充放电电池组均衡管理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种充放电电池组均衡管理系统，包括Ｎ个电池和Ｎ－１个无损均衡充放电电路，信号采集电路，主控单元，驱动电路，所述无损均衡充放电电路包括储能电感和储能电容、第一半导体开关器和第二半导体开关器；其特征在于：所述第一半导体开关器的开关后端和第二半导体开关器的开关前端之间串接有储能电容。本发明专利技术的显著效果是：本发明专利技术的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，降低了功耗，体积和重量也有较大优势，耐机械冲击性较强。实现了电池的能量均衡，又没有使用较复杂的能量装换装置，结构简单、实现容易、并且维护和扩展方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于大规模锂电池组充放电管理的电路，特别是涉及一种用于电 动汽车的供电系统的管理电路，并且涉及一种具有防故障电路的充放电电池组均衡管理系 统。
技术介绍
随着石油资源的逐渐枯竭，环境压力的日益增大，用电能取代传统的化石燃料，使 之成为车用主要动力来源的呼声与日俱增。另外，随着科技的进步、笔记本电脑、微型计算 机、数字照相机、移动电话、医疗器材及近地轨道的地球卫星和高轨道的同步卫星等新型电 子仪器设备的发展，对电池产业提出了更高的要求。低成本，高能量密度，高电压，轻型化， 使用温度宽，循环寿命长，安全性能好的全新的绿色电池，特别是可充电二次电池——锂电 池备受人们关注。但是，再强劲的锂离子电池也有能量耗尽的一刻，只有跟充电器完美的配合，它才 能发挥最大潜能。于是，在锂离子电池大放异彩的今天，充电器芯片也得到了越来越多的关 注。而电池充电过程的正确与否，将直接影响电池的性能和寿命。现有锂电池充电器存在 诸多问题和不足，如充电适用范围小，充电时间长，效率低和充电方式单一、不支持对电池 组充电的任务等，特别是不能实现对多块电池同时充电时对电池组的能量均衡。锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，使用它时必须考虑充电、放电时的安全性，以 防止特性劣化，对电池造成不可恢复的毁坏。因此锂电池对充电器要求很高，还要有相应的 保护元器件或保护电路来保证电池安全、可靠、迅速地充电。由于各种化学成份的充电电池 的容量不同(用HiAh或Ah表示)、输出电压不同、充电过程要求不同，需要不同的充电器来 满足其不同的要求。因此各半导体厂商开发出多种充电器IC，一些大的半导体厂商生产的 充电器IC有几十种之多，每年还在不断地推出各种新型充电器IC以满足市场的需要。目 前我国锂电池充电器企业众多，但技术水平、质量水平参差不齐，而且核心技术多数掌握在 国外半导体厂商。另外，随着集成电路的不断发展及二次电池市场的不断增大，能源的枯竭，锂电池 的环保和高能量密度的优势使多节锂电池串联应用到如汽车这样的大型设备不再是梦想， 也就是说大容量的锂电池充电系统将应用广泛，那么必然涉及到对多节电池的串联充电技 术的研究。所以设计、生产出高质量、高效率、符合使用要求的充放电IC，特别是推出能够实 现电池组能量均衡的IC有着十分重要的意义。因此，新型快速锂电池组充放电管理系统的 研制与开发成为了必然。如图5所示目前出现了一种充放电电池组的均衡管理电路，每个均衡管理电路 包括储能电感、第一半导体开关器和第二半导体开关器；其中第一半导体开关器的开关后端接相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串 所述储能电感后接前级电池的负极，该第一半导体开关器的开关前端还连接第一二极管的 正极，该第一二极管的负极接第一半导体开关器的开关后端；其中第二半导体开关器的开关后端与所述第一半导体开关器的开关前端连接，第 二半导体开关器的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器的开 关前端还连接第二二极管的正极，该第二二极管的负极接第二半导体开关器的开关后端；这是一种双向无损均衡充电方案，每个电池均衡分流电路均由两个半导体开关 器、两个二极管和一个储能元件电感组成。多块电池串连时的电路连接情形。充电时，假设 在均衡电路中两电池电压出现不均衡，如Vbi > Vb2，则第一节电池Bl旁的半导体开关器Qll 导通，第一节电池向电感Ll充电，当Qll截止时，Ll为了续流，与第二节电池B2、第二二极 管D12构成回路，电感中储存的能量就转移到B2中，实现了能量从Bl到B2的转移。同理 当Vb2 > Vbi时，则通过Q12的通断来实现能量从B2到Bl的转移，即该电路是一种能量双向 传递的均衡装置。尽管能量只在相邻电池间传递，由于能量的传递趋势总是由电压高的电 池传递到电压低的电池上，因而最终实现整组电池的均衡。数学模型分析如下，Ll上的电 流波形如图6所示。当Q11导通时(t0 ^ t < ti)，有如下式成立 Ia = ^ft(2)当Q11关断D12被迫导通时U1彡t < t2)，有如下式成立 假定Q1的一个开关周期是Ts，D为Q1导通时间与开关周期的比，即占空比。如设 定均衡电流，即电感上电流IP，则由以上公式得到 即可推出 从而可以得到开关(MOSFET)的PWM频率为 ,1 当Vb2 > Vm时，同样先将Q21导通，一段时间后再关断Q21，此时D11被迫导通，从而 实现了能量从B2向B1的转移。该均衡管理电路的缺点是只是用电感来转移能量，所以如要增大效率必须大幅 度提高电感值，而由于电感的制作工艺限制，其等效电阻较大致使功率损耗较大。电感虽然 可以做到流过较大电流，但是电感有磁饱和的问题，当频率低于电感的固有频率时，会导致 电流巨增，轻的是耗电量增大，严重的会烧毁电路中的功率元件。另外它的体积重量也是一 个不太占优势的地方，磁芯还怕摔。且实验证明其效率较低，一般达不到40%，所以这种方 案并不适合实际的应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种适合实际应用需要的充放电电池组均衡管理系统，其功耗低，结 构简单、体积小、重量轻，效率很高。本专利技术的技术方案如下一种充放电电池组均衡管理系统，包括N个电池和N-I个 无损均衡充放电电路，N个电池串接在一起组成电池组，电池组中每相邻两电池连接有同一 无损均衡充放电电路；信号采集电路采集电池组中每节电池的电压、温度和充放电电流；主控单元控制所述信号采集电路的工作时序，获取采集到的电压值、电流值和温 度值，控制2N-2个驱动电路的工作时序；驱动电路每两个驱动电路控制一个无损均衡充放电电路的工作状态；所述无损 均衡充放电电路包括储能电感、第一半导体开关器和第二半导体开关器；其中第一半导体开关器的开关后端接所述相邻两电池中前级电池的正极，开关前 端串所述储能电感后接前级电池的负极，该第一半导体开关器的开关前端还连接第一二极 管的正极，该第一二极管的负极接第一半导体开关器的开关后端；其中第二半导体开关器的开关后端与所述第一半导体开关器的开关前端连接，第 二半导体开关器的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器的开 关前端还连接第二二极管的正极，该第二二极管的负极接第二半导体开关器的开关后端；所述第一半导体开关器和第二半导体开关器的控制端分别接在第一驱动电路和 第二驱动电路的输出端上；由于在此用到的半导体开关器是浮地的，所以所述第一半导体开关器和第二半导 体开关器的开关前端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输入端上；其关键在于所述第一半导体开关器的开关后端和第二半导体开关器的开关前端 之间串接有储能电容。第一半导体开关器、第二半导体开关器、储能电容和储能电感组成一 个无损均衡模块。本专利技术的均衡方式电容起到了能量转移的主要作用，两个电池之间的能量转移主 要是通过能量转移电容来实现，而不是电感，所以电感值不需太大，从而降低功耗。与电感 储能相比电容储能的优点是充满电后几乎不再耗电，而且自身损耗较小，体积和重量也有 较大优势，耐机械冲击性较强。而本专利技术中能量转移电容的电压基本不变，所以几乎不消耗 能量，效率很高，实验证明其效率可以达到80%，因此本专利技术既满足能量无损的基本要求， 实现了电池的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种充放电电池组均衡管理系统，包括Ｎ个电池和Ｎ－１个无损均衡充放电电路（１），Ｎ个电池串接在一起组成电池组，电池组中每相邻两电池连接有同一无损均衡充放电电路（１）；信号采集电路（２）：采集电池组中每节电池的电压；主控单元（３）：控制所述信号采集电路（２）的工作时序，获取采集到的电压值，控制２Ｎ－２个驱动电路（４）的工作时序；驱动电路（４）：每两个驱动电路（４）控制一个无损均衡充放电电路（１）的工作状态；所述无损均衡充放电电路（１）包括储能电感（Ｌ１）、第一半导体开关器（Ｑ１）和第二半导体开关器（Ｑ２）；其中第一半导体开关器（Ｑ１）的开关后端接所述相邻两电池中前级电池的正极，开关前端串所述储能电感（Ｌ１）后接前级电池的负极，该第一半导体开关器（Ｑ１）的开关前端还连接第一二极管（Ｄ１）的正极，该第一二极管（Ｄ１）的负极接第一半导体开关器（Ｑ１）的开关后端；其中第二半导体开关器（Ｑ２）的开关后端与所述第一半导体开关器（Ｑ１）的开关前端连接，第二半导体开关器（Ｑ２）的开关前端连接相邻两电池中后级电池的负极，该第二半导体开关器（Ｑ２）的开关前端还连接第二二极管（Ｄ２）的正极，该第二二极管（Ｄ２）的负极接第二半导体开关器（Ｑ２）的开关后端；所述第一半导体开关器（Ｑ１）和第二半导体开关器（Ｑ２）的控制端分别接在第一驱动电路和第二驱动电路的输出端（ＶＱ１）上；其特征在于：所述第一半导体开关器（Ｑ１）的开关后端和第二半导体开关器（Ｑ２）的开关前端之间串接有储能电容（Ｃ１）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：凌睿，严贺彪，朱伟，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85