CN103414218B - 基于反馈控制的电池组有源均衡电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反馈控制的电池组有源均衡电路及其控制方法，该电路包括控制器、储能电容和N个能量搬移电路，控制器获取电池组中N节电池的电量信息及电池组均值电量信息，控制Ｎ节电池中的任意一节或多节电量高于均值的电池所对应的能量搬移电路中的电池侧开关循环交替的开通与关断，使得该一节或多节电量高于均值的电池的电能通过对应的能量搬移电路搬移到储能电容中；控制任意一节或多节电量低于均值的电池所对应的能量搬移电路中的公共侧开关循环交替的开通与关断，使储能电容的电能通过对应的能量搬移电路搬移到该一节或多节电量低于均值的电池中。本发明实现电池组中任意位置、任意数量的电池之间的能量搬移，并具有高能量搬移效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于反馈控制的电池组有源均衡电路及其控制方法，其用于对多串储能单元如电池组实现能量搬移，以均衡储能状态，其主要应用于新能源产品，即对电池和类似电池类需要电子线路的储能产品；其包括但不限于以下应用领域：锂离子蓄电池用管理系统，锂聚合物电池用电池管理系统，铅蓄电池，镍镉电池，镍氢电池，超级电容，以及新型储能产品的外围电子线路。
背景技术
在电池管理系统中，均衡电路用于平衡电池组中各节电池的荷电状态，可以有效的提高电池性能，延长电池寿命。而有源均衡电路因损耗、发热小，均衡电流更大而受到广泛关注。
图1示出了现有技术中的一种有源均衡电路，用于平衡串接组成电池组的电池B1至B4的储能状态，其包括控制器、开关SW1至SW5和作为储能元件的电感L1至L3，每个电感的一端接在需要能量搬移的两节电池之间，另一端分别通过开关交替的接在高串电池的正端和低串电池的负端，该有源均衡电路由控制器分别控制开关SW1至SW5的开关状态，将在电池组中位置相邻的电量较高的电池的能量通过电感搬移给电量较低的电池，并通过多次能量搬移实现整个电池组中各个电池的储能状态平衡。但该有源均衡电路的每次能力搬移只能发生在相邻的两个电池之间，在高电量和低电量的电池相隔较远时，需要经过多次能量搬移方能实现它们的储能状态平衡，因此，会造成电池能量的大量损耗，电池可用电量减少并产生发热问题。
图2示出了现有技术中的另一种有源均衡电路，其包括控制器、开关SW1至SW3，具有副边绕组L4、原边绕组L1至L3的变压器，以及二极管D1。该有源均衡电路利用多绕组变压器实现有源均衡，当某节电池电量过高时，由控制器控制对应的开关闭合，使副边线圈L4中产生交变电流，经过变压器和二极管D1整流，电能从该单节电量过高的电池充入整个电池组。这种电路可以一定程度上解决图1示出的有源均衡电路的搬移距离过远的问题。但是因为任何时间只有一节电池可以进行均衡，对于整个电池组而言，该有源均衡电路的均衡能力较弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于反馈控制的电池组有源均衡电路及其控制方法，能够实现电池组中任意位置、任意数量的电池之间的能量搬移。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方法如下：
一种基于反馈控制的电池组有源均衡电路，用于平衡电池组中N节电池的储能状态，其中，N为大于或等于2的自然数，其特征在于：所述的有源均衡电路包括控制器、储能电容和N个能量搬移电路；每个所述能量搬移电路均由电池侧电感、电池侧续流二极管、电池侧开关、中间电容、公共侧开关、公共侧续流二极管和公共侧电感组成，其中，所述电池侧电感的一端作为能量搬移电路的正输入端、另一端与所述电池侧续流二极管的阴极相连接并连接到所述中间电容的一端，所述电池侧续流二极管的阳极作为能量搬移电路的负输入端，所述电池侧开关与电池侧续流二极管相并联，所述中间电容的另一端与公共侧续流二极管的阳极相连接并连接到所述公共侧电感的一端，所述公共侧开关与公共侧续流二极管相并联，所述公共侧电感的另一端作为能量搬移电路的正输出端，所述公共侧续流二极管的阴极作为能量搬移电路的负输出端；
所述N个能量搬移电路的电池侧开关和公共侧开关的控制端分别连接到所述控制器的相应输出端，所述N个能量搬移电路的正输出端相连接，负输出端相连接并接地，所述储能电容连接在该N个能量搬移电路的公共正输出端与公共负输出端之间，并且，所述N个能量搬移电路与N节电池一一对应，每个能量搬移电路的正输入端与对应电池的正极相连接、负输入端与对应电池的负极相连接。
作为本发明有源均衡电路的优选实施方式，所述N个能量搬移电路的电池侧开关和公共侧开关均为晶体管，所述控制器输出PWM信号，用于分别控制各个电池侧开关和公共侧开关循环交替的开通与关断。
一种有源均衡电路的控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于上述任一方案的所述有源均衡电路实施，其包括以下步骤：
所述控制器获取电池组中所述N节电池各自的电量信息以及电池组的均值电量信息；
所述控制器依据取得的电量信息，控制所述Ｎ节电池中的任意一节或多节电量高于均值的电池所对应的能量搬移电路中的电池侧开关循环交替的开通与关断，使得该一节或多节电量高于均值的电池的电能通过对应的能量搬移电路搬移到所述储能电容中；
与此同时，所述控制器控制所述Ｎ节电池中的任意一节或多节电量低于均值的电池所对应的能量搬移电路中的公共侧开关循环交替的开通与关断，使所述储能电容的电能通过对应的能量搬移电路搬移到该一节或多节电量低于均值的电池中。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过储能电容吸收电量过高电池放出的能量、放出能量给电量过低的电池，并通过能量搬移电路实现电池与储能电容之间的能量搬移，因此，本发明能够实现电池组中任意位置、任意数量的电池之间的能量搬移，并且本发明仅需进行一次搬出及搬入即能实现任意节高电量电池至任意节低电量电池之间的能量搬移，其克服了现有技术中搬移效率（损耗）与搬移能力之间的矛盾，其进行能量搬移的损耗低，具有高能量搬移效率。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为现有技术中的有源均衡电路之一的电路原理图；
图2为现有技术中的有源均衡电路之二的电路原理图；
图3为本发明的有源均衡电路的电路原理图。
具体实施方式
本发明的基于反馈控制的电池组有源均衡电路，用于平衡电池组中N节电池的储能状态，其中，N为大于或等于2的自然数。本发明的有源均衡电路包括控制器、储能电容C0和N个能量搬移电路；每个能量搬移电路均由电池侧电感、电池侧续流二极管、电池侧开关、中间电容、公共侧开关、公共侧续流二极管和公共侧电感组成，其中，电池侧电感的一端作为能量搬移电路的正输入端、另一端与电池侧续流二极管的阴极相连接并连接到中间电容的一端，电池侧续流二极管的阳极作为能量搬移电路的负输入端，电池侧开关与电池侧续流二极管相并联，中间电容的另一端与公共侧续流二极管的阳极相连接并连接到公共侧电感的一端，公共侧开关与公共侧续流二极管相并联，公共侧电感的另一端作为能量搬移电路的正输出端，公共侧续流二极管的阴极作为能量搬移电路的负输出端；
N个能量搬移电路的电池侧开关和公共侧开关的控制端分别连接到控制器的相应输出端，N个能量搬移电路的正输出端相连接，负输出端相连接并接地，储能电容C0连接在该N个能量搬移电路的公共正输出端与公共负输出端之间，并且，N个能量搬移电路与N节电池一一对应，每个能量搬移电路的正输入端与对应电池的正极相连接、负输入端与对应电池的负极相连接。
其中，本发明的N个能量搬移电路的电池侧开关和公共侧开关可以选用晶体管实现，相应的，控制器输出PWM信号，用于分别控制各个电池侧开关和公共侧开关循环交替的开通与关断。本发明的蓄能电容C0选用满足电池组电量均衡需要的大容量电容。本发明的续流二极管可以选用肖特基二极管，也可以选用其他形式的开关器件实现，比如NMOS和PMOS等，以实现效率更高的同步整流。
本发明还公开了上述基于反馈控制的有源均衡电路的控制方法，其包括以下步骤：
控制器获取电池组中N节电池各自的电量信息以及电池组的均值电量信息；
控制器依据取得的电量信息，控制Ｎ节电池中的任意一节或多节电量高于均值的电池所对应的能量搬移电路中的电池侧开关循环交替的开通与关断，使得该一节或多节电量高于均值的电池的电能通过对应的能量搬移电路搬移到储能电容C0中；
与此同时，控制器控制Ｎ节电池中的任意一节或多节电量低于均值的电池所对应的能量搬移电路中的公共侧开关循环交替的开通与关断，使储能电容C0的电能通过对应的能量搬移电路搬移到该一节或多节电量低于均值的电池中。
图3示出了利用本发明对一个由3节电池B1～B3组成的电池组进行储能状态平衡的具体实施例，本实施例的有源均衡电路包括控制器（图中未示出）、储能电容C0和3个能量搬移电路，其中，对应电池B1的能量搬移电路由电池侧电感L1BAT、电池侧续流二极管D1C、电池侧开关SW1D、中间电容C1、公共侧开关SW1C、公共侧续流二极管D1D和公共侧电感L1CAP组成，对应电池B2、B3的能量搬移电路与对应电池B1的能量搬移电路的电路形式相同，在此不再赘述。本实施例的有源均衡电路的工作原理如下：
在控制器获取得知电池B1和电池B3的电量高于电池组的均值电量，电池B2的电量低于电池组的均值电量时，控制器控制电池侧开关SW1D和电池侧开关SW3D循环交替的开通与关断，即可由PWM信号控制开关，使得电池B1的电能经过电池侧电感L1BAT、中间电容C1、电池侧续流二极管D1C和公共侧电感L1CAP搬移至储能电容C0，并使得电池B3的电能经过电池侧电感L3BAT、中间电容C3、电池侧续流二极管D3C和公共侧电感L3CAP搬移至储能电容C0；与此同时，控制器控制公共侧开关SW2C循环交替的开通与关断，使得储能电容C0的电能经过公共侧电感L2CAP、中间电容C2、公共侧续流二极管D2D和电池侧电感L2BAT搬移至电池B2，以此实现该电池组的电量均衡。
对于本实施例的有源均衡电路仅将任意一节高电量电池的电能搬移至任意一节低电量电池的控制方法，其与上述控制方法原理相同，在此不再赘述。
另外，本发明的有源均衡电路对由2节电池组成的电池组或者由4节或以上的电池组成的电池组进行电量均衡，其只需对应需均衡的电池设置相应的能量搬移电路即可实现，其控制方法的原理与上述原理相同，在此不再赘述。
本发明不局限与上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。
Claims (1)
1.一种有源均衡电路的控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于有源均衡电路实施，该有源均衡电路用于平衡电池组中N节电池的储能状态，其中，N为大于或等于2的自然数；
所述的有源均衡电路包括控制器、储能电容(C0)和N个能量搬移电路；每个所述能量搬移电路均由电池侧电感、电池侧续流二极管、电池侧开关、中间电容、公共侧开关、公共侧续流二极管和公共侧电感组成，其中，所述电池侧电感的一端作为能量搬移电路的正输入端、另一端与所述电池侧续流二极管的阴极相连接并连接到所述中间电容的一端，所述电池侧续流二极管的阳极作为能量搬移电路的负输入端，所述电池侧开关与电池侧续流二极管相并联，所述中间电容的另一端与公共侧续流二极管的阳极相连接并连接到所述公共侧电感的一端，所述公共侧开关与公共侧续流二极管相并联，所述公共侧电感的另一端作为能量搬移电路的正输出端，所述公共侧续流二极管的阴极作为能量搬移电路的负输出端；
所述N个能量搬移电路的电池侧开关和公共侧开关的控制端分别连接到所述控制器的相应输出端，所述N个能量搬移电路的正输出端相连接，负输出端相连接并接地，所述储能电容(C0)连接在该N个能量搬移电路的公共正输出端与公共负输出端之间，并且，所述N个能量搬移电路与N节电池一一对应，每个能量搬移电路的正输入端与对应电池的正极相连接、负输入端与对应电池的负极相连接；
所述的控制方法包括以下步骤：
所述控制器获取电池组中所述N节电池各自的电量信息以及电池组的均值电量信息；
所述控制器依据取得的电量信息，控制所述N节电池中的任意一节或多节电量高于均值的电池所对应的能量搬移电路中的电池侧开关循环交替的开通与关断，使得该一节或多节电量高于均值的电池的电能通过对应的能量搬移电路搬移到所述储能电容(C0)中；
与此同时，所述控制器控制所述N节电池中的任意一节或多节电量低于均值的电池所对应的能量搬移电路中的公共侧开关循环交替的开通与关断，使所述储能电容(C0)的电能通过对应的能量搬移电路搬移到该一节或多节电量低于均值的电池中。
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