專利名稱：一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，特別是一種電動(dòng)汽車用動(dòng)力鋰離子電池組的能量均衡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
電動(dòng)汽車引領(lǐng)著汽車技術(shù)的發(fā)展方向，從20世紀(jì)末發(fā)展起來的現(xiàn)代電動(dòng)汽車具有低排放甚至零排放、熱輻射低、噪音低且環(huán)境友好等特點(diǎn)，是節(jié)能、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景。在產(chǎn)業(yè)過程中，電動(dòng)汽車的電池及其管理系統(tǒng)作為主要的動(dòng)力源部件是其中最為重要的環(huán)節(jié)之一。為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力能源的大容量蓄電池常稱作動(dòng)力電池。由于單體電池制造過程中性能的分散性和使用過程中電池組內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，隨著使用時(shí)間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸擴(kuò)大，若不采取措施將造成某些單體電池過充電，某些單體電池過放電,過充和過放不僅影響電池壽命,損壞電池,而且還可能產(chǎn)生大量的熱量引起電池燃燒或爆炸，因此采取電池能量均衡技術(shù)來補(bǔ)償電池性能的差異是非常必要的。現(xiàn)有的鋰離子電池均衡是通過有源電荷開關(guān)或者電壓或電流轉(zhuǎn)換器把能量從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元，該方法既可以模糊控制也可以數(shù)字控制。由于要花費(fèi)大量的時(shí)間用于將電荷從高電壓的單元傳遞到低電壓的單元，如果這兩個(gè)單元在電池組的兩端的話，因?yàn)殡姾蓪⒉坏貌唤?jīng)過每一個(gè)單元，從而時(shí)間和效率都會(huì)降低；也有在單體電池上附加一個(gè)均衡電路，該電路起到分流作用，在這種模式下，當(dāng)某個(gè)電池首先滿充時(shí)，其均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉(zhuǎn)化熱能，同時(shí)又能對(duì)未完成充電的電池繼續(xù)充電，由于需要大功率損耗電阻，高頻電流開關(guān)，熱量管理設(shè)備，這種方法僅適用于經(jīng)常小電流充電的系統(tǒng)，而且電能轉(zhuǎn)化為熱能存在大量的電量浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種有利于縮短電池單體均衡時(shí)間，提高電池的使用壽命的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號(hào)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元，將接收的矩形脈沖信號(hào)和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號(hào)的控制單元，對(duì)單體鋰離子電池進(jìn)行能量均衡的均衡單元，信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元的輸出端和電壓比較單元的輸出端均與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與均衡單元的輸入端相連，均衡單元輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元。本發(fā)明的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)通過比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差值，對(duì)所比較的兩片單體鋰離子電池的電量進(jìn)行均衡，使鋰離子電池組中每片單體鋰離子電池的電量達(dá)到平衡狀態(tài)，避免每片單體鋰離子電池出現(xiàn)過充電、過放電狀態(tài)，可延長(zhǎng)單體鋰離子電池的使用壽命，充分發(fā)揮單體鋰離子電池的性能，由此提高鋰離子電池組的整體水平。
由于電壓比較單元每次比較的是單體鋰離子電池的電壓差值的一半，所以本發(fā)明大大的縮短了電池單體均衡時(shí)間，提高了鋰離子電池均衡效率；
本發(fā)明控制單元接收的是信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元和電壓比較單元的信號(hào)來控制均衡單元中場(chǎng)效應(yīng)管的通斷，能夠讓高電壓電池的能量經(jīng)過電路中的過渡電容器轉(zhuǎn)移到低電壓電池中，從而達(dá)到電池組中每?jī)善瑔误w電池之間的無能耗能量轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可應(yīng)用于不同電池節(jié)數(shù)的電池組，電池組中有幾節(jié)電池，就使用幾個(gè)電壓比較單元，應(yīng)用范圍廣，擴(kuò)展性能好。


圖1是鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的原理框 圖2是信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元的電路示意 圖3是電壓比較單元的電路示意 圖4是控制單元的電路示意 圖5是均衡單元的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號(hào)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元1，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元2，將接收的矩形脈沖信號(hào)和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號(hào)的控制單元3，對(duì)單體鋰離子電池進(jìn)行能量均衡的均衡單元4，信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元I的輸出端和電壓比較單元2的輸出端均與控制單元3的輸入端相連，控制單元3的輸出端與均衡單元4的輸入端相連，均衡單元4輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元2。本發(fā)明中的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元為定時(shí)器A構(gòu)成的自激多諧振蕩器，如圖2所示，定時(shí)器A可采用芯片NE55 ，其I腳接地，8腳外接電源VCC，3腳為輸出端，2腳低觸發(fā)端，6腳高觸發(fā)端，4腳是直接清零端，5腳為控制電壓端，7腳為放電端，NE555D的2腳和6腳連在一起接成施密特觸發(fā)器，放電端7腳經(jīng)RC積分電路接回到輸入端。在電路接通時(shí)，由于電容Cl還未充電，經(jīng)過定時(shí)器A內(nèi)部電路，輸出端3端輸出高電平，VCC通過電阻Rl和電阻R2對(duì)電容Cl充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)(高電平態(tài))。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容Cl的充電，經(jīng)過定時(shí)器A內(nèi)部電路，使得輸出端翻轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入另一暫穩(wěn)態(tài)(低電平態(tài))。在此期間，隨著電容的放電，電路又一次自動(dòng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此循環(huán)，得到矩形脈沖信號(hào)a，此信號(hào)a直接進(jìn)入控制單元，調(diào)整電阻R1、電阻R2和電容Cl就可以調(diào)整矩形脈沖的時(shí)間常數(shù)，，由此調(diào)整矩形脈沖的寬度。圖3所示是電壓比較單元電路，主要包括運(yùn)算放大器B，電壓比較器的二個(gè)輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池BTl、BT2的輸出電壓，其中一個(gè)輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與電壓比較器B的輸出端相連。這里運(yùn)算放大器可采用LM358PW。圖示實(shí)例中，把其中一個(gè)單體鋰離子電池BTl輸出電壓加在運(yùn)算放大器B的同相輸入端，另一個(gè)單體鋰離子電池BT2輸出電壓加在運(yùn)算放大器B的反向輸入端。當(dāng)同相輸入端的單體鋰離子電池BTl的電壓比反向輸入端的單體鋰離子電池BT2的電壓高時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出高電平；當(dāng)同相輸入端的單體鋰離子電池BTl的電壓比反向輸入端的單體鋰離子電池BT2的電壓低時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出低電平。此輸出端b輸出的電平與矩形脈沖信號(hào)a —起進(jìn)入控制單元。如圖4所示是控制單元的電路，其包括同或邏輯門Pl電路和非邏輯門P2電路，同或邏輯門電路Pl的輸出端與非邏輯門電路P2的輸入端相連。同或邏輯門Pl的輸入端連接驅(qū)動(dòng)單元中定時(shí)器A的輸出信號(hào)a和電壓比較單元運(yùn)算放大器B的輸出信號(hào)b，當(dāng)定時(shí)器A和運(yùn)算放大器B的輸出端同時(shí)輸出低電平或高電平時(shí)，同或邏輯門Pl輸出高電平c，非邏輯門P2輸出低電平d ;當(dāng)定時(shí)器A和運(yùn)算放大器B的輸出端任意一個(gè)輸出低電平時(shí)，同或邏輯門Pl輸出低電平C,非邏輯門P2輸出高電平d。這里同或邏輯門Pl可采用SN74RMD，非邏輯門P2可采用SN74LS00D。均衡單元的電路如圖5所示，它包括四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管Ql、Q2、Q3、Q4，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極為與控制單元3相連的一個(gè)輸入端，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4的柵極為與控制單元3相連的另一個(gè)輸入端，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極和第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2的源極與過渡電容C4的一端相連，過渡電容C4的另一端與第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3的源極及第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4的源極相連，第一場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極經(jīng)電阻R7與一片單體鋰離子電池BTl的正極相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4的漏極經(jīng)電阻R8與另一片單體鋰離子電池BT2的負(fù)極相連，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3的漏極與二片串聯(lián)的單體鋰離子電池BT1、BT2的連接點(diǎn)相連。圖示實(shí)例中，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3的柵極與控制單元3中的同或邏輯門Pl輸出端C相連，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4的柵極與控制單元3中的非邏輯門P2的輸出端d相連，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3受同或邏輯門Pl輸出端c輸出的電平來控制通斷，當(dāng)輸出端c輸出為高電平時(shí)，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，當(dāng)輸出端c輸出為低電平時(shí)，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4受非邏輯門P2輸出端d輸出的電平來控制通斷，當(dāng)輸出端d輸出為高電平時(shí)，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通，當(dāng)輸出端d輸出為低電平時(shí)，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路斷開。開始時(shí)，第一電池BTl電壓輸入電壓比較單元中運(yùn)算放大器B的同相輸入端，第二電池BT2電壓輸入電壓比較單元中運(yùn)算放大器B的反相輸入端，當(dāng)?shù)谝浑姵谺Tl電壓比第二電池BT2電壓高時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出高電平。在電路接通開始時(shí)刻，電容Cl還未充電，經(jīng)過定時(shí)器A內(nèi)部電路，輸出端a端輸出高電平，此時(shí)定時(shí)器A的輸出端a和運(yùn)算放大器B的輸出端b都輸出高電平，所以同或邏輯門Pl輸出高電平C，非邏輯門P2輸出低電平d，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路斷開，第一電池BTl與過渡電容C4構(gòu)成回路，第一電池BTl給過渡電容C4充電。到矩形脈沖的下半個(gè)周期時(shí)，定時(shí)器A的輸出端自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，輸出低電平a，運(yùn)算放大器B的輸出仍然為高電平b，所以同或邏輯門Pl輸出低電平C，非邏輯門P2輸出高電平d，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通,過渡電容C4與第二電池BT2電池構(gòu)成回路，過渡電容C4給第二電池BT2電池充電。這樣就使第一電池BTl中的能量轉(zhuǎn)移到第二電池BT2中，從而使第一電池BTl電壓降低，第二電池BT2電壓升高。如此循環(huán)，直到第一電池BTl電壓與第二電池BT2電壓的差值小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時(shí)(例如1.0mV)，鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，第一電池BTl與第二電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個(gè)電池電壓的均衡過程。
當(dāng)?shù)谝浑姵谺Tl電壓比第二電池BT2電壓低時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出低電平b。由于開始時(shí)刻定時(shí)器A的輸出端a先輸出高電平，此時(shí)定時(shí)器A的輸出端a輸出高電平a，運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出低電平b，所以同或邏輯門Pl輸出低電平C，非邏輯門P2輸出高電平d，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路斷開，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路導(dǎo)通，第二電池BT2與過渡電容C4構(gòu)成回路，第二電池BT2給過渡電容C4充電。到矩形脈沖的下半個(gè)周期時(shí),定時(shí)器A的輸出端a自動(dòng)翻轉(zhuǎn),輸出低電平a，因?yàn)檫\(yùn)算放大器B的輸出端b仍然輸出低電平b，所以同或邏輯門Pl輸出高電平C，非邏輯門P2輸出低電平d，第一場(chǎng)效應(yīng)管Ql和第三場(chǎng)效應(yīng)管Q3所在線路導(dǎo)通，第二場(chǎng)效應(yīng)管Q2和第四場(chǎng)效應(yīng)管Q4所在線路斷開，過渡電容C4與第一電池BTl構(gòu)成回路，過渡電容C4給第一電池BTl充電。這樣就使第二電池BT2中的能量轉(zhuǎn)移到第一電池BTl中，從而使第二電池BT2電壓降低，第一電池BTl電壓升高。如此循環(huán)，直到第一電池BTl電壓與第二電池BT2電壓的差值小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時(shí)(例如1.0mV)，鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，第一電池BTl與第二電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個(gè)電池電壓的均衡過程。本發(fā)明的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的工作過程:在信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的矩形脈沖為高電位時(shí)，當(dāng)其中一片單體電池電壓比另一片單體電池電壓高時(shí)，通過所述電壓比較單元進(jìn)行電壓比較后，會(huì)輸出高電平，此高電平進(jìn)入所述控制單元后，控制單元將控制均衡電路中的高電壓電池所在電路中的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，使高電壓電池給過渡電容器充電；在所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元的矩形脈沖的后半個(gè)周期，即信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的矩形脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢?，高電壓電池向過渡電容器充電結(jié)束，同時(shí)，使低電壓電池所在電路中的場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，能量均衡的過渡電容就給低電壓電池充電。該系統(tǒng)可擴(kuò)展到更多單體鋰離子電池的均衡。以上所述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式
。在權(quán)利要求的范圍內(nèi)本發(fā)明還有多種改進(jìn)和變形。凡是依據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求書及說明書的內(nèi)容所作的簡(jiǎn)單、等效變化與修飾，皆屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號(hào)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元(1)，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元(2)，將接收的矩形脈沖信號(hào)和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號(hào)的控制單元(3)，對(duì)單體鋰離子電池進(jìn)行能量均衡的均衡單元(4)，信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元(I)的輸出端和電壓比較單元(2)的輸出端均與控制單元(3)的輸入端相連，控制單元(3)的輸出端與均衡單元(4)的輸入端相連，均衡單元(4)輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元(I)是芯片NE555D0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的電壓比較單元(2)包括電壓比較器(B)，電壓比較器(B)的二個(gè)輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池(BT1、BT2)的輸出電壓，其中一個(gè)輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與電壓比較器(B)的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的控制單元(3)包括同或邏輯門(Pl)電路和非邏輯門(P2)電路，同或邏輯門電路(Pl)的輸出端與非邏輯門電路(P2)的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，其特征在于:所述的均衡單元(4)包括四個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管(Ql、Q2、Q3、Q4)，第一場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)和第三場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的柵極為與控制單元(3)相連的一個(gè)輸入端，第二場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)和第四場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的柵極為與控制單元(3)相連的另一個(gè)輸入端，第一場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)的源極和第二場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的源極與過渡電容C4的一端相連，過渡電容C4的另一端與第三場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的源極及第四場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的源極相連，第一場(chǎng)場(chǎng)效應(yīng)管(Ql)的漏極經(jīng)電阻R7與一片單體鋰離子電池(BTl)的正極相連，第四場(chǎng)效應(yīng)管(Q4)的漏極經(jīng)電阻R8與另一片單體鋰離子電池(BT2)的負(fù)極相連，第二場(chǎng)效應(yīng)管(Q2)的漏極和第三場(chǎng)效應(yīng)管(Q3)的漏極與二片串聯(lián)的單體鋰離子電池(BTUBT2)的連接點(diǎn)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，包括產(chǎn)生交替變換矩形脈沖信號(hào)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元，比較兩片單體鋰離子電池之間電壓差的電壓比較單元，將接收的矩形脈沖信號(hào)和電壓差轉(zhuǎn)換成單體鋰離子電池能量均衡控制信號(hào)的控制單元，對(duì)單體鋰離子電池進(jìn)行能量均衡的均衡單元，信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元的輸出端和電壓比較單元的輸出端均與控制單元的輸入端相連，控制單元的輸出端與均衡單元的輸入端相連，均衡單元輸出兩片單體鋰離子電池的電壓接入電壓比較單元。該鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)可縮短電池單體均衡時(shí)間，并提高電池的使用壽命。
文檔編號(hào)H02J7/00GK103178584SQ20131010049
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月27日
發(fā)明者黃德歡, 楊書華 申請(qǐng)人:蘇州之僑新材料科技有限公司