專利名稱：鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，特別是一種電動汽車用動力鋰離子電池組的能量均衡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動汽車引領(lǐng)著汽車技術(shù)的發(fā)展方向，從20世紀(jì)末發(fā)展起來的現(xiàn)代電動汽車具有低排放甚至零排放、熱輻射低、噪音低且環(huán)境友好等特點，是節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景。在產(chǎn)業(yè)過程中，電動汽車的電池及其管理系統(tǒng)作為主要的動力源部件是其中最為重要的環(huán)節(jié)之一。為電動汽車提供動力能源的大容量蓄電池常稱作動力電池。由于單體電池制造過程中性能的分散性和使用過程中電池組內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，隨著使用時間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸擴大，若不采取措施將造成某些單體電池過充電，某些單體電池過放電,過充和過放不僅影響電池壽命,損壞電池,而且還可能產(chǎn)生大量的熱量引起電池燃燒或爆炸，因此采取電池能量均衡技術(shù)來補償電池性能的差異是非常必要的?，F(xiàn)有的鋰離子電池均衡是通過有源電荷開關(guān)或者電壓或電流轉(zhuǎn)換器把能量從一個單元傳遞到另一個單元，該方法既可以模糊控制也可以數(shù)字控制。由于要花費大量的時間用于將電荷從高電壓的單元傳遞到低電壓的單元，如果這兩個單元在電池組的兩端的話，因為電荷將不得不經(jīng)過每一個單元，從而時間和效率都會降低；也有在單體電池上附加一個均衡電路，該電路起到分流作用，在這種模式下，當(dāng)某個電池首先滿充時，其均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化熱能，同時又能對未完成充電的電池繼續(xù)充電，由于需要大功率損耗電阻，高頻電流開關(guān)，熱量管理設(shè)備，這種方法僅適用于經(jīng)常小電流充電的系統(tǒng)，而且電能轉(zhuǎn)化為熱能存在大量的電量浪費。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述技術(shù)問題，本實用新型的目的是提供一種有利于縮短電池單體均衡時間，提高電池的使用壽命的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本實用新型的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號的信號驅(qū)動單元，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元，將接收的矩形脈沖信號和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號的控制單元，對單體鋰離子電池進行能量均衡的均衡單元，信號驅(qū)動單元的輸出端和電壓比較單元的輸出端均與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與均衡單元的輸入端相連，均衡單元輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元。本實用新型的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)通過比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差值，對所比較的兩片單體鋰離子電池的電量進行均衡，使鋰離子電池組中每片單體鋰離子電池的電量達(dá)到平衡狀態(tài)，避免每片單體鋰離子電池出現(xiàn)過充電、過放電狀態(tài)，可延長單體鋰離子電池的使用壽命，充分 發(fā)揮單體鋰離子電池的性能，由此提高鋰離子電池組的整體水平。由于電壓比較單元每次比較的是單體鋰離子電池的電壓差值的一半，所以本實用新型大大的縮短了電池單體均衡時間，提高了鋰離子電池均衡效率；本實用新型控制單元接收的是信號驅(qū)動單元和電壓比較單元的信號來控制均衡單元中場效應(yīng)管的通斷，能夠讓高電壓電池的能量經(jīng)過電路中的過渡電容器轉(zhuǎn)移到低電壓電池中，從而達(dá)到電池組中每兩片單體電池之間的無能耗能量轉(zhuǎn)換。本實用新型可應(yīng)用于不同電池節(jié)數(shù)的電池組，電池組中有幾節(jié)電池，就使用幾個電壓比較單元，應(yīng)用范圍廣，擴展性能好。

圖1是鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的原理框圖；圖2是信號驅(qū)動單元的電路示意圖；圖3是電壓比較單元的電路示意圖；圖4是控制單元的電路示意圖；圖5是均衡單元的電路示意圖。
具體實施方式
參照圖1，本實用新型的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號的信號驅(qū)動單元1，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元2，將接收的矩形脈沖信號和電壓差轉(zhuǎn)換成 單體鋰離子電池能量均衡控制信號的控制單元3，對單體鋰離子電池進行能量均衡的均衡單元4，信號驅(qū)動單元I的輸出端和電壓比較單元2的輸出端均與控制單元3的輸入端相連，控制單元3的輸出端與均衡單元4的輸入端相連，均衡單元4輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元2。本實用新型中的信號驅(qū)動單元為定時器A構(gòu)成的自激多諧振蕩器，如圖2所示，定時器A可采用芯片NE55 ，其I腳接地，8腳外接電源VCC，3腳為輸出端，2腳低觸發(fā)端，6腳高觸發(fā)端，4腳是直接清零端，5腳為控制電壓端，7腳為放電端，NE555D的2腳和6腳連在一起接成施密特觸發(fā)器，放電端7腳經(jīng)RC積分電路接回到輸入端。在電路接通時，由于電容Cl還未充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，輸出端3端輸出高電平，VCC通過電阻Rl和電阻R2對電容Cl充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)(高電平態(tài))。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容Cl的充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，使得輸出端翻轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，電路進入另一暫穩(wěn)態(tài)(低電平態(tài))。在此期間，隨著電容的放電，電路又一次自動發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，得到矩形脈沖信號a，此信號a直接進入控制單元，調(diào)整電阻R1、電阻R2和電容Cl就可以調(diào)整矩形脈沖的時間常數(shù)，，由此調(diào)整矩形脈沖的寬度。圖3所示是電壓比較單元電路，主要包括運算放大器B，電壓比較器的二個輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池BTl、BT2的輸出電壓，其中一個輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與電壓比較器B的輸出端相連。這里運算放大器可采用LM358PW。圖示實例中，把其中一個單體鋰離子電池BTl輸出電壓加在運算放大器B的同相輸入端，另一個單體鋰離子電池BT2輸出電壓加在運算放大器B的反向輸入端。當(dāng)同相輸入端的單體鋰離子電池BTl的電壓比反向輸入端的單體鋰離子電池BT2的電壓高時，在運算放大器B的輸出端b輸出高電平；當(dāng)同相輸入端的單體鋰離子電池BTl的電壓比反向輸入端的單體鋰離子電池BT2的電壓低時，在運算放大器B的輸出端b輸出低電平。此輸出端b輸出的電平與矩形脈沖信號a —起進入控制單元。如圖4所示是控制單元的電路，其包括同或邏輯門Pl電路和非邏輯門P2電路，同或邏輯門電路Pl的輸出端與非邏輯門電路P2的輸入端相連。同或邏輯門Pl的輸入端連接驅(qū)動單元中定時器A的輸出信號a和電壓比較單元運算放大器B的輸出信號b，當(dāng)定時器A和運算放大器B的輸出端同時輸出低電平或高電平時，同或邏輯門Pl輸出高電平c，非邏輯門P2輸出低電平d ;當(dāng)定時器A和運算放大器B的輸出端任意一個輸出低電平時，同或邏輯門Pl輸出低電平C,非邏輯門P2輸出高電平d。這里同或邏輯門Pl可采用SN74RMD，非邏輯門P2可采用SN74LS00D。均衡單元的電路如圖5所示，它包括四個場效應(yīng)管Ql、Q2、Q3、Q4，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3的柵極為與控制單元3相連的一個輸入端，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4的柵極為與控制單元3相連的另一個輸入端，第一場效應(yīng)管Ql的源極和第二場效應(yīng)管Q2的源極與過渡電容C4的一端相連，過渡電容C4的另一端與第三場效應(yīng)管Q3的源極及第四場效應(yīng)管Q4的源極相連，第一場場效應(yīng)管Ql的漏極經(jīng)電阻R7與一片單體鋰離子電池BTl的正極相連，第四場效應(yīng)管Q4的漏極經(jīng)電阻R8與另一片單體鋰離子電池BT2的負(fù)極相連，第二場效應(yīng)管Q2的漏極和第三場效應(yīng)管Q3的漏極與二片串聯(lián)的單體鋰離子電池BT1、BT2的連接點相連。圖示實例中，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3的柵極與控制單元3中的同或邏輯門Pl輸出端C相連，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4的柵極與控制單元3中的非邏輯門P2的輸出端d相連，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3受同或邏輯門Pl輸出端c輸出的電平來控制通斷，當(dāng)輸出端c輸出為高電平時，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，當(dāng)輸出端c輸出為低電平時，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4受非邏輯門P2輸出端d輸出的電平來控制通斷，當(dāng)輸出端d輸出為高電平時，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通，當(dāng)輸出端d輸出為低電平時 ，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路斷開。開始時，第一電池BTl電壓輸入電壓比較單元中運算放大器B的同相輸入端，第二電池BT2電壓輸入電壓比較單元中運算放大器B的反相輸入端，當(dāng)?shù)谝浑姵谺Tl電壓比第二電池BT2電壓高時，在運算放大器B的輸出端b輸出高電平。在電路接通開始時刻，電容Cl還未充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，輸出端a端輸出高電平，此時定時器A的輸出端a和運算放大器B的輸出端b都輸出高電平，所以同或邏輯門Pl輸出高電平C，非邏輯門P2輸出低電平d，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路斷開，第一電池BTl與過渡電容C4構(gòu)成回路，第一電池BTl給過渡電容C4充電。到矩形脈沖的下半個周期時，定時器A的輸出端自動翻轉(zhuǎn)，輸出低電平a，運算放大器B的輸出仍然為高電平b，所以同或邏輯門Pl輸出低電平C，非邏輯門P2輸出高電平d，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通,過渡電容C4與第二電池BT2電池構(gòu)成回路，過渡電容C4給第二電池BT2電池充電。這樣就使第一電池BTl中的能量轉(zhuǎn)移到第二電池BT2中，從而使第一電池BTl電壓降低，第二電池BT2電壓升高。如此循環(huán)，直到第一電池BTl電壓與第二電池BT2電壓的差值小于一個預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時(例如1.0mV)，鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，第一電池BTl與第二電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個電池電壓的均衡過程。當(dāng)?shù)谝浑姵谺Tl電壓比第二電池BT2電壓低時，在運算放大器B的輸出端b輸出低電平b。由于開始時刻定時器A的輸出端a先輸出高電平，此時定時器A的輸出端a輸出高電平a，運算放大器B的輸出端b輸出低電平b，所以同或邏輯門Pl輸出低電平C，非邏輯門P2輸出高電平d，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通，第二電池BT2與過渡電容C4構(gòu)成回路，第二電池BT2給過渡電容C4充電。到矩形脈沖的下半個周期時,定時器A的輸出端a自動翻轉(zhuǎn),輸出低電平a，因為運算放大器B的輸出端b仍然輸出低電平b，所以同或邏輯門Pl輸出高電平C，非邏輯門P2輸出低電平d，第一場效應(yīng)管Ql和第三場效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，第二場效應(yīng)管Q2和第四場效應(yīng)管Q4所在線路斷開，過渡電容C4與第一電池BTl構(gòu)成回路，過渡電容C4給第一電池BTl充電。這樣就使第二電池BT2中的能量轉(zhuǎn)移到第一電池BTl中，從而使第二電池BT2電壓降低，第一電池BTl電壓升高。如此循環(huán)，直到第一電池BTl電壓與第二電池BT2電壓的差值小于一個預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時(例如1.0mV)，鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，第一電池BTl與第二電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個電池電壓的均衡過程。本實用新型的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的工作過程:在信號驅(qū)動單元產(chǎn)生的矩形 脈沖為高電位時，當(dāng)其中一片單體電池電壓比另一片單體電池電壓高時，通過所述電壓比較單元進行電壓比較后，會輸出高電平，此高電平進入所述控制單元后，控制單元將控制均衡電路中的高電壓電池所在電路中的場效應(yīng)管導(dǎo)通，使高電壓電池給過渡電容器充電；在所述信號驅(qū)動單元的矩形脈沖的后半個周期，即信號驅(qū)動單元產(chǎn)生的矩形脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，高電壓電池向過 渡電容器充電結(jié)束，同時，使低電壓電池所在電路中的場效應(yīng)管導(dǎo)通，能量均衡的過渡電容就給低電壓電池充電。該系統(tǒng)可擴展到更多單體鋰離子電池的均衡。以上所述僅是本實用新型的一個具體實施方式
。在權(quán)利要求的范圍內(nèi)本實用新型還有多種改進和變形。凡是依據(jù)本實用新型的權(quán)利要求書及說明書的內(nèi)容所作的簡單、等效變化與修飾，皆屬于本實用新型的權(quán)利要求保護范圍。
權(quán)利要求1.鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號的信號驅(qū)動單元(1)，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元(2)，將接收的矩形脈沖信號和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號的控制單元(3)，對單體鋰離子電池進行能量均衡的均衡單元(4)，信號驅(qū)動單元(I)的輸出端和電壓比較單元(2)的輸出端均與控制單元(3)的輸入端相連，控制單元(3)的輸出端與均衡單元(4)的輸入端相連，均衡單元(4)輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號驅(qū)動單元(I)是芯片NE555D0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的電壓比較單元(2)包括電壓比較器(B)，電壓比較器(B)的二個輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池(BT1、BT2)的輸出電壓，其中一個輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與電壓比較器(B)的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制單元(3)包括同或邏輯門(Pl)電路和非邏輯門(P2)電路，同或邏輯門電路(Pl)的輸出端與非邏輯門電路(P2)的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的均衡單元(4)包括四個場效應(yīng)管(Ql、Q2、Q3、Q4)，第一場效應(yīng)管(Ql)和第三場效應(yīng)管(Q3)的柵極為與控制單元(3)相連的一個輸入端，第二場效應(yīng)管(Q2)和第四場效應(yīng)管(Q4)的柵極為與控制單元(3)相連的另一個輸入端，第一場效應(yīng)管(Ql)的源極和第二場效應(yīng)管(Q2)的源極與過渡電容C4的一端相連，過渡電容C4的另一端與第三場效應(yīng)管(Q3)的源極及第四場效應(yīng)管(Q4)的源極相連，第一場場效應(yīng)管(Ql)的漏極經(jīng)電阻R7與一片單體鋰離子電池(BTl)的正極相連，第四場效應(yīng)管(Q4)的漏極經(jīng)電阻R8與另一片單體鋰離子電池(BT2)的負(fù)極相連，第二場效應(yīng)管(Q2)的漏極和第三場效應(yīng)管(Q3)的漏極與二片串聯(lián)的單體鋰離子電池(BTUBT2)的連接點相連 。
專利摘要本實用新型公開的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號的信號驅(qū)動單元，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元，將接收的矩形脈沖信號和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號的控制單元，對單體鋰離子電池進行能量均衡的均衡單元，信號驅(qū)動單元的輸出端和電壓比較單元的輸出端均與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與均衡單元的輸入端相連，均衡單元輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元。該鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)可縮短電池單體均衡時間，并提高電池的使用壽命。
文檔編號H02J7/00GK203135517SQ201320142620
公開日2013年8月14日 申請日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者黃德歡, 楊書華 申請人:蘇州之僑新材料科技有限公司