鋰離子動力電池組均衡控制管理系統及其均衡控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋰離子動力電池組均衡控制管理系統及其均衡控制方法，所述系統包括MCU中央控制單元、電池信息監控模塊、電池散熱模塊、均衡控制模塊以及電池模塊，所述MCU中央控制單元分別與電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊連接，所述電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊分別與電池模塊連接；所述方法在充電過程中，電池信息監控模塊不斷對單個電池的信息進行數據采集和轉換，將得到的數據通過紅外發射器反饋至MCU中央控制單元，當某節電池的電壓偏離某區間值時，MCU中央控制單元通過控制K系列開關和光耦繼電器對該節電池進行充放電。本發明電路簡單，電池均衡方式有效且易于實現，充電、放電具有相同的均衡效果。
【專利說明】鋰離子動力電池組均衡控制管理系統及其均衡控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電池均衡控制管理系統，尤其是一種鋰離子動力電池組均衡控制管理系統及其均衡控制方法，屬于電池管理【技術領域】。
【背景技術】
[0002]汽車的發展是現代工業技術最重要的成就之一，然而全世界大量汽車的應用，已經產生并正在繼續引發嚴重的環境與人類生存問題。出于能源和環境的考慮，電動汽車在各國政府和汽車制造商的共同推動下取得了快速的發展。然而，能量儲存裝置的安全性和使用成本問題影響了電動汽車的推廣應用，而延長能量存儲裝置的使用壽命是降低使用成本和提高安全性能的有效途徑之一。鋰離子電池以其能量密度大、電壓平臺高等優良的性能成為純電動汽車的理想動力源。然而，鋰離子電池的抗濫用能力較差。鋰離子電池，特別是成組鋰離子電池的安全性和長壽命成為鋰離子電池使用管理中急需解決的問題。鋰離子電池單體在生產過程中、長時間靜置及長期充放電過程中電池組內各單體荷電量差距會越來越大，呈發散趨勢，從而造成電池組內部電池離散性加大，個別電池性能衰減加劇，導致整組電池失效。所以通過對鋰離子電池組均衡控制管理技術的研究，來提高電池的安全性、延長電池使用壽面，從而提高電動汽車的安全性能并降低使用成本對于電動汽車發展具有重要的意義。
[0003]電池組均衡控制管理方法可以分為兩類:被動均衡和主動均衡。
[0004]主動均衡是運用外部電路在單體間傳輸能量，以達到單體間的平衡。由于主動均衡法不依靠電池本身特性進行均衡，所以這種方法在各種電池系統中都可以使用。另外，由于鋰離子電池的溫度必需控制在特定范圍之內，所以主動均衡是針對于鋰離子電池均衡的
唯一方法。
[0005]目前，鋰離子動力電池組的均衡控制管理方法有:
[0006]I)耗散電阻分流法，它是一種既可靠有簡易的方法。它可以工作與兩種模式:監測模式和連續工作模式。在監測模式時，電壓監測裝置需要監測每個單體的電壓，一個智能控制器整合單體電壓的不平衡狀態，進一步控制接通耗散電阻，來消耗高電壓單體的能量。在連續工作模式下，所有繼電器由相同的信號控制，同時開啟或關閉。在充電時，繼電器開啟，具有較高電壓的單體會獲得較少的充電電流，相當于在等待其他單體與其平衡。這種方法能量損耗大，在監測模式下需要智能控制，成本較高。
[0007]2) PWM控制分流法。PWM控制分流法是一種無能量耗散分流法。在這種方法中，電池管理系統監測相鄰各單體的電壓差，運用PWM信號控制一對MOSFET開關，從而控制流過相鄰兩單體的電流。所以，流過高電壓單體的平均電流就會比低電壓單體的小。這種電路的缺點是需要精確的電壓檢測，并且相對復雜。在對η個單體進行均衡時，這種方法需要2 X (η-1)個MOSFET和η_1個傳感器。
[0008]3)完全分流法。完全分流法用一個主充電器代替串聯充電器。這個主充電器是一個電流控制轉換器。當其中一個單體達到其最高電壓，此單體便會被兩個開關完全分流。當這組電池中的最后一個單體充電結束后便結束充電。這個方法十分直接，但是電池組由大量單體組成時，電池組電壓會在一個很大的范圍內波動，這時就需要一個降壓變換器從而增加部分成本和系統復雜度。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供一種鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，該系統電路簡單，電池均衡方式有效且易于實現，充電、放電具有相同的均衡效果，可以均衡設置電壓電流調節和DC-DC均衡電壓調節,可以實現大電流快速均衡,轉換效率高，發熱少。
[0010]本發明的另一目的在于提供一種基于上述系統的均衡控制方法。
[0011]本發明的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0012]鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:包括MCU中央控制單元、電池信息監控模塊、電池散熱模塊、均衡控制模塊以及電池模塊，所述MCU中央控制單元分別與電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊連接，所述電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊分別與電池模塊連接，其中:
[0013]所述電池信息監控模塊，用于監測電池模塊中每節電池的電壓、電流和溫度信息，并反饋至MCU中央控制單兀；
[0014]所述MCU中央控制單元，用于對電池信息監控模塊反饋的信息進行分析，再對電池散熱模塊和均衡控制模塊發送指令，使電池模塊中的每節電池得到散熱控制和均衡控制；
[0015]所述均衡控制模塊，包括充電機、Flyback轉換器、PWM控制器、DC/DC變換器、外部12V電源、K系列開關、控制電路以及多副邊耦合變壓器，所述PWM控制器、Flyback轉換器和充電機串聯后與K系列開關并聯，所述K系列開關分別與DC/DC變換器和控制電路連接，所述DC/DC變換器連接外部12V電源；所述電池模塊中的每節電池在多副邊耦合變壓器上都有對應的二次繞組。
[0016]作為一種實施方案，所述MCU中央控制單元通過單片機的輸入/輸出引腳分別與電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊連接。
[0017]作為一種實施方案，所述電池模塊由4?8節電池串聯組成。
[0018]作為一種實施方案，所述電池散熱模塊由風扇和相應的電路組成，所述風扇用于對電池模塊中的電池進行送風散熱。
[0019]作為一種實施方案，所述電池信息監控模塊由監測芯片和PWM串聯組成，所述監測芯片包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器；所述電池模塊中的每節電池上有監測芯片，所述監測芯片測得的數值通過PWM進行DC-DC轉換，傳輸至MCU中央控制單元，繼而控制電池散熱模塊和均衡控制模塊。
[0020]作為一種實施方案，所述電壓傳感器、電流傳感器和PWM通過外接電路與電池模塊中的每節電池并聯，所述溫度傳感器貼在每節電池的外部，溫度傳感器連接在溫度測量引腳上。
[0021]作為一種實施方案，所述MCU中央控制單元通過紅外發射器與電池信息監控模塊連接，所述MCU中央控制單元通過紅外發射器與均衡控制模塊連接。[0022]作為一種實施方案，所述系統還包括高壓動力母線，所述高壓動力母線的正端與電池模塊的正端相連，高壓動力母線的負端與電池模塊的負端相連。
[0023]作為一種實施方案，所述控制電路由若干個MOSFET管、若干個二極管、若干個三極管、若干個電容器以及若干個光耦繼電器組成，所述電池模塊中的每節電池正負極均連接一個MOSFET管，所述每個MOSFET管串聯一個光耦繼電器。
[0024]優選的，所述電流傳感器為電流互感器；所述電壓傳感器為電壓互感器；所述PWM控制器為UC2825A ;所述電池模塊由6節電池串聯組成；所述外部12V電源為車載12V電池。
[0025]本發明的另一目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0026]鋰離子動力電池組均衡控制管理系統的均衡控制方法，其特征在于所述方法包括:在充電過程中，電池信息監控模塊不斷對單個電池的信息進行數據采集和轉換，將得到的數據通過紅外發射器反饋至MCU中央控制單元，當某節電池的電壓偏離某區間值時，MCU中央控制單元通過控制K系列開關和光耦繼電器對該節電池進行充放電；同時，多副邊耦合變壓器的每個逆變副邊近似一個恒壓源的均衡單元，給電池模塊中的每節電池進行均衡，所有的副邊均衡單元通過PWM控制器控制三極管的脈寬實現均衡充電特性的調節。
[0027]本發明相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0028]1、本發明的均衡控制管理系統在充電、放電狀態具有相同的均衡效果。采用變壓器耦合多副邊結構，利用電池模塊(電池組)的總電壓作為均衡充電的輸入，只要動力電池處于成組狀態，無論在充電還是放電狀態都可對其進行均衡化處理，提高了均衡效果，大大簡化了均衡充電的控制網絡，系統運行安全可靠。
[0029]2、本發明的均衡控制管理系統可實現均衡設置電壓電流調節。采用的多副邊耦合變壓器具有單一的磁芯并且每節電池在此變壓器上都有其對應的二次繞組，電池模塊(電池組)產生的電流流入變壓器原邊，并在各個副邊產生二次側的感應電流，較小阻抗的二次側會獲得更多的感應電流。
[0030]3、本發明的均衡控制管理系統能實現大電流快速均衡。均衡控制電路不是采用純電阻進行放電，而是用MOSFET管代替電阻，MOSFET管工作在線性導電區，表現為可變電阻的特性，采用PI閉環調節控制，通過單片機調節給定，而使MOSFET表現為不同的阻值，從而實現大電流快速均衡，達到控制均衡時間的作用。
[0031]4、本發明的均衡控制管理系統均衡轉換效率高，發熱少。利用Flyback(反激式)轉換器、高速PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)控制器和MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金氧半場效晶體管),設計了回饋型均衡充電保護單元，這種反饋使能量損失幾乎為零，同時這種反饋增加了電池模塊(電池組)中的充電電流，使得電池模塊沒有分流的單體電池的充電電流增加，充電效率較高。
[0032]5、本發明的均衡控制管理系統可達到取長補短，削峰填谷的效果，實現DC-DC均衡電壓可調節。“低充高放”均衡系統，即對電池模塊(電池組)中電量特別高的單體使用電阻放電法(采用MOSFET管代替電阻)進行放電處理，而對電量特別低的電池使用外部DC/DC轉換器進行補充電處理，使兩端電池往中間看齊，從而保證電池模塊(電池組)電壓的相對一致性。該均衡方式不僅解決了電阻均衡方式能量消耗大、能量利用率不高等不利影響，而且借助外部DC/DC充電裝置讓能量循環使用，使能量效率提高，有效解決了均衡過程中的均衡效率與能量利用率不能同時提高的問題。【專利附圖】
【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統的結構原理框圖。
[0034]圖2為本發明的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統中均衡控制模塊的電路原理圖。
【具體實施方式】
[0035]實施例1:[0036]如圖1所示，本實施例的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，包括MCU中央控制單元1、電池信息監控模塊2、電池散熱模塊3、均衡控制模塊4、電池模塊5以及高壓動力母線(圖中未示)，所述MCU中央控制單元I分別與電池信息監控模塊2、電池散熱模塊3和均衡控制模塊4連接，所述電池信息監控模塊2、電池散熱模塊3和均衡控制模塊4分別與電池模塊5連接，所述高壓動力母線的正端與電池模塊5的正端相連，高壓動力母線的負端與電池模塊5的負端相連，所述電池模塊5由6節電池串聯組成，其中:
[0037]所述電池信息監控模塊2，用于監測電池模塊5中每節電池的電壓、電流和溫度信息并反饋至MCU中央控制單元I ;
[0038]所述MCU中央控制單元1，用于對電池信息監控模塊2反饋的信息進行分析，再對電池散熱模塊3和均衡控制模塊4發送指令，控制電池模塊5中的每節電池充電均衡；
[0039]所述均衡控制模塊4如圖2所示，包括充電機4-1、Flyback轉換器4_2、PWM控制器4-3、DC/DC變換器4-4、外部12V電源4_5、K系列開關(Kl~Κ5)、控制電路4_6以及多副邊耦合變壓器(一次繞組NI，二次繞組Ν2)，所述PWM控制器4-3、Flyback轉換器4_2和充電機4-1串聯后與K系列開關并聯，所述K系列開關分別與DC/DC變換器4-4和控制電路4-6連接，所述DC/DC變換器4-4連接外部12V電源4_5 ;所述控制電路4_6由7個MOSFET管(Ql~Q7)、12個二極管(Dl~D12)、2個三極管(Pl和P2)、8個電容器(Cl~C8)以及7個光耦繼電器(SI~S7)組成，所述電池模塊5的6節電池分別為電池El~E6，其中電池El的正極連接MOSFET管Ql，負極連接MOSFET管Q2，MOSFET管Ql與光耦繼電器SI串聯，MOSFET管Q2與光耦繼電器S2串聯；電池E2的正極連接MOSFET管Q2，負極連接MOSFET管Q3，M0SFET管Q3與光耦繼電器S3串聯……電池E6的正極連接MOSFET管Q6，負極連接MOSFET管Q7，MOSFET管Q6與光耦繼電器S6串聯，MOSFET管Q7與光耦繼電器S7串聯；MCU中央控制單兀I負責控制K系列開關(Kl~K5)和光稱繼電器(SI~S7)的開關狀態,光耦繼電器(SI~S7)直接控制電池的充放電，開關Kl~K4的接入，用于實現電壓的正負交替；所述多副邊耦合變壓器的二次繞組N2與每節電池對應；
[0040]本實施例中，所述MCU中央控制單元I通過單片機的輸入/輸出引腳分別與電池信息監控模塊2、電池散熱模塊3和均衡控制模塊4連接。所述電池散熱模塊3由風扇和相應的電路組成，所述風扇用于對電池模塊5中的電池進行送風散熱；所述電池信息監控模塊2由監測芯片和PWM組成，所述監測芯片包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器，所述電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器和PWM串聯，所述電壓傳感器、電流傳感器和PWM通過外接電路與電池模塊5中的每節電池并聯，所述溫度傳感器貼在每節電池的外部，溫度傳感器連接在溫度測量引腳上，電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器測得的數值通過PWM進行DC-DC轉換，傳輸至MCU中央控制單元I，繼而控制電池散熱模塊3和均衡控制模塊4 ；所述MCU中央控制單元I通過紅外發射器與電池信息監控模塊2連接，所述MCU中央控制單元I通過紅外發射器與均衡控制模塊4連接；所述電流傳感器采用電流互感器，所述電壓傳感器采用電壓互感器，所述PWM控制器4-2采用UC2825A，所述外部12V電源4_5采用車載12V電池。
[0041]如圖1和圖2所示，本實施例的均衡控制原理如下:
[0042]在充電過程中，電池信息監控模塊不斷對單個電池的信息(電流、電壓、溫度)進行數據采集和轉換，將得到的數據通過紅外發射器反饋至MCU中央控制單元，當某節電池的電壓偏離某區間值時，MCU中央控制單元通過控制K系列開關和光耦繼電器對該節電池進行充放電；
[0043]以電池E2為例，當電池E2的電壓高于某上限值時，光耦繼電器S2、S3以及開關K5閉合，電池E2與MOSFET管Q2和Q3形成閉合回路，開始對電池進行放電，其端電壓將下降，達到設定的電壓值時斷開以上開關，停止放電；同理，當電池E2的電壓低于某下限值時，光耦繼電器S2和S3閉合，開關K2和K4同時閉合形成回路，使外部12V電源4_5給電池E2額外單獨補充電，達到設定電壓值時停止充電；電池模塊5中其余電池的充放電原理與電池E2相似；
[0044]同時，多副邊耦合變壓器的每個逆變副邊近似一個恒壓源的均衡單元，給電池模塊5中的每節電池進行均衡，所有的副邊均衡單元通過PWM控制器4-2控制三極管Pl和P2的脈寬實現均衡充電特性的調節。
[0045]由此可見，本系統大大簡化了控制邏輯和硬件結構，無論在充電還是放電狀態都可對其進行均衡化處理，有效地延長了動力電池的均衡時間，提高了均衡效果。
[0046]如圖1和圖2所示，本實施例的散熱控制原理如下:
[0047]MCU中央控制單元I不斷地判斷每節電池溫度的變化值是否超過或達到了預定值Δ tl，選擇是否開啟電池散熱模塊3對電池模塊5進行散熱；當電池的溫升或溫度達到預定值時，開啟電池散熱模塊3進行散熱；當某節電池的溫度繼續增加，并且達到最高值時，關閉該節電池的充電電路。
[0048]綜上所述，本發明的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統電路簡單，電池均衡方式有效且易于實現，充電、放電具有相同的均衡效果，可以均衡設置電壓電流調節和DC-DC均衡電壓調節，可以實現大電流快速均衡，轉換效率高，發熱少。
[0049]以上所述，僅為本發明專利較佳的實施例，但本發明專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明專利所公開的范圍內，根據本發明專利的技術方案及其發明專利構思加以等同替換或改變，都屬于本發明專利的保護范圍。
【權利要求】
1.鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:包括MCU中央控制單元、電池信息監控模塊、電池散熱模塊、均衡控制模塊以及電池模塊，所述MCU中央控制單元分別與電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊連接，所述電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊分別與電池模塊連接，其中: 所述電池信息監控模塊，用于監測電池模塊中每節電池的電壓、電流和溫度信息，并反饋至MCU中央控制單元； 所述MCU中央控制單元，用于對電池信息監控模塊反饋的信息進行分析，再對電池散熱模塊和均衡控制模塊發送指令，使電池模塊中的每節電池得到散熱控制和均衡控制； 所述均衡控制模塊，包括充電機、Flyback轉換器、PWM控制器、DC/DC變換器、外部12V電源、K系列開關、控制電路以及多副邊耦合變壓器，所述PWM控制器、Flyback轉換器和充電機串聯后與K系列開關并聯，所述K系列開關分別與DC/DC變換器和控制電路連接，所述DC/DC變換器連接外部12V電源；所述電池模塊中的每節電池在多副邊耦合變壓器上都有對應的二次繞組。
2.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述MCU中央控制單元通過單片機的輸入/輸出引腳分別與電池信息監控模塊、電池散熱模塊和均衡控制模塊連接。
3.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述電池模塊由4~8節電池串聯 組成。
4.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述電池散熱模塊由風扇和相應的電路組成，所述風扇用于對電池模塊中的電池進行送風散熱。
5.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述電池信息監控模塊由監測芯片和PWM串聯組成，所述監測芯片包括電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器；所述電池模塊中的每節電池上有監測芯片，所述監測芯片測得的數值通過PWM進行DC-DC轉換，傳輸至MCU中央控制單元，繼而控制電池散熱模塊和均衡控制模塊。
6.根據權利要求5所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述電壓傳感器、電流傳感器和PWM通過外接電路與電池模塊中的每節電池并聯，所述溫度傳感器貼在每節電池的外部，溫度傳感器連接在溫度測量引腳上。
7.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述MCU中央控制單元通過紅外發射器與電池信息監控模塊連接，所述MCU中央控制單元通過紅外發射器與均衡控制模塊連接。
8.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述系統還包括高壓動力母線，所述高壓動力母線的正端與電池模塊的正端相連，高壓動力母線的負端與電池模塊的負端相連。
9.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池組均衡控制管理系統，其特征在于:所述控制電路由若干個MOSFET管、若干個二極管、若干個三極管、若干個電容器以及若干個光耦繼電器組成，所述電池模塊中的每節電池正負極均連接一個MOSFET管，所述每個MOSFET管串聯一個光I禹繼電器。
10.鋰離子動力電池組均衡控制管理系統的均衡控制方法，其特征在于所述方法包括:在充電過程中，電池信息監控模塊不斷對單個電池的信息進行數據采集和轉換，將得到的數據通過紅外發射器反饋至MCU中央控制單元，當某節電池的電壓偏離某區間值時，MCU中央控制單元通過控制K系列開關和光耦繼電器對該節電池進行充放電；同時，多副邊耦合變壓器的每個逆變副邊近似一個恒壓源的均衡單元，給電池模塊中的每節電池進行均衡，所有的副邊均衡單元 通過PWM控制器控制三極管的脈寬實現均衡充電特性的調節。
【文檔編號】H02J7/00GK103915877SQ201410166591
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】李小平, 黃偉昭, 李偉善, 胡佳娜, 邱顯煥, 張遠明 申請人:華南師范大學