CN102064569A - 使用超级电容的车用锂电池组均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，包括两个以上均衡单元，每个均衡单元包括单体电池和均衡电路；每相邻两个均衡单元通过以下方式串联：第一均衡电路与第一单体电池并联，该第一均衡电路包括第一P沟道MOSFET管和第一N沟道MOSFET管，两个MOSFET管的漏极相连和门极相连，并且通过第一信号输入端与外接电路连接；第一和第二MOSFET管的源极分别并联连接在所述第一单体电池的正负极两端；第一单体电池的正负极两端还分别通过第一和第二信号输出端连接至外接电路；第二单体电池的正极与上述第一单体电池的负极相连；并联在该第二单体电池两端的第二均衡电路与第一均衡电路结构相同。

Description

使用超级电容的车用锂电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及一种车用动力锂电池组主动均衡电路，适宜于电动自行车、电动摩托车、混合动力汽车、纯电动车等车用动力锂电池组均衡与保护。

背景技术

现代汽车对人类社会的进步产生不可替代的巨大推动作用。但随着汽车的大量生产和广泛使用，也带来了环境、能源等方面的严峻问题。在这种情况下，发展电动汽车成为一个重要的解决途径。各国政府也对电动汽车的研发与产业化给予了大力支持。在我国国家“863”计划中，电动车被列为了重大攻关专项课题。综合考虑电池的可靠性、安全性、资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，锂离子二次电池由于工作电压高、体积小、质量轻、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等诸多优点，是一种理想动力电源，从而成为电动车用动力电池的首选。

单个锂电池的电压与容量有限，实际的电动车动力电池应用中需要串、并连多个单体电池组成电池组来使用。但电池组的中的单体电池因为各种主客观因素，存在不一致性，这就导致了一些电池组的安全性低、使用寿命短等重大问题。提高动力锂电池组的使用寿命，提高系统的稳定性和减少成本，对电池组进行有效均衡是解决这个问题的关键。

电池组的均衡过程实际上是电池荷电状态(SOC)的均衡，而从电池SOC与电池电压的关系曲线和静态、动态分析可知，电压均衡对锂离子电池的SOC均衡很有效，通过电压均衡可以达到SOC均衡的效果，从而提高电池组的使用寿命。理论上的均衡方法很多，其中电阻分流均衡方法被认为是目前最经济最实用的一种方法。而大容量电池组的均衡方法还要求损耗小、效率高、安全可靠、易于使用等。目前的锂离子电池均衡研究领域中，能量转移I型及能量转移II型的方案因其拥有更高的效率可以考虑使用，但这些方案都需要开关特性好的低压降的开关器件及更高效的储能器件的支持。随着电子元器件的不断发展，能量转移型均衡方案可以应用在大容量电池组串联均衡上。

常规的开关电容均衡方法于上世纪90年代就已经有人提出，但限于当时的技术和器件条件，一直得到没有较好的实现，其主要原因一是规模巨大的开关矩阵及极其复杂的逻辑操作，二是普通电容(一般电解电容等)的容量较小，作为能量转移载体对于电池电量均衡是杯水车薪，无法做到大电流快速均衡，三是一般的开关器件(半导体三极管、CMOS管等)开关性能不好，导致均衡中能量损耗较大，再有就是虚地技术限制，单体电池的电压测量矩阵庞大，电路实现困难，等等。近年来，随着超级电容(也称电容电池)的产品化以及成本的降低，使得超级电容在能源存储等方面得到了广泛的应用，作为能量存储单元，超级电容在充放电、能量密度方面具有很大的优势；功率场效应管(Power MOSFET)是一种单极型的电压控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点，其性能优良，特别适于作为开关器件。各IC器件公司推出了集成的电压监测IC产品，如凌力尔特公司(Linear)的LTC6802，ADI公司的AD7280，爱特梅尔(Atmel)公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS2726及Max11068等IC产品，使得智能电池组均衡策略的实现有了可能。这些集成器件的出现是最近1年之内集中发生的，由此可以看出，电动车车用动力电池已经成了当前产业界及科研界的研究焦点。

从车用动力电池产业链来看，电池均衡与保护技术仍然是当前研究的热点，具有广阔的市场前景和应用价值。近些年来，国内外科研界、产业界的众多人士对这个问题作了多方面的探索，并提出了很多有价值的理论和参考。这方面国内外专利主要有：US5886502、US6114835、US6278604、US6356055、US6844703、US7279867、US7609031、US20040032236、US20050077875、US20050269989、US20080018299、US20090167243、CN2814766、CN101183798、CN2899130、CN101262138、CN1449085等。超级电容作为最近5年内产业化的新生器件，适宜于应用在车用锂电池均衡电路中。基于超级电容的均衡技术目前专利目前没有报道。传统的开关电容均衡方法因为受数量繁多开关矩阵的限制而没有得到广泛的应用，本发明采用最新的器件和合理的开关控制实现锂电池组的动态主动均衡，产业化前景较好。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用超级电容的车用锂电池组均衡电路，以实现开关电容法动态主动均衡。

为实现上述目的，本发明采用的技术手段为：一种使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，包括两个以上均衡单元，每个均衡单元包括单体电池和均衡电路；其中，每相邻两个均衡单元通过以下方式串联：

第一均衡电路与第一单体电池并联，该第一均衡电路包括第一P沟道MOSFET管Q₁和第一N沟道MOSFET管Q₂，所述两个MOSFET管的漏极相连；所述两个MOSFET管的门极相连，并且通过第一信号输入端S_n与外接电路连接，用以接收外接电路输入的开关控制信号；所述第一和第二MOSFET管的源极分别并联连接在所述第一单体电池的正负极两端；所述第一单体电池的正负极两端还分别通过第一和第二信号输出端C_n、C_n-1连接至外接电路，用以向外接电路输出差分信号，该差分信号为实际第一单体电池的电压信号；

第二单体电池的正极与上述第一单体电池的负极相连；并联在该第二单体电池两端的第二均衡电路与所述第一均衡电路结构相同，其中，与该第二单体电池的正极连接的第二P沟道MOSFET管的源极通过公共结点与上述第一单体电池负极相连的第一N沟道MOSFET管极的源极，并且所述第二单体电池与所述第一单体电池共用一个电压信号输出端；

所述第一、第二均衡单元的漏极通过超级电容相连。

在所述单体电池的两端并联有稳压二极管D₁、D₂。

在单体电池的正极和控制信号输入端之间，还设置有稳压二极管D₃、D₄，其正极与单体电池的正极连接，其负极通过分流电阻R₂、R₄与所述控制信号输入端S_n、S_n-1连接。

所述第二P沟道MOSFET管与所述第一N沟道MOSFET管门极Q₂或Q₄的位置可以互换。

上述MOSFET采用功率型MOSFET管。

所述外接电路输入的开关控制信号频率可在0.1～20Hz之间，开关占空比在30％-70％之间。

所述的超级电容的容量在0.68F～50F之间。

本发明的实现具备简单的电路、清晰的逻辑控制、稳定的运行回路，成本可以控制。

附图说明

图1是是本发明的单元均衡电路原理图；

图2是本发明的驱动电路输出的驱动波形示意图；

图3是本发明的2节均衡效果图；

图4是本发明的8节电池均衡效果图；

具体实施方式

参照图1，是本发明的单元均衡电路原理图，图中：

C_A、C_B为串联的2节单体电池；C_A的负极连接CB的正极；Q₁、Q₃为功率型P-MOSTFET管，Q₂、Q₄为功率型N-MOSTFET管；D₁、D₂、D₃、D₄为齐纳二极管；R₁～R₅为电阻；C_n、C_n-1、C_n-2为电压测量信号输出端口，向外接电路输出差分信号，该差分信号为实际第一单体电池的电压信号；S_n、S_n-1为外接控制电路的2个相邻输出端。

在每个单体电池C_A、C_B的正、负极两端分别并接均衡电路。在均衡电路中，一个P沟道MOSFET管Q₁的门极与一个N沟道MOSFET管Q₂的门极连接，同样，Q₃与Q₄的门极连接，在Q₁与Q₂之间以及Q₃与Q₄之间分别共门极连接，组成2个双向开关对。Q1与Q₂的源极又分别并联至单体电池C_A的正、负极两端；同样，Q₃与Q₄的源极又分别并联至单体电池C_B的正、负极两端；Q₂与Q₃的源极在单体电池C_B的正极一端，通过公共结点相连。C₁是作为能量转移单元的超级电容，C₁一端连接于Q₁、Q₂的漏极，另一端连接于Q₃、Q₄的漏极。电池的正负极两端分别通过输出端C_n、C_n-1、C_n-2，向外部电路输出差分信号，该差分信号即为单体电池的电压信号，分别将单体电池C_A的正极、负极电压值以及单体电池C_B的正极、负极电压值输出给外部电路，其中，C_A的负极与C_B的正极电压值是相同的。S_n、S_n-1为外接电路中各自独立的两个控制信号输出端，其控制逻辑的高低电平分别对应于C_n-1、C_n-2端电压电平的差分电平，分别依次与两个MOSFET管的门极连接，并向其输出控制信号，控制Q₁～Q₄的导通、关闭。

稳压二极管D₁、D₂在均衡单元电路中分别与单体电池C_A、C_B并联。并且与单体电池C_A、C_B串联相似，稳压二极管D₁的正极与D₂的负极串联。稳压二极管D₃、D₄分别连接在电池C_A、C_B的正极和控制信号输入端S_n、S_n-1之间，并且在其负极与控制信号输入端之间串联有电阻R₂及R₄，D₁～D₄，R₂及R₄为均衡单元电路提供保护。

C₂、C₃为滤波电容，分别连接在外接电路的差分电压信号输入端C_n、C_n-1之间以及C_n-1、C_n-2之间。C₂，R₁与C₃，R₃对差分电压信号起抗混叠作用，增加测量精确度。

上述图1中的主动均衡电路中，当S_n、S_n-1为高电平时，Q₂、Q₄导通，Q₁、Q₃截止，此时C₁跨接于C_B的两端；若当S_n、S_n-1为低电平时，Q₁、Q₃导通，Q₂、Q₄截止，此时C₁跨接于C_A的两端。

电压的测量由外接电路采用专用的电池检测技术实现，经过外接处理器进行处理、比较，再根据上行、下行或模糊控制策略，通过Sn、Sn-1端口向均衡电路输出脉冲开关信号。可实现本功能的外接电路集成电路(IC)有：凌力尔特公司(Linear)的LTC6802，ADI公司的AD7280，爱特梅尔(Atmel)公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS2726及Max11068，凹凸科技(O2Micro)的OZ890，英特矽尔(Intersil)半导体的Intersil9216/9217等IC产品。也可采用差分输入的模数转换方式采集各电池电压，但因集成度低，实现复杂，实际成本允许情况下以集成IC为最佳选择。

通过图中的电压测量信号输出端口C_n、C_n-1、C_n-2分别向上述外接电路中的电池检测模块输出各自测量的电池极端电压，经由电池检测IC进行判断，如果C_A电压小于C_B电压，先通过S_n、S_n-1端口输出高电平控制信号，使Q₂、Q₄导通，C₁跨接于C_B的两端，此时电容C₁被电池C_B充电；经过一段时间充电后，S_n、S_n-1端口输出低电平控制信号，使Q₂、Q₄截止，Q₁、Q₃导通，C₁跨接于C_A的两端，此时电容向C_A放电。这里所述的充电一段时间是指使电路重新达到稳态的时间，根据电路分析理论可计算知，若Q₂的导通电阻为50mΩ，C为1F时，该段时间应该为大于5*50mΩ*1F＝250ms。相反，C_A电压大于C_B电压情况下，控制S_n、S_n-1输出低电平控制信号，使Q₁、Q₃导通，C₁跨接于C_A的两端，此时电容C₁处于充电状态，同样经过一段充电后，使电路重新达到稳态，Sn、Sn-1端口输出高电平控制信号，使Q₁、Q₃截止，Q₂、Q₄导通，C₁跨接于C_B的两端，此时电容向C_B放电。这样，采用超级电容作为能量传递载体，经过若干次S_n，S_n-1重复操作，可实现电荷从高电压单体电池向低电压单体电池的转移，从而达到通过超级电容对电池组的能量均衡。

本发明的均衡电路是基于超级电容的均衡，所谓超级电容是如本领域技术人员所知的那样，其容量比通常的电容器大得多，由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。本发明采用的超级电容为纽扣式电容或圆柱式电容或其它新型法拉电容，根据车用锂电池组的容量要求，超级电容的容量在0.68F～50F之间。

本发明中采用MOSFET管控制切换开关超级电容的结点，实现基于电荷转移的均衡控制，可实现大电流的均衡电流。一个均衡单元中N-MOSFET与P-MOSTFET采取共门极连接方式组成一个双向开关，共门极连接方式可以减少一倍的常规开关电容法的开关矩阵规模。上述MOSFET采用功率型MOSFET管。一个双向开关中的N-MOSFET与P-MOSTFET的漏极互连，即优选实施方式中Q₁、Q₂的漏极互联或者Q₃、Q₄的漏极互联，作为超级电容的一个极板连接点，两个串接的双向开关，也就是包括两个N-MOSFET与两个P-MOSTFET功率开关管的漏极就可以分别作为作为能量载体的超级电容的两个个电极连接点，即优选实施方式中Q₁、Q₂的漏极和Q₃、Q₄的漏极分别作为电容C 1的电极连接点。

共门极的N-MOSFET与P-MOSTFET组成的双向开关，在导通方式上，两个MOSFET管是互锁的，使得开关逻辑与控制较为简单。MOSFET具有低于60mΩ的较低的导通阻抗，门极与漏极之间阻抗可达10⁹Ω，具有良好的开关性能。因为MOSFET管的开关控制是电压型的，所以可用一般TTL电平信号控制，这使得本发明提供的均衡电路可以与当前的普通的单片机及其外围电路相兼容。

本发明提供的均衡电路可以实现由一个开关信号控制2个MOSFET管的开关，使电能在不同电池间的有向传递。由于共门极的两个MOSFET管：Q1与Q2之间或Q3与Q4之间的动作是互锁的，由此大大减少了传统方法开关阵列的开关数量。

施加在S_n，S_n-1的脉冲信号可以由外接电路采用程序控制，均衡电路的开关控制频度与占空比由外接电路控制完成，该电路控制开关频率可在0.1～20Hz之间，开关占空比在30％-70％之间。因为各个Si(i∈1～n)端是分别独立的，可以不同步操作，也可以用同步脉冲法，或采用其他控制算法。

如图2所示，是典型的驱动电路输出的驱动波形示意图该波形为1Hz方波，振幅5V，占空比为50％，。以程序同时输出方波驱动波形到S_n，S_n-1，对图1中相邻的两节电池进行均衡，可以实现快速的主动均衡效果。

如图3所示，是本发明提供的均衡电路对两节不同初始电压的单体电池进行均衡的效果图。该两节电池的初始电压值分别约为4V和3.1V。两节串接的单体电池电压在4000毫秒时间内迅速地达到均衡点，均衡时，该两个单体电池电压差值小于30mV。因为功率型MOSFET管是电压控制型开关器件，当电池间电压差值较大时，可提供的均衡电流较大，所以可以迅速实现大电流的能量转移。

在本发明提供的均衡电路基础上，可实现灵活的均衡算法，达到大电流快速均衡的目的。常见的电池均衡策略(算法)有上行均衡法，下行均衡、均值均衡和模糊控制智能算法等均衡方法。在不采取上述复杂的均衡算法情况下，本发明依然能够实现较为理想的均衡调节功能。

一个简单的均衡算法是同步脉冲法，本方法是采用外电路产生如图2所示同步脉冲序列到S₁～S_n的各个端口，实现各个MOSFET管的定时导通和关闭。如图4所示，8节串接在一起的单体电池，该单体电池的初始电压依次为3.6V、3.69V、3.79V、3.88V、3.99V、4.09V、4.19V和4.26V，单体之间最大电压差值为0.66V，平均电压差值为0.1V。应用本发明提供的均衡电路并采取上述同步脉冲法对八节电池串联的情况下进行均衡的效果图，在25000毫秒的时间内经过若干次均衡动作后，单体间电压最大差值小于30mV。

本发明的均衡电路，可以方便地实现扩展到多节，这里以八节电池串联为例，对于现有技术中车用动力锂电池，可能达到100节的串接情况。发明在选择合适的功率器件情况下，理论上可以实现无限扩展。在实际应用中，可应用于最大串接电压为1000V以下的电动车动力电源应用中。

本发明的实现具备简单的电路、清晰的逻辑控制、稳定的运行回路，成本可以控制。如上所述，均为本发明的较佳实施例，并非限定本发明的使用范围。本领域技术人员可在本发明的限定范围外做一定的修订与改进。

Claims (7)

1.一种使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于：该电路包括两个以上均衡单元，每个均衡单元包括单体电池和均衡电路；其中，每相邻两个均衡单元通过以下方式串联：

第一均衡电路与第一单体电池并联，该第一均衡电路包括第一P沟道MOSFET管(Q₁)和第一N沟道MOSFET管(Q₂)，所述两个MOSFET管的漏极相连；所述两个MOSFET管的门极相连，并且通过第一信号输入端(S_n)与外接电路连接，用以接收外接电路输入的开关控制信号；所述第一和第二MOSFET管的源极分别并联连接在所述第一单体电池的正负极两端；所述第一单体电池的正负极两端还分别通过第一和第二信号输出端(C_n、C_n-1)连接至外接电路，用以向外接电路输出差分信号，该差分信号为实际第一单体电池的电压信号；

第二单体电池的正极与上述第一单体电池的负极相连；并联在该第二单体电池两端的第二均衡电路与所述第一均衡电路结构相同，其中，与该第二单体电池的正极连接的第二P沟道MOSFET管的源极通过公共结点与上述第一单体电池负极相连的第一N沟道MOSFET管极的源极，并且所述第二单体电池与所述第一单体电池共用一个电压信号输出端；

所述第一、第二均衡单元的漏极通过超级电容相连。

2.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，在所述单体电池的两端并联有稳压二极管(D₁、D₂)。

3.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，在单体电池的正极和控制信号输入端之间，还设置有稳压二极管(D₃、D₄)，其正极与单体电池的正极连接，其负极通过分流电阻(R₂、R₄)与所述控制信号输入端(S_n、S_n-1)连接。

4.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，所述第二P沟道MOSFET管与所述第一N沟道MOSFET管门极(Q₂或Q₄)的位置可以互换。

5.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，上述MOSFET采用功率型MOSFET管。

6.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，所述外接电路输入的开关控制信号频率可在0.1～20Hz之间，开关占空比在30％-70％之间。

7.根据权利要求1所述的使用超级电容的串联锂电池组主动均衡电路，其特征在于，所述的超级电容的容量在0.68F～50F之间。

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