一种锂电池电压均衡电路拓扑的制作方法
【专利摘要】一种锂电池电压均衡电路拓扑，属于电压均衡电路拓扑。将锂电池与两对反串联的MOSFET管并联，控制上、下桥臂的反串联MOSFET管开关状态，实现锂电池或者锂电池组与主电路连接或者旁路。在充放电过程中，根据锂电池端电压或者锂电池组组端电压，控制上、下桥臂两对MOSFET开关管开通或者关断，进而改变充放电电流的流通路径，最终达到维持各个锂电池端电压均衡的目的，并且大大提高电池包的可用容量，减少常规均衡方案对锂电池寿命的影响。在监测到某一节或者某一组锂电池出现故障时，控制开关管状态将故障电池或者电池组旁路，强制将故障电池与主电路脱离，而其他锂电池仍可以继续正常工作，为电池包的安全工作和人身安全提供可靠保障。
【专利说明】
一种裡电池电压均衡电路拓扑
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种电压均衡电路拓扑，特别是一种锂电池电压均衡电路拓扑。
【背景技术】
[0002] 近年来电动汽车迅猛发展，但锂电池容量和电压严重制约其续航里程。大量锂电 池串并联组合能够实现电池容量和电压的大幅度提高，但由于电池内阻的不一致性，在电 池的充放电过程中，会出现一些电池充满电而其他电池并未充满，或者一些电池率先放完 电而其他电池还有剩余电量的工况，导致电池包电池容量利用率低，存在部分容量未被使 用的情况。这种情况严重时会出现电池的过充或者过放电现象，进而导致电池的寿命减少 甚至发生爆炸。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是要提供一种锂电池电压均衡电路拓扑，解决传统电池均衡电路均 衡效率低、均衡策略复杂、均衡时间难以确定以及不能旁路故障电池的问题。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：该电池电压均衡拓扑的主电路由电池和M0SFET开关 管组成，每个电池两端并联四个M0SFET开关管，其中上桥臂两个M0SFET管反串联，并使用同 一个脉冲信号，下桥臂两个M0SFET管反串联，使用同一个脉冲信号；电池组正极输出端连接 在第一个锂电池的上桥臂和下桥臂之间，上桥臂的上端与电池正极连接，下桥臂的下端与 电池的负极连接，同时连接至第二个锂电池的上桥臂和下桥臂之间；在第二个上桥臂上端 和下桥臂的下端之间并联有电池，并将电池的负极连接至第三个锂电池的上桥臂和下桥臂 之间，以此类推，将最后一个锂电池的负极作为电池组的负极输出端，多个电池组并联形成 电池包;上桥臂开关管开通、下桥臂开关管关断时，锂电池接入主电路中；上桥臂开关管关 断、下桥臂开关管开通时候，对应锂电池被旁路;上桥臂开关管关断、下桥臂开关管关断时 候，锂电池与主电路脱离;通过控制上、下桥臂两对M0SFET开关管开通或者关断，改变充放 电电流的流通路径，实现各个锂电池端电压均衡。
[0005] 在充电机给电池包充电过程中，当某一锂电池电压高于组内其他锂电池端电压 时，将对应下桥臂一对M0SFET管开通，旁路对应锂电池，不再给该锂电池充电，直至组内电 压均衡。
[0006] 在充电机给电池包充电过程中，当某一组组端电压大于其他组组端电压时，将本 组所有锂电池对应上、下桥臂两对M0SFET管同时关断，该组锂电池与主电路脱离，组内所有 锂电池无法充电，直至组间电压均衡。
[0007] 在电池包放电过程中，当某一锂电池电压低于组内其他锂电池端电压时，将对应 下桥臂一对M0SFET管开通，电池与主电路旁路，不再给负载供电，直至组内电压均衡。
[0008] 在电池包放电过程中，当某一组组端电压小于其他组组端电压时，将本组所有锂 电池对应的上、下桥臂两对M0SFET管同时关断，该电池组与主电路脱离，不再给负载供电， 直至组间电压均衡。
[0009] 在电池包放电过程中，如果某一节锂电池发生故障，则将其下桥臂一对M0SFET管 同时开通，该锂电池与主电路旁路，无法给负载供电，而其他锂电池正常供电，保证系统正 常工作。
[0010] 在电池包进行放电过程中，如果某一组锂电池发生故障，则将组内所有锂电池对 应上、下桥臂两对M0SFET管同时关断，则该组锂电池与主电路脱离，无法给负载供电，而其 他锂电池组正常供电，保证系统正常工作。
[0011] 有益效果及优点：
[0012] 1、在充放电期间均可以实现电池组内、组间的电压均衡；
[0013] 2、能够实现故障电池的旁路，保护用户安全，且在电池出现故障工况下电池组仍 可以继续工作；
[0014] 3、本发明的一种新型锂电池电压均衡电路拓扑控制算法简单，易于实现。
[0015] 解决了传统电池均衡电路均衡效率低、均衡策略复杂、均衡时间难以确定以及不 能旁路故障电池的问题，达到了本发明的目的。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明锂电池电压均衡电路拓扑图。
[0017]图2为本发明充电过程中锂电池 Batn、Bat22、Bat33电压较高时均衡电流瞬时流向 图。
[0018]图3为本发明充电过程中第n组锂电池组组端电压过高时均衡电流瞬时流向图。 [0019] 图4为本发明放电过程中锂电池8&如』&七22』 &加出现电压偏低工况时均衡电流 瞬时流向图。
[0020] 图5为本发明放电过程中第n组锂电池组组端电压过低时均衡电流瞬时流向图。
[0021] 图6为本发明放电过程中故障锂电池 Bat23旁路后电流流向图。
[0022] 图7为本发明放电过程中第I组锂电池组发生故障后电流流向图。
[0023] 图8为本发明充电过程中锂电池包中三个锂电组组间电压均衡仿真图。
[0024] 图9为本发明充电过程中锂电池包内九节锂电池端电压均衡仿真图。
[0025] 图10为本发明放电过程中锂电池包中三个锂电组组间电压均衡仿真图。
[0026] 图11为本发明放电过程中锂电池包内九节锂电池端电压均衡仿真图。
[0027] 图中：I--第I组锂电池组；n--第n组锂电池组；m--第m组锂电池组；三 节锂电池串联成组后并联成为锂电池包。
【具体实施方式】
[0028]该电池电压均衡拓扑的主电路由电池和M0SFET开关管组成，每个电池两端并联四 个M0SFET开关管，其中上桥臂两个M0SFET管反串联，并使用同一个脉冲信号，下桥臂两个 M0SFET管反串联，使用同一个脉冲信号；电池组正极输出端连接在第一个锂电池的上桥臂 和下桥臂之间，上桥臂的上端与电池正极连接，下桥臂的下端与电池的负极连接，同时连接 至第二个锂电池的上桥臂和下桥臂之间；在第二个上桥臂上端和下桥臂的下端之间并联有 电池，并将电池的负极连接至第三个锂电池的上桥臂和下桥臂之间，以此类推，将最后一个 锂电池的负极作为电池组的负极输出端，多个电池组并联形成电池包;上桥臂开关管开通、 下桥臂开关管关断时，锂电池接入主电路中；上桥臂开关管关断、下桥臂开关管开通时候， 对应锂电池被旁路;上桥臂开关管关断、下桥臂开关管关断时候，锂电池与主电路脱离;通 过控制上、下桥臂两对MOSFET开关管开通或者关断，改变充放电电流的流通路径，实现各个 锂电池端电压均衡。
[0029] 在充电机给电池包充电过程中，当某一锂电池电压高于组内其他锂电池端电压 时，将对应下桥臂一对MOSFET管开通，旁路对应锂电池，不再给该锂电池充电，直至组内电 压均衡。
[0030] 在充电机给电池包充电过程中，当某一组组端电压大于其他组组端电压时，将本 组所有锂电池对应上、下桥臂两对MOSFET管同时关断，该组锂电池与主电路脱离，组内所有 锂电池无法充电，直至组间电压均衡。
[0031] 在电池包放电过程中，当某一锂电池电压低于组内其他锂电池端电压时，将对应 下桥臂一对MOSFET管开通，电池与主电路旁路，不再给负载供电，直至组内电压均衡。
[0032] 在电池包放电过程中，当某一组组端电压小于其他组组端电压时，将本组所有锂 电池对应的上、下桥臂两对MOSFET管同时关断，该电池组与主电路脱离，不再给负载供电， 直至组间电压均衡。
[0033] 在电池包放电过程中，如果某一节锂电池发生故障，则将其下桥臂一对MOSFET管 同时开通，该锂电池与主电路旁路，无法给负载供电，而其他锂电池正常供电，保证系统正 常工作。
[0034] 在电池包放电过程中，如果某一组锂电池发生故障，则将组内所有锂电池对应上、 下桥臂两对MOSFET管同时关断，则该组锂电池与主电路脱离，无法给负载供电，而其他锂电 池组正常供电，保证系统正常工作。
[0035] 以下结合附图对本发明所述的一种锂电池电压均衡拓扑及其控制算法作进一步 说明。
[0036] 实施例1:如图1所示，本发明所述的一种锂电池电压均衡拓扑由锂电池和N沟道 MOSFET管组成，每个锂电池两端并联四个MOSFET管，其中上桥臂两个MOSFET使用同一个驱 动信号，下桥臂一对MOSFET使用同一个驱动信号，即这上、下桥臂两个开关管同开同关。当 上桥臂3 1和&同时开通，下桥臂S3和S4同时关断时，对应锂电池接入主电路；当上桥臂&和& 同时关断，下桥臂S 3和S4同时开通时，对应锂电池旁路；当上桥臂31和&同时关断，下桥臂S3 和S 4同时关断时，对应锂电池与主电路脱离。
[0037]定义三个桥臂的开关状态函数如下： 1 S,和&同时开通，83和84同时关断
[0038] &=<0 呂1和82同时关断，SjPS4同时开3重
[-1 &和82同时关断，S3和84同时关断
[0039] 式中，电池包中并联电池组数i = l^_m、电池组中电池序号j = l---n
[0040] 以每组三节锂电池串联，三组锂电池并联的电池包为例，在给锂电池包充电过程 中，采样得到每个锂电池的端电压，当出现组内锂电池端电压不均衡工况时，如图2所示，当 第I组第一个锂电池 Batn电压端电压最高，第II组第三个锂电池 Bat22i压端电压最高，第 m组第二个锂电池 Bat33电压端电压最高，此时控制Sll = 0、Sl2 = l、Sl3 = l、S21= 1、S22 = 0、S23 =1、S31 = 1、S32 = 1、S33 = 0，即将三组中的电压最高的锂电池旁路，电压相对较低的电池接 入主电路，保证电压较低的锂电池充电。控制器不断采样、比较，旁路电压高的锂电池，将电 压低的锂电池接入主电路进行充电，最终实现电池组内电压均衡。
[0041 ] 在电池包充电过程中，出现锂电池组组端电压不均衡工况时，当第n组组端电压 最高，如图3所示，控制第n组内所有锂电池对应上、下桥臂两对M0SFET管同时关断，gps2j =-1 (j = 1、2、3 )，保证组内所有电池与主电路脱离，此时本组电池不再充电。直至第n组组 端电压与第I组、第m组端电压一样时候，再将第n组电池接入主电路。同理当第m组组端 电压或者第I组组端电压较高时，同样需将对应电池组与主电路脱离，最终实现电池包组间 电压均衡。
[0042] 在电池包给负载供电过程中，出现组内锂电池电压不均衡工况时，如图4所示，当 第:[组第一个锂电池8扣 12电压端电压最低，第n组第三个锂电池8扣22电压端电压最低，第 m组第二个锂电池 Bat31电压端电压最低，此时控制Sll = 1、Sl2 = 0、Sl3 = l、S21= 1、S22 = 0、S23 =1、S31 = 0、S32 = 1、S33 = 1，即将三组中的电压最低的锂电池旁路，电压相对较高的电池接 入主电路给负载供电。控制器不断采样、比较，旁路电压低的锂电池，将电压低的锂电池接 入主电路，最终实现电池组内电压均衡。
[0043] 在电池包给负载供电过程中，出现组间电压不均衡工况时，如图5所示，当第n组 组端电压出现过低的工况时，将第n组内所有锂电池对应上、下桥臂两对M0SFET管同时关 断，即&」=-1(」=1、2、3)，保证组内所有电池均不接入主电路，此时本组电池不会给负载供 电，直至第n组组端电压与第I组、第m组端电压一样时候，再将第n组电池接入主电路，继 续给负载供电。同理，当第m组组端电压或者第I组组端电压较低时，同样需将对应电池组 与主电路旁路，最终实现电池包组间电压均衡。
[0044] 在电池包给负载供电过程中，电池包中出现锂电池故障工况时，如图6所示，当第 n组第三个锂电池 Bat23出现故障，立即控制S23 = 0，将其旁路，在实际应用中由于串联电池 较多，旁路一节电池不会影响组内其他电池工作，继而保证系统正常运行。
[0045] 电池包给负载供电时候，电池包中电池组发生故障工况时，如图7所示，当第I组锂 电池组发生故障，立即将组内所有锂电池对应上、下桥臂两对M0SFET管同时关断，即控制 = -l(j = l、2、3)，将该组锂电池组与主电路脱离，而其他锂电池组正常工作，保证系统正常 运行。
[0046] 图8为充电时锂电池包内组间电压均衡仿真图，图9为充电时锂电池包内九节电池 端电压均衡仿真，将每节电池模型设定不同的初始电压，根据上述算法控制开关管动作，由 仿真波形可得，三个锂电池组组端电压以及各个电池端电压在充电过程中逐步实现电压均 衡，控制效果良好。
[0047] 图10为放电时锂电池包内组间电压均衡仿真图，图11为放电时锂电池包内九节电 池端电压均衡仿真，将每节电池模型设定不同的初始电压，根据上述算法控制开关管动作， 由仿真波形可得，三个锂电池组组端电压以及各个电池端电压在放电过程中逐步实现均 衡，控制效果良好。
【主权项】
1. 一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是：该电池电压均衡拓扑的主电路由电池和 MOSFET开关管组成，每个电池两端并联有四个MOSFET开关管，其中上桥臂两个MOSFET管反 串联，并使用同一个脉冲信号，下桥臂两个MOSFET管反串联，使用同一个脉冲信号；电池组 正极输出端连接在第一个锂电池的上桥臂和下桥臂之间，上桥臂的上端与电池正极连接， 下桥臂的下端与电池的负极连接，同时连接至第二个锂电池的上桥臂和下桥臂之间；在第 二个上桥臂上端和下桥臂的下端之间并联有锂电池，并将锂电池的负极连接至第三个锂电 池的上桥臂和下桥臂之间，以此类推，将最后一个锂电池的负极作为电池组的负极输出端， 多个电池组并联形成电池包;上桥臂开关管开通、下桥臂开关管关断时，锂电池接入主电路 中；上桥臂开关管关断、下桥臂开关管开通时候，对应锂电池被旁路;上桥臂开关管关断、下 桥臂开关管关断时候，锂电池与主电路脱离;通过控制上、下桥臂两对MOSFET开关管开通或 者关断，改变充放电电流的流通路径，实现各个锂电池端电压均衡。2. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在充电机给电池包 充电过程中，当某一锂电池电压高于组内其他锂电池端电压时，将对应下桥臂一对MOSFET 管开通，旁路对应锂电池，不再给该锂电池充电，直至组内电压均衡。3. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在充电机给电池包 充电过程中，当某一组组端电压大于其他组组端电压时，将本组所有锂电池对应上、下桥臂 两对MOSFET管同时关断，该组锂电池与主电路脱离，组内所有锂电池无法充电，直至组间电 压均衡。4. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在电池包放电过程 中，当某一锂电池电压低于组内其他锂电池端电压时，将对应下桥臂一对MOSFET管开通，电 池与主电路旁路，不再给负载供电，直至组内电压均衡。5. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在电池包放电过程 中，当某一组组端电压小于其他组组端电压时，将本组所有锂电池对应的上、下桥臂两对 MOSFET管同时关断，该电池组与主电路脱离，不再给负载供电，直至组间电压均衡。6. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在电池包放电过程 中，如果某一节锂电池发生故障，则将其下桥臂一对MOSFET管同时开通，该锂电池与主电路 旁路，无法给负载供电，而其他锂电池正常供电，保证系统正常工作。7. 根据权利要求1所述的一种锂电池电压均衡电路拓扑，其特征是:在电池包进行放电 过程中，如果某一组锂电池发生故障，则将组内所有锂电池对应上、下桥臂两对MOSFET管同 时关断，则该组锂电池与主电路脱离，无法给负载供电，而其他锂电池组正常供电，保证系 统正常工作。
【文档编号】H02J7/00GK105958570SQ201610331329
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】周娟, 刘刚, 戴鹏, 贺鹏飞, 化毅恒, 王江彬, 汪慧敏, 龙宪磊, 赵晨, 张永磊, 任国影, 毛海港
【申请人】中国矿业大学