CN102832666A - 一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路，所述串联电池组包括三个以上串联连接的电池单元模块，所述放电放电均衡电路包括三个以上的均衡子电路，每一个电池单元模块均各自连接有一个均衡子电路，在串联电池组的放电过程中，电池管理系统根据电池组内各个电池的剩余电量，找出剩余电量偏低的电池单元模块，给控制电路发送均衡指令，控制电路通过控制奇（偶）均衡子电路的奇MOS管Q_m(偶MOS管Q_n)的开通和关断给与其相连接的奇（偶）电池充电。本发明能保证每个电池单元模块在放电过程中不出现过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命。

Description

一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路

技术领域

本发明涉及一种电池均衡技术，尤其涉及基于电感储能的串联电池组放电均衡电路。

背景技术

串联电池在经过多个充放电循环后，各电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）的分布大致会出现三种情况：（1）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏高；（2）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏低；（3）个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏高和个别电池单元模块的剩余容量（SOC,State of Charge）偏低。

针对上述三种情况，国内外的研究者均提出了自己的解决方案。如针对情况（1），有研究者提出了并联电阻分流法，它通过控制相应的开关将剩余容量（SOC,State of Charge）偏高的电池的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡的过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法，同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采样了变压器，使得均衡电路的成本增加。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，由均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，减小充电电流从而防止过充电。放电均衡是在放电过程中的均衡，通过向剩余能量（SOC,State of Charge)低的单体电池补充能量来防止过放电。动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个充放电过程中对电池组进行均衡，避免了单一均衡中的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述不足，提供一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路（EQU），在串联电池组的电池管理系统中采用该均衡电路（EQU）可保证电池单元模块在放电过程中不出现过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的成本。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路，所述串联电池组包括三个以上串联连接的电池单元模块，所述放电放电均衡电路包括三个以上的均衡子电路，每一个电池单元模块均各自连接有一个均衡子电路，所述串联电池组具有正端VCC和负端GND，以所述串联电池组中的一个连接点N为分界点，所述正端VCC到连接点N之间的电池单元模块为前部分，连接点N到负端GND之间的电池单元模块为后部分，前部分中电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一个，前部分的电池单元模块称为奇电池，后部分的电池单元模块称为偶电池，与奇电池相连接的均衡子电路称为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路称为均衡子电路；前部分串联电池单元模块以连接点N为起点，正端VCC为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅，依此顺次命名，与终点正端VCC相连接的电池单元模块为第                                                

奇电池B_i ，i为奇数，取值优选1～59；后部分串联电池单元模块以连接点N为起点，负端GND为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆，依此顺次命名，与负端GND相连接的单元电池为第偶电池B _j，j为正偶数，j取值优选2～60，所述奇电池的正端连接奇均衡子电路的奇续流二极管D_m的阴极a，所述奇电池的负端连接奇均衡子电路的奇储能电感L_m的第二端d；所述偶电池的正端连接偶均衡子电路的偶储能电感L_n的第二端h，所述偶电池的负端连接偶续流二极管D_n阳极g。 

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述奇均衡子电路包括奇MOS管Q_m、奇储能电感L_m和奇续流二极管D_m，奇MOS管Q_m的漏极、奇续流二极管D_m阳极、奇储能电感L_m的第一端三者相连接，奇续流二极管D_m阴极a、奇MOS管Q_m的栅极b、奇MOS管Q_m的源极c和奇储能电感L_m的第二端d相连。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述偶均衡子电路上述的串联电池组放电均衡电路中，还包括偶MOS管Q_n、偶储能电感L_n和偶续流二极管D_n，偶MOS管Q_n的源极、偶续流二极管D_n阴极和偶储能电感L_n的第一端三者相连接，偶MOS管Q_n的漏极e、偶MOS管Q_n的栅极f、偶续流二极管D_n阳极g和偶储能电感L_n的第二端h相连。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述电池单元模块为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述奇均衡子电路的奇MOS管Q_m的栅极b连接控制电路，奇MOS管Q_m的源极c连接负端GND。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述偶均衡子电路的偶MOS管Q_n的栅极f连接控制电路，偶MOS管Q_n的漏极e连接正端VCC；所述控制电路用于控制所述奇均衡子电路的奇MOS管Qm和偶均衡子电路的偶MOS管Qn的开通和关断。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述奇均衡子电路能对与其相连接的奇电池进行充电，所述偶均衡子电路能对与其相连接的偶电池进行充电。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述奇（偶）均衡子电路的奇（偶）储能电感L_m（L_n）的电感值根据具体的要求来定。

上述的串联电池组放电均衡电路中，所述控制电路输出控制信号的频率的大小根据所控制的奇（偶）均衡子电路的奇（偶）储能电感Lm（Ln）的电感值、奇MOS管Qm和偶MOS管Qn、的开关损耗、电池单元模块电压、电池单元模块容量而定。所述控制电路输出的控制信号的占空比使奇（偶）均衡子电路的奇（偶）储能电感Lm（Ln）在每个信号周期内复位，即奇（偶）储能电感Lm（Ln）的电流从零开始上升，最后又下降到零。

在串联电池组的放电过程中，电池管理系统根据电池组内各个电池的剩余电量(SOC,State of Charge)，找出剩余电量(SOC,State of Charge)偏低的电池单元模块，给控制电路发送均衡指令，控制电路通过控制奇（偶）均衡子电路的奇MOS管Q_m(偶MOS管Q_n)的开通和关断给与其相连接的奇（偶）电池充电。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和不足：本发明可用作混合动力电动汽车或纯电动汽车或蓄能电站的蓄能装置的电池管理系统的均衡电路。本发明由于在串联电池组的电池管理系统中采用上述均衡电路（EQU）技术，能保证每个电池单元模块在放电过程中不出现过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的成本。

附图说明

图1是实施方式中的电路原理图。

图2是奇均衡电路的原理图。

图3是偶均衡电路的原理图。

图4是4节电池单元模块串联的均衡电路示意图。

图5是5节电池单元模块串联的均衡电路示意图。

图6是14节电池单元模块串联的均衡电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

图1中，串联电池组放电均衡电路，每一个电池单元模块连接有一套均衡子电路，至少三个电池单元模块串联，串联电池组的正端VCC、负端GND，串联电池组分为前部分、后部分，前部分和后部分的连接点N，正端VCC到连接点N的电池单元模块为前部分，连接点N到负端GND的电池单元模块为后部分，前部分电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一，前部分电池单元模块为奇电池，后部分电池单元模块为偶电池，奇电池与奇均衡子电路相连接，偶电池与偶均衡子电路相连接，前部分串联电池单元模块以连接点N为起点，正端VCC为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅、…（依次类推）、与正端VCC相连接的电池单元模块为第

奇电池B_i (i=1,3,5…)，此处是为了表示i为奇数，用省略号表示，不限制最大值。可以优选i=1,3,5,7,9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35,37,39,41,43,45,47,49,51,53,55,57,59。后部分串联电池单元模块以连接点N为起点，负端GND为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆、…（依次类推）、与负端GND相连接的单元电池为第

偶电池B _j（j=2,4,6…），此处是为了表示j为偶数，用省略号表示，不限制最大值，可优选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。奇均衡子电路由奇MOS管Q_m、奇储能电感L_m、奇续流二极管D_m组成，奇MOS管Q_m的漏极、奇续流二极管D_m阳极、奇储能电感L_m的第一端三者相连接，奇续流二极管D_m阴极a、奇MOS管Q_m的栅极b、奇MOS管Q_m的源极c、奇储能电感L_m的第二端d。偶均衡子电路由偶MOS管Q_n、偶储能电感L_n、偶续流二极管D_n组成，偶MOS管Q_n的源极、偶续流二极管D_n阴极、偶储能电感L_n的第一端三者相连接，偶MOS管Q_n的漏极e、偶MOS管Q_n的栅极f、偶续流二极管D_n阳极g、偶储能电感L_n的第二端h。在串联电池组的放电过程中，电池管理系统根据电池组内各个电池的剩余电量(SOC,State of Charge)，找出剩余电量(SOC,State of Charge)偏低的电池单元模块，给控制电路发送均衡指令，控制电路通过控制奇（偶）均衡子电路的奇MOS管Q_m(偶MOS管Q_n)的开通和关断给与其相连接的奇（偶）电池充电。

电池管理系统是单片机（如C8051F340）为核心，一般具有电池状态检测、电池状态分析、电池安全保护、能量控制管理、电池信息管理等功能。针对不同的应用场合，电池管理系统应具有不同的功能。所述控制电路的实现为本领域常规技术，并非本发明的内容，其输出的控制信号频率的大小根据所控制的奇（偶）均衡子电路的奇（偶）储能电感Lm（Ln）的电感值、奇MOS管Qm和偶MOS管Qn、的开关损耗、电池单元模块电压、电池单元模块容量而定。所述控制电路输出的控制信号的占空比使奇（偶）均衡子电路的奇（偶）储能电感Lm（Ln）在每个信号周期内复位，即奇（偶）储能电感Lm（Ln）的电流从零开始上升，最后又下降到零。控制电路是具有电气隔离功能，如采用TLP521-1的光耦隔离或者变压器隔离等，能将电池管理系统发出的控制信号转为能够直接驱动奇MOS管Q_m和偶MOS管Q_n的驱动信号。

    图2中，奇均衡子电路由奇MOS管Q_m、奇储能电感L_m、奇续流二极管D_m组成，奇MOS管Q_m的漏极、奇续流二极管D_m阳极、奇储能电感L_m的第一端三者相连接，奇续流二极管D_m阴极a、奇MOS管Q_m的栅极b、奇MOS管Q_m的源极c、奇储能电感L_m的第二端d。奇均衡子电路的奇MOS管Q_m的栅极b连接控制电路，奇MOS管Q_m的源极c连接负端GND。

图3中，偶均衡子电路由偶MOS管Q_n、偶储能电感L_n、偶续流二极管D_n组成，偶MOS管Q_n的源极、偶续流二极管D_n阴极、偶储能电感L_n的第一端三者相连接，偶MOS管Q_n的漏极e、偶MOS管Q_n的栅极f、偶续流二极管D_n阳极g、偶储能电感L_n的第二端h。偶均衡子电路的偶MOS管Q_n的栅极f连接控制电路，偶MOS管Q_n的漏极e连接正端VCC。

图6中，在放电过程中，电池管理系统检测到第一奇电池B₁、第二偶电池B₄的剩余电量（SOC,State of Charge）偏低，为了防止第一奇电池B₁、第二偶电池B₄过放电，电池管理系统给控制电路发送指令，控制电路控制与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的奇MOS管Q_m和第二偶电池B₄的偶均衡子电路S₄的偶MOS管Q_n以一定的频率和占空比开通和关断，开关的频率和占空比根据具体的电路设定。

当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的奇MOS管Q_m开通时，全部偶电池（电池单元模块B₂、B₄、B₄、B₈、B₁₀、B₁₂、B₁₄）、与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的奇储能电感L_m和奇MOS管Q_m组成回路，流过奇储能电感L_m的电流从零开始上升，全部偶电池（电池单元模块B₂、B₄、B₄、B₈、B₁₀、B₁₂、B₁₄）给奇储能电感L_m充电，奇储能电感L_m储能；当与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的奇MOS管Q_m关断时，与第一奇电池B₁相连接的奇均衡子电路S₁的奇储能电感L_m和奇续流二极管D_m、第一奇电池B₁组成回路，奇储能电感L_m的电流通过奇续流二极管D_m续流，给第一奇电池B₁充电，流过奇储能电感L_m的电流下降，到该开关周期结束时，流过奇储能电感L_m的电流下降到零，奇储能电感L_m复位。

当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的偶MOS管Q_n开通时，第二偶电池B₄、全部奇电池（电池单元模块B₁、B₃、B₅、B₇、B₉、B₁₁、B₁₃）、与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的偶储能电感L_n和偶MOS管Q_n组成回路，流过偶储能电感L_n的电流从零开始上升，第二偶电池B₄和全部奇电池（电池单元模块B₁、B₃、B₅、B₇、B₉、B₁₁、B₁₃）给偶储能电感L_n充电，偶储能电感L_n储能；当与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的偶MOS管Q_n关断时，与第二偶电池B₄相连接的偶均衡子电路S₄的偶储能电感L_n和偶续流二极管D_n、第二偶电池B₄组成回路，偶储能电感L_n的电流通过偶续流二极管D_n续流，给第二偶电池B₄充电，流过偶储能电感L_n的电流下降，到该开关周期结束时，流过偶储能电感L_n的电流下降到零，偶储能电感L_n复位。本均衡电路能保证每个电池单元模块在放电过程中不出现过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减少串联电池组的维修和更换，延长电池组的使用寿命。

Claims (7)

1.一种基于电感储能的串联电池组放电均衡电路，所述串联电池组包括三个以上串联连接的电池单元模块，其特征在于所述放电放电均衡电路包括三个以上的均衡子电路，每一个电池单元模块均各自连接有一个均衡子电路，所述串联电池组具有正端（VCC）和负端（GND），以所述串联电池组中的一个连接点N为分界点，所述串联电池组正端（VCC）到连接点N之间的电池单元模块为前部分，连接点N到串联电池组负端（GND）之间的电池单元模块为后部分，前部分中电池单元模块的个数最多比后部分电池单元模块的个数多一个，前部分的电池单元模块称为奇电池，后部分的电池单元模块称为偶电池，与奇电池相连接的均衡子电路称为奇均衡子电路，与偶电池相连接的均衡子电路称为均衡子电路；前部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组正端（VCC）为终点，顺次将电池单元模块记为第一奇电池B₁、第二奇电池B₃、第三奇电池B₅，依此顺次命名，与串联电池组正端（VCC）相连接的电池单元模块为第                                               奇电池B_i；后部分串联电池单元模块以连接点N为起点，串联电池组负端（GND）为终点，顺次将电池单元模块记为第一偶电池B₂、第二偶电池B₄、第三偶电池B₆，依此顺次命名，与串联电池组负端（GND）相连接的单元电池为第

偶电池B _j，j为正偶数，所述奇电池的正端连接奇均衡子电路的奇续流二极管（D_m）的阴极（a），所述奇电池的负端连接奇均衡子电路的奇储能电感（L_m）的第二端（d）；所述偶电池的正端连接偶均衡子电路的偶储能电感（L_n）的第二端（h），所述偶电池的负端连接偶续流二极管（D_n）阳极（g）。

2.根据权利要求1所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于，所述奇均衡子电路包括奇MOS管（Q_m）、奇储能电感（L_m）和奇续流二极管（D_m），奇MOS管（Q_m）的漏极、奇续流二极管（D_m）阳极、奇储能电感（L_m）的第一端三者相连接，奇续流二极管（D_m）阴极（a）、奇MOS管（Q_m）的栅极（b）、奇MOS管（Q_m）的源极（c）和奇储能电感（L_m）的第二端（d）相连。

3.根据权利要求1所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于，所述偶均衡子电路包括偶MOS管（Q_n）、偶储能电感（L_n）和偶续流二极管（D_n），偶MOS管（Q_n）的源极、偶续流二极管（D_n）阴极和偶储能电感（L_n）的第一端三者相连接，偶MOS管（Q_n）的漏极（e）、偶MOS管（Q_n）的栅极（f）、偶续流二极管（D_n）阳极（g）和偶储能电感（L_n）的第二端（h）相连。

4.根据权利要求1所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于，所述电池单元模块为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器。

5.根据权利要求1所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于，所述奇均衡子电路的奇MOS管（Q_m）的栅极（b）连接控制电路，奇MOS管（Q_m）的源极（c）连接串联电池组负端（GND）。

6.根据权利要求1所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于，所述偶均衡子电路的偶MOS管（Q_n）的栅极（f）连接控制电路，偶MOS管（Q_n）的漏极（e）连接串联电池组正端（VCC）；所述控制电路用于控制所述奇均衡子电路的奇MOS管（Q_m）和偶均衡子电路的偶MOS管（Q_n）的开通和关断。

7.根据权利要求1～6所述的串联电池组放电均衡电路，其特征在于所述i取值为1～59，j取值为2～60。

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