一种串联铅酸蓄电池组均衡电路及其应用
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路。具体地，本发明使用一种双PWM驱动专用集成电路产生相位差180度的方波来控制两组互补场效应管MOSFET开关，切换一组电解电容器并联在串联蓄电池组的每个电池上，不断地循环往复进行充放电，从而实现使电压高的电池向电压低的电池转移电能，最终达到电压一致的均衡目的。本发明属于铅酸电池电源技术及电动车应用相关领域。
【背景技术】
[0002]可充电串联铅酸蓄电池组成本低，性价比高，安全可靠，被广泛应用于电动自行车、电动汽车、通讯、便携式工具、航空航天、太阳能、风力发电及各种储能装置中。单体可充电蓄电池电压一般为12伏，而动力电池的电压一般需要几十伏甚至更高，因此需要把许多单体电池串联在一起使用。大量电池的串联使用，在充放电过程中由于各单体电池容量，内阻，温度的偏差，很容易引起各个电池电压的不均衡一致，轻者导致电池组容量的下降和快速衰减，重者导致电池组起火爆炸。一般，串联铅酸蓄电池组使用寿命多则2年少则还不到半年就出问题了，电瓶的使用寿命短，成本高成为最大的问题。
[0003]据日本MGP社研究，串联铅酸蓄电池组损坏90%以上原因是所谓“失水”和“硫化”，而这实质上是由于电池组中各个电池特性不一致，不均衡导致的过充电和过放电问题。理论上任何一块国标电瓶可以充放电300次以上维持80%容量，实际上串联电池组的寿命有时连单体电瓶一半寿命都不到，一块电池坏了整组电池就不能用，这是因为一般串联铅酸蓄电池组充放电控制器只检测电池组的整体电压来防止过充过放。然而在串联电瓶中，虽然通过单体电瓶的电流相同，但是由于其容量，内阻和残余电量不可能完全相同，电瓶的充放电深度也会不同，容量大的总会欠充欠放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命长，容量小的衰减加快、寿命缩短，随着充放电次数增加，恶性循环，差异会越来越大，最终小容量电瓶会很快失效从而导致电池组提前失效。
[0004]为了避免上述电池电压不均衡导致的过充电和过放电现象的发生，人们采取了如挑选单体电池容量，内阻差异小的电池组成电池组等各种各样的方法和措施。但是即便如此，由于电池组的反复充放电，单体电池容量，内阻差异会逐渐累积增加而变得不均衡，绝对一致的电池是不存在的，所以如何保持串联铅酸蓄电池组在使用过程中的均衡一致显得格外重要。
[0005]本发明的一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路使用一种双PffM驱动专用集成电路产生相位差180度的方波来控制两组互补场效应管M0SFET，切换一组电解电容器并联在串联蓄电池组每个电池上，不断地循环往复进行充放电，从而实现使电压高的电池往电压低的电池转移电能，最终达到电压一致的均衡目的。实践证明保护电路简单、不使用控制复杂的单片机数据采集拓扑，耗电少，成本低，均衡效率高，工作稳定可靠，性能优良，在实际使用中效果良好。
【发明内容】
[0006]为了避免使用单片机数据采集拓扑测量串联电池组各单体电池电压进而控制均衡电路的复杂方案，本发明的串联铅酸蓄电池组主动均衡电路使用一种双PWM驱动专用集成电路产生相位差180度的方波来控制两组互补场效应管M0SFET，切换一组电解电容器，不断地循环往复并联在串联蓄电池组每个电池上进行充放电，从而实现使电压高的电池往电压低的电池转移电能，最终达到电压一致的均衡目的。
[0007]本发明所采用的技术方案如图1所示，适合N个串联铅酸蓄电池电源，每个电瓶标称电压12V但不限于12V。
[0008]电路由电瓶BATl至ΒΑΤη，场效应管FETl至FET4n，双PffM驱动集成电路Ul，以及电容CCl至C2n-2网络构成。
[0009]图1为本发明原理图均衡电路工作过程如下。
[0010]双PffM驱动集成电路Ul产生两列频率IKHz到50KHz相位差180度的方波El和E2,通过二极管Dl到D4n分别驱动P沟道场效应管FET3，FET4, FET7，FET8, FET11，FET12至 FET4n-l, FET4n 和 N 沟道场效应管 FET1，FET2, FET5, FET6, FET9, FETlO 至 FET4n_3,FET4n-2o由于方波El和E2相位差180度，P沟道场效应管FET3，FET4, FET7，FET8,FETlI，FET12 至 FET4n_l, FET4n 导通时，N 沟道场效应管 FETl, FET2, FET5, FET6, FET9,FETlO 至 FET4n-3, FET4n_2 则关断，此时电容网络 CC1，CC2，CC3，CC4，CC5，CC6 至 CC2n_3，CC2n-2分别并联接在电瓶BAT2至BATn的两端充电到电瓶的电压，即CC1，CC2的电压等于电瓶BAT2的电压，CC3，CC4的电压等于电瓶BAT3的电压，CC5，CC6的电压等于电瓶BAT4的电压，CC2n-3，CC2n-2的电压等于电瓶BATn的电压；反之P沟道场效应管FET3，FET4,FET7，FET8, FETlI，FET12 至 FET4n_l, FET4n 关断时，N 沟道场效应管 FETl, FET2, FET5,FET6, FET9, FETlO 至 FET4n_3, FET4n_2 则导通，此时电容网络 CCl，CC2，CC3，CC4，CC5，CC6至CC2n-3，CC2n_2分别并联接在电瓶BATl至BATn-1的两端，如果CC1，CC2的电压大于BATl的电压，则CC1，CC2向BATl充电，等效于BAT2向BATl充电，否则BATl向BAT2充电。对于BAT3和BAT4，BAT4和BAT5，BATn-1和ΒΑΤη，同理亦然，即:相邻的两电瓶，只要是电压较高的，通过电容的中介，其电量向电压较低的电瓶转移，如此周而往复，使所有电压高的电瓶电压降低，电压低的电瓶电压升高，达到电瓶均衡的目的。
[0011]由于电容的充放电速度快，效率高，本发明的串联铅酸蓄电池组主动均衡电路可以达到很大的均衡电流(数安培到数10安培)和很高的均衡效率(90%到98%)。采用左右对称的电路构造，可以使均衡电流翻倍。
[0012]下面结合附图1和实施例对发明进一步说明。
[0013]图1 中，BATI, ΒΑΤ2, ΒΑΤ3, ΒΑΤ4 为 4 节串联的 12V20Ah 电瓶，MOSFET1-16 为小功率场效应管，最大电流10A，U1频率定为lOKHz，CC1-CC12为1000uF。在以上电路参数时，可以达到的均衡基本参数如下所示。
[0014]电压:48V(12V 电瓶 4 块)
最大均衡电流:4.5A
均衡时间:〈6h 静态电流:〈18mA OUmgT?候 JOT 单:
Kε/ε C1- PZh Xl V 寸616392 Zo
【主权项】
1.一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路，具体地，本发明使用一种双PffM驱动集成电路产生相位差180度的方波来控制两组场效应管MOSFET开关，切换一组电解电容器并联在串联蓄电池组每个电池上，不断地循环往复进行充放电，从而实现使电压高的电池往电压低的电池转移电能，最终达到电压一致的均衡目的。2.根据权利要求1所述的一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路，其驱动集成电路为一种可产生双PWM方波的集成电路，两波形相位差为180度。3.根据权利要求1所述的一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路，其驱动方波的频率为1-40KHZ。4.根据权利要求1所述的一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路，两组场效应管MOSFET分别为P型和N型互补效应管。5.根据权利要求1所述的一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路，为了增大均衡电流，采用左右对称的电路构造，使均衡电流翻倍。
【专利摘要】可充电串联铅酸蓄电池组成本低，性价比高，安全可靠，被广泛应用于电动自行车、电动汽车、通讯、便携式工具、航空航天、太阳能、风力发电及各种储能装置中。串联铅酸蓄电池组损坏主要原因是由于电池组中各个电池特性不一致，不均衡导致的过充电和过放电问题。本发明涉及一种串联铅酸蓄电池组主动均衡电路。具体地，使用一种双PWM驱动专用集成电路产生相位差180度的方波来控制两组互补场效应管MOSFET，切换一组电解电容器并联在串联蓄电池组每个电池上，不断地循环往复进行充放电，从而实现使电压高的电池往电压低的电池转移电能，最终达到电压一致的均衡目的。实践证明保护电路简单、不使用控制复杂的单片机数据采集拓扑，耗电少，成本低,均衡效率高，工作稳定可靠，性能优良,在实际使用中效果良好。
【IPC分类】H02J7/00
【公开号】CN105429194
【申请号】CN201510653331
【发明人】米国民, 吴铁军
【申请人】丹东思诚科技有限公司
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年10月12日