电路将一个或者多个能量过高的电池单体能进行旁路处理。
在放电过程中，当锂电池组一个或多个电池单体能量过低时，首先检测是否有能量充足的部分，若有则通过开关器件与左端的大电容连接，将能量转移至大电容，然后通过大电容给能量过低的部分充电；从而将任意锂电池组的能量给能量过低的部分进行均衡充电；当锂电池组整体能量均不高时，通过开关器件将其进行旁路处理，防止过度放电导致电池损坏。
一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，包括：
级联的电池单元、均衡电路、控制电路；
所述级联的电池单元分为A、B、C三个桥臂，每个桥臂上有2（m+1）节电池，每个桥臂中间连有两个电感元件，A、B、C三个桥臂任意一个桥臂两个电感元件的连接节点，分别连接交流电源三相；
所述均衡电路包括全桥模块，全桥模块与电池相连；
所述级联的电池单元左边连有大电容C和直流电源Udc；
所述控制电路连接级联的电池单元。
所述电池单元总数为6（m+1），m为正整数；以桥臂A为例，锂电池组上半部分电池单元从上至下分别命名为SM1、SM2……SMm、SMm+1；锂电池组下半部分电池单元从上至下分别命名为SMm+1、SMm……SM2、SM1；上半桥的电池单元SM1的正极接VCC，下半桥的电池单元SM1的负极接GND。
所述全桥模块包括多个全桥控制电路，每一个电池单元与一个全桥控制电路串联，中间并连有小电容。
所述控制电路包括微控制器、IGBT驱动电路，微控制器连接IGBT驱动电路，通过微控制器控制IGBT驱动电路，给IGBT管的门极提供驱动电压或者关断电压，IGBT开启或者关闭，对电池电量进行均衡。
与现有技术相比，本发明一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，锂电池组可任意选择从交流或直流电网中获取能量。本发明在锂电池组电池管理***中采用上述无损动态电池均衡技术，锂电池组中的电池单元如果出现电量不均衡的现象，通过控制电路控制均衡电路中IGBT管的通断与电容的储能作用，可以将电量传递给其他的电池单元，也可以从其他电池单元获得能量，改善锂电池组不均衡的现象，提高锂电池组的可用容量，延长锂电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站中蓄电池储能***的成本。
本发明一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，电池可任意选择交流电网或者直流电网进行连接，连接于交流电网时可通过全桥控制电路进行整流后给电池充电。在充电过程、静置过程、使用过程中均可对电池组进行电量均衡。有效延长了电池组的使用寿命并且保障了使用的安全性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1（a）是本发明一种电池组交直流充电及主动均衡电路的原理图。
图1（b）是以6节电池为例的桥臂内部及两桥臂之间的电池连接图。
图1（c）是本发明的控制电路控制原理图。
图2(a) 是以单节电池为例的交流充电过程中电压相位0-π时整流工作过程原理图。
图2(b) 是以单节电池为例的交流充电过程中电压相位π-2π时整流的工作过程原理图。
图2(c) 是交流充电过程中电压相位图。
图3是以单节电池为例的电池旁路的工作过程原理图。
图4是以两节电池为例的并联电池自均衡工作过程原理图。
图5（a）是电池通过开关器件将能量转移到大电容的原理图。
图5（b）是电池从大电容获取能量的原理图。
具体实施方式
一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，在充电过程中，锂电池组任意选择与交流电网或直流电网直接相连；若连接交流电网，则先通过整流模块后给锂电池组充电；若连接直流电网，则直接给锂电池组充电；当锂电池组任何一个或者多个电池单体能量过高时，通过均衡电路将一个或者多个能量过高的电池单体能进行旁路处理。
在放电过程中，当锂电池组一个或多个电池单体能量过低时，首先检测是否有能量充足的部分，若有则通过开关器件与左端的大电容连接，将能量转移至大电容，然后通过大电容给能量过低的部分充电；从而将任意锂电池组的能量给能量过低的部分进行均衡充电；当锂电池组整体能量均不高时，通过开关器件将其进行旁路处理，防止过度放电导致电池损坏。
一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，包括：级联的电池单元、均衡电路、控制电路；
所述级联的电池单元分为A、B、C三个桥臂，每个桥臂上有2（m+1）节电池，每个桥臂中间连有两个电感元件，A、B、C三个桥臂任意一个桥臂两个电感元件的连接节点，分别连接交流电源三相；
所述均衡电路包括全桥模块，全桥模块与电池相连；
所述级联的电池单元左边连有大电容C和直流电源Udc；
所述控制电路连接级联的电池单元。
所述电池单元总数为6（m+1），m为正整数；以桥臂A为例，锂电池组上半部分电池单元从上至下分别命名为SM1、SM2……SMm、SMm+1；锂电池组下半部分电池单元从上至下分别命名为SMm+1、SMm……SM2、SM1；上半桥的电池单元SM1的正极接VCC，下半桥的电池单元SM1的负极接GND。电池单元数量不做限制，但是随着电池单元数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，IGBT管的开关频率可能达不到要求，对储能电容的要求也会相应提高，应当据实际情况选择。
所述全桥模块包括多个全桥控制电路，每一个电池单元与一个全桥控制电路串联，中间并连有小电容。
如图1（c）所示，所述控制电路包括微控制器、IGBT驱动电路，微控制器连接IGBT驱动电路，通过微控制器控制IGBT驱动电路，通过对控制电路中的微控制器编程，来分析当前电池的电量，并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路。给IGBT管的门极提供驱动电压或者关断电压，使得IGBT管按照实际需求开启或者关闭，达到对电池电量进行均衡的目的。
充电及均衡电路的工作原理如下：
如图1（a）、图1（b）所示，在充电过程中，锂电池组可依据实际情况选择从交流电网或直流电网获取能量，从直流电网获取能量时，电流通过二极管D1、二极管D4流经电池两端，可直接给电池充电。
如图2（a）、图2（b）所示，当电池接入交流电网时，可通过全桥控制电路整流。交流电周期处于0-π时，电压为正，电流从a点流入，经过二极管D1流向电池正极后经D4二极管从b点流出；周期在π-2π时，电压为负，电流从b点流入，经过二极管D3流向电池正极后，经过D2二极管，从a点流出。
当电池在充电过程中，发生单体电池单元电量过高的情况时，如图3所示，可以通过均衡电路将该电池旁路。电流经a点流入全桥控制电路，流经二极管D1后，将IGBT管T3开通，电流经由IGBT管T3从b点流出。从而达到旁路电池的目的。
锂电池组如果发生两个桥臂之间单体电池单元不均衡时，可通过将两个单体电池单元并联后自然均衡，***将分析每节电池单元电量，通过对比，检测出桥臂上电量最高的电池单体与相临桥臂上电量低的单体电池单元进行均衡。
如图4所示，电量高的电池与电量低的电池并联，电流通过IGBT管T1开关，从a点流出从另一边的a点流入，经由二极管D1，流向电量低电池的正极，然后通过二极管D4从b点流出，完成能量的转换。
还可通过将能量转移至并联电容完成任意单体之间的能量转移，从而达到均衡的目的，如图5（a）所示，若检测出任意单体电池单元能力高于平均水平，则通过控制IGBT管将该单体电池单元的能量转移至并联电容。电流从能量高的单体电池单元正极通过IGBT管T1开关从a点流出连接到电容的正极，然后从b点经过IGBT管T4开关流回电池负极，完成能量的转移过程。
当检测出任一单体电池单元电量过低时，可将电容中储存的电量转移回电池，如图5（b）所示，电流从电容正极流入a点，通过二极管D1流入电池正极后经过二极管D4从b点流出，完成能量转移。
一种用于锂电池组双端充电及电量均衡电路的控制方法，控制电路通过控制IGBT管的开通与关断从交流电网获取能量时，电流通过二极管D1、二极管D4流经电池两端，可直接给电池充电；电池接入交流电网时，可通过全桥控制电路整流；交流电周期处于0-π时，电压为正，电流从a点流入，经过二极管D1流向电池正极后经D4二极管从b点流出；周期在π-2π时，电压为负，电流从b点流入，经过二极管D3流向电池正极后，经过D2二极管，从a点流出；
当电池在充电过程中，发生电池单元电量过高的情况时，控制电路控制均衡电路将该电池旁路，电流经a点流入全桥控制电路，流经二极管D1后，将IGBT管T3开通，电流经由IGBT管T3从b点流出；
两个桥臂间电池单元不均衡时，通过将两个电池单元并联后自然均衡，控制IGBT管使电量高的电池与电量低的电池并联，电流通过IGBT管T1开关，从a点流出从另一边的a点流入，经由二极管D1，流向电量低电池的正极，然后通过二极管D4从b点流出，完成能量的转换。
本发明提出的均衡电路并联有一个大电容，若检测出任意单体电池单元能力高于平均水平，则通过控制IGBT管将该电池的能量转移至并联电容。电流从能量高的电池单体正极通过IGBT管T1开关从a点流出连接到电容的正极，然后从b点经过T4开关流回电池负极，完成能量的转移过程。当检测出任意电池单体电量过低时，可将电容中储存的电量转移回电池，如图5（b）电流从电容正极流入a点，通过二极管D1流入电池正极后经过二极管D4从b点流出，完成能量转移。这样通过电容均衡的方式不仅可以减少能量损失还可以精确均衡每节单体电池。
本发明采用电池单体子模块级联的方式，每个单体电池单元连接有一个全桥控制电路，通过控制IGBT管的通断与占空比，可以精确的均衡每节电池单元，从而使整体的均衡过程更精准、方便。

Claims (6)

1.一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，其特征在于：
在充电过程中，锂电池组任意选择与交流电网或直流电网直接相连；
若连接交流电网，则先通过整流模块后给锂电池组充电；
若连接直流电网，则直接给锂电池组充电；
当锂电池组任何一个或者多个电池单体能量过高时，通过均衡电路将一个或者多个能量过高的电池单体能进行旁路处理。
2.一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，其特征在于：
在放电过程中，当锂电池组一个或多个电池单体能量过低时，首先检测是否有能量充足的部分，若有则通过开关器件与左端的大电容连接，将能量转移至大电容，然后通过大电容给能量过低的部分充电；从而将任意锂电池组的能量给能量过低的部分进行均衡充电；
当锂电池组整体能量均不高时，通过开关器件将其进行旁路处理，防止过度放电导致电池损坏。
3.一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，其特征在于包括：
级联的电池单元、均衡电路、控制电路；
所述级联的电池单元分为A、B、C三个桥臂，每个桥臂上有2（m+1）节电池，每个桥臂中间连有两个电感元件，A、B、C三个桥臂任意一个桥臂两个电感元件的连接节点，分别连接交流电源三相；
所述均衡电路包括全桥模块，全桥模块与电池相连；
所述级联的电池单元左边连有大电容C和直流电源Udc；
所述控制电路连接级联的电池单元。
4.根据权利要求3所述一种锂电池组交直流充电及主动均衡电路，其特征在于：
所述电池单元总数为6（m+1），m为正整数；以桥臂A为例，锂电池组上半部分电池单元从上至下分别命名为SM1、SM2……SMm、SMm+1；锂电池组下半部分电池单元从上至下分别命名为SMm+1、SMm……SM2、SM1；上半桥的电池单元SM1的正极接VCC，下半桥的电池单元SM1的负极接GND；
所述全桥模块包括多个全桥控制电路，每一个电池单元与一个全桥控制电路串联，中间并连有小电容；
所述控制电路包括微控制器、IGBT驱动电路，微控制器连接IGBT驱动电路，通过微控制器控制IGBT驱动电路，给IGBT管的门极提供驱动电压或者关断电压，IGBT开启或者关闭，对电池电量进行均衡。
5.一种用于锂电池组双端充电及电量均衡电路的控制方法，其特征在于：
控制电路通过控制IGBT管的开通与关断从交流电网获取能量时，电流通过二极管D1、二极管D4流经电池两端，可直接给电池充电；电池接入交流电网时，可通过全桥控制电路整流；交流电周期处于0-π时，电压为正，电流从a点流入，经过二极管D1流向电池正极后经D4二极管从b点流出；周期在π-2π时，电压为负，电流从b点流入，经过二极管D3流向电池正极后，经过D2二极管，从a点流出；
当电池在充电过程中，发生电池单元电量过高的情况时，控制电路控制均衡电路将该电池旁路，电流经a点流入全桥控制电路，流经二极管D1后，将IGBT管T3开通，电流经由IGBT管T3从b点流出；
两个桥臂间电池单元不均衡时，通过将两个电池单元并联后自然均衡，控制IGBT管使电量高的电池与电量低的电池并联，电流通过IGBT管T1开关，从a点流出从另一边的a点流入，经由二极管D1，流向电量低电池的正极，然后通过二极管D4从b点流出，完成能量的转换。
6.如权利要求5所述一种用于锂电池组双端充电及电量均衡电路的控制方法，其特征在于：若检测出任意单体电池单元能力高于平均水平，则通过控制IGBT管将该单体电池单元的能量转移至并联电容；电流从能量高的单体电池单元正极通过IGBT管T1开关从a点流出连接到电容的正极，然后从b点经过IGBT管T4开关流回电池负极，完成能量的转移过程；
当检测出任一单体电池单元电量过低时，可将电容中储存的电量转移回电池，电流从电容正极流入a点，通过二极管D1流入电池正极后经过二极管D4从b点流出，完成能量转移。
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