專利名稱：電池電量自動(dòng)均衡電路及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電池組管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及電力電子技術(shù)、電池組電量管理技術(shù)、微處理器自動(dòng)測控等多個(gè)技術(shù)，尤其涉及一種電池電量自動(dòng)均衡電路及其實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前，在電動(dòng)汽車、新能源發(fā)電儲(chǔ)能裝置、不間斷電源(UPS)等多種應(yīng)用中，常使用由多節(jié)充電電池串、并聯(lián)而構(gòu)成的電池組來提高儲(chǔ)能容量。然而，電池組在實(shí)際使用過程中，常出現(xiàn)壽命短于預(yù)期的現(xiàn)象，造成上述問題的主要原因有兩點(diǎn)。一是電池組中的各節(jié)電池的初始容量、內(nèi)阻、自放電率等參數(shù)在制造上即存在一定的差異，沒有完全一致。此外，各節(jié)電池在電池組中的位置不同，其所處的溫度、濕度等環(huán)境因素也存在差異，因而電池組中的各節(jié)電池的老化速率是不同的。二是由于電池間多是串聯(lián)關(guān)系，在電池組充放電過程中會(huì)使個(gè)別電池加速老化。即在充電過程中，老化速率高的電池因容量減小，會(huì)提前達(dá)到滿電狀態(tài)，而其它電池尚未充滿，如果要保持其它電池滿電，就會(huì)對老化速率高的電池進(jìn)行過度充電，進(jìn)一步加速其老化、降低其壽命。在放電過程中，老化速率高的電池也類似地會(huì)發(fā)生電量提前耗盡或過度放電。因?yàn)樯鲜鰝€(gè)別電池加速老化，使得電池組壽命大大縮短。電池組中各節(jié)電池的差異不易避免，利用電池均衡電路可將各節(jié)電池不均等的電能量轉(zhuǎn)移給其它電池，從而避免電池過充和過放現(xiàn)象的發(fā)生。目前，實(shí)現(xiàn)電池電量均衡的電路主要分為能量耗散型和能量非耗散型兩類。能量耗散型均衡電路的工作原理是將剩余電能較多的電池的電能轉(zhuǎn)化為熱量釋放掉，達(dá)到電能平衡的目的。能量非耗散型均衡電路的工作原理是將剩余電能較多的電池的電能轉(zhuǎn)移到能量較少的電池，從而達(dá)到電能平衡的目的。因此，能量非耗散型均衡電路具有效率高的優(yōu)點(diǎn)。常見的能量非耗散型均衡電路包括電容式、電感式等類型。電容式均衡電路利用電容轉(zhuǎn)移不均衡的電能，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但均衡速度慢、效率偏低；傳統(tǒng)的電感式均衡電路利用電感電流不可突變的原理進(jìn)行電能轉(zhuǎn)移，具有均衡速度較快的優(yōu)點(diǎn)，但存在轉(zhuǎn)移控制不方便、使用器件多、成本和安全性差等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用雙向反激式DC-DC隔離變換器作為電量均衡的主工作電路、利用繼電器組對各節(jié)電池進(jìn)行選擇、由微處理器(MCU)實(shí)現(xiàn)各電池電量實(shí)時(shí)檢測和電量均衡控制的電池電量自動(dòng)均衡電路及其實(shí)現(xiàn)方法，可實(shí)現(xiàn)易控制、速度快、效率高的電池電量自動(dòng)均衡功能。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種電池電量自動(dòng)均衡電路，應(yīng)用于由N節(jié)電池串聯(lián)組成的串聯(lián)電池組，包括反激式雙向DC-DC變換器、繼電器組、MCU微處理器，所述MCU微處理器與串聯(lián)電池組、繼電器組和反激式雙向DC-DC變換器分別連接；
所述繼電器組由N個(gè)常開的繼電器組成，每個(gè)繼電器分別與所述串聯(lián)電池組中的一節(jié)電池相并聯(lián)；
所述串聯(lián)電池組中的N節(jié)電池分成高電位側(cè)和低電位側(cè)兩組，且高電位側(cè)的電池與低電位側(cè)的電池分別經(jīng)過相應(yīng)的繼電器連接至反激式雙向DC-DC變換器的原、副邊兩側(cè)。優(yōu)選地，所述反激式雙向DC-DC變換器包括主電路和控制電路；
所述主電路包括兩個(gè)開關(guān)管Si、S2及相應(yīng)的反向并聯(lián)二極管Di、D2、隔離變壓器T和兩個(gè)小電容C” C2 ；所述控制電路采用PWM控制芯片，其包括兩個(gè)PWM脈沖的輸出端且該兩輸出端分別經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路連接至開關(guān)管S1和&的門極。優(yōu)選地，若所述N為偶數(shù)，則所述串聯(lián)電池組的高電位側(cè)和低電位側(cè)分別包括N/2 節(jié)電池；若所述N為奇數(shù)，則所述串聯(lián)電池組的高電位側(cè)包括[N/2]節(jié)電池、低電位側(cè)包括 [N/2J+1節(jié)電池。一種如上所述電池電量自動(dòng)均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟
MCU微處理器實(shí)時(shí)循環(huán)監(jiān)測串聯(lián)電池組的各節(jié)電池，計(jì)算各節(jié)電池的當(dāng)前電量S0C，得出當(dāng)前時(shí)刻SOC最大的電池和SOC最小的電池，通過控制反激式雙向DC-DC變換器來對這兩節(jié)電池的SOC進(jìn)行均衡處理。優(yōu)選地，上述方法中，若所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別屬于串聯(lián)電池組的高電位側(cè)和低電位側(cè)，則MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節(jié)電池的 SOC進(jìn)行均衡處理的過程進(jìn)一步包括
通過閉合相應(yīng)的繼電器將所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端，利用該反激式雙向DC-DC變換器將SOC最大的電池作為輸入、對 SOC最小的電池進(jìn)行均衡充電。 優(yōu)選地，上述方法中，若所述SOC最大的電池和SOC最小的電池同屬于串聯(lián)電池組的高電位側(cè)/低電位側(cè)，MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節(jié)電池的SOC進(jìn)行均衡處理的過程進(jìn)一步包括
在低電位側(cè)/高電位側(cè)選擇一節(jié)電池作為中間過渡電池；利用反激式雙向DC-DC變換器將所述SOC最大的電池作為輸入、對中間過渡電池進(jìn)行均衡充電后，再將中間過渡電池作為輸入、對所述SOC最小的電池進(jìn)行均衡充電。優(yōu)選地，上述方法中，在所述MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對兩節(jié)電池進(jìn)行均衡充電過程中，若這兩節(jié)電池的SOC相差大，則采用恒流均衡模式；若這兩節(jié)電池的SOC相差小，則采用恒壓均衡模式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例具有以下有益效果
1、與傳統(tǒng)的電容、電感等無源器件均衡方式相比，本發(fā)明使用了反激式雙向DC-DC模塊，可實(shí)現(xiàn)電能雙向易控的均衡；
2、由于反激式雙向DC-DC模塊可以實(shí)現(xiàn)恒壓、恒流的控制，因此可以在被充電電池電量較低時(shí)進(jìn)行恒流充電，當(dāng)其電量較高的時(shí)候進(jìn)入恒壓充電模式，從而可準(zhǔn)確、高效、快速的實(shí)現(xiàn)均衡，有效防止發(fā)生電池過充電；
3、利用直接均衡以及間接均衡等控制策略，使用簡單地繼電器組即實(shí)現(xiàn)了N節(jié)電池的方便互聯(lián)；
4、采用MCU進(jìn)行整體均衡功能的控制，具有良好的靈活性、擴(kuò)展性以及人機(jī)交互性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電池電量自動(dòng)均衡電路的整體原理框圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的雙向DC-DC變換器主電路和繼電器組連接原理結(jié)構(gòu)； 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的MCU檢測和控制原理框圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的雙向DC-DC變換器原理框圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明的主要技術(shù)要點(diǎn)包括:A、均衡主電路采用反激式雙向DC-DC變換器。反激式雙向DC-DC變換器自身的變壓器既提供了儲(chǔ)能電感，又利用原、副邊實(shí)現(xiàn)了電氣隔離的功能，使串聯(lián)的不同電池有了可靠的隔離；該DC-DC變換器原、副邊的可控開關(guān)管，使得電功率可在原、副邊雙向流動(dòng)，簡化了電池間的均衡連接。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、易控制、傳遞功率大、速度快、效率高。B、采用繼電器來選擇各節(jié)電池，同時(shí)也減小了連接損耗。本發(fā)明中，以N (N彡2) 節(jié)串聯(lián)的電池為一組，高電位側(cè)的N/2節(jié)電池與低電位側(cè)的N/2節(jié)電池分別連接至反激式雙向DC-DC電路原、副邊兩側(cè)(如N非偶數(shù)，則高電位側(cè)電池?cái)?shù)目取整，與低電位側(cè)電池?cái)?shù)目相差1個(gè)即可)。上述連接設(shè)計(jì)，經(jīng)反激式雙向DC-DC變換器可直接實(shí)現(xiàn)高電位側(cè)電池與低電位側(cè)電池的能量交換；為實(shí)現(xiàn)高電位N/2節(jié)電池間或低電位N/2節(jié)電池間的電能的轉(zhuǎn)移， 可采用先將高電位側(cè)電池A與低電位側(cè)某電池B交換電能，然后再從低電位側(cè)電池B向高電位側(cè)某電池C交換電能的辦法，實(shí)現(xiàn)電池A與電池C的電能交換，反之亦然。即間接實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，這樣可大大簡化線路連接。C、采用MCU微處理器進(jìn)行各電池電量檢測和電量均衡控制。MCU微處理器循環(huán)檢測串聯(lián)的各節(jié)電池電壓，判斷各電池的實(shí)際容量，選擇出最大容量電池、最小容量電池，然后將該兩節(jié)電池分別通過繼電器連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩側(cè)。MCU微處理器繼而控制反激式雙向DC-DC變換器，觸發(fā)容量大電池側(cè)的開關(guān)管，使大容量電池先向變壓器電感充電。然后關(guān)斷該開關(guān)管，利用反激式變壓器續(xù)流的原理，使電感中的電流再流向容量小的電池，從而實(shí)現(xiàn)一次電能轉(zhuǎn)移。重復(fù)以上觸發(fā)過程，直到兩電池容量幾乎相等時(shí)，微處理停止本次均衡過程。如圖1、圖2所示，本實(shí)施例中電池電量均衡電路的基本工作過程是這樣的MCU微處理器實(shí)時(shí)循環(huán)監(jiān)測各節(jié)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，根據(jù)電池模型計(jì)算出電池的當(dāng)前 S0C，進(jìn)而找出該時(shí)刻SOC最大、SOC最小的兩節(jié)電池；如該兩節(jié)電池分別屬于串聯(lián)電池組的高電位側(cè)或低電位側(cè)，則MCU微處理器通過I/O端口控制SOC最大、SOC最小兩節(jié)電池各自的繼電器閉合，將該兩節(jié)電池分別連接在反激式雙向DC/DC變換器的兩端；MCU微處理器根據(jù)該兩電池SOC差異的大小，確定進(jìn)行恒流均衡模式還是恒壓均衡模式，同時(shí)MCU微處理器根據(jù)該二電池的具體位置確定出電能轉(zhuǎn)移的流向，進(jìn)而給反激式雙向DC-DC變換器發(fā)送均衡電壓或均衡電流的幅值、電流方向指令。當(dāng)兩節(jié)電池電壓相差較大時(shí)，使用恒流模式進(jìn)行快速均衡；當(dāng)該兩電池電壓接近該時(shí)刻電池組平均電壓時(shí)，則采用恒壓充電模式。反激式雙向DC-DC變換器的控制電路根據(jù)輸入指令，控制均衡主電路開關(guān)管S1A2的導(dǎo)通順序和互補(bǔ)關(guān)系，直到兩電池的電量不均衡現(xiàn)象達(dá)到規(guī)定的范圍之內(nèi)時(shí)，即停止本次均衡過程。如該兩節(jié)電池同屬于電池組的高電位側(cè)(或低電位側(cè))，上述均衡方法即不能直接使用。此時(shí)，MCU微處理器先在低電位側(cè)(或高電位側(cè))選出另外一個(gè)SOC適當(dāng)?shù)囊还?jié)電池 (中間過渡電池)。再用前述均衡方法，將高電位側(cè)SOC高的電池與中間過渡電池進(jìn)行電量均衡。該兩者間均衡完后，再用前述均衡方法，將中間過渡電池與高電位側(cè)SOC低的電池進(jìn)行電量均衡，從而實(shí)現(xiàn)簡介實(shí)現(xiàn)了原二電池間的電量轉(zhuǎn)移。即通過兩次均衡，最終實(shí)現(xiàn)原兩節(jié)電池間的電量均衡。轉(zhuǎn)換到具體電路之一，如圖3所示。該MCU微處理器電路主要由信號調(diào)理電路、 MCU、模擬輸入/輸出電路、數(shù)字輸入/輸出電路等部分組成。信號調(diào)理電路將各電池的電壓、電流、溫度等信息傳感輸入，利用多個(gè)差分運(yùn)算放大器濾波、幅值調(diào)整后，經(jīng)A/D采樣送給MCU。根據(jù)式安時(shí)計(jì)量法計(jì)算電池電量S0C，對實(shí)時(shí)測量的電流信號進(jìn)行積分，從而得出電池充入或者放出的電量。具體計(jì)算公式如下
式中，為電池的初始電量，^r為電池額定容量，-為電池的充放電效率，J為電池
的充放電電流。通過該方法，MCU可確定各電池容量大小、SOC最高、最低電池所在位置、是否需要過渡電池，過渡電池所在位置，決定出均衡模式、轉(zhuǎn)移能量方向。最后，通過模擬D/A 和I/O輸出口，給反激式雙向DC-DC變換器控制發(fā)出具體均衡幅值和方向等控制信息。此外，MCU還可通過串行口輸出電池組、變換器等的工作狀態(tài)信息，便于上位機(jī)管理。轉(zhuǎn)換到具體電路之二，如圖4所示。該反激式雙向DC-DC變換器由主電路和控制電路構(gòu)成。主電路由兩個(gè)開關(guān)管Si、S2及相應(yīng)的反向并聯(lián)二極管Di、D2、隔離變壓器T和兩個(gè)小電容C1W2組成。控制電路采用PWM控制芯片，其輸出兩路PWM脈沖經(jīng)隔離后施加到開關(guān)管門極。如31 麗導(dǎo)通、&持續(xù)關(guān)閉，則電能流向是從(^到C2。如& PWM導(dǎo)通、S1持續(xù)關(guān)閉，則電能流向是從C2到C1。在具體工作中，MCU可以根據(jù)電池具體狀態(tài)決定均衡器的工作模式，即恒流、恒壓、以及參考量的大小，從而快速、準(zhǔn)確地使電池達(dá)到平衡。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池電量自動(dòng)均衡電路，應(yīng)用于由N節(jié)電池串聯(lián)組成的串聯(lián)電池組，其特征在于，包括反激式雙向DC-DC變換器、繼電器組、MCU微處理器，所述MCU微處理器與串聯(lián)電池組、繼電器組和反激式雙向DC-DC變換器分別連接；所述繼電器組由N個(gè)常開的繼電器組成，每個(gè)繼電器分別與所述串聯(lián)電池組中的一節(jié)電池相并聯(lián)；所述串聯(lián)電池組中的N節(jié)電池分成高電位側(cè)和低電位側(cè)兩組，且高電位側(cè)的電池與低電位側(cè)的電池分別經(jīng)過相應(yīng)的繼電器連接至反激式雙向DC-DC變換器的原、副邊兩側(cè)。
2.如權(quán)利要求1所述的電池電量自動(dòng)均衡電路，其特征在于，所述反激式雙向DC-DC變換器包括主電路和控制電路；所述主電路包括兩個(gè)開關(guān)管S” S2及相應(yīng)的反向并聯(lián)二極管D” D2、隔離變壓器T和兩個(gè)小電容C” C2 ；所述控制電路采用PWM控制芯片，其包括兩個(gè)PWM脈沖的輸出端且該兩輸出端分別經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)電路連接至開關(guān)管S1和&的門極。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電池電量自動(dòng)均衡電路，其特征在于，若所述N為偶數(shù)，則所述串聯(lián)電池組的高電位側(cè)和低電位側(cè)分別包括N/2節(jié)電池；若所述N為奇數(shù)，則所述串聯(lián)電池組的高電位側(cè)包括[N/2]節(jié)電池、低電位側(cè)包括[N/2]+l節(jié)電池。
4.一種如權(quán)利要求1所述電池電量自動(dòng)均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法包括步驟MCU微處理器實(shí)時(shí)循環(huán)監(jiān)測串聯(lián)電池組的各節(jié)電池，計(jì)算各節(jié)電池的當(dāng)前電量S0C，得出當(dāng)前時(shí)刻SOC最大的電池和SOC最小的電池，通過控制反激式雙向DC-DC變換器來對這兩節(jié)電池的SOC進(jìn)行均衡處理。
5.如權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法中，若所述SOC最大的電池和 SOC最小的電池分別屬于串聯(lián)電池組的高電位側(cè)和低電位側(cè)，則MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對這兩節(jié)電池的SOC進(jìn)行均衡處理的過程進(jìn)一步包括通過閉合相應(yīng)的繼電器將所述SOC最大的電池和SOC最小的電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端，利用該反激式雙向DC-DC變換器將SOC最大的電池作為輸入、對 SOC最小的電池進(jìn)行均衡充電。
6.如權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法中，若所述SOC最大的電池和 SOC最小的電池同屬于串聯(lián)電池組的高電位側(cè)/低電位側(cè)，MCU微處理器控制反激式雙向 DC-DC變換器對這兩節(jié)電池的SOC進(jìn)行均衡處理的過程進(jìn)一步包括在低電位側(cè)/高電位側(cè)選擇一節(jié)電池作為中間過渡電池；利用反激式雙向DC-DC變換器將所述SOC最大的電池作為輸入、對中間過渡電池進(jìn)行均衡充電后，再將中間過渡電池作為輸入、對所述SOC最小的電池進(jìn)行均衡充電。
7.如權(quán)利要求4至6任一所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，該方法中，在所述MCU微處理器控制反激式雙向DC-DC變換器對兩節(jié)電池進(jìn)行均衡充電過程中，若這兩節(jié)電池的SOC相差大，則采用恒流均衡模式；若這兩節(jié)電池的SOC相差小，則采用恒壓均衡模式。
全文摘要
本發(fā)明涉及電池組管理技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種電池電量自動(dòng)均衡電路及其實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明在串聯(lián)電池組中使用反激式雙向DC-DC變換器作為均衡主電路進(jìn)行電能的轉(zhuǎn)移，利用繼電器實(shí)現(xiàn)需要均衡的電池與反激式雙向DC-DC變換器的連接，并使用微處理器進(jìn)行電池狀態(tài)檢測和均衡控制等。在應(yīng)用時(shí)，通過MCU微控制器循環(huán)檢測各節(jié)電池的電量，將電量最高和最低的兩節(jié)電池分別連接在反激式雙向DC-DC變換器的兩端。以高電量電池作為輸入，對低電量電池進(jìn)行恒流模式或恒壓模式的均衡充電，直到低電量電池的電量達(dá)到電池組的電量平均值。相對于傳統(tǒng)電池均衡電路，本發(fā)明具有均衡過程簡單、可控性強(qiáng)、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J7/00GK102222957SQ20111016749
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者呂永斌, 和軍平, 夏必忠, 孫威, 王明旺, 賴勇智, 鄭偉偉 申請人:欣旺達(dá)電子股份有限公司, 清華大學(xué)深圳研究生院