专利名称：串联电池组均衡控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电池的技术领域，特别是涉及串联蓄电池组均衡控制器。
技术背景为了给设备提供足够的电压，电池组通常由多个电池串联而成，但是如果电池之间的容量失配便会影响整个电池组的容量。为此，我们需要对失配的电池进行均衡。
锂电池组通常由一个或几个电池组并联，每个电池组由3到4个电池串联构成。这种组合方式能同时满足笔记本电脑、医疗设备、测试仪器及工业应用所需的电压和功率要求。然而，这种应用普遍的配置通常并不能发挥其最大功效，因为如果某个串联电池的容量与其它电池不匹配将会降低整个电池组的容量。
电池容量的不匹配组括充电状态(SOC)(电池SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示)失配和容量/能量(C/E)失配。在两种情况下，电池组的总容量都只能达到最弱电池的容量。采用电池均衡处理技术可解决SOC和C/E失配问题，从而改进串联锂电池组的性能。通过在初始调节过程中对电池进行均衡处理可以矫正电池失配问题，此后只需在充电过程中进行均衡即可，而C/E失配则必须在充、放电过程都进行均衡。
电池均衡的定义1.如果所有电池的容量相同，那么当它们的相对充电状态一样时便实现了电池均衡。SOC通常以当前容量与额定容量的百分比来表示，因此，开路电压(OCV)可作为SOC的一个衡量标准。如果一个不均衡电池组中的所有电池可以通过差分充电达到满容量(均衡点)，它们便可以进行正常的充放电而无需任何额外的调整，通常这种调整是一次性的。用户在使用新电池时，通常需要求对电池进行长时间充电，这个过程实际上组括一次完整的放-充电。该过程使负载最小化，并使电池充电时间最长，降低对电池均衡电路的要求。
2.如果电池的容量不同，当SOC相同时也认为它们是均衡的。但SOC只是一个相对值，每个电池容量的绝对值是不同的。为了使容量不同的电池的SOC相同，每次对串联电池进行充放电时都必须使用差分电流。正常充放电的时间比初次充放电更短，并需要更大的电流。当电池组中的电池不均衡时，它的可用容量将减少，串联电池组中容量最低的电池将决定电池组的总容量。在不均衡电池组中，一个或几个电池会在其它电池尚需充电时便已达到最大容量。而在放电时，未完全充电的电池又会比其它电池先放完电，使电池组因电压不足而提前停止供电。通常，电池之间容量的差异低于3％。如果串联锂电池组的某个电池不合标准，或者在封装前放置过久，在充满电后电压差可达150mV，从而使电池组的总容量下降13-18％。SOC均衡处理如果电池组中所有电池的容量相同，我们便采用SOC均衡处理。当所有电池的SOC值相同时我们认为电池是均衡的。
单个电池的充电状态定义为SOC＝C/CTOTAL％单个电池的容量定义为C＝(i×t)mAh为了给容量不同的电池充电使它们达到同样的SOC，要求一些电池的充/放电量必须比其它电池多，这必须使用差分电流。我们将这个过程称之为容量/能量最大化。
在电池组放电时也必须如此，否则当容量最小的电池达到关断电压时，整个电池组便会停止放电，而此时其它电池仍有剩余容量，这样使总容量降低。长此以往，容量最小的电池便会比其它电池性能衰退更快，经过多个充/放电周期后将加速容量损耗。
当前流行的技术方案有动力电池组的均衡控制和管理要实现单体电压的均衡控制，均衡器是电池管理系统的核心部件，离开均衡器，管理系统即使得到了电池组测量数据，也无所作为，也就无所谓管理。随着电动汽车技术的不断发展，电池组均衡装置的需求已经迫在眉睫，已有许多研究，国外已有报道，如德国Kaiserse Lautern大学，日本本田公司等，国内技术尚未成熟。
按能量回路处理的方式分断流和分流，断流型均衡器指在监控单体电压变化的基础上，在满足一定条件时把单体电池的充电或负载回路断开，通过机械触点或电力电子部件组成开关矩阵，动态改变电池组内单体之间的连接结构，可能的断流部件有机械、继电器、半导体。电动汽车用电池组功率很大，瞬时电流可达数百安培而且双极性变化，在考虑可行性、性价比、实用性、可靠性等诸多因素，断流的实施难度极大。
分流型均衡器并不断开电池的工作回路，而是给每只电池各增加一个旁路装置，就象电池伴侣，两者合起来的特性趋于电池组内平均素质的单体电池特性。
能耗型均衡指给各单体电池提供并联电流支路，将电压过高的单体电池通过分流转移电能达到均衡目的，实现电流支路的装置可以是可控电阻，或经能量变换器带动空调、风机等耗电设备，其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现过高或过低的端电压，只适合在静态均衡中使用，其高温升等特点降低了系统可靠性，消耗能源，在动态均衡中不可能使用。
与能耗型不同，回馈型通过能量变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。理论上，当忽略转换效率时，回馈不消耗能量，可实现动态均衡。
回馈型均衡器电池电压均衡利用能量变换装置实现，依据高频开关电源(SMPS)的原理和技术设计，基本的电源电路组括非隔离式的反激式、正激式、推挽式、半桥、全桥等。充电时小容量电池充入较少能量，分流电路吸收电能，放电时分流电路补充能量，能量变换器应该实现双向变换。原则上各种电源电路经改进设计都可以实现双向，最简单的方案是用两个电源，输入与输出交叉并联，两个电路分别控制。由于受成本、体积与重量、长期工作的可靠性等因素的影响，双向单变换器比单向双变换器更有优势，是发展方向。
按均衡功能特点分充电、放电和动态均衡。充电均衡在充电过程中后期，单体电压达到或超过截止电压时，均衡电路开始工作，减小单体电流，以期限制单体电压不高于充电截止电压。与充电均衡类似，放电均衡在电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。充电截止电压和放电终止电压的设置与温度有关联。与充电和放电均衡不同，动态均衡不论在充电态、放电态，还是浮置状态，都可以通过能量转换的方法实现组中单体电压的平衡，实时保持相近的荷电程度。
充电均衡的唯一功能是防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响使得使用这种均衡得不偿失不加充电均衡时，容量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出Ah计电量略高于单体最小容量。使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充所能释放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电机控制器以组电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压足够高，而小容量单体已经过放。
放电均衡与充电均衡情形相似，大容量浅充足放，小容量过充足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品，只有动态均衡集中了两种均衡的优点，尽管单体之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。
根据均衡器处理能量的可能流向分单向和双向均衡，双向型使用双向变换器，输入输出方向动态调整。比较而言，双向型更具优势，基于均衡效率考虑，对于单向型均衡器，使用自组高压到单体低压的变换器适用于放电均衡，使用自单体低压到组高压的逆变器适合充电均衡。
最先进的均衡方案是从单体到单体，从高压单体直接把能量变换到低压单体，具有最佳的均衡效率，实现难度也较大。按单体容量大小排序C1＞C2＞…＞Cn，n是串联单体数量，平均容量为Ca＝(C1+C2+…Cn)/n，设第k只单体容量最接近平均值，即Ck＝Ca，则均衡系统的目标是从C1，C2，…，Ck-1取出能量Cout＝(C1+C2+…+Ck-1)-(k-1)Ca，转移到Ck+1，Ck+2，…，Cn。考虑到能量变换效率d，k值需要适当后移。
当把上述单向和双向变换器接向组电压的所有绕组合并为一个绕组后，就得到图2所示的集中式变换器，优点是变换器成本和技术复杂度大幅降低，主要缺点有低压绕组到各单体之间的导线长度和形状不同，变比有差异，均衡误差大。另一方面，变换器与电池组之间的n+1条功率导线的布线工艺不容易设计，车辆行驶过程中对导线的拉伸和剪切给安全带来隐患。
基于成本和均衡效率考虑，集中式可应用于助力车等中小功率、以及电池组无振动或移动的场合。一种使用单只电容器循环均衡每只单体的方法暂称飞渡电容法，也属于集中式。特点是均衡功能直接通过电容器充放电进行，但开关上瞬间开启电流很大，易出现电弧或电磁干扰，开关触点压降直接影响均衡效果。
一种均衡思路让每两只邻近的单体实现均衡，进而达到各单体之间的均衡。图3列出了3种电路形式，双向Buck Boost变换器利用电感传能，双向Cuk和开关电容网络利用电容传能，存在实现问题，设想一种情况，组中高压单体与低压单体之间间隔数只单体，从高压单体导出能量给低压，需要多只极联的变换器同时工作，到达目的单体的能量转换效率极低，极端情况与能耗型变换器接近。
发明内容
为了克服现有技术的缺点，本实用新型的目的是提供一种在串联蓄电池组充电和放电过程中用来使各单体电池状态保持均衡的动态均衡器，为实现从单体到单体的均衡而设计的串联蓄电池组均衡控制器。
为了达到本实用新型的目的，采用如下技术方案一种串联蓄电池组均衡控制器，其特征是每个单体电池都有一个放电回路和一个回馈回路，放电回路和回馈回路通过变压器进行耦合。
所述的串联蓄电池组均衡控制器，其特征是每个单体电池的放电回路有各自的电子开关和耦合线圈作为变压器的原边；所有单体电池的回馈回路公用一个耦合线圈L0，用电子开关切换到需要补充的单体电池，实现单体到单体的动态均衡。
所述的串联蓄电池组均衡控制器，其特征是其最高端的2个单体电池回馈回路中分别有一个二极管，二极管阴极与电池正极相联，二极管阳极与公共的耦合线圈L0相连；其低端的2个单体电池回馈回路中分别有一个二极管，二极管阳极与电池负极相联，二极管阴极与公共的耦合线圈L0相连。
有益效果本实用新型提供的解决方案克服了集中均衡器方法效率低的缺点，也克服了以每两只邻近的单体实现均衡来实现各单体之间均衡等方法效率低、电路复杂的缺点，发挥了从单体到单体均衡的优点，又克服了飞渡电容法开关上瞬间开启电流很大，易出现电弧或电磁干扰，开关触点压降直接影响均衡效果等缺点。
图1是现有技术的Buck或Boost单向与双向型变换器结构示意差图。
图2是现有技术的集中式变换器结构示意图。
图3是现有技术的极联式变换器结构示意图。
图4是本实用新型的串联蓄电池组均衡控制器结构示意图。
图5是本实用新型的串联蓄电池组均衡控制器工作原理图。
具体实施方式
结合附图说明本实用新型的串联蓄电池组均衡控制器结构，图4是本实用新型的串联蓄电池组均衡控制器结构示意图。图5是本实用新型的串联蓄电池组均衡控制器工作原理图。
根据上文所述，最先进的均衡方案是从单体到单体，从高压单体直接把能量变换到低压单体，具有最佳的均衡效率，实现难度也较大。
本实用新型的即是为实现从单体到单体的均衡而设计的。该设计中每一个单体都有一个放电回路和一个回馈后路。充电时将容量小的单体放电，回馈到容量大的单体，使容量大的单体充入足够的电能；放电时将容量大的单体放电，回馈到容量小的单体，以补充其容量的不足。
如图4所示，以电池单体BT2为例，其放电回路由变压器线圈L2和晶体管T6构成，放电能量由L2耦合到脉冲变压器次极线圈L0；BT2回馈回路由晶体管T2、D2和L0构成。
若在充电时测得电池单体BT1电压较高而电池单体BT3较低，则BT1容量较小而BT3容量较大，需要将BT1多余的电能回馈到BT3。这时需要将T3导通，BT3的回馈回路接通，再将T5接通一个微时间段Δt，由于脉冲变压器的电感作用，根据楞次定律，磁场将感生电压来阻止电流增大，这时感生的电压极性在L1中为上正下负，在L0中为下正上负。在回馈回路中，因二极管D1、D2、D3、D4此时为反向偏置，回馈回路中没有电流，放电能量转变为磁场能量。当T5断开时，根据楞次定律，磁场将感生电压来阻止电流减小，这时感生的电压极性在L1中为下正上负，在L0中为上正下负，L0通过T3、BT3、D3形成对BT3的充电回路，释放磁场能量。
若在充电时测得电池单体BT1电压较高而电池单体BT3较低，则BT3容量较小而BT1容量较大，需要将BT1多余的电能回馈到BT3补充其不足。均衡过程和充电时一致。闲置电池，可以用均衡的办法将容量大的单体电量转移给因自放电达到过放电临界值的电池单体，以延长存储期，避免损坏。
图中的晶体管T1～T8可以用其他电子开关代替，如MOSFET、IGBT等。
各个单体电池的电压可由A/D转换后送入单片机，单片机再根据是充电还是放电状态来确定均衡控制策略。由单片机输出信号来控制电子开关的通断。可采用脉宽调制的方法来控制传递能量的大小，或采用脉宽固定、而控制脉冲个数或频率来控制传递能量的大小。
均衡控制器由被控的电池提供电源，经由DC-DC开关电源变换电路转换为单片机及外围电路所需的稳定电源。本解决方案将单片机、A/D转换器、电子开关网络及电平转换电路、DC-DC开关电源变换电路、变压器安装在一块印刷电路板上，由一个接线端子将要与电池组连接的线引出，连接到电池组上即可工作(见图5)。可以将均衡控制器电路板作为电池组的一个部件和电池组做成一个带均衡功能的电池组。
权利要求1.一种串联蓄电池组均衡控制器，包括单片机、A/D转换器、电子开关网络及电平转换电路、DC-DC开关电源变换电路、变压器安装在一块印刷电路板上，由一个接线端子的引出线连接到电池组上，其特征是每个单体电池都有一个放电回路和一个回馈回路，放电回路和回馈回路通过变压器进行耦合。
2.根据权利要求1所述的串联蓄电池组均衡控制器，其特征是每个单体电池的放电回路有各自的电子开关和耦合线圈作为变压器的原边；所有单体电池的回馈回路公用一个耦合线圈L0，用电子开关切换到需要补充的单体电池，实现单体到单体的动态均衡。
3.根据权利要求1所述的串联蓄电池组均衡控制器，其特征是其最高端的2个单体电池回馈回路中分别有一个二极管，二极管阴极与电池正极相联，二极管阳极与公共的耦合线圈L0相连；其低端的2个单体电池回馈回路中分别有一个二极管，二极管阳极与电池负极相联，二极管阴极与公共的耦合线圈L0相连。
专利摘要本实用新型属于电池的技术领域，特别是涉及串联电池组均衡控制器。一种串联电池组均衡控制器，在于其每个单体电池都有一个放电回路和一个回馈回路，放电回路和回馈回路通过变压器进行耦合。本实用新型提供的解决方案克服了集中均衡器方法效率低的缺点，也克服了以每两只邻近的单体实现均衡来实现各单体之间均衡等方法效率低、电路复杂的缺点，发挥了从单体到单体均衡的优点，又克服了飞渡电容法开关上瞬间开启电流很大，易出现电弧或电磁干扰，开关触点压降直接影响均衡效果等缺点。
文档编号H01M10/48GK2899130SQ20052002690
公开日2007年5月9日 申请日期2005年8月3日 优先权日2005年8月3日
发明者郭文成, 孙峰, 韩其睿 申请人:郭文成, 孙峰, 韩其睿