基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法，用于电池组均衡控制，电池组由n个电池单元串联连接组成；均衡电路包括：n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于电池单元两端，每一所述半桥电路的中点并联连接一对应的开关电容，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管；一储能电容网络，包括由n个开关电容串联组成的基本储能电容网络；一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，驱动脉冲发生器电性连接链式驱动电容网络；一控制逻辑电路，电性连接电池组、驱动脉冲发生器及一主控板。采用上述方案本发明专利技术的均衡装置均衡效果突出，性能可靠，通用性强且可扩展性强。

【技术实现步骤摘要】
基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法
本专利技术属于充电控制
，尤其涉及一种基于电容网络的电池组均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法。
技术介绍
目前电动设备，如电动汽车和汽车启动电瓶等，广泛应用于市场，电动设备基于可充放电的串联电池组，尤其是高低压、大电流动力铅酸电池组和锂电池组。电池供电的设备为获得一定输出电压和功率，通常由多个电池单元串并联而成，但是由于电池单元容量有差异，串联充电时不能同时充满电，放电时不能同时完全放电，造成电池组可使用容量下降，随着电池老化，单元不均衡现象更为突出。以往铅酸电池时代，电池组使用时充放电不频繁，电池单元不均衡对电池组影响不严重，需求不迫切，研究不多。而随着电动汽车的出现，使电池组用途发生变化，需要频繁、深度充放电，对均衡
需求猛增。在充电过程中，为了使每个单元电芯充满电，通常采用充电均衡电路，在电池单元接近充满电时，降低高电压单元充电电流或放电，减缓充电速度，延长充电时间，使低电压单元获得更多电量，直至同时充电至充电截止电压；在使用电池放电过程中，为了使每个电池单元完全放电，通常使用有源器件(activecomponent，也称主动元件)均衡电路，用高电压电池单元或电池组能量为低电压电池单元充电，使所有电池单元同时完全放电，提高可使用容量。已有技术中电池组一般采用无源器件(passivecomponent，也称被动器件)，如功率电阻放电实现均衡。充电过程中，当每个电芯单元充电电压高于一定值时，通过电阻分流充电电压过高的电池单元，使充电电压较低的电池单元继续充电，直至同时充电至充电截止电压。这种电路一是发热，二是消耗能量，一般只用于充电均衡，同时由于电流不能过大，均衡能力有限，均衡充电时间长，效果不理想；也有采用有源器件充放电均衡电路，如开关电容法、开关电感法、多模块开关选择法、多绕组变压器均衡法、双向DC-DC变流器法等等，其中开关电容法体积小、重量轻、成本低，发热低，电磁兼容性好，性能可靠，尤其值得研究。但是，开关电容法均衡电路结构中储能电容的开关控制部分比较复杂，由于被驱动开关电路直流电平不一，有些专利技术仅仅停留在采用计算机软件模拟驱动，并没有实现实际电路应用。传统技术中，主要采用单片机输出控制信号，由光耦或脉冲变压器耦合应对电平移动驱动MOSFET开关，实现均衡功能；也有采用机械开关如继电器来实现电平移动和开关，却存在工作频率低、均衡效率低、体积大、成本高等缺点。
技术实现思路
为解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种基于电容网络的均衡装置、可级联均衡电池组及控制方法，采用链式结构的驱动电容网络实现电平移动和驱动功能，实现并简化了储能电容网络和半桥电路的开关控制，同时具备级联均衡特性，适用于电池组内单元电压电芯单元间均衡，也适应于高电压电池组单元组成的长串电池组的电池组单元级间均衡。为实现上述目的，一方面，本专利技术公开了一种用于电池组的基于电容网络的均衡装置，用于对电池组进行均衡控制，所述电池组包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，所述均衡电路包括：n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于所述电池单元两端，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管，所述开关管采用二极管、场效应管MOSFET或IGBT中任一项或其组合，组成储能电容的开关网络。一储能电容网络，包括由n个开关电容C1、C2、……、Cn串联组成的基本储能电容网络，所述开关电容C1、C2、……、Cn依次并联连接于n个所述半桥电路中点之间；一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，所述链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；一控制逻辑电路，电性连接所述电池组、驱动脉冲发生器及一主控板，用于检测电池组、电池单元的电压，并控制驱动脉冲发生器的使能和频率及电源开关，以降低能耗；其中，所述n为正整数，本专利技术的控制逻辑电路根据电池组、电池单元的电压信息判定均衡使能并产生使能和频率控制信号驱动脉冲发生器输出所需波形至链式驱动电容网络，通过所述链式驱动电容网络耦合至所述半桥电路，控制所述半桥电路的上下臂轮流导通，使储能电容网络与连接的电池单元轮流导通，所述电池组中电压高的电池单元为储能电容网络中的开关电容充电，降低其电压；电压低的电池单元从储能电容网络中取电，使电池单元电压升高，如此反复，实现所述电池组的电池单元之间的电压均衡。进一步地，所述储能电容网络还包括一多层链式储能电容网络，所述多层链式储能电容网络包括2n-1个开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n；其中，所述开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n与所述基本储能电容网络组成一金字塔形多层链式储能电容网络，所述金字塔形多层链式储能电容网络的第一层为基本储能电容网络；第二层的开关电容并联于两个或两个以上串联的基本储能电容网络的开关电容两端；第三层并联于两个或两个以上串联的第二层的开关电容两端；依次类推，形成金字塔形结构，所述金字塔形多层链式储能电容网络可以缩短电荷转移路径，增大均衡电路，提高均衡效率和速度。进一步地，所述驱动脉冲发生器采用但不限于自振荡器、555定时器、PWM控制器、微处理器单片机或专用半桥驱动IC，所述驱动脉冲发生器具有使能控制端和/或频率控制端，以产生一驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号为一占空比为50％的方波脉冲或一对同极性或反极性占空比接近50％且存在死区时间的互补方波脉冲。进一步地，所述控制逻辑电路在电池正常工作电压Vop范围内及放电过压状态，控制切断脉冲发生器电源或使能进入待机状态，降低电池静态能耗，本专利技术的控制逻辑电路采用微功耗电路并具有过放电休眠功能，进一步降低静态能耗，延长电池待机时间。进一步地，所述控制逻辑电路集成有充放电保护电路，所述充放电保护电路包括：至少一组包括充电过压检测器OCDET、放电过压检测器ODDET、充电均衡检测器BUDET及放电均衡检测器BLDET的输入电压检测器DET，用于获取电池单元和/或电池组的电压信息并输出至控制逻辑电路，以输出相应均衡控制信号；所述充电过压检测器OCDET、放电过压检测器ODDET、充电均衡检测器BUDET、放电均衡检测器BLDET均采用微功耗高精密电压比较器。另一方面，本专利技术公开了一种可级联均衡电池组，采用上述的基于电容网络的均衡装置，其中：每一所述电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；所述电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串电池组，实现每一级联电池组间的电压均衡控制。进一步地，所述级联接口电路包括一均衡控制使能EN端、一单元电压级联接口和/或一电池组电压级联接口；所述均衡控制使能EN端包括由输入端EN/I、输出端E本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电容网络的均衡装置，用于对电池组进行均衡控制，其特征在于，所述电池组包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，所述均衡电路包括：/nn个半桥电路，每一半桥电路并联连接于所述电池单元两端，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管；/n一储能电容网络，包括由n个开关电容C1、C2、……、Cn串联组成的基本储能电容网络，所述开关电容C1、C2、……、Cn依次并联连接于n个所述半桥电路中点之间；/n一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，所述链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；/n一控制逻辑电路，电性连接所述电池组、驱动脉冲发生器及一主控板，用于控制驱动脉冲发生器的使能、频率及电源开关；/n其中，所述n为正整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电容网络的均衡装置，用于对电池组进行均衡控制，其特征在于，所述电池组包括n个串联连接的电池单元B1、B2、……、Bn，所述均衡电路包括：
n个半桥电路，每一半桥电路并联连接于所述电池单元两端，每一所述半桥电路包括串联连接的二开关管；
一储能电容网络，包括由n个开关电容C1、C2、……、Cn串联组成的基本储能电容网络，所述开关电容C1、C2、……、Cn依次并联连接于n个所述半桥电路中点之间；
一链式驱动电容网络，一端电性连接所述半桥电路或储能电容网络，另一端电性连接一驱动脉冲发生器，所述链式驱动电容网络包括n个依序串联或并联连接组成链式结构的驱动电容；
一控制逻辑电路，电性连接所述电池组、驱动脉冲发生器及一主控板，用于控制驱动脉冲发生器的使能、频率及电源开关；
其中，所述n为正整数。


2.如权利要求1所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述储能电容网络还包括一多层链式储能电容网络，所述多层链式储能电容网络包括开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n；其中，所述开关电容Cn+1、Cn+2、……、C2n与所述基本储能电容网络组成一金字塔形多层链式储能电容网络。


3.如权利要求2所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述驱动脉冲发生器采用但不限于自振荡器、555定时器、PWM控制器、微处理器单片机或专用半桥驱动IC，以产生一驱动脉冲信号，所述驱动脉冲信号为一占空比为50％的方波脉冲或一对同极性或反极性占空比接近50％且存在死区时间的互补方波脉冲。


4.如权利要求3所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述控制逻辑电路在电池正常工作电压范围内及放电过压状态，控制切断脉冲发生器电源或使能进入待机状态。


5.如权利要求4所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于，所述控制逻辑电路集成有充放电保护电路，所述充放电保护电路包括：
至少一组包括充电过压检测器、放电过压检测器、充电均衡检测器及放电均衡检测器的输入电压检测器，用于获取电池单元和/或电池组的电压信息并输出至控制逻辑电路，以输出相应均衡控制信号；
所述充电过压检测器、放电过压检测器、充电均衡检测器、放电均衡检测器均采用微功耗高精密电压比较器。


6.一种可级联均衡电池组，采用如权利要求1-5中任一项所述的基于电容网络的均衡装置，其特征在于：
每一所述电池单元包括一具单元电压的电芯单元、一由电芯单元并联连接组成的复合电芯单元及由电芯单元串联连接组成的高电压电池组单元；
所述电池组通过一级联接口电路依次串接组成可级联均衡长串电池组，电池组在均衡装置工作时，将电量通过级联接口传递给上一级联电池组，同时通过级联使能控制电路启动上一级联电池组均衡装置，以形成带有源均衡装置的长串...

【专利技术属性】
技术研发人员：李砚泉，
申请(专利权)人：李砚泉，
类型：发明
国别省市：山东;37