专利名称：单电感式蓄电池组均衡电路及方法
技术领域：
本发明属于蓄电池的电池保护系统领域，涉及一种单电感式蓄电池组均衡电路及方法。
背景技术：
蓄电池作为能量存储介质，已经广泛应用于社会的各行各业，特别是近年来在通信电源、UPS电源、各种动力车辆、太阳能发电、风力发电、国家智能电网等行业中，作为动力或电源储能的系统中，磷酸铁锂电池已经被视为最关键的组件之一。电池系统对以串联方式工作的电池组进行充电、放电,在每次充电、放电以后，电池组里各个单体电池的特性都会不一样，如端电压、内阻、老化程度、剩余容量(S0C)、电池健康度(SOH)等等，并且会随着时间的推移进一步加剧单体电池之间的差异性。如何保证电池在充电、放电过程中进行电池组快速高效的动态主动均衡控制，是保证磷酸铁锂电池的安全性、可靠性以及充分发挥其化学效能的一项关键技术。随着磷酸铁锂电池的使用越来越广泛，近年来对串联磷酸铁锂电池组进行充电、放电的装置和方法得到了不断的改进，以试图对串联在一起的电池组的保护和均衡能更加快速、高效。在磷酸铁锂电池的传统被动均衡方法中，都是利用半导体开关器件和功率电阻构成的放电矩阵网络，这些矩阵施加在每个单体电池两端，对充电时端电压较高的单体电池进行适量放电，使电池组中的各个单体电池的电压尽量以相同的速度一致升高，同时充足，达到串联电池的被动均衡的目的；由于采用的功率电阻要对单体电池进行放电才能达到均衡的目的，电阻的发热量大，因此对电池组前端充电器的能量利用率较低，有较大的电阻发电热损耗。在传统的电池组放电方法中，当其中的某一个电池芯达到需要保护的最小端电压时,则整个电池组将被强制停止放电,但在这个时候,其它的状态良好的一些电池芯中可能还有很多剩余的能量没有被释放出来，因此这将极大地影响电池组的能量使用率。在目前见到的传统的磷酸铁锂电池组放电方法中，是对串联在一起的电池组的总电压进行采集，并不监测各个单体电池的端电压；这种做法虽然简单，但是由于在使用过程中各个单体电池的电量并不均匀，假如长期循环使用下去，电量的差异性将会变的更大，所以电量较小的单体电池将会产生过放电，使得它的循环使用寿命大大的减少，因此将影响电池组的使用。上面描述的放电方法往往是设定一个电池组放电终止电压，当采集到电池组的总电压低于这个设定值时，就会终止电池组的放电。由于终止电压并不能反映电池组中所有单体电池的真实端电压，因此在终止放电时，有些单体电池可能会出现过放电的现象，有些单体电池可能还有很多剩余的电量没有使用，电池能量的使用率将大大的降低。在目前见到的传统的磷酸铁锂电池组放电方法中，都是参照电池的端电压作为判断依据，当电池的端电压达到一定数值时，就强制停止放电，但是在不同的实际使用环境下，如环境温度较高时，电池中可能还有很多剩余的电量没有释放出来，而在环境温度较低时，就会出现电池过放电的现象，因此会对电池造成损害。
传统的磷酸铁锂电池动态主动均衡方法中，都是利用所有串联在一起的单体电池的电压最终达到一致作为均衡工作结束条件的。这样是不精确的。事实上电池的实际存储电量还要受到电池本身的温度、累计充放电次数、老化程度、健康程度、电池本身的化学特性等因素的影响。在不同的温度、充放电循环次数下，磷酸铁锂电池组充满电时能储存并释放出的能量是不相同的，而在充满电时电池的端电压也是不相同的。如在低温环境下，电池组中能存储的能量较小，充满电时的端电压较高，等等。要能最大限度到利用电池组中存储的电量，就需要充电、放电装置能在不同的环境下，能将电池中最大可存储的电量充满，并能够将电池组中储存的电量全部释放出来供给外部负载。值得一提的是，由于磷酸铁锂电池组中各个单体电池制造工艺误差等等的原因，在串联充电时，其电量存在一定的差异，而这种差异会在使用过程中慢慢的逐渐增大，这将影响整个电池组的正常工作，因此，这就需要充电、放电装置能够消除这种差异，使电池组在充电、放电过程中始终保持均衡状态。
发明内容
本发明的目的是提供一种与现有技术相比更科学、更可靠、更能充分地利用磷酸铁锂电池组能量的均衡电路及方法，以克服现有技术中的不足。一方面，本发明提供了 一种新型的基于各个单体电池动态电量和电压差异补偿的串联电池组均衡充电、放电的电路，具体采用如下技术方案一种蓄电池组均衡电路，包括蓄电池组，包括多个串联的单体电池；每个单体电池均具备一充电电路和一放电电路；所述充电电路包括一正极输入切换电路、一负极输出切换电路和共用储能元件，单体电池的正极依次经该单体电池的正极输入切换电路、共用储能元件和该单体电池的负极输出切换电路连接于该单体电池的负极；所述该单体电池的正极输入切换电路同时作为与该单体电池正极相连的相邻单体电池的负极输入切换电路；所述该单体电池的负极输出切换电路同时作为与该单体电池负极相连的相邻单体电池的正极输出切换电路；所述放电电路包括一正极输出切换电路、一负极输入切换电路和所述共用储能元件，单体电池的正极依次经该单体电池的正极输出切换电路、共用储能元件和该单体电池的负极输入切换电路连接于该单体电池的负极；所述该单体电池的正极输出切换电路同时作为与该单体电池正极相连的相邻单体电池的负极输出切换电路；所述该单体电池的负极输入切换电路同时作为与该单体电池负极相连的相邻单体电池的正极输入切换电路；以及外部控制电路，用于控制所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，从而使某一个或某几个单体电池的正负极选通；被选通的单体电池的正负极与所述共用储能元件之间构成串联回路。上述充电电路中所述的共用储能元件和放电电路中所述的共用储能元件为同一元件。作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些技术措施的任意组合所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路均由二极管和均衡开关串联组成。
所述正极输入切换电路和负极输入切换电路上的均衡开关均采用N-M0SFET，所述正极输出切换电路和负极输出切换电路上的均衡开关均采用P-M0SFET。所述二极管为肖特基二极管。所述共用储能元件为功率电感。所述单体电池为磷酸铁锂电池。本发明进一步选用如下优选的技术方案所述正极输入切换电路中=N-MOSFET的S极连接单体电池的正极，N-MOSFET的D极连接所述肖特基二极管的阴极，N-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基二极管的阳极与所述共用储能元件连接；所述负极输入切换电路中N-M0SFET的S极连接单体电池的负极，N-MOSFET的D极连接所述肖特基二极管的阴极，N-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基二极管的阳极与所述共用储能元件连接；所述正极输出切换电路中=P-MOSFET的S极连接单体电池的正极，P-MOSFET的D极连接肖特基二极管的阳极，P-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基二极管的阴极与所述共用储能元件连接；所述负极输出切换电路中=P-MOSFET的S极连接单体电池的负极，P-MOSFET的D极连接肖特基二极管的阳极，P-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基二极管的阴极与所述共用储能元件连接。本发明在P-MOSFET和N-MOSFET上串联连接的肖特基二极管是为了防止反向高压击穿对应的MOSFET，因为功率MOSFET都含有反向的寄生体二极管，假如不在MOSFET外面串联肖特基二极管，那么在MOSFET被施加反向电压的情况下，寄生体二极管将把电流引向单体电池，会破坏电路工作特性，甚至引起电池故障。另一方面，本发明提供了 一种新型的基于各个单体电池动态电量和电压差异补偿的串联电池组均衡充电、放电的方法，具体采用如下技术方案一种采用上述蓄电池组均衡电路对蓄电池组均衡的方法，其特征在于当所述蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于设定值时，所述均衡电路通过所述外部控制电路控制所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，使电量较高的一个或多个单体电池对所述共用储能元件进行充电；然后，重新进行所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，使所述共用储能元件释放上次存储的能量，相应的被选通的一个或多个单体电池被充电。作为对上述技术方案的完善和补充，本发明进一步采取如下技术措施或是这些技术措施的任意组合当对所述蓄电池组进行充电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组接通负载放电时，始终控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值；以达到充分保护磷酸铁锂电池及充分利用其存储的电能的最终目的。所述共用储能元件每次释放的电量大于上一次储存电量的90%。所述单体电池为磷酸铁锂电池。
本发明所提供的上述均衡电路及方法，是以各个单体电池的动态电量和电压作为判断依据，在蓄电池组充电过程中，当发现单体电池之间电量和电压差异较大时，就对电量和电压较高的单体电池进行适量放电，并把放出来的电量转移到其它的单体电池中，为其它的落后电池进行充电，实现在充电过程中的动态均衡；同样在蓄电池组接通负载进行放电的过程中，电量和电压高的单体电池通过放电电路和充电电路将多出的电量转移给电量和电压较小的单体电池，实现在放电过程中的动态均衡，最终达到真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。
图1是16个单体电池串联的均衡电路连接结构示意图。图2是本发明中一个单体电池的充电电路和放电电路示意图。图3是单体电池CELL16把能量转移给CELLl 15的均衡电路工作时序示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。图1是本发明的均衡电路连接结构示意图(以16个单体电池串联组成的蓄电池组为例)，其包括由16个单体电池串联组成的蓄电池组，其中每个单体电池均具备一充电电路和一放电电路。请参见图2，以其中第一个单体电池I为例对单体电池I进行充电的充电电路包括正极输入切换电路la、负极输出切换电路Id和电感17，单体电池I的正极依次经正极输入切换电路la、电感17和负极输出切换电路Id连接于单体电池I的负极；对单体电池I进行放电的放电电路包括正极输出切换电路lb、负极输入切换电路Ic和电感17，单体电池I的正极依次经单正极输出切换电路lb、电感17和负极输入切换电路Ic连接于单体电池I的负极。其中正极输入切换电路la、负极输出切换电路Id、正极输出切换电路Ib和负极输入切换电路Ic由外部控制电路(图中未画出)控制它们的选通，通过外部控制电路发出的信号选择是否对该单体电池进行充电或进行放电。正极输入切换电路la、负极输出切换电路Id、正极输出切换电路Ib和负极输入切换电路Ic均由二极管和均衡开关串联组成。图2给出了本发明的一个优选实施方式，其中正极输入切换电路Ia由N-MOSFET 101和肖特基二极管102串联构成N_M0SFET的101的S极(源极)连接单体电池I的正极，其D极(漏极)连接肖特基二极管102的阴极，其G极(栅极)为控制端与所述外部控制电路连接，由外部控制电路给入控制信号使其0N/0FF ；肖特基二极管102的阳极与电感17连接；正极输出切换电路Ib由P-MOSFET 103和肖特基二极管104串联构成P-M0SFET103的S极(源极)连接单体电池I的正极，其D极(漏极)连接肖特基二极管104的阳极，其G极(栅极)为控制端与所述外部控制电路连接，由外部控制电路给入控制信号使其0N/0FF ；肖特基二极管104的阴极与电感17连接； 负极输入切换电路Ic由N-MOSFET 105和肖特基二极管106串联构成N-M0SFET105的S极(源极)连接单体电池I的负极，其D极(漏极)连接肖特基二极管106的阴极，其G极(栅极)为控制端与所述外部控制电路连接，由外部控制电路给入控制信号使其ON/OFF ；肖特基二极管106的阳极与电感17连接；负极输出切换电路Id由P-MOSFET 107和肖特基二极管108串联构成P-M0SFET107的S极(源极)连接单体电池I的负极，其D极(漏极)连接肖特基二极管108的阳极，其G极(栅极)为控制端与所述外部控制电路连接，由外部控制电路给入控制信号使其0N/0FF ；肖特基二极管108的阴极与电感17连接。其他单体电池的充电电路和放电电路结构均与上述相同,不再赘述。图1是16个单体电池串联的均衡电路连接结构示意图，共用了 16个P-M0SFET、16个N-M0SFET、32个肖特基二极管。每个单体电池的充电电路和放电电路均采用同一个储能元件电感17。在多个电池串联的情况下，相邻电池间的输入、输出切换电路共用，例如单体电池15的正极输入切换电路15a同时作为与其正极相连的单体电池16的负极输入切换电路；单体电池15的负极输出切换电路15d同时作为与其负极相连的单体电池14的正极输出切换电路；单体电池15的正极输出切换电路15b同时作为与其正极相连的单体电池16的负极输出切换电路；单体电池15的负极输入切换电路15c同时作为与其负极相连单体电池14的正极输入切换电路。所有单体电池的正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的导通均由所述外部控制电路控制，可以将某一个单体电池的正负极独立选通，也可以根据需要将某几个单体电池的正负极选通；被选通的单体电池的正负极与所述共用储能元件之间构成串联回路。例如当正极输入切换电路15a和负极输出切换电路15d导通时，单体电池15被选通，此时单体电池15与电感17之间构成串联回路，电感17对单体电池15进行充电；当当正极输入切换电路15a和负极输出切换电路Id导通时，单体电池I 15被选通，此时单体电池I 15与电感17之间构成串联回路，电感17对单体电池I 15进行充电。图3是本发明的工作原理示意图。在使用过程中，用对蓄电池组的充电电流或蓄电池组对外界的放电电流以及时间来计算其中单体电池充电、放电过程中的动态电量大小，当单体电池之间的动态电量和端电压差值大于设定值时，就进行电量和电压的动态均衡，通过外部控制电路将电量较高的单体电池的正负极选通，对电感17进行充电，电感中电流上升，开始储存能量，相应的单体电池被放电；在电感17不饱和的情况下，电感储存的焦耳能量P为P = I*I*L/2(I为电感上升到的最大电流，单位是安培，L是电感的电感量，单位是亨利)。在电感被充电后，需要马上切换输入、输出切换电路，重新进行单体电池组合的正负极的选通，被选通的单体电池组合的正负极和电感构成新的串联回路，电感开始放电，电感中的电流下降，开始释放上次存储的能量，相应的单体电池组合被充电；最终，电感释放的焦耳能量大于90% *P，P为上次电感储存的能量。并且在使用过程中，始终控制单体电池动态电量值和电压值在充电时不大于最大允许额定值，在放电时不小于最小允许额定值。以图3示出的单体电池16把能量转移给单体电池I 15的均衡电路工作时序为例当检测到单体电池16上的动态电量较高时，通过外部控制电路接通开关21和开关22，此时电感17被充电，相应的单体电池16被放电；然后将开关21断开，并接通开关23，使单体电池I 15、开关22和开关23构成串联回路。由于电感17的续流效应，电感在前先时间储存的能量将释放给单体电池I 15，依此类推，在不同的控制时序下，可以完成16个单体电池串联的均衡。根据上述过程，就完成了某一个单体电池可以进行单独放电或充电的过程，不论蓄电池组正在被充电中，或是蓄电池组正在向外放电中，都可以实现某一个单体电池的单独充电放电，可以保证串联在一起的单体电池在任何状态下都可以电压接近或容量接近，保护在充电过程中不会产生个别单体电池严重过压，同时也保证在放电过程中，不会有个别单体电池严重欠压，以最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。本发明的上述描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
权利要求
1.ー种蓄电池组均衡电路，包括 蓄电池组，包括多个串联的单体电池；每个单体电池均具备一充电电路和一放电电路； 所述充电电路包括一正极输入切换电路、一负极输出切换电路和共用储能元件，単体电池的正极依次经该单体电池的正极输入切换电路、共用储能元件和该单体电池的负极输出切换电路连接于该单体电池的负极；所述该单体电池的正极输入切换电路同时作为与该单体电池正极相连的相邻单体电池的负极输入切换电路；所述该单体电池的负极输出切换电路同时作为与该单体电池负极相连的相邻单体电池的正极输出切换电路； 所述放电电路包括一正极输出切换电路、一负极输入切换电路和所述共用储能元件，单体电池的正极依次经该单体电池的正极输出切换电路、共用储能元件和该单体电池的负极输入切換电路连接于该单体电池的负极；所述该单体电池的正极输出切换电路同时作为与该单体电池正极相连的相邻单体电池的负极输出切换电路；所述该单体电池的负极输入切换电路同时作为与该单体电池负极相连的相邻单体电池的正极输入切換电路；以及 外部控制电路，用于控制所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，从而使某一个或某几个单体电池的正负极选通。
2.如权利要求1所述的蓄电池组均衡电路，其特征在于，所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路均由ニ极管和均衡开关串联组成。
3.如权利要求2所述的蓄电池组均衡电路，其特征在于，所述正极输入切换电路和负极输入切换电路上的均衡开关均采用N-MOSFET，所述正极输出切换电路和负极输出切换电路上的均衡开关均采用P-MOSFET。
4.如权利要求3所述的蓄电池组均衡电路，其特征在于，所述ニ极管为肖特基ニ极管。
5.如权利要求4所述的蓄电池组均衡电路，其特征在干， 所述正极输入切换电路中=N-MOSFET的S极连接单体电池的正极，N-MOSFET的D极连接所述肖特基ニ极管的阴极，N-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基ニ极管的阳极与所述共用储能元件连接； 所述负极输入切换电路中=N-MOSFET的S极连接单体电池的负极，N-MOSFET的D极连接所述肖特基ニ极管的阴极，N-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基ニ极管的阳极与所述共用储能元件连接； 所述正极输出切换电路中=P-MOSFET的S极连接单体电池的正极，P-MOSFET的D极连接肖特基ニ极管的阳极，P-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接； 所述肖特基ニ极管的阴极与所述共用储能元件连接； 所述负极输出切换电路中=P-MOSFET的S极连接单体电池的负极，P-MOSFET的D极连接肖特基ニ极管的阳极，P-MOSFET的G极为控制端与所述外部控制电路连接；所述肖特基ニ极管的阴极与所述共用储能元件连接。
6.如权利要求1-5任一所述的蓄电池组均衡电路，其特征在于，所述共用储能元件为功率电感。
7.ー种使用如权利要求1-6任一所述的蓄电池组均衡电路对蓄电池组均衡的方法，其特征在干当所述蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于设定值时，所述均衡电路通过所述外部控制电路控制所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，使电量较高的ー个或多个单体电池对所述共用储能元件进行充电；然后，重新进行所述正极输入切换电路、负极输出切换电路、正极输出切换电路和负极输入切换电路的选通，使所述共用储能元件释放上次存储的能量，相应的被选通的ー个或多个单体电池被充电。
8.如权利要求7所述的蓄电池组均衡方法，其特征在干，当对所述蓄电池组进行充电时，始終控制每个单体电池的电量值和电压值不大于其最大允许额定值；当所述蓄电池组接通负载放电时，始終控制每个单体电池的电量值和电压值不小于其最小允许额定值。
9.如权利要求7所述的蓄电池组均衡方法，其特征在于，所述共用储能元件每次释放的电量大于上一次储存电量的90%。
10.如权利要求7-9任一所述的蓄电池组均衡方法，其特征在于，所述单体电池为磷酸铁锂电池。
全文摘要
本发明公开了一种蓄电池组均衡电路及方法，该系统包括多个串联的单体电池和一外部控制电路，每个单体电池均具备一充电电路和一放电电路。使用过程中，当所述蓄电池组中各单体电池之间的电量差异大于设定值时，通过所述外部控制电路使电量较高的单体电池上的放电电路接通，将该电量较高的单体电池中多出的电量转移至共用储能元件中；接着，通过所述外部控制电路使电量较低的单体电池上的充电电路依次独立接通，将所述共用储能元件中储存的电量依次释放至电量较低的单体电池中。达到了真正的电池组高效、安全的动态均衡充电和放电，能最大限度的保护电池，充分发挥电池组的能量。
文档编号H02J7/00GK103036257SQ201110299808
公开日2013年4月10日 申请日期2011年10月8日 优先权日2011年10月8日
发明者张一 , 李思贤 申请人:上海锂曜能源科技有限公司