專利名稱：一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電動汽車電池管理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種動力鋰離子電池模塊充放電均衡電路。
背景技術(shù)：
電動汽車用動力電池模塊由單體鋰離子電池串聯(lián)而成，由于單體鋰離子電池性能存在不一致性，在充放電時會出現(xiàn)單體電壓不一致，從而影響和制約著整個電池模塊的充放電能力。在工作中只要有一個單體電池達(dá)到充放電電壓極限，整個電池模塊就要停止充放電，否則單體電池會發(fā)生過充或過放，嚴(yán)重影響其壽命。對單體電池進(jìn)行均衡是解決上述問題的重要途徑，這種方法能夠更好地發(fā)揮電池性能，延長其使用壽命?，F(xiàn)有的均衡電路分為兩種:一種是被動均衡電路，也稱為能耗型均衡電路，通常采用在單體電池兩端并聯(lián)電阻的方式，通過電阻將電能轉(zhuǎn)換成熱能，來達(dá)到電壓平衡。既消耗了電池模塊的能量，又給電池?zé)峁芾韼砹死щy，而且效率低下。另一種是主動均衡電路，也即非能耗性均衡電路，按能量轉(zhuǎn)換元件類型可以分為電容均衡電路，電感均衡電路，變壓器均衡電路，雙向DC-DC均衡電路等四種。電容均衡電路中電流不易控制，開關(guān)管分壓也造成均衡效果不明顯；電感均衡電路只能在相鄰的單體電池間進(jìn)行均衡，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均衡速度受限制；變壓器均衡電路有磁飽和和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題；現(xiàn)有雙向DC-DC均衡電路也存在各種設(shè)計和效率上的缺陷。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種電動汽車動力鋰離子電池模塊充放電非耗能型均衡電路，以克服現(xiàn)有均衡電路存在的上述不足。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，包括鋰離子電池組、充放電開關(guān)組單元，充放電總線單元，能量轉(zhuǎn)移電路和均衡控制器；所述鋰離子電池組包含一個以上的鋰離子單體電池，通過所述充放電開關(guān)組單元連接到所述充放電總線單元上；所述能量轉(zhuǎn)移電路兩側(cè)分別與所述充放電總線單元相連；所述均衡控制器分別與所述能量轉(zhuǎn)移單元、所述開關(guān)組單元及所述鋰離子電池組相連，以控制所述開關(guān)組單元選通所需充放電的鋰離子單體電池到所述能量轉(zhuǎn)移電路中并進(jìn)行充放電。所述充放電開關(guān)組單元包含開關(guān)數(shù)目均等于所述鋰離子電池組中鋰離子單體電池數(shù)目的充電選通開關(guān)組和放電選通開關(guān)組，且所述充電選通開關(guān)組和所述放電選通開關(guān)組中的開關(guān)均與所述鋰離子單體電池一一對應(yīng)連接。所述充放電總線單元包括充電總線和放電總線；所述能量轉(zhuǎn)移電路包括電容C、二極管Dl和D2、電感LI和L2、以及控制開關(guān)SWl、Sff2, SW3和SW4 ;所述電容C通過所述二極管Dl后與所述電感LI并聯(lián)，所述二極管Dl的正極與所述電容C相連；所述控制開關(guān)Sffl和SW2的一端分別與所述電感LI的兩端相連，另一端與所述放電總線相連；所述控制開關(guān)SW3和SW4的一端分別連接到所述電容C的兩端，另一端分別連接到所述電感L2的兩端；所述電感L2通過所述二極管D2后連接到所述充電總線上，所述二極管D2的正極與所述電感L2相連。所述充放電開關(guān)組單元、所述充放電總線單元、所述能量轉(zhuǎn)移電路和所述均衡控制器集成在一個IC微處理器中。所述能量轉(zhuǎn)移電路中的控制開關(guān)均由一個MOSFET管和一個導(dǎo)通電壓為0.2 0.3V的二極管組成，所述二極管與所述MOSFET管內(nèi)寄生二極管的極性相反。所述MOSFET管采用高側(cè)驅(qū)動方式驅(qū)動。所述MOSFET管的柵極驅(qū)動器為專有芯片或者分立元件電路。所述均衡控制器包含脈沖控制模塊，以通過脈沖控制所述控制開關(guān)的開啟和關(guān)斷。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果:(1)通過電感作為充放電儲能元件，通過電容作為能量緩沖元件，有效的克服了電感均衡在開關(guān)開啟和關(guān)斷瞬間感生高壓電動勢的缺點(diǎn)。(2)通過開關(guān)管的開啟關(guān)斷順序來實(shí)現(xiàn)兩單體電池的有效隔離，對比常見的變壓器隔離的DC-DC方案和變壓器方案，省去了復(fù)雜的變壓器，從而克服了漏磁，磁飽和帶來的效率問題，大大簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。(3 )對比電容均衡方案，利用電感的自感來給電池充放電，克服了電容均衡時開關(guān)管分壓造成的效率問題。(4)本實(shí)用新型可以只使用一套均衡電路，結(jié)構(gòu)簡單，允許大電流均衡，均衡時間短，均衡效率高，大大降低均衡系統(tǒng)的成本，易于產(chǎn)業(yè)化，有著良好的社會應(yīng)用前景。

圖1本實(shí)用新型實(shí)施例中主動均衡電路的整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2本實(shí)用新型實(shí)施例中均衡第一階段，開關(guān)管SW1、SW2開啟，SW3、SW4關(guān)斷時的電流流向不意圖；圖3本實(shí)用新型實(shí)施例中均衡第二階段，開關(guān)管SW1、SW2關(guān)斷，SW3、SW4開啟時的電流流向不意圖；圖4本實(shí)用新型實(shí)施例中均衡第三階段，開關(guān)管SW1、SW2開啟，SW3、SW4關(guān)斷時的電流流向示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型的技術(shù)方案。為了將動力鋰離子電池模塊的電壓不一致性均衡到可以接受的范圍內(nèi)，本實(shí)施例提出了如圖1所示的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路。該均衡電路包括鋰離子電池組、充放電總線單元、充放電開關(guān)組單元、均衡控制器和能量轉(zhuǎn)移電路。其中，鋰離子電池組包括η個串聯(lián)的鋰離子單體電池Cl Cn，鋰離子單體電池的數(shù)目η大于I。充放電開關(guān)組單元包括放電選通開關(guān)組KA和充電選通開關(guān)組ΚΒ，各開關(guān)組均包括η個開關(guān)。放電選通開關(guān)組KA中的開關(guān)KAl KAn與鋰離子電池組中的鋰離子單體電池一一對應(yīng)連接，將各鋰離子單體電池連接到放電總線上；充電選通開關(guān)組KB中的開關(guān)KBl KBn與鋰離子電池組中的鋰離子單體電池同樣一一對應(yīng)連接，將各鋰離子單體電池連接到充電總線上。[0020]能量轉(zhuǎn)移電路包括電感L1、L2、二極管D1、D2、電容C和開關(guān)管SW1、SW2、SW3、SW4。在能量轉(zhuǎn)移電路的放電側(cè)，電容C通過二極管Dl后與電感LI并聯(lián)，二極管Dl的正極與電容C相連；開關(guān)管SWl和SW2的一端分別與電感LI的兩端相連，另一端連接到放電總線上；在能量轉(zhuǎn)移電路的充電側(cè)，開關(guān)管SW3和SW4的一端分別連接到電容C的兩端，另一端分別連接到電感L2的兩端；電感L2通過二極管D2后連接到充電總線上，二極管D2的正極與電感L2相連。在能量轉(zhuǎn)移電路中，電感LI作為放電電池的儲能元件，電感L2作為充電電池的充電元件，電容C作為能量由電感LI向電感L2轉(zhuǎn)移時的能量緩沖元件。開關(guān)管SWl SW4均由一個MOSFET管和一個低導(dǎo)通壓降的二極管反向串聯(lián)而成，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的可靠截止，其中二極管的導(dǎo)通電壓為0.2^0.3V。四個MOSFET管均以高側(cè)驅(qū)動方式驅(qū)動，可以采用專有芯片或者分立元件電路作為柵極驅(qū)動器。均衡控制器包括電壓采集模塊、溫度采集模塊、過流保護(hù)模塊、過壓欠壓保護(hù)模塊和脈沖控制模塊。均衡控制器實(shí)時檢測并比較鋰離子電池組的每個鋰離子單體電池的電壓，當(dāng)鋰離子單體電池電壓出現(xiàn)不一致時，控制充放電開關(guān)組單元選通電壓過高的鋰離子單體電池和電壓過低的鋰離子單體電池，將電壓過高的鋰離子單體電池接入到能量轉(zhuǎn)移電路的放電側(cè)，將電壓過低的鋰離子單體電池接入到能量轉(zhuǎn)移電路的充電側(cè)，并按照特定時序產(chǎn)生脈沖控制信號來控制四個開關(guān)管SWl SW4的開啟和關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)高壓電池向低壓電池充電。均衡控制器可以控制·脈沖的產(chǎn)生、停止、頻率調(diào)制(PFM)和脈寬調(diào)制(PWM)，并通過對脈沖的控制來控制開關(guān)管SWf SW4的開啟和關(guān)斷。本實(shí)施例中均衡控制器通過開關(guān)組KA選出端電壓最高的單體電池CELL_H作為放電電池連接到放電總線上,通過開關(guān)組KB選出端電壓最低的單體電池CELL_L作為充電電池連接到充電總線上后，主動均衡過程開始。整個均衡過程分為三個階段。均衡控制器選擇開啟開關(guān)管SWl和SW2，進(jìn)入主動均衡的第一階段，如圖2所示。此時，由于二極管Dl的反向截止作用，其之后的元器件被斷開，電流只能由放電電池CELL_H的正極通過電感LI流回放電電池CELL_H的負(fù)極，圖2中的箭頭表示的即是電流的流向。流經(jīng)電感LI的電流隨著開關(guān)管SW1、SW2導(dǎo)通的時間線性增大，最大電流取決于開關(guān)管SW1、SW2導(dǎo)通的時間。當(dāng)電感LI的電流達(dá)到要求的電流值時，均衡控制器控制關(guān)斷開關(guān)管SWl和SW2，上述要求的電流值為經(jīng)驗(yàn)值。此時由于物理?xiàng)l件限制，且以免放電電池CELL_H和充電電池CELL_L直通造成電池模塊內(nèi)部短路，會有一個短暫的死區(qū)時間，延時開啟開關(guān)管SW3和SW4。也就是第一階段和第二階段之間會有短暫的緩沖階段，此時開關(guān)管SWl SW4均關(guān)閉。電流由電感LI流向電容C，由于電容允許電流突變，故這個過程是個平順的過程，電感的電壓不會突變。經(jīng)過一定延時后，均衡控制器控制開啟開關(guān)管SW3和SW4，從而進(jìn)入均衡第二階段，如圖3所示。此時電流一方面繼續(xù)流向電容C，另一方面流向電感L2，圖3中箭頭表示的是此時電流的流向。由于電感LI和電容C之間是單向電路，電流不能通過電容C回到電感LI ;電感L2和電容C構(gòu)成振蕩電路，電量可以完全由電容C轉(zhuǎn)移至電感L2，也就是電量會在一定時間完全由電感LI轉(zhuǎn)移至電感L2，此時關(guān)斷開關(guān)管SW3、SW4。均衡控制器控制關(guān)斷充電側(cè)開關(guān)管SW3和SW4后，延時一段時間再開啟開關(guān)管SWl和SW2。同樣的，以免放電電池CELL_H和充電電池CELL_L直通造成電池模塊內(nèi)部短路，上述關(guān)斷開關(guān)管SW3和SW4之后，會有一個短暫的死區(qū)時間，延時開啟開關(guān)管SW1、SW2。也就是均衡第二階段和均衡第三階段之間會有短暫的緩沖階段，此階段電流由電感L2流向充電電池CELL_L，由于電感L2存在于回路中，這個緩沖階段也是一個平順的過程。放電側(cè)開關(guān)管SWl和SW2開啟后，進(jìn)入均衡第三階段，如圖4所示。此時均衡電路的放電側(cè)已經(jīng)進(jìn)入下一個均衡周期，也即均衡第一階段。均衡電路的充電側(cè)進(jìn)入第三階段，即電感L2強(qiáng)制給充電電池CELL_L充電，且由于二極管D2的單向?qū)ㄗ饔?，這個過程是不可逆的，圖4中箭頭表示的是此時電流的方向。通過上述過程完成一個充放電均衡過程后，如果電池的一致性仍然不符合要求，將不停地重復(fù)第二階段和第三階段，也即第二階段和第三階段構(gòu)成一個完整的均衡周期。綜上可知，從開始均衡的第一個周期之后，充放電是同時進(jìn)行的，和現(xiàn)有的很多DC-DC主動均衡方案相比，本實(shí)用新型的技術(shù)方案節(jié)約了將近一半的時間。上述均衡過程中，均衡控制器控制兩組開關(guān)管的開啟和關(guān)斷有順序地進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了放電電池和充電電池的有效隔斷。兩組開關(guān)管在順序開啟時有足夠的死區(qū)時間，不會同時處于導(dǎo)通的狀態(tài)，避免了兩個單體電池的直連。電容C作為能量緩沖元件，在充電側(cè)開關(guān)管SWl和SW2關(guān)斷的瞬間，構(gòu)成電感LI電流流經(jīng)的回路，避免了電感電流的突變，沒有電壓突變現(xiàn)象，克服了電感式均衡的弱點(diǎn)。本實(shí)用新型可以只使用一套均衡電路，通過均衡控制器對兩個開關(guān)組內(nèi)的開關(guān)進(jìn)行選通控制，即可實(shí)現(xiàn)具有η個單體電池的電池模塊的主動均衡。同時從均衡過程中可以看出，本實(shí)用新型有效地實(shí)現(xiàn)了脈沖控制的充放電的同步進(jìn)行，大大提高了均衡效率。本實(shí)用新型的動力鋰離子電池模塊主動均衡電路及其均衡方法具有控制簡單，均衡電流大，均衡效率高、成本低的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)電池模塊內(nèi)任意兩個單體電池間的均衡，在保證電池間高效均衡的前提下，大大降低了均衡系統(tǒng)的成本。上述的對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用本實(shí)用新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實(shí)用新型不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的揭示，不脫離本實(shí)用新型范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:包括鋰離子電池組、充放電開關(guān)組單元，充放電總線單元，能量轉(zhuǎn)移電路和均衡控制器； 所述鋰離子電池組包含一個以上的鋰離子單體電池，通過所述充放電開關(guān)組單元連接到所述充放電總線單元上；所述能量轉(zhuǎn)移電路兩側(cè)分別與所述充放電總線單元相連； 所述均衡控制器分別與所述能量轉(zhuǎn)移單元、所述開關(guān)組單元及所述鋰離子電池組相連，以控制所述充放電開關(guān)組單元選通所需充放電的鋰離子單體電池到所述能量轉(zhuǎn)移電路中并進(jìn)行充放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于: 所述充放電開關(guān)組單元包含開關(guān)數(shù)目均等于所述鋰離子電池組中鋰離子單體電池數(shù)目的充電選通開關(guān)組和放電選通開關(guān)組，且所述充電選通開關(guān)組和所述放電選通開關(guān)組中的開關(guān)均與所述鋰離子單體電池一一對應(yīng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述充放電總線單元包括充電總線和放電總線；所述能量轉(zhuǎn)移電路包括電容C、二極管Dl和D2、電感LI和L2、以及控制開關(guān)SW1、SW2、SW3和SW4 ； 所述電容C通過所述二極管Dl后與所述電感LI并聯(lián)，所述二極管Dl的正極與所述電容C相連；所述控制開關(guān)SWl和SW2的一端分別與所述電感LI的兩端相連，另一端與所述放電總線相連； 所述控制開關(guān)SW3和SW4的一端分別連接到所述電容C的兩端，另一端分別連接到所述電感L2的兩端；所述電感L2通過所述二極管D2后連接到所述充電總線上，所述二極管D2的正極與所述電感L2相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述充放電開關(guān)組單元、所述充放電總線單元、所述能量轉(zhuǎn)移電路和所述均衡控制器集成在一個IC微處理器中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述能量轉(zhuǎn)移電路中的控制開關(guān)均由一個MOSFET管和一個導(dǎo)通電壓為0.2^0.3V的二極管組成，所述二極管與所述MOSFET管內(nèi)寄生二極管的極性相反。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述MOSFET管采用高側(cè)驅(qū)動方式驅(qū)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述MOSFET管的柵極驅(qū)動器為專有芯片或者分立元件電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，其特征在于:所述均衡控制器包含脈沖控制模塊，以通過脈沖控制所述控制開關(guān)的開啟和關(guān)斷。
專利摘要本實(shí)用新型提出了一種動力鋰離子電池模塊的主動均衡電路，屬于電動汽車電池管理技術(shù)領(lǐng)域。該均衡電路包括鋰離子電池組、充放電開關(guān)組單元、充放電總線單元、能量轉(zhuǎn)移電路和均衡控制器。其中，充放電開關(guān)組單元將電池組連接到充放電總線單元上，能量轉(zhuǎn)移電路的兩側(cè)也連接到充放電總線單元上，均衡控制器與電池組、開關(guān)組單元和能量轉(zhuǎn)移電路相連，實(shí)時監(jiān)測鋰離子單體電池的電壓、控制開關(guān)組單元選通需要充放電的鋰離子單體電池，并控制能量轉(zhuǎn)移電路實(shí)現(xiàn)所選鋰離子單體電池的充放電。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有動力鋰離子電池模塊的缺點(diǎn)，具有控制簡單，均衡電流大，均衡效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02J7/00GK203071614SQ20132002833
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者孫澤昌, 王代壯, 戴海峰 申請人:同濟(jì)大學(xué)