CN205509600U - 一种新型锂电池组双层均衡控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种新型锂电池组双层均衡控制装置，包括依次连接的电池状态监测电路、电池管理控制器和均衡控制电路，所述电池状态监测电路将监测数据发送给所述电池管理控制器，所述电池管理控制器将所述数据进行算法分析后，发送控制信号给所述均衡控制电路，来实现所述锂电池组中单体电池间的能量均衡。同时，所述均衡控制电路包括底层电感均衡电路和顶层电容均衡电路，所述底层电感均衡电路、用于锂电池组内单体电池间的能量转移；所述顶层电容均衡电路、用于锂电池组内电池单元之间的均衡，本实施例采用上、下层均衡电路协调动作，实现锂电池组任两单体电池间以及电池单元间能量的动态转移，提高了整个***的均衡效率。

Description

一种新型锂电池组双层均衡控制装置

技术领域

本实用新型涉及电池组均衡技术领域，特别是涉及一种新型锂电池组双层均衡控制装置。

背景技术

为解决能源危机和环境污染这两个世界各国所面临的难题，新能源汽车在这种背景下应运而生，其中电动汽车由于具有行驶噪声小，排放废热少，结构简单，使用维护方便等一系列优点格外受到人们的关注。但是锂电池组单体电池电压和容量根本无法满足人们对于电动汽车的性能需求，因此需要将其串联为电池组为电动汽车提供能量。

但锂电池组内单体电池间的不一致性依然普遍存在,锂电池的各个参数在生产过程中存在不同大小的差异，这些差异表现为锂电池内阻、容量、开路电压以及充放电电压平台等的不一致。随着锂电池在实际运行中充放电次数的增多，以及温度、自放电等各种因素的影响，这些差异将不断扩大，使得锂电池组电池间的性能差异越来越大，导致电池组中单体电池过充、过放现象，电池组中各单体电池的衰减速度不一致，串联锂电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，故一旦有某个电池出现深度放电，整个电池组就必须停止工作，同样，一旦有某个电池出现过度充电，充电过程也要立即停止，最终导致电池组的使用寿命急剧缩短。

为了实现锂电池组内各节锂电池的输出电压均衡，现有技术中，通常在电池组内单体电池上并联电阻以消耗能量或者是通过继电器控制多路开关实现电压均衡。但是采用并联电阻的方式存在能量浪费及散热性差的问题；采用继电器网络均衡技术，需要变压器的二次绕组对每个单体电池单独充电，二次绕组的一致性需要严格控制，但电感绕组的一致性是非常难于控制，并且均衡的效率较低，不适合于大电流充电时的快速均衡，相邻电池电压差很小时，均衡时间将非常长。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供了一种新型锂电池组双层均衡控制装置，以解决现有技术中的电压均衡方式存在均衡精度低以及效率低的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了如下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种新型锂电池组双层均衡控制装置，包括电池状态监测电路、电池管理控制器和均衡控制电路，其中：

所述电池状态监测电路的输入端与所述锂电池组相连接，用于采集所述锂电池组内每节单体电池的单体电压数据以及每个电池单元的单元电压数据，所述电池单元由两个或两个以上的单体电池串联形成；

所述电池管理控制器的输入端与所述电池状态监测电路的输出端相连接，用于根据所述单体电压数据和所述单元电压数据，输出脉冲信号控制所述均衡控制电路中电力开关管的通断；

所述均衡控制电路的输入端与所述电池管理控制器的输出端相连接、输出端与所述单体电池和所述电池单元相连接，用于根据所述脉冲信号接通或断开相应的充电或放电电路；

所述均衡控制电路包括底层电感均衡电路和顶层电容均衡电路，所述底层电感均衡电路与所述单体电池相连接、用于均衡所述单体电池间的电压，所述顶层电容均衡电路与所述电池单元相连接、用于均衡所述电池单元间的电压。

优选地，所述底层电感均衡电路由多个相同的电感均衡子电路组成，所述电感均衡子电路包括储能电感L、消磁电阻R、NMOS管和PMOS管，其中：

所述NMOS管跨接在第一单体电池的两端，所述PMOS管跨接在第二单体电池的两端，所述第一单体电池和所述第二单体电池为两节相邻的电池；

所述储能电感L的一端连接在所述NMOS管和所述PMOS管之间、另一端连接在所述第一单体电池和所述第二单体电池之间；

所述消磁电阻R与所述储能电感L相并联；

所述NMOS管和所述PMOS管上分别并联有一个电力场效应的二极管。

优选地，所述顶层电容均衡电路包括储能电容、第一MOS管和第二MOS管，其中：

所述储能电容的一侧分别通过所述第一MOS管与所述电池单元的正极相连接、另一侧分别通过所述第二MOS管与所述电池单元的负极相连接。

优选地，所述顶层电容均衡电路还包括第一均衡电阻和第二均衡电阻，其中：

所述第一均衡电阻串联在所述第一MOS管和所述电池单元的正极之间，所述第二均衡电阻串联在第二MOS管和所述电池单元的负极之间。

优选地，所述装置还包括电池保护电路，其中：

所述电池保护电路的输入端与所述电池管理控制器相连接、输出端与所述锂电池组相连接。

优选地，所述储能电感L的电感值为8～12μH。

优选地，所述消磁电阻R的阻值为15～25kΩ。

优选地，所述储能电容的电容值为450～550μF。

优选地，所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻的阻值均为1～3kΩ。

由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的一种新型锂电池组双层均衡控制装置，包括依次连接的电池状态监测电路、电池管理控制器和均衡控制电路，所述电池状态监测电路将监测数据发送给所述电池管理控制器，所述电池管理控制器将所述数据进行算法分析后，发送控制信号给所述均衡控制电路，来实现所述锂电池组中单体电池间能量的精确均衡。

所述均衡控制电路包括底层电感均衡电路和顶层电容均衡电路，所述底层电感均衡电路，以电感作为能量转移媒介，实现所述锂电池组内单体电池间的能量转移；所述顶层电容均衡电路顶，以飞渡电容作为均衡媒介，实现所述锂电池组内电池单元之间的均衡，本实施例简化了***整体结构，从而大大降低实现成本，同时，本实施例采用上、下层均衡电路协调动作，实现锂电池组任两单体间以及电池单元间能量的动态转移，提高了整个***均衡效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种新型锂电池组双层均衡控制装置的基本结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种均衡控制电路的基本结构示意图；

图3为图2中的底层电感均衡电路的基本结构示意图；

图4为图2中的顶层电容均衡电路的基本结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

参见图1，为本实用新型实施例提供的一种新型锂电池组双层均衡控制装置的基本结构示意图，用于锂电池组内的电压均衡控制，所述锂电池组还可以由若干个电池单元串联形成，每个所述电池单元包括三个串联的单体电池，当然，所述电池单元也可以由两个或两个以上的单体电池串联形成。

所述均衡控制装置包括电池状态监测电路1、电池管理控制器2、均衡控制电路3、电池保护电路4和供电***5，其中，电池管理控制器2包括数据处理芯片、数据采集接口、GIPO数据接口以及PWM信号输出接口，所述数据处理芯片采用STM32F103C8T6芯片。

所述电池状态监测电路1的输入端与所述锂电池组相连接，用于采集所述锂电池组内每节单体电池的单体电压数据和所述电池单元的单元电压数据、以及均衡充放电时的电流和电池温度数据。

所述电池管理控制器2的输入端与所述电池状态监测电路1的输出端相连接，用于根据所述单体电压数据和所述单元电压数据，输出PWM脉冲信号控制所述均衡控制电路3中电力开关管的通断、实现所述单体电池和所述电池单元间的能量均衡。同时，还根据所述单体电压数据、电流和电池温度数据，控制所述电池保护电路4中电力开关的通断，以保护所述锂电池组不过充和过放、以及过热保护，其中，所述电池保护电路4通过GPIO接口与所述电池管理控制器2相连接。

同时，所述电池状态监测电路1和电池管理控制器2还连接有供电***5，所述供电***5的输入端与所述锂电池组相连接，用于通过所述锂电池组为所述电池状态监测电路1和所述电池管理控制器2提供电能，与使用附加电源供电相比，可以减少所述双层均衡控制装置的体积。

所述均衡控制电路3的输入端与所述电池管理控制器2的输出端相连接、输出端与所述单体电池和所述电池单元相连接，用于根据所述脉冲信号接通或断开相应的充电或放电电路。

如图2所示，所述均衡控制电路3包括底层电感均衡电路和顶层电容均衡电路，所述底层电感均衡电路与所述单体电池相连接、用于均衡所述电池单元中的单体电池间的电压；所述顶层电容均衡电路与所述电池单元相连接、用于均衡所述电池单元间的电压。

如图3所示，所述底层电感均衡电路由多个相同的电感均衡子电路组成，所述电感均衡子电路包括储能电感L、消磁电阻R、NMOS管和PMOS管。本实施例以其中的一个电感均衡子电路为例，对所述底层电感均衡电路进行详细介绍。

所述电感均衡子电路包括储能电感L₁、消磁电阻R₁、NMOS管M_1-a和PMOS管M_1-b。所述NMOS管M_1-a跨接在第一单体电池B₂的两端，所述PMOS管M_1-b跨接在第二单体电池B₁的两端，所述第一单体电池B₂和所述第二单体电池B₁为两节相邻的电池；所述储能电感L₁的一端连接在所述NMOS管M_1-a和PMOS管M_1-b之间、另一端连接在所述第一单体电池B₂和所述第二单体电池B₁；所述消磁电阻R₁与所述储能电感L₁相并联，用于将所述储能电感L₁存储的剩余能量在电阻中消耗掉；所述NMOS管M_1-a和所述PMOS管M_1-b上分别并联有一个电力场效应的二极管D_1-a和D_1-b。本实施例中，所述储能电感L₁的电感值为8～12μH，所述消磁电阻R₁的阻值为15～25kΩ，但并不限于所述数值范围。

两只电力场效应MOS管M_1-a和M_1-b互配合，控制相邻的所述第一单体电池B₂和所述第二单体电池B₁均衡充电回路的通断；所述电力场效应二极管D_1-a和D_1-b构成均衡放电回路。

假设由所述电池状态监测电路1检测到的所述第二单体电池B₁的电压大于所述第一单体电池B₂的电压、即VB1>VB2，则所述电池管理控制器2通过控制信号使所述PMOS管M_1-b导通，因为所述第二单体电池B₁两端的压差使得回路中产生电流，但由于所述电感L₁的感抗属性，电流不能瞬间最大，而是缓慢上升过程，使所述电感L₁磁通量不断增加，能量得到累积，整个过程实现了所述第二单体电池B₁能量向所述电感L₁的转移，当到达放电截止时间以后，所述电池管理控制器2通过控制使所述PMOS管M_1-b断开所述第二单体电池B₁，但是由于所述电感L₁中储存着大量磁通量，电流不能瞬间降为零，因此其两端产生电压击穿所述二极管D_{1_a}，形成回路，对所述第一单体电池B₂进行充电,从而实现两个单体电池间能量的初步均衡。

相反，如果所述电池状态监测电路1检测到的所述第二单体电池B₁的电压小于所述第一单体电池B₂的电压、即VB1<VB2，则所述电池管理控制器2通过控制信号使所述NMOS管M_1-a导通。

本实施例中，所述底层电感均衡电路以电感作为能量转移媒介，实现电池单元内单体电池间的能量转移,拓扑电流转移路径是双向的，可以实现自上而下或者自下而上的在相邻的两个储能电池单体之间实现能量的双向传递，可以同时对所述电池单元中多个相邻的电池对进行充放电均衡，以便缩短均衡时间，提高均衡效率电路拓扑易于实现，能耗少，适于单体量少的储能电池组的电压均衡。同时，每个电感均衡子电路的工作不受干路电流的影响，因此可在电池组充电、放电或搁置等任意阶段工作。

如图2所示，所述顶层电容均衡电路包括一个储能电容C、多个第一MOS管和多个第二MOS管，所述储能电容C的一侧分别通过所述第一MOS管与所述电池单元的正极相连接、另一侧分别通过所述第二MOS管与所述电池单元的负极相连接,其中，所述第一MOS管和所述第二MOS管可以为型号相同的MOS管。为了保护所述储能电容C，所述顶层电容均衡电路还包括多个第一均衡电阻和多个第二均衡电阻，所述第一均衡电阻串联在所述第一MOS管和所述电池单元的正极之间，所述第二均衡电阻串联在第二MOS管和所述电池单元的负极之间，其中，所述第一均衡电阻和所述第二均衡电子可以为型号相同的电阻。本实施例中，所述储能电容C的电容值为450～550μF，所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻的阻值均为1～3kΩ，但并不限于所述数值范围。

本实施例以其中的两个电容均衡子电路为例，对所述顶层电容均衡电路进行详细介绍。如图4所示，所述储能电容C的一侧分别通过所述第一MOS管S₁和第一电阻R₀₁、与第一电池单元M₁的正极相连接、另一侧分别通过所述第二MOS管S₂和第二电阻R₀₂、与所述第一电池单元M₁的负极相连接；同时，所述储能电容C的一侧分别通过所述第一MOS管S₅和第一电阻R₀₅、与第三电池单元M3的正极相连接、另一侧分别通过所述第二MOS管S₆和第二电阻R₀₆、与所述第三电池单元M3的负极相连接。

假设由所述电池状态监测电路1检测到所述第一电池单元M₁的电压大于所述第三电池单元M3的电压，即VM1>VM3，则所述电池管理控制器2通过控制信号使所述MOS开关S₁和S₂导通，所述第一电池单元M₁给所述储能电容C充电，当到达放电截止时间以后，所述电池管理控制器2通过控制信号使所述MOS开关S₁和S₂断开、并使所述MOS开关S5和S6导通，从而所述储能电容C将能量传递给所述第三电池单元M3，以实现电池单元间的能量均衡。伴随着所述储能电容C周期性充放电的进行，实现电池单元M1和M3之间的电压均衡，从而实现电池单元间能量的再次均衡。

本实施例中，所述顶层均衡电路以为飞渡电容均衡，该均衡技术够实现点对点的能量直接传递，均衡路径短，效率高，适合作为均衡***顶层均衡器使用。当***检测到需要开启电池单元之间的均衡时，则开启电池单元间模式，并判断出当前需要进行均衡的电池单元，并通过输出控制信号控制MOS开关的开或断，从而通过电容的周期性切换实现能量从电压最高储能电池单元点对点的转移到电压最低的电池单元中。

利用本实施例提供的所述双层均衡控制装置，当所述电池状态监测电路1和所述电池管理控制器2检测并分析出需要开启底层均衡时、即电池单元中的单体电池间的电压差异大于第一预设阈值时，则开启所述底层电感均衡电路；间隔一段时间继续检测，当电池单元中的单体电池间的电压差异小于第一预设阈值时，则关闭所述底层电感均衡电路，继而检测是否需要开启顶层均衡、即电池单元间的电压差异是否大于第二预设阈值。当检测并分析到电池单元之间需要进行均衡时、即电池单元间的电压差异大于第二预设阈值时，则开启所述顶层均衡电路，以此实现整个锂电池组内电池单元间的能量均衡。

其中，所述第一预设阈值和所述第二预设阈值，可以根据实际需要自行设定，本实施例在此不做限定。

本实施例中，所述底层电感均衡电路和所述顶层电容均衡电路通过CAN总线实时进行数据传输，上、下层均衡电路协调动作，互不干扰，实现电池组任两单体电池的能量直接或跨越性传递，与单层均衡相比，该方案能快速实现锂电池组间能量的动态转移，提高了整个***的均衡效率。

同时，所述均衡控制装置可采用低功耗、低成本的单片机、以及复杂可编程逻辑器件，配合软件控制，不仅可以实现对电池电压、电流等数据的实时监控，还可以实现对充采样数据的精确采样及控制。

需要说明的是，在本文中，诸如“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。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种新型锂电池组双层均衡控制装置，用于锂电池组，其特征在于，包括电池状态监测电路、电池管理控制器和均衡控制电路，其中：

所述电池状态监测电路的输入端与所述锂电池组相连接，用于采集所述锂电池组内每节单体电池的单体电压数据以及每个电池单元的单元电压数据，所述电池单元由两个或两个以上的单体电池串联形成；

所述电池管理控制器的输入端与所述电池状态监测电路的输出端相连接，用于根据所述单体电压数据和所述单元电压数据，输出脉冲信号控制所述均衡控制电路中电力开关管的通断；

所述均衡控制电路的输入端与所述电池管理控制器的输出端相连接、输出端与所述单体电池和所述电池单元相连接，用于根据所述脉冲信号接通或断开相应的充电或放电电路；

所述均衡控制电路包括底层电感均衡电路和顶层电容均衡电路，所述底层电感均衡电路与所述单体电池相连接、用于均衡所述单体电池间的电压，所述顶层电容均衡电路与所述电池单元相连接、用于均衡所述电池单元间的电压。

2.根据权利要求1所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述底层电感均衡电路由多个相同的电感均衡子电路组成，所述电感均衡子电路包括储能电感L、消磁电阻R、NMOS管和PMOS管，其中：

所述NMOS管跨接在第一单体电池的两端，所述PMOS管跨接在第二单体电池的两端，所述第一单体电池和所述第二单体电池为两节相邻的电池；

所述储能电感L的一端连接在所述NMOS管和所述PMOS管之间、另一端连接在所述第一单体电池和所述第二单体电池之间；

所述消磁电阻R与所述储能电感L相并联；

所述NMOS管和所述PMOS管上分别并联有一个电力场效应的二极管。

3.根据权利要求1所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述顶层电容均衡电路包括储能电容、第一MOS管和第二MOS管，其中：

所述储能电容的一侧分别通过所述第一MOS管与所述电池单元的正极相连接、另一侧分别通过所述第二MOS管与所述电池单元的负极相连接。

4.根据权利要求3所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述顶层电容均衡电路还包括第一均衡电阻和第二均衡电阻，其中：

所述第一均衡电阻串联在所述第一MOS管和所述电池单元的正极之间，所述第二均衡电阻串联在第二MOS管和所述电池单元的负极之间。

5.根据权利要求1所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述装置还包括电池保护电路，其中：

所述电池保护电路的输入端与所述电池管理控制器相连接、输出端与所述锂电池组相连接。

6.根据权利要求2所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述储能电感L的电感值为8～12μH。

7.根据权利要求2所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述消磁电阻R的阻值为15～25kΩ。

8.根据权利要求3所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述储能电容的电容值为450～550μF。

9.根据权利要求4所述的新型锂电池组双层均衡控制装置，其特征在于，所述第一均衡电阻和所述第二均衡电阻的阻值均为1～3kΩ。