專利名稱：一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統的制作方法
一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統本發明涉及電動汽車動力鋰電池管理系統領域，特別是一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統。在對串聯連接的蓄電池組進行充電時，由于電池組中各基本單元的電化學特性存在差異，當一些單元電池被充滿電時，而另一些單元電池尚需繼續充電，這使得被充滿電的單元發生過充電現象。過充電，對蓄電池產生非常不利的影響。相反，那些長期充電不足的蓄電池，會使蓄電池容量下降，內阻增加，造成蓄電池的早期損壞。因此，如何防止蓄電池在充電過程中出現過充和充電不足現象，引起了國內外學者的廣泛關注，提出了許多解決上述問題的方法。其中最有效，也被廣泛使用的一種方法就是定期為電池進行均衡充電，使各個電池都達到均衡一致的狀態。目前對電池組進行均衡管理的算法，主要有能量耗散型和非能量耗散型兩種。能量耗散型的典型方法是電阻均衡，如圖3所示，B1、B2----Bn為組成鋰離子電
池組的各單元電池，Kl、K2、、Kn為MCU控制的多路開關，Rl、R2、、Rn，為放電平衡電阻。當電池組充電時充電電流I在各節電池中都相等。當某節例如B2電池電壓高于其他電池超過某值時，MCU控制的多路開關K2合上，B2通過R2分流，使B2電壓下降，如此反復循環11次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡單、可靠，但電阻會消耗電能并發熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點是放電工作使用中，各單元平衡白白消耗了鋰離子電池組的電能。而非能量耗散型模式主要有共享變壓器均衡方法、雙向可逆DC / DC動態均衡方法等。這三種方法都可以實現動態均衡，而且沒有復雜的控制系統，只要電池組中電池單體電壓差超過一定范圍，均衡 模塊就在相鄰電池間進行能量交換，從而實現均衡。共享變壓器均衡方法原理如圖4所示，它只有一根磁芯，次級線圈分別接在每一接單體，電池組的電流I流入變壓器的初級，每個次級分別產生感應電流。單體電池的電壓越低，它的電抗就越小，因而感應電流越大。用這種方法，每一節單體獲得的均衡電流與其SOC成反比。在共享變壓器中，唯一的活動元件就是次級的轉換晶體管。不需要閉合線圈，共享變壓器方法能快速而且低損耗的對電池組進行均衡。它的缺點也是復雜、元件眾多，因為每一個次級都需要整流器件。均衡電路在設計時要考慮能均衡盡可能多的單體，因為增加次級線圈十分復雜。雙向可逆DC / DC動態均衡方法原理如圖5所示，利用DC / DC變換器在相鄰兩個單體電池間建立能量轉移的雙向通道，相鄰單體電池問能量均衡也就保證了整組電池的能量均衡，但其不能直接實現任意兩點間的均衡，均衡效果不好。因此，有必要解決如上問題。
本發明克服了上述技術的不足，提供了一種通過反激變壓器實現單體電池與能量總線存儲單元之間的能量傳遞，單片機通過控制反激變壓器上的初級開關驅動模塊和次級開關驅動模塊的驅動順序，實現單體電池的能量釋放或能量接收，實現單體電池點對點的能量快速均衡，主控制器通過對各單體電池上單片機的多次控制，實現了整個電池組內單體電池的能量均衡。為實現上述目的，本發明采用了下列技術方案一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，包括有主控制器10和用于在單體電池之間能量從高位向低位傳遞時作為能量中轉的能量總線存儲單元1，所述主控制器10與能量總線存儲單元I之間設有若干個用于控制電池組內單體電池進行能量傳遞的均衡控制單元2，所述均衡控制單元2包括有用于單體電池與能量總線存儲單元I進行能量中轉交換的反激變壓器T，所述反激變壓器T初級繞組與單體電池之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的初級開關驅動模塊3，反激變壓器T次級繞組與能量總線存儲單元I之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的次級開關驅動模塊4，所述能量均衡裝置還包括有用于控制初級開關驅動模塊3和次級開關驅動模塊4的導通順序的單片機5，所述單片機5與主控制器10連接，所述單片機5上還連接有用于檢測單體電池能量狀態以判斷單體電池是否需要進行能量均衡的電壓檢測模塊11。所述反激變壓器T初級繞組上連接有用于消除尖峰作用的穩壓管D23和二極管D24，所述穩壓管D23正極與反激變壓器T初級繞組一端連接，穩壓管D23負極與所述二極管D24負極連接，二極管D24正極與反激變壓器T初級繞組另一端連接。所述初級開關驅動模塊3包括有受單片機5控制的由開關管Q7和Q9組成的初級推挽驅動電路和由該初級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器T初級繞組是否與單體電池連通形成回路的開關管Q8。所述次級開關驅動模塊4包括有順次連接的高速光耦Ul1、由開關管QlO和Q12組成的次級推挽驅動電路、以及由該次級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器T次級繞組是否與能量總線存儲單元I連通形成回路的開關管Ql I，所述高速光耦Ul I輸入信號控制端與單片機5連接。所述能量總線存儲單元I由并聯連接的電解電容C39飛41和電容C38組成，其正極端與反激變壓器T次級繞組一端連接，負極端通過次級開關驅動模塊4與反激變壓器T次級繞組另端連接。本發明的有益效果是1、簡化了傳統的均衡電路設計，對均衡控制單元進行模塊化設計，便于擴展，根據單體電池的個數來設置均衡控制單元的個數，通過單片機的控制能夠實現單體電池與能量總線存儲單元之間能量的雙向傳輸。2、單片機通過控制初級開關驅動模塊和次級開關驅動模塊的導通順序，實現本裝置進行能量均衡時能量從電壓高的單體電池暫存到能量總線存儲單元的過程和之后從能量總線存儲單元釋放到電壓低的單體電池的過程，從而實現了電池組內任意兩節單體電池的點對點快速均衡。3、只需要根據需要和方便，在單體電池之間電壓差異超過預設值時進行能量均衡，降低了電池能量的損耗。4、通過電壓檢測模塊實時了解各單體電池的狀態，減少了許多不需要均衡的情形，從而快速完成能量均衡。5、次級開關驅動模塊使用高速光耦將次級推挽驅動電路的電源與單片機控制信號輸出端進行隔離，既不影響單片機對次級推挽驅動電路的控制，又避免了電源對單片機的影響。
圖1是本發明的結構原理圖。圖2是本發明的電路圖。圖3是現有技術中能量耗散型均衡的電阻均衡原理圖。圖4是現有技術中非能量耗散型的共享變壓器均衡方法原理圖。圖5是現有技術中非能量耗散型的雙向可逆DC / DC動態均衡方法原理圖。下面結合附圖與本發明的實施方式作進一步詳細的描述如圖1所示，一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，包括有主控制器10和用于在單體電池之間能量從高位向低位傳遞時作為能量中轉的能量總線存儲單元1，所述主控制器10與能量總線存儲單元I之間設有若干個用于控制電池組內單體電池進行能量傳遞的均衡控制單元2，所述均衡控制單元2包括有用于單體電池與能量總線存儲單元I進行能量中轉交換的反激變壓器T，所述反激變壓器T初級繞組與單體電池之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的初級開關驅動模塊3，反激變壓器T次級繞組與能量總線存儲單元I之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的次級開關驅動模塊4，所述能量均衡裝置還包括有用于控制初級開關驅動模塊3和次級開關驅動模塊4的導通順序的單片機5，所述單片機5與主控制器10連接，所述單片機5上還連接有用于檢測單體電池能量狀態以判斷單體電池是否需要進行能量均衡的電壓檢測模塊11。如上所述，通過電壓檢測模塊11對各單體電池電壓進行采樣，然后主控制器10判斷各單體電池的電壓高低，當其中兩節單體電池的電壓差超過設定的范圍時，需要均衡，主控制器10控制對應的均衡控制單元2把電壓高的單體電池的能量均衡給電壓低的單體電池。如圖2所示，本發明所述反激變壓器T的I和3接線頭互為同名端，2和4接線頭互為同名端。在本實施例中，所述反激變壓器T初級繞組上連接有用于消除尖峰作用的穩壓管D23和二極管D24，所述穩壓管D23正極與反激變壓器T初級繞組2接線頭連接，穩壓管D23負極與所述二極管D24負極連接，二極管D24正極與反激變壓器T初級繞組I接線頭連接。在本實施例中，所述初級開關驅動模塊3包括有受單片機5控制的由開關管Q7和Q9組成的初級推挽驅動電路和由該初級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器T初級繞組與單體電池連接形成回路的開關管Q8。如圖2所示，所述開關管Q8為N溝道場效應管，開關管Q7為P溝道場效應管，開關管Q9為N溝道場效應管，所述開關管Q7柵極與開關管Q9柵極相連接后作為初級開關驅動模塊3控制信號輸入端，其通過一電阻R26與單片機5、電阻R25 —端連接，電阻R25另一端與開關管Q7源極相連接后接單體電池正極，開關管Q9源極接單體電池負極，開關管Q7漏極與開關管Q9漏極相連接后通過一電阻R27與開關管Q8柵極連接，開關管Q8源極接單體電池負極，開關管Q8作為初級開關驅動模塊3的可控開關，其漏極與反激變壓器T初級繞組I接線頭連接，其源極接單體電池負極。如上所述的開關管Q8源極與漏極之間還并聯有電容C43和穩壓管D25，以防止開關管Q8被擊穿。如上所述，在單片機5控制初級開關驅動模塊3上開關管Q8導通的情況下，單體電池正極、反激變壓器T初級繞組、開關管Q8、以及單體電池負極形成回路，實現單體電池與反激變壓器T次級繞組之間能量的傳遞。在本實施例中，所述次級開關驅動模塊4包括有順次連接的高速光耦U11、由開關管QlO和Q12組成的次級推挽驅動電路、以及由該次級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器T次級繞組是否與能量總線存儲單元I連通形成回路的開關管Q11，所述高速光耦Ull輸入信號控制端與單片機5連接。如圖2所示，所述開關管Qll為N溝道場效應管，開關管QlO為P溝道場效應管,開關管Q12為N溝道場效應管,所述高速光稱Ull接地端與開關管Q12源極連接后接地，高速光耦Ull電源端與開關管QlO源極連接后接12V電壓，所述開關管QlO柵極與開關管Q12柵極相連接后通過一電阻R30與高速光耦Ull控制信號輸出端連接，開關管QlO漏極與開關管Q12漏極相連接后通過一電阻R31與開關管Qll柵極連接，開關管Qll作為次級開關驅動模塊4的可控開關，其漏極與反激變壓器T次級繞組4接線頭連接，其源極與能量總線存儲單元I負極連接后接地。如上所述的開關管Qll兩端還并聯有電容C47和穩壓管D27，以防止開關管Qll被擊穿。如上所述，在單片機5控制次級開關驅動模塊4上開關管Qll導通的情況下，能量總線存儲單元I正極、反激變壓器T次級繞組、開關管Ql1、以及能量總線存儲單元I負極形成回路。在本實施例中，所述能量總線存儲單元I由并聯的電解電容C39飛41組成，其正極端與反激變壓器模塊20次級繞組3接線頭連接，負極端接地，其作為單體電池間能量均衡時的暫存器與若干個單體電池的均衡控制單元2連接。如上所述，所述電壓檢測模塊11采集各單體電池的電壓狀態，主控制器10判斷出要需要進行能量均衡的某兩個單體電池后，進行能量均衡的能量從電壓高的單體電池暫存到能量總線存儲單元I的過程和之后從能量總線存儲單元I釋放到電壓低的單體電池的過程，具體步驟如下首先，主控制器10向單體電池電壓高的單片機5發送控制指令信號，該單片機5接收到指令后，輸出一路PWM，通過驅動電路控制反激變壓器T初級繞組上的開關管，使本單體電池的能量釋放到反激變壓器T的磁路上，然后關閉此開關管；然后，單片機5再打開反激變壓器T次級繞組上的開關管，將能量釋放到由電容組成的能量總線存儲單元I上，之后該單片機5發送指令給主控制器10，完成能量的中轉即暫存過程。
其次，主控器10發送控制指令信號給單體電池電壓低的單片機5，該單片機5接收到指令后，通過PWM打開其對應的反激變壓器T次級繞組上開關管，將能量總線存儲單元I上的能量釋放到該反激變壓器T的初級上，然后關閉該次級開關管，打開初級開關管，將線圈中的能量釋放到電壓低的單體電池中。這樣就完成了一次均衡，實現電池組中任意兩節單體電池的點對點快速均衡。根據需要，通過多次以上所述的高電壓單體電池與低電壓單體電池的能量均衡，即可減少電池組內各單體電池能量的差異，取得好的供電效果和延長單體電池的壽命。如上所述，本案保護的是一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其通過反激變壓器實現單體電池與能量總線存儲單元之間的能量傳遞，以及單片機通過控制反激變壓器上的初級開關驅動模塊和次級開關驅動模塊的驅動順序，實現單體電池的能量從高位向低位傳遞，中間過程通過能量總線存儲單元I進行能量的中轉暫存，實現了單體電池點對點的能量快速均衡，主控制器通過對各單體電池上單片機的多次控制，實現了整個電池組內單體電池的能量均衡。一切與本發明結構相同以及是本發明具體電路的等同變換的技術方案都認為落入本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其特征在于包括有主控制器(10)和用于在單體電池之間能量從高位向低位傳遞時作為能量中轉的能量總線存儲單元(1)，所述主控制器(10)與能量總線存儲單元(I)之間設有若干個用于控制電池組內單體電池進行能量傳遞的均衡控制單元(2)，所述均衡控制單元(2)包括有用于單體電池與能量總線存儲單元(I)進行能量中轉交換的反激變壓器(T)，所述反激變壓器(T)初級繞組與單體電池之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的初級開關驅動模塊(3)，反激變壓器(T)次級繞組與能量總線存儲單元(I)之間連接有用于控制兩者連通形成回路以使能量從高位向低位傳遞的次級開關驅動模塊(4)，所述能量均衡裝置還包括有用于控制初級開關驅動模塊(3)和次級開關驅動模塊(4)的導通順序的單片機(5)，所述單片機(5)與主控制器(10)連接，所述單片機(5)上還連接有用于檢測單體電池能量狀態以判斷單體電池是否需要進行能量均衡的電壓檢測模塊(11)。
2.根據權利要求1所述的一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其特征在于所述反激變壓器(T)初級繞組上連接有用于消除尖峰作用的穩壓管D23和二極管D24，所述穩壓管D23正極與反激變壓器(T)初級繞組一端連接，穩壓管D23負極與所述二極管D24負極連接，二極管D24正極與反激變壓器(T)初級繞組另一端連接。
3.根據權利要求1所述的一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其特征在于所述初級開關驅動模塊(3)包括有受單片機(5)控制的由開關管Q7和Q9組成的初級推挽驅動電路和由該初級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器(T)初級繞組是否與單體電池連通形成回路的開關管Q8。
4.根據權利要求1所述的一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其特征在于所述次級開關驅動模塊(4)包括有順次連接的高速光耦(U11)、由開關管QlO和Q12組成的次級推挽驅動電路、以及由該次級推挽驅動電路驅動、用于控制反激變壓器(T)次級繞組是否與能量總線存儲單元(I)連通形成回路的開關管Q11，所述高速光耦(Ull)輸入信號控制端與單片機(5)連接。
5.根據權利要求1所述的一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，其特征在于所述能量總線存儲單元(I)由并聯連接的電解電容(C39飛41)和電容C38組成，其正極端與反激變壓器(T)次級繞組一端連接，負極端通過次級開關驅動模塊(4)與反激變壓器(T)次級繞組另端連接。
全文摘要
本發明公開了一種電池組內單體電池之間的能量均衡控制系統，包括有主控制器和能量總線存儲單元，所述主控制器與能量總線存儲單元之間設有均衡控制單元和進行能量均衡控制的單片機，所述單片機與主控制器連接，所述單片機上還連接有單體電池電壓檢測模塊。本發明的目的是通過反激變壓器實現單體電池與能量總線存儲單元之間的能量傳遞，單片機通過控制反激變壓器上的初級開關驅動模塊和次級開關驅動模塊的驅動順序，實現單體電池的能量釋放或能量接收，實現單體電池點對點的能量快速均衡，主控制器通過對各單體電池上單片機的多次控制，實現了整個電池組內單體電池的能量均衡。
文檔編號H02J7/00GK103066642SQ20121050689
公開日2013年4月24日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者王奉瑾 申請人:王奉瑾, 中山普潤斯電源設備技術有限公司