CN112072734A - 一种针对液态金属电池组的均衡***及方法 - Google Patents

一种针对液态金属电池组的均衡***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种针对液态金属电池组的均衡***及方法，包括液态金属电池、被动均衡电路和主动均衡电路；所述被动均衡电路包括两个串联的二极管，串联的所述二极管与液态金属电池单体并联，所述被动均衡电路用于在单体电池电压达到充电截止电压时对流过液态金属电池的充电电流分流；所述主动均衡电路包括LTC3305芯片、MOSFET和辅助电池，所述LTC3305芯片用于判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，并通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。本发明结合针对单体电池的二极管均流的被动均衡与基于电池组外辅助电池的成组主动均衡，能够实现快速的对液态金属电池组在充放电时的均衡操作。

Description

一种针对液态金属电池组的均衡***及方法
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种针对液态金属电池组的均衡***及方法。
背景技术
无论是维护电网的安全可靠运行、还是更加有效地运用风能、太阳能等清洁能源来解决能源与环境污染问题，大规模的储能***均是一个非常有效的方法。现有的储能方式中，化学储能方式已经是实际运用当中比较成熟的方案，比如铅酸电池、锂离子电池等。但是相对于电网级的大规模储能而言，其要求的成本低、容量大与寿命长的要求仍然难以得到满足。液态金属电池自被发明之日开始便作为解决上述问题的一种新型储能电池而备受关注，其寿命很长，损耗率低，即使每天进行一次充放电操作，持续10年后仍能保有初始容量的99％，使得此种电池十分适合应用于大规模储能***之中。但是，其余的各种因素同时也限制了液体金属电池的大规模应用，其中最大的限制在于液态金属电池组的均衡问题。因为液态金属电池的充电截止电压仅有1.4V，因此需将电池单体串联成组使用，但由于组内各个单电池的制造过程、化学成分的差异，导致了电池单体间容量的差异。当对电池组进行串联充放电时，需采取一些对电池组的均衡保护方法来保障电池单体之间容量的均一，否则就会危害电池的寿命甚至安全性。液态金属电池的大容量、低电压，和工作温度高的特点使得其难以通过现有方案得到有效均衡。
现有的均衡电路的均衡速率难以达到在特定充放电时间内均衡液态金属电池大容量的要求，同时电池电压低，直接单电池进行均衡电路设计和器件选择都具有困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对液态金属电池组的均衡***及方法，结合针对单体电池的二极管均流的被动均衡与基于电池组外辅助电池的成组主动均衡，能够实现快速的对液态金属电池组在充放电时的均衡操作。
本发明提供了如下的技术方案：
一种针对液态金属电池组的均衡***，包括液态金属电池、被动均衡电路和主动均衡电路；
所述被动均衡电路包括两个串联的二极管，串联的所述二极管与液态金属电池单体并联，所述被动均衡电路用于在单体电池电压达到充电截止电压时对流过液态金属电池的充电电流分流，降低其充电速率并保证此液态金属电池电压不会超过充电截止电压；
所述主动均衡电路包括LTC3305芯片、MOSFET和辅助电池，所述辅助电池作为电压基准源，所述LTC3305芯片用于判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，并通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。
优选的，单个所述二极管的正向导通压降为0.7V，当液态金属电池单体充电过程中电压率先达到1.4V时，所述二极管的并联回路导通，对此电池单体的充电电流进行分流，降低其充电速率并保证此电池电压不会超过1.4V。
优选的，所述LTC3305芯片的V1-V4引脚分别连接每组被均衡液态金属电池组的正极，所述LTC3305芯片的V1-V4引脚用于将每组被均衡液态金属电池电压与辅助电池电压进行比较；所述辅助电池与每组被均衡液态金属电池形成并联回路，所述并联回路的正负极支路上均设有所述MOSFET，所述LTC3305芯片的AUXP引脚连接至所述辅助电池正极，所述LTC3305芯片的NGATE引脚连接各所述MOSFET并用于发出控制信号控制分别控制MOSFET的通断。
优选的，所述主动均衡电路还包括正温度系数热敏电阻，所述正温度系数热敏电阻串联在所述辅助电池正极，所述正温度系数热敏电阻用于控制回路电流大小。
一种针对液态金属电池组的均衡方法，包括以下步骤：
被动均衡，采用能够流通大电流的两个二极管，每两个串联之后再与电池单体并联，单个二极管的正向导通压降为0.7V，当某个电池单体充电过程中电压率先达到1.4V时，二极管的并联回路导通，对此电池单体的充电电流进行分流，降低其充电速率并保证此电池电压不会超过1.4V，等待其余未充满的电池，从而达到均衡的目的；
主动均衡，采用LTC3305主动均衡芯片，将电压监测、MOSFET驱动功能集于一体，使用外部的辅助电池作为电压基准源，判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。
优选的，所述LTC3305主动均衡芯片可编程选择均衡压差，当芯片监测到被均衡电池与辅助电池的电压差小于选择的选择均衡压差值时均衡结束，并开始针对电池组中下一节单体电池的均衡；当监测到被均衡电池与辅助电池的电压差大于选择的选择均衡压差值时，通过控制***的MOSFET的通断实现能量与电荷的转移，直到电压差小于所选择的均衡压差。
本发明的有益效果是：本发明充放电时针对液态金属电池容量大、电压低的特性采用被动均衡与主动均衡的结合，进一步优化了均衡效果，并采用了集成主动均衡控制芯片，进一步优化了均衡***的结构也增强了均衡***使用的便捷程度，降低了均衡***的开发成本与时间。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的二极管被动均衡方式的连接示意图；
图2是本发明的液态金属电池单体充放电曲线图；
图3是本法名的LTC3305***电路连接示意图。
具体实施方式
如图1-图3所示，本发明设计了一种针对液态金属电池组的均衡方法，该方法结合了针对单体电池的二极管均流的被动均衡与基于电池组外辅助电池的成组主动均衡，能够实现快速的对液态金属电池组在充放电时的均衡操作。
本方案采用被动均衡与主动均衡结合的方式。由液态金属电池单体的充放电特性可以了解到，单体电池的充电截止电压为1.4V，基于此特性，选择了正向导通压降为0.7V、通流能力强的二极管，将两二极管串联后与电池单体并联，便可在单体电池电压达到1.4V时达到两个串联二极管的导通电压，对流过电池的充电电流分流。另外，由于二极管的被动均衡方式均衡速率慢，且仅仅适用于对电池组充电的情况。因此需在此均衡***中另结合一种主动均衡方式加快充电均衡速度并在放电时也能实现均衡。其次，为了增强此均衡***的实用性与便捷度，本方案的设计采用了完全的硬件结构，避免了开发均衡***管理软件的时间与成本，将电池组直接连接到电路板上即可使用。LINEAR公司的LTC3305主动均衡芯片，将电压监测、MOSFET驱动功能集于一体，使用外部的辅助电池作为电压基准源，判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。
具体过程如下：被动均衡电路当中，单个二极管的正向导通压降为0.7V，两个二极管串联之后再与电池单体并联，当某个电池单体充电过程中电压率先达到1.4V时，二极管的并联回路导通，对此电池单体的充电电流进行分流，降低其充电速率并保证此电池电压不会超过1.4V，等待其余未充满的电池，从而达到均衡的目的。主动均衡电路中，此芯片可编程选择均衡压差，当芯片监测到被均衡电池与辅助电池的电压差小于此值时均衡结束，并开始针对电池组中下一节单体电池的均衡；当监测到被均衡电池与辅助电池的电压差大于此值时，通过控制***的MOSFET的通断实现能量与电荷的转移，直到电压差小于所选择的均衡压差。
具体的，图1为二极管均衡电路与液态金属电池组的连接示意图，每个电池单体均并联有两个正向串联的二极管，当电池单体电压达到1.4V时，此并联的二极管回路导通，将电池的充电电流分流，减缓其充电速率等待其余未充满的电池单体，从而达到均衡目的。
图2为液态金属电池单体分别在恒流充电、静置与恒流放电情况下所测得的电压曲线。其中充电截止电压设置为1.4V，放电截止电压为0.4V。
图3为LTC3305芯片与其***的N型MOSFET、辅助电池、PTC(正温度系数热敏电阻)、被均衡电池组的连接示意图。此方案当中，为了符合此芯片的均衡电压范围，使用三节液态金属电池作为一组进行均衡，其中引脚V1、V2、V3与V4分别连接至每组电池的正极，以便通过此引脚将每组电池电压与辅助电池电压进行比较，再由NGATE1-9这9个引脚发出控制信号控制N1-9这9个MOSFET的通断。例如，当第一组电池与辅助电池电压差超出设定的均衡压差时，芯片控制N1、N9与N2、N7导通，此时形成一个回路，通过此回路可进行能量与电荷的转移，其中的PTC作为控制回路电流大小的作用，这样就可使得电池组1得到均衡。
本方案使用了并联二极管分流式的均衡电路，结合LTC3305主动均衡控制芯片。二极管均衡方式中，充电时当某个电池单体达到1.4V的充电截止电压时，并联的二极管支路自动导通对充电电流进行分流，使得其充电速率减缓。以LTC3305为控制芯片的主动均衡电路当中，以三节串联的液态金属电池为一组，LTC3305通过比较每组电池与辅助电池的电压差判断如何控制外部的MOSFET以对电池组进行充放电均衡。此两种均衡方式的结合，能够在低成本、低周期的前提下对液态金属电池组进行有效均衡，克服了以往电路均衡速率低以及液态金属电池电压低的特点，电路简单，成本低，可靠性高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针对液态金属电池组的均衡***，其特征在于，包括液态金属电池、被动均衡电路和主动均衡电路；
所述被动均衡电路包括两个串联的二极管，串联的所述二极管与液态金属电池单体并联，所述被动均衡电路用于在单体电池电压达到充电截止电压时对流过液态金属电池的充电电流分流，降低其充电速率并保证此液态金属电池电压不会超过充电截止电压；
所述主动均衡电路包括LTC3305芯片、MOSFET和辅助电池，所述辅助电池作为电压基准源，所述LTC3305芯片用于判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，并通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。
2.根据权利要求1所述的一种针对液态金属电池组的均衡***，其特征在于，单个所述二极管的正向导通压降为0.7V，当液态金属电池单体充电过程中电压率先达到1.4V时，所述二极管的并联回路导通，对此电池单体的充电电流进行分流，降低其充电速率并保证此电池电压不会超过1.4V。
3.根据权利要求1所述的一种针对液态金属电池组的均衡***，其特征在于，所述LTC3305芯片的V1-V4引脚分别连接每组被均衡液态金属电池组的正极，所述LTC3305芯片的V1-V4引脚用于将每组被均衡液态金属电池电压与辅助电池电压进行比较；所述辅助电池与每组被均衡液态金属电池形成并联回路，所述并联回路的正负极支路上均设有所述MOSFET，所述LTC3305芯片的AUXP引脚连接至所述辅助电池正极，所述LTC3305芯片的NGATE引脚连接各所述MOSFET并用于发出控制信号控制分别控制MOSFET的通断。
4.根据权利要求3所述的一种针对液态金属电池组的均衡***，其特征在于，所述主动均衡电路还包括正温度系数热敏电阻，所述正温度系数热敏电阻串联在所述辅助电池正极，所述正温度系数热敏电阻用于控制回路电流大小。
5.一种针对液态金属电池组的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
被动均衡，采用能够流通大电流的两个二极管，每两个串联之后再与电池单体并联，单个二极管的正向导通压降为0.7V，当某个电池单体充电过程中电压率先达到1.4V时，二极管的并联回路导通，对此电池单体的充电电流进行分流，降低其充电速率并保证此电池电压不会超过1.4V，等待其余未充满的电池，从而达到均衡的目的；
主动均衡，采用LTC3305主动均衡芯片，将电压监测、MOSFET驱动功能集于一体，使用外部的辅助电池作为电压基准源，判断被均衡电池与辅助电池之间的电压差，通过控制外部MOSFET的通断控制电荷在辅助电池与被均衡电池之间进行转移，实现电池组的均衡操作。
6.根据权利要求5所述的一一种针对液态金属电池组的均衡方法，其特征在于，所述LTC3305主动均衡芯片可编程选择均衡压差，当芯片监测到被均衡电池与辅助电池的电压差小于选择的选择均衡压差值时均衡结束，并开始针对电池组中下一节单体电池的均衡；当监测到被均衡电池与辅助电池的电压差大于选择的选择均衡压差值时，通过控制***的MOSFET的通断实现能量与电荷的转移，直到电压差小于所选择的均衡压差。
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