CN104901390B - 一种串联电池组/超级电容组的均衡方法及电路 - Google Patents

Abstract

一种串联电池组/超级电容组的均衡方法及电路，包括：电池组/超级电容组，N个串联的单体电池/超级电容；控制开关组，包括4N个可控开关；普通电容，用于储存和释放能量。本发明在实时监测电池组中各单体电池/超级电容电压的前提下，判断出需要均衡的电池/超级电容，通过控制可控开关的导通和关闭来完成电池/超级电容之间能量的转移。本发明可以实现相邻两个单体电池/超级电容间的能量转移或者多电池/超级电容间能量转移，通过控制策略，在经过多次能量转移后可以实现电池组/超级电容组的均衡。由于本发明各均衡单元的结构完全相同，每个单元与下一单元连接时仅需要连接2条导线，模块化后连接方便简洁。

Description

一种串联电池组/超级电容组的均衡方法及电路

技术领域

本发明属于电动汽车及新能源动力电池技术领域，涉及一种串联电池组/超级电容组的均衡方法。

背景技术

当前全球面临日益严重的环境问题和能源问题，电动汽车在降低石油消耗，减少环境污染方面优点突出。电动汽车具有节能、零污染、零排放、能源利用率高、高性能等优势，使其在未来节约和环保的各种能源战略路径中脱颖而出。

电动车辆动力电池为满足高电压输出要求，需要将多节单体电池或者单体超级电容串联使用。然而，由于现有制造技术以及阻抗和温度特性等各方面的差异，单体电池之间的性能会有所差异，使其在相同的充放电电流下，各节电池的电压和可用容量都会有所不同，而不断重复的充放电过程更加剧了不一致现象。这种情况会导致电池的性能恶化，最终甚至将导致串联电池组无法工作。超级电容的不一致现象也会严重影响超级电容组的工作状态。因此为解决单体电源/单体超级电容之间的不一致性，必须对其进行均衡管理，以保持串联后电源系统的整体容量，延长电源系统的使用寿命。

现有的电池均衡方法硬件结构较为固定，当均衡对象的数量发生改变时也需要相应改变硬件结构。不利于均衡技术的实际应用。

发明内容

本发明针对现有均衡技术的缺陷，扩大均衡方法及电路的适用范围，提供一种串联电池组/超级电容组的均衡方法及电路，该方法对于既定的均衡对象系统可以发挥均衡作用，也可适用于均衡对象有缺失的情况。在不同的工作系统中需要不同的串联电池组/超级电容组，此时往往需要根据串联的电池/超级电容数目针对性地设计均衡系统，这导致均衡系统通用性较差。本发明将均衡单元模块化，当在原串联均衡对象中加入单体电池/超级电容时也可以增加模块化的均衡单元，即可实现对新的串联均衡对象的均衡动作。

为实现上述目的，本发明的串联电池组/超级电容组的均衡方法及电路的技术方案如下：

一种串联电池组/超级电容组的均衡电路，其特征在于，至少包括两个均衡单元，四个可控开关首尾相连接成环状，按顺时针方向4个可控开关编号为1号、2号、3号和4号；将1号和2号可控开关连接导线标为a，电池正极与a连接；3号和4号可控开关连接导线标为b，电池负极与b连接；2号和3号可控开关连接导线标为c，普通电容的一端与c连接，并从普通电容与c连接处引出导线Ⅱ；1号和4号可控开关连接导线标为d，普通电容另一端与d连接，并从普通电容与d连接处引出导线Ⅰ,以上是一个均衡单元；

在串联多个单体电池进行均衡的情况下，应将第一个均衡单元的导线Ⅰ与第二个均衡单元的导线a连接，第一个均衡单元的导线Ⅱ与第二个均衡单元的导线Ⅱ连接，以此类推，将每个均衡单元的两根导线与下一单元对应导线a和导线Ⅱ连接，最后一个均衡单元的导线Ⅰ和导线Ⅱ应悬空。

进一步，串联电池组中的单体电池用超级电容即双电层电容器来取代。

所述的串联电池组/超级电容组的均衡方法，其特征在于，根据需均衡的最高能量单体均衡对象与最低能量单体均衡对象是否相邻分为两种不同的工作状态，若相邻则只有这两个均衡单元参加均衡，若不相邻则这两个均衡单元以及之间所有均衡单元都参加均衡；第一步，分别连通参加均衡的所有均衡单元的2号和4号可控开关，使这些均衡单元中的均衡对象向各自所在均衡单元的普通电容充电，充电完成后断开所有可控开关；第二步，连通参加均衡的第二个均衡单元到最后一个参加均衡的1号可控开关，普通电容间能量转移开始，能量转移结束后断开所有可控开关；第三步，分别连通除最高能量单体均衡对象所在均衡单元外参加均衡的其余均衡对象的2号和4号可控开关，各普通电容向对应的均衡对象充电，即电池或超级电容，循环进行上述步骤直到串联电池组/超级电容组不需要均衡为止。

均衡对象，N个串联的单体电池/超级电容，N为大于1的整数。

普通电容，用于储存和释放能量。

控制开关组，包括4N个可控开关，N为单体电池/超级电容的数目。每四个可控开关首尾相连接成环状，按顺时针方向4个可控开关编号为1号、2号、3号和4号。

根据权利1、2所述的一种串联电池组/超级电容组均衡方法及电路，其特征在于，将1号和2号可控开关的连接导线标为a，单体均衡对象正极与a连接；3号和4号可控开关的连接导线标为b，单体均衡对象负极与b连接；

进一步在组成环形的可控开关中2号和3号可控开关连接导线标为c，1号和4号可控开关连接导线标为d。普通电容的一端与c连接，普通电容另一端与d连接。从普通电容与c连接处引出导线Ⅱ，从普通电容与d连接处引出导线Ⅰ,单体均衡对象与均衡电路组成一个均衡单元。

进一步将各单体均衡对象串联，第一个均衡单元的导线Ⅰ与第二个均衡单元的导线a连接，第一个均衡单元的导线Ⅱ与第二个均衡单元的导线Ⅱ连接，以此类推，将每个均衡单元的两根导线与下一单元对应导线a和导线Ⅱ连接，最后一个均衡单元的导线Ⅰ和导线Ⅱ应悬空。以上为一个串联电池组/超级电容组的均衡电路。

进一步均衡方法分为三个阶段：

第一阶段：检测出最高能量与最低能量的两个均衡对象。判断需要均衡的两个均衡对象是否相邻，若相邻则只有最高和最低能量的两个均衡对象所在的均衡单元参加均衡；若不相邻则这两个均衡单元和之间所有均衡单元都要参加均衡。分别连通参加均衡的各均衡单元的1号和4号可控开关，则各单体均衡对象向对应的普通电容进行充电。

第二阶段：连通参加均衡的所有均衡单元中第二个均衡单元开始到最后一个均衡单元的1号开关，并联的若干普通电容之间能量进行转移。普通电容之间能量转移结束后，断开处于连通状态的所有1号开关。

第三阶段：分别连通参加均衡的所有均衡单元中的2号和4号可控开关，若普通电容经过能量转移后电压高于对应的单体均衡对象，则普通电容向单体均衡对象充电；若普通电容电压低于对应单体均衡对象，则单体均衡对象向对应的普通电容充电，为下一次均衡做准备，充电完成后断开可控开关。

循环多次进行上述步骤从而实现均衡作用。

附图说明

图1是本发明的均衡单元结构示意图；

图2是本发明的N个均衡单元组成均衡系统的结构示意图；

图3是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时单体均衡对象向普通电容充电的过程；

图4是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时相邻单体均衡对象进行均衡情况下普通电容能量转移过程；

图5是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时在非相邻单体均衡对象进行均衡情况下普通电容能量转移过程。

具体实施方式：

下面结合附图及较佳实例对本发明提出的串联电池组的均衡方法及电路作进一步的详细说明如下。有关发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及效果得以更加深入且具体的了解，然而附图仅是提供参考和说明之用，并非对本发明加以限制之用。

图3是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时单体均衡对象向普通电容充电的过程。假设B1需要向对应均衡单元中的普通电容充电，连通第一个均衡单元的可控开关S2和S4，B1向普通电容充电，电流方向如图中逆时针方向所示，充电完成后，断开所有开关。其余均衡对象向其对应普通电容充电过程相同。充电完成后普通电容极性如图中所示为上正下负。

图4是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时相邻单体均衡对象进行均衡情况下普通电容能量转移过程。假设B1为最高能量单体均衡对象，B2为最低能量单体均衡对象。B1和B2分别向对应的普通电容充电完成后断开所有可控开关；连通第二个均衡单元中的S1，则B1所在均衡单元中的普通电容向B2所在均衡单元中的普通电容充电，电流方向如图中所示为顺时针方向，充电完成后断开所有可控开关。连通第二均衡单元中的可控开关S2和S4，则第二均衡单元的普通电容向B2充电。连通第一均衡单元中的可控开关S2和S4，第一个单体均衡对象再次向第一个普通电容充电，为下次均衡做准备。

图5是本发明均衡系统由4个均衡单元组成时在非相邻单体均衡对象进行均衡情况下普通电容能量转移过程。假设B1为最高能量单体均衡对象，B3为最低能量单体均衡对象。连通第二均衡单元可控开关S1和第三均衡单元可控开关S1，第一均衡单元的电容向第二和第三均衡单元的普通电容进行能量转移；第二均衡单元的普通电容向第三均衡单元的普通电容进行能量转移，能量转移完成后断开所有可控开关。连通第三均衡单元的可控开关S2和S4，则第三均衡单元中普通电容向单体均衡对象充电，第三均衡单元充电完成后，断开所有可控开关；连通第二均衡单元的可控开关S2和S4，则对应普通电容向单体均衡对象充电第二均衡单元充电完成后，断开所有可控开关；连通第一均衡单元的可控开关S2和S4，单体均衡对象向对应普通电容充电，为下次均衡做准备。循环进行上述步骤，多次进行能量的转移以达到均衡效果。

Claims (1)

1.一种串联电池组/超级电容组的均衡电路，其特征在于，至少包括两个均衡单元，四个可控开关首尾相连接成环状，按顺时针方向4个可控开关编号为1号、2号、3号和4号；将1号和2号可控开关连接导线标为a，电池正极与a连接；3号和4号可控开关连接导线标为b，电池负极与b连接；2号和3号可控开关连接导线标为c，普通电容的一端与c连接，并从普通电容与c连接处引出导线Ⅱ；1号和4号可控开关连接导线标为d，普通电容另一端与d连接，并从普通电容与d连接处引出导线Ⅰ,以上是一个均衡单元；

在串联多个单体电池进行均衡的情况下，应将第一个均衡单元的导线Ⅰ与第二个均衡单元的导线a连接，第一个均衡单元的导线Ⅱ与第二个均衡单元的导线Ⅱ连接，以此类推，将每个均衡单元的两根导线与下一单元对应导线a和导线Ⅱ连接，最后一个均衡单元的导线Ⅰ和导线Ⅱ应悬空；

或者串联电池组中的单体电池用超级电容即双电层电容器来取代；

根据需均衡的最高能量单体均衡对象与最低能量单体均衡对象是否相邻分为两种不同的工作状态，若相邻则只有这两个均衡单元参加均衡，若不相邻则这两个均衡单元以及之间所有均衡单元都参加均衡；第一步，分别连通参加均衡的所有均衡单元的2号和4号可控开关，使这些均衡单元中的均衡对象向各自所在均衡单元的普通电容充电，充电完成后断开所有可控开关；第二步，连通参加均衡的第二个均衡单元到最后一个参加均衡的1号可控开关，普通电容间能量转移开始，能量转移结束后断开所有可控开关；第三步，分别连通除最高能量单体均衡对象所在均衡单元外参加均衡的其余均衡对象的2号和4号可控开关，各普通电容向对应的均衡对象充电，即电池或超级电容，循环进行上述步骤直到串联电池组/超级电容组不需要均衡为止。