一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法.pdf

1、10申请公布号CN104158245A43申请公布日20141119CN104158245A21申请号201410384908722申请日20140806H02J7/0020060171申请人合肥工业大学地址230009安徽省合肥市包河区屯溪路193号申请人合肥工业大学（马鞍山）高新技术研究院72发明人赵韩张坤江昊74专利代理机构安徽省合肥新安专利代理有限责任公司34101代理人何梅生54发明名称一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法57摘要本发明公开了一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法，锂电池组均衡电路电池B1、电池B2和电池B3；所述锂电池组均衡电路包括A/D采样模块，电容C1C3、电

2、容C4，电阻R1R5，二极管D1、二极管D2，电池B1B3，电感L1、电感L2，开关管Q1Q3，组合开关管Q4Q6，光耦1、光耦2、光耦3。锂电池组中非最后一节的电池通过电感线圈将电能向相邻的下一节转移来进行均衡，锂电池组中的最后一节将多余的电能通过电阻耗散来进行均衡。本发明的综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法，具有结构简单、转移规模可控、效率高、有利于提高电池组的一致性等优点。51INTCL权利要求书2页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页10申请公布号CN104158245ACN104158245A1/2页21一种综合式的锂电池

3、组均衡电路，其特征是，锂电池组由多节电池串联而成，包括电池B1、电池B2和电池B3；所述锂电池组均衡电路包括A/D采样模块，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，二极管D1、二极管D2，电池B1、电池B2、电池B3，电感L1、电感L2，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3，组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，光耦1、光耦2、光耦3；所述A/D采样模块分别接串联锂电池组的每一节电池B1、电池B2、电池B3，所述电容C1、电阻R2组成RC低通滤波电路；所述电阻R1的两端分别接锂电池组的负极和开关管Q1低电位端；所述电阻R2的一端与电容C

4、1的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，所述电阻R2的另一端与锂电池组中电池B3的正极相连接，所述电容C1的另一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接；电阻R3的另一端与锂电池组中电池B2的正极相连接，电容C2的另一端、电阻R4的一端、电容C3的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接；电阻R4的另一端与锂电池组中电池B1的正极相连接，电容C3的另一端、电阻R5的一端、电容C4的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，电阻R5的另一端与锂电池组中电池B1的负极相连接并接地，电容C4的另一端接地；所述电感L1第一接线端接串联锂电池组中电池B

5、1、电池B2串接点，所述电感L1第二接线端接开关管Q2的低电位端；所述电感L2第一接线端接串联锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述电感L2第一接线端接开关管Q3的低电位端；所述开关管Q1的高电位端接串联锂电池组中电池B1、电池B2串接点，所述开关管Q2的高电位端接串联锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述开关管Q3的高电位端接串联锂电池组中电池B3的正极。所述开关管Q1的控制端接组合开关管Q6的结合点，所述开关管Q2的控制端接组合开关管Q5的结合点，所述开关管Q3的控制端接组合开关管Q4的结合点，所述组合开关管Q4的高电压端接电池B3正极；所述组合开关管Q4的低电压端接电池B2、电池B3

6、串接点，所述组合开关管Q4的控制端接光耦1的输出端，所述组合开关管Q5的高电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q5的低电压端接电池B1、电池B2串接点，所述组合开关管Q5的控制端接光耦2的输出端，所述组合开关管Q6的高电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q6的低电压端接地，所述组合开关管Q6的控制端接光耦3的输出端，所述光耦1、光耦2、光耦3分别接I/O开关信号。所述二极管D1的负极接开关管Q2的低电位端，所述二极管D1的正极接串联锂电池组中电池B1的负极；所述二极管D2的负极接开关管Q3的低电位端，所述二极管D2的正极接串联锂电池组中电池B2、电池B3的串接点。2根据

7、权利要求1所述的一种综合式的锂电池组均衡电路，其特征是，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3采用P型MOS管，所述P型MOS管的栅极为所述开关管的控制端，所述P型MOS管的漏极为所述开关管的低电位端，所述P型MOS管的源极为所述开关管的高电位端。3根据权利要求1和2所述的一种综合式的锂电池组均衡电路，其特征是，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6均采用P型MOS管和N型MOS管组合而成；所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的控制端为P型MOS管和N型MOS管栅极连接权利要求书CN104158245A2/2页3点，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的

8、高电位端为N型MOS管的源极，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的低电位端为P型MOS管的漏极，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的结合点为P型MOS管的源极和N型MOS管的漏极连接点。4根据权利要求1所述的一种综合式的锂电池组均衡电路，其特征是，所述二极管D1、D2为快恢复二极管，可以适用于高速开关要求，且电路损耗少。5根据权利要求1和4所述的一种综合式的锂电池组均衡电路，其特征是，所述电感L1、电感L2的匝数规格完全相同。6一种综合式的锂电池组均衡方法，其特征是，包括如下步骤步骤1判断电池是处于涓流充电阶段还是处于静置不放电状态；步骤2如果电池是处于涓流充电

9、阶段，判断单体电池的电压是否达到预设的第一均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不是则结束；如果电池是处于静置不放电状态，判断单体电池的电压是否达到预设的第三均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不是则结束；步骤3判断相邻的两个单体电池之间的电压差是否达到预设的第二均衡阈值，如果是则进行步骤4，如果不是则结束。步骤4根据以上步骤3判断出需要进行均衡的电池，通过I/O开关信号控制组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，使开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3进行开启关闭；电感中的电流只能通过与开关管低电压端相连的二极管充入下一节电池，从而实现了能量的转移。权利要求书CN104158245A1/5页4

10、一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法技术领域0001本发明涉及一种综合式的锂电池均衡方案，尤其是一种用于串联锂电池组的综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法。背景技术0002在新能源汽车领域，动力锂电池被广泛串联使用，用于驱动汽车、回收制动能量等等。然而，电池由于生产制造过程中的差异会导致其存在不一致现象，在成组的过程中通过精心挑选，选用一致性好的电池串联，以减小锂电池组的不一致性。不过在其使用过程中，由于安装和使用条件的差异，依然会导致锂电池组的不一致性差异加大。如果不加以管理，会导致电池加速老化，储存能力减少直至报废，因此，必须对电池进行均衡来改善电池的不一致问题，提高锂电池组的寿命和效率。

11、0003针对均衡管理，目前主要有两种技术，耗散性均衡和非耗散型均衡。耗散性均衡通过并联电阻对电池放电的形式，将锂电池组中能量较高的单体的能量释放掉，该方式操作简单，均衡效果明显，是目前实际应用中最广泛使用的方法。非耗散型均衡是通过储能元器件电感、电容，将能量较高单体的能量进行转移，补充给能量较低单体的均衡方法。发明内容0004本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供了一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法，以解决锂电池组在使用过程中逐渐拉大的不一致性问题。0005本发明为解决技术问题，提供了一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法。0006一种综合式的锂电池组均衡电路，其结构特点是，锂电

12、池组由多节电池串联而成，包括电池B1、电池B2和电池B3；所述锂电池组均衡电路包括A/D采样模块，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，二极管D1、二极管D2，电池B1、电池B2、电池B3，电感L1、电感L2，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3，组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，光耦1、光耦2、光耦3；0007所述A/D采样模块分别接串联锂电池组的每一节电池B1、电池B2、电池B3，所述电容C1、电阻R2组成RC低通滤波电路；所述电阻R1的两端分别接锂电池组的负极和开关管Q1低电位端；0008所述电阻R2的一端与电容C1的一端相

13、连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，所述电阻R2的另一端与锂电池组中电池B3的正极相连接，所述电容C1的另一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接；电阻R3的另一端与锂电池组中电池B2的正极相连接，电容C2的另一端、电阻R4的一端、电容C3的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接；电阻R4的另一端与锂电池组中电池B1的正极相连接，电容C3的另一端、电阻R5的一端、电容C4的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，电阻R5的另一端与锂电池组中电池B1的负极相连接并接地，电容C4的另一端接地；说明书CN104158245A2/5页50009所述电

14、感L1第一接线端接串联锂电池组中电池B1、电池B2串接点，所述电感L1第二接线端接开关管Q2的低电位端；所述电感L2第一接线端接串联锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述电感L2第一接线端接开关管Q3的低电位端；0010所述开关管Q1的高电位端接串联锂电池组中电池B1、电池B2串接点，所述开关管Q2的高电位端接串联锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述开关管Q3的高电位端接串联锂电池组中电池B3的正极；0011所述开关管Q1的控制端接组合开关管Q6的结合点，所述开关管Q2的控制端接组合开关管Q5的结合点，所述开关管Q3的控制端接组合开关管Q4的结合点，所述组合开关管Q4的高电压端接电池B3

15、正极；所述组合开关管Q4的低电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q4的控制端接光耦1的输出端，所述组合开关管Q5的高电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q5的低电压端接电池B1、电池B2串接点，所述组合开关管Q5的控制端接光耦2的输出端，所述组合开关管Q6的高电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q6的低电压端接地，所述组合开关管Q6的控制端接光耦3的输出端，所述光耦1、光耦2、光耦3分别接I/O开关信号；0012所述二极管D1的负极接开关管Q2的低电位端，所述二极管D1的正极接串联锂电池组中电池B1的负极；所述二极管D2的负极接开关管Q3的低电位端，所述二极

16、管D2的正极接串联锂电池组中电池B2、电池B3的串接点。0013本发明的一种综合式的锂电池组均衡电路还具有以下技术特点。0014所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3采用P型MOS管，所述P型MOS管的栅极为所述开关管的控制端，所述P型MOS管的漏极为所述开关管的低电位端，所述P型MOS管的源极为所述开关管的高电位端。0015所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6均采用P型MOS管和N型MOS管组合而成；所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的控制端为P型MOS管和N型MOS管栅极连接点，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的高电位端为N型MOS管的源极，

17、所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的低电位端为P型MOS管的漏极，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的结合点为P型MOS管的源极和N型MOS管的漏极连接点。0016所述二极管D1、D2为快恢复二极管，以适用于高速开关要求，且电路损耗少。0017所述电感L1、电感L2的匝数规格完全相同。0018本发明还提供了一种综合式的锂电池组均衡方法。0019一种综合式的锂电池组均衡方法，其包括如下步骤0020步骤1判断电池是处于涓流充电阶段还是处于静置不放电状态；0021步骤2如果电池是处于涓流充电阶段，判断单体电池的电压是否达到预设的第一均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不

18、是则结束；如果电池是处于静置不放电状态，判断单体电池的电压是否达到预设的第三均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不是则结束；0022步骤3判断相邻的两个单体电池之间的电压差是否达到预设的第二均衡阈值，如果是则进行步骤4，如果不是则结束；0023步骤4根据以上步骤3判断出需要进行均衡的电池，通过I/O开关信号控制组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，使开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3进行开启关说明书CN104158245A3/5页6闭；电感中的电流只能通过与开关管低电压端相连的二极管充入下一节电池，从而实现了能量的转移。0024与已有技术相比，本发明有益效果体现在0025本发明的一种综

19、合式的锂电池组均衡电路，通过电感线圈实现上节电池能量向相邻下一节的非耗散转移，以及最后一节利用电阻耗散的均衡电路。通过A/D采样模块读取电压值，由主控制器模块判断需要均衡的电池，控制I/O开关信号导通关闭时间，利用电感绕组储能原理控制能量的储存以及转移。该方法结构简单，转移规模可控，效率高，有利于提高电池组的一致性。0026本发明的一种综合式的锂电池组均衡电路及均衡方法，能够解决锂电池组在使用过程中逐渐拉大的不一致性问题，具有结构简单、转移规模可控、效率高、有利于提高电池组的一致性等优点。附图说明0027图1为本发明的综合式的锂电池组均衡电路的电路图。0028图2为本发明的综合式的锂电池组均衡

20、方法的流程图。0029以下通过具体实施方式，对本发明作进一步说明。具体实施方式0030参见图1图2，本发明的一种综合式的锂电池组均衡电路，其锂电池组由多节电池串联而成，包括电池B1、电池B2和电池B3；所述锂电池组均衡电路包括A/D采样模块，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4，电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5，二极管D1、二极管D2，电池B1、电池B2、电池B3，电感L1、电感L2，开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3，组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，光耦1、光耦2、光耦3；0031所述A/D采样模块分别接串联锂电池组的每一节电池B1、电池B2、电池B3，所述

21、电容C1、电阻R2组成RC低通滤波电路；同样地，电容C2和电阻R3，电容C3和电阻R4，电容C4和电阻R5也分别组成RC低通滤波电路，以用于A/D采样模块获得每一块电池的电压值；所述电阻R1的两端分别接锂电池组的负极和开关管Q1低电位端；0032所述电阻R2的一端与电容C1的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，所述电阻R2的另一端与锂电池组中电池B3的正极相连接，所述电容C1的另一端、电阻R3的一端、电容C2的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接；电阻R3的另一端与锂电池组中电池B2的正极相连接，电容C2的另一端、电阻R4的一端、电容C3的一端相连接且连接点与所述A/D采样模

22、块相连接；电阻R4的另一端与锂电池组中电池B1的正极相连接，电容C3的另一端、电阻R5的一端、电容C4的一端相连接且连接点与所述A/D采样模块相连接，电阻R5的另一端与锂电池组中电池B1的负极相连接并接地，电容C4的另一端接地；0033所述电感L1第一接线端接串联锂电池组中电池B1、电池B2串接点，所述电感L1第二接线端接开关管Q2的低电位端；所述电感L2第一接线端接串联锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述电感L2第一接线端接开关管Q3的低电位端；0034所述开关管Q1的高电位端接串联锂电池组中电池B1、电池B2串接点，所述开关管说明书CN104158245A4/5页7Q2的高电位端接串联

23、锂电池组中电池B2、电池B3串接点，所述开关管Q3的高电位端接串联锂电池组中电池B3的正极；0035所述开关管Q1的控制端接组合开关管Q6的结合点，所述开关管Q2的控制端接组合开关管Q5的结合点，所述开关管Q3的控制端接组合开关管Q4的结合点，所述组合开关管Q4的高电压端接电池B3正极；所述组合开关管Q4的低电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q4的控制端接光耦1的输出端，所述组合开关管Q5的高电压端接电池B2、电池B3串接点，所述组合开关管Q5的低电压端接电池B1、电池B2串接点，所述组合开关管Q5的控制端接光耦2的输出端，所述组合开关管Q6的高电压端接电池B2、电池B3串接点，

24、所述组合开关管Q6的低电压端接地，所述组合开关管Q6的控制端接光耦3的输出端，所述光耦1、光耦2、光耦3分别接I/O开关信号；0036所述二极管D1的负极接开关管Q2的低电位端，所述二极管D1的正极接串联锂电池组中电池B1的负极；所述二极管D2的负极接开关管Q3的低电位端，所述二极管D2的正极接串联锂电池组中电池B2、电池B3的串接点。本发明的综合式的锂电池组均衡电路中，锂电池组中非最后一节的电池通过电感线圈将电能向相邻的下一节转移来进行均衡，锂电池组中的最后一节将多余的电能通过电阻耗散来进行均衡。图1中为采用3节电池构成的锂电池组，若是锂电池组由更多电池构成，其结构与图1结构类似。图1中仅以

25、三节电池均衡作为示意性的表现，也可将其应用于多节电池均衡，本电路在实际应用中，可根据需要，用于三节以上电池串联电路均衡。0037所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3采用P型MOS管，所述P型MOS管的栅极为所述开关管的控制端，所述P型MOS管的漏极为所述开关管的低电位端，所述P型MOS管的源极为所述开关管的高电位端。0038所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6均采用P型MOS管和N型MOS管组合而成；所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的控制端为P型MOS管和N型MOS管栅极连接点，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的高电位端为N型MOS管的源极，

26、所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的低电位端为P型MOS管的漏极，所述组合开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6的结合点为P型MOS管的源极和N型MOS管的漏极连接点。0039所述二极管D1、D2为快恢复二极管，以适用于高速开关要求，且电路损耗少。0040所述电感L1、电感L2的匝数规格完全相同。实际电路中除最后一节电池对应电阻外，其他每一节电池对应一个电感。每个电感绕在一个封闭磁环上，所述电感L1、L2第一接线端为电感线圈的一端，所述电感L1、L2第二接线端为电感线圈的另一端。0041一种综合式的锂电池组均衡方法，其包括如下步骤0042步骤1判断电池是处于涓流充电阶段还是

27、处于静置不放电状态；0043步骤2如果电池是处于涓流充电阶段，判断单体电池的电压是否达到预设的第一均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不是则结束；如果电池是处于静置不放电状态，判断单体电池的电压是否达到预设的第三均衡阈值，如果是则进行步骤3，如果不是则结束；0044步骤3判断相邻的两个单体电池之间的电压差是否达到预设的第二均衡阈值，如果是则进行步骤4，如果不是则结束；0045步骤4根据以上步骤3判断出需要进行均衡的电池，通过I/O开关信号控制组合说明书CN104158245A5/5页8开关管Q4、组合开关管Q5、组合开关管Q6，使开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3进行开启关闭；电感中的电流只能通

28、过与开关管低电压端相连的二极管充入下一节电池，从而实现了能量的转移。0046本发明是一种基于相邻电池转移能量的结构，均衡判断过程如下在电池涓流充电阶段，此阶段电池充电电流较小，由A/D采样模块获得电池电压值，判断每一节电池电压是否达到了要进行均衡的第一均衡阈值，同时判断任意两节电池电压差值是否达到了第二均衡阈值；如果达到了，那么启动上一节电池向下节电池转移能量的均衡过程，否则结束，不进行均衡操作；在电池不使用并静置一段时间的过程中，进行均衡判断，此时电压是否高于第三均衡阈值，如果电压过低的话，均衡没有必要进行，若单节电压达到第三均衡阈值且任意相邻两节电压差也达到第二均衡阈值，则开启均衡过程。具

29、体流程如图2所示。经过上述均衡判断，可以实现对符合均衡要求的多节电池同时操作，保证了效率与安全。0047由均衡判断过程得到需要均衡的电池单体，由I/O开关端来对相应组合开关Q4、Q5、Q6进行操作，使开关管Q1、Q2、Q3进行开启关闭，在需要均衡的单体对应开关管开启时非最后一节电池，电池经过开关管和电感导通，此时电路简化为一阶RL电路，并处在一种零状态响应，电感电流上升，经过一定时间后，开关管关闭，此时由于电感特性，会补偿电路电流损失，而开关管已经关闭，电感中的电流只能通过与开关管低电压端相连的二极管充入下一节电池，从而实现了能量的转移。0048这个过程中，能量的转移规模通过控制开关管的导通时

30、间进行控制，并且转移过程不依靠电压差，完全由开关管来控制能量的转移。0049针对最后一节电池的均衡，无法通过电感再对下一节进行能量转移，所以这里采用电阻耗散能量。当需要对最后一节进行均衡的时候，开关管Q1开启，电池通过电阻R将能量耗散掉。直到MCU发出不再对最后一节进行均衡的命令，则闭开关管Q1。0050本发明的均衡电路和均衡方法可以用于多节电池均衡，图中只是为了示意，用三节电池来描述。0051上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。说明书CN104158245A1/2页9图1说明书附图CN104158245A2/2页10图2说明书附图CN104158245A10