CN103368268B - 串联储能元件组的电压主动均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种串联储能元件组的电压主动均衡系统及方法，该电压主动均衡系统是基于该电压主动均衡方法而设计，该电压主动均衡方法的主要技术要点是：通过给电池组或超级电容组中的每个电池或超级电容并联一个开关电容，并将各开关电容与一大容量的储能电容并联，使得所有各电池或超级电容中的多余电能先转移到各开关电容之后，再统一将电能转移到一储能电容中，最后利用储能电容将电能回馈到整个串联电池组或超级电容组，实现电能的重新分配，使电池组或超级电容组中各个电池或超级电容单体间的电压均衡，避免了某些单体因电压过高而造成单体损坏或爆炸等危险。

Description

串联储能元件组的电压主动均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及一种用于均衡串联储能元件组（电池组或超级电容组）的电压的系统和方法。

背景技术

电动汽车等电动交通工具是近年来兴起的新型交通工具，其以节约能源、绿色环保得到广泛关注，近年来，随着电力电子技术和电池、超级电容器技术的快速发展，电动汽车的发展也非常迅速。电动汽车利用大功率动力电池组或超级电容组来提供能量来源，电动汽车储能元件组工作电压等级一般为300～400V，纯电动巴士的电压等级更高，通常为400～600V左右，因此为了满足设计指标，必然要求多节电池或超级电容等储能元件单体的串联使用。但是由于储能元件单体内部特性差异、工作温度和循环使用次数的差别，所表现出来的单体行为也会有所区别，具体体现为单体电压不平衡。理想情况下，如果单体的性能完全一致，那么储能元件组的端电压除以串联单体的数量就是每只单体的电压，所以通过检测储能元件组的端电压即可实现成组单体过充电和过放电控制。但是，由于单体在生产和使用过程中不可能做到完全一致，即便在单体出厂的时候经过严格筛选后配组的单体，也会由于单体的使用环境、温度场以及自放电性能等差异使得单体在使用一段时间后在直流内阻、容量以及充电荷状态等方而出现差异，所以单体的不一致性问题是必然的。

影响电动汽车推广应用的主要因素包括储能元件单体的安全性和使用成本问题，延长单体的使用寿命是降低使用成本的有效途径之一。为确保单体性能良好，安全，并延长单体使用寿命，在电动汽车中对储能元件组进行充电时，需采用单体均衡系统对单体进行合理有效的均衡管理和监控。另外除了电动汽车，任何含有大功率储能单元的系统都需要单体均衡系统，例如电动汽车换电站、配合智能电网建设的储能电站等，由此可见，储能元件单体均衡系统在大功率储能系统中的重要性。

传统的单体管理均衡方法采用电阻放电，均衡效果一般，并且耗电严重，单体主动均衡技术近年来得到快速发展，一些专利已经给出主动式均衡的方法。例如：申请号为CN201110142840.8的中国专利提出了一种基于双向升降压变换器的总线式电池组均衡方法，如图1所示，它涉及一种电池组的电压均衡方法。该发明的方法基于双向升降压变换器、开关阵列、一号滤波电路、二号滤波电路、单体电池电压检测电路和控制器实现；双向升降压变换器主要是控制均衡电流的大小和流动方向，滤波电路是消除均衡电流的脉动性，避免大幅度脉动的均衡电流对被均衡电池的脉动冲击，开关阵列选择控制被均衡的电池接入相应端的均衡总线。又如，申请号为CN200910176662.3的中国专利公开了一种锂电池组主动均衡方法，如图2所示，该专利采用boost技术和法拉电容，可用于大容量的串联锂电池组静置时的电压均衡。再如，申请号为CN201110101124.5的中国专利公开了一种动力锂离子电池的主动均衡系统及均衡方法，如图3所示，其包括电池模块，电池模块通过电池组电压采样模块与均衡控制器的输入端相连；电池模块内任意单体电池通过单体电池电压测量模块与均衡控制器的输入端相连，电池模块内任意单体电池均与电量均衡模块相连，电量均衡模块与均衡控制器的输出端相连；当单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值间与均衡控制器设定的电压关系相对应时，均衡控制器向电量均衡模块输出均衡控制信号，对电池模块内相应的单体电池主动均衡，使单体电池电压、电池模块内单体电池的平均电压值与均衡控制器内设定的电压关系相匹配。上面三个专利中的主动均衡均是通过检测各电池单体的电压，将电压高的电池能量通过电容逐一直接地传递到电压低的电池中，因此，要实现电池均衡的目的，需要经多次能量传输才能基本达到电池均衡，所以均衡速度较慢，不适合高电压（串联电池数量多），大容量的串联电池组；此外，上述三个专利中的每个储能单元均需要两个开关器件及两套驱动电路，所以造成电路器件较多，电路复杂，成本较高。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种能弥补大功率储能元件组在使用过程中的不一致性的电压主动均衡方法，其储能元件单体均衡速度快、效率高，能满足高电压、大容量的储能元件组的使用要求。

本发明要解决的第二个技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种能弥补大功率储能元件组在使用过程中的不一致性的电压主动均衡系统，该系统所用到的电路均衡器件少，电路结构简单，成本低。

为解决上述第一个技术问题，本发明提出一种串联储能元件组的电压主动均衡方法，其包括如下步骤：步骤a：使串联储能元件组中的每个储能元件单体均并联一开关电容，检测每个储能元件单体的电压，当检测到某个储能元件单体的输出电压高于单体平均电压时，启动与该储能元件单体并联的开关电容并对该开关电容充电；步骤b：将充电后的开关电容的电能先传送到一个大容量的储能电容中，再将该储能电容中的电能通过升压变换器传送至储能元件组的两端，对储能元件组进行再充电。

优选地，每个开关电容先与一充电开关串联后再与对应的储能元件单体并联，所有开关电容均通过同一个转移切换开关与所述储能电容并联，所述充电开关与所述转移切换开关以互补导通的方式运行。

优选地，如果所述步骤a中检测到有两个以上储能元件单体的电压高于单体平均电压，则允许与该两个以上储能元件单体相连的充电开关同时导通或同时关断。

为解决上述第二个技术问题，本发明还提出一种串联储能元件组的电压主动均衡系统，用以均衡由至少两个储能元件单体串联构成的储能元件组的电压，所述电压主动均衡系统包括：一电压检测单元、一控制单元、至少两个均衡电路单元以及一均衡总单元，每个均衡电路单元并联一个所述储能元件单体；所述均衡总单元分别与每个均衡电路单元并联；所述电压检测单元分别与各储能元件单体相连，以检测各储能元件单体的输出电压；所述控制单元分别与各均衡电路单元相连，以将各储能元件单体的高于单体平均电压的电量分别储存在各均衡电路单元中；所述控制单元还与所述均衡总单元相连，以将储存在各均衡电路单元中的电量转移至所述均衡总单元中，再通过所述均衡总单元对所述储能元件组再充电，从而实现储能元件组中的各储能元件单体的电压均衡。

优选地，每个均衡电路单元均包括：一开关电容和一受所述控制单元控制而导通或关断的充电开关，所述开关电容和所述充电开关串联构成一过压充电支路，所述过压充电支路再与所述储能元件单体并联，且所述开关电容的正极与所述储能元件单体的正极对应。

优选地，所述均衡电路单元还包括：一整流二极管，所述整流二极管串联连接在所述过压充电支路中，以杜绝所述开关电容对所述储能元件单体反向充电。

优选地，所述均衡总单元包括：一变换器、一大容量的储能电容、一受所述控制单元控制而导通或关断的转移切换开关和一受所述控制单元控制而导通或关断的升压切换开关；所述储能电容与所述转移切换开关串联构成一储能转移支路，所述储能转移支路再分别与所述各均衡电路单元的开关电容并联，且所述储能电容的正极与所述开关电容的正极对应；所述储能电容与所述升压切换开关串联构成一储能升压支路，所述储能升压支路再与所述变换器的两输入端并联，所述变换器的两输出端分别与所述储能元件组的两端并联。

优选地，所述均衡总单元还包括多个整流二极管，每个开关电容与至少一个所述整流二极管串联后再与所述储能转移支路并联，以杜绝所述储能转移支路中的储能电容对所述开关电容反向充电。

优选地，所述变换器的输出端与至少一整流二极管串联后再与所述储能元件组的两端并联，以杜绝所述储能元件组中的电能反流至所述变换器中。

优选地，所述储能元件单体为电池或超级电容。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的储能元件组的电压均衡方法在提高电压均衡速度的同时，也提高了均衡的效率，能够适合高电压、大电容的串联储能元件组，市场推广优势明显，前景广阔；本发明的储能元件组的电压均衡系统电路结构简单，其相比现有技术中的电压均衡系统，省去了驱动电路，减少了开关的数量，降低了成本。

附图说明

图1为现有技术中一种电池组电压均衡系统的结构图。

图2为现有技术中另一种电池组电压均衡系统的结构图。

图3为现有技术中又一种电池组电压均衡系统的结构图。

图4为本发明串联储能元件组的电压主动均衡系统的方框结构示意图。

图5为本发明串联储能元件组的电压主动均衡系统的电路结构图。

具体实施方式

实施例一：串联储能元件组的电压主动均衡方法。

该串联储能元件组的电压主动均衡方法用以均衡由至少两个储能元件单体串联构成的储能元件组的电压，本发明的储能元件单体既可以为电池，也可以为超级电容，对应地，储能元件组既可以为由电池串联而构成的电池组，也可以为由超级电容串联而构成的超级电容组。

该方法包括如下步骤：步骤a：使串联储能元件组中的每个储能元件单体均并联一开关电容，检测每个储能元件单体的电压，当检测到某个储能元件单体的输出电压高于单体平均电压时，启动与该储能元件单体并联的开关电容并对该开关电容充电；步骤b：将充电后的开关电容的电能传送到一个大容量的储能电容中，再将该储能电容中的电能通过升压变换器传送至储能元件组的两端，对储能元件组进行再充电，以实现储能元件组电能的重新分配。

简言之，该方法主要是通过检测储能元件组中的各储能单体的电压，将多余电能从高于平均电压的储能单体转移到一开关电容中，待所有高于平均电压的储能单体中的多余电能均转移到各开关电容之后，统一将电能转移到一储能电容中，再利用储能电容将电能回馈到整个串联储能元件组，而不是将各高于平均电压的储能单体中的电能逐个直接回馈到串联储能元件组中，因此，这种均衡方法在提高均衡速度的同时，也提高了均衡效率。

为了方便控制各开关电容工作，上述每个开关电容先与一充电开关串联后再与对应的储能元件单体并联，而且，所有开关电容还通过同一个转移切换开关与储能电容并联，充电开关与转移切换开关以互补导通的方式运行，从而有效确保了将所有高出平均电压的储能单体中的多余电能均转移到各开关电容之后，再统一将电能回馈到整个串联储能元件组。

鉴于每个开关电容在工作时是独立的，所以，为了提高工作效率，如果上述步骤a中检测到有两个以上储能元件单体的电压高于单体平均电压，则允许与该两个以上储能元件单体相连的充电开关以相同方式工作（同时导通或同时关断），从而使得各高于平均电压的储能元件单体的多余电能够在同一时间分别转移到不同的开关电容中，提高了转移效率，避免了分时转移而造成的效率低下。

因此，本发明提供的上述储能元件组的电压均衡方法在提高电压均衡速度的同时，也提高了均衡的效率，能够适合高电压、大电容的串联储能元件组，市场推广优势明显，前景广阔。

实施例二：串联储能元件组的电压主动均衡系统。

该电压主动均衡系统是基于上述电压主动均衡方法而设计，其大致的结构如图4所示。该实施例中的储能元件组为由n个电池11、12、13……1n串联而成的电池组1，该实施例中的电压主动均衡系统包括：一电压检测单元（图中未示出）和一控制单元（图中未示出）、n个均衡电路单元21、22、23……2n以及一均衡总单元3，每个均衡电路单元并联一个电池（如图中的均衡电路单元21与电池11并联，均衡电路单元22与电池22并联）均衡总单元3分别与每个均衡电路单元11、12、13……1n并联；电压检测单元分别与各电池相连，以检测各电池的输出电压；控制单元分别与各均衡电路单元11、12、13……1n相连，以将各电池11、12、13……1n的高于平均电压的电量分别储存在各均衡电路单元11、12、13……1n中；控制单元还与均衡总单元相连，以将储存在各均衡电路单元11、12、13……1n中的电量转移至均衡总单元3中，再通过均衡总单元3对电池组再充电，从而实现电池组中各电池的电压均衡。

图5为上述电压主动均衡系统应用在三个电池串联系统中的电路结构图，如图所示，该电压主动均衡系统包括：一电压检测单元（图中未示出）和一控制单元（图中未示出）、三个均衡电路单元21、22、23以及一均衡总单元3。该三个均衡电路单元21、22、23分别并联在三个电池11、12、13的两端，用于分别转移三个电池11、12、13的高于平均电压的电能。三个均衡电路单元21、22、23的电路结构相同，以其中一个均衡电路单元21为例，其包括：一开关电容C1和一受控制单元控制而导通或关断的充电开关S1，开关电容C1和充电开关S1串联构成一过压充电支路，过压充电支路再与电池B1并联，且开关电容C1的正极与电池B1的正极对应。此外，该均衡电路单元还包括一整流二极管D1，该整流二极管D1串联连接在过压充电支路中，整流二极管D1的正极与开关电容C1的负极相连，整流二极管D1的负极与电池B1的负极相连，从而使由电池B1、开关S1、开关电容C1以及整流二极管D1构成的回路中的电流方向只能是图中的逆时针方向，防止了开关电容C1对电池B1反向充电。均衡总单元3包括：一变换器T、一大容量的储能电容C0、一受控制单元控制而导通或关断的转移切换开关S01和一受控制单元控制而导通或关断的升压切换开关S02。储能电容C0与转移切换开关S01串联构成一储能转移支路，储能转移支路再分别与各均衡电路单元的开关电容C1、C2或C3并联，且储能电容C0的正极与各开关电容C1、C2和C3的正极对应。储能电容C0与升压切换开关S02串联构成一储能升压支路，储能升压支路再与变换器T的两输入端并联，变换器T的两输出端分别与电池组1的两端并联。同样，为限制电流方向，该均衡总单元1还包括六个整流二极管D4、D5、D6、D7 、D8、D9，开关电容C1与两个整流二极管D4、D5串联后再与储能转移支路并联，同样开关电容C2也与两个整流二极管D6、D7串联后再与储能转移支路并联，开关电容C3也与两个整流二极管D8、D9串联后再与储能转移支路并联，从而防止储能电容C0对三个开关电容C1、C2和C3反向充电。变换器T的两输入端与由储能电容C0与升压切换开关S02串联构成一储能升压支路并联，变换器T的输出端与一整流二极管D10串联后再与电池组的两端并联，以防止电池组1中的电能反流至变换器T中。

储能电容C0和转移切换开关S01为所有均衡电路单元21、22、23共享，开关S02和变压器T构成一个升压变换器，转移切换开关S01和均衡电路单元21的充电开关S1、S2、S3之间以互补导通的方式工作，从而实现将各电池B1、B2、B3高于平均电压的能量通过相应的开关电容C1、C2、C3转移到储能电容C0上，再通过升压变换器传送到电池组1两端进行重新分配。

该电路的具体工作原理如下。

当电压检测单元检测到电池B1上的电压过高时，控制单元控制充电开关S1和转移切换开关S01以互补导通的方式高频运行，每个导通时间为半个周期（为保证安全，应预留死区时间），而开关S2和S3为关断状态，电池B1上的能量通过开关电容C1传送到储能电容C0，之后，控制单元控制升压切换开关S02导通，使储能电容C0两端的电压作为变压器T的输入电压，通过变压器T将电能返回电池组1两端进行重新分配。即单体B1通过S1-C1-S01-C0-S02-T路径进行放电将能量传送到电池组1两端对电池组1进行再充电。

当电压检测单元检测到电池B2上的电压过高时，控制单元控制充电开关S2和转移切换开关S01以互补导通的方式高频运行，每个导通时间为半个周期（为保证安全，应预留死区时间），而开关S1和S3为关断状态，单体B2上的能量通过开关电容C2传送到储能电容C0，之后，控制单元控制升压切换开关S02导通，使储能电容C0两端的电压作为变压器T的输入电压，通过变压器T将电能返回电池组1两端进行重新分配。即单体B2通过S2-C2-S01-C0-S02-T路径进行放电将能量传送到电池组1两端对电池组1进行再充电。

当电压检测单元检测到电池B3上的电压过高时，控制单元控制充电开关S3和转移切换开关S01以互补导通的方式高频运行，每个导通时间为半个周期（为保证安全，应预留死区时间），而开关S1和S3为关断状态，单体B3上的能量通过开关电容C3传送到储能电容C0，之后，控制单元控制升压切换开关S02导通，使储能电容C0两端的电压再作为变换器T的输入电压，通过变换器T将电能返回电池组1两端进行重新分配。即单体B3通过S3-C3-S01-C0-S02-T路径进行放电将能量传送到电池组1两端对电池组1进行再充电。

当电池组1中出现两个或两个以上的电池的电压过高时，相应的开关电容C1、C2或C3的充电开关S1、S2或S3同时以相同的方式运行，并与转移切换开关S01保持互补导通的方式工作，将电能通过相应的开关电容C1、C2或C3传送到储能电容C0，再通过变换器T对整个电池组1进行再充电。

以上描述中，三个充电开关S1、S2、S3、一个转移切换开关S01以及一个升压切换开关S02工作时均以高频脉冲信号触发，开关频率可以是1KHz~500KHz(推荐大于等于50 kHz)。 充电开关S1、S2和S3可单独运行，也可以组合运行，视各电池的电压而定，但在组合运行中须以相同方式工作（同时导通和同时关断）并与转移切换开关S01之间进行互补工作。升压切换开关S02的开关频率和导通占空比视变压器T的容量和电池的数量而定，其不需要与其他开关管（充电开关S1、S2、S3和转移切换开关S01）关联运行。

值得一提的是，该电压主动均衡系统还可以应用在由多个超级电容串联而成的超级电容组中，以均衡超级电容组中的各超级电容的电压。具体实施时，只需将上述实施例中的电池相应替换为超级电容即可，其工作原理与上述实施例相同，此处不再赘述。

综上所述，本发明通过给储能元件组中的每个储能元件单体并联一个开关电容，并将各开关电容与一大容量的储能电容并联，使得所有各单体中的多余电能先转移到各开关电容之后，再统一将电能转移到一储能电容中，最后利用储能电容将电能回馈到整个串联储能元件组，实现电能的重新分配，使储能元件组中各个单体间的电压均衡，避免了某些单体因电压过高而造成单体损坏或爆炸等危险。此外，本发明还可以弥补电动汽车等动力储能元件组在充电和使用过程中电池的不一致性，最大限度地发挥储能元件的效用，提高单体的安全性，延长储能元件组的使用寿命。并且本发明具有结构简单、成本低廉的特点。

以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种串联储能元件组的电压主动均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤a：使串联储能元件组中的每个储能元件单体均并联一开关电容，检测每个储能元件单体的电压，当检测到某个储能元件单体的输出电压高于单体平均电压时，启动与该储能元件单体并联的开关电容并对该开关电容充电；

步骤b：将充电后的开关电容的电能先传送到一个大容量的储能电容中，再将该储能电容中的电能通过升压变换器传送至储能元件组的两端，对储能元件组进行再充电。

2.如权利要求1所述的串联储能元件组的电压主动均衡方法，其特征在于，每个开关电容先与一充电开关串联后再与对应的储能元件单体并联，所有开关电容均通过同一个转移切换开关与所述储能电容并联，所述充电开关与所述转移切换开关以互补导通的方式运行。

3.如权利要求2所述的串联储能元件组的电压主动均衡方法，其特征在于，如果所述步骤a中检测到有两个以上储能元件单体的电压高于单体平均电压，则允许与该两个以上储能元件单体相连的充电开关同时导通或同时关断。

4.一种串联储能元件组的电压主动均衡系统，用以均衡由至少两个储能元件单体串联构成的储能元件组的电压，所述电压主动均衡系统包括：一电压检测单元和一控制单元，其特征在于，所述电压主动均衡系统还包括：至少两个均衡电路单元以及一均衡总单元，每个均衡电路单元并联一个所述储能元件单体；所述均衡总单元分别与每个均衡电路单元并联；所述电压检测单元分别与各储能元件单体相连，以检测各储能元件单体的输出电压；所述控制单元分别与各均衡电路单元相连，以将各储能元件单体的高于单体平均电压的电量分别储存在各均衡电路单元中；所述控制单元还与所述均衡总单元相连，以将储存在各均衡电路单元中的电量转移至所述均衡总单元中，再通过所述均衡总单元对所述储能元件组再充电，从而实现储能元件组中的各储能元件单体的电压均衡。

5.如权利要求4所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，每个均衡电路单元均包括：一开关电容和一受所述控制单元控制而导通或关断的充电开关，所述开关电容和所述充电开关串联构成一过压充电支路，所述过压充电支路再与所述储能元件单体并联，且所述开关电容的正极与所述储能元件单体的正极对应。

6.如权利要求5所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，所述均衡电路单元还包括：一整流二极管，所述整流二极管串联连接在所述过压充电支路中，以杜绝所述开关电容对所述储能元件单体反向充电。

7.如权利要求4所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，所述均衡总单元包括：一变换器、一大容量的储能电容、一受所述控制单元控制而导通或关断的转移切换开关和一受所述控制单元控制而导通或关断的升压切换开关；所述储能电容与所述转移切换开关串联构成一储能转移支路，所述储能转移支路再分别与所述各均衡电路单元的开关电容并联，且所述储能电容的正极与所述开关电容的正极对应；所述储能电容与所述升压切换开关串联构成一储能升压支路，所述储能升压支路再与所述变换器的两输入端并联，所述变换器的两输出端分别与所述储能元件组的两端并联。

8.如权利要求7所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，所述均衡总单元还包括多个整流二极管，每个开关电容与至少一个所述整流二极管串联后再与所述储能转移支路并联，以杜绝所述储能转移支路中的储能电容对所述开关电容反向充电。

9.如权利要求7所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，所述变换器的输出端与至少一整流二极管串联后再与所述储能元件组的两端并联，以杜绝所述储能元件组中的电能反流至所述变换器中。

10.如权利要求4所述的串联储能元件组的电压主动均衡系统，其特征在于，所述储能元件单体为电池或超级电容。