專利名稱：一種鋰離子電池組均衡系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于汽車電子控制技術(shù)中動力鋰離子電池均衡技術(shù)領(lǐng)域，涉及到鋰離子電池管理系統(tǒng)對單體電池的主動均衡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著節(jié)能環(huán)保這一概念的深入，鋰離子電池以其單體電壓高、能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保的優(yōu)點受到人們的青睞，但單體鋰離子電池的電壓和容量無法滿足電動車、混合動力車的電壓及功率需求，需串、并聯(lián)多節(jié)單體電池以成組使用。由于單體電池制造過程中不可消除的初始性能(如自放電率、容量等)不一致以及使用過程中由于電池內(nèi)外環(huán)境(如溫度)的非均勻性等，使得單體電池之間的性能差異逐漸擴(kuò)大，這將造成某些單體電池過充電或者過放電。此外，單體電池一致性差會導(dǎo)致整組電池性能下降，為了緩解鋰離子電池在使用過程的不一致性，電池均衡是目前迫切需要解決的技術(shù)。目前對鋰離子電池的均衡可以分為被動式和主動式兩種方法。被動式是能量耗散型，通過電阻或者其它功率器件將SOCGtate OfCharge，荷電狀態(tài))高的單體電池的多余能量耗散掉，或者在充電的時候?qū)OC高的單體電池旁路分流。電阻放電均衡電路結(jié)構(gòu)簡單但是存在一些局限性。首先，放電會產(chǎn)生大量的熱量，給電池散熱管理帶來問題。其次， 一般放電均衡電流比較小，因此大容量電池需很長的均衡時間。最后，電池組的所有電池最終都被放電到和SOC最低的那節(jié)電池相等的狀態(tài)，因此放電均衡是一種能量的浪費，特別是大容量電池，浪費就更嚴(yán)重。主動式均衡是能量回饋型，通過電感、電容、變壓器等儲能器件最終將能量從SOC 高的電池轉(zhuǎn)移到SOC低的電池，達(dá)到電池均衡的目的。由于多余的能量被有效的利用起來， 主動式均衡的效率比被動均衡高，且不存在散熱的問題。目前主動式均衡都存在控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高且可靠性低的問題。

實用新型內(nèi)容由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本實用新型的目的是提出一種鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低及可靠性好。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型通過以下技術(shù)方案予以解決一種鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，包括電池組及升降壓斬波電路，還包括總線通訊模塊，隔離電路，單體電壓采樣模塊，單片機(jī)以及開關(guān)驅(qū)動電路，所述總線通訊模塊與隔離電路相連接用于與其它模塊之間通訊；所述單片機(jī)與隔離電路相連接并根據(jù)單體電壓采樣模塊獲取電池組中每個單體電池的電壓，并計算出每個單體電池的荷電狀態(tài)，然后通過開關(guān)驅(qū)動電路控制升降壓斬波電路中的各個開關(guān)；所述升降壓斬波電路能夠使其電路內(nèi)的任意相鄰的兩個單體電池之間進(jìn)行充、放電。作為本實用新型的進(jìn)一步特征，所述電池組和升降壓斬波電路由η個單體鋰離子電池串聯(lián)而組成，其中每兩個電池之間都有一個電感，該電感分別與該兩個電池中的一個和一 MOS開關(guān)組成串聯(lián)回路，且各個MOS開關(guān)兩端分別并聯(lián)有反向?qū)ǘO管。作為本實用新型的進(jìn)一步特征，從第1個到第η個MOS開關(guān)中從上到下為PMOS開關(guān)、NMOS開關(guān)依次互相間隔設(shè)置。由于采用以上技術(shù)方案，本實用新型的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低且可靠性好。

圖1是本實用新型的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2是單片機(jī)控制PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)的原理說明。圖3是多個具有圖1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的模塊組成一個電池包的均衡系統(tǒng)框圖。
具體實施方式
下面根據(jù)附圖和具體實施方式
對本實用新型作進(jìn)一步說明如圖1所示，本實用新型的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，包括電池組及升降壓斬波電路60，還包括總線通訊模塊10，隔離電路20，單體電壓采樣模塊50，單片機(jī)30以及開關(guān)驅(qū)動電路40，總線通訊模塊10與隔離電路20相連接用于與其它模塊之間通訊；單片機(jī)30與隔離電路20相連接并根據(jù)單體電壓采樣模塊50獲取電池組中每個單體電池的電壓，并計算出每個單體電池的荷電狀態(tài)，然后通過開關(guān)驅(qū)動電路40控制升降壓斬波電路60中的各個開關(guān)；升降壓斬波電路60能夠使其電路內(nèi)的任意相鄰的兩個單體電池之間進(jìn)行充、放 H1^ ο單體電壓采樣模塊50用于采集單體電池Batln(η = 1-12)的端電壓。該單體電壓采樣模塊50可以是鋰離子電池專用的集成電路IC芯片(如LTC6802或0Ζ890等)，它能夠?qū)⒚總€單體電池的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過串行總線(如SPI或IIC)傳遞給單片機(jī) 30。單片機(jī)30在此主要有四個功能a.采集電壓。通過串行總線獲取單體電壓采樣模塊50采集到的單體電壓。b.均衡算法。根據(jù)單體電壓和歷史記錄信息等，計算出每個單體的當(dāng)前荷電狀態(tài) S0C，然后根據(jù)SOC差異性確定每個單體應(yīng)該對相鄰的單體充電還是放電，以及充放電的方向。c.控制輸出。根據(jù)均衡算法通過開關(guān)驅(qū)動電路40控制電池組及升降壓斬波電路 60中對應(yīng)的開關(guān)。d.通訊功能。單片機(jī)30通過隔離電路20和串行總線通訊模塊10與其他模塊之間進(jìn)行通訊。汽車車上常用的現(xiàn)場通訊總線如CAN等。電池組及升降壓斬波電路60由η個(η通常不大于12)單體鋰離子電池 Batll-Batln串聯(lián)而組成。其中每兩個電池之間都有一個電感(Li，L2...)，電感在均衡的過程中起到能量轉(zhuǎn)移的作用，該電感分別與該兩個電池中的一個和一 MOS開關(guān)組成串聯(lián)回路，且各個MOS開關(guān)兩端分別并聯(lián)有反向?qū)ǘO管，二極管用于MOS管斷開后續(xù)流；且從第1個到第η個MOS開關(guān)中從上到下為PMOS開關(guān)、NMOS開關(guān)依次互相間隔設(shè)置。以電感 L2為例說明均衡的過程[0023]Bat 13向Batl2充電(向上均衡)。Sn2處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電池Batl3通過電感L2 和Sn2回路給電感L2充電儲能；Sn2處于關(guān)斷狀態(tài)時，電感L2通過二極管Dp2和Batl2回路釋放能量。通過單片機(jī)輸出的一定周期和占空比的PWM信號控制開關(guān)Sn2，選擇合適的的開斷周期和占空比就能夠使能量從Batl3轉(zhuǎn)移到Batl2。整個過程中使PMOS管Sp2 —直處于斷開狀態(tài)。Batl2向Batl3充電(向下均衡)。Sp2處于導(dǎo)通狀態(tài)時，電池Batl2通過電感Sp2 和L2回路給電感L2充電儲能；Sn2處于關(guān)斷狀態(tài)時，電感L2通過二極管Dn2和Batl3回路釋放能量。通過PWM信號控制開關(guān)Sp2，選擇合適的的開斷周期和占空比就能夠使能量從 Bat 12轉(zhuǎn)移到Batl3。整個過程中使PMOS管Sn2 —直處于斷開狀態(tài)。當(dāng)電感Ll和L2同時都是向下均衡時，即Batll向Batl2充電，同時Batl2向Bat 13 充電，此時近似等價于Batll向Batl3充電，Batl2在此起到“接力”作用。其他的相鄰電感同向均衡情況以此類推。圖2是單片機(jī)30的通用輸入/輸出引腳通過開關(guān)驅(qū)動電路40控制升降壓斬波電路60中的MOS開關(guān)的原理圖。圖中單片機(jī)30通過通用輸入/輸出引腳Pl和P2輸出一定周期和占空比的PWM信號，該信號通過隔直電容Cp2和Cn2連接至MOS管的門極。該原理圖是示意性的，以控制電感L2的PMOS開關(guān)Sp2和NMOS開關(guān)Sn2為例，其他開關(guān)的控制原
理類同。圖3是圖1中電池均衡模塊的典型的應(yīng)用。當(dāng)電池包是由更多節(jié)電池串聯(lián)而成時， 可以將電池包分成若干個圖1中由η個電池串聯(lián)而成的模塊(圖中70，71，72)，模塊之間通過串行總線80連接。由于每個模塊的參考地(GND1，GND2,...)電位不同，隔離電路20在此起到關(guān)鍵作用。隔離后各個單片機(jī)參考地各不相同，但是可以通過同一個總線系統(tǒng)進(jìn)行通訊。最理想的情形是直接用電量高的單體給電量低的單體充電，以達(dá)到均衡的目的， 但是本系統(tǒng)只能實現(xiàn)同一個模塊內(nèi)任意相鄰兩個單體之間進(jìn)行充電，因此必須要有合適的算法才能保證效率與均衡速度。由于單體電池的個體差異性是無法預(yù)知的，所以其初始離散狀態(tài)有各種可能，均衡方法的提出必須能夠適應(yīng)各種初始離散狀態(tài)。此外，從圖2中可以看出，當(dāng)PMOS和NMOS同時導(dǎo)通時，Batl2和Batl3處于短路狀態(tài)，這將導(dǎo)致電路中元器件燒壞，嚴(yán)重的情況下會引起電池?fù)p壞，因此算法還必須具有對連接至同一個電感的兩個開關(guān)的互鎖功能。采用本實用新型的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)提出的均衡方法由以下幾步組成1.單片機(jī)采集每個單體電池的電壓，通過比較電壓得到電壓差，單體電壓差超過預(yù)設(shè)的閾值時，開啟均衡功能，否則關(guān)閉均衡；2.根據(jù)每個單體電池的SOC與與電池組平均荷電狀態(tài)的差值以及其所處的位置計算出該單體電池向上一節(jié)電池充電還是向下一節(jié)電池放電，若是向上一節(jié)電池充電則通過單片機(jī)采用一定周期和占空比的PWM信號控制對應(yīng)的NMOS開關(guān)，若是向下一節(jié)電池放電則通過單片機(jī)采用一定周期和占空比的PWM信號控制對應(yīng)的PMOS開關(guān)。設(shè)所有單體的平均SOC為S0C0，從上而下的前m個單體的平均SOC為SOCm(m = 1-n-l, η為模塊中串聯(lián)的電池數(shù)目)，若SOCO > SOCm,則與第m個單體電池負(fù)極連接的電感均衡方向是向上，應(yīng)該用 PWM控制對應(yīng)的NMOS開關(guān)；反之，若SOCO < SOCm,則與第m個單體電池負(fù)極的電感均衡方向是向下，應(yīng)該用PWM控制對應(yīng)的PMOS開關(guān)。[0031]3.由于步驟2是全局效率最優(yōu)算法，可能會出現(xiàn)局部SOC低的單體向相鄰的單體充電的情況。為了優(yōu)先使模塊內(nèi)最高和最低單體差異縮小，需要優(yōu)先均衡SOC最高/最低的單體。為了防止SOC最高/最低的單體由于充當(dāng)“接力”作用而不能優(yōu)先被均衡，需要將 SOC低的單體向相鄰的SOC高的單體充電的電感暫時禁止。4.對每個電感對應(yīng)的PMOS開關(guān)和NMOS開關(guān)進(jìn)行互鎖，軟件上確保兩個開關(guān)不同時打開。在實際應(yīng)用中，由于鋰離子電池的SOC與開路電壓在一定范圍內(nèi)具有一定的映射關(guān)系，考慮到每個單體的SOC很難直接計算出，且存在一定誤差，該算法可用每個單體的端電壓代替SOC進(jìn)行簡化計算。但是，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權(quán)利要求1.一種鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，包括電池組及升降壓斬波電路，其特征在于還包括總線通訊模塊，隔離電路，單體電壓采樣模塊，單片機(jī)以及開關(guān)驅(qū)動電路，所述總線通訊模塊與隔離電路相連接用于與其它模塊之間通訊；所述單片機(jī)與隔離電路相連接并根據(jù)單體電壓采樣模塊獲取電池組中每個單體電池的電壓，并計算出每個單體電池的荷電狀態(tài)，然后通過開關(guān)驅(qū)動電路控制升降壓斬波電路中的各個開關(guān)；所述升降壓斬波電路能夠使其電路內(nèi)的任意相鄰的兩個單體電池之間進(jìn)行充、放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于所述電池組和升降壓斬波電路由η個單體鋰離子電池串聯(lián)而組成，其中每兩個電池之間都有一個電感，該電感分別與該兩個電池中的一個和一 MOS開關(guān)組成串聯(lián)回路，且各個MOS開關(guān)兩端分別并聯(lián)有反向?qū)ǘO管。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，其特征在于從第1個到第η個MOS 開關(guān)中從上到下為PMOS開關(guān)、NMOS開關(guān)依次互相間隔設(shè)置。
專利摘要本實用新型公開一種鋰離子電池組均衡系統(tǒng)，該均衡系統(tǒng)包括電池組及升降壓斬波電路，還包括總線通訊模塊，隔離電路，單體電壓采樣模塊，單片機(jī)以及開關(guān)驅(qū)動電路，總線通訊模塊與隔離電路相連接用于與其它模塊之間通訊；單片機(jī)與隔離電路相連接并根據(jù)單體電壓采樣模塊獲取電池組中每個單體電池的電壓，并計算出每個單體電池的荷電狀態(tài)，然后通過開關(guān)驅(qū)動電路控制升降壓斬波電路中的各個開關(guān)；升降壓斬波電路能夠使其電路內(nèi)的任意相鄰的兩個單體電池之間進(jìn)行充、放電。本實用新型的均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低且可靠性好。
文檔編號H02J7/00GK202084959SQ201120159390
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者曾群欣, 陳金干, 魏學(xué)哲 申請人:上海恒動汽車電池有限公司