專利名稱：一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鋰電池組充放電均衡電路，尤其涉及一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路。
背景技術：
隨著鋰離子動力電池技術的進步，電池的一致性得到很大提高。盡管如此，各個單體之間的差異依然存在，有些電池容量偏大，有些偏小。容量偏小的電池電壓變化比較快， 充電時最先達到充電截止電壓，放電時最先達到放電截止電壓。類似于木桶短板效應，容量偏小的電池限制了整個電池組的性能。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，個別電池的過沖過放以及老化程度的差異，導致電池不一致性加劇，嚴重影響了電池性能。這一難題給BMS提出了新的挑戰(zhàn)，即在電池組工作時實現(xiàn)各個單體電池之間的充放電均衡。一個好的均衡電路可以充分發(fā)揮電池性能，延長電池使用壽命。均衡分為能量耗散型和非能量耗散型均衡。能量耗散型以電阻均衡法為代表，其損耗大、溫升大、不適合大電流充電，無法實現(xiàn)放電均衡；非能量耗散型包含開關電容法、共享變壓器法和雙向可逆DC/DC。開關電容法時間常數(shù)大、均衡過程緩慢，效率低；共享變壓器法損耗大，成本高，實現(xiàn)困難；中國公開號CN101222149A公開了一種名稱為“串聯(lián)儲能電源三單體直接均衡器”的專利，該專利公開了一種采取Boost和Flyback兩種工作模式組合的均衡電路，然而它只能實現(xiàn)相鄰三個串聯(lián)儲能單體間直接雙向能量傳遞，并且電路結構復雜，實現(xiàn)困難。綜上，現(xiàn)有均衡技術都存在各種各樣的不足，多單體串聯(lián)電池系統(tǒng)任意兩個單體之間實現(xiàn)高效率、大電流充放電均衡仍然是BMS研發(fā)中面臨的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，以解決現(xiàn)有均衡電路無法實現(xiàn)任意兩個單體之間實現(xiàn)高效率、大電流充放電均衡的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，包括一個主控制模塊及與其通信連接的用于與一組串聯(lián)相接順次設置的單體電池對應連接的一組均衡模塊組，每個均衡模塊用于與一個單體電池一一對應；各均衡模塊均包括一個反激變壓器、兩個開關和一個或兩個以上并聯(lián)實現(xiàn)的電容組，每個均衡模塊反激變壓器的一個繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，該均衡模塊的電容組與該繞組并聯(lián)，另一個繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的正負極連接，每個繞組回路上串聯(lián)有一個開關，用于與每個反激變壓器的同名端對應連接的單體電池相應極端的極性相反。所述開關為開關管。每個均衡模塊反激變壓器的原邊繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，且該均衡模塊的電容與該原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的對應負正極連接。
所述原邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在原邊繞組的同名端；所述副邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在副邊繞組的非同名端。所述反激變壓器為雙向可逆DC/DC平面反激變壓器。所述開關管為MOSFET開關管。本發(fā)明的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路的均衡模塊由反激變壓器、兩個開關管和一個或兩個以上并聯(lián)實現(xiàn)的電容組組成，同時集成了其他功能電路，通過PWM 信號控制連接反激變壓器原副邊繞組的兩個開關管互補導通，通過控制反激變壓器原邊繞組和副邊繞組的導通順序，一方面實現(xiàn)電流旁路，另一方面實現(xiàn)能量在兩個相鄰電池之間向上轉移或向下轉移。N個單體電池之間通過直接或間接能量轉移，最終實現(xiàn)N個單體之間的能量均衡。該均衡電路可以實現(xiàn)向上均衡和向下均衡、充電均衡和放電均衡等功能，最終能夠實現(xiàn)所有單體電池間的能量平衡，屬于無損均衡、均衡電流大、均衡效率高、可擴展性好、便于實現(xiàn)，能夠達到大電流快速充電、增強電池安全性能、提高電池放電能力和使用壽命等目的。


圖1所示為本發(fā)明的結構示意圖2所示為充電或放電模式下，多單體串聯(lián)均衡拓撲結構示意圖； 圖3所示為恒流充電模式下，三單體串聯(lián)均衡拓撲結構示意圖； 圖4所示為向上均衡模式下，開關管SlO閉合、Sll斷開時的電流流向示意圖； 圖5所示為向上均衡模式下，開關管SlO斷開、Sll閉合時的電流流向示意圖； 圖6所示為向下均衡模式下，開關管S20斷開、S21閉合時的電流流向示意圖； 圖7所示為向下均衡模式下，開關管S20閉合、S21斷開時的電流流向示意圖。
具體實施例方式下面結合具體的實施例對本發(fā)明進行進一步介紹。如圖1 圖2所示為本新型多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，由圖可知， 包括一個主控制模塊及與其通信連接的用于與一組串聯(lián)相接順次設置的單體電池對應連接的一組均衡模塊組，每個均衡模塊用于與一個單體電池一一對應；各均衡模塊均包括一個反激變壓器、兩個開關和一個或兩個以上并聯(lián)實現(xiàn)的電容組，每個均衡模塊反激變壓器的一個繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，該均衡模塊的電容組與該繞組并聯(lián)，另一個繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的正負極連接，每個繞組回路上串聯(lián)有一個開關，用于與每個反激變壓器的同名端對應連接的單體電池相應極端的極性相反。主控制模塊負責信息處理、對各個均衡模塊控制以及均衡策略的管理等；均衡模塊同時集成了其他功能電路，負責單體電池的電壓采集、溫度采集以及實現(xiàn)均衡等功能。本實施例中的反激變壓器為雙向可逆DC/DC平面反激變壓器；開關管為MOSFET開關管，均衡模塊中的單體電容可以用多個電容并聯(lián)實現(xiàn)。以N節(jié)單體串聯(lián)成組為例，其均衡拓撲結構示意圖如圖2所示最下方電池為 Celll，最上方電池為CellN，串聯(lián)的電池個數(shù)不限。每個均衡模塊主要由一個雙向可逆DC/ DC平面反激變壓器、兩個開關管以及一個電容組成。反激變壓器原邊繞組經(jīng)由一個開關管連接當前電池正極和負極，反激變壓器副邊繞組經(jīng)由另外一個開關管連接當前電池的正極 (也即上節(jié)電池的負極)和上一節(jié)電池的正極，電容與單體電池并聯(lián)。第N節(jié)電池(末端電池) 的均衡模塊并不參與均衡，僅實現(xiàn)電壓采集、溫度采集及通信等功能。各均衡模塊之間以及與控制模塊之間通過總線進行通信。本實施例中原邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在原邊繞組的同名端，副邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在副邊繞組的非同名端。通過PWM信號控制連接反激變壓器原副邊繞組的兩個開關管互補導通。通過控制反激變壓器原邊繞組和副邊繞組的導通順序，一方面實現(xiàn)電流旁路，另一方面實現(xiàn)能量在兩個相鄰電池之間向上轉移或向下轉移。N個單體電池之間通過直接或間接能量轉移，最終實現(xiàn)N個單體之間的能量均衡。通過選取合適的開關管、PWM控制信號、變壓器尺寸以及繞組方式等參數(shù)，可以實現(xiàn)大電流均衡，理論均衡電流可達數(shù)百安培。如圖3 圖7所示為三單體串聯(lián)均衡的拓撲結構示意圖，以三個單體鋰電池 CellU Cell2和Cell3串聯(lián)成組為例說明均衡模塊在充電時的工作情況充電機對電池組實施恒流充電，充電電流為Ic。根據(jù)示意圖3，兩個DC/DC反激變壓器T1、T2(虛線框部分) 分別并聯(lián)至Celll和Cell2兩端，Tl、T2的原邊繞組定義為P，副邊繞組定義為S。反激變壓器Tl原邊繞組上端定義為a，原邊繞組下端定義為c，副邊繞組上端定義為b，副邊繞組下端定義為d。a連接至Celll正極，c經(jīng)由開關管SlO連接至Celll負極，b經(jīng)由開關管 Sll連接至Celll正極，d則連接至上節(jié)電池Cell2的正極。反激變壓器T2原邊繞組上端定義為e，原邊繞組下端定義為g，副邊繞組上端定義為f，副邊繞組下端定義為h。e連接至 Cell2正極，g經(jīng)由開關管S20連接至Cell2負極，f經(jīng)由開關管S21連接至Cell2正極，h 則連接至上節(jié)電池Cell3的正極。電容Cl并聯(lián)至Celll的正負極，電容C2并聯(lián)至Cell2 的正負極。C3和T3與Cell3的連接方式與上述連接類似，因第三個均衡模塊(末端均衡模塊)并不參與均衡，僅僅實現(xiàn)電壓和溫度采集以及通信等功能，此處不做詳細說明。如圖4 圖5所示為向上均衡模式下的電流流向圖假定Celll的電壓遠遠高于 Cell2和Cell3的電壓，隨著充電繼續(xù)，Celll的電壓率先達到均衡點(設置均衡點電壓為 3. 8V)，此時開啟向上均衡模式，能量實現(xiàn)從Celll向Cell2的轉移。通過PWM信號控制開關管SlO和Sll互補導通，設置均衡電流等于充電電流Ic，PWM周期為2*t。首先，SlO閉合、Sll斷開，電流Ip從Celll正極經(jīng)Tl原邊繞組流到Celll負極，原邊繞組存儲能量(圖 4);經(jīng)過時間t之后，SlO斷開、Sll閉合，存儲在原邊繞組的能量耦合至Tl副邊，電流Is自上而下流經(jīng)Tl副邊繞組，經(jīng)d點流入Cell2正極，持續(xù)時間同樣為t (圖5)。電流Ip和Is 波形為斜波，峰值近似相等，并且Ip和Is在一個完整的PWM周期內(nèi)的平均值相等，等于充電電流Ic。均衡開啟的時間內(nèi)，Tl 一方面實現(xiàn)電流旁路，旁路電流等于Ic，流經(jīng)Celll的電流之和為零，電壓停止上升；Tl另一方面實現(xiàn)能量轉移，Celll向Cell2轉移電流能力接近Ic，因此均衡期間，流過Cell2的充電電流接近2*Ic，Cell2充電加速，電壓急速上升。如圖6 圖7所示為向下均衡模式下的電流流向圖假定Cell3的電壓遠遠高于 Cell2和Celll的電壓，隨著充電繼續(xù)，Cell3的電壓率先達到均衡點(設置均衡點電壓為 3. 8V)，此時開啟向下均衡模式，能量實現(xiàn)從Cell3向Cell2的轉移。通過PWM信號控制開關管S20和S21互補導通，設置均衡電流等于充電電流Ic，PWM周期為2*t。首先，S21閉合、S20斷開，電流Is從Cell3正極出發(fā)，經(jīng)h點流過T2副邊繞組，最終流入Cell3負極，副邊繞組存儲能量(圖6)；經(jīng)過時間t之后，S21斷開、S20閉合，存儲在副邊繞組的能量耦合至T2原邊，電流Ip自下而上流經(jīng)T2原邊，經(jīng)e點流入Cell2正極，持續(xù)時間同樣為t (圖 7)。與向上均衡模式相同，電流Ip和Is波形為斜波，峰值近似相等，并且Ip和Is在一個完整的PWM周期內(nèi)的平均值相等，等于充電電流Ic。均衡開啟的時間內(nèi)，T2—方面實現(xiàn)電流旁路，旁路電流等于Ic，流經(jīng)Cell3電流之和為零，電壓停止上升；T2另一方面實現(xiàn)能量轉移，Cell3向Cell2電流轉移能力接近Ic，因此均衡期間，流過Cell2的充電電流接近2*Ic， Cell2充電加速，電壓急速上升。 該DC/DC雙向均衡電路既可以實現(xiàn)電池組充電均衡，又可以實現(xiàn)電池組放電均衡，均衡原理基本相同，通過電池間能量轉移，最終達到均衡目的。不相鄰的兩節(jié)電池之間需要均衡時，可以通過級聯(lián)均衡實現(xiàn)。假設Celll的電壓大于Cell2的電壓，Cell2的電壓大于Cell3的電壓，則可以同時開啟Celll和Cell2的向上均衡功能，能量實現(xiàn)從Celll到 Cell2的轉移以及從Cell2向Cell3的轉移，兩級均衡最終可以實現(xiàn)三節(jié)電池間的能量均本發(fā)明作為一種雙向均衡模式，可以實現(xiàn)向上均衡和向下均衡、充電均衡和放電均衡等功能，最終能夠實現(xiàn)所有單體電池間的能量平衡。該均衡電路屬于無損均衡、均衡電流大、均衡效率高、可擴展性好、便于實現(xiàn)，能夠達到大電流快速充電、增強電池安全性能、 提高電池放電能力和使用壽命等目的。由于上述技術方案運用，本新型均衡方法與現(xiàn)有其他方法相比具有以下優(yōu)點 (1)無損均衡技術(或低損耗)，均衡時能量損失非常小，一方面能夠節(jié)約能源，另一方
面可以抑制電池工作環(huán)境的溫升。(2)大電流均衡技術，均衡能力經(jīng)實際驗證可達四五十安培以上。(3)雙向均衡技術，既可以實現(xiàn)向上均衡，又可以實現(xiàn)向下均衡，能夠同時實現(xiàn)電池組的充電均衡和放電均衡。(4)級聯(lián)均衡技術，既可以實現(xiàn)相鄰兩個單體間直接均衡，也可以同時開啟多個均衡單元，通過級聯(lián)均衡技術實現(xiàn)不相鄰單體間的間接均衡。(5)每個單體電池配備一塊均衡單元，拓撲結構簡單實用、可擴展性極好，不受電池數(shù)量限制。另外，在本發(fā)明中，開關管在回路中的位置可根據(jù)實際需要調(diào)整，并且也不局限于 MOSFET開關管，也可以由其他類型開關管實現(xiàn)，該類似變換屬于本領域技術人員的常規(guī)技術手段，落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于包括一個主控制模塊及與其通信連接的用于與一組串聯(lián)相接順次設置的單體電池對應連接的一組均衡模塊組， 每個均衡模塊用于與一個單體電池一一對應；各均衡模塊均包括一個反激變壓器、兩個開關和一個或兩個以上并聯(lián)實現(xiàn)的電容組，每個均衡模塊反激變壓器的一個繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，該均衡模塊的電容組與該繞組并聯(lián)，另一個繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的正負極連接，每個繞組回路上串聯(lián)有一個開關，用于與每個反激變壓器的同名端對應連接的單體電池相應極端的極性相反。
2.根據(jù)權利要求1所述的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于所述開關為開關管。
3.根據(jù)權利要求2所述的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于每個均衡模塊反激變壓器的原邊繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，且該均衡模塊的電容與該原邊繞組并聯(lián)，副邊繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的對應負正極連接。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于 所述原邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在原邊繞組的同名端；所述副邊繞組回路上串聯(lián)的開關管串接在副邊繞組的非同名端。
5.根據(jù)權利要求4所述的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于所述反激變壓器為雙向可逆DC/DC平面反激變壓器。
6.根據(jù)權利要求5所述的多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，其特征在于所述開關管為MOSFET開關管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多單體串聯(lián)動力鋰電池組充放電均衡電路，包括一個主控制模塊及與其通信連接的用于與一組串聯(lián)相接順次設置的單體電池對應連接的一組均衡模塊組；各均衡模塊均包括一個反激變壓器、兩個開關和一個或兩個以上并聯(lián)實現(xiàn)的電容組，每個均衡模塊反激變壓器的一個繞組用于與對應該單體電池的正負極連接，該均衡模塊的電容組與該繞組并聯(lián)，另一個繞組用于與順次連接的相鄰下一單體電池的正負極連接，每個繞組回路上串聯(lián)有一個開關。該均衡電路實現(xiàn)所有單體電池間的能量平衡，屬于無損均衡、均衡電流大、均衡效率高、可擴展性好、便于實現(xiàn)，能夠達到大電流快速充電、增強電池安全性能、提高電池放電能力和使用壽命等目的。
文檔編號H02J7/00GK102163854SQ20111004354
公開日2011年8月24日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權日2011年2月23日
發(fā)明者呂少鋒 申請人:中航鋰電(洛陽)有限公司