(定稿实新)串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路.doc

说 明书串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路技术领域本发明涉及动力电池管理技术领域，尤其涉及一种串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路。背景技术锂离子电池组由多个电池单体串联而成。在日常的循环使用过程中，对电池组的充电和放电会逐渐导致电池单体之间出现不均衡现象，电池性能和一致性下降，表现为单体电池间电压呈现差异，当一组串联的电池单体中有一个或多个电池单体的充电速度比其他电池单体更快或更慢，也就是出现了不均衡现象。现有电池管理系统的均衡方法基本采用单一的均衡方法，要么单一采用主动均衡方式，要么单一采用被动均衡方式。然而，这两种均衡方式都存在缺陷：被动均衡只能做充电均衡；同时，在充电均衡过程中，多余的能量是作为热量释放掉的，使得整个系统的效率低、功耗高。有些场合为限制功耗，电路一般只允许以100mA左右的小电流放电，从而导致充电平衡耗时可高达几小时。主动均衡硬件电路复杂，制作成本较高，且需要一套复杂的软件算法才能实现。在使用电感均衡的过程中，由于电池组典型的电压因受到电感感性元件的影响，将对电芯电压产生波动或干扰，因此对电芯电压的采集要求极高；主动均衡虽然均衡电流大，可以达到1A，甚至平均值可达到5A，但是均衡误差大，尤其是电池组进入恒压充电阶段，各电池单元电压很接近的时候，主动均衡的效果较差、均衡效率较低，不利于细分管理。发明内容本发明的目的是提供一种串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，能够充分利用单一均衡方式的优点，弥补单一均衡方式的不足，实现了均衡效率的最优化。本发明采用下述技术方案：一种串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，所述的主动被动协同混合均衡电路包括主动均衡电路、被动均衡电路和控制芯片；所述的主动均衡电路包含主动均衡驱动单元和多组用于控制相邻两个电池相互间充电的子主动均衡电路；每组子主动均衡电路均包括两个功率放大驱动电路和两个mos管，每组子主动均衡电路中的第一功率放大驱动电路的输出端连接第一mos管的栅极，第一mos管采用N沟道mos管；每组子主动均衡电路中的第二功率放大驱动电路的输出端连接第二mos管的栅极，第二mos管采用P沟道mos管；第一mos管的源极连接所控制的相邻两个电池中的第一电池的负极，第一mos管的漏极连接第二mos管的源极，第二mos管的漏极连接所控制的相邻两个电池中的第二电池的正极，电感的第一端连接第一mos管的漏极，电感的第二端连接相邻两个电池中的第一电池的正极，第一mos管的源极和漏极间并联有第一二极管，第一二极管的正极连接第一mos管的源极；第二mos管的源极和漏极间并联有第二二极管，第二二极管的正极连接第二mos管的源极；控制芯片的信号输出端连接主动均衡驱动单元的信号输入端，主动均衡驱动单元的信号输出端分别连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端；所述的被动均衡电路包括被动均衡驱动单元、移位寄存器和多组用于控制每一个电池放电的子被动均衡电路；每组子被动均衡电路均包括与所控制的电池串联的第三mos管和耗能电阻；控制芯片的信号输出端连接被动均衡驱动单元的信号输入端，被动均衡驱动单元的信号输出端连接移位寄存器的信号输入端，移位寄存器的信号输出端分别连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。所述的第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路均采用互补对称放大驱动电路，第一功率放大驱动电路包括第一三极管和第二三极管，第一三极管采用PNP型三级管，第二三极管采用NPN型三级管，第一三极管的基极和第二三极管的基极连接，第一三极管的集电极连接第二三极管的发射极，第一三极管的基极和第二三极管的基极共同通过第一电容连接第一mos管的栅极，第一三极管的发射极连接第一二极管的正极，第二三极管的集电极连接第二二极管的负极；第二功率放大驱动电路包括第三三极管和第四三极管，第三三极管采用PNP型三级管，第四三极管采用NPN型三级管，第三三极管的基极和第四三极管的基极连接，第三三极管的集电极连接第四三极管的发射极，第三三极管的基极和第四三极管的基极共同通过第二电容连接第二mos管的栅极，第三三极管的发射极连接第一二极管的正极，第四三极管的集电极连接第二二极管的负极。所述的主动均衡驱动单元的信号输出端分别通过反相器和光耦对应连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端；移位寄存器的信号输出端分别通过光耦对应连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。本发明在电池组充电时，在恒流充电阶段先使用主动均衡对电池进行第一阶段能量搬移，在电池电压接近过压点时，电池充电电流减小，逐渐转入恒压充电过程，此时关闭主动均衡，启用被动均衡，在充电末端进行第二阶段能量搬移，一方面可以消除主动均衡对电池电压采样造成的影响，消除电感等储能元件在高频开关信号下产生的干扰，同时可以更精确的控制充电过压门限，从而使电池的容量更精准的保持一致。本发明提供的主动被动协同混合均衡方法及均衡电路，充分利用了单一均衡方式的优点，弥补了单一均衡方式的不足，实现了均衡效率的最优化。附图说明图1为本发明所述串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路的电路原理示意图。具体实施方式本发明所述的串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，用于控制由多组电池串联组成的电池组，所述的主动被动协同混合均衡电路包括主动均衡电路、被动均衡电路和控制芯片；所述的主动均衡电路包含主动均衡驱动单元和多组用于控制相邻两个电池相互间充电的子主动均衡电路；每组子主动均衡电路结构相同，可成阵列排列，分别控制相邻两个电池相互间充电。例如针对由N+1块电池串联形成的电池组，可设置N组子主动均衡电路进行控制，用于控制第一电池和第二电池相互间充电的第一子主动均衡电路、用于控制第二电池和第三电池相互间充电的第二子主动均衡电路，以此类推，以及用于控制第N电池和第N+1电池相互间充电的第N子主动均衡电路。每组子主动均衡电路均包括两个功率放大驱动电路和两个mos管，每组子主动均衡电路中的第一功率放大驱动电路的输出端连接第一mos管的栅极，第一mos管采用N沟道mos管；每组子主动均衡电路中的第二功率放大驱动电路的输出端连接第二mos管的栅极，第二mos管采用P沟道mos管；第一mos管的源极连接所控制的相邻两个电池中的第一电池的负极，第一mos管的漏极连接第二mos管的源极，第二mos管的漏极连接所控制的相邻两个电池中的第二电池的正极，电感的第一端连接第一mos管的漏极，电感的第二端连接相邻两个电池中的第一电池的正极，第一mos管的源极和漏极间并联有第一二极管，第一二极管的正极连接第一mos管的源极；第二mos管的源极和漏极间并联有第二二极管，第二二极管的正极连接第二mos管的源极；控制芯片的信号输出端连接主动均衡驱动单元的信号输入端，主动均衡驱动单元的信号输出端分别连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端。本实施例中，主动均衡驱动单元的信号输出端分别通过反相器和光耦对应连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端。第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路均采用互补对称放大驱动电路，第一功率放大驱动电路包括第一三极管和第二三极管，第一三极管采用PNP型三级管，第二三极管采用NPN型三级管，第一三极管的基极和第二三极管的基极连接，第一三极管的集电极连接第二三极管的发射极，第一三极管的基极和第二三极管的基极共同通过第一电容连接第一mos管的栅极，第一三极管的发射极连接第一二极管的正极，第二三极管的集电极连接第二二极管的负极；第二功率放大驱动电路包括第三三极管和第四三极管，第三三极管采用PNP型三级管，第四三极管采用NPN型三级管，第三三极管的基极和第四三极管的基极连接，第三三极管的集电极连接第四三极管的发射极，第三三极管的基极和第四三极管的基极共同通过第二电容连接第二mos管的栅极，第三三极管的发射极连接第一二极管的正极，第四三极管的集电极连接第二二极管的负极。所述的被动均衡电路包括被动均衡驱动单元、移位寄存器和多组用于控制每一个电池放电的子被动均衡电路；每组子被动均衡电路均包括与所控制的电池串联的第三mos管和耗能电阻；控制芯片的信号输出端连接被动均衡驱动单元的信号输入端，被动均衡驱动单元的信号输出端连接移位寄存器的信号输入端，移位寄存器的信号输出端分别连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。本实施例中，移位寄存器的信号输出端分别通过光耦对应连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。以下结合图1对本发明所述的串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路的工作原理进行详细说明：图1中画出了两组子主动均衡电路，分别为控制第一电池cell_1和第二电池cell_2间相互充电的第一子主动均衡电路，以及控制第二电池cell_2和第三电池cell_3间相互充电的第二子主动均衡电路。在此以第一子主动均衡电路控制第一电池cell_1和第二电池cell_2间实现主动均衡为例。第一子主动均衡电路中包括两个功率放大驱动电路和两个mos管，第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路均采用互补对称放大驱动电路。第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路用于PWM驱动信号进行反向处理并进行光耦隔离，以实现了弱电低压控制高压浮地DC/DC的双重隔离的效果，大大提高了第一子均衡电路在大电流均衡时的高效性，可靠性以及稳定性。由于在均衡过程中要考虑到均衡效率的问题，以及高压隔离的问题，互补对称放大驱动电路能够将PWM信号的上升和下降斜率做的非常好，从而提高了均衡电源的效率第一功率放大驱动电路包括第一三极管Q1和第二三极管Q2，第一三极管Q1采用PNP型三级管，第二三极管Q2采用NPN型三级管，第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极连接，第一三极管Q1的集电极连接第二三极管Q2的发射极，第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极共同通过第一电容C1连接第一mos管Q11的栅极，第一三极管Q1的发射极连接第一二极管D1的正极，第二三极管Q2的集电极连接第二二极管D2的负极；第一mos管Q11采用N沟道mos管。第二功率放大驱动电路包括第三三极管Q3和第四三极管Q4，第三三极管Q3采用PNP型三级管，第四三极管Q4采用NPN型三级管，第三三极管Q3的基极和第四三极管Q4的基极连接，第三三极管Q3的集电极连接第四三极管Q4的发射极，第三三极管Q3的基极和第四三极管Q4的基极共同通过第二电容C2连接第二mos管Q12的栅极，第三三极管Q3的发射极连接第一二极管D1的正极，第四三极管Q4的集电极连接第二二极管D2的负极。第二功率放大驱动电路的输出端连接第二mos管Q12的栅极，第二mos管Q12采用P沟道mos管；第一mos管Q11的源极连接所控制的相邻两个电池中的第一电池cell_1的负极，第一mos管Q11的漏极连接第二mos管Q12的源极，第二mos管Q12的漏极连接所控制的相邻两个电池中的第二电池cell_2的正极，电感L的第一端连接第一mos管Q11的漏极，电感L的第二端连接相邻两个电池中的第一电池cell_1的正极，第一mos管Q11的源极和漏极间并联有第一二极管D1，第一二极管D1的正极连接第一mos管Q11的源极；第二mos管Q12的源极和漏极间并联有第二二极管D2，第二二极管D2的正极连接第二mos管Q12的源极；主动均衡驱动单元的信号输出端连接第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端。若同处于第一子主动均衡电路内的第一电池cell_1与第二电池cell_2的电压差高于预设电压差门限值时，则控制芯片判断电池组在放电过程中发生不均衡状态。当第一电池cell_1电压相对于第二电池cell_2较低时，控制芯片通过主动均衡驱动单元输出的PWM驱动信号经过反相器和光耦后，利用第二功率放大驱动电路中的第三三极管Q3和第四三极管Q4进行功率驱动，然后经第二电容C2隔离后输出至第二mos管Q12的栅极；当输出至第二mos管Q12栅极的PWM驱动信号为低电平时，第二mos管Q12导通；此时第二电池cell_2通过第二mos管Q12向电感L充电，将第二电池cell_2的能量转移到电感L；当输出至第二mos管Q12栅极的PWM驱动信号为高电平时，第二mos管Q12截止，由于电感L、第一电池cell_1和第一二极管D1形成导通回路，起到续流作用的第一二极管D1继续维持电感L的电流，将电感L的能量转移到第一电池cell_1。由于PWM驱动信号的不断循环，即可通过电感L实现第二电池cell_2的能量向第一电池cell_1不断地转移。若同处于第一子主动均衡电路内的第一电池cell_1与第二电池cell_2的电压差高于预设电压差门限值时，则控制芯片判断电池组在放电过程中发生不均衡状态。当第二电池cell_2电压相对于第一电池cell_1较低时，控制芯片通过主动均衡驱动单元输出的PWM驱动信号经过反相器和光耦后，利用第一功率放大驱动电路中的第一三极管Q1和第二三极管Q2进行功率驱动，然后经第一电容C1隔离后输出至第一mos管Q11的栅极；当输出至第一mos管Q11栅极的PWM驱动信号为高电平时，第一mos管Q11导通；此时第一电池cell_1通过第一mos管Q11向电感L充电，将第一电池cell_1的能量转移到电感L；当输出至第一mos管Q11栅极的PWM驱动信号为低电平时，第一mos管Q11截止，由于电感L、第二电池cell_2和第二二极管D2形成导通回路，起到续流作用的第二二极管D2继续维持电感L的电流，将电感L的能量转移到第二电池cell_2。由于PWM驱动信号的不断循环，即可通过电感L实现第一电池cell_1的能量向第二电池cell_2不断地转移。图1中还画出了两组子被动均衡电路，分别为控制第一电池cell_1进行被动放电的第一子被动均衡电路，以及控制第二电池cell_2进行被动放电的第二子被动均衡电路。在此以第一子主动均衡电路控制第一电池cell_1被动放电为例。控制芯片通过被动均衡驱动单元和移位寄存器输出的电平信号经过光耦隔离后输出至第三mos管Q13的栅极，当输出至第三mos管Q13栅极的电平信号为低电平时，第三mos管Q13导通，此时第一电池cell_1、第三三极管Q3和耗能电阻R形成导通回路，耗能电阻R工作，第一电池cell_1开始被泄放电流，消耗掉多余的能量；当输出至第三mos管Q13栅极的电平信号为高电平时，第三mos管Q13截止，第一电池cell_1停止泄放能量。第三mos管Q13采用P沟道mos管。本申请中，由于单体电池的电压在1.4V以上，能够保证P沟道mos管和N沟道mos管的正常导通与截止。本发明所述串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路在实现均衡时，包括以下步骤：A：控制芯片通过电流检测设备检测串联电池组中的电流值，并与涓流充电电流门限值和涓流放电电流门限值进行比较，判断电池组处于放电阶段或是充电阶段，若测量到的电流值高于涓流放电电流门限值，则判断处于放电阶段，进入步骤B；若测量到的电流值高于涓流充电电流门限值，则判断处于充电阶段，进入步骤C；B：控制芯片通过计算处于同一子主动均衡电路内的两块电池的电压差是否高于预设电压差门限值，判断电池组在放电过程中是否出现不均衡状态，若电池组出现不均衡状态且控制芯片判断出某一块电池在放电过程中出现电压较低的状况，则控制芯片控制主动均衡电路工作实现主动均衡，利用与电压较低的电池处于同一子主动均衡电路内的另一块电池对电压较低的电池进行充电，直至整个电池组放电至欠压状态；当电池组在放电过程中，若处于同一子主动均衡电路内的两块电池的电压差高于预设电压差门限值时，则判断电池组在放电过程中发生不均衡状态；实现主动均衡的步骤为：控制模块首先控制与电压较低的处于同一子主动均衡电路内的电压较高电池相对应的mos管在第一组离散时间间隙内导通，使电压较高电池向子主动均衡电路内的电感储能；然后控制模块控制与欠压电池对应的mos管在第二组离散时间间隙内导通，使电感向欠压电池充电；第一组离散时间间隙和第二组离散时间间隙互不重叠。第一组离散时间间隙和第二组离散时间间隙指在PWM调制控制模式下同一个周期内开关管导通和截止的时间，属于本领域的常规技术，在此不再赘述。 C：控制芯片通过计算处于同一子主动均衡电路内的两块电池的电压差是否高于预设电压差门限值，判断电池组在充电过程中是否出现不均衡状态，若电池组在恒流充电阶段发生不均衡状态且控制芯片判断出某一块电池在恒流充电过程中出现电压较低状况，则进入步骤D；若电池组处于恒压充电阶段且控制芯片判断出某一块电池在恒流充电过程中出现电压较高状况，则进入步骤E；恒流充电阶段和恒压充电阶段可通过恒流充电过程中的电压是否大于充电终止电压进行区分判断，属于本领域的常规技术，在此不再赘述。当电池组在恒流充电阶段中，若处于同一子主动均衡电路内的两块电池的电压差高于预设电压差门限值时，则判断电池组在恒流充电阶段中发生不均衡状态；当电池组处于恒压充电阶段，若某一块电池的电压高于预设单块电池电压门限值时，判断电池组恒压充电阶段发生不均衡状态。D：控制芯片控制主动均衡电路工作实现主动均衡，利用与电压较低的电池处于同一子主动均衡电路内的另一块电池对电压较低的电池进行充电，直至电压较低的电池电压达到过压点；过压点是指主动均衡电路内的两块电池的电压差低于预设电压差门限值为止的那个点，属于本领域的常规技术，在此不再赘述。实现主动均衡的步骤为：控制模块首先控制与电压较低的电池处于同一子主动均衡电路内的电压较高电池相对应的mos管在第一组离散时间间隙内导通，使电压较高电池向子主动均衡电路内的电感储能；然后控制模块控制与欠压电池对应的mos管在第二组离散时间间隙内导通，使电感向欠压电池充电；第一组离散时间间隙和第二组离散时间间隙互不重叠。E：控制芯片控制被动均衡电路工作实现被动均衡，利用与电压较高的电池连接的子被动均衡电路对电压较高的电池进行放电，直至电压较高的电池电压与电池组中其他电池电压一致；实现被动均衡的步骤为：控制模块控制与电压较高的电池连接的子被动均衡电路中的mos管导通，利用与电压较高的电池串联的耗能电阻进行放电。本发明中，利用控制芯片判断电池组处于放电阶段或是充电阶段、判断电池组在充电和放电过程中是否出现不均衡状态，都属于成熟的现有技术，在此不再赘述。本发明在电池组放电时启动主动均衡，关闭被动均衡。这样一方面可以减少电池组均衡时的能量损耗，将最多的电流输出到负载端；另一方面，由于主动均衡的均衡电流较大，可以在相对短的时间内对电压较低的电池进行补电，尽可能长时间的增加续航能力。当电池组放电至欠压时，主动均衡结束。本发明在电池组充电时，在恒流充电阶段先使用主动均衡对电池进行第一阶段能量搬移，在电池电压接近过压点时，电池充电电流减小，逐渐转入恒压充电过程，此时关闭主动均衡，启用被动均衡，在充电末端进行第二阶段能量搬移，一方面可以消除主动均衡对电池电压采样造成的影响，消除电感等储能元件在高频开关信号下产生的干扰，同时可以更精确的控制充电过压门限，从而使电池的容量更精准的保持一致。本发明提供的主动被动协同混合均衡方法及均衡电路，充分利用了单一均衡方式的优点，弥补了单一均衡方式的不足，实现了均衡效率的最优化。说 明 书 附 图图1权 利 要 求 书1. 一种串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，其特征在于：所述的主动被动协同混合均衡电路包括主动均衡电路、被动均衡电路和控制芯片；所述的主动均衡电路包含主动均衡驱动单元和多组用于控制相邻两个电池相互间充电的子主动均衡电路；每组子主动均衡电路均包括两个功率放大驱动电路和两个mos管，每组子主动均衡电路中的第一功率放大驱动电路的输出端连接第一mos管的栅极，第一mos管采用N沟道mos管；每组子主动均衡电路中的第二功率放大驱动电路的输出端连接第二mos管的栅极，第二mos管采用P沟道mos管；第一mos管的源极连接所控制的相邻两个电池中的第一电池的负极，第一mos管的漏极连接第二mos管的源极，第二mos管的漏极连接所控制的相邻两个电池中的第二电池的正极，电感的第一端连接第一mos管的漏极，电感的第二端连接相邻两个电池中的第一电池的正极，第一mos管的源极和漏极间并联有第一二极管，第一二极管的正极连接第一mos管的源极；第二mos管的源极和漏极间并联有第二二极管，第二二极管的正极连接第二mos管的源极；控制芯片的信号输出端连接主动均衡驱动单元的信号输入端，主动均衡驱动单元的信号输出端分别连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端；所述的被动均衡电路包括被动均衡驱动单元、移位寄存器和多组用于控制每一个电池放电的子被动均衡电路；每组子被动均衡电路均包括与所控制的电池串联的第三mos管和耗能电阻；控制芯片的信号输出端连接被动均衡驱动单元的信号输入端，被动均衡驱动单元的信号输出端连接移位寄存器的信号输入端，移位寄存器的信号输出端分别连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。2. 根据权利要求1所述的串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，其特征在于：所述的第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路均采用互补对称放大驱动电路，第一功率放大驱动电路包括第一三极管和第二三极管，第一三极管采用PNP型三级管，第二三极管采用NPN型三级管，第一三极管的基极和第二三极管的基极连接，第一三极管的集电极连接第二三极管的发射极，第一三极管的基极和第二三极管的基极共同通过第一电容连接第一mos管的栅极，第一三极管的发射极连接第一二极管的正极，第二三极管的集电极连接第二二极管的负极；第二功率放大驱动电路包括第三三极管和第四三极管，第三三极管采用PNP型三级管，第四三极管采用NPN型三级管，第三三极管的基极和第四三极管的基极连接，第三三极管的集电极连接第四三极管的发射极，第三三极管的基极和第四三极管的基极共同通过第二电容连接第二mos管的栅极，第三三极管的发射极连接第一二极管的正极，第四三极管的集电极连接第二二极管的负极。3. 根据权利要求2所述的串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，其特征在于：所述的主动均衡驱动单元的信号输出端分别通过反相器和光耦对应连接每组子主动均衡电路中第一功率放大驱动电路和第二功率放大驱动电路的输入端；移位寄存器的信号输出端分别通过光耦对应连接每组子被动均衡电路中第三mos管的栅极。说 明 书 摘 要本发明公开了一种串联蓄电池组的主动被动协同混合均衡电路，所述的主动被动协同混合均衡电路包括主动均衡电路、被动均衡电路和控制芯片。本发明在电池组充电时，在恒流充电阶段先使用主动均衡对电池进行第一阶段能量搬移，在电池电压接近过压点时，电池充电电流减小，逐渐转入恒压充电过程，此时关闭主动均衡，启用被动均衡，在充电末端进行第二阶段能量搬移，一方面可以消除主动均衡对电池电压采样造成的影响，消除电感等储能元件在高频开关信号下产生的干扰，同时可以更精确的控制充电过压门限，从而使电池的容量更精准的保持一致。本发明提供的主动被动协同混合均衡方法及均衡电路，充分利用了单一均衡方式的优点，弥补了单一均衡方式的不足，实现了均衡效率的最优化。摘 要 附 图