一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路的製作方法
2024-02-11 01:12:15
專利名稱：一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路的製作方法
技術領域：
—種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路技術領域[0001]本實用新型涉及一種電池均衡技術，尤其涉及基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路。
背景技術：
[0002]串聯電池在經過多個充放電循環後，各電池單元模塊的剩餘容量(SOC, State of Charge)的分布大致會出現三種情況(1)個別電池單元模塊的剩餘容量(SOC, State of Charge)偏高；(2)個別電池單元模塊的剩餘容量(SOC, State of Charge)偏低；(3)個別電池單元模塊的剩餘容量(SOC, State of Charge)偏高和個別電池單元模塊的剩餘容量 (SOC, State of Charge)偏低。[0003]針對上述三種情況，國內外的研究者均提出了自己的解決方案。如針對情況(1)，有研究者提出了並聯電阻分流法，它通過控制相應的開關將剩餘容量(S0C，State of Charge)偏高的電池的能量通過電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費掉，並且在均衡的過程中產生了大量的熱，增加了電池熱管理的負荷。也有研究者提出了雙向DC-DC均衡法，同軸變壓器均衡法等均衡電路，這些電路都採樣了變壓器，使得均衡電路的成本增加。[0004]目前鋰離子電池組均衡控制的方法，由均衡過程中電路對能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。按照均衡功能分類，可分為充電均衡、放電均衡和動態均衡。充電均衡是指在充電過程中的均衡，一般是在電池組單體電壓達到設定值時開始均衡，減小充電電流從而防止過充電。放電均衡是在放電過程中的均衡，通過向剩餘能量 (SOC, State of Charge)低的單體電池補充能量來防止過放電。動態均衡方式結合了充電均衡和放電均衡的優點，在整個充放電過程中對電池組進行均衡，避免了單一均衡中的問題。實用新型內容[0005]本實用新型的目的是克服現有技術存在的上述不足，提供一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路(EQU)，在串聯電池組的電池管理系統中採用該均衡電路(EQU)可保證電池單元模塊在放電過程中不出現過放電,改善串聯電池組不均衡的現象,提高電池組的可用容量，減少串聯電池組的維修和更換，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和蓄能電站的成本。[0006]為了實現上述目的，本實用新型通過下述技術方案予以實現。[0007]一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路，所述串聯電池組包括三個以上串聯連接的電池單元模塊，所述放電放電均衡電路包括三個以上的均衡子電路，每一個電池單元模塊均各自連接有一個均衡子電路，所述串聯電池組具有正端VCC和負端GND，以所述串聯電池組中的一個連接點N為分界點，所述正端VCC到連接點N之間的電池單元模塊為前部分，連接點N到負端GND之間的電池單元模塊為後部分，前部分中電池單元模塊的個數最多比後部分電池單元模塊的個數多一個，前部分的電池單元模3塊稱為奇電池，後部分的電池單元模塊稱為偶電池，與奇電池相連接的均衡子電路稱為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路稱為均衡子電路；前部分串聯電池單元模塊以連接點N為起點，正端VCC為終點，順次將電池單元模塊記為第一奇電池Bi、第二奇電池B3、第三奇電池B5,依此順次命名，與終點正端VCC相連接的電池單元模塊為第1Y奇電池Bi，i為奇數，取值優選I 59 ;後部分串聯電池單元模塊以連接點N為起點，負端GND為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池B6,依此順次命名，與負端GND相連接的單元電池為第I偶電池Bj, j為正偶數，j取值優選2 60，所述奇電池的正端連接奇均衡子電路的奇續流二極體Dm的陰極a，所述奇電池的負端連接奇均衡子電路的奇儲能電感Lni的第二端d ;所述偶電池的正端連接偶均衡子電路的偶儲能電感Ln的第二端h，所述偶電池的負端連接偶續流二極體Dn陽極g。[0008]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述奇均衡子電路包括奇MOS管Q1^奇儲能電感Lm和奇續流二極體Dm，奇MOS管Qm的漏極、奇續流二極體Dm陽極、奇儲能電感Lm的第一端三者相連接，奇續流二極體Dm陰極a、奇MOS管Qm的柵極b、奇MOS管Qm的源極c和奇儲能電感Lm的第二端d相連。[0009]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述偶均衡子電路上述的串聯電池組放電均衡電路中，還包括偶MOS管Qn、偶儲能電感Ln和偶續流二極體Dn，偶MOS管Qn的源極、偶續流二極體Dn陰極和偶儲能電感Ln的第一端三者相連接，偶MOS管Qn的漏極e、偶MOS管Qn 的柵極f、偶續流二極體Dn陽極g和偶儲能電感Ln的第二端h相連。[0010]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述電池單元模塊為鉛酸電池、鋰離子電池、 鎳氫電池或超級電容器。[0011 ] 上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述奇均衡子電路的奇MOS管Q111的柵極b連接控制電路，奇MOS管Qm的源極c連接負端GND。[0012]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述偶均衡子電路的偶MOS管Qn的柵極f連接控制電路，偶MOS管Qn的漏極e連接正端VCC ;所述控制電路用於控制所述奇均衡子電路的奇MOS管Qm和偶均衡子電路的偶MOS管Qn的開通和關斷。[0013]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述奇均衡子電路能對與其相連接的奇電池進行充電，所述偶均衡子電路能對與其相連接的偶電池進行充電。[0014]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述奇(偶)均衡子電路的奇(偶)儲能電感L111 (Ln)的電感值根據具體的要求來定。[0015]上述的串聯電池組放電均衡電路中，所述控制電路輸出控制信號的頻率的大小根據所控制的奇(偶)均衡子電路的奇(偶)儲能電感Lm (Ln)的電感值、奇MOS管Qm和偶MOS 管Qn、的開關損耗、電池單元模塊電壓、電池單元模塊容量而定。所述控制電路輸出的控制信號的佔空比使奇(偶)均衡子電路的奇(偶)儲能電感Lm (Ln)在每個信號周期內復位，即奇(偶)儲能電感Lm (Ln)的電流從零開始上升，最後又下降到零。[0016]在串聯電池組的放電過程中，電池管理系統根據電池組內各個電池的剩餘電量 (SOC, State of Charge),找出剩餘電量(SOC, State of Charge)偏低的電池單元模塊,給控制電路發送均衡指令，控制電路通過控制奇(偶)均衡子電路的奇MOS管Qm (偶MOS管Qn)的開通和關斷給與其相連接的奇(偶)電池充電。[0017]與現有技術相比，本實用新型具有如下優點和不足本實用新型可用作混合動力電動汽車或純電動汽車或蓄能電站的蓄能裝置的電池管理系統的均衡電路。本實用新型由於在串聯電池組的電池管理系統中採用上述均衡電路(EQU)技術，能保證每個電池單元模塊在放電過程中不出現過放電，改善串聯電池組不均衡的現象，提高電池組的可用容量，減少串聯電池組的維修和更換，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和蓄能電站的成本。
[0018]圖I是實施方式中的電路原理圖。[0019]圖2是奇均衡電路的原理圖。[0020]圖3是偶均衡電路的原理圖。[0021]圖4是4節電池單元模塊串聯的均衡電路示意圖。[0022]圖5是5節電池單元模塊串聯的均衡電路示意圖。[0023]圖6是14節電池單元模塊串聯的均衡電路示意圖。
具體實施方式
[0024]
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作詳細說明，但本實用新型的實施和保護範圍不限於此。[0025]圖I中，串聯電池組放電均衡電路，每一個電池單元模塊連接有一套均衡子電路， 至少三個電池單元模塊串聯，串聯電池組的正端VCC、負端GND，串聯電池組分為前部分、後部分，前部分和後部分的連接點N，正端VCC到連接點N的電池單元模塊為前部分，連接點N 到負端GND的電池單元模塊為後部分，前部分電池單元模塊的個數最多比後部分電池單元模塊的個數多一，前部分電池單元模塊為奇電池，後部分電池單元模塊為偶電池，奇電池與奇均衡子電路相連接，偶電池與偶均衡子電路相連接，前部分串聯電池單元模塊以連接點N 為起點，正端VCC為終點，順次將電池單元模塊記為第一奇電池B1、第二奇電池B3、第三奇電池B5、…(依次類推)、與正端VCC相連接的電池單元模塊為第奇電池Bi (1=1，3，5唚)，此處是為了表示i為奇數，用省略號表示，不限制最大值。可以優選i=l，3，5，7，9，11，13， 15，17，19，21，23，25，27，29，31，33，35，37，39，41，43，45，47, 49，51，53，55，57，59。後部分串聯電池單元模塊以連接點N為起點，負端GND為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池B6、…(依次類推)、與負端GND相連接的單元電池為第丨偶Δ電池B ^ (j=2，4，6…)，此處是為了表示j為偶數，用省略號表示，不限制最大值，可優選j= 2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，32，36，38，40，42，44，46，48，50，52，54，56，58，60。奇均衡子電路由奇MOS管Qm、奇儲能電感Lm、奇續流二極體Dm組成，奇MOS管Qm 的漏極、奇續流二極體Dm陽極、奇儲能電感Lm的第一端三者相連接，奇續流二極體Dm陰極a、奇MOS管Qm的柵極b、奇MOS管Qm的源極C、奇儲能電感Lm的第二端d。偶均衡子電路由偶MOS管Qn、偶儲能電感Ln、偶續流二極體Dn組成，偶MOS管Qn的源極、偶續流二極體DnCN 202749869 U書明說4/5頁極、偶儲能電感Ln的第一端三者相連接，偶MOS管Qn的漏極e、偶MOS管Qn的柵極f、偶續流二極體Dn陽極g、偶儲能電感Ln的第二端h。在串聯電池組的放電過程中，電池管理系統根據電池組內各個電池的剩餘電量(SOC, State of Charge),找出剩餘電量(SOC, State of Charge)偏低的電池單元模塊，給控制電路發送均衡指令，控制電路通過控制奇(偶)均衡子電路的奇MOS管Qm(偶MOS管Qn)的開通和關斷給與其相連接的奇(偶)電池充電。[0026]電池管理系統是單片機(如C8051F340)為核心，一般具有電池狀態檢測、電池狀態分析、電池安全保護、能量控制管理、電池信息管理等功能。針對不同的應用場合，電池管理系統應具有不同的功能。所述控制電路的實現為本領域常規技術，並非本實用新型的內容， 其輸出的控制信號頻率的大小根據所控制的奇(偶)均衡子電路的奇(偶)儲能電感Lm (Ln) 的電感值、奇MOS管Qm和偶MOS管Qn、的開關損耗、電池單元模塊電壓、電池單元模塊容量而定。所述控制電路輸出的控制信號的佔空比使奇(偶)均衡子電路的奇(偶)儲能電感Lm (Ln)在每個信號周期內復位，即奇(偶)儲能電感Lm (Ln)的電流從零開始上升，最後又下降到零。控制電路是具有電氣隔離功能，如採用TLP521-1的光耦隔離或者變壓器隔離等， 能將電池管理系統發出的控制信號轉為能夠直接驅動奇MOS管Qm和偶MOS管Qn的驅動信號。[0027]圖2中，奇均衡子電路由奇MOS管Qm、奇儲能電感Lm、奇續流二極體Dm組成，奇MOS 管Qm的漏極、奇續流二極體Dm陽極、奇儲能電感Lm的第一端三者相連接，奇續流二極體Dm 陰極a、奇MOS管Qm的柵極b、奇MOS管Qm的源極C、奇儲能電感Lm的第二端d。奇均衡子電路的奇·MOS管Qm的柵極b連接控制電路，奇MOS管Qm的源極c連接負端GND。[0028]圖3中，偶均衡子電路由偶MOS管Qn、偶儲能電感Ln、偶續流二極體Dn組成，偶MOS 管Qn的源極、偶續流二極體Dn陰極、偶儲能電感Ln的第一端三者相連接，偶MOS管Qn的漏極e、偶MOS管Qn的柵極f、偶續流二極體Dn陽極g、偶儲能電感Ln的第二端h。偶均衡子電路的偶MOS管Qn的柵極f連接控制電路，偶MOS管Qn的漏極e連接正端VCC。[0029]圖6中，在放電過程中，電池管理系統檢測到第一奇電池B1、第二偶電池B4的剩餘電量(SOC, State of Charge)偏低,為了防止第一奇電池B1、第二偶電池B4過放電，電池管理系統給控制電路發送指令，控制電路控制與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的奇 MOS管Qm和第二偶電池B4的偶均衡子電路S4的偶MOS管Qn以一定的頻率和佔空比開通和關斷，開關的頻率和佔空比根據具體的電路設定。[0030]當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的奇MOS管Qm開通時，全部偶電池 (電池單元模塊B2、B4, B4, B8, B10, B12, B14)、與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的奇儲能電感Lm和奇MOS管Qm組成迴路，流過奇儲能電感Lm的電流從零開始上升，全部偶電池 (電池單元模塊B2、B4、B4、B8、B1(i、B12、B14)給奇儲能電感Lm充電，奇儲能電感Lm儲能；當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的奇MOS管Qm關斷時，與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的奇儲能電感Lm和奇續流二極體Dm、第一奇電池B1組成迴路，奇儲能電感Lm 的電流通過奇續流二極體Dm續流,給第一奇電池B1充電,流過奇儲能電感Lm的電流下降， 到該開關周期結束時，流過奇儲能電感Lm的電流下降到零,奇儲能電感Lm復位。[0031]當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的偶MOS管Qn開通時，第二偶電池 B4、全部奇電池(電池單元模塊B3> B5, B7, B9, Bn、B13)、與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的偶儲能電感Ln和偶MOS管Qn組成迴路，流過偶儲能電感Ln的電流從零開始上6升，第二偶電池B4和全部奇電池(電池單元模塊B3> B5, B7, B9, Bn、B13)給偶儲能電感Ln 充電，偶儲能電感Ln儲能；當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的偶MOS管Qn關斷時，與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的偶儲能電感L1^P偶續流二極體Dn、第二偶電池B4組成迴路，偶儲能電感Ln的電流通過偶續流二極體Dn續流，給第二偶電池B4充電， 流過偶儲能電感Ln的電流下降,到該開關周期結束時，流過偶儲能電感Ln的電流下降到零， 偶儲能電感Ln復位。本均衡電路能保證每個電池單元模塊在放電過程中不出現過放電，改善串聯電池組不均衡的現象,提高電池組的可用容量,減少串聯電池組的維修和更換,延長電池組的使用壽命。
權利要求1.一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路，所述串聯電池組包括三個以上串聯連接的電池單元模塊，其特徵在於所述放電放電均衡電路包括三個以上的均衡子電路，每一個電池單元模塊均各自連接有一個均衡子電路，所述串聯電池組具有正端(VCC)和負端 (GND),以所述串聯電池組中的一個連接點N為分界點，所述串聯電池組正端(VCC)到連接點N之間的電池單元模塊為前部分，連接點N到串聯電池組負端(GND)之間的電池單元模塊為後部分，前部分中電池單元模塊的個數最多比後部分電池單元模塊的個數多一個，前部分的電池單元模塊稱為奇電池，後部分的電池單元模塊稱為偶電池，與奇電池相連接的均衡子電路稱為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路稱為均衡子電路；前部分串聯電池單元模塊以連接點N為起點，串聯電池組正端(VCC)為終點,順次將電池單元模塊記為第一奇電池B1、第二奇電池B3、第三奇電池B5,依此順次命名，與串聯電池組正端(VCC)相連接的電池單元模塊為第f奇電池Bi ;後部分串聯電池單元模塊以連接點N為起點，串聯電池組負端(GND)為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池B6，依此順次命名，與串聯電池組負端(GND)相連接的單元電池為第4偶電池B j, j為正偶數，所述奇電池的正端連接奇均衡子電路的奇續流二極體(Dm)的陰極(a)，所述奇電池的負端連接奇均衡子電路的奇儲能電感(L111)的第二端(d);所述偶電池的正端連接偶均衡子電路的偶儲能電感(Ln)的第二端(h)，所述偶電池的負端連接偶續流二極體(Dn)陽極 (g)。
2.根據權利要求I所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於，所述奇均衡子電路包括奇MOS管(Qm)、奇儲能電感(Lm)和奇續流二極體(Dm)，奇MOS管(Qm)的漏極、奇續流二極體(Dm)陽極、奇儲能電感(Lm)的第一端三者相連接，奇續流二極體(Dm)陰極(a)、奇MOS 管(Qm)的柵極(b)、奇MOS管(Qm)的源極(c)和奇儲能電感(1^)的第二端(d)相連。
3.根據權利要求I所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於，所述偶均衡子電路包括偶MOS管(Qn)、偶儲能電感(Ln)和偶續流二極體(Dn)，偶MOS管(Qn)的源極、偶續流二極體(Dn)陰極和偶儲能電感(Ln)的第一端三者相連接，偶MOS管(Qn)的漏極(e)、偶MOS管 (Qn)的柵極(f)、偶續流二極體(Dn)陽極(g)和偶儲能電感(Ln)的第二端(h)相連。
4.根據權利要求I所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於，所述電池單元模塊為鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池或超級電容器。
5.根據權利要求I所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於，所述奇均衡子電路的奇MOS管(Qm)的柵極(b)連接控制電路，奇MOS管(Qm)的源極(c)連接串聯電池組負端 (GND)0
6.根據權利要求I所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於，所述偶均衡子電路的偶MOS管(Qn)的柵極(f)連接控制電路，偶MOS管(Qn)的漏極(e)連接串聯電池組正端 (VCC);所述控制電路用於控制所述奇均衡子電路的奇MOS管(Qm)和偶均衡子電路的偶MOS 管(Qn)的開通和關斷。
7.根據權利要求I 6任一項所述的串聯電池組放電均衡電路，其特徵在於所述i取值為I 59，j取值為2 60。
專利摘要本實用新型公開了一種基於電感儲能的串聯電池組放電均衡電路，所述串聯電池組包括三個以上串聯連接的電池單元模塊，所述放電放電均衡電路包括三個以上的均衡子電路，每一個電池單元模塊均各自連接有一個均衡子電路，在串聯電池組的放電過程中，電池管理系統根據電池組內各個電池的剩餘電量，找出剩餘電量偏低的電池單元模塊，給控制電路發送均衡指令，控制電路通過控制奇(偶)均衡子電路的奇MOS管Qm(偶MOS管Qn)的開通和關斷給與其相連接的奇(偶)電池充電。本實用新型能保證每個電池單元模塊在放電過程中不出現過放電，改善串聯電池組不均衡的現象，提高電池組的可用容量，減少串聯電池組的維修和更換，延長電池組的使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK202749869SQ20122043358
公開日2013年2月20日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者康龍雲, 楊會州, 溫懋勤, 趙先嫻, 朱洪波 申請人:華南理工大學