一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路，均衡電路包括兩組MOS管和四個儲能電感；第一組MOS管的個數為3，分別為第一MOS管、第二MOS管和第三MOS管,且通過漏極和源極依次連接起來；第二組MOS管的個數為3，分別為第四MOS管、第五MOS管且第六MOS管，且通過漏極和源極依次連接起來；所有前述MOS管的柵極用于與電池管理系統的控制電路連接，接受控制電路的控制信號；本發明電路結構巧妙，其應用能保證每個電池在充電和放電過程中不出現過充電和過放電，改善串聯電池組不均衡的現象，提高電池組的可用容量，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和電站中蓄電池儲能系統的成本。
【專利說明】—種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種串聯電池組均衡技術，特別涉及一種用于混合動力電動汽車、純電動汽車或蓄能電站的電池管理系統的4節串聯電池組雙向充放電均衡電路。
【背景技術】
[0002]串聯電池在經過多個充放電循環后，各電池模塊的剩余容量的分布大致會出現三種情況:個別電池模塊的剩余容量偏高；個別電池模塊的剩余容量偏低；個別電池模塊的剩余容量偏高和個別電池模塊的剩余容量偏低。
[0003]針對上述三種情況，國內外學者均提出了自己的解決方案。如針對情況個別電池模塊剩余容量偏高的情況，有研究者提出了并聯電阻分流法，它通過控制相應的開關將剩余容量偏高的電池模塊的能量通過電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費掉，并且在均衡的過程中產生了大量的熱，增加了電池熱管理的負荷。也有研究者提出了雙向DC-DC均衡法、同軸變壓器均衡法等均衡電路，這些電路都采用了變壓器，使得均衡電路的成本增加。
[0004]目前鋰離子電池組均衡控制的方法，由均衡過程中電路對能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。按照均衡功能分類，可分為充電均衡、放電均衡和動態均衡。充電均衡是指在充電過程中的均衡，一般是在電池組單體電壓達到設定值時開始均衡，通過減小充電電流防止過充電。放電均衡是在放電過程中的均衡，通過向剩余能量低的單體電池補充能量來防止過放電。動態均衡方式結合了充電均衡和放電均衡的優點，它是在整個充放電過程中對電池組進行均衡，使得均衡電路的功能更加完善。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是在串聯電池組的電池管理系統中采用一種均衡電路(EQU)來保證電池組中的電池模塊(可包含多個電池單體)在充電和放電過程中不出現過充電和過放電，改善串聯電池組不均衡的現象，提高電池組的可用容量，減小串聯電池組的維修和更換周期，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和蓄能電站的成本。
[0006]為實現上述目的，本發明通過下述技術方案予以實現。
[0007]一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路，串聯電池組由4節電池模塊組成，從串聯電池組正端開始到負端截止，均衡電路包括兩組MOS管和四個儲能電感；第一組MOS管的個數為3，分別為第一 MOS管、第二 MOS管和第三MOS管，且通過漏極和源極依次連接起來，第一 MOS管的漏極連接電池組正端，第三MOS管的源極連接電池組負端；第二組MOS管的個數為3，分別為第四MOS管、第五MOS管且第六MOS管，且通過漏極和源極依次連接起來，第四MOS管的漏極連接電池組正端，第六MOS管的源極連接電池組負端；所有前述MOS管的柵極用于與電池管理系統的控制電路連接，接受控制電路的控制信號；儲能電感第一端為a端，第二端為b端；第一電池模塊的負極與第二電池模塊的正極連接點處連接第一儲能電感的a端，第一儲能電感的b端連接第一 MOS管的源極、第二 MOS管的漏極，第二電池模塊的負極與第三電池模塊的正極的連接點處連接第二儲能電感的a端和第三儲能電感的a端，其中第二儲能電感的b端連接第二 MOS管的源極第三MOS管的漏極，第三儲能電感的b端連接第五MOS管的漏極、第六MOS管的源極，第三電池模塊的負極與第四電池模塊的正極的連接點處連接第四儲能電感的a端，第四儲能電感的b端連接第六MOS管的漏極第五MOS管的源極；控制電路通過控制各MOS管的閉合與斷開來實現均衡電路的功能。
[0008]進一步優選的，所述電池模塊包含兩個以上電池單體，電池單體是鉛酸電池或鋰離子電池。
[0009]進一步優選的，所述控制電路控制信號的頻率的大小為10khz_20khz。
[0010]進一步優選的，所述控制電路控制信號的占空比滿足儲能電感在每個信號周期內復位，即一個周期內儲能電感的電流先從零開始上升，最后又下降到零。
[0011]與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果:本發明電路結構巧妙，在串聯電池組電池管理系統中采用上述電池均衡技術，能保證每個電池在充電和放電過程中不出現過充電和過放電，改善串聯電池組不均衡的現象，提高電池組的可用容量，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動汽車和電站中蓄電池儲能系統的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是4節電池模塊串聯的均衡電路原理圖。
[0013]圖2a是對B2進行放電均衡過程中B2放電的電路原理圖。
[0014]圖2b是對B2進行放電均衡過程中B1、B3、B4充電的電路原理圖。
[0015]圖2c是對B2進行充電均衡過程中B1、B3、B4放電的電路原理圖。
[0016]圖2d是對B2進行充電均衡過程中B2充電的電路原理圖。
[0017]圖3a是對B2進行放電均衡過程的仿真結果圖。
[0018]圖3b是對B2進行充電均衡過程的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本領域技術人員更好地理解本發明的目的和效果，下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作詳細說明，但本發明的實施不限于此，以下若有未特別詳細說明的內容，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。
[0020]圖1中所示為四節電池模塊串聯的均衡電路原理圖，串聯電池組由4節電池模塊(B1、B2、B3、B4)組成，從串聯電池組正端VCC開始到負端GND截止，均衡電路包括兩組MOS管和四個儲能電感；第一組MOS管的個數為3，分別為第一MOS管S1、第二MOS管S2和第三MOS管S12，且通過漏極和源極依次連接起來，第一 MOS管SI的漏極連接電池組正端VCC，第三MOS管S12的源極連接電池組負端GND ;第二組MOS管的個數為3，分別為第四MOS管S34、第五MOS管S3且第六MOS管S4，且通過漏極和源極依次連接起來，第四MOS管S34的漏極連接電池組正端VCC，第六MOS管S4的源極連接電池組負端GND ;所有前述MOS管的柵極用于與電池管理系統的控制電路連接，接受控制電路的控制信號；儲能電感第一端為a端，第二端為b端；第一電池模塊BI的負極與第二電池模塊B2的正極連接點處連接第一儲能電感L12的a端，第一儲能電感的b端連接第一 MOS管SI的源極、第二 MOS管S2的漏極，第二電池模塊B2的負極與第三電池模塊B3的正極的連接點處連接第二儲能電感L2的a端和第三儲能電感L3的a端，其中第二儲能電感的b端連接第二 MOS管S2的源極第三MOS管S12的漏極，第三儲能電感的b端連接第五MOS管S3的漏極、第六MOS管S4的源極，第三電池模塊B3的負極與第四電池模塊B4的正極的連接點處連接第四儲能電感L34的a端，第四儲能電感的b端連接第六MOS管S4的漏極第五MOS管S3的源極；控制電路通過控制各MOS管的閉合與斷開來實現均衡電路的功能。
[0021]在對電池組充電過程中，當第一電池模塊BI的能量過高時，為防止其過充電，需要對第一電池模塊BI進行放電均衡，控制電路控制第一 MOS管SI閉合，此時，第一電池模塊B1、第一 MOS管S1、第一儲能電感L12形成閉合回路，第一電池模塊BI對第一儲能電感L12充電，當第一 MOS管SI閉合時間達到預設值時，斷開第一 MOS管SI，此時第一儲能電感L12、電池模塊(B2、B3、B4)及MOS管(S2、S12)形成閉合回路，第一儲能電感L12為二電池模塊(B2、B3、B4)充電，實現能量從第一電池模塊BI到第二電池模塊B2、B3、B4的轉移；在電池組放電過程中，當第一電池模塊BI能量過低時，為防止其過放電，需要對第一電池模塊BI進行充電均衡，控制電路控制MOS管(S2、S12)閉合，此時第一儲能電感LI2、電池模塊(B2、B3、B4)及MOS管(S2、S12)形成閉合回路，電池模塊(B2、B3、B4)為第一儲能電感L12充電，當MOS管(S2、S12)閉合時間到達預設值時，斷開MOS管(S2、S12)，此時，通過第一 MOS管SI的續流二極管，第一電池模塊B1、第一 MOS管S1、第一儲能電感L12形成閉合回路，儲能電感為第一電池模塊B1充電，實現了能量從電池模塊(B2、B3、B4)到第一電池模塊BI的轉移。
[0022]圖2a、2b以編號為2的第二電池模塊B2為例(對于其他電池模塊也類似，不再贅述)，在充電過程中，當第二電池模塊B2中的能量明顯高于其余電池模塊時，對第二電池模塊氏進行放電均衡的原理圖。圖2c、2d以編號為2的第二電池模塊B2為例，在放電過程中，當第二電池模塊B2中的能量明顯低于其余電池模塊時，對第二電池模塊B2進行充電均衡的原理圖。
[0023]在對電池組充電過程中，當第二電池模塊B2的能量過高時，為防止其過充電，需要對第二電池模塊B2進行放電均衡，圖2a中，控制電路控制與第二電池模塊B2并聯的第二MOS管S2閉合，此時，第二電池模塊B2、第一儲能電感L12、第二 MOS管S2、第二儲能電感L2形成閉合回路，第二電池模塊B2對儲能電感(L12、L2電流方向如圖2a所示進行充電，電流方向如圖2a所示，第一儲能電感L12、第二儲能電感L2進行儲能。當第二 MOS管S2閉合時間達到預設時間值時，斷開第二 MOS管S2，此時電路中電流變化如圖2b所示，通過第一 MOS管SI的體二極管，第一儲能電感L12、第一 MOS管S1、第一電池模塊BI形成閉合回路，第一儲能電感L12對第一電池模塊BI充電，實現能量從第二電池模塊B2到第一電池模塊B1的轉移。通過第三MOS管S12的體二極管，第二儲能電感L2、第三電池模塊B3、第四電池模塊B4、第三MOS管S12形成閉合回路，第二儲能電感L2對第三電池模塊B3、第四電池模塊B4充電，實現能量從第二電池模塊B2到第三電池模塊B3、第四電池模塊B4的轉移，整個過程實現了能量從第二電池模塊B2到電池組剩余電池模塊(Bp B3、B4)的轉移。
[0024]在對電池組進行放電過程中，當第二電池模塊B2的能量過低時，為防止其過放電，需要對第二電池模塊B2進行充電均衡，圖2c中，控制電路控制與第二電池模塊B2并聯的第二 MOS管S2斷開，第一 MOS管S1、第三MOS管S12閉合，第一儲能電感L12、第一 MOS管S1、第一電池模塊B1形成閉合回路，第一電池模塊B1對第一儲能電感L12充電,第二儲能電感L2、第三電池模塊B3、第四電池模塊B4、第三MOS管S12形成閉合回路，第三電池模塊B3、第四電池模塊B4對第二儲能電感L2充電，電流方向如圖2c所示，第一儲能電感L12、第二儲能電感L2儲能。當第一 MOS管S1、第三MOS管S12閉合時間達到預先設定時間值時，第一MOS管S1、第三MOS管S12斷開，此時電路中電流方向如圖2d所示，通過與第二電池模塊B2并聯的第二 MOS管S2的體二極管，第一儲能電感L12、第二電池模塊B2、第二儲能電感L2、與第二電池模塊B2并聯的第二 MOS管S2形成閉合回路，第一儲能電感L12、第二儲能電感L2同時為第二電池模塊B2充電，實現了能量從電池模塊(BpB3、B4)到第二電池模塊B2的轉移。
[0025]對于B2的整個充放電均衡過程，最終實現了能量從第二電池模塊B2轉移到電池組其余所有剩余電池模塊或者能量從其余所有剩余電池模塊轉移到第二電池模塊B2，實現了對第二電池模塊B2雙向快速均衡的目的。
[0026]在對電池組充電過程中，當第三電池模塊B3的能量過高時，為防止其過充電，需要對第三電池模塊B3進行放電均衡，控制電路控制第五MOS管S3閉合，此時，第三電池模塊B3、第五MOS管S3及儲能電感(L34、L3)形成閉合回路，第三電池模塊B3對儲能電感(L34、L3)充電，當第五MOS管S3閉合時間達到預設值時，斷開第五MOS管S3，此時通過第六MOS管S4的體二極管，第四儲能電感L34、第四電池模塊B4、第六MOS管S4形成閉合回路，第四儲能電感L34為第四電池模塊B4充電，通過第四MOS管S34的體二極管，第三儲能電感L3、電池模塊(B1和B2)、第四MOS管S34形成閉合回路，第三儲能電感L3為電池模塊(B1、B2)充電，實現能量從B3到剩余電池模塊(Bp B2、B4)的轉移；在電池組放電過程中，當第三電池模塊B3能量過低時，為防止其過放電，需要對第三電池模塊B3進行充電均衡，控制電路控制MOS管(S4、S34)閉合，此時第四儲能電感L34、第四電池模塊B4、第六MOS管S4形成閉合回路，第四電池模塊B4為第四儲能電感L34充電，第三儲能電感L3、第一電池模塊B1和B2、第四MOS管S34形成閉合回路，第一電池模塊BpB2為第三儲能電感L3充電，當MOS管(S4、S34)閉合時間達到預設值時，通過第五MOS管S3的體二極管，第三電池模塊B3、第五MOS管S3及儲能電感(L34、L3)形成閉合回路，儲能電感(L34、L3)對第三電池模塊B3充電，實現能量從電池模塊化1、82、84)到第三電池模塊B3的轉移。
[0027]在對電池組充電過程中，當第四電池模塊B4的能量過高時，為防止其過充電，需要對第四電池模塊B4進行放電均衡，控制電路控制第六MOS管S4閉合，此時，第四電池模塊B4、第六MOS管S4、第四儲能電感L34形成閉合回路，第四電池模塊B4對第四儲能電感L34充電，當第六MOS管S4閉合時間達到預設值時，斷開第六MOS管S4，此時通過MOS管(S34、S3)的體二極管，第四儲能電感L34、電池模塊(Bp B2、B3)及MOS管(S3、S34)形成閉合回路，L34為電池模塊(B1、B2、B3 )充電，實現能量從第四電池模塊B4到電池模塊(B1、B2、B3 )的轉移；在電池組放電過程中，當第四電池模塊B4能量過低時，為防止其過放電，需要對第四電池模塊B4進行充電均衡，控制電路控制MOS管(S3、S34)閉合，此時第四儲能電感L34、電池模塊(B1、B2、B3 )及MOS管(S3、S34)形成閉合回路，電池模塊(B1、B2、B3 )為第四儲能電感L34充電，當閉合時間到達預設值時，斷開MOS管(S3、S34)，此時，通過第六MOS管S4的體二極管，第四電池模塊比、第六MOS管S4、第四儲能電感L34形成閉合回路，第四儲能電感L34為第一電池模塊B1充電，實現了能量從電池模塊(Bp B2、B3)到第二電池模塊B2的轉移。
[0028]如上即可較好實現本發明并取得本發明前述技術效果。
【權利要求】
1.一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路，串聯電池組由4節電池模塊(B1、B2, B3、B4)組成，其特征在于從串聯電池組正端(VCC)開始到負端(GND)截止，均衡電路包括兩組MOS管和四個儲能電感；第一組MOS管的個數為3，分別為第一MOS管(SI)、第二MOS管(S2)和第三MOS管(S12)，且通過漏極和源極依次連接起來，第一 MOS管(SI)的漏極連接電池組正端(VCC)，第三MOS管(S12)的源極連接電池組負端(GND);第二組MOS管的個數為3，分別為第四MOS管(S34)、第五MOS管(S3)且第六MOS管(S4)，且通過漏極和源極依次連接起來，第四MOS管(S34)的漏極連接電池組正端(VCC)，第六MOS管(S4)的源極連接電池組負端(GND);所有前述MOS管的柵極用于與電池管理系統的控制電路連接，接受控制電路的控制信號；儲能電感第一端為a端，第二端為b端；第一電池模塊(BI)的負極與第二電池模塊(B2)的正極連接點處連接第一儲能電感(L12)的a端,第一儲能電感的b端連接第一 MOS管(SI)的源極、第二 MOS管(S2)的漏極，第二電池模塊(B2)的負極與第三電池模塊(B3)的正極的連接點處連接第二儲能電感(L2)的a端和第三儲能電感(L3)的a端，其中第二儲能電感的b端連接第二 MOS管(S2)的源極第三MOS管(S12)的漏極，第三儲能電感的b端連接第五MOS管(S3)的漏極、第六MOS管(S4)的源極，第三電池模塊(B3)的負極與第四電池模塊(B4)的正極的連接點處連接第四儲能電感(L34)的a端，第四儲能電感的b端連接第六MOS管(S4)的漏極第五MOS管(S3)的源極；控制電路通過控制各MOS管的閉合與斷開來實現均衡電路的功能。
2.據權利要求1所述的一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路，其特征在于，所述電池模塊包含兩個以上電池單體，電池單體是鉛酸電池或鋰離子電池。
3.根據權利要求1所述的串聯電池組雙向充放電均衡電路，其特征在于，所述控制電路控制信號的頻率的大小為10khz-20khz。
4.根據權利要求3所述的一種4節串聯電池組雙向充放電均衡電路，其特征在于，所述控制電路控制信號的占空比滿足儲能電感在每個信號周期內復位，即一個周期內儲能電感的電流先從零開始上升，最后又下降到零。
【文檔編號】H02J7/00GK104201732SQ201410395680
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】康龍云, 郭向偉, 馮自成, 張金良 申請人:華南理工大學