專利名稱：單電感式蓄電池組均衡電路及方法
技術領域：
本發(fā)明屬于蓄電池的電池保護系統(tǒng)領域，涉及一種單電感式蓄電池組均衡電路及方法。
背景技術：
蓄電池作為能量存儲介質，已經(jīng)廣泛應用于社會的各行各業(yè)，特別是近年來在通信電源、UPS電源、各種動力車輛、太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、國家智能電網(wǎng)等行業(yè)中，作為動力或電源儲能的系統(tǒng)中，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)被視為最關鍵的組件之一。電池系統(tǒng)對以串聯(lián)方式工作的電池組進行充電、放電,在每次充電、放電以后，電池組里各個單體電池的特性都會不一樣，如端電壓、內(nèi)阻、老化程度、剩余容量(S0C)、電池健康度(SOH)等等，并且會隨著時間的推移進一步加劇單體電池之間的差異性。如何保證電池在充電、放電過程中進行電池組快速高效的動態(tài)主動均衡控制，是保證磷酸鐵鋰電池的安全性、可靠性以及充分發(fā)揮其化學效能的一項關鍵技術。隨著磷酸鐵鋰電池的使用越來越廣泛，近年來對串聯(lián)磷酸鐵鋰電池組進行充電、放電的裝置和方法得到了不斷的改進，以試圖對串聯(lián)在一起的電池組的保護和均衡能更加快速、高效。在磷酸鐵鋰電池的傳統(tǒng)被動均衡方法中，都是利用半導體開關器件和功率電阻構成的放電矩陣網(wǎng)絡，這些矩陣施加在每個單體電池兩端，對充電時端電壓較高的單體電池進行適量放電，使電池組中的各個單體電池的電壓盡量以相同的速度一致升高，同時充足，達到串聯(lián)電池的被動均衡的目的；由于采用的功率電阻要對單體電池進行放電才能達到均衡的目的，電阻的發(fā)熱量大，因此對電池組前端充電器的能量利用率較低，有較大的電阻發(fā)電熱損耗。在傳統(tǒng)的電池組放電方法中，當其中的某一個電池芯達到需要保護的最小端電壓時,則整個電池組將被強制停止放電,但在這個時候,其它的狀態(tài)良好的一些電池芯中可能還有很多剩余的能量沒有被釋放出來，因此這將極大地影響電池組的能量使用率。在目前見到的傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組放電方法中，是對串聯(lián)在一起的電池組的總電壓進行采集，并不監(jiān)測各個單體電池的端電壓；這種做法雖然簡單，但是由于在使用過程中各個單體電池的電量并不均勻，假如長期循環(huán)使用下去，電量的差異性將會變的更大，所以電量較小的單體電池將會產(chǎn)生過放電，使得它的循環(huán)使用壽命大大的減少，因此將影響電池組的使用。上面描述的放電方法往往是設定一個電池組放電終止電壓，當采集到電池組的總電壓低于這個設定值時，就會終止電池組的放電。由于終止電壓并不能反映電池組中所有單體電池的真實端電壓，因此在終止放電時，有些單體電池可能會出現(xiàn)過放電的現(xiàn)象，有些單體電池可能還有很多剩余的電量沒有使用，電池能量的使用率將大大的降低。在目前見到的傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組放電方法中，都是參照電池的端電壓作為判斷依據(jù)，當電池的端電壓達到一定數(shù)值時，就強制停止放電，但是在不同的實際使用環(huán)境下，如環(huán)境溫度較高時，電池中可能還有很多剩余的電量沒有釋放出來，而在環(huán)境溫度較低時，就會出現(xiàn)電池過放電的現(xiàn)象，因此會對電池造成損害。
傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池動態(tài)主動均衡方法中，都是利用所有串聯(lián)在一起的單體電池的電壓最終達到一致作為均衡工作結束條件的。這樣是不精確的。事實上電池的實際存儲電量還要受到電池本身的溫度、累計充放電次數(shù)、老化程度、健康程度、電池本身的化學特性等因素的影響。在不同的溫度、充放電循環(huán)次數(shù)下，磷酸鐵鋰電池組充滿電時能儲存并釋放出的能量是不相同的，而在充滿電時電池的端電壓也是不相同的。如在低溫環(huán)境下，電池組中能存儲的能量較小，充滿電時的端電壓較高，等等。要能最大限度到利用電池組中存儲的電量，就需要充電、放電裝置能在不同的環(huán)境下，能將電池中最大可存儲的電量充滿，并能夠將電池組中儲存的電量全部釋放出來供給外部負載。值得一提的是，由于磷酸鐵鋰電池組中各個單體電池制造工藝誤差等等的原因，在串聯(lián)充電時，其電量存在一定的差異，而這種差異會在使用過程中慢慢的逐漸增大，這將影響整個電池組的正常工作，因此，這就需要充電、放電裝置能夠消除這種差異，使電池組在充電、放電過程中始終保持均衡狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種與現(xiàn)有技術相比更科學、更可靠、更能充分地利用磷酸鐵鋰電池組能量的均衡電路及方法，以克服現(xiàn)有技術中的不足。一方面，本發(fā)明提供了 一種新型的基于各個單體電池動態(tài)電量和電壓差異補償?shù)拇?lián)電池組均衡充電、放電的電路，具體采用如下技術方案一種蓄電池組均衡電路，包括蓄電池組，包括多個串聯(lián)的單體電池；每個單體電池均具備一充電電路和一放電電路；所述充電電路包括一正極輸入切換電路、一負極輸出切換電路和共用儲能元件，單體電池的正極依次經(jīng)該單體電池的正極輸入切換電路、共用儲能元件和該單體電池的負極輸出切換電路連接于該單體電池的負極；所述該單體電池的正極輸入切換電路同時作為與該單體電池正極相連的相鄰單體電池的負極輸入切換電路；所述該單體電池的負極輸出切換電路同時作為與該單體電池負極相連的相鄰單體電池的正極輸出切換電路；所述放電電路包括一正極輸出切換電路、一負極輸入切換電路和所述共用儲能元件，單體電池的正極依次經(jīng)該單體電池的正極輸出切換電路、共用儲能元件和該單體電池的負極輸入切換電路連接于該單體電池的負極；所述該單體電池的正極輸出切換電路同時作為與該單體電池正極相連的相鄰單體電池的負極輸出切換電路；所述該單體電池的負極輸入切換電路同時作為與該單體電池負極相連的相鄰單體電池的正極輸入切換電路；以及外部控制電路，用于控制所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，從而使某一個或某幾個單體電池的正負極選通；被選通的單體電池的正負極與所述共用儲能元件之間構成串聯(lián)回路。上述充電電路中所述的共用儲能元件和放電電路中所述的共用儲能元件為同一元件。作為對上述技術方案的完善和補充，本發(fā)明進一步采取如下技術措施或是這些技術措施的任意組合所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路均由二極管和均衡開關串聯(lián)組成。
所述正極輸入切換電路和負極輸入切換電路上的均衡開關均采用N-M0SFET，所述正極輸出切換電路和負極輸出切換電路上的均衡開關均采用P-M0SFET。所述二極管為肖特基二極管。所述共用儲能元件為功率電感。所述單體電池為磷酸鐵鋰電池。本發(fā)明進一步選用如下優(yōu)選的技術方案所述正極輸入切換電路中=N-MOSFET的S極連接單體電池的正極，N-MOSFET的D極連接所述肖特基二極管的陰極，N-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基二極管的陽極與所述共用儲能元件連接；所述負極輸入切換電路中N-M0SFET的S極連接單體電池的負極，N-MOSFET的D極連接所述肖特基二極管的陰極，N-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基二極管的陽極與所述共用儲能元件連接；所述正極輸出切換電路中=P-MOSFET的S極連接單體電池的正極，P-MOSFET的D極連接肖特基二極管的陽極，P-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基二極管的陰極與所述共用儲能元件連接；所述負極輸出切換電路中=P-MOSFET的S極連接單體電池的負極，P-MOSFET的D極連接肖特基二極管的陽極，P-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基二極管的陰極與所述共用儲能元件連接。本發(fā)明在P-MOSFET和N-MOSFET上串聯(lián)連接的肖特基二極管是為了防止反向高壓擊穿對應的MOSFET，因為功率MOSFET都含有反向的寄生體二極管，假如不在MOSFET外面串聯(lián)肖特基二極管，那么在MOSFET被施加反向電壓的情況下，寄生體二極管將把電流引向單體電池，會破壞電路工作特性，甚至引起電池故障。另一方面，本發(fā)明提供了 一種新型的基于各個單體電池動態(tài)電量和電壓差異補償?shù)拇?lián)電池組均衡充電、放電的方法，具體采用如下技術方案一種采用上述蓄電池組均衡電路對蓄電池組均衡的方法，其特征在于當所述蓄電池組中各單體電池之間的電量差異大于設定值時，所述均衡電路通過所述外部控制電路控制所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，使電量較高的一個或多個單體電池對所述共用儲能元件進行充電；然后，重新進行所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，使所述共用儲能元件釋放上次存儲的能量，相應的被選通的一個或多個單體電池被充電。作為對上述技術方案的完善和補充，本發(fā)明進一步采取如下技術措施或是這些技術措施的任意組合當對所述蓄電池組進行充電時，始終控制每個單體電池的電量值和電壓值不大于其最大允許額定值；當所述蓄電池組接通負載放電時，始終控制每個單體電池的電量值和電壓值不小于其最小允許額定值；以達到充分保護磷酸鐵鋰電池及充分利用其存儲的電能的最終目的。所述共用儲能元件每次釋放的電量大于上一次儲存電量的90%。所述單體電池為磷酸鐵鋰電池。
本發(fā)明所提供的上述均衡電路及方法，是以各個單體電池的動態(tài)電量和電壓作為判斷依據(jù)，在蓄電池組充電過程中，當發(fā)現(xiàn)單體電池之間電量和電壓差異較大時，就對電量和電壓較高的單體電池進行適量放電，并把放出來的電量轉移到其它的單體電池中，為其它的落后電池進行充電，實現(xiàn)在充電過程中的動態(tài)均衡；同樣在蓄電池組接通負載進行放電的過程中，電量和電壓高的單體電池通過放電電路和充電電路將多出的電量轉移給電量和電壓較小的單體電池，實現(xiàn)在放電過程中的動態(tài)均衡，最終達到真正的電池組高效、安全的動態(tài)均衡充電和放電，能最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。


圖1是16個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結構示意圖。圖2是本發(fā)明中一個單體電池的充電電路和放電電路示意圖。圖3是單體電池CELL16把能量轉移給CELLl 15的均衡電路工作時序示意圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例進一步闡述本發(fā)明，應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。圖1是本發(fā)明的均衡電路連接結構示意圖(以16個單體電池串聯(lián)組成的蓄電池組為例)，其包括由16個單體電池串聯(lián)組成的蓄電池組，其中每個單體電池均具備一充電電路和一放電電路。請參見圖2，以其中第一個單體電池I為例對單體電池I進行充電的充電電路包括正極輸入切換電路la、負極輸出切換電路Id和電感17，單體電池I的正極依次經(jīng)正極輸入切換電路la、電感17和負極輸出切換電路Id連接于單體電池I的負極；對單體電池I進行放電的放電電路包括正極輸出切換電路lb、負極輸入切換電路Ic和電感17，單體電池I的正極依次經(jīng)單正極輸出切換電路lb、電感17和負極輸入切換電路Ic連接于單體電池I的負極。其中正極輸入切換電路la、負極輸出切換電路Id、正極輸出切換電路Ib和負極輸入切換電路Ic由外部控制電路(圖中未畫出)控制它們的選通，通過外部控制電路發(fā)出的信號選擇是否對該單體電池進行充電或進行放電。正極輸入切換電路la、負極輸出切換電路Id、正極輸出切換電路Ib和負極輸入切換電路Ic均由二極管和均衡開關串聯(lián)組成。圖2給出了本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方式，其中正極輸入切換電路Ia由N-MOSFET 101和肖特基二極管102串聯(lián)構成N_M0SFET的101的S極(源極)連接單體電池I的正極，其D極(漏極)連接肖特基二極管102的陰極，其G極(柵極)為控制端與所述外部控制電路連接，由外部控制電路給入控制信號使其0N/0FF ；肖特基二極管102的陽極與電感17連接；正極輸出切換電路Ib由P-MOSFET 103和肖特基二極管104串聯(lián)構成P-M0SFET103的S極(源極)連接單體電池I的正極，其D極(漏極)連接肖特基二極管104的陽極，其G極(柵極)為控制端與所述外部控制電路連接，由外部控制電路給入控制信號使其0N/0FF ；肖特基二極管104的陰極與電感17連接； 負極輸入切換電路Ic由N-MOSFET 105和肖特基二極管106串聯(lián)構成N-M0SFET105的S極(源極)連接單體電池I的負極，其D極(漏極)連接肖特基二極管106的陰極，其G極(柵極)為控制端與所述外部控制電路連接，由外部控制電路給入控制信號使其ON/OFF ；肖特基二極管106的陽極與電感17連接；負極輸出切換電路Id由P-MOSFET 107和肖特基二極管108串聯(lián)構成P-M0SFET107的S極(源極)連接單體電池I的負極，其D極(漏極)連接肖特基二極管108的陽極，其G極(柵極)為控制端與所述外部控制電路連接，由外部控制電路給入控制信號使其0N/0FF ；肖特基二極管108的陰極與電感17連接。其他單體電池的充電電路和放電電路結構均與上述相同,不再贅述。圖1是16個單體電池串聯(lián)的均衡電路連接結構示意圖，共用了 16個P-M0SFET、16個N-M0SFET、32個肖特基二極管。每個單體電池的充電電路和放電電路均采用同一個儲能元件電感17。在多個電池串聯(lián)的情況下，相鄰電池間的輸入、輸出切換電路共用，例如單體電池15的正極輸入切換電路15a同時作為與其正極相連的單體電池16的負極輸入切換電路；單體電池15的負極輸出切換電路15d同時作為與其負極相連的單體電池14的正極輸出切換電路；單體電池15的正極輸出切換電路15b同時作為與其正極相連的單體電池16的負極輸出切換電路；單體電池15的負極輸入切換電路15c同時作為與其負極相連單體電池14的正極輸入切換電路。所有單體電池的正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的導通均由所述外部控制電路控制，可以將某一個單體電池的正負極獨立選通，也可以根據(jù)需要將某幾個單體電池的正負極選通；被選通的單體電池的正負極與所述共用儲能元件之間構成串聯(lián)回路。例如當正極輸入切換電路15a和負極輸出切換電路15d導通時，單體電池15被選通，此時單體電池15與電感17之間構成串聯(lián)回路，電感17對單體電池15進行充電；當當正極輸入切換電路15a和負極輸出切換電路Id導通時，單體電池I 15被選通，此時單體電池I 15與電感17之間構成串聯(lián)回路，電感17對單體電池I 15進行充電。圖3是本發(fā)明的工作原理示意圖。在使用過程中，用對蓄電池組的充電電流或蓄電池組對外界的放電電流以及時間來計算其中單體電池充電、放電過程中的動態(tài)電量大小，當單體電池之間的動態(tài)電量和端電壓差值大于設定值時，就進行電量和電壓的動態(tài)均衡，通過外部控制電路將電量較高的單體電池的正負極選通，對電感17進行充電，電感中電流上升，開始儲存能量，相應的單體電池被放電；在電感17不飽和的情況下，電感儲存的焦耳能量P為P = I*I*L/2(I為電感上升到的最大電流，單位是安培，L是電感的電感量，單位是亨利)。在電感被充電后，需要馬上切換輸入、輸出切換電路，重新進行單體電池組合的正負極的選通，被選通的單體電池組合的正負極和電感構成新的串聯(lián)回路，電感開始放電，電感中的電流下降，開始釋放上次存儲的能量，相應的單體電池組合被充電；最終，電感釋放的焦耳能量大于90% *P，P為上次電感儲存的能量。并且在使用過程中，始終控制單體電池動態(tài)電量值和電壓值在充電時不大于最大允許額定值，在放電時不小于最小允許額定值。以圖3示出的單體電池16把能量轉移給單體電池I 15的均衡電路工作時序為例當檢測到單體電池16上的動態(tài)電量較高時，通過外部控制電路接通開關21和開關22，此時電感17被充電，相應的單體電池16被放電；然后將開關21斷開，并接通開關23，使單體電池I 15、開關22和開關23構成串聯(lián)回路。由于電感17的續(xù)流效應，電感在前先時間儲存的能量將釋放給單體電池I 15，依此類推，在不同的控制時序下，可以完成16個單體電池串聯(lián)的均衡。根據(jù)上述過程，就完成了某一個單體電池可以進行單獨放電或充電的過程，不論蓄電池組正在被充電中，或是蓄電池組正在向外放電中，都可以實現(xiàn)某一個單體電池的單獨充電放電，可以保證串聯(lián)在一起的單體電池在任何狀態(tài)下都可以電壓接近或容量接近，保護在充電過程中不會產(chǎn)生個別單體電池嚴重過壓，同時也保證在放電過程中，不會有個別單體電池嚴重欠壓，以最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。本發(fā)明的上述描述和應用是說明性的，并非想將本發(fā)明的范圍限制在上述實施例中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發(fā)明的精神或本質特征的情況下，本發(fā)明可以以其他形式來實現(xiàn)。在不脫離本發(fā)明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進行其他變形和改變。
權利要求
1.ー種蓄電池組均衡電路，包括 蓄電池組，包括多個串聯(lián)的單體電池；每個單體電池均具備一充電電路和一放電電路； 所述充電電路包括一正極輸入切換電路、一負極輸出切換電路和共用儲能元件，単體電池的正極依次經(jīng)該單體電池的正極輸入切換電路、共用儲能元件和該單體電池的負極輸出切換電路連接于該單體電池的負極；所述該單體電池的正極輸入切換電路同時作為與該單體電池正極相連的相鄰單體電池的負極輸入切換電路；所述該單體電池的負極輸出切換電路同時作為與該單體電池負極相連的相鄰單體電池的正極輸出切換電路； 所述放電電路包括一正極輸出切換電路、一負極輸入切換電路和所述共用儲能元件，單體電池的正極依次經(jīng)該單體電池的正極輸出切換電路、共用儲能元件和該單體電池的負極輸入切換電路連接于該單體電池的負極；所述該單體電池的正極輸出切換電路同時作為與該單體電池正極相連的相鄰單體電池的負極輸出切換電路；所述該單體電池的負極輸入切換電路同時作為與該單體電池負極相連的相鄰單體電池的正極輸入切換電路；以及 外部控制電路，用于控制所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，從而使某一個或某幾個單體電池的正負極選通。
2.如權利要求1所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路均由ニ極管和均衡開關串聯(lián)組成。
3.如權利要求2所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述正極輸入切換電路和負極輸入切換電路上的均衡開關均采用N-MOSFET，所述正極輸出切換電路和負極輸出切換電路上的均衡開關均采用P-MOSFET。
4.如權利要求3所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述ニ極管為肖特基ニ極管。
5.如權利要求4所述的蓄電池組均衡電路，其特征在干， 所述正極輸入切換電路中=N-MOSFET的S極連接單體電池的正極，N-MOSFET的D極連接所述肖特基ニ極管的陰極，N-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基ニ極管的陽極與所述共用儲能元件連接； 所述負極輸入切換電路中=N-MOSFET的S極連接單體電池的負極，N-MOSFET的D極連接所述肖特基ニ極管的陰極，N-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基ニ極管的陽極與所述共用儲能元件連接； 所述正極輸出切換電路中=P-MOSFET的S極連接單體電池的正極，P-MOSFET的D極連接肖特基ニ極管的陽極，P-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接； 所述肖特基ニ極管的陰極與所述共用儲能元件連接； 所述負極輸出切換電路中=P-MOSFET的S極連接單體電池的負極，P-MOSFET的D極連接肖特基ニ極管的陽極，P-MOSFET的G極為控制端與所述外部控制電路連接；所述肖特基ニ極管的陰極與所述共用儲能元件連接。
6.如權利要求1-5任一所述的蓄電池組均衡電路，其特征在于，所述共用儲能元件為功率電感。
7.ー種使用如權利要求1-6任一所述的蓄電池組均衡電路對蓄電池組均衡的方法，其特征在干當所述蓄電池組中各單體電池之間的電量差異大于設定值時，所述均衡電路通過所述外部控制電路控制所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，使電量較高的ー個或多個單體電池對所述共用儲能元件進行充電；然后，重新進行所述正極輸入切換電路、負極輸出切換電路、正極輸出切換電路和負極輸入切換電路的選通，使所述共用儲能元件釋放上次存儲的能量，相應的被選通的ー個或多個單體電池被充電。
8.如權利要求7所述的蓄電池組均衡方法，其特征在干，當對所述蓄電池組進行充電時，始終控制每個單體電池的電量值和電壓值不大于其最大允許額定值；當所述蓄電池組接通負載放電時，始終控制每個單體電池的電量值和電壓值不小于其最小允許額定值。
9.如權利要求7所述的蓄電池組均衡方法，其特征在于，所述共用儲能元件每次釋放的電量大于上一次儲存電量的90%。
10.如權利要求7-9任一所述的蓄電池組均衡方法，其特征在于，所述單體電池為磷酸鐵鋰電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種蓄電池組均衡電路及方法，該系統(tǒng)包括多個串聯(lián)的單體電池和一外部控制電路，每個單體電池均具備一充電電路和一放電電路。使用過程中，當所述蓄電池組中各單體電池之間的電量差異大于設定值時，通過所述外部控制電路使電量較高的單體電池上的放電電路接通，將該電量較高的單體電池中多出的電量轉移至共用儲能元件中；接著，通過所述外部控制電路使電量較低的單體電池上的充電電路依次獨立接通，將所述共用儲能元件中儲存的電量依次釋放至電量較低的單體電池中。達到了真正的電池組高效、安全的動態(tài)均衡充電和放電，能最大限度的保護電池，充分發(fā)揮電池組的能量。
文檔編號H02J7/00GK103036257SQ201110299808
公開日2013年4月10日 申請日期2011年10月8日 優(yōu)先權日2011年10月8日
發(fā)明者張一 , 李思賢 申請人:上海鋰曜能源科技有限公司