CN109347173B - 一种基于开关电容的电池组均衡控制电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于开关电容的电池组均衡控制电路及方法，涉及电池均衡技术领域，***包括N个单体电池串联组成的电池组B、电压采集模块、电压均衡模块和开关信号控制模块，电压均衡模块包括放电控制开关组、充电控制开关组、电容组、和储能控制开关组。方法步骤如下：1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；2.开关信号控制模块找出具有最大电压的单体电池B_x，控制对应的开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关闭合，通过单体电池B_x释放能量给各个电容C_i，电容C_i储存电能；3.开关信号控制模块控制所有的充电控制开关闭合，通过电容C_i释放能量到单体电池B_i中，实现电池组内单体电池均衡。

Description

一种基于开关电容的电池组均衡控制电路及方法

技术领域

本发明涉及电池均衡技术领域，具体涉及一种基于开关电容的电池组均衡控制电路及方法。

背景技术

近年来，由于环保意识增强、自然资源逐渐枯竭和中东地区的不稳定等因素，油价持续上涨，电动汽车的研究受到了越来越多的关注。电池在大多数应用中需要比单一电化学电池更高的电压，所以使用串联的电池组来满足电动汽车中的电压要求，以达到足够的输出电压和输出功率。由于电池组中各个单体电池之间存在不一致，但电池串联形成的电池组经过连续的充放电循环后，各个单体电池的荷电状态会出现严重的不平衡，表现为单体电池之间的电压发散越来越大，这将会对电池造成永久性的损坏。

单体电池的荷电状态不平衡危害的表现可以归纳为四种：第一种是由于过电压导致电池过早退化。一旦电池具有较低的容量，当充电期间它接于越来越高的电压下时，电池容量将降低得更快，因此其容量变得更小。一旦电池容量降低，由不平衡引起的电池退化的影响会自动加速。第二种是过充电电池引起的安全隐患。电池的过度充电和过热导致活性组分与电解质的反应，并最终导致彼此反应，引发***和火灾。第三种是早期充电终止导致容量降低。为保证安全，如果其中一个电池电压超过可编程电池过压阈值，则充电过程结束。第四种是提前放电终止导致电池能量利用率低。为了防止电池的过放电和造成的损坏，如果任何电池单元达到低电压阈值，则放电过程结束。

由于存在上述所提到的问题，锂基串联电池组的均衡化是必要的，以便主要保持电池的能量平衡并延长其寿命。

发明内容

本发明的目的在于：为解决电池组内单体电池之间存在不均衡性，导致电池过早退化、利用率低的问题，提供了一种基于开关电容的电池组均衡控制电路及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于开关电容的电池组均衡控制电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，...，B_n)，还包括：

电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；

开关信号控制模块，用于接收电压数据并找出具有最大电压的单体电池B_x，基于单体电池B_x控制放电控制开关组K-AD、充电控制开关组K-BC和储能控制开关组K-S的开启和关闭；

电压均衡模块，包括放电控制开关组K-AD{[K_1a，K_1d]，[K_2a，K_2d]，...，[K_na，K_nd]}、充电控制开关组K-BC{[K_1b，K_1c]，[K_2b，K_2c]，...，[K_nb，K_nc]}、电容组C(C₁，C₂，...，C_n)和储能控制开关组K-S{[K_2sa，K_2sd][K_3sa，K_3sd]，...，[K_nsa，K_nsd]}，其中：

电容组C，用于储存具有最大电压的单体电池B_x释放的电能及为其他所有不具有最大电压的单体电池充能；

放电控制开关组K-AD，用于在放电阶段，导通所有电容和具有最大电压的单体电池B_x，1≤x≤n；

充电控制开关组K-BC，用于在充电阶段，导通单体电池B_i与电容C_i；

储能控制开关组K-S，用于在放电阶段，使所有电容之间相互并联，构成最大电压电池放电回路。

进一步地，所述电池组均衡控制电路包括放电阶段和充电阶段两种工作状态，在放电阶段，开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，电容C₂至C_n均通过对应的储能控制开关和电容C₁并联，构成最大电压电池放电回路。

进一步地，在充电阶段，所有的充电控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，构成各单体电池的充电回路。

一种基于开关电容的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；

步骤2.开关信号控制模块找出具有最大电压的单体电池B_x，控制对应的放电控制开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关闭合，关断其余开关，单体电池B_x释放能量给各个电容C_i，电容C_i储存电能；其中，1≤i≤n；

步骤3.开关信号控制模块控制所有的充电控制开关闭合，并关断其余开关，通过电容C_i释放能量到单体电池B_i中，实现单体电池均衡。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，电路只使用了开关和电容两种元器件，易于集成化和模块化。

2、本发明中，通过选出最大电压电池，对最大电压电池实施放电操作，等效地实现了最大电压电池向各电池充电，不仅实现了单体电池的电压均衡，还提高了均衡速度。

3、本发明中，电池组均衡控制方法不受电池组内单体电池初始电压分布和需要均衡的单体电池数量影响，与电阻式均衡方法相比，本发明的均衡能量损失更小。

4、本发明中，通过具有最大电压的单体电池向以并联方式进行连接的各个电容进行放电，需要均衡的单体电池的数量越多，所需要的与每个单体电池对应的电容的数量就越多，具有最大电压的单体电池的放电电流也为该单体电池向每个电容进行放电的电流之和。因此，电容数量越多，单体电池的放电电流越大，具有最大电压的单体电池的电压降低得越快。每隔时间T对所有单体电池的电压进行采集、处理，不断选出具有最大电压的单体电池，电池组中的具有大电压的单体电池的电压依次快速减小，且具有小电压的单体电池均被等效地被当前具有最大电压的单体电池进行充电，本方法与经典开关电容法相比，均衡速度不会随着需要均衡的单体电池数量的增加而明显降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的电池均衡控制电路的拓扑结构图；

图2为本发明的电池均衡控制电路第一工作阶段的结构示意图；

图3为本发明的电池均衡控制电路第二工作阶段的结构示意图；

图4为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路的拓扑结构图；

图5为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路第一工作阶段的结构示意图；

图6为本发明的实施例1中的电池均衡控制电路第二工作阶段的结构示意图；

图7为现有技术电池均衡控制电路的数据仿真图；

图8为本发明的电池均衡控制电路的数据仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种基于开关电容的电池组均衡控制电路，如图4所示，包括由3个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，B₃)，还包括电压采集模块、电压均衡模块和开关信号控制模块，单体电池B₁、B₂、B₃的正极和负极均连接电压采集模块。

电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块。本实施中，时间T的取值为1s。

开关信号控制模块，用于接收电压数据并找出具有最大电压的单体电池B_x，基于单体电池B_x控制放电控制开关组K-AD、充电控制开关组K-BC和储能控制开关组K-S的开启和关闭。本实施例中，开关信号控制模块的型号采用f28335，电压采集模块采用电池经过电压霍尔传感器接到单片机F28335的AD采集模块，所有开关均采用MOS管，且开关的门极触发信号均由开关信号控制模块提供。

电压均衡模块包括放电控制开关组K-AD{[K_1a，K_1d]，[K_2a，K_2d]，[K_3a，K_3d]}、充电控制开关组K-BC{[K_1b，K_1c]，[K_2b，K_2c]，[K_3b，K_3c]}、电容组C(C₁，C₂，C₃)和储能控制开关组K-S{[K_2sa，K_2sd][K_3sa，K_3sd]}。其中：

电容组C，用于储存具有最大电压的单体电池B_x释放的电能及为其他所有不具有最大电压的单体电池充能。

放电控制开关组K-AD，用于在放电阶段，导通所有电容和具有最大电压的单体电池B_x，其中，1≤x≤n。

充电控制开关组K-BC，用于在充电阶段，导通单体电池B_i与电容C_i。

储能控制开关组K-S，用于在放电阶段，使所有电容之间相互并联，构成最大电压电池放电回路。

电池组均衡控制电路包括放电阶段和充电阶段两种工作状态，在放电阶段，开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，电容C₂和C₃通过对应的储能控制开关K_2sa、K_2sd、K_3sa和K_2sd与电容C₁并联，构成最大电压电池放电回路。在充电阶段，所有的充电控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，单体电池B₁通过充电控制开关K_1b和K_1c与电容C₁串联，单体电池B₂通过充电控制开关K_2b和K_2c与电容C₂串联，单体电池B₃通过充电控制开关K_3b和K_3c与电容C₃串联，构成各单体电池的充电回路。

一种基于开关电容的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块。

如图4所示，电压采集模块每隔时间T采集一次单体电池B₁、B₂、B₃的电压，并将采集到的所有电压数据(V₁，V₂，V₃)发送至开关信号控制模块。

步骤2.开关信号控制模块找出具有最大电压的单体电池B_x，控制对应的放电控制开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关闭合，关断其余开关，单体电池B_x释放能量给各个电容C_i，电容C_i储存电能。其中，1≤i≤3。

开关信号控制模块接收来自于电压采集模块的所有电压数据，并找出单次接收到的电压数据中的最大电压，得到具有最大电压的单体电池的序号x，开关信号控制模块向序号为x的单体电池B_x所在的放电回路上的开关发出门极触发信号，即闭合放电控制开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关，使电容C₂至C_n通过对应的储能控制开关和电容C₁并联，并使其他单体电池所在的放电回路上的开关处于关断状态，实现序号为x的单体电池B_x所在的回路导通，组成最大电压电池放电回路，保证只有单体电池B_x在放电。由于单体电池B_x向所有电容充电，因此，单体电池B_x的电压将不断减小，所有电容上的电压将不断增加。当电容上的电压与单体电池B_x的电压相等时，单体电池B_x停止放电。

如图5所示，若单体电池B₂的电压最大，则闭合开关K_2a、K_2d、K_2sa、K_2sd、K_3sa和K_3sd，使电容C₁、C₂、C₃相互并联，并使单体电池B₁、B₃所在的放电回路上的开关处于关断状态，实现序号为2的单体电池B₂所在的回路导通，保证只有单体电池B₂在放电。

步骤3.开关信号控制模块控制所有的充电控制开关闭合，并关断其余开关，通过电容C_i释放能量到单体电池B_i中，实现单体电池均衡。

放电结束后，开关信号控制模块控制充电控制开关K_ib和K_ic闭合，并关断其余开关，各电容之间不再并联，各电容变成相互独立的个体，并向对应的单体电池放电。

如图6所示，闭合充电控制开关K_1b、K_2b、K_3b、K_1c、K_2c、K_3c，使其余开关保持在关断状态，此时，电容C₁单独为单体电池B₁充电，电容C₃单独为单体电池B₃充电。由于电容C₂与单体电池B₂的电压相等，因此，在充电阶段，单体电池B₂的电压保持不变。

如图8所示，放电阶段和充电阶段组成一个电池均衡周期，经过多个周期后，具有最大电压的单体电池的电压下降，不具有最大电压的单体电池的电压增加，最终实现整个串联电池组中所有单体电池的电压相等，实现单体电池电压均衡。如图7和图8所示，为6个相互串联的初始电量分别为10％、15％、20％、25％、40％、85％的单体电池在均衡过程中电压随时间的变化图，两图对比可以看出，本方法的均衡速度快于现有技术方案的均衡速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于开关电容的电池组均衡控制电路，包括由N个单体电池串联组成的电池组B(B₁，B₂，...，B_n)，其特征在于，还包括：

电压采集模块，每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将单次采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；

开关信号控制模块，用于接收电压数据并找出具有最大电压的单体电池B_x，基于单体电池B_x控制放电控制开关组K-AD、充电控制开关组K-BC和储能控制开关组K-S的开启和关闭；

电压均衡模块，包括放电控制开关组K-AD{[K_1a，K_1d]，[K_2a，K_2d]，...，[K_na，K_nd]}、充电控制开关组K-BC{[K_1b，K_1c]，[K_2b，K_2c]，...，[K_nb，K_nc]}、电容组C(C₁，C₂，...，C_n)和储能控制开关组K-S{[K_2sa，K_2sd][K_3sa，K_3sd]，…，[K_nsa，K_nsd]}，其中：

电容组C，用于储存具有最大电压的单体电池B_x释放的电能及为其他所有不具有最大电压的单体电池充能；

放电控制开关组K-AD，用于在放电阶段，导通所有电容和具有最大电压的单体电池B_x，1≤x≤n；

充电控制开关组K-BC，用于在充电阶段，导通单体电池B_i与电容C_i，电容C_i为单体电池B_i单独充电，1≤i≤n；

储能控制开关组K-S，用于在放电阶段，使所有电容之间相互并联，构成最大电压电池放电回路。

2.根据权利要求1所述的一种基于开关电容的电池组均衡控制电路，其特征在于，所述电池组均衡控制电路包括放电阶段和充电阶段两种工作状态，在放电阶段，具有最大电压的单体电池B_x对应的放电控制开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，电容C₂至C_n均通过对应的储能控制开关和电容C₁并联，构成最大电压电池放电回路。

3.根据权利要求2所述的一种基于开关电容的电池组均衡控制电路，其特征在于，在充电阶段，所有的充电控制开关均呈导通状态，其余开关均呈关断状态，构成各单体电池的充电回路。

4.一种基于开关电容的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.电压采集模块每隔时间T采集所有单体电池的电压，并将采集到的所有电压数据发送至开关信号控制模块；

步骤2.开关信号控制模块找出具有最大电压的单体电池B_x，控制对应的放电控制开关K_xa、K_xd和所有的储能控制开关闭合，关断其余开关，具有最大电压的单体电池B_x释放能量给互相并联的各个电容C_i，电容C_i储存电能；其中，1≤i≤n；

步骤3.开关信号控制模块控制所有的充电控制开关闭合，并关断其余开关，通过电容C_i释放能量到单体电池B_i中，电容C_i为单体电池B_i单独充电，实现单体电池均衡。

Images