专利名称：一种动力锂离子电池的主动均衡系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种主动均衡系统，尤其是一种动力锂离子电池的主动均衡系统，属于动力锂离子电池的技术领域。
背景技术：
动力锂离子电池多采用串联方式连接，由于各单体锂离子电池在制造、初始容量、 电压、内阻以及锂离子电池组中各单体锂离子电池的温度等方面均不完全相同，在使用过程中，会造成某单体锂离子电池的过充电和过放电现象，严重时会造成个别锂离子电池的容量比其他锂离子电池都低，在放电过程中，其电量在放电过程中，其电量首先放完。为了对串联后的动力锂离子电池进行保护，不得不停止整个电池组的放电，对整个锂离子电池使用时间和容量造成极大的伤害。实际上一组锂离子电池中的实际放出的容量是由实际容量最小的那块锂离子电池所决定的，即该锂离子电池容量告终时，其他锂离子电池无法继续工作。动力锂离子的充电过程中也是如此。在充电过程中，首先放完电的锂离子电池，又会首先被充满，这样就会出现过充电的现象，使得整个锂离子电池组不能正常被充满电。因此在混合动力电动汽车的储能电池工作过程中，锂离子电池间的不均衡性是影响锂离子电池工作的一个非常有害的因素，对电池组进行均衡控制是十分有必要。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种动力锂离子电池的主动均衡系统，其使用操作方便，延长电池的使用寿命，适应性好，安全可靠。按照本实用新型提供的技术方案，所述动力锂离子电池的主动均衡系统，包括由若干单体电池串联组成的电池模块，所述电池模块通过电池组电压采样模块与均衡控制器的输入端相连；电池模块内任意单体电池通过单体电池电压测量模块与均衡控制器的输入端相连，电池模块内任意单体电池均与电量均衡模块相连，电量均衡模块与均衡控制器的输出端相连；电池组电压采样模块将电池模块的电压采样输入到均衡控制器内，单体电池电压测量模块将电池模块内相应单体电池电压输入到均衡控制器内；均衡控制器根据电池模块的采样电压值及相应单体电池的数量计算电池模块内单体电池的平均电压值，并将相应平均电压值与电池模块内所有单体电池电压相比较；当单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值间与均衡控制器设定的电压关系相对应时，均衡控制器向电量均衡模块输出均衡控制信号，对电池模块内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值与均衡控制器内设定的电压关系相匹配。所述电量均衡模块包括变压器Tl，所述变压器Tl初级线圈的中心抽头与电池模块的负极端相连，电池模块的正极端接地；电池模块内任意单体电池的正、负极端均设有测量开关，单体电池两端的测量开关与变压器Tl次级线圈的两端对应相连，变压器Tl初级线圈的一端通过第一均衡开关接地，另一端通过第二均衡开关接地，第一均衡开关及第二均衡开关的控制端分别与均衡控制器的输出端相连；单体电池两端测量开关的控制端与均衡控制器的输出端相连；单体电池电压测量模块包括运算放大器，所述运算放大器的同相端、 反相端与变压器Tl次级线圈的两端对应相连，运算放大器的输出端与均衡控制器的输入端相连。所述变压器Tl次级线圈的一端通过正极总线与电池模块内单体电池正极端的测量开关相连，变压器Tl次级线圈的另一端通过负极总线与电池模块内单体电池负极端的测量开关相连。所述单体电池两端的测量开关、第一均衡开关及第二均衡开关均采用场效应管； 第一均衡开关及第二均衡开关相应的漏极端与变压器Tl初级线圈的两端对应相连，第一均衡开关及第二均衡开关相应的源极端接地，第一均衡开关及第二均衡开关的栅极端与均衡控制器的输出端相连；测量开关对应的栅极端均与均衡控制器相连，测量开关对应的漏极端与单体电池对应相连，测量开关对应的源极端与变压器Tl的次级线圈相连。所述均衡控制器将电池模块内单体电池的电压与单体电池的平均电压值相比较， 当IUmax-UaveI φ IUmin-UaveI时，通过电量均衡模块对所述电压值最大的单体电池进行上限均衡；当|umax-uj π |umin-uj时，通过电量均衡模块对所述电压值最小的单体电池进行下限均衡；Umax表示电压值最大的单体电池电压，Ullin表示电压值最小的单体电池电压。本实用新型的优点通过电池组电压采样模块间电池模块的电压值输入到均衡控制器内，并得到电池模块内单体电池的平均电压值；均衡控制器通过单体电池电压测量模块对单体电池的电压值进行采样，均衡控制器间电压值最大的单体电池电压值、电压值最小的单体电池电压值与单体电池的平均电压值进行比较，能够对单体电池中最大电量的单体电池与最小电量的单体电池进行均衡，直至电池模块内所有单体电池间的电量关系与均衡控制器内单体电池电量关系相匹配，能够延长电池模块的使用寿命；电量均衡模块包括变压器Tl，在对单体电池电量均衡时，通过电能-磁能-电能的转换完成相互充电或放电的过程，实现了对电池单体电量的上限或下限均衡的功能，上限均衡适合在充电过程中均衡， 防止个别电池单体过充，以保证每节电池单体的能量都能补充到相同的状态；下限均衡可以避免过放；本实用新型的主动均衡系统对上、下限均衡兼备，同时解决了电池模块的充电均衡和放电均衡，一举两得；效应高，损失功耗小，无需采用冷却措施同时改善了系统平衡， 延长电池组的工作时间及使用寿命。
图1为本实用新型的原理框图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示本实用新型包括电池模块1、负极总线2、正极总线3、电池组电压采样模块4、均衡控制器5、电量均衡模块6、测量开关控制总线7及单体电池电压测量模块8。如图1所示所述电池模块1由2η个单体电池串联组成，电池模块1的正极端接地，电池模块1的负极端通过电池组电压采样模块4与均衡控制器5的输入端相连，电池组电压采样模块4对电池模块1的电压进行采样，并将电池模块1的电压值输入到均衡控制器5内；所述均衡控制器5为具有模数转换功能的单片机或者其他微处理器。电池模块1 内任意单体电池的两端均设置测量开关，测量开关通过单体电池电压测量模块8与均衡控制器5的输入端相连，单体电池电压测量模块8用于将电池模块1内任意单体电池的电压值均采样输入到均衡控制器5内。所述单体电池电压测量模块8与电池组电压采样模块4 均采用运算放大器U1。为了对电池模块1内相应单体电池进行均衡控制，均衡控制器5的输出端与电量均衡模块6相连。所述电量均衡模块6包括变压器Tl，所述变压器Tl初级线圈的中心抽头与电池模块1的负极端及电池组电压采样模块4，变压器Tl初级线圈的一端通过第一均衡开关SWl 接地，另一端通过第二均衡开关SW2接地，第一均衡开关SWl与第二均衡开关SW2的控制端分别与均衡控制器5相连。具体实施时，第一均衡开关SWl及第二均衡开关SW2均采用场效应管，所述场效应管的栅极端均与均衡控制器5的输出端相连，场效应管的源极端接地， 场效应管的漏极端与变压器Tl的初级线圈相连。变压器Tl次级线圈的一端通过负极总线 2与位于单体电池负极端的测量开关相连，变压器Tl次级线圈的另一端通过正极总线3与位于单体电池正极端的测量开关相连，从而将变压器Tl的次级线圈与电池模块1内所有的单体电池正、负极端相连。当单体电池两端的测量开关闭合时，且其余单体电池两端的测量开关均断开时，变压器Tl的次级线圈能够与相应的单体电池相连；能够实现对相应单体电池电量的均衡。所述测量开关也采用场效应管，所述场效应管的栅极端通过测量开关控制总线7与均衡控制器5的输出端相连，场效应管的漏极端与单体电池的电极端相连，场效应管的源极端与变压器Tl的次级线圈相连。单体电池电压测量模块8的运算放大器Ul的同相端及反相端分别与变压器Tl的次级线圈两端相连，从而实现了将单体电池正、负极两端的测量开关与运算放大器Ul相连。均衡控制器5通过电池组电压采样模块4获得电池模块1的总电压U·，由于电池模块1由2η个单体电池串联组成，因此能得到电池模块1内单体电池的平均电压值U·，即
为Uave = 。均衡控制器5通过单体电池电压测量模块8分别测量电池模块1内个单 2n
体电池相应的电压Ui, i = 1，2Λ2η。均衡控制器5内设定了单体电池的最大电压值Umax、 最小电压值Umin及单体电池的平均电压值Uare间的关系，当单体电池的电压值与单体电池的平均电压值Uave满足设定关系时，均衡控制器5通过电量均衡模块6对相应的单体电池电量进行均衡，使均衡后的电池电量与均衡控制器5内单体电池电量与电池模块1电量的关系相匹配。具体实施的优化方案为所述均衡控制器5将电池模块1内单体电池的电压与单体电池的平均电压值相比较，当IUmax-Uj Φ IUmin-Uj时，通过电量均衡模块6对所述电压值最大的单体电池进行上限均衡；当IUmax-Uj π IUmin-Uj时，通过电量均衡模块6对所述电压值最小的单体电池进行下限均衡；Umax表示电压值最大的单体电池电压，Umin表示电压值最小的单体电池电压。具体均衡时，当均衡控制器5检测出第i (i为奇数时)个电池单体&的单体电池电压Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则均衡控制器5 使第一均衡开关SWl导通，使电池模块1向变压器Tl充电，然后断开第一均衡开关SW1，闭合相应的测量Si、Si+1，变压器Tl储存的能量转移到第i个电池单体Bi上；若检测出第i (i为偶数时)电池单体&的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uare相差最大，并满足下限均衡的条件时，则均衡控制器5使第二均衡开关SW2导通，使电池模块1向变压器Tl充电，然后断开第二均衡开关SW2，闭合相应的测量开关S”Si+1，变压器Tl储存的能量转移到第i个电池单体Bi上。当均衡控制器5检测出第i(i为奇数时)个电池单体Bi的单体电池电压 Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，则均衡控制器5闭合相应的测量开关Si、Si+1，使电池单体Bi向变压器Tl充电，然后断开测量开关Si、Si+1，闭合第一均衡开关SW1，变压器Tl存储的能量转移到电池模块1内；当测出第i(i为偶数时)电池单体Bi的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uare相差最大，并满足上限均衡的条件时， 则均衡控制器5闭合相应的测量开关Si、Si+1，使电池单体Bi向变压器Tl充电，然后断开测量开关S” Si+1，闭合第二均衡开关SW2，变压器Tl存储的能量转移到电池模块1内。均衡控制器5通过对单体电池的电压值比较，来对电池模块1内单体电池的电量进行均衡。单体电池通过均衡控制器5及电量均衡模块6进行均衡后，使得单体电池的电压值Ui与单体电池的平均电压值Uave间的差值小于等于50 μ V时，均衡控制器5完成对电池模块1内单体电池的均衡过程。均衡控制器5内也根据工作需要设定相应的均衡参数，当单体电池的电压值Ui与单体电池的平均电压值Uare间的差值满足相应的均衡参数后，均衡控制器5完成对单体电池的均衡控制。为了对上述动力锂离子电池进行主动均衡，所述动力锂离子电池的主动均衡方法包括如下步骤a、提供电池模块1，所述电池模块1由2η个单体电池依次串联组成，η为正整数； 电池模块1的正极端接地，电池模块1的负极端通过电池组电压采样模块4与均衡控制器5 的输入端相连，电池组电压采样模块4将电池模块1的电压Usum输入到均衡控制器5内，并得到电池模块1内单体电池的平均电压值Uare ；单体电池的平均电压值Uare为算术平均值；b、在上述单体电池的两端均设置测量开关，与单体电池正极端相连的测量开关通过正极总线3与变压器Tl次级线圈的一端相连，与单体电池负极端相连的测量开关通过负极总线2与变压器Tl次级线圈的另一端相连；变压器Tl次级线圈的两端与单体电池电压测量模块8的输入端相连，变压器Tl初级线圈的一端通过第一均衡开关SWl接地，另一端通过第二均衡开关SW2接地；第一均衡开关SW1、第二均衡开关SW2及测量开关的控制端均与均衡控制器5的输出端相连；C、断开第一均衡开关SWl及第二均衡开关SW2，依次闭合单体电池两端相应的测量开关，对电池模块1内的单体电池电量进行依次循环测量，单体电池电压通过单体电池电压测量模块8输入至均衡控制器5内；对电池模块1内的单体电池电量测量时，断开第一均衡开关SWl及第二均衡开关 SW2 ；均衡控制器5先闭合单体电池Bl两侧的测量开关Sl及测量开关S2，单体电池电压测量模块8将单体电池Bl的电压输入到均衡控制器5内；然后均衡控制器5断开测量开关 Si，并闭合第三测量开关S3，单体电池电压测量模块8将单体电池B2的电压输入到均衡控制器5内，均衡控制器5依次控制电池模块1内单体电池两端的测量开关，直至将2η个单体电池的电压值均输入到均衡控制器5内；均衡控制器5控制相应测量开关的闭合时间为 0. Ims ；d、均衡控制器5将步骤c得到单体电池的电压与步骤a中得到的单体电池的平均电压值Uave相比较；均衡控制器5通过变压器Tl、第一均衡开关SWl及第二均衡开关SW2对电量高的单体电池进行上限均衡、对电量低的单体电池进行下限均衡；均衡控制器5对电池模块1内单体电池均衡控制时，均衡控制器5将单体电池中最大电压值及最小电压值与单体电池的平均电压值Uave相比较，当|umax-uave| Φ IUfflin-UavJ 时，对所述电压值最大的单体电池进行上限均衡；当Iumax-UareI π IUfflin-UavJ时，对所述电压值最小的单体电池进行下限均衡；Umax表示电压值最大的单体电池电压，Umin表示电压值最小的单体电池电压；当均衡控制器5检测出第i (i为奇数时)个电池单体Bi的单体电池电压Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足下限均衡的条件时，则均衡控制器5使第一均衡开关SWl导通，使电池模块1向变压器Tl充电，然后断开第一均衡开关SW1，闭合相应的测量Si、Si+1，变压器Tl储存的能量转移到第i个电池单体Bi上；若检测出第i (i为偶数时) 电池单体&的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uare相差最大，并满足下限均衡的条件时， 则均衡控制器5使第二均衡开关SW2导通，使电池模块1向变压器Tl充电，然后断开第二均衡开关SW2，闭合相应的测量开关S” Si+1，变压器Tl储存的能量转移到第i个电池单体 BJ ；当均衡控制器5检测出第i (i为奇数时)个电池单体Bi的单体电池电压Ui与单体电池的平均电压值Uave相差最大，并满足上限均衡的条件时，则均衡控制器5闭合相应的测量开关S” Si+1，使电池单体Bi向变压器Tl充电，然后断开测量开关S” Si+1，闭合第一均衡开关(SWl)，变压器Tl存储的能量转移到电池模块1内；当测出第i(i为偶数时)电池单体Bi的电压Ui与电池组单体的平均电压值Uare相差最大，并满足上限均衡的条件时，则均衡控制器5闭合相应的测量开关Si、Si+1，使电池单体Bi向变压器Tl充电，然后断开测量开关Si、Si+1，闭合第二均衡开关SW2，变压器Tl存储的能量转移到电池模块1内；直至整个电池模块1内所有单体电池的电量均与均衡控制器5内的均衡参数相匹配。本实用新型通过电池组电压采样模块4间电池模块1的电压值输入到均衡控制器 5内，并得到电池模块1内单体电池的平均电压值；均衡控制器5通过单体电池电压测量模块8对单体电池的电压值进行采样，均衡控制器5间电压值最大的单体电池电压值、电压值最小的单体电池电压值与单体电池的平均电压值进行比较，能够对单体电池中最大电量的单体电池与最小电量的单体电池进行均衡，直至电池模块1内所有单体电池间的电量关系与均衡控制器5内单体电池电量关系相匹配，能够延长电池模块1的使用寿命；电量均衡模块6包括变压器Tl，在对单体电池电量均衡时，通过电能-磁能-电能的转换完成相互充电或放电的过程，实现了对电池单体电量的上限或下限均衡的功能，上限均衡适合在充电过程中均衡，防止个别电池单体过充，以保证每节电池单体的能量都能补充到相同的状态；下限均衡可以避免过放；本实用新型的主动均衡系统对上、下限均衡兼备，同时解决了电池模块1的充电均衡和放电均衡，一举两得；效应高，损失功耗小，无需采用冷却措施同时改善了系统平衡，延长电池组的工作时间及使用寿命。
权利要求1.一种动力锂离子电池的主动均衡系统，其特征是包括由若干单体电池串联组成的电池模块(1)，所述电池模块(1)通过电池组电压采样模块(4 )与均衡控制器(5 )的输入端相连；电池模块(1)内任意单体电池两端的测量开关通过单体电池电压测量模块(8)与均衡控制器(5)的输入端相连，电池模块(1)内任意单体电池均与电量均衡模块(6)相连，电量均衡模块(6)与均衡控制器(5)的输出端相连；电池组电压采样模块(4)将电池模块(1)的电压采样输入到均衡控制器(5)内，单体电池电压测量模块(8)将电池模块(1)内相应单体电池电压输入到均衡控制器(5)内；均衡控制器(5)根据电池模块(1)的采样电压值及相应单体电池的数量计算电池模块(1)内单体电池的平均电压值，并将相应平均电压值与电池模块(1)内所有单体电池电压相比较； 当单体电池电压、电池模块(1)内单体电池的平均电压值间与均衡控制器(5)设定的电压关系相对应时，均衡控制器(5)向电量均衡模块(6)输出均衡控制信号，对电池模块(1)内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块(1)内单体电池的平均电压值与均衡控制器(5)内设定的电压关系相匹配。
2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池的主动均衡系统，其特征是所述电量均衡模块(6)包括变压器Tl，所述变压器Tl初级线圈的中心抽头与电池模块(1)的负极端相连，电池模块(1)的正极端接地；电池模块(1)内任意单体电池的正、负极端均设有测量开关，单体电池两端的测量开关与变压器Tl次级线圈的两端对应相连，变压器Tl初级线圈的一端通过第一均衡开关(Sffl)接地，另一端通过第二均衡开关(SW2)接地，第一均衡开关 (Sffl)及第二均衡开关(SW2)的控制端分别与均衡控制器(5)的输出端相连；单体电池两端测量开关的控制端与均衡控制器(5)的输出端相连；单体电池电压测量模块(8)包括运算放大器(U1)，所述运算放大器(Ul)的同相端、反相端与变压器Tl次级线圈的两端对应相连，运算放大器(Ul)的输出端与均衡控制器(5)的输入端相连。
3.根据权利要求2所述的动力锂离子电池的主动均衡系统，其特征是所述变压器Tl 次级线圈的一端通过正极总线(3)与电池模块(1)内单体电池正极端的测量开关相连，变压器Tl次级线圈的另一端通过负极总线(2)与电池模块(1)内单体电池负极端的测量开关相连。
4.根据权利要求2所述的动力锂离子电池的主动均衡系统，其特征是所述单体电池两端的测量开关、第一均衡开关(SWl)及第二均衡开关(SW2)均采用场效应管；第一均衡开关(SWl)及第二均衡开关(SW2)相应的漏极端与变压器Tl初级线圈的两端对应相连，第一均衡开关(SWl)及第二均衡开关(SW2)相应的源极端接地，第一均衡开关(SWl)及第二均衡开关(SW2)的栅极端与均衡控制器(5)的输出端相连；测量开关对应的栅极端均与均衡控制器(5)相连，测量开关对应的漏极端与单体电池对应相连，测量开关对应的源极端与变压器Tl的次级线圈相连。
专利摘要本实用新型涉及一种动力锂离子电池的主动均衡系统，其包括电池模块，电池模块通过电池组电压采样模块与均衡控制器的输入端相连；电池模块内任意单体电池通过单体电池电压测量模块与均衡控制器的输入端相连，电池模块内任意单体电池均与电量均衡模块相连，电量均衡模块与均衡控制器的输出端相连；当单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值间与均衡控制器设定的电压关系相对应时，均衡控制器向电量均衡模块输出均衡控制信号，对电池模块内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值与均衡控制器内设定的电压关系相匹配。本实用新型使用操作方便，延长电池的使用寿命，适应性好，安全可靠。
文档编号H02J7/00GK202111481SQ20112011988
公开日2012年1月11日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者谈正言 申请人:无锡市凌翔电气驱动技术有限公司