使用超級電容的車用鋰電池組均衡電路的製作方法
2023-05-08 05:11:31
專利名稱：使用超級電容的車用鋰電池組均衡電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種車用動力鋰電池組主動均衡電路，適宜於電動自行車、電動摩託 車、混合動力汽車、純電動車等車用動力鋰電池組均衡與保護。
背景技術：
現代汽車對人類社會的進步產生不可替代的巨大推動作用。但隨著汽車的大量生 產和廣泛使用，也帶來了環境、能源等方面的嚴峻問題。在這種情況下，發展電動汽車成為 一個重要的解決途徑。各國政府也對電動汽車的研發與產業化給予了大力支持。在我國國 家「863」計劃中，電動車被列為了重大攻關專項課題。綜合考慮電池的可靠性、安全性、資源 與環境問題以及電池性能的發展趨勢，鋰離子二次電池由於工作電壓高、體積小、質量輕、 無記憶效應、無汙染、自放電小、循環壽命長等諸多優點，是一種理想動力電源，從而成為電 動車用動力電池的首選。單個鋰電池的電壓與容量有限，實際的電動車動力電池應用中需要串、並連多個 單體電池組成電池組來使用。但電池組的中的單體電池因為各種主客觀因素，存在不一致 性，這就導致了一些電池組的安全性低、使用壽命短等重大問題。提高動力鋰電池組的使用 壽命，提高系統的穩定性和減少成本，對電池組進行有效均衡是解決這個問題的關鍵。電池組的均衡過程實際上是電池荷電狀態(SOC)的均衡，而從電池SOC與電池電 壓的關係曲線和靜態、動態分析可知，電壓均衡對鋰離子電池的SOC均衡很有效，通過電壓 均衡可以達到SOC均衡的效果，從而提高電池組的使用壽命。理論上的均衡方法很多，其中 電阻分流均衡方法被認為是目前最經濟最實用的一種方法。而大容量電池組的均衡方法還 要求損耗小、效率高、安全可靠、易於使用等。目前的鋰離子電池均衡研究領域中，能量轉移 I型及能量轉移II型的方案因其擁有更高的效率可以考慮使用，但這些方案都需要開關特 性好的低壓降的開關器件及更高效的儲能器件的支持。隨著電子元器件的不斷發展，能量 轉移型均衡方案可以應用在大容量電池組串聯均衡上。常規的開關電容均衡方法於上世紀90年代就已經有人提出，但限於當時的技術 和器件條件，一直得到沒有較好的實現，其主要原因一是規模巨大的開關矩陣及極其複雜 的邏輯操作，二是普通電容(一般電解電容等)的容量較小，作為能量轉移載體對於電池電 量均衡是杯水車薪，無法做到大電流快速均衡，三是一般的開關器件(半導體三極體、CMOS 管等)開關性能不好，導致均衡中能量損耗較大，再有就是虛地技術限制，單體電池的電壓 測量矩陣龐大，電路實現困難，等等。近年來，隨著超級電容(也稱電容電池)的產品化以及 成本的降低，使得超級電容在能源存儲等方面得到了廣泛的應用，作為能量存儲單元，超級 電容在充放電、能量密度方面具有很大的優勢；功率場效應管(Power M0SFET)是一種單極 型的電壓控制器件，不但有自關斷能力，而且有驅動功率小，開關速度高、無二次擊穿、安全 工作區寬等特點，其性能優良，特別適於作為開關器件。各IC器件公司推出了集成的電壓 監測IC產品，如凌力爾特公司(Linear)的LTC6802，ADI公司的AD7280，愛特梅爾(Atmel) 公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS27^及Maxll068等IC產品，使得智能電池組均衡策略的實現有了可能。這些集成器件的出現是最近1年之內集中發生的，由此可以看出，電動車 車用動力電池已經成了當前產業界及科研界的研究焦點。從車用動力電池產業鏈來看，電池均衡與保護技術仍然是當前研究的熱點，具 有廣闊的市場前景和應用價值。近些年來，國內外科研界、產業界的眾多人士對這個 問題作了多方面的探索，並提出了很多有價值的理論和參考。這方面國內外專利主要 有US5886502、US6114835、US6278604、US6356055、US6844703、US7279867、US7609031、 US20040032236、US20050077875、US20050269989、US20080018299、US20090167243、 CN2814766、CN101183798、CN2899130、CN101262138、CN1449085 等。超級電容作為最近 5 年 內產業化的新生器件，適宜於應用在車用鋰電池均衡電路中。基於超級電容的均衡技術目 前專利目前沒有報導。傳統的開關電容均衡方法因為受數量繁多開關矩陣的限制而沒有得 到廣泛的應用，本發明採用最新的器件和合理的開關控制實現鋰電池組的動態主動均衡， 產業化前景較好。
發明內容
本發明的目的是提供一種使用超級電容的車用鋰電池組均衡電路，以實現開關電 容法動態主動均衡。為實現上述目的，本發明採用的技術手段為一種使用超級電容的串聯鋰電池組 主動均衡電路，包括兩個以上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；其中，每 相鄰兩個均衡單元通過以下方式串聯第一均衡電路與第一單體電池並聯，該第一均衡電路包括第一 P溝道MOSFET管仏 和第一 N溝道MOSFET管％，所述兩個MOSFET管的漏極相連；所述兩個MOSFET管的門極相 連，並且通過第一信號輸入端&與外接電路連接，用以接收外接電路輸入的開關控制信號； 所述第一和第二 MOSFET管的源極分別並聯連接在所述第一單體電池的正負極兩端；所述 第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端CpClri連接至外接電路，用 以向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的電壓信號；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；並聯在該第二單體電池 兩端的第二均衡電路與所述第一均衡電路結構相同，其中，與該第二單體電池的正極連接 的第二 P溝道MOSFET管的源極通過公共結點與上述第一單體電池負極相連的第一 N溝道 MOSFET管極的源極，並且所述第二單體電池與所述第一單體電池共用一個電壓信號輸出 端；所述第一、第二均衡單元的漏極通過超級電容相連。在所述單體電池的兩端並聯有穩壓二極體DpD215在單體電池的正極和控制信號輸入端之間，還設置有穩壓二極體1)3、D4，其正極與 單體電池的正極連接，其負極通過分流電阻&、R4與所述控制信號輸入端&、Slri連接。所述第二 P溝道MOSFET管與所述第一 N溝道MOSFET管門極％或仏的位置可以互換。上述MOSFET採用功率型MOSFET管。所述外接電路輸入的開關控制信號頻率可在0. 1 20Hz之間，開關佔空比在 30% -70%之間。
所述的超級電容的容量在0. 68F 50F之間。
本發明的實現具備簡單的電路、清晰的邏輯控制、穩定的運行迴路，成本可以控
圖1是是本發明的單元均衡電路原理圖；圖2是本發明的驅動電路輸出的驅動波形示意圖；
圖3是本發明的2節均衡效果圖；圖4是本發明的8節電池均衡效果具體實施例方式參照圖1，是本發明的單元均衡電路原理圖，圖中CA、CB為串聯的2節單體電池；CA的負極連接CB的正極；Q1J3為功率型P-M0STFET 管，Q2> Q4為功率型N-M0STFET管；D」 D2, D3、D4為齊納二極體 R5為電阻；Cn、Clri、Cn_2 為電壓測量信號輸出埠，向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的 電壓信號戍、Slri為外接控制電路的2個相鄰輸出端。在每個單體電池CA、Cb的正、負極兩端分別並接均衡電路。在均衡電路中，一個P 溝道MOSFET管Gj1的門極與一個N溝道MOSFET管％的門極連接，同樣，仏與Gl4的門極連 接，在Q1與％之間以及Q3與Q4之間分別共門極連接，組成2個雙向開關對。Ql與％的源 極又分別並聯至單體電池Ca的正、負極兩端；同樣，Q3與A的源極又分別並聯至單體電池 Cb的正、負極兩端；Q2與A的源極在單體電池Cb的正極一端，通過公共結點相連。C1是作 為能量轉移單元的超級電容，C1 一端連接於Qp Q2的漏極，另一端連接於Q3、Q4的漏極。電 池的正負極兩端分別通過輸出端C；、。、。，向外部電路輸出差分信號，該差分信號即為單 體電池的電壓信號，分別將單體電池Ca的正極、負極電壓值以及單體電池Cb的正極、負極電 壓值輸出給外部電路，其中，Ca的負極與Cb的正極電壓值是相同的。Sn、Slri為外接電路中 各自獨立的兩個控制信號輸出端，其控制邏輯的高低電平分別對應於CnYClrf端電壓電平 的差分電平，分別依次與兩個MOSFET管的門極連接，並向其輸出控制信號，控制兌 &的 導通、關閉。穩壓二極體D」 D2在均衡單元電路中分別與單體電池CA、Cb並聯。並且與單體電 池CA、Cb串聯相似，穩壓二極體D1的正極與D2的負極串聯。穩壓二極體D3、D4分別連接在 電池CA、Cb的正極和控制信號輸入端Sn、Slri之間，並且在其負極與控制信號輸入端之間串 聯有電阻&及R4，D1 D4，R2及R4為均衡單元電路提供保護。C2, C3為濾波電容，分別連接在外接電路的差分電壓信號輸入端Cn、Clri之間以及 Cm、Cn_2之間。C2，R1與C3，R3對差分電壓信號起抗混疊作用，增加測量精確度。上述圖1中的主動均衡電路中，當Sn、Slri為高電平時，Q2、A導通，Qp A截止，此 時C1跨接於Cb的兩端；若當Sn、Slri為低電平時，Q1, Q3導通，Q2、Q4截止，此時C1跨接於Ca 的兩端。電壓的測量由外接電路採用專用的電池檢測技術實現，經過外接處理器進行處 理、比較，再根據上行、下行或模糊控制策略，通過Sn、Sn-I埠向均衡電路輸出脈衝開關信號。可實現本功能的外接電路集成電路(IC)有凌力爾特公司(Linear)的LTC6802，ADI 公司的AD7^0，愛特梅爾(Atmel)公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS27^及Maxll068，凹 凸科技(02Micro)的 0Z890，英特矽爾(Intersil)半導體的 htersil9216/9217 等 IC 產 品。也可採用差分輸入的模數轉換方式採集各電池電壓，但因集成度低，實現複雜，實際成 本允許情況下以集成IC為最佳選擇。 通過圖中的電壓測量信號輸出埠 Cn、Cn+ Cn_2分別向上述外接電路中的電池檢 測模塊輸出各自測量的電池極端電壓，經由電池檢測IC進行判斷，如果(；電壓小於(；電 壓，先通過&、Slri埠輸出高電平控制信號，使％、Q4導通，C1跨接於Cb的兩端，此時電容 C1被電池Cb充電；經過一段時間充電後，Sn、Slri埠輸出低電平控制信號，使Q2、Q4截止， Q1^Q3導通，C1跨接於Ca的兩端，此時電容向Ca放電。這裡所述的充電一段時間是指使電路 重新達到穩態的時間，根據電路分析理論可計算知，若A的導通電阻為50πιΩ，C為IF時， 該段時間應該為大於5*50mQ*lF = 250ms。相反，Ca電壓大於Cb電壓情況下，控制Sn、Slri 輸出低電平控制信號，使Q」 Q3導通，C1跨接於Ca的兩端，此時電容C1處於充電狀態，同樣 經過一段充電後，使電路重新達到穩態，Sn、Sn-I埠輸出高電平控制信號，使仏、Q3截止， Q2、Q4導通，C1跨接於Cb的兩端，此時電容向Cb放電。這樣，採用超級電容作為能量傳遞載 體，經過若干次&，Slri重複操作，可實現電荷從高電壓單體電池向低電壓單體電池的轉移， 從而達到通過超級電容對電池組的能量均衡。 本發明的均衡電路是基於超級電容的均衡，所謂超級電容是如本領域技術人員所 知的那樣，其容量比通常的電容器大得多，由於其容量很大，對外表現和電池相同，因此也 有稱作「電容電池」。本發明採用的超級電容為紐扣式電容或圓柱式電容或其它新型法拉電 容，根據車用鋰電池組的容量要求，超級電容的容量在0. 68F 50F之間。本發明中採用MOSFET管控制切換開關超級電容的結點，實現基於電荷轉移的均 衡控制，可實現大電流的均衡電流。一個均衡單元中N-MOSFET與P-M0STFET採取共門極連 接方式組成一個雙向開關，共門極連接方式可以減少一倍的常規開關電容法的開關矩陣規 模。上述MOSFET採用功率型MOSFET管。一個雙向開關中的N-MOSFET與P-M0STFET的漏 極互連，即優選實施方式中Qp Q2的漏極互聯或者Q3、Q4的漏極互聯，作為超級電容的一個 極板連接點，兩個串接的雙向開關，也就是包括兩個N-MOSFET與兩個P-M0STFET功率開關 管的漏極就可以分別作為作為能量載體的超級電容的兩個個電極連接點，即優選實施方式 中Qp A的漏極和Q3、Q4的漏極分別作為電容C 1的電極連接點。共門極的N-MOSFET與P-M0STFET組成的雙向開關，在導通方式上，兩個MOSFET管 是互鎖的，使得開關邏輯與控制較為簡單。MOSFET具有低於60m Ω的較低的導通阻抗，門極 與漏極之間阻抗可達IO9 Ω，具有良好的開關性能。因為MOSFET管的開關控制是電壓型的， 所以可用一般TTL電平信號控制，這使得本發明提供的均衡電路可以與當前的普通的單片 機及其外圍電路相兼容。本發明提供的均衡電路可以實現由一個開關信號控制2個MOSFET管的開關，使電 能在不同電池間的有向傳遞。由於共門極的兩個MOSFET管Q1與Q2之間或Q3與Q4之間 的動作是互鎖的，由此大大減少了傳統方法開關陣列的開關數量。施加在Sn，Slri的脈衝信號可以由外接電路採用程序控制，均衡電路的開關控制頻 度與佔空比由外接電路控制完成，該電路控制開關頻率可在0. 1 20Hz之間，開關佔空比
6在30%-70%之間。因為各個Si (i e 1 n)端是分別獨立的，可以不同步操作，也可以用 同步脈衝法，或採用其他控制算法。如圖2所示，是典型的驅動電路輸出的驅動波形示意圖該波形為IHz方波，振幅 5V,佔空比為50%，。以程序同時輸出方波驅動波形到Sn，Slri，對圖1中相鄰的兩節電池進 行均衡，可以實現快速的主動均衡效果。如圖3所示，是本發明提供的均衡電路對兩節不同初始電壓的單體電池進行均衡 的效果圖。該兩節電池的初始電壓值分別約為4V和3. IV。兩節串接的單體電池電壓在4000 毫秒時間內迅速地達到均衡點，均衡時，該兩個單體電池電壓差值小於30mV。因為功率型 MOSFET管是電壓控制型開關器件，當電池間電壓差值較大時，可提供的均衡電流較大，所以 可以迅速實現大電流的能量轉移。在本發明提供的均衡電路基礎上，可實現靈活的均衡算法，達到大電流快速均衡 的目的。常見的電池均衡策略(算法)有上行均衡法，下行均衡、均值均衡和模糊控制智能 算法等均衡方法。在不採取上述複雜的均衡算法情況下，本發明依然能夠實現較為理想的 均衡調節功能。一個簡單的均衡算法是同步脈衝法，本方法是採用外電路產生如圖2所示同步脈 衝序列到S1 &的各個埠，實現各個MOSFET管的定時導通和關閉。如圖4所示，8節 串接在一起的單體電池，該單體電池的初始電壓依次為3. 6V、3. 69V、3. 79V、3. 88V、3. 99V、 4. 09V、4. 19V和4. ^V，單體之間最大電壓差值為0.66V，平均電壓差值為0. IV。應用本發 明提供的均衡電路並採取上述同步脈衝法對八節電池串聯的情況下進行均衡的效果圖，在 25000毫秒的時間內經過若干次均衡動作後，單體間電壓最大差值小於30mV。本發明的均衡電路，可以方便地實現擴展到多節，這裡以八節電池串聯為例，對於 現有技術中車用動力鋰電池，可能達到100節的串接情況。發明在選擇合適的功率器件情 況下，理論上可以實現無限擴展。在實際應用中，可應用於最大串接電壓為1000V以下的電 動車動力電源應用中。本發明的實現具備簡單的電路、清晰的邏輯控制、穩定的運行迴路，成本可以控 制。如上所述，均為本發明的較佳實施例，並非限定本發明的使用範圍。本領域技術人員可 在本發明的限定範圍外做一定的修訂與改進。
權利要求
1.一種使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於該電路包括兩個以 上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；其中，每相鄰兩個均衡單元通過以下 方式串聯第一均衡電路與第一單體電池並聯，該第一均衡電路包括第一P溝道MOSFET管Oi1)和 第一 N溝道MOSFET管(Q2)，所述兩個MOSFET管的漏極相連；所述兩個MOSFET管的門極相 連，並且通過第一信號輸入端(Sn)與外接電路連接，用以接收外接電路輸入的開關控制信 號；所述第一和第二 MOSFET管的源極分別並聯連接在所述第一單體電池的正負極兩端；所 述第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端(CpClri)連接至外接電 路，用以向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的電壓信號；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；並聯在該第二單體電池兩端的 第二均衡電路與所述第一均衡電路結構相同，其中，與該第二單體電池的正極連接的第二 P 溝道MOSFET管的源極通過公共結點與上述第一單體電池負極相連的第一 N溝道MOSFET管 極的源極，並且所述第二單體電池與所述第一單體電池共用一個電壓信號輸出端；所述第一、第二均衡單元的漏極通過超級電容相連。
2.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 在所述單體電池的兩端並聯有穩壓二極體(DpD2)15
3.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 在單體電池的正極和控制信號輸入端之間，還設置有穩壓二極體(D3、D4)，其正極與單體電 池的正極連接，其負極通過分流電阻(i 2、R4)與所述控制信號輸入端O^slri)連接。
4.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 所述第二 P溝道MOSFET管與所述第一 N溝道MOSFET管門極(Q2或Q4)的位置可以互換。
5.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 上述MOSFET採用功率型MOSFET管。
6.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 所述外接電路輸入的開關控制信號頻率可在0. 1 20Hz之間，開關佔空比在30% -70%之 間。
7.根據權利要求1所述的使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，其特徵在於， 所述的超級電容的容量在0. 68F 50F之間。
全文摘要
一種使用超級電容的串聯鋰電池組主動均衡電路，包括兩個以上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；每相鄰兩個均衡單元通過以下方式串聯第一均衡電路與第一單體電池並聯，該第一均衡電路包括第一P溝道MOSFET管和第一N溝道MOSFET管，兩個MOSFET管的漏極相連和門極相連，並且通過第一信號輸入端與外接電路連接；第一和第二MOSFET管的源極分別並聯連接在所述第一單體電池的正負極兩端；第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端連接至外接電路；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；並聯在該第二單體電池兩端的第二均衡電路與第一均衡電路結構相同。
文檔編號H02J7/00GK102064569SQ201010505809
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月11日 優先權日2010年10月11日
發明者劉志宏, 姚建華, 崔光磊, 朱玉偉, 王海波, 韓鵬獻, 齊安寧 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所