專利名稱：使用超級電容的車用鋰電池組均衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車用動力鋰電池組主動均衡電路，適宜于電動自行車、電動摩托 車、混合動力汽車、純電動車等車用動力鋰電池組均衡與保護。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代汽車對人類社會的進步產(chǎn)生不可替代的巨大推動作用。但隨著汽車的大量生 產(chǎn)和廣泛使用，也帶來了環(huán)境、能源等方面的嚴峻問題。在這種情況下，發(fā)展電動汽車成為 一個重要的解決途徑。各國政府也對電動汽車的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化給予了大力支持。在我國國 家“863”計劃中，電動車被列為了重大攻關(guān)專項課題。綜合考慮電池的可靠性、安全性、資源 與環(huán)境問題以及電池性能的發(fā)展趨勢，鋰離子二次電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、 無記憶效應、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點，是一種理想動力電源，從而成為電 動車用動力電池的首選。單個鋰電池的電壓與容量有限，實際的電動車動力電池應用中需要串、并連多個 單體電池組成電池組來使用。但電池組的中的單體電池因為各種主客觀因素，存在不一致 性，這就導致了一些電池組的安全性低、使用壽命短等重大問題。提高動力鋰電池組的使用 壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少成本，對電池組進行有效均衡是解決這個問題的關(guān)鍵。電池組的均衡過程實際上是電池荷電狀態(tài)(SOC)的均衡，而從電池SOC與電池電 壓的關(guān)系曲線和靜態(tài)、動態(tài)分析可知，電壓均衡對鋰離子電池的SOC均衡很有效，通過電壓 均衡可以達到SOC均衡的效果，從而提高電池組的使用壽命。理論上的均衡方法很多，其中 電阻分流均衡方法被認為是目前最經(jīng)濟最實用的一種方法。而大容量電池組的均衡方法還 要求損耗小、效率高、安全可靠、易于使用等。目前的鋰離子電池均衡研究領(lǐng)域中，能量轉(zhuǎn)移 I型及能量轉(zhuǎn)移II型的方案因其擁有更高的效率可以考慮使用，但這些方案都需要開關(guān)特 性好的低壓降的開關(guān)器件及更高效的儲能器件的支持。隨著電子元器件的不斷發(fā)展，能量 轉(zhuǎn)移型均衡方案可以應用在大容量電池組串聯(lián)均衡上。常規(guī)的開關(guān)電容均衡方法于上世紀90年代就已經(jīng)有人提出，但限于當時的技術(shù) 和器件條件，一直得到?jīng)]有較好的實現(xiàn)，其主要原因一是規(guī)模巨大的開關(guān)矩陣及極其復雜 的邏輯操作，二是普通電容(一般電解電容等)的容量較小，作為能量轉(zhuǎn)移載體對于電池電 量均衡是杯水車薪，無法做到大電流快速均衡，三是一般的開關(guān)器件(半導體三極管、CMOS 管等)開關(guān)性能不好，導致均衡中能量損耗較大，再有就是虛地技術(shù)限制，單體電池的電壓 測量矩陣龐大，電路實現(xiàn)困難，等等。近年來，隨著超級電容(也稱電容電池)的產(chǎn)品化以及 成本的降低，使得超級電容在能源存儲等方面得到了廣泛的應用，作為能量存儲單元，超級 電容在充放電、能量密度方面具有很大的優(yōu)勢；功率場效應管(Power M0SFET)是一種單極 型的電壓控制器件，不但有自關(guān)斷能力，而且有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度高、無二次擊穿、安全 工作區(qū)寬等特點，其性能優(yōu)良，特別適于作為開關(guān)器件。各IC器件公司推出了集成的電壓 監(jiān)測IC產(chǎn)品，如凌力爾特公司(Linear)的LTC6802，ADI公司的AD7280，愛特梅爾(Atmel) 公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS27^及Maxll068等IC產(chǎn)品，使得智能電池組均衡策略的實現(xiàn)有了可能。這些集成器件的出現(xiàn)是最近1年之內(nèi)集中發(fā)生的，由此可以看出，電動車 車用動力電池已經(jīng)成了當前產(chǎn)業(yè)界及科研界的研究焦點。從車用動力電池產(chǎn)業(yè)鏈來看，電池均衡與保護技術(shù)仍然是當前研究的熱點，具 有廣闊的市場前景和應用價值。近些年來，國內(nèi)外科研界、產(chǎn)業(yè)界的眾多人士對這個 問題作了多方面的探索，并提出了很多有價值的理論和參考。這方面國內(nèi)外專利主要 有US5886502、US6114835、US6278604、US6356055、US6844703、US7279867、US7609031、 US20040032236、US20050077875、US20050269989、US20080018299、US20090167243、 CN2814766、CN101183798、CN2899130、CN101262138、CN1449085 等。超級電容作為最近 5 年 內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的新生器件，適宜于應用在車用鋰電池均衡電路中?；诔夒娙莸木饧夹g(shù)目 前專利目前沒有報道。傳統(tǒng)的開關(guān)電容均衡方法因為受數(shù)量繁多開關(guān)矩陣的限制而沒有得 到廣泛的應用，本發(fā)明采用最新的器件和合理的開關(guān)控制實現(xiàn)鋰電池組的動態(tài)主動均衡， 產(chǎn)業(yè)化前景較好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種使用超級電容的車用鋰電池組均衡電路，以實現(xiàn)開關(guān)電 容法動態(tài)主動均衡。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)手段為一種使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組 主動均衡電路，包括兩個以上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；其中，每 相鄰兩個均衡單元通過以下方式串聯(lián)第一均衡電路與第一單體電池并聯(lián)，該第一均衡電路包括第一 P溝道MOSFET管仏 和第一 N溝道MOSFET管％，所述兩個MOSFET管的漏極相連；所述兩個MOSFET管的門極相 連，并且通過第一信號輸入端&與外接電路連接，用以接收外接電路輸入的開關(guān)控制信號； 所述第一和第二 MOSFET管的源極分別并聯(lián)連接在所述第一單體電池的正負極兩端；所述 第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端CpClri連接至外接電路，用 以向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的電壓信號；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；并聯(lián)在該第二單體電池 兩端的第二均衡電路與所述第一均衡電路結(jié)構(gòu)相同，其中，與該第二單體電池的正極連接 的第二 P溝道MOSFET管的源極通過公共結(jié)點與上述第一單體電池負極相連的第一 N溝道 MOSFET管極的源極，并且所述第二單體電池與所述第一單體電池共用一個電壓信號輸出 端；所述第一、第二均衡單元的漏極通過超級電容相連。在所述單體電池的兩端并聯(lián)有穩(wěn)壓二極管DpD215在單體電池的正極和控制信號輸入端之間，還設置有穩(wěn)壓二極管1)3、D4，其正極與 單體電池的正極連接，其負極通過分流電阻&、R4與所述控制信號輸入端&、Slri連接。所述第二 P溝道MOSFET管與所述第一 N溝道MOSFET管門極％或仏的位置可以互換。上述MOSFET采用功率型MOSFET管。所述外接電路輸入的開關(guān)控制信號頻率可在0. 1 20Hz之間，開關(guān)占空比在 30% -70%之間。
所述的超級電容的容量在0. 68F 50F之間。
本發(fā)明的實現(xiàn)具備簡單的電路、清晰的邏輯控制、穩(wěn)定的運行回路，成本可以控


圖1是是本發(fā)明的單元均衡電路原理圖；圖2是本發(fā)明的驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動波形示意圖；
圖3是本發(fā)明的2節(jié)均衡效果圖；圖4是本發(fā)明的8節(jié)電池均衡效果具體實施例方式參照圖1，是本發(fā)明的單元均衡電路原理圖，圖中CA、CB為串聯(lián)的2節(jié)單體電池；CA的負極連接CB的正極；Q1J3為功率型P-M0STFET 管，Q2> Q4為功率型N-M0STFET管；D” D2, D3、D4為齊納二極管 R5為電阻；Cn、Clri、Cn_2 為電壓測量信號輸出端口，向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的 電壓信號戍、Slri為外接控制電路的2個相鄰輸出端。在每個單體電池CA、Cb的正、負極兩端分別并接均衡電路。在均衡電路中，一個P 溝道MOSFET管Gj1的門極與一個N溝道MOSFET管％的門極連接，同樣，仏與Gl4的門極連 接，在Q1與％之間以及Q3與Q4之間分別共門極連接，組成2個雙向開關(guān)對。Ql與％的源 極又分別并聯(lián)至單體電池Ca的正、負極兩端；同樣，Q3與A的源極又分別并聯(lián)至單體電池 Cb的正、負極兩端；Q2與A的源極在單體電池Cb的正極一端，通過公共結(jié)點相連。C1是作 為能量轉(zhuǎn)移單元的超級電容，C1 一端連接于Qp Q2的漏極，另一端連接于Q3、Q4的漏極。電 池的正負極兩端分別通過輸出端C；、。、。，向外部電路輸出差分信號，該差分信號即為單 體電池的電壓信號，分別將單體電池Ca的正極、負極電壓值以及單體電池Cb的正極、負極電 壓值輸出給外部電路，其中，Ca的負極與Cb的正極電壓值是相同的。Sn、Slri為外接電路中 各自獨立的兩個控制信號輸出端，其控制邏輯的高低電平分別對應于CnYClrf端電壓電平 的差分電平，分別依次與兩個MOSFET管的門極連接，并向其輸出控制信號，控制兌 &的 導通、關(guān)閉。穩(wěn)壓二極管D” D2在均衡單元電路中分別與單體電池CA、Cb并聯(lián)。并且與單體電 池CA、Cb串聯(lián)相似，穩(wěn)壓二極管D1的正極與D2的負極串聯(lián)。穩(wěn)壓二極管D3、D4分別連接在 電池CA、Cb的正極和控制信號輸入端Sn、Slri之間，并且在其負極與控制信號輸入端之間串 聯(lián)有電阻&及R4，D1 D4，R2及R4為均衡單元電路提供保護。C2, C3為濾波電容，分別連接在外接電路的差分電壓信號輸入端Cn、Clri之間以及 Cm、Cn_2之間。C2，R1與C3，R3對差分電壓信號起抗混疊作用，增加測量精確度。上述圖1中的主動均衡電路中，當Sn、Slri為高電平時，Q2、A導通，Qp A截止，此 時C1跨接于Cb的兩端；若當Sn、Slri為低電平時，Q1, Q3導通，Q2、Q4截止，此時C1跨接于Ca 的兩端。電壓的測量由外接電路采用專用的電池檢測技術(shù)實現(xiàn)，經(jīng)過外接處理器進行處 理、比較，再根據(jù)上行、下行或模糊控制策略，通過Sn、Sn-I端口向均衡電路輸出脈沖開關(guān)信號?？蓪崿F(xiàn)本功能的外接電路集成電路(IC)有凌力爾特公司(Linear)的LTC6802，ADI 公司的AD7^0，愛特梅爾(Atmel)公司的ATA6870，美信(MAXIM)的DS27^及Maxll068，凹 凸科技(02Micro)的 0Z890，英特矽爾(Intersil)半導體的 htersil9216/9217 等 IC 產(chǎn) 品。也可采用差分輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換方式采集各電池電壓，但因集成度低，實現(xiàn)復雜，實際成 本允許情況下以集成IC為最佳選擇。 通過圖中的電壓測量信號輸出端口 Cn、Cn+ Cn_2分別向上述外接電路中的電池檢 測模塊輸出各自測量的電池極端電壓，經(jīng)由電池檢測IC進行判斷，如果(；電壓小于(；電 壓，先通過&、Slri端口輸出高電平控制信號，使％、Q4導通，C1跨接于Cb的兩端，此時電容 C1被電池Cb充電；經(jīng)過一段時間充電后，Sn、Slri端口輸出低電平控制信號，使Q2、Q4截止， Q1^Q3導通，C1跨接于Ca的兩端，此時電容向Ca放電。這里所述的充電一段時間是指使電路 重新達到穩(wěn)態(tài)的時間，根據(jù)電路分析理論可計算知，若A的導通電阻為50πιΩ，C為IF時， 該段時間應該為大于5*50mQ*lF = 250ms。相反，Ca電壓大于Cb電壓情況下，控制Sn、Slri 輸出低電平控制信號，使Q” Q3導通，C1跨接于Ca的兩端，此時電容C1處于充電狀態(tài)，同樣 經(jīng)過一段充電后，使電路重新達到穩(wěn)態(tài)，Sn、Sn-I端口輸出高電平控制信號，使仏、Q3截止， Q2、Q4導通，C1跨接于Cb的兩端，此時電容向Cb放電。這樣，采用超級電容作為能量傳遞載 體，經(jīng)過若干次&，Slri重復操作，可實現(xiàn)電荷從高電壓單體電池向低電壓單體電池的轉(zhuǎn)移， 從而達到通過超級電容對電池組的能量均衡。 本發(fā)明的均衡電路是基于超級電容的均衡，所謂超級電容是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所 知的那樣，其容量比通常的電容器大得多，由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也 有稱作“電容電池”。本發(fā)明采用的超級電容為紐扣式電容或圓柱式電容或其它新型法拉電 容，根據(jù)車用鋰電池組的容量要求，超級電容的容量在0. 68F 50F之間。本發(fā)明中采用MOSFET管控制切換開關(guān)超級電容的結(jié)點，實現(xiàn)基于電荷轉(zhuǎn)移的均 衡控制，可實現(xiàn)大電流的均衡電流。一個均衡單元中N-MOSFET與P-M0STFET采取共門極連 接方式組成一個雙向開關(guān)，共門極連接方式可以減少一倍的常規(guī)開關(guān)電容法的開關(guān)矩陣規(guī) 模。上述MOSFET采用功率型MOSFET管。一個雙向開關(guān)中的N-MOSFET與P-M0STFET的漏 極互連，即優(yōu)選實施方式中Qp Q2的漏極互聯(lián)或者Q3、Q4的漏極互聯(lián)，作為超級電容的一個 極板連接點，兩個串接的雙向開關(guān)，也就是包括兩個N-MOSFET與兩個P-M0STFET功率開關(guān) 管的漏極就可以分別作為作為能量載體的超級電容的兩個個電極連接點，即優(yōu)選實施方式 中Qp A的漏極和Q3、Q4的漏極分別作為電容C 1的電極連接點。共門極的N-MOSFET與P-M0STFET組成的雙向開關(guān)，在導通方式上，兩個MOSFET管 是互鎖的，使得開關(guān)邏輯與控制較為簡單。MOSFET具有低于60m Ω的較低的導通阻抗，門極 與漏極之間阻抗可達IO9 Ω，具有良好的開關(guān)性能。因為MOSFET管的開關(guān)控制是電壓型的， 所以可用一般TTL電平信號控制，這使得本發(fā)明提供的均衡電路可以與當前的普通的單片 機及其外圍電路相兼容。本發(fā)明提供的均衡電路可以實現(xiàn)由一個開關(guān)信號控制2個MOSFET管的開關(guān)，使電 能在不同電池間的有向傳遞。由于共門極的兩個MOSFET管Q1與Q2之間或Q3與Q4之間 的動作是互鎖的，由此大大減少了傳統(tǒng)方法開關(guān)陣列的開關(guān)數(shù)量。施加在Sn，Slri的脈沖信號可以由外接電路采用程序控制，均衡電路的開關(guān)控制頻 度與占空比由外接電路控制完成，該電路控制開關(guān)頻率可在0. 1 20Hz之間，開關(guān)占空比
6在30%-70%之間。因為各個Si (i e 1 n)端是分別獨立的，可以不同步操作，也可以用 同步脈沖法，或采用其他控制算法。如圖2所示，是典型的驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動波形示意圖該波形為IHz方波，振幅 5V,占空比為50%，。以程序同時輸出方波驅(qū)動波形到Sn，Slri，對圖1中相鄰的兩節(jié)電池進 行均衡，可以實現(xiàn)快速的主動均衡效果。如圖3所示，是本發(fā)明提供的均衡電路對兩節(jié)不同初始電壓的單體電池進行均衡 的效果圖。該兩節(jié)電池的初始電壓值分別約為4V和3. IV。兩節(jié)串接的單體電池電壓在4000 毫秒時間內(nèi)迅速地達到均衡點，均衡時，該兩個單體電池電壓差值小于30mV。因為功率型 MOSFET管是電壓控制型開關(guān)器件，當電池間電壓差值較大時，可提供的均衡電流較大，所以 可以迅速實現(xiàn)大電流的能量轉(zhuǎn)移。在本發(fā)明提供的均衡電路基礎上，可實現(xiàn)靈活的均衡算法，達到大電流快速均衡 的目的。常見的電池均衡策略(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。在不采取上述復雜的均衡算法情況下，本發(fā)明依然能夠?qū)崿F(xiàn)較為理想的 均衡調(diào)節(jié)功能。一個簡單的均衡算法是同步脈沖法，本方法是采用外電路產(chǎn)生如圖2所示同步脈 沖序列到S1 &的各個端口，實現(xiàn)各個MOSFET管的定時導通和關(guān)閉。如圖4所示，8節(jié) 串接在一起的單體電池，該單體電池的初始電壓依次為3. 6V、3. 69V、3. 79V、3. 88V、3. 99V、 4. 09V、4. 19V和4. ^V，單體之間最大電壓差值為0.66V，平均電壓差值為0. IV。應用本發(fā) 明提供的均衡電路并采取上述同步脈沖法對八節(jié)電池串聯(lián)的情況下進行均衡的效果圖，在 25000毫秒的時間內(nèi)經(jīng)過若干次均衡動作后，單體間電壓最大差值小于30mV。本發(fā)明的均衡電路，可以方便地實現(xiàn)擴展到多節(jié)，這里以八節(jié)電池串聯(lián)為例，對于 現(xiàn)有技術(shù)中車用動力鋰電池，可能達到100節(jié)的串接情況。發(fā)明在選擇合適的功率器件情 況下，理論上可以實現(xiàn)無限擴展。在實際應用中，可應用于最大串接電壓為1000V以下的電 動車動力電源應用中。本發(fā)明的實現(xiàn)具備簡單的電路、清晰的邏輯控制、穩(wěn)定的運行回路，成本可以控 制。如上所述，均為本發(fā)明的較佳實施例，并非限定本發(fā)明的使用范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員可 在本發(fā)明的限定范圍外做一定的修訂與改進。
權(quán)利要求
1.一種使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于該電路包括兩個以 上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；其中，每相鄰兩個均衡單元通過以下 方式串聯(lián)第一均衡電路與第一單體電池并聯(lián)，該第一均衡電路包括第一P溝道MOSFET管Oi1)和 第一 N溝道MOSFET管(Q2)，所述兩個MOSFET管的漏極相連；所述兩個MOSFET管的門極相 連，并且通過第一信號輸入端(Sn)與外接電路連接，用以接收外接電路輸入的開關(guān)控制信 號；所述第一和第二 MOSFET管的源極分別并聯(lián)連接在所述第一單體電池的正負極兩端；所 述第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端(CpClri)連接至外接電 路，用以向外接電路輸出差分信號，該差分信號為實際第一單體電池的電壓信號；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；并聯(lián)在該第二單體電池兩端的 第二均衡電路與所述第一均衡電路結(jié)構(gòu)相同，其中，與該第二單體電池的正極連接的第二 P 溝道MOSFET管的源極通過公共結(jié)點與上述第一單體電池負極相連的第一 N溝道MOSFET管 極的源極，并且所述第二單體電池與所述第一單體電池共用一個電壓信號輸出端；所述第一、第二均衡單元的漏極通過超級電容相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 在所述單體電池的兩端并聯(lián)有穩(wěn)壓二極管(DpD2)15
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 在單體電池的正極和控制信號輸入端之間，還設置有穩(wěn)壓二極管(D3、D4)，其正極與單體電 池的正極連接，其負極通過分流電阻(i 2、R4)與所述控制信號輸入端O^slri)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 所述第二 P溝道MOSFET管與所述第一 N溝道MOSFET管門極(Q2或Q4)的位置可以互換。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 上述MOSFET采用功率型MOSFET管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 所述外接電路輸入的開關(guān)控制信號頻率可在0. 1 20Hz之間，開關(guān)占空比在30% -70%之 間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，其特征在于， 所述的超級電容的容量在0. 68F 50F之間。
全文摘要
一種使用超級電容的串聯(lián)鋰電池組主動均衡電路，包括兩個以上均衡單元，每個均衡單元包括單體電池和均衡電路；每相鄰兩個均衡單元通過以下方式串聯(lián)第一均衡電路與第一單體電池并聯(lián)，該第一均衡電路包括第一P溝道MOSFET管和第一N溝道MOSFET管，兩個MOSFET管的漏極相連和門極相連，并且通過第一信號輸入端與外接電路連接；第一和第二MOSFET管的源極分別并聯(lián)連接在所述第一單體電池的正負極兩端；第一單體電池的正負極兩端還分別通過第一和第二信號輸出端連接至外接電路；第二單體電池的正極與上述第一單體電池的負極相連；并聯(lián)在該第二單體電池兩端的第二均衡電路與第一均衡電路結(jié)構(gòu)相同。
文檔編號H02J7/00GK102064569SQ201010505809
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者劉志宏, 姚建華, 崔光磊, 朱玉偉, 王海波, 韓鵬獻, 齊安寧 申請人:中國科學院青島生物能源與過程研究所