CN109428361A - 一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器 - Google Patents

Abstract

一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，涉及电池管理技术领域，包括方波信号发生器、电子开关、脉冲整形与驱动电路、脉宽控制电路、相对电压比较与模糊控制电路、同步整流控制电路以及换能电路。通过实时检测和控制相邻电池相对电压差，实时介入和实现电能转移式均衡功能，与单体电池实际电压及电池组状态无关，串连电池数量任意，均衡电流大小根据相对电压差自动调节，双向同步整流技术使均衡电流和效率大幅度提高，解决电池组因不一致性问题引起使用寿命短的难题，有效控制电池组的快速衰减和热失控。成本低廉，有效均衡时间长，提高电池容量的利用率，特别适用于大容量动力锂电池组、单体2V铅酸蓄电池组及超级电容器组等。

Description

一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，特别涉及一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器。

背景技术

在纯电动汽车、插电式混合动力汽车、机车、船舶、储能电站等大功率动力电池组应用领域，电池组都是其关键能量来源。而动力电池组均采用相同设计参数的单体电池通过串并联方式构成，受生产工艺、充放电参数、环境温度等因素影响，电池组在运行一段时间后会逐渐产生不一致性问题，主要表现在电压、内阻、自放电率、容量等主要参数的明显差异上，特别是电压和容量的差异表现最为明显，并且呈加速趋势，这种情况轻则导致电池组有效容量快速衰减、输出功率快速下降，严重影响设备正常运行、缩短电池组的循环使用寿命，重则危及电池组及设备的运行安全。

为了控制电池组的不一致性问题，普遍采用电池间均衡的方法。已知的均衡方法包括被动均衡和主动均衡。被动均衡多采用电子开关加电阻耗能的方法，但由于其浪费电能、均衡电流小、均衡速度慢、均衡发热、只能用于充电期间均衡，不适宜用在对均衡电流和均衡速度要求较高的大功率动力电池组上；已知的主动均衡方法通过电容、电感、变压器等储能器件进行电能转移，但大多只能进行充电均衡，防止小容量电池过充电，不能进行电池组的放电均衡，小容量电池过放电的问题未能解决。同时具有充电均衡和放电均衡功能的主动均衡技术多采用DC/DC模块、辅助电源及专用芯片，对电池串数适应性差，特别是较高的成本使其难以普及。

已知的现有电池主动均衡技术，在电池不一致性检测方面通常采用电压差检测或SOC差检测，电压差检测需要进行电压绝对值检测，再与基准电压进行比较，当电压差超过某一阀值时启动均衡，当电压差低于某一阀值时关闭均衡，这种方式虽然简单易实现，但是由于采用绝对电压差控制，均衡介入得晚，造成有效均衡时间过短，均衡效率低，同时由于介入均衡时的电压差大，均衡电流要很大才能满足均衡需要，对设备及器件的设计要求较高。另外，对于放电电压平稳期的动力锂电池类，几十毫伏的电压差，相差的有效容量是非常大的，可能会发生因电压差过小无法启动均衡的问题，只有在充放电末期，存在较大差异的电池间的电压差才会大于设定电压差，启动均衡，又因充放电末期持续时间短，因此有效均衡时间很短，导致均衡效果差。对于采用SOC差检测和控制的方法，也存在均衡启动晚和关闭早的问题，而且这种方案同样存在设计复杂、成本高的问题。

已知的主动电池均衡技术，通常需要使用续流二极管进行电能交换或转移，实现均衡功能。由于二极管存在较大的导通压降，在大电流均衡时损耗较大，均衡效率较低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：以相邻电池间的相对电压差为检测和控制对象，与内置基准电压差进行比较，当检测到相邻电池间的相对电压差高于内置基准电压差时启动均衡，采用微损耗换能转移式电池均衡技术在大小容量电池间或高低电压电池间进行电能转移实现均衡，均衡电流大小与相邻电池间的相对电压差大小密切相关，当相邻电池间的相对电压差增大时，自动增大驱动信号有效占空比，提高均衡电流；当相邻电池间的相对电压差减小时，***自动减小驱动信号有效占空比，降低均衡电流，因内置基准电压差为毫伏级，故均衡介入时机为实时介入，属于实时均衡，当相邻电池间的相对电压差与内置基准电压差相同时，自动关闭均衡，***进入微功耗待机检测状态，是一种典型的主动均衡方案。基于此方案，充电期间，智能调整不同容量电池的充电电流，主动提高大容量电池的充电电流，降低小容量电池的充电电流，即不一致电池的充电电流各不相同，实行差异化电流充电，实现充电期间至充电结束时所有电池都充满电，小容量电池不易发生过充电；放电期间，自动调整不同容量电池的放电电流，自动提高大容量电池的放电电流，降低小容量电池的放电电流，即不一致电池的放电电流各不相同，实行差异化电流放电，实现放电期间至放电结束时所有电池都能放完电，小容量电池不易发生过放电。有效解决了经均衡充电器充电后的小容量电池易发生过放电的问题。

本发明采用双向同步整流方案，采用特殊的双向同步整流驱动方案取代通过同步整流专用驱动芯片提供同步整流驱动信号，利用作为主开关管的场效应管导通电阻、导通压降和导通损耗非常小的特点智能取代同步整流专用开关管，不仅实现了微损耗均衡目的，而且省略了同步整流专用芯片和独立开关管，简化了设计，降低设备成本，还提高了均衡电流和均衡效率，减少电能损耗。

本发明以基本单元为基础，为完整***，实现对相邻电池均衡，电池组(包)中通常需要使用多个基本单元，各基本单元之间既相互独立，又相互协作。因此既能实现电池组(包)内均衡，也能实现电池组(包)间均衡。均衡单元采用电池自体供电，无需外部电源或辅助电源，既简化设计，又降低硬件成本。由于电池组(包)的不一致性具有典型的离散分布性和明显的电压不平衡性，电池间的电压差从几毫伏到几十毫伏不等甚至更高，因此在本发明电池均衡器的介入下，每节电池的充放电电流都不相同，电池均衡优势明显，能最大程度实时保持每节电池的电压都基本相同，电池组处于最优状态。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于单体电芯串联电池组的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，包含以下七部分功能电路，分别为方波信号发生器、电子开关、脉冲整形与驱动电路、脉宽控制电路、相对电压比较与模糊控制电路、同步整流控制电路及换能电路。其中，方波信号发生器分别与电子开关和脉宽控制电路连接；相对电压比较与模糊控制电路除了同脉宽控制电路连接外，还与电子开关和同步整流控制电路连接；电子开关还与同步整流控制电路以及脉冲整形与驱动电路连接；脉冲整形与驱动电路电路还与换能电路连接。其特征在于：

(1)每个电池均衡器都具有相同的电路结构，是独立、完整的***，用于两节相邻电池均衡，电池串联数量大于2节时，通过级联方式实现整组电池均衡，均衡器数量为电池数量减1，电池串联数量不受限制。

(2)每个电池均衡器检测和控制的是相邻电池的相对电压差，与单体电池的实际电压无关。

(3)均衡电流大小根据相对电压差自动调节，相对电压差小则均衡电流自动减小，相对电压差大则均衡电流自动增大。

(4)换能电路中的场效应管Q1为P沟道场效应管，场效应管Q2为N沟道场效应管，均具有双向同步整流功能，换能器件采用电感线圈。

(5)实时介入，实时进行电能转移式均衡，与电池组所处状态无关。

本发明的有益效果具体如下：

以相邻电池间的相对电压差是否与设定基准电压差相同作为均衡开启与停止条件，与单体电池的实际电压无关，均衡实时介入，有效均衡时间长，解决了以电池电压或剩余电量SOC为均衡开启与停止条件所带来的有效均衡时间短，均衡效率低的问题。当相邻电池间的相对电压差大于设定基准电压差时自动开启均衡，并且均衡电流大小与相对电压差大小自适应，相对电压差小则均衡电流自动减小，相对电压差大则均衡电流自动增大。使用电感作为换能器件，采用场效应管自体双向同步整流技术，不仅免去同步整流专用驱动芯片和独立同步整流场效应管，简化了设计，显著降低设备成本，而且具有均衡电流范围大、均衡效率高的优点；***工作电源直接取自电池组本身，无需其它任何辅助电源，结构简单，使用管理方便。

电池组充电时，小容量电池的电压上升速度快，大容量电池的电压上升速度慢，在本发明均衡器的介入下，主动降低小容量电池的充电电流，降低的充电电流通过均衡器转换，转移到大容量电池中，为大容量电池提供一个叠加充电电流，用来提高大容量电池的充电电流，使不同容量电池的电压上升速度基本相同，能最大限度地保证所有电池都同时充满电，彻底解决了小容量电池容易过充电和大容量电池充不满电的难题，提高电池组的充电容量、使用寿命和安全性。

电池组放电时，小容量电池的电压下降速度快，大容量电池的电压下降速度慢，在本发明均衡器的介入下，主动提高大容量电池的放电电流，提高的放电电流通过均衡器转换，转移到小容量电池旁路中，为小容量电池提供一个放电补充，用来降低小容量电池的放电电流，减慢电压下降速度，使不同容量电池具有几乎相同的放电时间，不同容量电池的电压下降速度基本相同，能最大限度地使所有电池同时放完电，彻底解决了小容量电池容易过放电、大容量电池电量放不完、有效容量无法得到有效利用的难题，延长电池组有效放电时间，提高大容量电池的容量利用率。

电池组处于充放电恢复期或静止状态时，均衡器根据相邻电池间电压差大小自动调整均衡电流，对高电压电池释放一部分电量，使电压适当降低，低电压电池通过吸收来自高电压电池释放的部分电量电压适当上升，使相邻电池具有相同或相近的电压，均衡结束后，***进入微功耗待机检测状态。

在本发明电池均衡器介入下，当相邻电池间的电压差大于均衡器设定基准电压差(通常在几毫伏以内)时，均衡立即启动，以适合的电流自动调节电池间的电压差使之保持电压均衡，因此电池间的电压差始终处于最小状态。

上述均衡方法和均衡器配合，可以实现大容量、大功率电池组在使用期间全程处于均衡实时介入和高效均衡状态，彻底解决了“落后”电池易发生过充电和过放电严重缩短电池组使用寿命的难题，特别适用于电动汽车、机车、电站、船舶、通讯基站等采用大功率、大容量蓄电池组的场合。本发明设计理念独特，解决了均衡效能与成本的矛盾难题，具有结构简单、均衡电流范围大、有效均衡时间长、均衡效率高、自适应性好、成本低廉等优点，能显著提高动力电池组的使用寿命和性能，特别是能显著控制电池组的衰减速度和热失控问题，具有很强的市场推广前景。

附图说明

图1电池均衡器基本单元结构示意图

图2电池均衡器基本单元与电池组连接示意图

图3电池均衡器换能电路示意图

图4适用于N节串联电池组的电池均衡器与电池组连接示意图

图5适用6节串联电池采用内部级联的均衡器组与电池组连接示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

本发明公布了一种基于单体电芯串联电池组具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，包含方波信号发生器、电子开关、脉冲整形与驱动电路、脉宽控制电路、相对电压比较与模糊控制电路、同步整流控制电路及换能电路等七部分功能电路，如图1所示，其中，方波信号发生器分别与电子开关和脉宽控制电路连接；相对电压比较与模糊控制电路除了同脉宽控制电路连接外，还与电子开关和同步整流控制电路连接；电子开关还与同步整流控制电路以及脉冲整形与驱动电路连接；脉冲整形与驱动电路电路还与换能电路连接。

方波信号发生器产生控制换能电路场效应管工作、并且脉冲宽度受脉宽控制电路控制的脉冲信号。

电子开关的作用，一是在相对电压比较与模糊控制电路控制下，控制输入到脉冲整形与驱动电路的脉冲信号的开启与关闭；二是与同步整流控制电路控制信号共同作用，输出同步整流脉冲信号。

脉冲整形与驱动电路对来自电子开关的脉冲信号进行整形优化和放大处理，满足换能电路场效应管驱动信号与双向同步整流脉冲信号的要求。

脉宽控制电路控制方波信号发生器，使其产生跟随相对电压差变化、脉冲宽度自动调整的方波信号。

相对电压比较与模糊控制电路实时检测相邻电池相对电压差大小与方向，相对电压差既可以是正值，也可以是零或者负值，并与设定基准电压差比较，产生模糊控制信号，分别控制电子开关、脉宽控制电路以及同步整流控制电路，使之协同工作。

同步整流控制电路通过控制电子开关，输出与换能电路场效应管驱动信号同步的双向同步整流脉冲信号。

换能电路是具体换能执行电路，通过两只场效应管的规律性开启与关闭，借助电感实现电能在相邻电池间转移。

以下结合附图对本发明的特征进行详细说明：

(1)每个电池均衡器都具有相同的电路结构，是独立、完整的***，用于两节相邻电池均衡，无需其它任何附属装置。三条连接线连接在两节相邻电池的首尾及中间连接点，如图2；当电池串联数量大于2节时，通过级联方式实现电池组均衡，均衡器数量为串联电池数量减1，电池串联数量不受限制，如图4。这里所述的电池既可以是单体电池，也可以是多个单体电池并联。

(2)每个电池均衡器检测和控制的是相邻电池的相对电压差，与单体电池的实际电压无关。由于相邻电池的电压值是不断变化的，具有不确定性，因此，相对电压差可以是正值、零或者负值，电池组在充电、放电、充放电恢复期或者静止时，单体电池电压变化幅度较大，采用相对电压差检测和控制有利于简化设计，降低设备成本。

(3)均衡电流大小根据相对电压差自动调节。相对电压差小时，在脉宽控制电路的作用下，方波信号发生器自动减小输出信号占空比，对应场效应管的有效驱动脉冲宽度减小，均衡电流自动减小；相对电压差增大时，方波信号发生器自动增大输出信号占空比，对应场效应管的有效驱动脉冲宽度增大，均衡电流自动增大。

(4)换能电路中的场效应管Q1为P沟道场效应管，场效应管Q2为N沟道场效应管，均具有双向同步整流功能，换能器件采用电感线圈。场效应管的作用是：在一个脉冲周期内，当一个场效应管作为主开关管实现电能提取和转移功能时，另一个场效应管执行同步整流功能，由于两个场效应管功能角色自动转换，因此实现双向同步整流功能，实现一管双功能；电感线圈的作用是临时储存和释放电能。

(5)实时介入，实时进行电能转移式均衡，与电池组所处状态无关。***设定基准电压差为毫伏级，通常在几毫伏以内，当相邻电池间的相对电压差大于几毫伏时均衡立即启动，因此为实时介入，并且与电池组所处状态无关；均衡期间，高低电压电池间的电能流动、电压均衡是均衡器通过转移电能实现的，电能损耗非常小，故为转移式均衡。

下面以2节电池串联电池包为例，对本发明特别是换能电路工作原理进行详细说明：

本发明电池均衡器以基本单元为主，每个基本单元均为完整的均衡***，具备全部功能，原理结构示意图如图1所示；其与电池的连接端有3个，只需将3个连接端连接到电池的相应节点即可，其中均衡器的1端连接电池B1的负极，均衡器的2端连接电池B1的正极及电池B2的负极，均衡器的3端连接电池B2的正极，如图2所示。假设电池B2的电压高于电池B1的电压，在内部各种功能电路的协调配合下，场效应管Q1和Q2交替工作，场效应管Q1负责从电池B2中提取部分电能，并将电能缓存到电感L中，此时，场效应管Q2起同步整流管作用，负责将缓存到电感L中的电能通过场效应管Q2充入到电池B1中，如图3所示，由于场效应管具有导通电阻小、导通压降小的特点，因此与采用续流二极管比较，导通损耗非常小，均衡效率更高，节能明显，具体情形如下：在脉冲的负半周期，场效应管Q1导通、Q2关断，电池B2的部分电能通过场效应管Q1缓存到电感L中，在脉冲的正半周期，场效应管Q1关断、Q2导通，缓存到电感L中的电能依据电感特性，通过场效应管Q2充入到电池B1中，电池B2通过间歇放电，电量减少，电压降低，电池B1通过间歇充电，电量增加，电压升高，随着电池B1和B2之间充放电的不断进行，电池B2和B1的相对电压差逐渐缩小，在相对电压比较与模糊控制电路及脉宽控制电路的作用下，方波信号发生器的输出信号有效占空比自动调整，自动减少场效应管Q1的有效导通时间，自动减少电量的转移量，均衡电流逐渐降低，当电池B2和B1的相对电压差达到设定基准电压差时，均衡结束，***进入微功耗待机检测状态；如果电池B2的电压低于电池B1的电压，均衡过程和原理类似，此时，场效应管Q1和Q2的功能自动互换，具体过程不再赘述。

本发明一个均衡器基本单元只能用于2串电池，如果串联电池的数量大于2节，则均衡器采用级联方式连接，如图4所示，从图中可以看出，均衡器使用数量为电池数量减1，采用级联方式后，既可以实现电池包内均衡，也可以实现电池包间均衡，从而实现整组电池都得到有效均衡，如果全部采用外部级联方式，连接线数量较多，一个电池连接点的连线数量最多为3条，不利于安装和管理，因此，本发明在均衡器使用数量较多时采用均衡器组方式封装，将多个均衡器单元通过拼板方式集成到一块电路板上，在电路板上进行内部级联，以减少外部连接线数量，实现外部连接线数量的最少化，例如应用到6串电池组上的均衡器组，内置5个相同的均衡单元，外部只有7条连接线，如图5所示，每个电池连接点只有1条连接线，非常简洁。均衡器组的内置均衡器基本单元的数量可以根据需要任意拼板和级联。

Claims (6)

1.一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于：包含以下七部分功能电路，分别为方波信号发生器、电子开关、脉冲整形与驱动电路、脉宽控制电路、相对电压比较与模糊控制电路、同步整流控制电路及换能电路；方波信号发生器分别与电子开关和脉宽控制电路连接；相对电压比较与模糊控制电路除了同脉宽控制电路连接外，还与电子开关和同步整流控制电路连接；电子开关还与同步整流控制电路以及脉冲整形与驱动电路连接；脉冲整形与驱动电路电路还与换能电路连接。

2.如权利要求书1所述的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于，每个电池均衡器都具有相同的电路结构，是独立、完整的***，用于两节相邻电池均衡，电池串联数量大于2节时，通过级联方式实现整组电池均衡，均衡器数量为电池数量减1，电池串联数量不受限制。

3.如权利要求书1所述的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于，每个电池均衡器检测和控制的是相邻电池的相对电压差，与单体电池的实际电压无关。

4.如权利要求书1所述的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于，均衡电流大小根据相对电压差自动调节，相对电压差小则均衡电流自动减小，相对电压差大则均衡电流自动增大。

5.如权利要求书1所述的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于，换能电路中的场效应管Q1为P沟道场效应管，场效应管Q2为N沟道场效应管，均具有双向同步整流功能，换能器件采用电感线圈。

6.如权利要求书1所述的具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器，其特征在于，实时介入，实时进行电能转移式均衡，与电池组所处状态无关。