專利名稱：一種基于電感儲能的串聯(lián)電池組充放電均衡電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電池均衡技術，尤其是一種混合動力電動汽車或純電動汽車或蓄能電站的蓄能裝置的電池管理系統(tǒng)的均衡電路。
背景技術：
串聯(lián)電池在經(jīng)過多個充放電循環(huán)后，各電池單元模塊的剩余容量(SOC, State ofCharge)的分布大致會出現(xiàn)三種情況(1)個別電池單元模塊的剩余容量(SOC, State ofCharge)偏高；(2)個別電池單元模塊的剩余容量(SOC, State of Charge)偏低；(3)個別電池單元模塊的剩余容量(SOC, State of Charge)偏高和個別電池單元模塊的剩余容量(SOC, State of Charge)偏低。針對上述三種情況，國內(nèi)外的研究者均提出了自己的解決方案。如針對情況
(1)，有研究者提出了并聯(lián)電阻分流法，它通過控制相應的開關將剩余容量(S0C，State ofCharge)偏高的電池的能量通過電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費掉，并且在均衡的過程中產(chǎn)生了大量的熱，增加了電池熱管理的負荷。也有研究者提出了雙向DC-DC均衡法，同軸變壓器均衡法等均衡電路，這些電路都采樣了變壓器，使得均衡電路的成本增加。目前鋰離子電池組均衡控制的方法，由均衡過程中電路對能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。按照均衡功能分類，可分為充電均衡、放電均衡和動態(tài)均衡。充電均衡是指在充電過程中的均衡，一般是在電池組單體電壓達到設定值時開始均衡，減小充電電流從而防止過充電。放電均衡是在放電過程中的均衡，通過向剩余能量(SOC, State of Charge)低的單體電池補充能量來防止過放電。動態(tài)均衡方式結合了充電均衡和放電均衡的優(yōu)點，在整個充放電過程中對電池組進行均衡，避免了單一均衡中的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應用在串聯(lián)電池組的電池管理系統(tǒng)中的基于電感儲能的串聯(lián)電池組充放電均衡電路,保證電池在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充電和過放電，改善串聯(lián)電池組不均衡的現(xiàn)象,提高電池組的可用容量,減少串聯(lián)電池組的維修和更換,延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和蓄能電站的成本。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下述技術方案予以實現(xiàn)。一種基于電感儲能的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，所述串聯(lián)電池組包括三個以上串聯(lián)連接的電池單元模塊，所述充放電均衡電路包括三個以上的均衡子電路，每一個電池單元模塊均各自連接有一個均衡子電路，所述串聯(lián)電池組具有正端(VCC)和負端(GND)，以所述串聯(lián)電池組中的一個連接點N為分界點，所述串聯(lián)電池組正端(VCC)到連接點N之間的電池單元模塊為前部分，連接點N到串聯(lián)電池組負端(GND)之間的電池單元模塊為后部分，前部分中電池單元模塊的個數(shù)最多比后部分電池單元模塊的個數(shù)多一個，前部分的電池單元模塊稱為奇電池，后部分的電池單元模塊稱為偶電池，與奇電池相連接的均衡子電路稱為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路稱為均衡子電路；前部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，串聯(lián)電池組正端(VCC)為終點，順次將電池單元模塊記為第一奇電池B1、第二奇電池B3、第三奇電池B5，依此順次命名，與串聯(lián)電池組正端(VCC)相連接的電池單
元模塊為第f奇電池Bi ;后部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，串聯(lián)電池組負端
(GND)為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池B6，依此
順次命名，與串聯(lián)電池組負端(GND)相連接的單元電池為第4偶電池B j, j為正偶數(shù)；所述 奇電池的正端連接奇均衡子電路的上橋臂MOS管Qu的漏極a，負端連接奇均衡子電路的儲能電感L的第二端e ;所述偶電池的正端連接偶均衡子電路的儲能電感L的第二端e，負端連接下橋臂MOS管Qd的漏極d。進一步的，所述均衡子電路包括上橋臂MOS管Qu、下橋臂MOS管Qd和儲能電感L，上橋臂MOS管Qu的源極、下橋臂MOS管Qd的漏極、儲能電感L的第一端三者相連接，上橋臂MOS管Qu的漏極a、上橋臂MOS管Qu的柵極b、下橋臂MOS管Qd的柵極C、下橋臂MOS管Qd的漏極d和儲能電感L的第二端e相連。進一步的，所述電池單元模塊是鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池或超級電容器。進一步的，所述奇均衡子電路的下橋臂MOS管Qd的漏極d接串聯(lián)電池組負端GND，上橋臂MOS管Qu的柵極b、下橋臂MOS管Qd的柵極c連接控制電路。進一步的，所述偶均衡子電路的上橋臂MOS管Qu的漏極a連接串聯(lián)電池組正端VCC,上橋臂MOS管Qu的柵極b、下橋臂MOS管Qd的柵極c連接控制電路。進一步的，所述i取值為I 59，j取值為2 60。進一步的，所述控制電路的控制信號是由電池管理系統(tǒng)根據(jù)各個電池單元模塊的剩余電量(SOC, State of Charge)給控制電路發(fā)送均衡指令,控制電路接受電池管理系統(tǒng)的指令控制奇、偶均衡子電路的上橋臂MOS管Qu或下橋臂MOS管Qd的開通和關斷實現(xiàn)電池的均衡；同一奇、偶均衡子電路的上橋臂MOS管Qu、下橋臂MOS管Qd不同時導通；所述奇均衡子電路能對與其相連接的奇電池進行充電和放電，所述偶均衡子電路能對與其相連接的偶電池進行充電和放電。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果本發(fā)明由于在串聯(lián)電池組的電池管理系統(tǒng)中采用上述均衡電路(EQU)技術，能保證每個電池在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充電和過放電，改善串聯(lián)電池組不均衡的現(xiàn)象，提高電池組的可用容量，減少串聯(lián)電池組的維修和更換，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和蓄能電站的成本。
圖I是實施方式的串聯(lián)電池組充放電均衡電路原理圖。圖2是均衡子電路原理圖。圖3是4節(jié)電池串聯(lián)的充放電均衡電路圖。圖4是5節(jié)電池串聯(lián)的充放電均衡電路圖。圖5是14節(jié)電池串聯(lián)的充放電均衡電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細說明，但本發(fā)明的實施不限于此。圖I中，串聯(lián)電池組充放電均衡電路，每一個電池單元模塊連接有一套均衡電路，至少三個電池單元模塊串聯(lián)，串聯(lián)電池組的正端VCC、負端GND，串聯(lián)電池組分為上部分、下部分，上部分和下部分的連接點N，正端VCC到連接點N的串聯(lián)電池單元模塊為上部分，連接點N到負端GND的串聯(lián)電池單元模塊為下部分，上部分電池單元模塊的個數(shù)最多比下部分電池單元模塊的個數(shù)多一，上部分電池單元模塊為奇電池，下部分電池單元模塊為偶電池，與奇電池連接的均衡子電路為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路為偶均衡子電路,上部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，正端VCC為終點,順次將電池單元模塊記為第一奇電池B1、第二奇電池B3、第三奇電池B5、…(依次類推)、與正端VCC相連接的單元電
/+I
池為第〒奇電池Bi (i=l，3，5…)(此處是為了表示i為奇數(shù)，用省略號表示，不限制最大
值，如果一定要最大值，那就到 59。即 i=l，3，5，7，9，11，13，15，17，19，21，23，25，27，29，31，33，35，37，39，41，43，45，47，49，51，53，55，57，59)，下部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，負端GND為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池
B6,…(依次類推)、與負端GND相連接的單元電池為第^偶電池B j (j=2，4，6…)(此處是
2
為了表示j為偶數(shù)，用省略號表示，不限制最大值，如果一定要最大值，那就到60。即j=2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，22，24，26，28，30，32，32，36，38，40，42，44，46，48，50，52，54，56，58，60)，所述奇電池的正負端分別連接奇均衡子電路的上橋臂MOS管Qu的漏極a、儲能電感L的第二端e，所述偶電池的正負兩端分別連接偶均衡子電路的儲能電感L的第二端e、下橋臂MOS管Qd的漏極d。電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池組內(nèi)各個單元電池的剩余電量(SOC, Stateof Charge)給控制電路發(fā)送均衡指令,控制電路通過控制奇(偶)均衡子電路的上橋臂MOS管Qu或下橋臂MOS管Qd的開通和關斷給與其相連接的電池充電或者放電。用實線表示的控制線用于控制均衡奇均衡子電路的上橋臂MOS管Qu和偶均衡子電路下橋臂MOS管Qd的開通和關斷，給與其相連接的奇(偶)電池放電。用虛線表示的控制線用于控制均衡奇均衡子電路的下橋臂MOS管Qd和偶均衡子電路上橋臂MOS管Qu的開通和關斷，給與其相連接的奇(偶)電池充電。電池管理系統(tǒng)是單片機(如C8051F340)為核心，一般具有電池狀態(tài)檢測、電池狀態(tài)分析、電池安全保護、能量控制管理、電池信息管理等功能。針對不同的應用場合，電池管理系統(tǒng)應具有不同的功能。所述控制電路的實現(xiàn)為本領域常規(guī)技術，并非本發(fā)明的內(nèi)容，控制電路是具有電氣隔離功能，如采用TLP521-1的光耦隔離或者變壓器隔離等，將電池管理系統(tǒng)發(fā)出的控制信號轉為能夠直接驅動上橋臂MOS管Qu、下橋臂MOS管Qd的驅動電路信號。本領域技術人員清楚，所述奇均衡子電路和偶均衡子電路的儲能電感L的電感值根據(jù)具體的要求來定。所述控制電路控制信號的頻率的大小根據(jù)所控制的奇(偶)均衡子電路儲能電感L的電感值、上橋臂MOS管Qu和下橋臂MOS管Qd的開關損耗、電池單元模塊電壓、電池單元模塊容量而定。所述控制電路控制信號的占空比應使奇(偶)均衡子電路的儲能電感L在每個信號周期內(nèi)復位，即儲能電感L的電流從零開始上升，最后又下降到零。對于奇電池Bi和奇均衡子電路Si(i=l，3，5···)所包含的上橋臂MOS管Qu、下橋臂MOS管Qd、儲能電感L。當上橋臂MOS管Qu開通時，儲能電感L的電流上升，儲能電感L儲能；當上橋臂MOS管Qu關斷時，儲能電感L通過下橋臂MOS管Qd的體二極管續(xù)流，電池Bi放電。當下橋臂MOS管Qd開通時,儲能電感L的電流上升,儲能電感L儲能；當下橋臂MOS管Qd關斷時，儲能電感L通過上橋臂MOS管Qu的體二極管續(xù)流，電池Bi充電。對于偶電池Bj和偶均衡子電路S」(j=2，4，6···)所包含的上橋臂MOS管Qu、下橋臂MOS管Qd、儲能電感L。當上橋臂MOS管Qu開通時，儲能電感L的電流上升，儲能電感L儲能；當上橋臂MOS管Qu關斷時，儲能電感L通過下橋臂MOS管Qd的體二極管續(xù)流，電池Bj充電。當下橋臂MOS管Qd開通時,儲能電感L的電流上升,儲能電感L儲能；當下橋臂MOS管Qd關斷時，儲能電感L通過上橋臂MOS管Qu的體二極管續(xù)流，電池Bj放電。圖5中，在串聯(lián)電池組放電過程中，電池管理系統(tǒng)檢測到第一奇電池B1、第二偶電池B4的剩余電量(SOC, State of Charge)偏低，為了防止第一奇電池B1、第二偶電池B4過 放電，電池管理系統(tǒng)給控制電路發(fā)送指令，控制電路控制與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的下橋臂MOS管Q d和第二偶電池B4的偶均衡子電路S4的上橋臂MOS管Qu以一定的頻率和占空比開通和關斷，開關的頻率和占空比根據(jù)具體的電路設定。當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的下橋臂MOS管Q d開通時，全部偶電池、與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的儲能電感L和下橋臂MOS管Q d組成回路，流過儲能電感L的電流從零開始上升,全部偶電池給儲能電感L充電,儲能電感L儲能；當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的下橋臂MOS管Q d關斷時，與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的儲能電感L和上橋臂MOS管Q u的體二極管、第一奇電池B1組成回路，儲能電感L的電流通過與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的上橋臂MOS管Q u的體二極管續(xù)流，給第一奇電池B1充電，流過儲能電感L的電流下降，到該開關周期結束時，流過儲能電感L的電流下降到零，電感復位。當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的上橋臂MOS管Q u開通時，第二偶電池B4、全部奇電池、與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的儲能電感L和上橋臂MOS管Q u組成回路，流過儲能電感L的電流從零開始上升，第一偶電池B2和全部奇電池給儲能電感L充電，儲能電感L儲能；當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的上橋臂MOS管Q u關斷時，與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的儲能電感L和下橋臂MOS管Q d的體二極管、第二偶電池B4組成回路，電感的電流通過與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的下橋臂MOS管Q d的體二極管續(xù)流，給第二偶電池B4充電，流過儲能電感L的電流下降，到該開關周期結束時，流過儲能電感L的電流下降到零,儲能電感L復位。圖5中，在串聯(lián)電池組充電過程中，電池管理系統(tǒng)檢測到第一奇電池B1、第二偶電池B4的剩余電量(SOC, State of Charge)偏高,為了防止第一奇電池B1、第二偶電池B4過充電，電池管理系統(tǒng)給控制電路發(fā)送指令，控制電路控制與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的上橋臂MOS管Qu和第二偶電池B4的偶均衡子電路S4的下橋臂MOS管Qd以一定的頻率和占空比開通和關斷，開關的頻率和占空比根據(jù)具體的電路設定。當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的上橋臂MOS管Qu開通時，第一奇電池B1、與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的儲能電感L和上橋臂MOS管Q u組成回路，儲能電感L吸收電池第一奇B1的充電電流，流過電感L的電流從零開始上升，第一奇電池B1的充電電流減少，儲能電感L儲能；當與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的上橋臂MOS管Qu關斷時，與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的儲能電感L和下橋臂MOS管Q d的體二極管、全部偶電池組成回路，儲能電感L的電流通過與第一奇電池B1相連接的奇均衡子電路S1的下橋臂MOS管Q d的體二極管續(xù)流，給全部偶電池充電，流過儲能電感L的電流下降，到該開關周期結束時，流過儲能電感L的電流下降到零，儲能電感L復位。
當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的下橋臂MOS管Q d開通時，第二偶電池B4、與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的儲能電感L和下橋臂MOS管Q d組成回路，儲能電感L吸收電池B4的充電電流,流過儲能電感L的電流從零開始上升,第二偶電池比的充電電流減少,儲能電感L儲能；當與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的下橋臂MOS管Q d關斷時，與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的儲能電感L和下橋臂MOS管Q u的體二極管、第一偶電池B2、全部奇電池組成回路，儲能電感L的電流通過與第二偶電池B4相連接的偶均衡子電路S4的上橋臂MOS管Q u的體二極管續(xù)流，給第一偶電池和全部奇電池充電，流過儲能電感L的電流下降,到該開關周期結束時,流過儲能電感L的電流下降到零，儲能電感L復位。
權利要求
1.一種基于電感儲能的串聯(lián)電池組充放電均衡電路,所述串聯(lián)電池組包括三個以上串聯(lián)連接的電池單元模塊，其特征在于所述充放電均衡電路包括三個以上的均衡子電路，每一個電池單元模塊均各自連接有一個均衡子電路，所述串聯(lián)電池組具有正端(VCC)和負端(GND),以所述串聯(lián)電池組中的一個連接點N為分界點，所述串聯(lián)電池組正端(VCC)到連接點N之間的電池單元模塊為前部分，連接點N到串聯(lián)電池組負端(GND)之間的電池單元模塊為后部分，前部分中電池單元模塊的個數(shù)最多比后部分電池單元模塊的個數(shù)多一個，前部分的電池單元模塊稱為奇電池，后部分的電池單元模塊稱為偶電池，與奇電池相連接的均衡子電路稱為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路稱為均衡子電路；前部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，串聯(lián)電池組正端(VCC)為終點,順次將電池單元模塊記為第一奇電池B1、第二奇電池B3、第三奇電池B5,依此順次命名，與串聯(lián)電池組正端(VCC)相連接的電池單元模塊為第奇電池Bi ;后部分串聯(lián)電池單元模塊以連接點N為起點，串聯(lián)電池組負端(GND)為終點，順次將電池單元模塊記為第一偶電池B2、第二偶電池B4、第三偶電池B6，依此順次命名，與串聯(lián)電池組負端(GND)相連接的單元電池為第4偶電池B j, j為正偶數(shù)；所述奇電池的正端連接奇均衡子電路的上橋臂MOS管(Qu)的漏極(a)，負端連接奇均衡子電路的儲能電感(L)的第二端(e);所述偶電池的正端連接偶均衡子電路的儲能電感(L)的第二端(e)，負端連接下橋臂MOS管(Qd)的漏極(d)。
2.根據(jù)權利要求I所述的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，其特征在于，所述均衡子電路包括上橋臂MOS管(Qu)、下橋臂MOS管(Qd)和儲能電感(L)，上橋臂MOS管(Qu)的源極、下橋臂MOS管(Qd)的漏極、儲能電感(L)的第一端三者相連接，上橋臂MOS管(Qu)的漏極(a)、上橋臂MOS管(Qu)的柵極(b)、下橋臂MOS管(Qd)的柵極(C)、下橋臂MOS管(Qd)的漏極(d)和儲能電感(L)的第二端(e)相連。
3.根據(jù)權利要求I所述的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，其特征在于，所述電池單元模塊是鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池或超級電容器。
4.根據(jù)權利要求I所述的串聯(lián)電池組均衡電路，其特征在于，所述奇均衡子電路的下橋臂MOS管(Qd)的漏極(d)接串聯(lián)電池組負端(GND)，上橋臂MOS管(Qu)的柵極(b)、下橋臂MOS管(Qd)的柵極(c)連接控制電路。
5.根據(jù)權利要求I所述的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，其特征在于，所述偶均衡子電路的上橋臂MOS管(Qu)的漏極a連接串聯(lián)電池組正端(VCC)，上橋臂MOS管(Qu)的柵極(b)、下橋臂MOS管(Qd)的柵極(c)連接控制電路。
6.根據(jù)權利要求I所述的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，其特征在于，所述控制電路的控制信號是由電池管理系統(tǒng)根據(jù)各個電池單元模塊的剩余電量給控制電路發(fā)送的均衡指令，控制電路接受電池管理系統(tǒng)的指令控制奇、偶均衡子電路的上橋臂MOS管(Qu)或下橋臂MOS管(Qd)的開通和關斷實現(xiàn)電池的均衡；同一奇、偶均衡子電路的上橋臂MOS管(Qu)、下橋臂MOS管(Qd)不同時導通；所述奇均衡子電路能對與其相連接的奇電池進行充電和放電，所述偶均衡子電路能對與其相連接的偶電池進行充電和放電。
7.根據(jù)權利要求I 6所述的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，其特征在于所述i取值為I 59，j取值為2 60。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電感儲能的串聯(lián)電池組充放電均衡電路，每一個電池單元模塊連接有一套均衡子電路，串聯(lián)電池組的正端VCC、負端GND，串聯(lián)電池組以連接點N分為前部分、后部分，前部分電池單元模塊的個數(shù)最多比后部分電池單元模塊的個數(shù)多一，前部分電池單元模塊為奇電池，后部分電池單元模塊為偶電池，與奇電池連接的均衡子電路為奇均衡子電路，與偶電池相連接的均衡子電路為偶均衡子電路。電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池組內(nèi)各個電池的剩余電量給控制電路發(fā)送均衡指令，控制電路通過控制均衡子電路的上橋臂MOS管Qu或下橋臂MOS管Qd的開通和關斷給與其相連接的電池充放電，保證每個電池在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充電和過放電。
文檔編號H02J7/00GK102832667SQ201210312049
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權日2012年8月29日
發(fā)明者康龍云, 楊會州, 趙先嫻, 朱洪波 申請人:華南理工大學