一種電池組的均衡電路的製作方法

2023-05-01 17:20:51

一種電池組的均衡電路的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種電池組的均衡電路，電池組1包括多個串聯連接的單個電池，其特徵在於，包括模擬開關陣列2、電壓採集晶片3、第一能量總線4、第二能量總線5、自動正負極性轉換橋6、雙向DC/DC直流變換器7、供電系統8、主被動選擇開關9、MCU控制單元10和電壓監控單元11，本發明的電池組的均衡電路結構簡單，可以很方便的實現電池組中電池的均衡控制，電路的前級採用模擬開關陣列，把電池能量到通到「能量總線」上，再通過正負極性轉換電路把能量總線連接到一個雙向的DC/DC直流變換器上，使得單只電池可以與供電系統進行能量交換而達到均衡的目的，本均衡電路，獨立了能量來源和電池，具有操作靈活，系統可靠的優點。
【專利說明】—種電池組的均衡電路
【技術領域】
[0001]本發明屬於電池管理系統的【技術領域】，具體涉及一種電池組的均衡電路。
【背景技術】
[0002]在電池發展歷史上，電池一致性一直被提及，但從來沒有被今天這樣強調過，對於真正的動力、儲能應用，串聯上百隻電池很常見，在上百串電池中任何一串出現問題，會帶來嚴重後果，儘管可以通過各種pack方式減小這種影響，但還是杯水車薪。受制於安全性的要求，目前的高壓電池組基本由磷酸鐵鋰組成。磷酸鐵鋰生產過程用到鐵原料，鐵這種元素三種化合態:單質、+2價、+3價，很容易轉化，即使在被認為廉價的鉛酸電池中，都十分忌諱任何價態的鐵元素，因為+2、+3價的鐵離子很容易相互轉換，即使電池不通過電流情況下，+2鐵在電池正極容易被氧化為+3價，而在電池負極容易被還原為+2價，所以離子態的鐵會在電池之間傳遞能量，鋰離子正負極之間只有不到20微米的隔膜，鐵離子很容易擴散到另外一個電極上去，所以只需要極其微量的鐵離子，就可以產生很可觀的自放電電流。電池在生產過程中會有很多不一致性因素，如容量、內阻、溫度敏感度等，但遠沒有自放電不一致性危害那麼大。
[0003]電池的一致性問題成為磷酸鐵鋰電池之類的高能電池在高電壓電池組應用上最大的瓶頸。世界上個沒有兩片完全一樣的樹葉，也不可能有完全一樣的電池，電池的不均衡性是絕對的，所一般需要外部電路來輔助電池調節電池狀態這種電路一般稱之為均衡系統。
[0004]因此，需要一種鋰離子電池組的均衡電路以解決上述問題。

【發明內容】

[0005]發明目的:本發明針對現有技術中鉛蓄電池正極添加劑的缺陷，提供一種可以用於鉛蓄電池正極添加劑的鉍金屬有機框架材料的製備方法。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的鉍金屬有機框架材料的製備方法採用如下技術方案:
一種電池組的均衡電路，所述電池組包括多個串聯連接的單個電池，其特徵在於，包括模擬開關陣列、電壓採集晶片、第一能量總線、第二能量總線、自動正負極性轉換橋、雙向DC/DC直流變換器、供電系統、主被動選擇開關、MCU控制單元和電壓監控單元，所述電壓採集晶片連接所述電池組和MCU控制單元，所述第一能量總線分別連接所述單個電池的一端，所述第二能量總線分別連接所述單個電池的另一端，所述第一能量總線和第二能量總線與所述電池組之間均設置有所述模擬開關陣列，所述第一能量總線和第二能量總線均連接所述自動正負極轉換橋和電壓監控單元，所述電壓監控單元連接所述MCU控制單元，所述自動正負極轉換橋連接所述雙向DC/DC直流變換器，所述雙向DC/DC直流變換器連接所述供電系統，所述雙向DC/DC直流變換器通過所述主被動選擇開關連接所述MCU控制單元。
[0007]更進一步的，所述模擬開關陣列為photoMOS光電耦合器。由低速的松下款PhotoMOS構成，具有開關速度底，開關可靠，隔離可靠度度高的特點，這種開關的輸入端的LED產生光，光通過隔離介質到達對面的光伏電池堆，從而產生電壓，此電壓推動兩個反向串聯的MOS開關管，達到類似隔離繼電器的效果。
[0008]更進一步的，所述自動正負極性轉換橋包括兩個P溝道MOS和兩個N溝道M0S。利用輸入電壓的自舉作用選擇對應的MOS導通，實現類似全橋整流的作用，而且是雙嚮導通的。
[0009]發明原理:在正常工作情況下電壓採集晶片通過對電池組的測量，把電池組內的單節電池電壓輸送的到MCU控制單元，MCU控制單元通過計算對比，從而決定哪一個電池需要被優先均衡，從而發出控制指令命令相應的開啟動作。設需要執行均衡的單個電池的編號為n，那麼首先MCU控制單元會打開模擬開關陣列中的第η和η+1兩個開關，經過適當延時之後，通過主被動選擇開關控制雙向DC/DC直流變換器的能量流動方向，以執行均衡的功能。
[0010]當某隻電池電壓過高需要放電的時候，這隻電池通過模擬開關陣列、自動正負極性轉換橋連接到雙向DC/DC直流變換器上，雙向DC/DC直流變換器把電池的能量輸送到供電系統上，實現了這隻電池的對外放電，而不是通過電阻消耗掉。
[0011]當某隻電池由於自放電高等原因出現電壓過低或SOC落後而需要補充電時候，這隻電池通過模擬開關陣列、自動正負極性轉換橋連接到雙向DC/DC直流變換器上，雙向DC/DC直流變換器把供電系統的能量輸送給此電池，給此電池進行充電。
[0012]有益效果:本發明的電池組的均衡電路結構簡單，可以很方便的實現電池組中電池的均衡控制，電路的前級採用模擬開關陣列，把電池能量到通到「能量總線」上，再通過正負極性轉換電路把能量總線連接到一個雙向的DC/DC直流變換器上，使得單只電池可以與供電系統進行能量交換而達到均衡的目的，本均衡電路，獨立了能量來源和電池，具有操作靈活，系統可靠的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的電池組的均衡電路的結構示意圖；
圖2為模擬開關陣列的原理示意圖；
圖3為自動正負極性轉換橋的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。
[0015]請參閱圖1、圖2和圖3所示，本發明的一種電池組的均衡電路，電池組I包括多個串聯連接的單個電池，包括模擬開關陣列2、電壓採集晶片3、第一能量總線4、第二能量總線5、自動正負極性轉換橋6、雙向DC/DC直流變換器7、供電系統8、主被動選擇開關9、MCU控制單元10和電壓監控單元11。
[0016]電壓採集晶片3連接電池組I和MCU控制單元10。第一能量總線4分別連接單個電池的一端，第二能量總線5分別連接單個電池的另一端，第一能量總線4和第二能量總線5與電池組I之間均設置有模擬開關陣列2，第一能量總線4和第二能量總線4均連接自動正負極轉換橋6和電壓監控單兀11。其中，模擬開關陣列2為photoMOS光電稱合器。由低速的松下款PhotoMOS構成，具有開關速度底，開關可靠，隔離可靠度度高的特點，這種開關的輸入端的LED產生光，光通過隔離介質到達對面的光伏電池堆，從而產生電壓，此電壓推動兩個反向串聯的MOS開關管，達到類似隔離繼電器的效果。自動正負極性轉換橋6包括兩個P溝道MOS和兩個N溝道MOS。利用輸入電壓的自舉作用選擇對應的MOS導通，實現類似全橋整流的作用，而且是雙嚮導通的。
[0017]電壓監控單元11連接MCU控制單元10，自動正負極轉換橋6連接雙向DC/DC直流變換器7，雙向DC/DC直流變換器7連接供電系統8，雙向DC/DC直流變換器7通過主被動選擇開關9連接MCU控制單元10。其中，雙向DC/DC直流變換器7通過對引腳的控制可以控制功率輸送方向，而且連接自動正負極極轉換橋6的方向是採用限流限壓的控制模式。以達到均衡電量的精確計量。
[0018]發明原理:在正常工作情況下電壓採集晶片3通過對電池組I的測量，把電池組I內的單節電池電壓輸送的到MCU控制單元10，MCU控制單元通過計算對比，從而決定哪一個電池需要被優先均衡，從而發出控制指令命令相應的開啟動作。設需要執行均衡的單個電池的編號為n，那麼首先MCU控制單元10會打開模擬開關陣列2中的第η和η+1兩個開關，經過適當延時之後，通過主被動選擇開關9控制雙向DC/DC直流變換器7的能量流動方向，以執行均衡的功能。
[0019]當某隻電池電壓過高需要放電的時候，這隻電池通過模擬開關陣列2、自動正負極性轉換橋6連接到雙向DC/DC直流變換器7上，雙向DC/DC直流變換器7把電池的能量輸送到供電系統8上，實現了這隻電池的對外放電，而不是通過電阻消耗掉。
[0020]當某隻電池由於自放電高等原因出現電壓過低或SOC落後而需要補充電時候，這隻電池通過模擬開關陣列2、自動正負極性轉換橋6連接到雙向DC/DC直流變換器7上，雙向DC/DC直流變換器7把供電系統8的能量輸送給此電池，給此電池進行充電。
[0021]MCU控制單元10會記錄下每次放電終止和充電終止時的電壓值，在前級程序確定需要對電池均衡的時候，MCU控制單元10會調出歷史數據進行對比，以確定無誤，避免往復均衡，同時MCU會記錄下每隻電池累積的均衡電量，每隔一段時間會進行總體的分析，挑出那些微短路的電池。
[0022]過對多級串聯電池組的故障模式的分析，我們把電池組的故障模式分為三大類型:一、電芯性能衰減，包括可逆容量異常衰減、內阻明顯升高、CC百分比減少等；二、電池組機構的損壞，包括鬆動、溫度異常、進水等；三、為SOC差異，包括由於自放電過大、溫度不一致、配組瑕疵等不影響實際電芯容量而會影響電池組成組性能的故障模式。
[0023]第一種失效模式，往往意味著電芯壽命的終結，不管哪種均衡方式都不可能修復電池組，反而會因為往復均衡、嚴重發熱等問題嚴重傷害BMS系統的健壯性，對於電芯自身的性能異常的衰退，最好採取拆機替換電芯的方式。
[0024]第二種失效模式，與本內容無關，不予說明。
[0025]第三種失效模式囊括了很多故障模式，統一為SOC差異模式是由於這些故障可以使用統一的模型來解釋，而且可以利用統一的均衡處理方法來校正個別電池的SOC狀態。
[0026]在對電池失效故障模式的詳細分析中提出了一種新的均衡技術方案.電池可以看成一個容性很大的電子元器件，對於大型電池組，電池電壓在幾秒之內的不會有太大的變化，從而在時間軸上給「分時復用」均衡能量總線留下了操作空間。
[0027]按照本發明的技術可以很好地解決，第三種失效模式導致的電池組性能衰退，結合檢測電路可以檢測出來第二種失效模式額報警。
[0028]與一般均衡技術不同的是，本方案設計了一組均衡能量總線，均衡能量總線既可以給電壓過高的電池分流，又可以給電壓過低的電池分流。通過每個電池兩端的電子開關，結合不同的控制方案控制開關的開閉，可以在電池組任意工作狀態實現不同的均衡方案，如放電均衡，充電動態均衡，主動補電均衡，被動分流均衡等。
[0029]本技術通過連接在每個電池兩端的開關(Sl-Sn+Ι)打破串聯電池電流值一致的限制，通過對電池前後記錄、電壓差值、電流值等信息狀態，打開相應額開關，如果需要均衡的是第η只電池，那麼就打開Sn和Sn+Ι兩個開關，這樣電池就通過正負極轉換開關接到直流變送器DC/DC上，然後開啟DC/DC，如果是電池需要補電，那麼通過外部電源給單只電池補電，如果電池電壓過高，那麼通過DC/DC把電池多餘的能量轉移出去，以實現同一套硬體電路的不同均衡方式。
[0030]因為能量總線的正負極性隨著需要均衡的電池未知的不同而發生顛倒轉換，在能量總線和DC/DC之間設計一組MOS橋電路用來轉換正負極。
[0031]DC/DC的設計上採用與傳統DC/DC完全不同的控制方法，兩邊的輸入輸出電路都採用效率優先的控制策略，以減少系統的發熱，進一步提高均衡能力，而且輸出採用恆流限壓模式，符合容性負載的需求，而且每次被輸送的安時數可以被很好地統計存儲下來，作為系統檢修的重要依據。
[0032]電池與均衡總線之間的連接放棄傳統的電容驅動或者磁隔離驅動等高頻開關驅動方式，取代之的採用可靠性和抗幹擾度都比較高的光隔離驅動方式，而且連驅動開關的電源也是有光電池提供，徹底把高壓電路和控制電路隔離開來，避免了磁隔離的輻射汙染，而且低頻開關本身不會產生高頻諧波，EMC特性好，提高數字電路部分的可靠性。隨著頻率的降低，開關損耗和導通損耗也隨之降低。
[0033]本發明的電池組的均衡電路結構簡單，可以很方便的實現電池組中電池的均衡控制，電路的前級採用模擬開關陣列，把電池能量到通到「能量總線」上，再通過正負極性轉換電路把能量總線連接到一個雙向的DC/DC直流變換器上，使得單只電池可以與供電系統進行能量交換而達到均衡的目的，本均衡電路，獨立了能量來源和電池，具有操作靈活，系統可靠的優點。
【權利要求】
1.一種電池組的均衡電路,所述電池組(I)包括多個串聯連接的單個電池,其特徵在於，包括模擬開關陣列(2)、電壓採集晶片(3)、第一能量總線(4)、第二能量總線(5)、自動正負極性轉換橋(6)、雙向DC/DC直流變換器(7)、供電系統(8)、主被動選擇開關(9)、MCU控制單元(10 )和電壓監控單元(11)，所述電壓採集晶片(3 )連接所述電池組(I)和MCU控制單元(10)，所述第一能量總線(4)分別連接所述單個電池的一端，所述第二能量總線(5)分別連接所述單個電池的另一端，所述第一能量總線(4)和第二能量總線(5)與所述電池組(I)之間均設置有所述模擬開關陣列(2)，所述第一能量總線(4)和第二能量總線(4)均連接所述自動正負極轉換橋(6)和電壓監控單元(11)，所述電壓監控單元(11)連接所述MCU控制單元(10)，所述自動正負極轉換橋(6)連接所述雙向DC/DC直流變換器(7)，所述雙向DC/DC直流變換器(7)連接所述供電系統(8)，所述雙向DC/DC直流變換器(7)通過所述主被動選擇開關(9)連接所述MCU控制單元(10)。
2.如權利要求1所述的鋰離子電池組的均衡電路，其特徵在於，所述模擬開關陣列(2)為photoMOS光電稱合器。
3.如權利要求1所述的鋰離子電池組的均衡電路，其特徵在於，所述自動正負極性轉換橋(6)包括兩個P溝道MOS和兩個N溝道MOS。
【文檔編號】H02J7/00GK103779889SQ201310541252
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】沙樹勇, 孫慶, 吳戰宇, 黃毅, 周壽斌, 魏迪 申請人:江蘇華富儲能新技術股份有限公司