一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路及均衡控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路及均衡控制方法，屬于電動汽車或大功率儲能電站電池管理系統(tǒng)領(lǐng)域，該該電路包括鋰離子電池組、均衡開關(guān)控制單元、變壓器均衡單元及均衡開關(guān)控制電路，鋰離子電池組包含一個以上的電池單體，鋰離子電池組通過均衡開關(guān)控制單元所控制的變壓器均衡單元控制能量在電池單體之間流動，完成均衡功能，本發(fā)明使電池能量直接由電壓高的電池流向電壓低的電池，具有高效率，低成本，控制結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路及均衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電動汽車或大功率儲能電站電池管理系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種直接式鋰離子電池均衡電路及均衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電動汽車或大功率儲能系統(tǒng)由大量電池模塊串聯(lián)組成，由于鋰離子電池單體性能上存在不一致性，在電池組充放電時，會出現(xiàn)單體電壓的不一致性。在電池組充電或放電的過程中，只要有一個電池單體達(dá)到電池的充放電電壓極限，整個電池組就要停止充放電，否則該單體就會被過充或過放，嚴(yán)重影響電池壽命，這種現(xiàn)象嚴(yán)重制約了電池的充放電能力。
[0003]目前的均衡方式分兩種。一種是有損均衡，又稱為被動均衡，通常采用與電池單體并聯(lián)電阻的方法，旁路掉多余的電能。有損均衡方式將電能轉(zhuǎn)化成了熱量，效率低下的同時，轉(zhuǎn)化成的熱量又給電池組的熱管理帶來較大的負(fù)擔(dān)。另一種是無損均衡，又稱為主動均衡，通常采用電容或電感的方法進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。也有用變壓器進(jìn)行底端或頂端均衡的做法，將電壓高的單體能量放出后，給整個電池模塊進(jìn)行充電，效率和均衡效果普遍不高，且控制開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種新型的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路及均衡控制方法，以克服現(xiàn)有均衡方法的缺點(diǎn)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:
一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其中該電路包括鋰離子電池組、均衡開關(guān)控制單元、變壓器均衡單元及均衡開關(guān)控制電路，鋰離子電池組包含一個以上的電池單體，鋰離子電池組通過均衡開關(guān)控制單元所控制的變壓器均衡單元控制能量在電池單體之間流動，完成均衡功能。
[0006]每一個電池單體對應(yīng)一個均衡開關(guān)控制單元及一個變壓器均衡單元。
[0007]每一個均衡開關(guān)控制單元包括兩個均衡控制開關(guān)，該兩個均衡控制開關(guān)與其對應(yīng)的電池單體分別相連，用以控制該電池單體的充電和放電。
[0008]每一個變壓器均衡單元包括兩個均衡繞組變壓器，該兩個均衡繞組變壓器線圈繞線方向相反，且該兩個均衡繞組變壓器分別與對應(yīng)的均衡開關(guān)控制單元的兩個均衡控制開關(guān)相連。
[0009]均衡開關(guān)控制單元由N溝道MOS場效應(yīng)管和場效應(yīng)管保護(hù)電路組成，場效應(yīng)管通過低邊驅(qū)動，是整個均衡動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
[0010]均衡開關(guān)控制電路由微處理器和開關(guān)驅(qū)動回路組成，可以產(chǎn)生控制開關(guān)場效應(yīng)管的低邊驅(qū)動脈沖信號，其控制邏輯集成在微處理器中。
[0011]本發(fā)明同時提供了一種采用了上述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路的均衡控制方法，如下:用微處理器和電壓檢測電路實(shí)時采集鋰離子電池組中各電池單體的電壓，并計(jì)算電池組中的最高電池單體電壓和最低電池單體電壓；
用微處理器控制電壓最高的電池單體的放電開關(guān)導(dǎo)通，將電能放到均衡繞組變壓器中；然后該電池單體放電開關(guān)斷開，電壓最低的電池單體的充電控制開關(guān)導(dǎo)通，均衡繞組變壓器中的能量被補(bǔ)充到該電池單體中，完成一個充放電過程；
用微處理器繼續(xù)檢測電池單體電壓，如滿足均衡條件，重新開啟一次均衡過程；如不滿足均衡條件，不再進(jìn)行均衡過程。
[0012]上述均衡條件取決于電池特性和系統(tǒng)均衡能力，實(shí)際為綜合考慮電池和系統(tǒng)因素的電池不均衡條件的限值，該均衡條件的判斷過程，還包含一定的延時過程。
[0013] 綜上，本發(fā)明使電池能量直接由電壓高的電池流向電壓低的電池，具有均衡效果好，效率高，成本低，控制結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意框圖。
[0015]圖2為電壓最高的電池單體控制結(jié)構(gòu)示圖。
[0016]圖3為電壓最高的電池單體對應(yīng)的均衡控制開關(guān)的控制脈沖圖及電流波形圖。
[0017]圖4為電壓最低的電池單體控制結(jié)構(gòu)示圖。
[0018]圖5為電壓最低的電池單體對應(yīng)的均衡控制開關(guān)的控制脈沖圖及電流波形圖。
[0019]其中，電池單體C1X6、均衡控制開關(guān)S1- S12、均衡繞組變壓L1- L120
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意框圖。本發(fā)明一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，包括鋰離子電池組C、均衡開關(guān)控制單元S、變壓器均衡單元L及均衡開關(guān)控制電路。
[0021]鋰離子電池組C包含一個以上的電池單體Cx (如圖1中的C1X6),鋰離子電池組C通過均衡開關(guān)控制單元S所控制的變壓器均衡單元L控制能量在電池單體Cx之間流動，完成均衡功能。
[0022]每一個電池單體Cx對應(yīng)一個均衡開關(guān)控制單元S及一個變壓器均衡單元L。
[0023]每一個均衡開關(guān)控制單元S包括兩個均衡控制開關(guān)Sx (如圖1中的S1- S12),該兩個均衡控制開關(guān)Sx與其對應(yīng)的電池單體Cx分別相連，用以控制該電池單體Cx的充電和放電。
[0024]每一個變壓器均衡單元L包括兩個均衡繞組變壓器Lx (如圖1中的L1- L12)，該兩個均衡繞組變壓器Lx線圈繞線方向相反，且該兩個均衡繞組變壓器Lx分別與對應(yīng)的均衡開關(guān)控制單元S的兩個均衡控制開關(guān)Sx相連。
[0025]圖1中以電池單體(:5和(:2為例，介紹了能量在均衡繞組變壓器1中的流動過程。如圖1，電池單體C5電壓最高，電池單體C2單體電壓最低，C5的能量通過均衡控制開關(guān)S10和S3的控制將能量由電池單體C5傳遞給了電池單體c2。
[0026]充放電過程介紹:
如圖2至圖5所示，假設(shè)鋰離子電池組C中，電壓最高的電池單體編號為Cm,電壓最低的電池單體編號為Cn，且電壓差范圍滿足電池不均衡條件限值，均衡過程被啟動。[0027]首先，如圖2所示，閉合均衡控制開關(guān)S2m，控制脈沖如圖3上所示，電流從電池單體Cm流出，并將電能儲存在均衡繞組變壓器L2m中，電流波形如圖3下所示。
[0028]放電過程結(jié)束后，控制脈沖關(guān)閉，均衡控制開關(guān)S2m斷開，斷開均衡控制開關(guān)S2m的同時，將電壓最低的電池單體Cn的均衡控制開*S2N_i閉合。均衡控制開關(guān)S2m斷開瞬間，均衡繞組變壓器L2m線圈電流降為零，與均衡繞組變壓器L2m繞線方向相反的均衡繞組變壓器L2n-1線圈中產(chǎn)生一個較大的反向電動勢，該反向電動勢將均衡繞組變壓器Lu線圈中的能量沖回Cn中，完成充電，如圖4和圖5所示。
[0029]均衡控制開關(guān)Si1斷開后，完成一個完整的均衡充放電過程。再次檢測電池單體電壓，如果電池單體電壓仍滿足電池不均衡條件`，繼續(xù)開啟新的均衡過程。
【權(quán)利要求】
1.一種直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其特征在于:該電路包括鋰離子電池組、均衡開關(guān)控制單元、變壓器均衡單元及均衡開關(guān)控制電路，鋰離子電池組包含一個以上的電池單體，鋰離子電池組通過均衡開關(guān)控制單元所控制的變壓器均衡單元控制能量在電池單體之間流動,完成均衡功能。
2.如權(quán)利要求1所述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其特征在于:所述每一個電池單體對應(yīng)一個均衡開關(guān)控制單元及一個變壓器均衡單元。
3.如權(quán)利要求2所述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其特征在于:所述每一個均衡開關(guān)控制單元包括兩個均衡控制開關(guān)，該兩個均衡控制開關(guān)與其對應(yīng)的電池單體分別相連，用以控制該電池單體的充電和放電，所述每一個變壓器均衡單元包括兩個均衡繞組變壓器，該兩個均衡繞組變壓器線圈繞線方向相反，且該兩個均衡繞組變壓器分別與對應(yīng)的均衡開關(guān)控制單元的兩個均衡控制開關(guān)相連。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其特征在于:所述均衡開關(guān)控制單元由N溝道MOS場效應(yīng)管和場效應(yīng)管保護(hù)電路組成，場效應(yīng)管通過低邊驅(qū)動，是整個均衡動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4中任一權(quán)利要求所述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路，其特征在于:所述均衡開關(guān)控制電路由微處理器和開關(guān)驅(qū)動回路組成，可以產(chǎn)生控制開關(guān)場效應(yīng)管的低邊驅(qū)動脈沖信號，其控制邏輯集成在微處理器中。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述的直接式鋰離子電池?zé)o損均衡電路的均衡控制方法，其特征在于: 用微處理器和電壓檢測電路實(shí)時采集鋰離子電池組中各電池單體的電壓，并計(jì)算電池組中的最高電池單體電壓和最低電池單體電壓； 用微處理器控制電壓最高的電池單體的放電開關(guān)導(dǎo)通，將電能放到均衡繞組變壓器中；然后該電池單體放電開關(guān)斷開，電壓最低的電池單體的充電控制開關(guān)導(dǎo)通，均衡繞組變壓器中的能量被補(bǔ)充到該電池單體中，完成一個充放電過程； 用微處理器繼續(xù)檢測電池單體電壓，如滿足均衡條件，重新開啟一次均衡過程；如不滿足均衡條件，不再進(jìn)行均衡過程。
7.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于:所述均衡條件取決于電池特性和系統(tǒng)均衡能力，實(shí)際為綜合考慮電池和系統(tǒng)因素的電池不均衡條件的限值。
8.如權(quán)利要求6所述的均衡控制方法，其特征在于:所述均衡條件的判斷過程，還包含一定的延時過程。
【文檔編號】H02J7/00GK103457325SQ201310399307
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】楊重山 申請人:江蘇常隆客車有限公司