專利名稱：一種極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及動力鋰離子電池組的充放電管理裝置，特別涉及一種用于電動汽車的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，屬于汽車能源技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
目前電動汽車的發(fā)展是推動節(jié)能減排和實現(xiàn)汽車綠色化的重要措施。作為混合動力汽車的關(guān)鍵部件，動力蓄電池對整車的動力性、經(jīng)濟性和安全性都有重大影響，因此，深入研究動力蓄電池管理和均衡技術(shù)對于提高混合動力汽車的性能、保證電池的安全運行、 延長電池使用壽命等都具有重要的理論意義和工程應用價值。電池單體的電壓與容量都有限，所以混合動力汽車的動力電池一般采用若干單體電池串聯(lián)而成。由于制造誤差等因素的存在，使得各單體電池之間必然存在內(nèi)阻、端電壓、容量等參數(shù)的差異；而在使用過程中各單體電池之間的通風散熱差異、電能化學能的轉(zhuǎn)換差異以及電池的過充電、過放電更進一步加劇了各單體電池之間的不一致性。為了解決這種不一致對電池組整體功能的影響， 在電池組的使用過程中就需要采用電池均衡技術(shù)措施。電池均衡方法一般分為以下兩種傳統(tǒng)的被動平衡法——在電池管理系統(tǒng)中，每個電池單元都通過一個開關(guān)連接到一個負載電阻上，這種電路可以對個別被選中的電池單元被動放電。但該方法只適用于在充電模式下抑制個別電池單元的電壓攀升，且放電只能在該單體電池電壓達到某固定的限制值時才能進行被動的開啟。此類電路雖然簡單易于實現(xiàn)，但為了限制功耗，一般只允許以 IOOmA左右的小電流進行放電，從而導致充電平衡耗時可高達幾小時，而且由于均衡是將高電壓單體電池的能量通過電阻釋放，因此能量損失很大。主動平衡法——相關(guān)資料介紹過很多種主動平衡法，它們均需要一個用于轉(zhuǎn)移能量的存儲元件。如果用電容來做存儲元件，將其與所有電池單元相連就需要一個龐大的開關(guān)陣列；若將能量存儲在一個磁場中，則該電路中的關(guān)鍵元件是一個變壓器，但是電磁能的轉(zhuǎn)化總是不能夠像理論那樣完全，電磁的各種損耗是非常大的，而且其存在電路復雜、可靠性低的缺陷；至于使用電阻放電結(jié)合電源充電的主動均衡電路，因為在均衡充電時極性必須根據(jù)電池單體的不同需要進行切換，所以一旦設計不當，會造成電路過于復雜、安全性差的不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種安全可靠、 結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、便于大規(guī)模生產(chǎn)的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其通過硬件實現(xiàn)均衡充電電源的極性與母線極性的相應自動切換，克服單純依靠軟件控制時，軟件跑飛所帶來的安全隱患，保證電路的正常安全工作，從而實現(xiàn)根據(jù)電池組的電壓情況并結(jié)合電池的荷電狀態(tài)進行主動充電或放電均衡，達到電動汽車電池組性能一致的目的。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來解決其技術(shù)問題的一種極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，包括
兩母線，采樣與均衡分時復用的通道；繼電器網(wǎng)絡，一端與鋰離子電池組的各電池單體連接，另一端與兩母線連接，實現(xiàn)對不同電池單體的選通；采樣模塊，連接于兩母線上，掃描采集各電池單體的電壓；均衡模塊，連接于兩母線上，自動進行極性切換以與兩母線極性匹配，并且對各電池單體進行均衡充電或均衡放電；計算控制模塊，分別與繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊和均衡模塊連接，實時接收并處理來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，再把處理結(jié)果的均衡指令發(fā)送給繼電器網(wǎng)絡和均衡模塊。本發(fā)明所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其均衡模塊包括均衡充電電源、均衡放電電阻和均衡用繼電器網(wǎng)絡，該均衡用繼電器網(wǎng)絡由若干通道開關(guān)組成，其分別連接均衡充電電源、均衡放電電阻和兩母線，該兩母線之間反向地并聯(lián)有兩二極管和電阻，所述若干通道開關(guān)由分別連接于兩電平端的控制線圈控制，該兩電平端的電平分別由連接于計算控制模塊電平輸出端且受兩二極管控制導通的兩線圈控制；所述繼電器網(wǎng)絡由若干繼電器開關(guān)組成；所述計算控制模塊為單片機。本發(fā)明與現(xiàn)有電池均衡電路不同，采用了均衡用繼電器網(wǎng)絡，因而可以在硬件上實現(xiàn)均衡模塊極性與母線極性自動地相應切換以保持匹配，從而保證電路的正常安全工作；克服了單純依靠軟件控制時，軟件跑飛所帶來的安全隱患，因為如果僅僅依靠單片機由軟件控制繼電器通道的閉合，則會可能出現(xiàn)軟件跑飛情況，導致母線極性與均衡充電電源極性不符，造成電池單體均衡電路閉合成通路而不能充電，使電池單體短路或電池單體與均衡電源串聯(lián)短路，從而引起電池單體或器件燒毀而產(chǎn)生安全隱患；實現(xiàn)了根據(jù)電池組的電壓情況并結(jié)合電池的荷電狀態(tài)進行主動的充電或放電均衡。所述極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)，適用于由電池單體串聯(lián)而成的電動汽車用鋰離子動力電池組的均衡處理。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明繼電器網(wǎng)絡的示意圖。圖3為本發(fā)明均衡模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明均衡用繼電器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明均衡用繼電器網(wǎng)絡控制原理圖之一。圖6為本發(fā)明均衡用繼電器網(wǎng)絡控制原理圖之二。圖7為本發(fā)明均衡用繼電器網(wǎng)絡控制原理圖之三。
具體實施例方式為了更好地說明此發(fā)明，下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的介紹和說明，但不局限于此。請參閱圖1，本發(fā)明所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路包括兩母線、繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊、均衡模塊和計算控制模塊。所述兩母線包括母線a和母線b，其為采樣與均衡分時復用的通道，具有不同的極性，該兩母線分別與繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊和均衡模塊相連接。所述繼電器網(wǎng)絡用以實現(xiàn)對不同電池單體的選通，請參閱圖2，其由若干繼電器開
關(guān)S1、S2、S3、S4.......Sn組成，它們的一端與鋰離子電池組的各電池單體連接，另一端與
兩母線a和b連接。所述采樣模塊用以掃描采集各電池單體的電壓，其連接于兩母線上。所述均衡模塊能夠自動進行極性切換以與兩母線a和b的極性匹配，并且對各電池單體進行均衡充電或均衡放電。該均衡模塊連接于兩母線a和b上，請參閱圖3，其包括均衡充電電源、均衡放電電阻和均衡用繼電器網(wǎng)絡。請參閱圖4，所述均衡用繼電器網(wǎng)絡由
若干通道開關(guān)K1、K2、K3、K4、K5......Kn組成，其分別連接均衡充電電源、均衡放電電阻和
兩母線a和b。再請參閱圖5，所述若干通道開關(guān)K1、K2、K3、K4、K5......Kn由分別連接于
兩電平端SCl和SC2的控制線圈控制，從而如圖中，SCl端電平控制通道開關(guān)Kl、Κ2的通斷， SC2端電平控制通道開關(guān)Κ3、Κ4的通斷。再請參閱圖6，所述兩母線a和b之間反向地并聯(lián)有兩二極管D1、D2和兩電阻。請參閱圖7，所述兩電平端SCl和SC2分別通過線圈Ll和L2 與計算控制模塊的電平輸出端P相連接，而兩線圈Ll和L2受兩二極管Dl和D2控制導通， 即控制線圈Ll的通斷受圖6中二極管Dl所在支路的通斷的控制，線圈L2的通斷受二極管 D2所在支路的通斷的控制，從而兩電平端SCl和SC2的電平分別受兩二極管Dl和D2的通斷的控制。簡言之，所述均衡用繼電器網(wǎng)絡的控制原理為，兩二極管Dl和D2的通斷控制兩線圈Ll和L2的通斷，兩線圈Ll和L2的通斷決定了兩電平端SCl和SC2電平的高低，繼而
通過控制線圈控制通道開關(guān)Kl、K2、K3、K4、K5......Kn的通斷，從而實現(xiàn)均衡模塊極性與
母線極性的自動匹配變換。所述計算控制模塊分別與繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊和均衡模塊連接，其實時接收并處理來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，再把處理結(jié)果的均衡指令發(fā)送給繼電器網(wǎng)絡和均衡模塊。所述計算控制模塊可以為單片機。下面舉例說明均衡模塊通過圖6和圖7所示控制電路實現(xiàn)其極性與母線極性自動相應變換的方式。例如奇數(shù)序號的第3號電池單體需要充電均衡，此時母線極性為母線a 高，母線b低；如圖6和圖7所示，二極管D2所在通道通電，從而線圈L2導電，而P端由單片機控制輸出+5V高電平，所以SCl為高電平，SC2為低電平；由圖4和圖5可知，均衡繼電器網(wǎng)絡選取充電通道，即閉合通道開關(guān)K1、K2，斷開通道開關(guān)K3、K4、K5，實現(xiàn)了均衡模塊極性與母線極性相符。相應地，如果偶數(shù)號的電池單體需要均衡充電，則極性為母線a低，母線b高，二極管Dl所在通道通電，從而線圈Ll導電，P端同樣是+5V高電平，所以SCl為低電平，SC2為高電平，則通道開關(guān)K3、K4閉合，通道開關(guān)Κ1、Κ2斷開，實現(xiàn)了均衡模塊極性與母線極性相符。下面以一具體實施例介紹本發(fā)明的工作方式。 如圖1所示，所述極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路對一組90節(jié)電池單體串聯(lián)而成的動力電池組進行均衡管理，該90節(jié)電池單體分成6個相同的組，每組15個電池單體。由于6組是完全一樣的，所以就只就其中一組進行介紹，一組電池組所需的繼電器網(wǎng)絡共需要16個通道。本實施例中，均衡電路的工作在一個周期內(nèi)可分為三個階段。
第一階段是掃描采樣階段，通過控制模塊使圖2所示繼電器網(wǎng)絡的繼電器開關(guān) Sl、S2通道閉合，選通第1號電池單體，第1號電池單體即通過繼電器網(wǎng)絡與兩母線連通，兩母線與采樣模塊、均衡模塊是連通的，但該兩模塊不同時使能，在此階段采樣模塊使能，采集第1號電池單體電壓，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后送往計算控制模塊，然后斷開繼電器開關(guān)Si、 S2通道，再閉合繼電器開關(guān)S2、S3通道，選通第2號電池單體，對第2號電池單體采樣，如此依次采樣直到第15號電池單體。15個電池單體采樣完成后，計算控制模塊將15個電池單體的電壓數(shù)據(jù)打包，至此第一個階段完成。第二階段是計算控制模塊進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)設定的電壓均衡閥值，計算出是否需要均衡、對哪個電池單體進行均衡、均衡時間等均衡指令信息。第三階段是均衡階段，計算控制模塊根據(jù)得到的處理結(jié)果，將均衡指令發(fā)送給繼電器網(wǎng)絡和均衡模塊，如果不需要均衡則直接跳過該階段或該階段不做任何動作，如果需要均衡，則計算控制模塊控制繼電器網(wǎng)絡選取通道，使需要均衡處理的電池單體與兩母線連通，同時均衡模塊使能，依據(jù)接收到的均衡指令對該電池單體進行均衡動作。如果電池單體需要均衡放電，則通道開關(guān)K5閉合，接通放電電阻進行放電。具體過程如下圖7所示P端輸出低電平，則SCl和SC2端均為低電平，所以通道開關(guān)K1、K2、K3、 Κ4均斷開，同時計算控制模塊控制通道開關(guān)Κ5閉合，實現(xiàn)了均衡放電。上述均衡過程中，具體的均衡時間與電池容量、電池品質(zhì)等因素有關(guān)，在計算控制模塊的程序中進行設定。均衡電流大小計算如下均衡充電時，電流I= (V-Vb)/2r，均衡充電電源電壓V = 5伏特，電池單體電壓Vb取3V計算，上述實施例中選取的繼電器r = 10 歐姆，則均衡充電電流I = 100毫安；當均衡放電時，電流I = Vb/(2r+R)，電池單體電壓Vb 取3. 6伏特計算，繼電器電阻r依然是10歐姆，均衡放電電阻選取10歐姆，則放電電流I =120毫安。兩種情況均衡電流大小均非常合理。這樣三個階段周期運行，實現(xiàn)對電池組的動態(tài)均衡，并且可以在算法上結(jié)合電池的荷電狀態(tài)采用多種不同的充放電方案。經(jīng)試驗證明本發(fā)明所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路有著較好的均衡效果。
權(quán)利要求
1.一種極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其特征在于所述均衡電路包括兩母線，采樣與均衡分時復用的通道；繼電器網(wǎng)絡，一端與鋰離子電池組的各電池單體連接，另一端與兩母線連接，實現(xiàn)對不同電池單體的選通；采樣模塊，連接于兩母線上，掃描采集各電池單體的電壓；均衡模塊，連接于兩母線上，自動進行極性切換以與兩母線極性匹配，并且對各電池單體進行均衡充電或均衡放電；計算控制模塊，分別與繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊和均衡模塊連接，實時接收并處理來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，再把處理結(jié)果的均衡指令發(fā)送給繼電器網(wǎng)絡和均衡模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其特征在于所述均衡模塊包括均衡充電電源、均衡放電電阻和均衡用繼電器網(wǎng)絡，該均衡用繼電器網(wǎng)絡由若干通道開關(guān)組成，其分別連接均衡充電電源、均衡放電電阻和兩母線，該兩母線之間反向地并聯(lián)有兩二極管和電阻，所述若干通道開關(guān)由分別連接于兩電平端的控制線圈控制，該兩電平端的電平分別由連接于計算控制模塊電平輸出端且受兩二極管控制導通的兩線圈控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其特征在于 所述繼電器網(wǎng)絡由若干繼電器開關(guān)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，其特征在于 所述計算控制模塊為單片機。
全文摘要
一種極性自動切換的鋰離子電池組均衡電路，包括兩母線，采樣與均衡分時復用的通道；繼電器網(wǎng)絡，一端與鋰離子電池組的各電池單體連接，另一端與兩母線連接，實現(xiàn)對不同電池單體的選通；采樣模塊，連接于兩母線上，掃描采集各電池單體的電壓；均衡模塊，連接于兩母線上，自動進行極性切換以與兩母線極性匹配，并且對各電池單體進行均衡充電或均衡放電；計算控制模塊，分別與繼電器網(wǎng)絡、采樣模塊和均衡模塊連接，實時接收并處理來自采樣模塊的數(shù)據(jù)，再把處理結(jié)果的均衡指令發(fā)送給繼電器網(wǎng)絡和均衡模塊。本發(fā)明安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，易于大規(guī)模生產(chǎn)，適用于由電池單體串聯(lián)而成的電動汽車用鋰離子動力電池組的均衡處理。
文檔編號H02J7/00GK102496979SQ20111038559
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月28日
發(fā)明者朱建新, 王磊 申請人:上海交通大學