一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路及其均衡方法
2023-12-02 05:22:06
專利名稱：一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路及其均衡方法
一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路及其均衡方法技術領域
本發明屬於電動汽車電池管理技術領域，涉及一種動力鋰離子電池模塊充放電均 衡電路及其控制方法。
背景技術：
電動汽車用動力電池模塊由單體鋰離子電池串聯而成，由於單體鋰離子電池性能 存在不一致性，在充放電時會出現單體電壓不一致，從而影響和制約著整個電池模塊的充 放電能力。在工作中只要有一個單體電池達到充放電電壓極限，整個電池模塊就要停止充 放電，否則單體電池會發生過充或過放，嚴重影響其壽命。對單體電池的有效均衡可以更好 的發揮電池性能，延長使用壽命。
現有的均衡分為兩種一種是被動均衡，也稱為能耗型均衡，通常採用在單體電池 兩端並聯電阻的方式，通過電阻將電能轉換成熱能，來達到電壓平衡，既消耗了電池模塊的 能量，又給電池熱管理帶來了困難，而且效率低下。另一種是主動均衡，也即非能耗性均衡， 按能量轉換元件類型可以分為電容均衡，電感均衡，變壓器均衡，雙向DC-DC均衡等四種。 電容均衡電流不易控制，開關管分壓也造成均衡效果不明顯；電感均衡只能在相鄰的單體 電池間進行，結構複雜，均衡速度受限制；變壓器均衡有磁飽和和結構複雜的問題；現有雙 向DC-DC均衡也存在各種設計和效率上的缺陷。發明內容
本發明的目的在於提供一種電動汽車動力鋰離子電池模塊充放電非耗能型均衡 電路和均衡方法，以克服現有電路存在的上述不足。為了實現上述目的，本發明的技術方案 如下
一種動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，包括鋰離子電池組、充放電開關組單元， 充放電總線單元，能量轉移電路和均衡控制器；所述鋰離子電池組包含一個以上的鋰離子 單體電池,通過所述充放電開關組單元連接到所述充放電總線單元上；所述能量轉移電路 兩側分別與所述充放電總線單元相連；所述均衡控制器分別與所述能量轉移單元、所述開 關組單元及所述鋰離子電池組相連，以控制所述開關組單元選通所需充放電的鋰離子單體 電池到所述能量轉移電路中並進行充放電。
所述充放電開關組單元包含開關數目均等於所述鋰離子電池組中鋰離子單體電 池數目的充電選通開關組和放電選通開關組，且所述充電選通開關組和所述放電選通開關 組中的開關均與所述鋰離子單體電池一一對應連接。
所述充放電總線單元包括充電總線和放電總線；所述能量轉移電路包括電容C、 二極體Dl和D2、電感LI和L2、以及控制開關SWl、Sff2, SW3和SW4 ;所述電容C通過所述 二極體Dl後與所述電感LI並聯，所述二極體Dl的正極與所述電容C相連；所述控制開關 Sffl和SW2的一端分別與所述電感LI的兩端相連，另一端與所述放電總線相連；所述控制 開關SW3和SW4的一端分別連接到所述電容C的兩端，另一端分別連接到所述電感L2的兩端；所述電感L2通過所述二極體D2後連接到所述充電總線上，所述二極體D2的正極與所 述電感L2相連。
所述開關組單元、所述充放電總線單元、所述能量轉移電路和所述均衡控制器集 成在一個IC微處理器中。
所述控制開關由一個MOSFET管和一個導通電壓為O. 2 O. 3V的二極體組成，所 述二極體與所述MOSFET管內寄生二極體的極性相反。
所述MOSFET管採用高側驅動方式驅動。
一種用於上述動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，包括以下步驟
(I)實時檢測並比較各單體電池的端電壓，計算目標單體電壓，將端電壓最低的單 體電池連接到所述充電總線上；將端電壓最高的單體電池連接到所述放電總線上；
(2)控制所述控制開關的開啟和關閉，進行主動均衡；
(3)實時監測正在均衡的兩個單體電池的電壓是否達到目標單體電壓值，如果是 則關斷四個控制開關；如果不是則不動作；
(4)檢測是否還有其他單體電壓不一致，如果有則返回步驟(I)進行新的循環；如 果沒有則關閉所述開關組單元，系統進入低功耗狀態。
所述步驟(2)中的主動均衡過程包括以下步驟
(21)開啟放電側的控制開關；
(22)當放電側電感的電流等於需求值時，關斷放電側控制開關；
(23)開啟充電側控制開關；
(24)關閉充電側開關；
(25 )開啟放電側控制開關，並返回步驟(22 )。
所述步驟(22)中需求值為與所述鋰離子電池的容量相關的經驗值。
所述步驟(23)和所述步驟(25)之前還包括延時過程。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果(I)將電感作為充放電儲能元件，將 電容作為能量緩衝元件，有效地克服了電感均衡在開關開啟和關斷瞬間感生高壓電動勢的 缺點。(2)通過開關管的開啟和關斷順序來實現兩單體電池的有效隔離，對比常見的變壓器 隔離的DC-DC方案和變壓器方案，省去了複雜的變壓器，從而克服了漏磁，磁飽及其帶來的 效率問題，大大簡化了結構，提高了效率。(3 )對比電容均衡方案，利用電感的自感來給電池 充放電，克服了電容均衡時開關管分壓造成的效率問題。(4)本發明可只使用一套均衡電 路，結構簡單，允許大電流均衡，均衡時間短，均衡效率高，大大降低均衡系統的成本，易於 產業化，有著良好的社會應用前景。
圖1本發明實施例中均衡電路的整體結構框圖2本發明實施例中均衡第一階段，開關管SW1、SW2開啟，SW3、SW4關斷時的電流 流向不意圖3本發明實施例中均衡第二階段，開關管SW1、SW2關斷，SW3、SW4開啟時的電流 流向不意圖4本發明實施例中均衡第三階段，開關管SW1、SW2開啟，SW3、SW4關斷時的電流流向示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例進一步闡述本發明的技術方案。
為了將動力鋰離子電池模塊的電壓不一致性均衡到可以接受的範圍內，本實施例提出了如圖1所示的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路。該均衡電路包括鋰離子電池組、 充放電總線單元、充放電開關組單元、均衡控制器和能量轉移電路。其中，鋰離子電池組包括η個串聯的鋰離子單體電池Cl Cn，鋰離子單體電池的數目η大於I。充放電開關組單元包括放電選通開關組KA和充電選通開關組ΚΒ，各開關組均包括η個開關。放電選通開關組KA中的開關KAl KAn與鋰離子電池組中的鋰離子單體電池--對應連接,從而將各鋰離子單體電池連接到放電總線上；充電選通開關組中KB的開關KBl KBn與鋰離子電池組中的鋰離子電池單體同樣--對應連接,將各鋰離子單體電池連接到充電總線上。
能量轉移電路包括電感L1、L2、二極體D1、D2、電容C和開關管SW1、SW2、SW3、SW4。 在能量轉移電路的放電側，電容C通過二極體Dl後與電感LI並聯，二極體Dl的正極與電容C相連；開關管SWl和SW2的一端分別與電感LI的兩端相連，另一端連接到放電總線上； 在能量轉移電路的充電側，開關管SW3和SW4的一端分別連接到電容C的兩端，另一端分別連接到電感L2的兩端；電感L2通過二極體D2後連接到充電總線上，二極體D2的正極與電感L2相連。
在能量轉移電路中，電感LI作為放電電池的儲能元件，電感L2作為充電電池的充電元件，電容C作為能量由電感LI向電感L2轉移時的能量緩衝元件。開關管SWl SW4 均由一個MOSFET管和一個低導通壓降的二極體反向串聯而成，從而實現開關的可靠截止， 其中二極體的導通電壓為O. 2 O. 3V。四個MOSFET管均以高側驅動方式驅動，可以採用專有晶片或者分立元件電路作為柵極驅動器。
均衡控制器包括電壓採集模塊、溫度採集模塊、過流保護模塊、過壓欠壓保護模塊和脈衝控制模塊。均衡控制器實時檢測並比較鋰離子電池組的每個鋰離子單體電池的電壓，當鋰離子單體電池電壓出現不一致時，控制充放電開關組單元選通電壓過高的單體電池和電壓過低的單體電池，將電壓過高的單體電池接入到能量轉移電路的放電側，將電壓過低的鋰離子單體電池接入到能量轉移電路的充電側，並按照特定時序產生脈衝控制信號來控制四個開關管SWl SW4，以實現高壓電池向低壓電池充電。均衡控制器可以控制脈衝的產生、停止、頻率調製(PFM)和脈寬調製(PWM)，並通過對脈衝的控制來控制開關管SWl SW4的開啟和關斷。
本發明還提出了一種用於該動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，包括以下步驟
(I)實時檢測並比較各單體電池的端電壓，計算目標單體電壓，將端電壓最低的單體電池連接到所述充電總線上；將端電壓最高的單體電池連接到所述放電總線上；其中目標電壓為能夠保證鋰離子電池組的單體電池電壓不一致性符合要求的值；`
(2)控制所述控制開關的開啟和關閉，進行主動均衡；
(3)實時監測正在均衡的兩個單體電池的電壓是否達到目標單體電壓值，如果是則關斷四個控制開關；
(4)檢測正在均衡的兩單體電池的電壓是否達到目標值，如果是，則斷開所有控制 開關；若果不是，則不動作。
(5)檢測是否還有其他單體電壓不一致，如果有則返回步驟(I)進行新的循環；如 果沒有則關閉所述開關組單元，系統進入低功耗狀態。
其中，所述步驟(2)中的主動均衡過程包括以下步驟
(21)開啟放電側的控制開關；
(22)當放電側電感的電流等於需求值時，關斷放電側控制開關；其中，需求值為與 鋰離子電池的容量相關的經驗值；
(23)延時一段時間，開啟充電側控制開關；
(24)關閉充電側開關；
(25)延時一段時間，開啟放電側控制開關，並返回步驟(22)。
綜上可知，主動均衡過程包括三個階段。步驟(21)開啟開關管SWl、SW2後，進入 均衡的第一階段，如圖2所示。此時，由於二極體Dl的反向截止作用，其之後的元器件被斷 開，電流只能由放電電池CEEL_H的正極通過LI流回放電電池CELL_H的負極，圖2中的箭 頭表示的即是電流的流向。流經LI的電流隨著開關管SW1、SW2導通的時間線性增大，最大 電流取決於開關管SW1、SW2導通的時間。
步驟(22)中當LI的電流達到要求的電流值時，關斷放電側開關管SW1、SW2。由於 物理條件限制，且以免放電電池和充電電池直通造成電池模塊內部短路，會有一個短暫的 死區時間，故步驟(23)延時開啟開關管SW3、SW4。也就是第一階段和第二階段之間會有短 暫的緩衝階段，此時開關管SWl SW4均關閉。電流由電感LI流向電容C，由於電容允許電 流突變，故這個過程是個平順的過程，電感電壓不會突變。
步驟(23)控制開啟開關管SW3和SW4後，進入均衡第二階段，如圖3所示。此時 電流一方面繼續流向電容C，另一方面流向電感L2，圖3中箭頭表示的是此時電流的流向。 由於電感LI和電容C之間是單向電路，電流不能通過電容C回到電感LI ;電感L2和電容 C構成振蕩電路，電量可以完全由電容C轉移至電感L2,也就是電量會在一定時間完全由電 感LI轉移至電感L2，此時進入步驟(24)斷開開關管SW3、SW4。充電側開關管SW3和SM 的開啟時間是一個與放電側開關管SWl和SW2的開啟時間相關的經驗值。
同樣地，以免放電電池和充電電池直通造成電池模塊內部短路，在關斷開關管SW3 和SW4之後，步驟(25)會延時一個短暫的死區時間，再開啟充電側開關管SWl和SW2。也就 是均衡第二階段和均衡第三階段之間會有短暫的緩衝階段，此階段電流由電感L2流向充 電電池CELL_L，由於電感L2有迴路存在，這個緩衝階段也是一個平順的過程。
步驟(25)開啟放電側開關管SWl和SW2後，進入均衡第三階段，如圖4所示。此 時均衡電路的放電側已經進入下一個均衡周期，也即均衡第一階段。均衡電路的充電側進 入第三階段，即電感L2強制電流給充電電池CELL_L，且由於二極體D2的單向導通作用，這 個過程是不可逆的，圖4中箭頭表示是此時電流的方向。
通過上述過程完成一個充放電均衡過程後，如果電池的一致性仍然不符合要求， 將不停地重複以上第二和第三階段，也即第二和第三階段構成一個完整的均衡周期。綜上 可知，從開始均衡的第一個周期之後，充放電是同時進行的，和現有的很多DC-DC主動均衡 方案相比，本發明的技術方案節約了將近一半的時間。
上述均衡過程中，兩組開關管的開啟和關斷有順序地進行，實現了放電電池和充電電池的有效隔斷。兩組開關管在順序開啟時有足夠的死區時間，不會同時處於導通的狀態，避免了兩個單體電池的直連。電容C作為能量緩衝元件，在充電側開關管SWl和SW2關斷的瞬間，構成電感LI電流流經的迴路，避免了電感電流的突變，沒有電壓突變現象，克服了電感式均衡的弱點。
本發明可只使用一套均衡電路，通過對兩個開關組內開關的選通控制，即可實現具有η個單體電池的電池模塊的主動均衡。同時從均衡過程中可以看出，本發明有效地實現了脈衝控制的充放電的同步進行，大大提高了均衡效率。本發明的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路及其均衡方法具有控制簡單，均衡電流大，均衡效率高、成本低的特點，可以實現電池模塊內任意兩個單體電池間的均衡，在保證電池間高效均衡的前提下，大大降低均衡系統的成本。
上述的對實施例的描述是為便於該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例 做出各種修改，並把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經過創造性的勞動。因此，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，不脫離本發明範疇所做出的改進和修改都應該在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於包括鋰離子電池組、充放電開關組單元，充放電總線單元，能量轉移電路和均衡控制器；所述鋰離子電池組包含一個以上的鋰離子單體電池，通過所述充放電開關組單元連接到所述充放電總線單元上；所述能量轉移電路兩側分別與所述充放電總線單元相連；所述均衡控制器分別與所述能量轉移單元、所述開關組單元及所述鋰離子電池組相連，以控制所述開關組單元選通所需充放電的鋰離子單體電池到所述能量轉移電路中並進行充放電。
2.根據權利要求1所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於所述充放電開關組單元包含開關數目均等於所述鋰離子電池組中鋰離子單體電池數目的充電選通開關組和放電選通開關組，且所述充電選通開關組和所述放電選通開關組中的開關均與所述鋰離子單體電池一一對應連接。
3.根據權利要求1所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於所述充放電總線單元包括充電總線和放電總線；所述能量轉移電路包括電容C、二極體Dl和D2、電感 LI和L2、以及控制開關SffU Sff2, SW3和SW4 ；所述電容C通過所述二極體Dl後與所述電感LI並聯，所述二極體Dl的正極與所述電容C相連；所述控制開關SWl和SW2的一端分別與所述電感LI的兩端相連，另一端與所述放電總線相連；所述控制開關SW3和SW4的一端分別連接到所述電容C的兩端，另一端分別連接到所述電感L2的兩端；所述電感L2通過所述二極體D2後連接到所述充電總線上，所述二極體 D2的正極與所述電感L2相連。
4.根據權利要求1所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於所述開關組單元、所述充放電總線單元、所述能量轉移電路和所述均衡控制器集成在一個IC微處理器中。
5.根據權利要求3所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於所述控制開關由一個MOSFET管和一個導通電壓為O. 2 O. 3V的二極體組成，所述二極體與所述 MOSFET管內寄生二極體的極性相反。
6.根據權利要求5所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路，其特徵在於所述 MOSFET管採用高側驅動方式驅動。
7.一種用於權利要求1所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，其特徵在於包括以下步驟(1)實時檢測並比較各單體電池的端電壓，計算目標單體電壓，將端電壓最低的單體電池連接到所述充電總線上；將端電壓最高的單體電池連接到所述放電總線上；(2)控制所述控制開關的開啟和關閉，進行主動均衡；(3)實時監測正在均衡的兩個單體電池的電壓是否達到目標單體電壓值，如果是則關斷四個控制開關；如果不是則不動作；(4)檢測是否還有其他單體電壓不一致，如果有則返回步驟(I)進行新的循環；如果沒有則關閉所述開關組單元，進入低功耗狀態。
8.根據權利要求7所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，其特徵在於所述步驟(2)中的主動均衡過程包括以下步驟(21)開啟放電側的控制開關；(22)當放電側電感的電流等於需求值時，關斷放電側控制開關；(23)開啟充電側控制開關；(24)關閉充電側開關；(25)開啟放電側控制開關，並返回步驟(22)。
9.根據權利要求8所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，其特徵在於所述步驟(22)中需求值為與所述鋰離子電池容量相關的經驗值。
10.根據權利要求9所述的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路的均衡方法，其特徵在於所述步驟(23)和所述步驟(25)之前還包括延時過程。
全文摘要
本發明提出了一種動力鋰離子電池模塊主動均衡電路及其均衡方法，屬於電動汽車電池管理技術領域。該均衡電路包括鋰離子電池組、充放電開關組單元、充放電總線單元、能量轉移電路和均衡控制器。其中，開關組單元將鋰離子電池組連接到充放電總線單元上，能量轉移電路的兩側也連接到充放電總線單元上，均衡控制器與鋰離子電池組、充放電開關組單元和能量轉移電路相連，實時監測鋰離子單體電池的電壓、控制開關組單元選通需要充放電的鋰離子單體電池，並控制能量轉移電路實現所選鋰離子單體電池的充放電。本發明克服了現有動力鋰離子電池模塊的缺點，具有控制簡單，均衡電流大，均衡效率高、成本低的優點。
文檔編號H02J7/00GK103066665SQ20131001990
公開日2013年4月24日 申請日期2013年1月18日 優先權日2013年1月18日
發明者孫澤昌, 戴海峰, 王代壯 申請人:同濟大學