CN203071614U - 一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路，属于电动汽车电池管理技术领域。该均衡电路包括锂离子电池组、充放电开关组单元、充放电总线单元、能量转移电路和均衡控制器。其中，充放电开关组单元将电池组连接到充放电总线单元上，能量转移电路的两侧也连接到充放电总线单元上，均衡控制器与电池组、开关组单元和能量转移电路相连，实时监测锂离子单体电池的电压、控制开关组单元选通需要充放电的锂离子单体电池，并控制能量转移电路实现所选锂离子单体电池的充放电。本实用新型克服了现有动力锂离子电池模块的缺点，具有控制简单，均衡电流大，均衡效率高、成本低的优点。

Description

一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路

技术领域

本实用新型属于电动汽车电池管理技术领域，涉及一种动力锂离子电池模块充放电均衡电路。

背景技术

电动汽车用动力电池模块由单体锂离子电池串联而成，由于单体锂离子电池性能存在不一致性，在充放电时会出现单体电压不一致，从而影响和制约着整个电池模块的充放电能力。在工作中只要有一个单体电池达到充放电电压极限，整个电池模块就要停止充放电，否则单体电池会发生过充或过放，严重影响其寿命。对单体电池进行均衡是解决上述问题的重要途径，这种方法能够更好地发挥电池性能，延长其使用寿命。

现有的均衡电路分为两种：一种是被动均衡电路，也称为能耗型均衡电路，通常采用在单体电池两端并联电阻的方式，通过电阻将电能转换成热能，来达到电压平衡。既消耗了电池模块的能量，又给电池热管理带来了困难，而且效率低下。另一种是主动均衡电路，也即非能耗性均衡电路，按能量转换元件类型可以分为电容均衡电路，电感均衡电路，变压器均衡电路，双向DC-DC均衡电路等四种。电容均衡电路中电流不易控制，开关管分压也造成均衡效果不明显；电感均衡电路只能在相邻的单体电池间进行均衡，其结构复杂，均衡速度受限制；变压器均衡电路有磁饱和和结构复杂的问题；现有双向DC-DC均衡电路也存在各种设计和效率上的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电动汽车动力锂离子电池模块充放电非耗能型均衡电路，以克服现有均衡电路存在的上述不足。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路，包括锂离子电池组、充放电开关组单元，充放电总线单元，能量转移电路和均衡控制器；所述锂离子电池组包含一个以上的锂离子单体电池，通过所述充放电开关组单元连接到所述充放电总线单元上；所述能量转移电路两侧分别与所述充放电总线单元相连；所述均衡控制器分别与所述能量转移单元、所述开关组单元及所述锂离子电池组相连，以控制所述开关组单元选通所需充放电的锂离子单体电池到所述能量转移电路中并进行充放电。

所述充放电开关组单元包含开关数目均等于所述锂离子电池组中锂离子单体电池数目的充电选通开关组和放电选通开关组，且所述充电选通开关组和所述放电选通开关组中的开关均与所述锂离子单体电池一一对应连接。

所述充放电总线单元包括充电总线和放电总线；所述能量转移电路包括电容C、二极管D1和D2、电感L1和L2、以及控制开关SW1、SW2、SW3和SW4；所述电容C通过所述二极管D1后与所述电感L1并联，所述二极管D1的正极与所述电容C相连；所述控制开关SW1和SW2的一端分别与所述电感L1的两端相连，另一端与所述放电总线相连；所述控制开关SW3和SW4的一端分别连接到所述电容C的两端，另一端分别连接到所述电感L2的两端；所述电感L2通过所述二极管D2后连接到所述充电总线上，所述二极管D2的正极与所述电感L2相连。

所述充放电开关组单元、所述充放电总线单元、所述能量转移电路和所述均衡控制器集成在一个IC微处理器中。

所述能量转移电路中的控制开关均由一个MOSFET管和一个导通电压为0.2~0.3V的二极管组成，所述二极管与所述MOSFET管内寄生二极管的极性相反。

所述MOSFET管采用高侧驱动方式驱动。

所述MOSFET管的栅极驱动器为专有芯片或者分立元件电路。

所述均衡控制器包含脉冲控制模块，以通过脉冲控制所述控制开关的开启和关断。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：（1）通过电感作为充放电储能元件，通过电容作为能量缓冲元件，有效的克服了电感均衡在开关开启和关断瞬间感生高压电动势的缺点。（2）通过开关管的开启关断顺序来实现两单体电池的有效隔离，对比常见的变压器隔离的DC-DC方案和变压器方案，省去了复杂的变压器，从而克服了漏磁，磁饱和带来的效率问题，大大简化了结构，提高了效率。（3）对比电容均衡方案，利用电感的自感来给电池充放电，克服了电容均衡时开关管分压造成的效率问题。（4）本实用新型可以只使用一套均衡电路，结构简单，允许大电流均衡，均衡时间短，均衡效率高，大大降低均衡***的成本，易于产业化，有着良好的社会应用前景。

附图说明

图1本实用新型实施例中主动均衡电路的整体结构框图；

图2本实用新型实施例中均衡第一阶段，开关管SW1、SW2开启，SW3、SW4关断时的电流流向示意图；

图3本实用新型实施例中均衡第二阶段，开关管SW1、SW2关断，SW3、SW4开启时的电流流向示意图；

图4本实用新型实施例中均衡第三阶段，开关管SW1、SW2开启，SW3、SW4关断时的电流流向示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐述本实用新型的技术方案。

为了将动力锂离子电池模块的电压不一致性均衡到可以接受的范围内，本实施例提出了如图1所示的动力锂离子电池模块主动均衡电路。该均衡电路包括锂离子电池组、充放电总线单元、充放电开关组单元、均衡控制器和能量转移电路。其中，锂离子电池组包括n个串联的锂离子单体电池C1～Cn，锂离子单体电池的数目n大于1。充放电开关组单元包括放电选通开关组KA和充电选通开关组KB，各开关组均包括n个开关。放电选通开关组KA中的开关KA1～KAn与锂离子电池组中的锂离子单体电池一一对应连接，将各锂离子单体电池连接到放电总线上；充电选通开关组KB中的开关KB1～KBn与锂离子电池组中的锂离子单体电池同样一一对应连接，将各锂离子单体电池连接到充电总线上。

能量转移电路包括电感L1、L2、二极管D1、D2、电容C和开关管SW1、SW2、SW3、SW4。在能量转移电路的放电侧，电容C通过二极管D1后与电感L1并联，二极管D1的正极与电容C相连；开关管SW1和SW2的一端分别与电感L1的两端相连，另一端连接到放电总线上；在能量转移电路的充电侧，开关管SW3和SW4的一端分别连接到电容C的两端，另一端分别连接到电感L2的两端；电感L2通过二极管D2后连接到充电总线上，二极管D2的正极与电感L2相连。

在能量转移电路中，电感L1作为放电电池的储能元件，电感L2作为充电电池的充电元件，电容C作为能量由电感L1向电感L2转移时的能量缓冲元件。开关管SW1～SW4均由一个MOSFET管和一个低导通压降的二极管反向串联而成，从而实现开关的可靠截止，其中二极管的导通电压为0.2~0.3V。四个MOSFET管均以高侧驱动方式驱动，可以采用专有芯片或者分立元件电路作为栅极驱动器。

均衡控制器包括电压采集模块、温度采集模块、过流保护模块、过压欠压保护模块和脉冲控制模块。均衡控制器实时检测并比较锂离子电池组的每个锂离子单体电池的电压，当锂离子单体电池电压出现不一致时，控制充放电开关组单元选通电压过高的锂离子单体电池和电压过低的锂离子单体电池，将电压过高的锂离子单体电池接入到能量转移电路的放电侧，将电压过低的锂离子单体电池接入到能量转移电路的充电侧，并按照特定时序产生脉冲控制信号来控制四个开关管SW1～SW4的开启和关断，以实现高压电池向低压电池充电。均衡控制器可以控制脉冲的产生、停止、频率调制（PFM）和脉宽调制（PWM），并通过对脉冲的控制来控制开关管SW1~SW4的开启和关断。

本实施例中均衡控制器通过开关组KA选出端电压最高的单体电池CELL_H作为放电电池连接到放电总线上，通过开关组KB选出端电压最低的单体电池CELL_L作为充电电池连接到充电总线上后，主动均衡过程开始。整个均衡过程分为三个阶段。

均衡控制器选择开启开关管SW1和SW2，进入主动均衡的第一阶段，如图2所示。此时，由于二极管D1的反向截止作用，其之后的元器件被断开，电流只能由放电电池CELL_H的正极通过电感L1流回放电电池CELL_H的负极，图2中的箭头表示的即是电流的流向。流经电感L1的电流随着开关管SW1、SW2导通的时间线性增大，最大电流取决于开关管SW1、SW2导通的时间。

当电感L1的电流达到要求的电流值时，均衡控制器控制关断开关管SW1和SW2，上述要求的电流值为经验值。此时由于物理条件限制，且以免放电电池CELL_H和充电电池CELL_L直通造成电池模块内部短路，会有一个短暂的死区时间，延时开启开关管SW3和SW4。也就是第一阶段和第二阶段之间会有短暂的缓冲阶段，此时开关管SW1～SW4均关闭。电流由电感L1流向电容C，由于电容允许电流突变，故这个过程是个平顺的过程，电感的电压不会突变。

经过一定延时后，均衡控制器控制开启开关管SW3和SW4，从而进入均衡第二阶段，如图3所示。此时电流一方面继续流向电容C，另一方面流向电感L2，图3中箭头表示的是此时电流的流向。由于电感L1和电容C之间是单向电路，电流不能通过电容C回到电感L1；电感L2和电容C构成振荡电路，电量可以完全由电容C转移至电感L2，也就是电量会在一定时间完全由电感L1转移至电感L2，此时关断开关管SW3、SW4。

均衡控制器控制关断充电侧开关管SW3和SW4后，延时一段时间再开启开关管SW1和SW2。同样的，以免放电电池CELL_H和充电电池CELL_L直通造成电池模块内部短路，上述关断开关管SW3和SW4之后，会有一个短暂的死区时间，延时开启开关管SW1、SW2。也就是均衡第二阶段和均衡第三阶段之间会有短暂的缓冲阶段，此阶段电流由电感L2流向充电电池CELL_L，由于电感L2存在于回路中，这个缓冲阶段也是一个平顺的过程。

放电侧开关管SW1和SW2开启后，进入均衡第三阶段，如图4所示。此时均衡电路的放电侧已经进入下一个均衡周期，也即均衡第一阶段。均衡电路的充电侧进入第三阶段，即电感L2强制给充电电池CELL_L充电，且由于二极管D2的单向导通作用，这个过程是不可逆的，图4中箭头表示的是此时电流的方向。

通过上述过程完成一个充放电均衡过程后，如果电池的一致性仍然不符合要求，将不停地重复第二阶段和第三阶段，也即第二阶段和第三阶段构成一个完整的均衡周期。综上可知，从开始均衡的第一个周期之后，充放电是同时进行的，和现有的很多DC-DC主动均衡方案相比，本实用新型的技术方案节约了将近一半的时间。

上述均衡过程中，均衡控制器控制两组开关管的开启和关断有顺序地进行，实现了放电电池和充电电池的有效隔断。两组开关管在顺序开启时有足够的死区时间，不会同时处于导通的状态，避免了两个单体电池的直连。电容C作为能量缓冲元件，在充电侧开关管SW1和SW2关断的瞬间，构成电感L1电流流经的回路，避免了电感电流的突变，没有电压突变现象，克服了电感式均衡的弱点。

本实用新型可以只使用一套均衡电路，通过均衡控制器对两个开关组内的开关进行选通控制，即可实现具有n个单体电池的电池模块的主动均衡。同时从均衡过程中可以看出，本实用新型有效地实现了脉冲控制的充放电的同步进行，大大提高了均衡效率。本实用新型的动力锂离子电池模块主动均衡电路及其均衡方法具有控制简单，均衡电流大，均衡效率高、成本低的特点，可以实现电池模块内任意两个单体电池间的均衡，在保证电池间高效均衡的前提下，大大降低了均衡***的成本。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：包括锂离子电池组、充放电开关组单元，充放电总线单元，能量转移电路和均衡控制器；

所述锂离子电池组包含一个以上的锂离子单体电池，通过所述充放电开关组单元连接到所述充放电总线单元上；所述能量转移电路两侧分别与所述充放电总线单元相连；

所述均衡控制器分别与所述能量转移单元、所述开关组单元及所述锂离子电池组相连，以控制所述充放电开关组单元选通所需充放电的锂离子单体电池到所述能量转移电路中并进行充放电。

2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：

所述充放电开关组单元包含开关数目均等于所述锂离子电池组中锂离子单体电池数目的充电选通开关组和放电选通开关组，且所述充电选通开关组和所述放电选通开关组中的开关均与所述锂离子单体电池一一对应连接。

3.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述充放电总线单元包括充电总线和放电总线；所述能量转移电路包括电容C、二极管D1和D2、电感L1和L2、以及控制开关SW1、SW2、SW3和SW4；

所述电容C通过所述二极管D1后与所述电感L1并联，所述二极管D1的正极与所述电容C相连；所述控制开关SW1和SW2的一端分别与所述电感L1的两端相连，另一端与所述放电总线相连；

所述控制开关SW3和SW4的一端分别连接到所述电容C的两端，另一端分别连接到所述电感L2的两端；所述电感L2通过所述二极管D2后连接到所述充电总线上，所述二极管D2的正极与所述电感L2相连。

4.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述充放电开关组单元、所述充放电总线单元、所述能量转移电路和所述均衡控制器集成在一个IC微处理器中。

5.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述能量转移电路中的控制开关均由一个MOSFET管和一个导通电压为0.2~0.3V的二极管组成，所述二极管与所述MOSFET管内寄生二极管的极性相反。

6.根据权利要求5所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述MOSFET管采用高侧驱动方式驱动。

7.根据权利要求5所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述MOSFET管的栅极驱动器为专有芯片或者分立元件电路。

8.根据权利要求3所述的动力锂离子电池模块的主动均衡电路，其特征在于：所述均衡控制器包含脉冲控制模块，以通过脉冲控制所述控制开关的开启和关断。

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