专利名称：一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路及其均衡方法
一种动力锂离子电池模块的主动均衡电路及其均衡方法技术领域
本发明属于电动汽车电池管理技术领域，涉及一种动力锂离子电池模块充放电均 衡电路及其控制方法。
背景技术：
电动汽车用动力电池模块由单体锂离子电池串联而成，由于单体锂离子电池性能 存在不一致性，在充放电时会出现单体电压不一致，从而影响和制约着整个电池模块的充 放电能力。在工作中只要有一个单体电池达到充放电电压极限，整个电池模块就要停止充 放电，否则单体电池会发生过充或过放，严重影响其寿命。对单体电池的有效均衡可以更好 的发挥电池性能，延长使用寿命。
现有的均衡分为两种一种是被动均衡，也称为能耗型均衡，通常采用在单体电池 两端并联电阻的方式，通过电阻将电能转换成热能，来达到电压平衡，既消耗了电池模块的 能量，又给电池热管理带来了困难，而且效率低下。另一种是主动均衡，也即非能耗性均衡， 按能量转换元件类型可以分为电容均衡，电感均衡，变压器均衡，双向DC-DC均衡等四种。 电容均衡电流不易控制，开关管分压也造成均衡效果不明显；电感均衡只能在相邻的单体 电池间进行，结构复杂，均衡速度受限制；变压器均衡有磁饱和和结构复杂的问题；现有双 向DC-DC均衡也存在各种设计和效率上的缺陷。发明内容
本发明的目的在于提供一种电动汽车动力锂离子电池模块充放电非耗能型均衡 电路和均衡方法，以克服现有电路存在的上述不足。为了实现上述目的，本发明的技术方案 如下
一种动力锂离子电池模块主动均衡电路，包括锂离子电池组、充放电开关组单元， 充放电总线单元，能量转移电路和均衡控制器；所述锂离子电池组包含一个以上的锂离子 单体电池,通过所述充放电开关组单元连接到所述充放电总线单元上；所述能量转移电路 两侧分别与所述充放电总线单元相连；所述均衡控制器分别与所述能量转移单元、所述开 关组单元及所述锂离子电池组相连，以控制所述开关组单元选通所需充放电的锂离子单体 电池到所述能量转移电路中并进行充放电。
所述充放电开关组单元包含开关数目均等于所述锂离子电池组中锂离子单体电 池数目的充电选通开关组和放电选通开关组，且所述充电选通开关组和所述放电选通开关 组中的开关均与所述锂离子单体电池一一对应连接。
所述充放电总线单元包括充电总线和放电总线；所述能量转移电路包括电容C、 二极管Dl和D2、电感LI和L2、以及控制开关SWl、Sff2, SW3和SW4 ;所述电容C通过所述 二极管Dl后与所述电感LI并联，所述二极管Dl的正极与所述电容C相连；所述控制开关 Sffl和SW2的一端分别与所述电感LI的两端相连，另一端与所述放电总线相连；所述控制 开关SW3和SW4的一端分别连接到所述电容C的两端，另一端分别连接到所述电感L2的两端；所述电感L2通过所述二极管D2后连接到所述充电总线上，所述二极管D2的正极与所 述电感L2相连。
所述开关组单元、所述充放电总线单元、所述能量转移电路和所述均衡控制器集 成在一个IC微处理器中。
所述控制开关由一个MOSFET管和一个导通电压为O. 2 O. 3V的二极管组成，所 述二极管与所述MOSFET管内寄生二极管的极性相反。
所述MOSFET管采用高侧驱动方式驱动。
一种用于上述动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤
(I)实时检测并比较各单体电池的端电压，计算目标单体电压，将端电压最低的单 体电池连接到所述充电总线上；将端电压最高的单体电池连接到所述放电总线上；
(2)控制所述控制开关的开启和关闭，进行主动均衡；
(3)实时监测正在均衡的两个单体电池的电压是否达到目标单体电压值，如果是 则关断四个控制开关；如果不是则不动作；
(4)检测是否还有其他单体电压不一致，如果有则返回步骤(I)进行新的循环；如 果没有则关闭所述开关组单元，系统进入低功耗状态。
所述步骤(2)中的主动均衡过程包括以下步骤
(21)开启放电侧的控制开关；
(22)当放电侧电感的电流等于需求值时，关断放电侧控制开关；
(23)开启充电侧控制开关；
(24)关闭充电侧开关；
(25 )开启放电侧控制开关，并返回步骤(22 )。
所述步骤(22)中需求值为与所述锂离子电池的容量相关的经验值。
所述步骤(23)和所述步骤(25)之前还包括延时过程。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果(I)将电感作为充放电储能元件，将 电容作为能量缓冲元件，有效地克服了电感均衡在开关开启和关断瞬间感生高压电动势的 缺点。(2)通过开关管的开启和关断顺序来实现两单体电池的有效隔离，对比常见的变压器 隔离的DC-DC方案和变压器方案，省去了复杂的变压器，从而克服了漏磁，磁饱及其带来的 效率问题，大大简化了结构，提高了效率。(3 )对比电容均衡方案，利用电感的自感来给电池 充放电，克服了电容均衡时开关管分压造成的效率问题。(4)本发明可只使用一套均衡电 路，结构简单，允许大电流均衡，均衡时间短，均衡效率高，大大降低均衡系统的成本，易于 产业化，有着良好的社会应用前景。
图1本发明实施例中均衡电路的整体结构框图2本发明实施例中均衡第一阶段，开关管SW1、SW2开启，SW3、SW4关断时的电流 流向不意图3本发明实施例中均衡第二阶段，开关管SW1、SW2关断，SW3、SW4开启时的电流 流向不意图4本发明实施例中均衡第三阶段，开关管SW1、SW2开启，SW3、SW4关断时的电流流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明的技术方案。
为了将动力锂离子电池模块的电压不一致性均衡到可以接受的范围内，本实施例提出了如图1所示的动力锂离子电池模块主动均衡电路。该均衡电路包括锂离子电池组、 充放电总线单元、充放电开关组单元、均衡控制器和能量转移电路。其中，锂离子电池组包括η个串联的锂离子单体电池Cl Cn，锂离子单体电池的数目η大于I。充放电开关组单元包括放电选通开关组KA和充电选通开关组ΚΒ，各开关组均包括η个开关。放电选通开关组KA中的开关KAl KAn与锂离子电池组中的锂离子单体电池--对应连接,从而将各锂离子单体电池连接到放电总线上；充电选通开关组中KB的开关KBl KBn与锂离子电池组中的锂离子电池单体同样--对应连接,将各锂离子单体电池连接到充电总线上。
能量转移电路包括电感L1、L2、二极管D1、D2、电容C和开关管SW1、SW2、SW3、SW4。 在能量转移电路的放电侧，电容C通过二极管Dl后与电感LI并联，二极管Dl的正极与电容C相连；开关管SWl和SW2的一端分别与电感LI的两端相连，另一端连接到放电总线上； 在能量转移电路的充电侧，开关管SW3和SW4的一端分别连接到电容C的两端，另一端分别连接到电感L2的两端；电感L2通过二极管D2后连接到充电总线上，二极管D2的正极与电感L2相连。
在能量转移电路中，电感LI作为放电电池的储能元件，电感L2作为充电电池的充电元件，电容C作为能量由电感LI向电感L2转移时的能量缓冲元件。开关管SWl SW4 均由一个MOSFET管和一个低导通压降的二极管反向串联而成，从而实现开关的可靠截止， 其中二极管的导通电压为O. 2 O. 3V。四个MOSFET管均以高侧驱动方式驱动，可以采用专有芯片或者分立元件电路作为栅极驱动器。
均衡控制器包括电压采集模块、温度采集模块、过流保护模块、过压欠压保护模块和脉冲控制模块。均衡控制器实时检测并比较锂离子电池组的每个锂离子单体电池的电压，当锂离子单体电池电压出现不一致时，控制充放电开关组单元选通电压过高的单体电池和电压过低的单体电池，将电压过高的单体电池接入到能量转移电路的放电侧，将电压过低的锂离子单体电池接入到能量转移电路的充电侧，并按照特定时序产生脉冲控制信号来控制四个开关管SWl SW4，以实现高压电池向低压电池充电。均衡控制器可以控制脉冲的产生、停止、频率调制(PFM)和脉宽调制(PWM)，并通过对脉冲的控制来控制开关管SWl SW4的开启和关断。
本发明还提出了一种用于该动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤
(I)实时检测并比较各单体电池的端电压，计算目标单体电压，将端电压最低的单体电池连接到所述充电总线上；将端电压最高的单体电池连接到所述放电总线上；其中目标电压为能够保证锂离子电池组的单体电池电压不一致性符合要求的值；`
(2)控制所述控制开关的开启和关闭，进行主动均衡；
(3)实时监测正在均衡的两个单体电池的电压是否达到目标单体电压值，如果是则关断四个控制开关；
(4)检测正在均衡的两单体电池的电压是否达到目标值，如果是，则断开所有控制 开关；若果不是，则不动作。
(5)检测是否还有其他单体电压不一致，如果有则返回步骤(I)进行新的循环；如 果没有则关闭所述开关组单元，系统进入低功耗状态。
其中，所述步骤(2)中的主动均衡过程包括以下步骤
(21)开启放电侧的控制开关；
(22)当放电侧电感的电流等于需求值时，关断放电侧控制开关；其中，需求值为与 锂离子电池的容量相关的经验值；
(23)延时一段时间，开启充电侧控制开关；
(24)关闭充电侧开关；
(25)延时一段时间，开启放电侧控制开关，并返回步骤(22)。
综上可知，主动均衡过程包括三个阶段。步骤(21)开启开关管SWl、SW2后，进入 均衡的第一阶段，如图2所示。此时，由于二极管Dl的反向截止作用，其之后的元器件被断 开，电流只能由放电电池CEEL_H的正极通过LI流回放电电池CELL_H的负极，图2中的箭 头表示的即是电流的流向。流经LI的电流随着开关管SW1、SW2导通的时间线性增大，最大 电流取决于开关管SW1、SW2导通的时间。
步骤(22)中当LI的电流达到要求的电流值时，关断放电侧开关管SW1、SW2。由于 物理条件限制，且以免放电电池和充电电池直通造成电池模块内部短路，会有一个短暂的 死区时间，故步骤(23)延时开启开关管SW3、SW4。也就是第一阶段和第二阶段之间会有短 暂的缓冲阶段，此时开关管SWl SW4均关闭。电流由电感LI流向电容C，由于电容允许电 流突变，故这个过程是个平顺的过程，电感电压不会突变。
步骤(23)控制开启开关管SW3和SW4后，进入均衡第二阶段，如图3所示。此时 电流一方面继续流向电容C，另一方面流向电感L2，图3中箭头表示的是此时电流的流向。 由于电感LI和电容C之间是单向电路，电流不能通过电容C回到电感LI ;电感L2和电容 C构成振荡电路，电量可以完全由电容C转移至电感L2,也就是电量会在一定时间完全由电 感LI转移至电感L2，此时进入步骤(24)断开开关管SW3、SW4。充电侧开关管SW3和SM 的开启时间是一个与放电侧开关管SWl和SW2的开启时间相关的经验值。
同样地，以免放电电池和充电电池直通造成电池模块内部短路，在关断开关管SW3 和SW4之后，步骤(25)会延时一个短暂的死区时间，再开启充电侧开关管SWl和SW2。也就 是均衡第二阶段和均衡第三阶段之间会有短暂的缓冲阶段，此阶段电流由电感L2流向充 电电池CELL_L，由于电感L2有回路存在，这个缓冲阶段也是一个平顺的过程。
步骤(25)开启放电侧开关管SWl和SW2后，进入均衡第三阶段，如图4所示。此 时均衡电路的放电侧已经进入下一个均衡周期，也即均衡第一阶段。均衡电路的充电侧进 入第三阶段，即电感L2强制电流给充电电池CELL_L，且由于二极管D2的单向导通作用，这 个过程是不可逆的，图4中箭头表示是此时电流的方向。
通过上述过程完成一个充放电均衡过程后，如果电池的一致性仍然不符合要求， 将不停地重复以上第二和第三阶段，也即第二和第三阶段构成一个完整的均衡周期。综上 可知，从开始均衡的第一个周期之后，充放电是同时进行的，和现有的很多DC-DC主动均衡 方案相比，本发明的技术方案节约了将近一半的时间。
上述均衡过程中，两组开关管的开启和关断有顺序地进行，实现了放电电池和充电电池的有效隔断。两组开关管在顺序开启时有足够的死区时间，不会同时处于导通的状态，避免了两个单体电池的直连。电容C作为能量缓冲元件，在充电侧开关管SWl和SW2关断的瞬间，构成电感LI电流流经的回路，避免了电感电流的突变，没有电压突变现象，克服了电感式均衡的弱点。
本发明可只使用一套均衡电路，通过对两个开关组内开关的选通控制，即可实现具有η个单体电池的电池模块的主动均衡。同时从均衡过程中可以看出，本发明有效地实现了脉冲控制的充放电的同步进行，大大提高了均衡效率。本发明的动力锂离子电池模块主动均衡电路及其均衡方法具有控制简单，均衡电流大，均衡效率高、成本低的特点，可以实现电池模块内任意两个单体电池间的均衡，在保证电池间高效均衡的前提下，大大降低均衡系统的成本。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例 做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于包括锂离子电池组、充放电开关组单元，充放电总线单元，能量转移电路和均衡控制器；所述锂离子电池组包含一个以上的锂离子单体电池，通过所述充放电开关组单元连接到所述充放电总线单元上；所述能量转移电路两侧分别与所述充放电总线单元相连；所述均衡控制器分别与所述能量转移单元、所述开关组单元及所述锂离子电池组相连，以控制所述开关组单元选通所需充放电的锂离子单体电池到所述能量转移电路中并进行充放电。
2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于所述充放电开关组单元包含开关数目均等于所述锂离子电池组中锂离子单体电池数目的充电选通开关组和放电选通开关组，且所述充电选通开关组和所述放电选通开关组中的开关均与所述锂离子单体电池一一对应连接。
3.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于所述充放电总线单元包括充电总线和放电总线；所述能量转移电路包括电容C、二极管Dl和D2、电感 LI和L2、以及控制开关SffU Sff2, SW3和SW4 ；所述电容C通过所述二极管Dl后与所述电感LI并联，所述二极管Dl的正极与所述电容C相连；所述控制开关SWl和SW2的一端分别与所述电感LI的两端相连，另一端与所述放电总线相连；所述控制开关SW3和SW4的一端分别连接到所述电容C的两端，另一端分别连接到所述电感L2的两端；所述电感L2通过所述二极管D2后连接到所述充电总线上，所述二极管 D2的正极与所述电感L2相连。
4.根据权利要求1所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于所述开关组单元、所述充放电总线单元、所述能量转移电路和所述均衡控制器集成在一个IC微处理器中。
5.根据权利要求3所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于所述控制开关由一个MOSFET管和一个导通电压为O. 2 O. 3V的二极管组成，所述二极管与所述 MOSFET管内寄生二极管的极性相反。
6.根据权利要求5所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路，其特征在于所述 MOSFET管采用高侧驱动方式驱动。
7.一种用于权利要求1所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，其特征在于包括以下步骤(1)实时检测并比较各单体电池的端电压，计算目标单体电压，将端电压最低的单体电池连接到所述充电总线上；将端电压最高的单体电池连接到所述放电总线上；(2)控制所述控制开关的开启和关闭，进行主动均衡；(3)实时监测正在均衡的两个单体电池的电压是否达到目标单体电压值，如果是则关断四个控制开关；如果不是则不动作；(4)检测是否还有其他单体电压不一致，如果有则返回步骤(I)进行新的循环；如果没有则关闭所述开关组单元，进入低功耗状态。
8.根据权利要求7所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，其特征在于所述步骤(2)中的主动均衡过程包括以下步骤(21)开启放电侧的控制开关；(22)当放电侧电感的电流等于需求值时，关断放电侧控制开关；(23)开启充电侧控制开关；(24)关闭充电侧开关；(25)开启放电侧控制开关，并返回步骤(22)。
9.根据权利要求8所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，其特征在于所述步骤(22)中需求值为与所述锂离子电池容量相关的经验值。
10.根据权利要求9所述的动力锂离子电池模块主动均衡电路的均衡方法，其特征在于所述步骤(23)和所述步骤(25)之前还包括延时过程。
全文摘要
本发明提出了一种动力锂离子电池模块主动均衡电路及其均衡方法，属于电动汽车电池管理技术领域。该均衡电路包括锂离子电池组、充放电开关组单元、充放电总线单元、能量转移电路和均衡控制器。其中，开关组单元将锂离子电池组连接到充放电总线单元上，能量转移电路的两侧也连接到充放电总线单元上，均衡控制器与锂离子电池组、充放电开关组单元和能量转移电路相连，实时监测锂离子单体电池的电压、控制开关组单元选通需要充放电的锂离子单体电池，并控制能量转移电路实现所选锂离子单体电池的充放电。本发明克服了现有动力锂离子电池模块的缺点，具有控制简单，均衡电流大，均衡效率高、成本低的优点。
文档编号H02J7/00GK103066665SQ20131001990
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月18日 优先权日2013年1月18日
发明者孙泽昌, 戴海峰, 王代壮 申请人:同济大学