電池電量自動均衡電路及其實現方法
2023-05-24 09:18:46
專利名稱：電池電量自動均衡電路及其實現方法
技術領域：
本發明屬於電池組管理技術領域，涉及電力電子技術、電池組電量管理技術、微處理器自動測控等多個技術，尤其涉及一種電池電量自動均衡電路及其實現方法。
背景技術：
目前，在電動汽車、新能源發電儲能裝置、不間斷電源(UPS)等多種應用中，常使用由多節充電電池串、並聯而構成的電池組來提高儲能容量。然而，電池組在實際使用過程中，常出現壽命短於預期的現象，造成上述問題的主要原因有兩點。一是電池組中的各節電池的初始容量、內阻、自放電率等參數在製造上即存在一定的差異，沒有完全一致。此外，各節電池在電池組中的位置不同，其所處的溫度、溼度等環境因素也存在差異，因而電池組中的各節電池的老化速率是不同的。二是由於電池間多是串聯關係，在電池組充放電過程中會使個別電池加速老化。即在充電過程中，老化速率高的電池因容量減小，會提前達到滿電狀態，而其它電池尚未充滿，如果要保持其它電池滿電，就會對老化速率高的電池進行過度充電，進一步加速其老化、降低其壽命。在放電過程中，老化速率高的電池也類似地會發生電量提前耗盡或過度放電。因為上述個別電池加速老化，使得電池組壽命大大縮短。電池組中各節電池的差異不易避免，利用電池均衡電路可將各節電池不均等的電能量轉移給其它電池，從而避免電池過充和過放現象的發生。目前，實現電池電量均衡的電路主要分為能量耗散型和能量非耗散型兩類。能量耗散型均衡電路的工作原理是將剩餘電能較多的電池的電能轉化為熱量釋放掉，達到電能平衡的目的。能量非耗散型均衡電路的工作原理是將剩餘電能較多的電池的電能轉移到能量較少的電池，從而達到電能平衡的目的。因此，能量非耗散型均衡電路具有效率高的優點。常見的能量非耗散型均衡電路包括電容式、電感式等類型。電容式均衡電路利用電容轉移不均衡的電能，具有結構簡單的優點，但均衡速度慢、效率偏低；傳統的電感式均衡電路利用電感電流不可突變的原理進行電能轉移，具有均衡速度較快的優點，但存在轉移控制不方便、使用器件多、成本和安全性差等缺點。
發明內容
本發明的目的在於提供一種使用雙向反激式DC-DC隔離變換器作為電量均衡的主工作電路、利用繼電器組對各節電池進行選擇、由微處理器(MCU)實現各電池電量實時檢測和電量均衡控制的電池電量自動均衡電路及其實現方法，可實現易控制、速度快、效率高的電池電量自動均衡功能。本發明的目的是通過以下技術方案實現的。一種電池電量自動均衡電路，應用於由N節電池串聯組成的串聯電池組，包括反激式雙向DC-DC變換器、繼電器組、MCU微處理器，所述MCU微處理器與串聯電池組、繼電器組和反激式雙向DC-DC變換器分別連接；
所述繼電器組由N個常開的繼電器組成，每個繼電器分別與所述串聯電池組中的一節電池相併聯；
所述串聯電池組中的N節電池分成高電位側和低電位側兩組，且高電位側的電池與低電位側的電池分別經過相應的繼電器連接至反激式雙向DC-DC變換器的原、副邊兩側。優選地，所述反激式雙向DC-DC變換器包括主電路和控制電路；
所述主電路包括兩個開關管Si、S2及相應的反向並聯二極體Di、D2、隔離變壓器T和兩個小電容C」 C2 ；所述控制電路採用PWM控制晶片，其包括兩個PWM脈衝的輸出端且該兩輸出端分別經隔離驅動電路連接至開關管S1和&的門極。優選地，若所述N為偶數，則所述串聯電池組的高電位側和低電位側分別包括N/2 節電池；若所述N為奇數，則所述串聯電池組的高電位側包括[N/2]節電池、低電位側包括 [N/2J+1節電池。一種如上所述電池電量自動均衡電路的實現方法，包括步驟
MCU微處理器實時循環監測串聯電池組的各節電池，計算各節電池的當前電量S0C，得出當前時刻SOC最大的電池和SOC最小的電池，通過控制反激式雙向DC-DC變換器來對這兩節電池的SOC進行均衡處理。優選地，上述方法中，若所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別屬於串聯電池組的高電位側和低電位側，則MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節電池的 SOC進行均衡處理的過程進一步包括
通過閉合相應的繼電器將所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端，利用該反激式雙向DC-DC變換器將SOC最大的電池作為輸入、對 SOC最小的電池進行均衡充電。 優選地，上述方法中，若所述SOC最大的電池和SOC最小的電池同屬於串聯電池組的高電位側/低電位側，MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節電池的SOC進行均衡處理的過程進一步包括
在低電位側/高電位側選擇一節電池作為中間過渡電池；利用反激式雙向DC-DC變換器將所述SOC最大的電池作為輸入、對中間過渡電池進行均衡充電後，再將中間過渡電池作為輸入、對所述SOC最小的電池進行均衡充電。優選地，上述方法中，在所述MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對兩節電池進行均衡充電過程中，若這兩節電池的SOC相差大，則採用恆流均衡模式；若這兩節電池的SOC相差小，則採用恆壓均衡模式。與現有技術相比，本發明實施例具有以下有益效果
1、與傳統的電容、電感等無源器件均衡方式相比，本發明使用了反激式雙向DC-DC模塊，可實現電能雙向易控的均衡；
2、由於反激式雙向DC-DC模塊可以實現恆壓、恆流的控制，因此可以在被充電電池電量較低時進行恆流充電，當其電量較高的時候進入恆壓充電模式，從而可準確、高效、快速的實現均衡，有效防止發生電池過充電；
3、利用直接均衡以及間接均衡等控制策略，使用簡單地繼電器組即實現了N節電池的方便互聯；
4、採用MCU進行整體均衡功能的控制，具有良好的靈活性、擴展性以及人機互動性。
圖1是本發明實施例提供的電池電量自動均衡電路的整體原理框圖2是本發明實施例提供的雙向DC-DC變換器主電路和繼電器組連接原理結構； 圖3是本發明實施例提供的MCU檢測和控制原理框圖； 圖4是本發明實施例提供的雙向DC-DC變換器原理框圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明的主要技術要點包括:A、均衡主電路採用反激式雙向DC-DC變換器。反激式雙向DC-DC變換器自身的變壓器既提供了儲能電感，又利用原、副邊實現了電氣隔離的功能，使串聯的不同電池有了可靠的隔離；該DC-DC變換器原、副邊的可控開關管，使得電功率可在原、副邊雙向流動，簡化了電池間的均衡連接。該拓撲結構簡單、易控制、傳遞功率大、速度快、效率高。B、採用繼電器來選擇各節電池，同時也減小了連接損耗。本發明中，以N (N彡2) 節串聯的電池為一組，高電位側的N/2節電池與低電位側的N/2節電池分別連接至反激式雙向DC-DC電路原、副邊兩側(如N非偶數，則高電位側電池數目取整，與低電位側電池數目相差1個即可)。上述連接設計，經反激式雙向DC-DC變換器可直接實現高電位側電池與低電位側電池的能量交換；為實現高電位N/2節電池間或低電位N/2節電池間的電能的轉移， 可採用先將高電位側電池A與低電位側某電池B交換電能，然後再從低電位側電池B向高電位側某電池C交換電能的辦法，實現電池A與電池C的電能交換，反之亦然。即間接實現能量轉移，這樣可大大簡化線路連接。C、採用MCU微處理器進行各電池電量檢測和電量均衡控制。MCU微處理器循環檢測串聯的各節電池電壓，判斷各電池的實際容量，選擇出最大容量電池、最小容量電池，然後將該兩節電池分別通過繼電器連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩側。MCU微處理器繼而控制反激式雙向DC-DC變換器，觸發容量大電池側的開關管，使大容量電池先向變壓器電感充電。然後關斷該開關管，利用反激式變壓器續流的原理，使電感中的電流再流向容量小的電池，從而實現一次電能轉移。重複以上觸發過程，直到兩電池容量幾乎相等時，微處理停止本次均衡過程。如圖1、圖2所示，本實施例中電池電量均衡電路的基本工作過程是這樣的MCU微處理器實時循環監測各節電池的電壓、電流、溫度等參數，根據電池模型計算出電池的當前 S0C，進而找出該時刻SOC最大、SOC最小的兩節電池；如該兩節電池分別屬於串聯電池組的高電位側或低電位側，則MCU微處理器通過I/O埠控制SOC最大、SOC最小兩節電池各自的繼電器閉合，將該兩節電池分別連接在反激式雙向DC/DC變換器的兩端；MCU微處理器根據該兩電池SOC差異的大小，確定進行恆流均衡模式還是恆壓均衡模式，同時MCU微處理器根據該二電池的具體位置確定出電能轉移的流向，進而給反激式雙向DC-DC變換器發送均衡電壓或均衡電流的幅值、電流方向指令。當兩節電池電壓相差較大時，使用恆流模式進行快速均衡；當該兩電池電壓接近該時刻電池組平均電壓時，則採用恆壓充電模式。反激式雙向DC-DC變換器的控制電路根據輸入指令，控制均衡主電路開關管S1A2的導通順序和互補關係，直到兩電池的電量不均衡現象達到規定的範圍之內時，即停止本次均衡過程。如該兩節電池同屬於電池組的高電位側(或低電位側)，上述均衡方法即不能直接使用。此時，MCU微處理器先在低電位側(或高電位側)選出另外一個SOC適當的一節電池 (中間過渡電池)。再用前述均衡方法，將高電位側SOC高的電池與中間過渡電池進行電量均衡。該兩者間均衡完後，再用前述均衡方法，將中間過渡電池與高電位側SOC低的電池進行電量均衡，從而實現簡介實現了原二電池間的電量轉移。即通過兩次均衡，最終實現原兩節電池間的電量均衡。轉換到具體電路之一，如圖3所示。該MCU微處理器電路主要由信號調理電路、 MCU、模擬輸入/輸出電路、數字輸入/輸出電路等部分組成。信號調理電路將各電池的電壓、電流、溫度等信息傳感輸入，利用多個差分運算放大器濾波、幅值調整後，經A/D採樣送給MCU。根據式安時計量法計算電池電量S0C，對實時測量的電流信號進行積分，從而得出電池充入或者放出的電量。具體計算公式如下
式中，為電池的初始電量，^r為電池額定容量，-為電池的充放電效率，J為電池
的充放電電流。通過該方法，MCU可確定各電池容量大小、SOC最高、最低電池所在位置、是否需要過渡電池，過渡電池所在位置，決定出均衡模式、轉移能量方向。最後，通過模擬D/A 和I/O輸出口，給反激式雙向DC-DC變換器控制發出具體均衡幅值和方向等控制信息。此外，MCU還可通過串行口輸出電池組、變換器等的工作狀態信息，便於上位機管理。轉換到具體電路之二，如圖4所示。該反激式雙向DC-DC變換器由主電路和控制電路構成。主電路由兩個開關管Si、S2及相應的反向並聯二極體Di、D2、隔離變壓器T和兩個小電容C1W2組成。控制電路採用PWM控制晶片，其輸出兩路PWM脈衝經隔離後施加到開關管門極。如31 麗導通、&持續關閉，則電能流向是從(^到C2。如& PWM導通、S1持續關閉，則電能流向是從C2到C1。在具體工作中，MCU可以根據電池具體狀態決定均衡器的工作模式，即恆流、恆壓、以及參考量的大小，從而快速、準確地使電池達到平衡。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種電池電量自動均衡電路，應用於由N節電池串聯組成的串聯電池組，其特徵在於，包括反激式雙向DC-DC變換器、繼電器組、MCU微處理器，所述MCU微處理器與串聯電池組、繼電器組和反激式雙向DC-DC變換器分別連接；所述繼電器組由N個常開的繼電器組成，每個繼電器分別與所述串聯電池組中的一節電池相併聯；所述串聯電池組中的N節電池分成高電位側和低電位側兩組，且高電位側的電池與低電位側的電池分別經過相應的繼電器連接至反激式雙向DC-DC變換器的原、副邊兩側。
2.如權利要求1所述的電池電量自動均衡電路，其特徵在於，所述反激式雙向DC-DC變換器包括主電路和控制電路；所述主電路包括兩個開關管S」 S2及相應的反向並聯二極體D」 D2、隔離變壓器T和兩個小電容C」 C2 ；所述控制電路採用PWM控制晶片，其包括兩個PWM脈衝的輸出端且該兩輸出端分別經隔離驅動電路連接至開關管S1和&的門極。
3.如權利要求1或2所述的電池電量自動均衡電路，其特徵在於，若所述N為偶數，則所述串聯電池組的高電位側和低電位側分別包括N/2節電池；若所述N為奇數，則所述串聯電池組的高電位側包括[N/2]節電池、低電位側包括[N/2]+l節電池。
4.一種如權利要求1所述電池電量自動均衡電路的實現方法，其特徵在於，該方法包括步驟MCU微處理器實時循環監測串聯電池組的各節電池，計算各節電池的當前電量S0C，得出當前時刻SOC最大的電池和SOC最小的電池，通過控制反激式雙向DC-DC變換器來對這兩節電池的SOC進行均衡處理。
5.如權利要求4所述的實現方法，其特徵在於，該方法中，若所述SOC最大的電池和 SOC最小的電池分別屬於串聯電池組的高電位側和低電位側，則MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節電池的SOC進行均衡處理的過程進一步包括通過閉合相應的繼電器將所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端，利用該反激式雙向DC-DC變換器將SOC最大的電池作為輸入、對 SOC最小的電池進行均衡充電。
6.如權利要求4所述的實現方法，其特徵在於，該方法中，若所述SOC最大的電池和 SOC最小的電池同屬於串聯電池組的高電位側/低電位側，MCU微處理器控制反激式雙向 DC-DC變換器對這兩節電池的SOC進行均衡處理的過程進一步包括在低電位側/高電位側選擇一節電池作為中間過渡電池；利用反激式雙向DC-DC變換器將所述SOC最大的電池作為輸入、對中間過渡電池進行均衡充電後，再將中間過渡電池作為輸入、對所述SOC最小的電池進行均衡充電。
7.如權利要求4至6任一所述的實現方法，其特徵在於，該方法中，在所述MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對兩節電池進行均衡充電過程中，若這兩節電池的SOC相差大，則採用恆流均衡模式；若這兩節電池的SOC相差小，則採用恆壓均衡模式。
全文摘要
本發明涉及電池組管理技術領域，提供了一種電池電量自動均衡電路及其實現方法。本發明在串聯電池組中使用反激式雙向DC-DC變換器作為均衡主電路進行電能的轉移，利用繼電器實現需要均衡的電池與反激式雙向DC-DC變換器的連接，並使用微處理器進行電池狀態檢測和均衡控制等。在應用時，通過MCU微控制器循環檢測各節電池的電量，將電量最高和最低的兩節電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端。以高電量電池作為輸入，對低電量電池進行恆流模式或恆壓模式的均衡充電，直到低電量電池的電量達到電池組的電量平均值。相對於傳統電池均衡電路，本發明具有均衡過程簡單、可控性強、速度快、效率高等優點。
文檔編號H02J7/00GK102222957SQ20111016749
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者呂永斌, 和軍平, 夏必忠, 孫威, 王明旺, 賴勇智, 鄭偉偉 申請人:欣旺達電子股份有限公司, 清華大學深圳研究生院