專利名稱：一種電池組充放電路均衡電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電池管理系統(tǒng)，特別涉及一種電池管理系統(tǒng)中在蓄電池組充電、放電過程中對蓄電池組中單個蓄電池進行控制使整個蓄電池組的所有電池均衡充電和放電的電池組充放電均衡電路。
背景技術：
電池管理系統(tǒng)(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM BMS)，是用來對電池工作進行管理使電池組工作在最佳狀態(tài)，使用BMS能夠提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過充電和過放電，延長電池的使用壽命，監(jiān)控電池的狀態(tài)。隨著電池管理系統(tǒng)的發(fā)展，也會增添其它的功能。比如1、準確估測動力電池組的荷電狀態(tài)(State of Charge,即S0C)，即電池剩余電量， 保證SOC維持在合理的范圍內(nèi)，防止由于過充電或過放電對電池的損傷，從而隨時預報混合動力汽車儲能電池還剩余多少能量或者儲能電池的荷電狀態(tài)。2、動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)在電池充放電過程中，實時采集電動汽車蓄電池組中的每塊電池的端電壓和溫度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發(fā)生過充電或過放電現(xiàn)象。同時能夠及時給出電池狀況，挑選出有問題的電池，保持整組電池運行的可靠性和高效性，使剩余電量估計模型的實現(xiàn)成為可能。除此以外，還要建立每塊電池的使用歷史檔案，為進一步優(yōu)化和開發(fā)新型電、充電器、電動機等提供資料，為離線分析系統(tǒng)故障提供依據(jù)。3、單體電池間的均衡即為單體電池均衡充電，使電池組中各個電池都達到均衡一致的狀態(tài)。均衡技術是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項電池能量管理系統(tǒng)的關鍵技術。其一般結(jié)構(gòu)是包括采集板、主控板、顯示屏三大模塊。其中采集板采集電壓、電流、溫度(霍爾)，使用16位單片機；主控板與整車系統(tǒng)進行通訊，控制充電機，也使用16 位單片機；顯示屏一般采用彩色液晶屏使用串口液晶屏，帶觸摸，實現(xiàn)人機交互功能。目前BMS的一般功能是1)容量預測S0C:在充放電過程中在線實時監(jiān)測電池容量，隨時給出電池系統(tǒng)的
剩余容量。2)過流、過壓、溫度保護當電池系統(tǒng)出現(xiàn)過流、過壓、勻壓和溫度超標時，能自動切斷電池充放電回路，并通知管理系統(tǒng)發(fā)出示警信號。3)自動充電控制當電池的荷電量不足45%時，根據(jù)當前電壓，對充電電流提出要求，當達到或是超過70%的荷電量時停止充電。4)充電均衡在充電過程中，通過調(diào)整單體電池充電電流方式，保證系統(tǒng)內(nèi)所有電池的電池端電壓在每一時刻有良好的一致性。5)自檢報警自動檢測電池功能是否正常，及時對電池有效性進行判斷，若發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有電池失效或是將要失效或是與其它電池不一致性增大時，則通知管理系統(tǒng)發(fā)出示警信號。6)通訊功能采用CAN總線的方式與整車管理系統(tǒng)進行通訊。7)參數(shù)設置可以設置系統(tǒng)運行的各種參數(shù)。8)上位機管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)設計了相應的上位機機管理系統(tǒng)，可以通過串口讀取實時數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)BMS數(shù)據(jù)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲和電池性能分析等功能，數(shù)據(jù)可靈活接口監(jiān)視器、充電機、警報器、變頻器、功率開關、繼電器開關等，并可與這些設備聯(lián)動運行。其中，關于第4)充電均衡1、電池失衡原因通常我們把因單體電池的性能差異而導致的電池組性能降低的現(xiàn)象稱為電池匹配失衡。大多數(shù)情況下，引起匹配失衡的原因是電池的制作工藝和檢測手段的不完善，而不是鋰離子電池本身的化學屬性變化。即使在生產(chǎn)出電池后進行檢測分類再進行組合，也會出現(xiàn)電池匹配失衡的現(xiàn)象。比如各單體的自放電量不同導致電池組在擱置過程中的容量失衡、單體之間電阻不同導致個別單體在電池組充電過程中過充等。電池匹配失衡主要表現(xiàn)在兩個方面電池荷電狀態(tài)失衡(即所有單體的容量相同，但在電池組制作或擱置過程中，單體的荷電狀態(tài)不同)和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術便可解決以上兩種失衡問題，從而改進串聯(lián)電池組的電性能。電池荷電態(tài)失衡需在電池組初次充、放電時進行均衡調(diào)整電池，此后只需在充電期間進行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進行均衡。2、電池均衡目的電池的充放電特性以及單體電池存在一定差異的這一實際情況，需要對電池組中各單體之間實現(xiàn)均衡控制，從而避免個別單體的過充、過放所導致的電池組失效，使其性能接近單體電池的平均水平。3、電池均衡原理電池組均衡是指在電池組的使用過程中，保證各單體電池的荷電狀態(tài)相同。為了改進串聯(lián)電池組的電性能，使不匹配的單體電池達到同樣的荷電狀態(tài)，要求一些電池的充電或放電量比其它電池多，所以要給電池組增加額外的元件和電路，對串聯(lián)單體進行均衡管理。這種均衡是通過對電壓最高的單體電池分流來實現(xiàn)的。通過數(shù)據(jù)采集電路，檢測每只串聯(lián)電池的電壓，進而判斷其在整個電池組中所處的狀態(tài)，當它的電壓超出總平均電壓一定幅度后，控制與該只電池并聯(lián)的分流電路導通，對其進行分流。通常的分流電路是由一個功率晶體管和限流電阻串聯(lián)，再與單體電池并聯(lián)組成。在充電過程中控制功率晶體管道通，將高電壓電池的電流部分分流，從而使它的充電速度比其它電池慢；在放電過程中導通功率晶體管，增加高電壓電池的負載，使它的放電速度比其它電池快，從而實現(xiàn)了電池均衡。當所有電池都達到同樣的荷電狀態(tài)時，從電池組中獲得的總電能相對于均衡前會增加，且各單體電池不會過充、過放，從而延長了電池組的使用壽命。目前，傳統(tǒng)的均衡電路有兩種一種是能耗型如圖1所示，另一種是能量轉(zhuǎn)移型如圖2所示。如圖1所示為能耗型的均衡電路，工作原理和不足如下圖中U18-U14的控制IC檢測電池電壓用，當其中一節(jié)電壓超過過設定值時，相應的IC驅(qū)動MOS管Q17-Q13動作，電池通過電阻與充電電流進行分流，使這節(jié)電池的充電電池小于其它節(jié)電池。這種均流電路的缺點是均衡電流小只能用在小容量電池上，而且均衡時電阻發(fā)熱歷害。只能在電池充電且電壓超過設定值時相應的電路才會動作，放電時不會工作。
如圖2所示為能量轉(zhuǎn)移型的均衡電路，其工作原理和不足如下當檢測到電池之間電壓不平衡時圖中Q21、Q19、Q17與Q20、Q18、Q16輪流導通，這樣讓C79、C83輪流與相鄰之間的電池并聯(lián)，讓電池與電容之間的電壓相等。到下一個周期的時候再與另一個電池并聯(lián)，這樣就使高電壓電池的電荷通過電容轉(zhuǎn)移到下一個電池，直至所有電池電壓完全一樣。這種電路的缺點是①頭尾的兩節(jié)電池電荷的搬遷能力總是比較差，只是中間幾節(jié)的一半均衡能力；②接力棒(擊鼓傳花)的電荷傳遞模式損耗比較大， 特別是當?shù)谝恢浑姵氐碾妷焊撸詈笠恢坏碾妷旱偷臅r候，要把第一只的電荷傳給第二只， 再傳給第三只，最后傳給第四只，這個過程的損耗大③當電池電壓趨于平衡時，轉(zhuǎn)移電荷的能力會變的很差。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術中的上述不足，本發(fā)明提供一種電池組充放電均衡電路，采用升降壓電源模塊可以實現(xiàn)電池組充電過程對電量低于平均水平的單體電池進行充電電流補償和高于平均水平的單體電池進行充電電流分流，使電池組的各節(jié)電池容量均衡；采用升降壓電源模塊可以實現(xiàn)電池組放電過程對電量低于平均水平的單體電池進行放電電流補償和高于平均水平的單體電池進行放電電流分流，使電池組的各節(jié)電池容量均衡。本發(fā)明為了實現(xiàn)其技術目的所采用的技術方案是一種電池組充放電均衡電路， 設置在電池管理系統(tǒng)中，所述的均衡電路包括一組與電池組中單體電池數(shù)量相當?shù)纳龎航祲洪_關電源；每個升降壓開關電源連接在單體電池兩極與電池組的兩級之間，包括升壓模塊和降壓模塊，所述的升壓模塊和降壓模塊的控制端分別接所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端和降壓控制信號輸出端；在充電過程中，當所述的單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當所述的單體電池電量高于平均水平時所述的降壓控制信號輸出端的信號有效；在放電過程中，當所述的單體電池電量高于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當所述的單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號輸出端的信號有效。進一步的，上述的一種電池組充放電均衡電路中所述的升壓降壓開關電源中升壓模塊和降壓模塊通過變壓器連接，包括升壓控制開關場效應管、降壓控制開關場效應管， 第一控制二極管、第二控制二極管，第一電解電容和第二電解電容；所述的變壓器源極同相端接單體電池的正極，變壓器源極異相端接所述的升壓控制開關場效應管的源極和所述的第一控制二極管的N極，所述的升壓控制開關場效應管的漏極和所述的第一控制二極管的P極接所述的單體電池的負極，所述的升壓控制開關場效應管的柵極接所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端；所述的第一電解電容兩端分別接所述的單體電池的正、負極；所述的變壓器次極異相端接電池組的正極，變壓器次極同相端接所述的降壓控制開關場效應管的源極和所述的第二控制二極管的N極，所述的降壓控制開關場效應管)的漏極和所述的第二控制二極管的P極接所述的電池組的負極，所述的降壓控制開關場效應管的柵極接所述的電池管理系統(tǒng)的降壓控制信號輸出端；所述的第二電解電容兩端分別接所述的電池組的正、負極。更進一步的，上述的一種電池組充放電均衡電路中還包括第一限流電阻、第二限流電阻、第三限流電阻、第四限流電阻；所述的第一限流電阻和第二限流電阻串連連接在所述的升壓控制開關場效應管的柵極與單體電池的負極之間，所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端連接到所述的第一限流電阻和第二限流電阻之間；所述的第四限流電阻串接在所述的降壓控制開關場效應管的柵極與電池組的負極之間，所述的電池管理系統(tǒng)的降壓控制信號輸出端通過所述的第三限流電阻接入到所述的第四限流電阻與降壓控制開關場效應管的柵極之間。本發(fā)明的有益效果，使用本均衡電路時，當BMS(電池管理系統(tǒng))系統(tǒng)檢測到其中一節(jié)電池容量低于其它節(jié)電池，并且在充電過程時，BMS就啟動該節(jié)電池均衡板的升壓電路來分流，以達到與其它節(jié)電池同時充滿的效果。如果是在放電過程時，BMS就啟動該節(jié)電池均衡板的降壓過程，即在總線電壓上通過均衡板降壓給這只電池補充電池以達到與其它節(jié)電池同時放到規(guī)定容量。以下將結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行較為詳細的說明。


圖1是目前能耗型的均衡電路原理圖。圖2是目前能量轉(zhuǎn)移型的均衡電路。圖3是本發(fā)明均衡模塊框圖。圖4是本發(fā)明中的升壓降壓開關電源電路原理圖。
具體實施例方式實施例1，如圖3所示，本實施例是電池管理系統(tǒng)BMS中關于電池均衡電路，如圖3 所示，本電池組有N個單體電池串連或者并聯(lián)，每個單體電池對應一個升壓降壓開關電源。 該電池組充放電均衡電路，設置在電池管理系統(tǒng)中，本均衡電路包括一組與電池組中單體電池數(shù)量相當?shù)纳龎航祲洪_關電源；每個升降壓開關電源連接在單體電池兩極與電池組的兩級之間，包括升壓模塊和降壓模塊，升壓模塊和降壓模塊的控制端分別接電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端和降壓控制信號輸出端；關于升壓控制信號輸出端和降壓控制信號輸出端的輸出信號按下列描述在充電過程中，當單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當單體電池電量高于平均水平時所述的降壓控制信號輸出端的信號有效；在放電過程中，當單體電池電量高于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號輸出端的信號有效。圖4所示是本實施例中一個具體的升壓降壓開關電源原理圖，從圖中可以看出， 本實施例中升壓降壓開關電源中的升壓模塊和降壓模塊通過變壓器Tl連接，僅僅包括升壓控制開關場效應管Q2、降壓控制開關場效應管Q1，第一控制二極管D8、第二控制二極管 D6，第一電解電容El和第二電解電容E2 ；還有第一限流電阻R22、第二限流電阻R23、第三限流電阻R9、第四限流電阻R16等少數(shù)的電子元器件。其連接關系如下1、變壓器Tl源極同相端3接單體電池的正極，變壓器Tl源極異相端4接升壓控制開關場效應管Q2的源極和第一控制二極管D8的N極，升壓控制開關場效應管Q2的漏極和第一控制二極管D8的P極接單體電池的負極，升壓控制開關場效應管Q2的柵極與單體電池的負極之間串連連接第一限流電阻R22和第二限流電阻R23，電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端連接到第一限流電阻R22和第二限流電阻R23之間。組成第一回路。2、第一電解電容(El)兩端分別接所述的單體電池的正、負極組成第二回路。3、變壓器Tl次極異相端6接電池組的正極，變壓器Tl次極同相端4接降壓控制開關場效應管Ql的源極和第二控制二極管D6的N極，降壓控制開關場效應管Ql的漏極和第二控制二極管D6的P極接電池組的負極，第四限流電阻R16串接在降壓控制開關場效應管Ql的柵極與電池組的負極之間，電池管理系統(tǒng)的降壓控制信號輸出端通過第三限流電阻R9接入到第四限流電阻R16與降壓控制開關場效應管Ql的柵極之間。這是第三回路。4、所述的第二電解電容E2兩端分別接電池組的正、負極組成第四回路。本實施例的工作原理如下當檢測電路檢測到任意一節(jié)電池電量高于電池組電池平均水平時，控制電路輸出該節(jié)電池升降壓開關電源的PWM升壓控制信號，Q2啟動工作，Ql不工作，升降壓開關電源表現(xiàn)為升壓電源，將該節(jié)電池多于平均水平的電量回饋到電池組，從而使該節(jié)電池達到平均水平。當檢測電路檢測到任意一節(jié)電池電量低于電池組電池平均水平時，控制電路輸出該節(jié)電池升降壓開關電源的PWM降壓控制信號，Ql工作，Q2不工作，升降壓開關電源表現(xiàn)為降壓電源，將電池組提供的電量補償充到該節(jié)電池，從而使該節(jié)電池達到平均水平。本實施例的工作效果如下當BMS (電池管理系統(tǒng))系統(tǒng)檢測到其中一節(jié)電池容量低于其它節(jié)電池，并且在充電過程時，BMS就啟動該節(jié)電池均衡板的升壓電路來分流，以達到與其它節(jié)電池同時充滿的效果。如果是在放電過程時，BMS就啟動該節(jié)電池均衡板的降壓過程，即在總線電壓上通過均衡板降壓給這只電池補充電池以達到與其它節(jié)電池同時放到規(guī)定容量。總之本實施例可以做到微功耗充電放電均衡同時均衡電流大，可以實現(xiàn)大容量電池組的均衡。
權(quán)利要求
1.一種電池組充放電均衡電路，設置在電池管理系統(tǒng)中，其特征在于所述的均衡電路包括一組與電池組中單體電池數(shù)量相當?shù)纳龎航祲洪_關電源；每個升降壓開關電源連接在單體電池兩極與電池組的兩級之間，包括升壓模塊和降壓模塊，所述的升壓模塊和降壓模塊的控制端分別接所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端和降壓控制信號輸出端；在充電過程中，當所述的單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當所述的單體電池電量高于平均水平時所述的降壓控制信號輸出端的信號有效；在放電過程中，當所述的單體電池電量高于平均水平時所述的升壓控制信號有效；當所述的單體電池電量低于平均水平時所述的升壓控制信號輸出端的信號有效。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電池組充放電均衡電路，其特征在于所述的升壓降壓開關電源中升壓模塊和降壓模塊通過變壓器(Tl)連接，包括升壓控制開關場效應管(Q2)、 降壓控制開關場效應管(Ql)，第一控制二極管(D8)、第二控制二極管(D6)，第一電解電容 (El)和第二電解電容(E2)；所述的變壓器(Tl)源極同相端(3)接單體電池的正極，變壓器(Tl)源極異相端⑷ 接所述的升壓控制開關場效應管的源極和所述的第一控制二極管(D8)的N極，所述的升壓控制開關場效應管的漏極和所述的第一控制二極管(D8)的P極接所述的單體電池的負極，所述的升壓控制開關場效應管的柵極接所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端；所述的第一電解電容(El)兩端分別接所述的單體電池的正、負極；所述的變壓器(Tl)次極異相端(6)接電池組的正極，變壓器(Tl)次極同相端⑷接所述的降壓控制開關場效應管Oil)的源極和所述的第二控制二極管(D6)的N極，所述的降壓控制開關場效應管Oil)的漏極和所述的第二控制二極管(D6)的P極接所述的電池組的負極，所述的降壓控制開關場效應管Oil)的柵極接所述的電池管理系統(tǒng)的降壓控制信號輸出端；所述的第二電解電容(E》兩端分別接所述的電池組的正、負極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電池組充放電均衡電路，其特征在于還包括第一限流電阻(R22)、第二限流電阻(R23)、第三限流電阻(R9)、第四限流電阻(R16)；所述的第一限流電阻(R22)和第二限流電阻(R23)串連連接在所述的升壓控制開關場效應管的柵極與單體電池的負極之間，所述的電池管理系統(tǒng)的升壓控制信號輸出端連接到所述的第一限流電阻(R22)和第二限流電阻(R23)之間；所述的第四限流電阻(R16)串接在所述的降壓控制開關場效應管Oil)的柵極與電池組的負極之間，所述的電池管理系統(tǒng)的降壓控制信號輸出端通過所述的第三限流電阻(R9) 接入到所述的第四限流電阻(R16)與降壓控制開關場效應管Oil)的柵極之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了種電池組充放電均衡電路，采用升降壓電源模塊可以實現(xiàn)電池組充電過程對電量低于平均水平的單體電池進行充電電流補償和高于平均水平的單體電池進行充電電流分流，使電池組的各節(jié)電池容量均衡；采用升降壓電源模塊可以實現(xiàn)電池組放電過程對電量低于平均水平的單體電池進行放電電流補償和高于平均水平的單體電池進行放電電流分流，使電池組的各節(jié)電池容量均衡。
文檔編號H02J7/00GK102280912SQ20111015616
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者姜家剛, 張建光 申請人:深圳市金威源科技股份有限公司