专利名称：一种低损耗大电流动力电池均衡方法
一种低损耗大电流动力电池均衡方法本发明属于电池管理系统中的均衡技术领域，主要涉及的是一种低损耗大电流动力电池均衡方法。在动力电池作为能量存储单元的应用场合，为了满足大功率、大容量的需要，通常将电池串联成组使用。然而，由于单体电池间必然存在不一致性，导致了一系列的问题，诸如循环寿命缩短、利用效率降低、管理维护困难等。尤其对于充放电电压要求严格的锂动力电池来说，这些问题表现得尤为突出，一定程度上影响了新能源产业的发展。因此，利用均衡技术有效地解决不一致性所带来的问题，改善电池的使用状态，是电池应用研究中的一项重要课题。按照均衡开启过程中能量的损耗程度，可将均衡分为损耗型和无损型(并非完全无损，指低损耗)。其中，损耗型主要基于功率电阻可控分流的方法，一般用于实现充电均衡，每个单体电池均并联有分流支路，需要时可将电池的能量以热的形式散发出去，由于发热量大，该方式无法实现大电流均衡，通常均衡电流不大于2A。无损型则主要基于变压器、 电感、电容等储能元件进行能量转移，可在充电、放电、或静态下工作，均衡过程中能量损耗较少，从而发热量小，均衡电流一般可以做到5A以上。目前常见的低损耗型均衡方法主要有跨接电容法、多次级变压器法、DC/DC变换法等，然而也存在着控制电路复杂、结构不灵活、成本高等或多或少的问题。另外，对于要求快速充电的应用场合，现在所能达到的均衡电流无法满足要求。针对以上这些问题，本发明基于低损耗分流原理提出了一种充放电均衡电流可达 30A的动力电池均衡方法。从而使得电池组在充电后期仍能够以较大电流进行充电，大大缩短了充电时间。在放电过程中，通过均衡放电充分利用电池组中每节电池的容量，延长放电时间，进而达到延长电池使用寿命的效果。本发明实现上述目的采取的技术方案是均衡电路在拓扑上完全对称，其中，节点 A和K分别连接单体电池的正负极；能量存储单元L为感性元件，具体可以是软磁芯变压器、或耦合线圈等；Ql和Q2为低通态阻抗功率M0SFET，用作通断控制开关，以降低通态损耗；吸收器Sl和S2分别连接于储能单元的两端，用于抑制MOSFET在断开电流信号时所产生的电压尖峰；由于工作在较高的开关频率，必须增加开关管驱动电路以提供合适的门极电压和驱动电流。本发明的工作原理是当均衡器工作时，Ql闭合，与之连接的变压器原边电流逐渐增大，能量储存在磁芯和气隙中，在磁芯饱和之前，将Ql断开，同时闭合Q2，改变均衡器的电流方向，通过变压器副边将部分能量转移至电池，当电流减小至0时，可以选择断开 Q2，完成一个均衡周期。为了避免Ql和Q2发热不均勻，下一个均衡周期将与Q2相连的部分看作原边，首先Q2导通，然后在断开Q2的同时闭合Q1。如此循环交替运行，即可实现稳定的均衡电流。均衡电流的调节通过改变均衡周期的大小实现，在一个正常的均衡周期结束后插入可变的间歇时间即可，如果间歇时间为0，则达到最大的均衡电流。均衡周期的示意图如图2所示。T为一个完整均衡周期，Toff为间歇时间。由以上描述可知，Ql和Q2两边的工作状态完全相同，因而不存在发热不均的问题，在控制上也不严格区分原边和次边，操作更加简单。在应用时，每个单体电池安装1个均衡器，彻底实现了模块化，使得电池成组的灵活性达到最优。以下对充电和放电过程中均衡器的工作原理进行说明。
图1为本发明充电均衡系统工作原理示意图。图2为本发明控制时序原理示意图。图3a为本发明没有启动均衡的状态原理示意图。图北为均衡电流原理示意图。图3c为均衡电流等于充电电流的状态原理示意图。图4为放电均衡系统工作原理示意图，图5为均衡器的系统结构框图。以下是本均衡方法的一个具体实施例。为了配合均衡电路的可靠运行，均衡器本身还必须具备单体电池参数的监测功能，主要包括电池电压、温度的监测，另外还必须有通讯接口，可以和BMS控制器进行通讯。图3a为没有启动均衡的状态，流过电池组中每个单体电池的电流均为Itl ；在充电后期，由于电池的不一致性，总有个别电池的电压升高较快，率先达到均衡点，此时需要开启均衡，控制电压的上升，使大电流充电过程得以继续。不失一般性，假设第2节电池电压超过均衡起始点电压，则与之连接的均衡器2启动均衡功能。均衡电流可根据应用需要进行设置，图北为均衡电流I2小于充电电流Itl的状态，此时等效于电池2以较小电流I1进行充电；图3c为均衡电流等于充电电流的状态， 此时等效于电池2不进行充电，充电电流完全从均衡器2流过，继续给其它电池充电。由于各均衡器之间独立工作，没有相互影响，因此在充电过程中，可以同时启动1 个或多个均衡器。图4为放电均衡系统工作原理示意图，由N节电池串联组成的电池组对负载进行放电。在实际应用中，放电电流通常含有大量的瞬变信号，不利于均衡电流的控制，但其基本均衡原理不变，为了便于分析，下面仍以固定的放电电流为例对其原理进行说明。其中图如为没有启动均衡的状态，此时，所有电池的放电电流均相等；当某个电池的电压降低到放电均衡点时，均衡开启。同样，假设第2节电池先达到均衡点，图4b为均衡电流小于放电电流的状态，此时电池2以较小的电流I1向负载提供能量；图如为均衡电流等于放电电流的状态，此时电池2不再向负载提供能量，而是由均衡器2提供一个放电路径，在这两种状态下，均衡器不同程度上保护了容量较小的电池，最终使电池组中的所有电池达到相对一致的放电深度。同样，在放电过程中，也可以同时开启1个或多个均衡器。图5为均衡器的系统结构框图。它包括升压变换、均衡电路、温度监测、电压检测、 单片机系统、双向隔离以及通讯接口等模块。其中升压变换用于将电池电压变换为两路稳定的电压输出信号，其中一路用于均衡电路的驱动，另一路给单片机系统供电；均衡电路为均衡器的功率部分，是均衡电流的流通路径；温度监测模块用于实时测量电池的温度，电压监测模块用于实时测量电池的电压，温度和电压这两组数据经过单片机处理后向外发送； 单片机系统是均衡器的控制核心，根据电池的参数控制均衡器的工作状态；均衡器通过通讯接口与管理主机相连接，由于多节电池串联后有很高的共模电压存在，必须使用双向隔离电路对通讯接口进行隔离。
权利要求
1.一种低损耗大电流动力电池均衡方法，其特征是在拓扑上完全对称，其中，节点A 和K分别连接单体电池的正负极；能量存储单元L为感性元件，具体可以是软磁芯变压器、 或耦合线圈等；Ql和Q2为低通态阻抗功率M0SFET，用作通断控制开关，以降低通态损耗； 吸收器Sl和S2分别连接于储能单元的两端，用于抑制MOSFET在断开电流信号时所产生的电压尖峰；由于工作在较高的开关频率，必须增加开关管驱动电路以提供合适的门极电压和驱动电流。
2.根据权利要求1所述的一种低损耗大电流动力电池均衡方法，其特征是所述的均衡器工作时，Ql闭合，与之连接的变压器原边电流逐渐增大，能量储存在磁芯和气隙中，在磁芯饱和之前，将Ql断开，同时闭合Q2，改变均衡器的电流方向，通过变压器副边将部分能量转移至电池，当电流减小至0时，可以选择断开Q2，完成一个均衡周期。
3.根据权利要求1所述的一种低损耗大电流动力电池均衡方法，其特征是所述的均衡器它包括升压变换、均衡电路、温度监测、电压检测、单片机系统、双向隔离以及通讯接口等模块，其中升压变换用于将电池电压变换为两路稳定的电压输出信号，其中一路用于均衡电路的驱动，另一路给单片机系统供电。
4.根据权利要求1所述的一种低损耗大电流动力电池均衡方法，其特征是所述均衡器的均衡电路为均衡器的功率部分，是均衡电流的流通路径；温度监测模块用于实时测量电池的温度，电压监测模块用于实时测量电池的电压，温度和电压这两组数据经过单片机处理后向外发送。
5.根据权利要求1所述的一种低损耗大电流动力电池均衡方法，其特征是所述均单片机系统是均衡器的控制核心，根据电池的参数控制均衡器的工作状态；均衡器通过通讯接口与管理主机相连接，由于多节电池串联后有很高的共模电压存在，必须使用双向隔离电路对通讯接口进行隔离。
全文摘要
本发明公开的一种低损耗大电流动力电池均衡方法在拓扑上完全对称，其中，节点A和K分别连接单体电池的正负极；能量存储单元L为感性元件，具体可以是软磁芯变压器、或耦合线圈等；Q1和Q2为低通态阻抗功率MOSFET，用作通断控制开关，以降低通态损耗；吸收器S1和S2分别连接于储能单元的两端，用于抑制MOSFET在断开电流信号时所产生的电压尖峰；由于工作在较高的开关频率，必须增加开关管驱动电路以提供合适的门极电压和驱动电流。从而使得电池组在充电后期仍能够以较大电流进行充电，大大缩短了充电时间。在放电过程中，通过均衡放电充分利用电池组中每节电池的容量，延长放电时间，进而达到延长电池使用寿命的效果。
文档编号H02J7/00GK102270773SQ201010192408
公开日2011年12月7日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者张昉, 王燕房, 赵明渊, 赵星 申请人:凯迈(洛阳)电子有限公司