專利名稱：二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及二次電池組充放電設(shè)備，特別是一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡 裝置及方法，可用于例如動(dòng)力鋰離子電池組內(nèi)各單體電池之間的電壓均衡，實(shí)現(xiàn)電池組容 量的最大利用，延長整個(gè)電池組的使用壽命。
背景技術(shù)：
二次電池如今被廣泛應(yīng)用，其中，鋰離子電池能量密度高，平均輸出電壓大，自放 電率低，無記憶效應(yīng)，充電效率高，工作溫度范圍寬，使用壽命長，是一種無污染的綠色電 池。鋰離子電池也存在著一些不足之處，比如成本較高，必須有保護(hù)電路來防止過充電和過 放電，與普通電池的相容性較差。單體電池電壓相對(duì)鎳鎘電池等有了很大提高，但仍處于較 低水準(zhǔn)，只有通過鋰離子電池串聯(lián)形成電池組，才能滿足筆記本電腦、醫(yī)療設(shè)備和測試儀器 等對(duì)電壓和功率的要求。由于電池內(nèi)部特性的差異以及循環(huán)使用次數(shù)和工作溫度的差別，在充放電過程中 鋰離子電池組內(nèi)部各單體電池之間存在荷電狀態(tài)的不平衡，單體電池的容量、電壓也會(huì)出 現(xiàn)差異。為避免過充電，保護(hù)電路在容量小的電池充滿后會(huì)斷開充電電路停止充電，整個(gè)電 池組的容量得不到最大利用；為避免過放電，保護(hù)電路在容量小的電池放電完畢后會(huì)斷開 放電電路避免過放電，電池組容量也不能得到最大程度的利用。在不均衡的情況下，電池組 可以利用的能量受到容量最小的鋰離子單體電池的制約，成本隨之提高。另外，沒有均衡電 路的控制，容量小的電池始終處于足充足放的狀態(tài)，容量大的電池處于淺充淺放狀態(tài)，狀態(tài) 的差異對(duì)鋰離子單體電池之間的壽命差異形成正反饋，容量小的電池壽命縮短，從而造成 電池組的使用壽命大大減小。按功能特點(diǎn)均衡方案可分為靜態(tài)均衡和動(dòng)態(tài)均衡。靜態(tài)均衡包括充電和放電均 衡。充電均衡在充電過程中后期，單體電壓達(dá)到或超過截止電壓時(shí)，均衡電路才開始工作， 限制單體電壓保持在充電截止電壓以下。放電均衡在電池組放電時(shí)，限制單體電壓不低于 放電終止電壓。充電均衡防止過充電，但過放電的可能性增大；放電均衡防止過放電，但過 充電的可能性增大。動(dòng)態(tài)均衡實(shí)時(shí)對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行均衡，通過能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電池組中 單體電池電壓的平衡，保持相近的荷電狀態(tài)，保持單體間的充放電深度趨于相同，延長整個(gè) 鋰離子電池組的循環(huán)使用壽命。均衡又可分為能耗型和回饋型。能耗型指各單體電池存在并聯(lián)支路，在電流支路 中添加可控電阻來實(shí)現(xiàn)單體間的電壓均衡。回饋型通過能量變換器將單體電池間的能量差 反饋到電池組或單體。能耗型均衡使系統(tǒng)可靠性降低，消耗能源。回饋型可用電容和電感 來實(shí)現(xiàn)電量轉(zhuǎn)移。用電容傳遞電量，受限于電容容量和鋰離子電池組內(nèi)單體電池之間電壓 的差異，單次轉(zhuǎn)移電量非常小，均衡效率較低。用電感均衡時(shí)，電量轉(zhuǎn)移效率較高，但難以實(shí) 現(xiàn)非相鄰單體電池間的直接均衡?；仞佇椭校€有將多輸出變壓器應(yīng)用于均衡電路的方案， 其中在每節(jié)電池單體兩端分別固定并聯(lián)一個(gè)變壓器輸出端口來實(shí)現(xiàn)均衡，將最高電壓單體 的能量平均傳遞給電池組中的所有電池單體，均衡效率很高，速度很快，但這種方案下次級(jí)繞組很難匹配，不易于模塊化，實(shí)際應(yīng)用困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的動(dòng)態(tài)回饋型均衡裝 置和方法，均衡效率高且應(yīng)用簡便。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，包括單體電池電壓檢測模塊、單輸出的變 壓器、開關(guān)陣列、驅(qū)動(dòng)模塊和主控模塊，所述單體電池電壓檢測模塊用于檢測電池組中各單 體電池電壓，所述變壓器通過所述開關(guān)陣列耦合到各單體電池的兩端，所述開關(guān)陣列配置 成可將各單體電池任擇其一連通至所述變壓器的原線圈或副線圈；所述主控模塊根據(jù)所述 單體電壓檢測模塊的反饋，通過所述驅(qū)動(dòng)模塊控制所述開關(guān)陣列中相應(yīng)開關(guān)元件通斷，使 得當(dāng)單體電池之間的最大壓差在預(yù)設(shè)壓差閾值以上時(shí)，最高壓的單體電池向變壓器原線圈 轉(zhuǎn)移能量和變壓器副線圈向最低壓的單體電池傳遞能量。優(yōu)選地，所述開關(guān)陣列包括第一陣級(jí)和第二陣級(jí)，所述第一陣級(jí)包括分別一對(duì)一 地配置在各單體電池兩端的多個(gè)開關(guān)管，接同一單體電池兩端的開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第 二陣級(jí)包括控制各單體電池任意時(shí)刻僅連通到所述變壓器的原線圈或所述變壓器的副線 圈的多個(gè)開關(guān)管。優(yōu)選地，所述第二陣級(jí)的多個(gè)開關(guān)管包括采用第一原邊輸入開關(guān)管、第一原邊輸 出開關(guān)管、第二原邊輸入開關(guān)管、第二原邊輸出開關(guān)管、第一副邊輸入開關(guān)管、第一副邊輸 出開關(guān)管、第二副邊輸入開關(guān)管和第二副邊輸出開關(guān)管；
按照單體電池的串聯(lián)位置依序定義奇數(shù)位單體電池或偶數(shù)位單體電池， 所述第一原邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的正極端的開關(guān)管和所述變壓器的 原線圈第一端之間，所述第一原邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和 所述變壓器的原線圈第二端之間，所述第二原邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單體電池的正極 端的開關(guān)管和所述變壓器的原線圈第一端之間，所述第二原邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單 體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和所述變壓器的原線圈第二端之間；
所述第一副邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的正極端的開關(guān)管和所述變壓器的 副線圈第一端之間，所述第一副邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和 所述變壓器的副線圈第二端之間，所述第二副邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單體電池的正極 端的開關(guān)管和所述變壓器的副線圈第一端之間，所述第二副邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單 體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和所述變壓器的副線圈第二端之間；
所述第一原邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第二原邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)， 所述第一副邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第二副邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)模塊包括一級(jí)驅(qū)動(dòng)部分和二級(jí)驅(qū)動(dòng)部分，所述一級(jí)驅(qū)動(dòng)部分包 括一一對(duì)應(yīng)于各單體電池的多個(gè)一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，所述二級(jí)驅(qū)動(dòng)部分包括四個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電 路，所述一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和所述二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路均具有單輸入和雙輸出，各一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙 輸出分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)單體電池兩端的兩個(gè)開關(guān)管，第一個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所 述第一原邊輸入、輸出開關(guān)管，第二個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第二原邊輸入、 輸出開關(guān)管，第三個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第一副邊輸入、輸出開關(guān)管，第四個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第二副邊輸入、輸出開關(guān)管。
優(yōu)選地，還包括變壓器儲(chǔ)能檢測電路和變壓器釋能檢測電路，所述變壓器儲(chǔ)能檢 測電路監(jiān)測最高壓的單體電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束并通知所述主控模塊， 所述變壓器釋能檢測電路監(jiān)測變壓器副線圈向最低壓的單體電池的能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束并 通知所述主控模塊。優(yōu)選地，所述變壓器儲(chǔ)能檢測電路包括與變壓器原線圈串聯(lián)的第一采樣電阻和采 樣所述第一采樣電阻電壓的電壓采樣電路，所述變壓器釋能檢測電路包括與變壓器副線圈 串聯(lián)的第二采樣電阻和采樣所述第二采樣電阻電壓的電壓采樣電路。優(yōu)選地，所述變壓器為反激式。一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡方法，其特征在于，包括以下步驟
a.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓 差閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；
b.將最高壓的單體電池連通單輸出變壓器原線圈，使最高壓的單體電池向變壓器原 線圈轉(zhuǎn)移能量；
c.將最低壓的單體電池連通單輸出變壓器副線圈，使變壓器副線圈向最低壓的單體 電池轉(zhuǎn)移能量。優(yōu)選地，所述步驟b中，監(jiān)測最高壓的單體電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn)移是否 結(jié)束，結(jié)束時(shí)執(zhí)行所述步驟C。一種使用前述的一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置的二次電池組充放電 動(dòng)態(tài)回饋方法，包括以下步驟
al.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓差 閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；
bl.判斷最高壓和最低壓的單體電池是奇數(shù)位單體電池還是偶數(shù)位單體電池；對(duì)于 奇數(shù)位的最高壓的單體電池，開通所述第一原邊輸入開關(guān)管和所述第一原邊輸出開關(guān)管， 對(duì)于偶數(shù)位的最高壓的單體電池，開通所述第二原邊輸入開關(guān)管和所述第二原邊輸出開關(guān) 管；開通最高壓的單體電池兩端的開關(guān)管；
Cl.對(duì)于奇數(shù)位的最低壓的單體電池，開通所述第一副邊輸入開關(guān)管和所述第一副邊 輸出開關(guān)管，對(duì)于偶數(shù)位的最低壓的單體電池，開通所述第二副邊輸入開關(guān)管和所述第二 副邊輸出開關(guān)管；開通最低壓的單體電池兩端的開關(guān)管。本發(fā)明有益的技術(shù)效果是
采用本發(fā)明的裝置和方法，可以在二次電池組充放電過程中實(shí)時(shí)檢測電池電壓，并將 最高壓單體電池的能量通過單輸出變壓器直接傳遞到最低壓單體電池，由于本發(fā)明中采用 單輸出的變壓器，通過開關(guān)陣列的智能選通功能，實(shí)現(xiàn)最高電壓單體的能量只向最低電壓 單體傳遞，均衡更具有針對(duì)性，均衡效率更高，均衡速度很快，結(jié)構(gòu)上也更為簡單，易于模塊 化。
圖1為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置的主電路 原理圖；圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電路原理圖； 圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的單體電池電壓檢測電路原理圖； 圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的變壓器儲(chǔ)能\釋能檢測電路原理圖； 圖5為本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式以下通過實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置主要包括以下幾部分單體電池電 壓檢測部分、開關(guān)陣列、驅(qū)動(dòng)模塊部分、能量變換部分即單輸出的變壓器、以及主控模塊。單 體電池電壓檢測部分用于檢測電池組中各單體電池電壓；開關(guān)陣列中，可以用MOSFET (M0S 管)作為開關(guān)元件來控制電池組中各節(jié)電池的選通；驅(qū)動(dòng)模塊部分用于控制開關(guān)陣列，驅(qū)動(dòng) 信號(hào)由主控模塊提供；能量變換部分用于儲(chǔ)存和傳遞能量；主控模塊通過控制驅(qū)動(dòng)模塊、 MOSFET陣列和能量變換部分對(duì)二次電池組進(jìn)行均衡控制。本發(fā)明將最高壓單體電池與最 低壓單體電池之間的電壓差值作為是否啟動(dòng)均衡的參考，若檢測到該電壓差值高于一定的 值，則認(rèn)為二次電池組內(nèi)部匹配失衡，二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置對(duì)電池組進(jìn)行 均衡。在優(yōu)選的實(shí)施例中，還可以設(shè)置變壓器儲(chǔ)能檢測電路和\或釋能檢測電路，用于 檢測最高壓單體向變壓器原線圈轉(zhuǎn)移能量和\或變壓器副線圈向最低壓單體傳遞能量的 狀態(tài)，以對(duì)開關(guān)陣列的控制進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化能量轉(zhuǎn)移過程，例如，當(dāng)檢測到最高壓的單 體電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束時(shí)，可以馬上關(guān)斷最高壓的單體電池到變壓器的通 路，并隨即開通變壓器到最低壓的單體電池的通路。又如，當(dāng)檢測到變壓器副線圈向最低壓 的單體電池的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束時(shí)，可以馬上斷開均衡回路。參見圖1至圖4，一個(gè)實(shí)施例中，二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置包括單副線 圈的單輸出變壓器和開關(guān)陣列(例如圖1所示)、驅(qū)動(dòng)模塊(例如圖2所示)、單體電壓檢測模 塊(例如圖3所示)和主控模塊(未圖示)，單體電池電壓檢測模塊用于檢測電池組中各單體 電池電壓，變壓器通過開關(guān)陣列耦合到各單體電池的兩端，開關(guān)陣列配置成可將各單體電 池任擇其一連通至變壓器的原線圈或副線圈；主控模塊根據(jù)單體電壓檢測模塊的反饋，優(yōu) 選還根據(jù)變壓器儲(chǔ)能檢測電路和\或釋能檢測電路(例如圖4所示)的反饋，通過驅(qū)動(dòng)模塊 控制開關(guān)陣列中相應(yīng)開關(guān)元件通斷，使得當(dāng)單體電池之間的最大壓差在預(yù)設(shè)壓差閾值以上 時(shí)，最高壓的單體電池向變壓器原線圈轉(zhuǎn)移能量和變壓器副線圈向最低壓的單體電池傳遞 能量°在一個(gè)實(shí)施例中，可以為各單體電池分別配置一組開關(guān)管，開關(guān)陣列包括多組開 關(guān)管，每組開關(guān)管包括第一、第二原邊開關(guān)管和第一、第二副邊開關(guān)管，單體電池的兩端分 別通過對(duì)應(yīng)組的第一、第二原邊開關(guān)管串聯(lián)變壓器的原線圈，且單體電池的兩端分別通過 對(duì)應(yīng)組的第一、第二副邊開關(guān)管串聯(lián)變壓器的副線圈。這種方案的控制方式比較簡單，但是 所需開關(guān)管較多。參見圖1，在更優(yōu)的實(shí)施例中，開關(guān)陣列包括第一陣級(jí)和第二陣級(jí)，第一陣級(jí)包括 分別一對(duì)一地配置在各單體電池兩端的多個(gè)開關(guān)管Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16、Q17、Q18， 接同一單體電池兩端的開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，第二陣級(jí)包括控制各單體電池任意時(shí)刻僅連通到變壓器Tl的原線圈或變壓器Tl的原線圈的多個(gè)開關(guān)管。變壓器Tl優(yōu)選采用反激式變壓
O參見圖1，更優(yōu)選地，第二陣級(jí)的多個(gè)開關(guān)管包括第一原邊輸入開關(guān)管QA1、第一 原邊輸出開關(guān)管QA2、第二原邊輸入開關(guān)管QB1、第二原邊輸出開關(guān)管QB2、第一副邊輸入開 關(guān)管QC1、第一副邊輸出開關(guān)管QC2、第二副邊輸入開關(guān)管QDl和第二副邊輸出開關(guān)管QD2， 按照?qǐng)D1中所示的連接方式設(shè)置。其中，第一原邊輸入開關(guān)管QAl和第一原邊輸出開關(guān)管 QA2為一組控制奇數(shù)位單體電池V1、V3連通所述變壓器的原線圈，第二原邊輸入開關(guān)管QBl 和第二原邊輸出開關(guān)管QB2為一組控制偶數(shù)位單體電池V2、V4連通所述變壓器的原線圈， 第一副邊輸入開關(guān)管QCl和第一副邊輸出開關(guān)管QC2為一組控制奇數(shù)位單體電池V1、V3連 通所述變壓器的副線圈，第二副邊輸入開關(guān)管QDl和第二副邊輸出開關(guān)管QD2為一組控制 偶數(shù)位單體電池V2、V4連通所述變壓器的副線圈。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于兩節(jié)以上的電池組都能適 用，即不管單體電池?cái)?shù)量多大，第二陣列只需設(shè)置這四組開關(guān)管即可選擇導(dǎo)通所有單體電 池，所用器件更少，結(jié)構(gòu)上更為簡單。開關(guān)陣列各開關(guān)管均可采用M0SFET，構(gòu)成MOSFET陣列。如圖1所示的實(shí)施例中，二次電池組(如鋰離子電池組)具有四個(gè)單體電池，將電 池組內(nèi)的單體電池進(jìn)行編號(hào)，分別為VI、V2、V3、V4。與MOSFET陣列、變壓器連接起來，該 MOSFET陣列對(duì)單體電池具有選通作用。單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)MOS管進(jìn)行 控制。圖2中的驅(qū)動(dòng)模塊可以為TTL型驅(qū)動(dòng)模塊，輸入信號(hào)為單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)， 該驅(qū)動(dòng)模塊包括電阻R2H6、三極管Q21-Q23、二極管D21-D22、電容C21-C23以及變壓器 T21。圖2中的端口 1為PWM控制信號(hào)輸入端口 ；所用的變壓器有兩個(gè)副線圈，圖2中的端 口 6和9以及端口 10和11為驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端口。
圖1中，同一單體電池Vl兩端的MOS管Qll與MOS管Q12由同一個(gè)如圖2所示的驅(qū)動(dòng) 模塊驅(qū)動(dòng)；同樣，MOS管Q13與MOS管Q14由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)；MOS管Q15與MOS管Q16 由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)；MOS管Q17與MOS管Q18由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。圖1中，MOS管QAl與MOS管QA2由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)；MOS管QBl與MOS管QB2 由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)；MOS管QCl與QC2由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)；MOS管QDl與MOS管QD2 由同一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)。以MOS管Qll和MOS管Q12與驅(qū)動(dòng)模塊的連接為例，圖2中的端口 9接到MOS管 Ql 1的柵極，端口 6接到MOS管Ql 1的源極；圖2中的端口 11接到MOS管Q12的柵極，端口 10接到MOS管Q12的源極。其他各組的MOS管連接情況與上述說明完全相同。MOS管Qll 和MOS管Q12由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWM[1]通過驅(qū)動(dòng)模塊來控制；MOS管Q13和MOS管 Q14由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWM[2]通過驅(qū)動(dòng)模塊來控制；MOS管Q15和MOS管Q16由單 片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWM[3]通過驅(qū)動(dòng)模塊來控制；MOS管Q17和MOS管Q18由單片機(jī)輸出 的控制信號(hào)PWM[4]通過驅(qū)動(dòng)模塊來控制；MOS管QAl和MOS管QA2由單片機(jī)輸出的控制信 號(hào)PWMA通過驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制；MOS管QBl和MOS管QB2由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWMB通 過驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制；MOS管QCl和MOS管QC2由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWMC通過驅(qū)動(dòng)模 塊進(jìn)行控制；MOS管QDl和MOS管QD2由單片機(jī)輸出的控制信號(hào)PWMD通過驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控 制。
圖3是優(yōu)選的單體電池電壓檢測電路，其采用減法運(yùn)算電路，包括電感L31-L32、 電阻R31-R34、電容C31以及運(yùn)算器U3A。圖3中端口 6和7為電路的兩個(gè)輸入端口，端口 3 為輸出端口。將電路分別并聯(lián)到鋰離子電池組內(nèi)各單體的正負(fù)極兩端，端口 6接單體電池 正極，端口 7接單體電池負(fù)極，輸出端口 3即為各單體電池的電壓，將輸出端口與單片機(jī)的 內(nèi)置AD相連接。因?yàn)殇囯x子單體電池的電壓值在5V以下，不需要通過比例采樣即可輸入 單片機(jī)的內(nèi)置AD。圖3中電感L31、L32和電容C31起到消除毛刺、噪聲的作用，使檢測的 單體電池電壓更為穩(wěn)定，提高檢測精度。圖4是優(yōu)選的變壓器儲(chǔ)能\釋能檢測電路，其采用小電阻電壓采樣電路，包括電阻 R41-R47、電感L41-L42、電容C41-C42、二極管D41以及運(yùn)算器U41A-U42A。設(shè)置小電阻電壓 采樣電路，檢測原副線圈所接小電阻流過電流的狀態(tài)，可以獲取最高壓電池向變壓器原線 圈和變壓器副線圈向最低壓電池的能量轉(zhuǎn)移狀態(tài)。圖4中的電阻R41、R42、R43、R44阻值 完全相同，端口 3和4為輸入端口，端口 8為輸出端口。在圖1中的小電阻Rll和R12兩端 分別并聯(lián)小電阻電壓采樣電路。將圖4的端口 3接到圖1中小電阻Rll的左端，端口 4接到圖1中小電阻Rll的 右端；用另外一個(gè)小電阻電壓采樣電路并聯(lián)到圖1中的小電阻R12兩端，端口 3接到R12右 端，端口 4接到R12左端。圖4中的端口 5輸出的電壓為小電阻兩端電壓。對(duì)于圖1中的 小電阻R11，因?yàn)榕c原線圈和電池相連接，最高電壓不會(huì)超過5V，故可將圖4中的R45去掉； 對(duì)于圖1中的小電阻R12，因?yàn)楹透本€圈相連，變壓器升壓后的電壓值較高，可根據(jù)變壓器 升壓比來調(diào)節(jié)圖4中R45與R46的比值，使采樣電壓處于合理范圍之內(nèi)。將圖4中的端口 8與單片機(jī)的AD相連接。圖4中的電感L41、L42和電容C41起到消除毛刺、噪聲的作用， 使檢測的小電阻兩端電壓更為穩(wěn)定，提高檢測精度。在另一方面，本發(fā)明還提供一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡方法，包括以下 步驟
a.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓 差閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；
b.將最高壓的單體電池連通單輸出變壓器原線圈，使最高壓的單體電池向變壓器原 線圈轉(zhuǎn)移能量；
c.將最低壓的單體電池連通單輸出變壓器副線圈，使變壓器副線圈向最低壓的單體 電池轉(zhuǎn)移能量。在優(yōu)選的實(shí)施例里，步驟b中，監(jiān)測最高壓的單體電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn) 移是否結(jié)束，結(jié)束時(shí)執(zhí)行步驟C。步驟c中還可以監(jiān)測變壓器副線圈向最低壓的單體電池的 能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束，結(jié)束時(shí)即完全一次回饋均衡循環(huán)過程，可以控制斷開單體電池與單輸 出變壓器的連通。參見圖1，使用該實(shí)施例的一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置的二次電池 組充放電動(dòng)態(tài)回饋方法包括以下步驟
al.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓差 閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；
bl.判斷最高壓和最低壓的單體電池是奇數(shù)位單體電池還是偶數(shù)位單體電池；對(duì)于奇 數(shù)位的最高壓的單體電池，開通第一原邊輸入開關(guān)管和第一原邊輸出開關(guān)管，對(duì)于偶數(shù)位的最高壓的單體電池，開通第二原邊輸入開關(guān)管和第二原邊輸出開關(guān)管；開通最高壓的單 體電池兩端的開關(guān)管；
Cl.對(duì)于奇數(shù)位的最低壓的單體電池，開通第一副邊輸入開關(guān)管和第一副邊輸出開關(guān) 管，對(duì)于偶數(shù)位的最低壓的單體電池，開通第二副邊輸入開關(guān)管和第二副邊輸出開關(guān)管；開 通最低壓的單體電池兩端的開關(guān)管。參見圖1和圖5，從中可以看到優(yōu)選實(shí)施例的整個(gè)均衡的控制過程。首先將圖1 中所有 MOS 管(Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16、Q17、Q18、QA1、QA2、QB1、 QB2、QCU QC2、QDl和QD2)都處于斷開狀態(tài)，沒有驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。通過單體電池電壓檢測 電路和小電阻電壓采樣電路來采集數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)AD，由單片機(jī)對(duì)檢測 的單體電池電壓進(jìn)行排序，設(shè)定最高電池電壓用Vm表示，最低電池電壓用Vn表示。若最高 電壓與最低電壓之間的差值高于某個(gè)閾值，則開啟均衡電路。若低于某個(gè)閾值，則不啟動(dòng)均 衡，繼續(xù)對(duì)單體電池電壓進(jìn)行檢測和小電阻兩端電壓進(jìn)行采樣，并對(duì)檢測到的單體電池電 壓排序。Vm為最高電池電壓，若m為奇數(shù)，則開啟PWMA通過驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)MOS管QAl和 MOS管QA2導(dǎo)通；若為偶數(shù)，則啟動(dòng)PWMB通過驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)MOS管QBl和MOS管QB2導(dǎo) 通。然后將電池Vm兩端MOS管導(dǎo)通，由單片機(jī)輸出的PWM[m]通過驅(qū)動(dòng)模塊來控制電池Vm 兩端的MOS管導(dǎo)通。若變壓器儲(chǔ)能飽和，則電流達(dá)到最大值并保持，通過小電阻電壓采樣電 路采樣圖1中的小電阻Rll兩端電壓，達(dá)到最大值即證明變壓器儲(chǔ)能飽和，即刻關(guān)閉控制信 號(hào)PWM[m]，使電池Vm兩端MOS管和接于原線圈兩端的MOS管QAl和QA2 (或QBl和QB2)斷 開。采用反激式變壓器，通過其中的氣隙可以儲(chǔ)能，升壓，在原線圈通路斷開瞬間，根據(jù)最低 壓單體Vn中η的奇偶性來確定開啟PWMC還是PWMD，若是奇數(shù)，則開啟PWMC通過驅(qū)動(dòng)模塊 使MOS管QCl和QC2導(dǎo)通；若是偶數(shù)，則開啟PWMD通過驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)MOS管QDl和QD2 導(dǎo)通，同時(shí)開啟PWM[n]通過驅(qū)動(dòng)模塊使最低壓電池Vn兩端的MOSFET導(dǎo)通。因?yàn)樽儔浩鞣?激且升壓，副線圈可對(duì)最低壓電池充電，在此過程中，副線圈兩端電壓逐漸減小，通過連接 在副線圈的小電阻R12可獲知能量傳遞狀態(tài)，當(dāng)副線圈兩端電壓減小到與最低壓電池電壓 相等時(shí)，電流為零，通過小電阻電壓采樣電路可得到小電阻R12兩端電壓情況，通過判斷其 零點(diǎn)來斷開均衡回路。整個(gè)過程循環(huán)進(jìn)行，來實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各單體的電壓均衡。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，包括單體電池電壓檢測模 塊、單輸出的變壓器、開關(guān)陣列、驅(qū)動(dòng)模塊和主控模塊，所述單體電池電壓檢測模塊用于檢 測電池組中各單體電池電壓，所述變壓器通過所述開關(guān)陣列耦合到各單體電池的兩端，所 述開關(guān)陣列配置成可將各單體電池任擇其一連通至所述變壓器的原線圈或副線圈；所述主 控模塊根據(jù)所述單體電壓檢測模塊的反饋，通過所述驅(qū)動(dòng)模塊控制所述開關(guān)陣列中相應(yīng)開 關(guān)元件通斷，使得當(dāng)單體電池之間的最大壓差在預(yù)設(shè)壓差閾值以上時(shí)，最高壓的單體電池 向變壓器原線圈轉(zhuǎn)移能量和變壓器副線圈向最低壓的單體電池傳遞能量。
2.如權(quán)利要求1所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，所述開關(guān) 陣列包括第一陣級(jí)和第二陣級(jí)，所述第一陣級(jí)包括分別一對(duì)一地配置在各單體電池兩端的 多個(gè)開關(guān)管，接同一單體電池兩端的開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第二陣級(jí)包括控制各單體電池 任意時(shí)刻僅連通到所述變壓器的原線圈或所述變壓器的副線圈的多個(gè)開關(guān)管。
3.如權(quán)利要求2所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，所述第二 陣級(jí)的多個(gè)開關(guān)管包括采用第一原邊輸入開關(guān)管、第一原邊輸出開關(guān)管、第二原邊輸入開 關(guān)管、第二原邊輸出開關(guān)管、第一副邊輸入開關(guān)管、第一副邊輸出開關(guān)管、第二副邊輸入開 關(guān)管和第二副邊輸出開關(guān)管；按照單體電池的串聯(lián)位置依序定義奇數(shù)位單體電池或偶數(shù)位單體電池，所述第一原邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的正極端的開關(guān)管和所述變壓器的 原線圈第一端之間，所述第一原邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和 所述變壓器的原線圈第二端之間，所述第二原邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單體電池的正極 端的開關(guān)管和所述變壓器的原線圈第一端之間，所述第二原邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單 體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和所述變壓器的原線圈第二端之間；所述第一副邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的正極端的開關(guān)管和所述變壓器的 副線圈第一端之間，所述第一副邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在奇數(shù)位單體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和 所述變壓器的副線圈第二端之間，所述第二副邊輸入開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單體電池的正極 端的開關(guān)管和所述變壓器的副線圈第一端之間，所述第二副邊輸出開關(guān)管串聯(lián)在偶數(shù)位單 體電池的負(fù)極端的開關(guān)管和所述變壓器的副線圈第二端之間；所述第一原邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第二原邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)， 所述第一副邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所述第二副邊輸入、輸出開關(guān)管同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng) 模塊包括一級(jí)驅(qū)動(dòng)部分和二級(jí)驅(qū)動(dòng)部分，所述一級(jí)驅(qū)動(dòng)部分包括一一對(duì)應(yīng)于各單體電池的 多個(gè)一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，所述二級(jí)驅(qū)動(dòng)部分包括四個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，所述一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路和所述 二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路均具有單輸入和雙輸出，各一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)相應(yīng)單體電池兩 端的兩個(gè)開關(guān)管，第一個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第一原邊輸入、輸出開關(guān)管， 第二個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第二原邊輸入、輸出開關(guān)管，第三個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng) 電路的雙輸出分別驅(qū)動(dòng)所述第一副邊輸入、輸出開關(guān)管，第四個(gè)二級(jí)驅(qū)動(dòng)電路的雙輸出分 別驅(qū)動(dòng)所述第二副邊輸入、輸出開關(guān)管。
5.如權(quán)利要求1-4所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，還包括 變壓器儲(chǔ)能檢測電路和變壓器釋能檢測電路，所述變壓器儲(chǔ)能檢測電路監(jiān)測最高壓的單體 電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束并通知所述主控模塊，所述變壓器釋能檢測電路監(jiān)測變壓器副線圈向最低壓的單體電池的能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束并通知所述主控模塊。
6.如權(quán)利要求5所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，所述變壓 器儲(chǔ)能檢測電路包括與變壓器原線圈串聯(lián)的第一采樣電阻和采樣所述第一采樣電阻電壓 的電壓采樣電路，所述變壓器釋能檢測電路包括與變壓器副線圈串聯(lián)的第二采樣電阻和采 樣所述第二采樣電阻電壓的電壓采樣電路。
7.如權(quán)利要求1-4所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，其特征在于，所述變 壓器為反激式。
8.一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡方法，其特征在于，包括以下步驟a.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓 差閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；b.將最高壓的單體電池連通單輸出變壓器原線圈，使最高壓的單體電池向變壓器原 線圈轉(zhuǎn)移能量；c.將最低壓的單體電池連通單輸出變壓器副線圈，使變壓器副線圈向最低壓的單體 電池轉(zhuǎn)移能量。
9.如權(quán)利要求8所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡方法，其特征在于，所述步驟 b中，監(jiān)測最高壓的單體電池向變壓器原線圈的能量轉(zhuǎn)移是否結(jié)束，結(jié)束時(shí)執(zhí)行所述步驟Co
10.一種使用權(quán)利要求3所述的二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置的二次電池組充 放電動(dòng)態(tài)回饋方法，其特征在于，包括以下步驟al.檢測電池組中各單體電池電壓，判斷單體電池之間的最大壓差是否在預(yù)設(shè)壓差 閾值以上，若是，執(zhí)行下一步；bl.判斷最高壓和最低壓的單體電池是奇數(shù)位單體電池還是偶數(shù)位單體電池；對(duì)于 奇數(shù)位的最高壓的單體電池，開通所述第一原邊輸入開關(guān)管和所述第一原邊輸出開關(guān)管， 對(duì)于偶數(shù)位的最高壓的單體電池，開通所述第二原邊輸入開關(guān)管和所述第二原邊輸出開關(guān) 管；開通最高壓的單體電池兩端的開關(guān)管；Cl.對(duì)于奇數(shù)位的最低壓的單體電池，開通所述第一副邊輸入開關(guān)管和所述第一副邊 輸出開關(guān)管，對(duì)于偶數(shù)位的最低壓的單體電池，開通所述第二副邊輸入開關(guān)管和所述第二 副邊輸出開關(guān)管；開通最低壓的單體電池兩端的開關(guān)管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二次電池組充放電動(dòng)態(tài)回饋均衡裝置，包括單體電池電壓檢測模塊、單輸出的變壓器、開關(guān)陣列、驅(qū)動(dòng)模塊和主控模塊，所述單體電池電壓檢測模塊用于檢測電池組中各單體電池電壓，所述變壓器通過所述開關(guān)陣列耦合到各單體電池的兩端，所述開關(guān)陣列配置成可將各單體電池任擇其一連通至所述變壓器的原線圈或副線圈；所述主控模塊根據(jù)所述單體電壓檢測模塊的反饋，通過所述驅(qū)動(dòng)模塊控制所述開關(guān)陣列中相應(yīng)開關(guān)元件通斷，使得當(dāng)單體電池之間的最大壓差在預(yù)設(shè)壓差閾值以上時(shí)，最高壓的單體電池向變壓器原線圈轉(zhuǎn)移能量和變壓器副線圈向最低壓的單體電池傳遞能量。作為一種新的動(dòng)態(tài)回饋型均衡方案,本發(fā)明均衡效率高且應(yīng)用簡便。
文檔編號(hào)H02J7/00GK102148518SQ201110066260
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者任文龍, 廖慶敏, 朱立東, 胡越發(fā) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)深圳研究生院