CN108110832A - 一种电芯控制电路、电池及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种电芯控制电路、电池及方法。一种电芯控制电路包括：第一电子开关管，为N沟道MOS管开关，第一电子开关管的漏极和源极之间反向并联二极管，第一电子开关管的栅极设置第一驱动电路，第一电子开关与一电芯的正极连接；第二电子开关管，为N沟道MOS管开关，第二电子开关管的漏极和源极之间反向并联二极管，第二电子开关管的栅极设置第二驱动电路，第一电子开关与第二电子开关管反向连接；电磁组件，连接在第二电子开关管与电芯的负极之间。本发明采用的无线能量传输电路避免了物理回路的限制，可以完成任意电芯组合形式的能量转移，能量转移效率高，同时优化电路结构，减小系统体积，有利于延长使用寿命。

Description

一种电芯控制电路、电池及控制方法

技术领域

本发明涉及电气控制领域，尤其涉及一种电芯控制电路、电池及控制方法。

背景技术

储能用电池组一般由上百节单体电池经串、并联组合而成，以达到合适的电压等级和容量等级。因为设计、环境以及电池本身性能的差异，电池组在循环使用过程中，会出现电量不一致的问题。这样不但影响电池的续航时间，大大缩短电池的寿命，更严重地可能会造成电池的过充电或者过放电等不可恢复的损坏。为了解决电池组电量不一致导致的不均衡问题需要对电池组进行均衡管理。

电池均衡器是专门针对串联的单体电池组结构，附加于电池组之上，采用电池能量均衡拓扑结构的电路和均衡控制算法，控制各单体电池电压或SOC值，使电池组各单体电池工作在“健康”状态，并且不改变原电池组电路结构和性能的一种电气控制装置。现有电池均衡控制器拓补结构主要有：能量耗散型，总线型以及DC/DC双向变换型。

能量耗散型：能量耗散型均衡拓扑电路，其原理主要是通过旁路电阻放电，将电池组中电量较高电池的多余电量耗散，以此达到改善电池组电量不一致的目的。能量耗散型均衡拓扑电路消耗电池组剩余电量，降低电池组电量，同时为了避免电阻放电时产生过多的热量，均衡电流必须限制在较小的范围。这个问题导致均衡效率低和产生过多热量，限制了此种均衡拓扑电路的发展。

总线型，通过均衡子电路，将电池和母线连接在一起。总线型电池均衡控制器需配置储能设备，受储能设备体积和寿命的影响，导致均衡器使用不便，影响使用寿命，且不便于模块化。

DC/DC变换型，变换器型均衡电路以Buck、Boost拓扑结构为基础，经过储能电感实现能量的转移，改善电池组电量的不一致。双向DC/DC变换器型电路，通过控制均衡模块，将电量较高电池多余的电量转移到相邻电池中，改善电池组电量的不一致，只能是在相邻(至多2-3个)电芯间的能量转移，均衡速度较慢且效率不高。

发明内容

本发明提供了一种电芯控制电路、电池及控制方法目的是提高能量转移效率，简化电路结构，增加电路的使用寿命。

本发明的内容如下：

一种电芯控制电路，包括：

第一电子开关管，为N沟道MOS管开关，所述第一电子开关管的漏极和源极之间反向并联一二极管，所述第一电子开关管的栅极设置一第一驱动电路，所述第一电子开关与一电芯的正极连接；

第二电子开关管，为N沟道MOS管开关，所述第二电子开关管的漏极和源极之间反向并联所述二极管，所述第二电子开关管的栅极设置一第二驱动电路，所述第一电子开关与所述第二电子开关管反向连接；

电磁组件，连接在所述第二电子开关管与所述电芯的负极之间；

当所述电芯控制电路处于能量发送模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路输出脉冲处于导通状态，所述第二电子开关管的所述第二驱动电路无脉冲处于关断状态，所述电芯通过所述第一电子开关管与所述第二电子开关管的所述二极管放电；

当所述电芯控制电路处于能量接收模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路无输出脉冲处于关断状态，所述第二电子开关管的所述第二驱动电路输出脉冲处于导通状态，所述电芯通过所述第二电子开关管与所述第一电子开关管的所述二极管充电；

当所述电芯控制电路处于旁路模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路与所述第二电子开关管的所述第二驱动电路无输出脉冲均处于关断状态，所述电芯既不充电也不放电。

还设置一电容，所述电容设置在所述第一电子开关管与所述电芯负极之间，且所述电容与所述电磁组件并联。

所述电芯控制电路集成于一主动均衡模块中，于所述主动均衡模块中设置一驱动板，所述第一电子开关管、所述第二电子开关管和所述电磁组件均连接至所述驱动板；

所述电磁组件设置于所述驱动板的上方；

所述第一电子开关管和所述第二电子开关管分别固定在所述电磁组件的两侧。

所述电磁组件包括铁芯以及绕制于所述铁芯上的线圈；

所述第一开关管的管脚、所述第二开关管的管脚以及所述电磁组件的线圈的出线均焊接至所述驱动板上。

所述铁芯上开有一散热孔。

一种电池，采用以上所述电芯控制电路进行充放电控制；包括多个电芯，每个所述电芯分别通过一个对应的所述电芯控制电路进行充放电控制；

当所述电芯控制电路处于能量发送模式时，所述电芯控制电路控制对应的所述电芯放电；

当所述电芯控制电路处于能量接收模式时，所述电芯控制电路控制对应的所述电芯充电；

当所述电芯控制电路处于旁路模式时，所述电芯既不充电也不放电。

一种电芯控制方法，用于对以上所述的电池进行充放电控制；其特征在于：包括：

步骤S1，检测多个所述电芯的电压，选出多个所述电芯中电圧最高的电芯作为放电电芯，以及选出多个所述电芯中电压最低的电芯作为充电电芯，并计算多个所述电芯的平均电压；

步骤S2，将所述放电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述能量发送模式，将所述充电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述能量接收模式，以及将其他所述电芯的所述电芯控制电路分别设置为处于所述旁路模式，随后分别执行步骤S3和步骤S4；

步骤S3，持续检测所述放电电芯的电压，并在所述放电电芯的电压小于所述平均电压时将所述放电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述旁路模式，随后返回所述步骤S1；

步骤S4，持续检测所述充电电芯的电压，并在所述充电电芯的电压大于所述平均电压时将所述充电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述旁路模式，随后返回所述步骤S1。

本发明的有益效果：

本发明采用的无线能量传输电路避免了物理回路的限制，可以完成任意电芯组合形式的能量转移，能量转移效率高，同时优化电路结构，减小系统体积，有利于延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明电芯控制电路的电路示意图；

图2为本发明中主动均衡模块的结构示意图；

图3为本发明中电池的拓扑示意图；

图4为本发明电芯控制方法的流程图；

图5为本发明电芯模块1在仿真模拟过程中剩余电量的变化曲线；

图6为本发明电芯模块2在仿真模拟过程中剩余电量的变化曲线；

图7为本发明电芯模块3在仿真模拟过程中剩余电量的变化曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1所示，电芯控制电路采用无线能量传输技术实现电芯之间能量回路的物理分割，综合考虑绝缘、结构和散热等要求并把无线能量传输的电磁组件和电量转换电路封装为一个模块单元。电芯控制电路包括：

第一电子开关管MosfetA，为N沟道MOS管开关，第一电子开关管MosfetA的漏极和源极之间反向并联一二极管1，第一电子开关管MosfetA的栅极设置一第一驱动电路，第一电子开关MosfetA与一电芯的正极连接；

第二电子开关管MosfetB，为N沟道MOS管开关，第二电子开关管MosfetB的漏极和源极之间反向并联一二极管2，第二电子开关管MosfetB的栅极设置一第二驱动电路，第一电子开关MosfetA与第二电子开关管MosfetB反向连接；

电磁组件3，连接在第二电子开关管MosfetB与电芯的负极之间；

当电芯控制电路处于能量发送模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路输出脉冲处于导通状态，第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路无脉冲处于关断状态，电芯通过第一电子开关管MosfetA与第二电子开关管MosfetB的二极管放电；

当电芯控制电路处于能量接收模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路无输出脉冲处于关断状态，第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路输出脉冲处于导通状态，电芯通过第二电子开关管MosfetB与第一电子开关管MosfetA的二极管充电；

当电芯控制电路处于旁路模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路与第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路无输出脉冲均处于关断状态，电芯既不充电也不放电。

还设置一电容C，电容C设置在第一电子开关管MosfetA与电芯负极之间，且电容C与电磁组件并联。

如图2所示，电芯控制电路集成于一主动均衡模块中，于主动均衡模块中设置一驱动板1，第一电子开关管MosfetA、第二电子开关管MosfetB和电磁组件3均连接至驱动板1；

电磁组件3设置于驱动板4的上方；

第一电子开关管MosfetA和第二电子开关管MosfetB分别固定在电磁组件3的两侧。

电磁组件3包括铁芯以及绕制于铁芯上的线圈，图4中未体现铁芯与线圈。

第一开关管MosfetA的管脚、第二开关管MosfetB的管脚以及电磁组件的线圈的出线均焊接至驱动板1上。

铁芯上开有一散热孔5。

电磁组件3由铁芯和线圈组成，线圈是用于接收电芯上传递的能量并转化成一定频率的电磁场。线圈通过设计，可以根据控制要求发出能量或接收能量。铁芯用于实现磁能量的储存及传递，线圈绕在铁芯上面，铁芯设计了便于散热的孔，可以实现金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,Mosfet)的散热的功能。线圈包括一发射线圈和一接收线圈，发射线圈与接收线圈采用对称式绕制。

如图3所示，一种电池，采用以上电芯控制电路进行充放电控制；电池包括多个电芯，每个电芯分别通过一个对应的电芯控制电路进行充放电控制；

当电芯控制电路处于能量发送模式时，电芯控制电路控制对应的电芯放电；

当电芯控制电路处于能量接收模式时，电芯控制电路控制对应的电芯充电；

当电芯控制电路处于旁路模式时，电芯既不充电也不放电。

如图4所示，电芯控制方法，用于对以上的电池进行充放电控制，包括：

步骤S1，检测多个电芯的电压，选出多个电芯中电圧最高的电芯作为放电电芯，以及选出多个电芯中电压最低的电芯作为充电电芯，并计算多个电芯的平均电压；

步骤S2，将放电电芯的电芯控制电路设置为处于能量发送模式，将充电电芯的电芯控制电路设置为处于能量接收模式，以及将其他电芯的电芯控制电路分别设置为处于旁路模式，随后分别执行步骤S3和步骤S4；

步骤S3，持续检测放电电芯的电压，并在放电电芯的电压小于平均电压时将放电电芯的电芯控制电路设置为处于旁路模式，随后返回步骤S1；

步骤S4，持续检测充电电芯的电压，并在充电电芯的电压大于平均电压时将充电电芯的电芯控制电路设置为处于旁路模式，随后返回步骤S1。

本发明针对电芯的发射电路和接收电路采用完全对称的拓扑结构，能量传输电路的发射线圈和接收线圈绕制方法也采用对称形式，所以在设计上把无线能量传输电路和电量转换电路封装为一个模块单元，成为与电芯配套的主动均衡模块单元，即电芯级主动均衡单元，便于批量生产。如果需要跟多电芯串联的电池组进行配套使用，把模块单元与电芯连接起来，模块单元之间按无线传输的要求拼接在一起，就可以实现对电池组主动均衡的功能。

通过参数设计，回路中电容为微法(μF)级，便于采用长寿命的钽电容，保证系统的长期可靠性。由此可见，本专利申请的采用无线电能传输的电芯级主动均衡单元的设计具有批量生产、低成本以及可模块化、可扩展性等优点，便于主动均衡的市场推广。

磁场强度的大小在近区场是与距离有很大的关系的，并且在近区场内其均匀性很差，但其能量子始终在发射源及其周围环绕流动，不对外福射，所以，在近区场周围放置接收装置，这样便可以把近场区内的交变磁场作为媒介，通过这个媒介向接收装置输送由发送装置提供的能量，便能实现无线传输。磁耦合谐振系统分为发送端和接收端两部分，发送端和接收端各有一个谐振器，当发送端有外部激励信号，并且其激励信号频率和谐振频率接近时，该系统便会发生谐振，能量便可以由发送端向接收端传送，达到无线能量传输的效果。本发明电磁组件具有发送和接收的双重功能，可以按控制的需要进行自动切换。

本发明提供了一个实施例，电芯控制电路中有三个电池，电池中的电芯一一对应连接控制电路。

如图1所示，电芯控制电路包括：

第一电子开关管MosfetA，为N沟道MOS管开关，第一电子开关管MosfetA的漏极和源极之间反向并联一二极管D，第一电子开关管MosfetA的栅极设置一第一驱动电路，第一电子开关MosfetA与一电芯的正极连接；

第二电子开关管MosfetB，为N沟道MOS管开关，第二电子开关管MosfetB的漏极和源极之间反向并联一二极管D，第二电子开关管MosfetB的栅极设置一第二驱动电路，第一电子开关MosfetA与第二电子开关管MosfetB反向连接；

电磁组件3，连接在第二电子开关管MosfetB与电芯的负极之间；

如图2所示，电芯控制电路集成于一主动均衡模块中，于主动均衡模块中设置一驱动板1，第一电子开关管MosfetA、第二电子开关管MosfetB和电磁组件3均连接至驱动板1；

电磁组件3设置于驱动板4的上方；

第一电子开关管MosfetA和第二电子开关管MosfetB分别固定在电磁组件3的两侧。

电磁组件3包括铁芯以及绕制于铁芯上的线圈，图4中未体现铁芯与线圈。

第一开关管MosfetA的管脚、第二开关管MosfetB的管脚以及电磁组件的线圈的出线均焊接至驱动板1上。

铁芯上开有一散热孔5。

当电芯控制电路处于能量发送模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路输出脉冲处于导通状态，第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路无脉冲处于关断状态，电芯通过第一电子开关管MosfetA与第二电子开关管MosfetB的二极管放电；

当电芯控制电路处于能量接收模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路无输出脉冲处于关断状态，第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路输出脉冲处于导通状态，电芯通过第二电子开关管MosfetB与第一电子开关管MosfetA的二极管充电；

当电芯控制电路处于旁路模式时，第一电子开关管MosfetA的第一驱动电路与第二电子开关管MosfetB的第二驱动电路无输出脉冲均处于关断状态，电芯既不充电也不放电。

如图3所示，此电路中电池结构。每个电池采用以上电芯控制电路进行充放电控制；电池包括多个电芯，每个电芯分别通过一个对应的电芯控制电路进行充放电控制；

当电芯控制电路处于能量发送模式时，电芯控制电路控制对应的电芯放电；

当电芯控制电路处于能量接收模式时，电芯控制电路控制对应的电芯充电；

当电芯控制电路处于旁路模式时，电芯既不充电也不放电。

如图4所示，控制方法如下：

步骤S1，检测五个电芯的电压，选出五个电芯中电圧最高的电芯作为放电电芯，以及选出五个电芯中电压最低的电芯作为充电电芯，并计算多个电芯的平均电压；

步骤S2，将放电电芯的电芯控制电路设置为处于能量发送模式，将充电电芯的电芯控制电路设置为处于能量接收模式，以及将其他电芯的电芯控制电路分别设置为处于旁路模式，随后分别执行步骤S3和步骤S4；

步骤S3，持续检测放电电芯的电压，并在放电电芯的电压小于平均电压时将放电电芯的电芯控制电路设置为处于旁路模式，随后返回步骤S1；

步骤S4，持续检测充电电芯的电压，并在充电电芯的电压大于平均电压时将充电电芯的电芯控制电路设置为处于旁路模式，随后返回步骤S1。

本发明的一个较佳的实施例中，采用具有下表a中所示的仿真模拟参数的电芯模块1-3组成的电芯组，并且采用上文中所述的电芯控制电路以及电芯控制方法对电芯组的充放电过程进行仿真模拟：

	模块1	模块2	模块3
				电感L(μH)	1.65	1.65	1.65
互感Lm(μH)	1.64	1.64	1.64
				电容C(μf)	0.136	0.136	0.136
电池容量(Ah)	20	20	20
				电池初始SOC	80％	20％	60％
电池额定电压(V)	3.3	3.3	3.3

表a

表a中，电池初始SOC指各个电芯模块的初始剩余电量。通过仿真模拟的过程中监测得到的结果为：电芯模块1的电量减少，电芯模块2的剩余电量增大，电芯模块3的剩余电量没有发生变化，这表明电芯模块1给电芯模块2充电，电芯模块3没有参与充放电(电芯模块1-3在仿真模拟过程中的剩余电量变化曲线见图5-7)。

具体地，电芯模块1的初始剩余电量为80％，是三个电芯模块中电量最多的一个，因此根据上文中所述的电芯控制方式，该电芯模块1当前处于能量发送模式，此时电芯模块1通过上述电芯控制电路输出电量，该电芯模块1的剩余电量变化曲线如图5中所示为逐渐减少的趋势。

电芯模块2的初始剩余电量为20％，是三个电芯模块中电量最少的一个，因此根据上文中所述的电芯控制方式，该电芯模块2处于能量接收模式，该电芯模块2的剩余电量变化曲线如图6中所示为逐渐增大的趋势。

电芯模块3的电池初始剩余电量为60％，在三个电芯模块中电量不是最多也不是最少的一个，因此根据上文中所述的电芯控制方式，该电芯模块3处于旁路模式，该电芯模块3的剩余电量变化曲线如图7中所示为维持不变的趋势。

本发明采用无线电能传输的电芯级主动均衡单元的设计，电芯与电芯之间的电量传输采用无线方式，避免了物理回路的限制，这样，无论电芯处于充电、放电、静置不同的工作状态，可以完成在容量允许范围内任意组合形式的能量转移，从而实现一对一、一对多、多对一、多对多的有效能量均衡。由于本专利电芯之间的能量采用无线传输，所以，针对电芯的主动均衡电路可以从物理连接上分隔开，为模块化设计创造了基本条件。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电芯控制电路，其特征在于：包括：

第一电子开关管，为N沟道MOS管开关，所述第一电子开关管的漏极和源极之间反向并联一二极管，所述第一电子开关管的栅极设置一第一驱动电路，所述第一电子开关与一电芯的正极连接；

第二电子开关管，为N沟道MOS管开关，所述第二电子开关管的漏极和源极之间反向并联所述二极管，所述第二电子开关管的栅极设置一第二驱动电路，所述第一电子开关与所述第二电子开关管反向连接；

电磁组件，连接在所述第二电子开关管与所述电芯的负极之间；

当所述电芯控制电路处于能量发送模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路输出脉冲处于导通状态，所述第二电子开关管的所述第二驱动电路无脉冲处于关断状态，所述电芯通过所述第一电子开关管与所述第二电子开关管的所述二极管放电；

当所述电芯控制电路处于能量接收模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路无输出脉冲处于关断状态，所述第二电子开关管的所述第二驱动电路输出脉冲处于导通状态，所述电芯通过所述第二电子开关管与所述第一电子开关管的所述二极管充电；

当所述电芯控制电路处于旁路模式时，所述第一电子开关管的所述第一驱动电路与所述第二电子开关管的所述第二驱动电路无输出脉冲均处于关断状态，所述电芯既不充电也不放电。

2.根据权利要求1所述的电芯控制电路，其特征在于：还设置一电容，所述电容设置在所述第一电子开关管与所述电芯负极之间，且所述电容与所述电磁组件并联。

3.根据权利要求1所述的电芯控制电路，其特征在于：所述电芯控制电路集成于一主动均衡模块中，于所述主动均衡模块中设置一驱动板，所述第一电子开关管、所述第二电子开关管和所述电磁组件均连接至所述驱动板；

所述电磁组件设置于所述驱动板的上方；

所述第一电子开关管和所述第二电子开关管分别固定在所述电磁组件的两侧。

4.根据权利要求3所述的电芯控制电路，其特征在于：所述电磁组件包括铁芯以及绕制于所述铁芯上的线圈；

所述第一开关管的管脚、所述第二开关管的管脚以及所述电磁组件的线圈的出线均焊接至所述驱动板上。

5.根据权利要求4所述的采用无线电传输的电芯控制电路，其特征在于：所述铁芯上开有一散热孔。

6.一种电池，采用如权利要求1-5所述的电芯控制电路进行充放电控制；其特征在于：包括多个电芯，每个所述电芯分别通过一个对应的所述电芯控制电路进行充放电控制；

当所述电芯控制电路处于能量发送模式时，所述电芯控制电路控制对应的所述电芯放电；

当所述电芯控制电路处于能量接收模式时，所述电芯控制电路控制对应的所述电芯充电；

当所述电芯控制电路处于旁路模式时，所述电芯既不充电也不放电。

7.一种电芯控制方法，用于对如权利要求6所述的电池进行充放电控制；其特征在于：包括：

步骤S1，检测多个所述电芯的电压，选出多个所述电芯中电圧最高的电芯作为放电电芯，以及选出多个所述电芯中电压最低的电芯作为充电电芯，并计算多个所述电芯的平均电压；

步骤S2，将所述放电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述能量发送模式，将所述充电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述能量接收模式，以及将其他所述电芯的所述电芯控制电路分别设置为处于所述旁路模式，随后分别执行步骤S3和步骤S4；

步骤S3，持续检测所述放电电芯的电压，并在所述放电电芯的电压小于所述平均电压时将所述放电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述旁路模式，随后返回所述步骤S1；

步骤S4，持续检测所述充电电芯的电压，并在所述充电电芯的电压大于所述平均电压时将所述充电电芯的所述电芯控制电路设置为处于所述旁路模式，随后返回所述步骤S1。