CN105140998B

CN105140998B - 基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路

Info

Publication number: CN105140998B
Application number: CN201510583482.2A
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 郭向伟; 陈凌宇; 黄志臻; 杨会州; 郭红霞
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2018-06-19
Anticipated expiration: 2035-09-14
Also published as: CN105140998A

Abstract

本发明公开了基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路，其中串联电池组均分为上、下两部分，上半部分电池单体为上电池组，下半部分电池单体为下电池组。每个电池单体与一个均衡子电路相连接，总均衡子电路跨接在电源与地之间，每一个均衡子电路又与控制电路相连接。通过控制均衡子电路中上下桥MOSFET的通断与电感的储能作用，该电路可以实现电池组充放电过程中的动态均衡，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命。因此该电路适用于混合动力汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

Description

基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路

技术领域

本发明涉及串联电池组均衡技术，具体涉及适用于混合动力电动汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路。

背景技术

串联电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致会出现三种情况：个别电池单体的剩余容量偏高；个别电池单体的剩余容量偏低；个别电池单体的剩余容量偏高和个别电池单体的剩余容量偏低。

针对上述三种情况，国内外学者均提出了自己的解决方案。如针对个别电池单体的剩余容量偏高的情况，有研究者提出了并联电阻分流法，它通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法、同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采用了变压器，增加了均衡电路的成本。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。

发明内容

本发明的目的是在串联电池组的电池管理系统中采用基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路，以克服现有技术存在的上述不足。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

基于电感储能的串联电池组双向充放电均衡电路，其中串联电池组均分为上、下两部分，上半部分的所有电池单体组成上电池组，下半部分的所有电池单体组成下电池组；当电池单体总数n为偶数时，上下部分的电池单体数均为n/2，当电池单体总数n为奇数时，上电池组的单体数为(n+1)/2，下电池组的单体数为(n-1)/2；所有电池单体由上至下分别依次命名为B₁、B₂、B₃、……B_n，B₁的正极接电源，B_n的负极接地；每个电池单体均与一个均衡子电路相连接；均衡子电路的数量为n+1，其中n均衡子电路相应的与n个电池单体连接，另一个均衡子电路作为总均衡子电路，总均衡子电路与上电池组和下电池组的分界点即公共点连接；每个均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感构成。

进一步优化地，每个均衡子电路均各自包括上桥臂MOSFET和下桥臂MOSFET，上桥臂MOSFET的源极与下桥臂MOSFET的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET的漏极作为第一输出端，上桥臂MOSFET的栅极作为第二输出端，下桥臂MOSFET的栅极作为第三输出端，下桥臂MOSFET的源极作为第四输出端，L的另一端作为第五输出端；第二输出端、第三输出端与控制电路相连接， MOSFET的开通和关断由控制电路控制；与上电池组的电池单体连接的均衡子电路中，第一输出端与该对应的电池单体正极相连，第五输出端与对应电池单体负极相连，第四输出端接地；与下电池组的电池单体连接的均衡子电路中，第五输出端与该对应电池单体正极相连，第四输出端与对应电池单体负极相连，第一输出端接电源；总均衡子电路的第一输出端接电源，第四输出端接地，第五输出端接上电池组与下电池组的公共点。

进一步优化地，所述电池单体为电池模块，电池模块为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器。

进一步优化地，所述控制电路的控制信号频率的大小根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。

进一步优化地，所述控制电路的输出驱动信号的占空比满足使储能电感在每个信号周期内复位，即储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。

均衡子电路的工作原理如下。

在充电过程中，若上电池组中的B_i电池单体端电压为所有单体最高，为了避免对B_i过充电，在一个PWM周期内，使B_i对应的均衡子电路S_i上桥臂MOSFET S_ia导通，则电流通过S_ia、S_i的储能电感L_i以及B_i，B_i放电为L_i储存能量；S_ia开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_i下桥臂MOSFET S_ib的续流二极管、L_i及B_i+1、B_i+2……B_n，L_i释放能量至B_i+1、B_i+2……B_n，实现了能量从B_i到B_i+1、B_i+2……B_n的转移。而若下电池组中的B_j电池单体端电压为所有单体最高，为了避免对B_j过充电，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路S_j下桥臂MOSFET S_jb导通，则电流通过S_jb、S_j的储能电感L_j以及B_j，B_j放电为L_j储存能量；S_jb开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_j上桥臂MOSFET S_ja的续流二极管、L_j及B₁、B₂……B_i-1，L_j释放能量至B₁、B₂……B_i-1，实现了能量从B_j到B₁、B₂……B_i-1的转移。

在放电过程中，若上电池组中的B_i单体端电压为所有单体最低，为了避免B_i过放电，在一个PWM周期内，使B_i对应的均衡子电路S_i下桥臂MOSFET S_ib导通，则电流通过S_ib、S_i的储能电感L_i以及B_i+1、B_i+2……B_n，B_i+1、B_i+2……B_n放电为L_i储存能量；S_ib开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_i上桥臂MOSFET S_ia的续流二极管、L_i及B_i，L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移。而若下电池组中的B_j单体端电压为所有单体最低，为了避免对B_j过放电，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路S_j上桥臂MOSFET S_ja导通，则电流通过S_ja、S_j的储能电感L_j以及B₁、B₂……B_j-1，B₁、B₂……B_j-1放电为L_j储存能量；S_ja开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_j下桥臂MOSFET S_jb的续流二极管、L_j及B_j，L_j释放能量至B_j，实现了能量从B₁、B₂……B_j-1到B_j的转移。

总均衡子电路对上电池组与下电池组进行整体均衡，与其他均衡子电路同时工作。在充电过程中，若上电池组平均端电压大于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a导通，则电流通过上桥臂MOSFET S_a、总均衡子电路储能电感L以及上电池组，上电池组放电为L储存能量；上桥臂MOSFET S_a开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b的续流二极管、L及下电池组，L释放能量至下电池组，实现了能量从上电池组到下电池组的转移；若下电池组平均端电压大于上电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b导通，则电流通过下桥臂MOSFET S_b、总均衡子电路储能电感L以及下电池组，下电池组放电为L储存能量；下桥臂MOSFET S_b开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a的续流二极管、L及上电池组，L释放能量至上电池组，实现了能量从下电池组到上电池组的转移；在放电过程中，若上电池组平均端电压小于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b导通，则电流通过下桥臂MOSFET S_b、总均衡子电路储能电感L以及下电池组，下电池组放电为L储存能量；下桥臂MOSFET S_b开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a的续流二极管、L及上电池组，L释放能量至上电池组，实现了能量从下电池组到上电池组的转移；若下电池组平均端电压小于上电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a导通，则电流通过上桥臂MOSFET S_a、总均衡子电路储能电感L以及上电池组，上电池组放电为L储存能量；上桥臂MOSFET S_a开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b的续流二极管、L及下电池组，L释放能量至下电池组，实现了能量从上电池组到下电池组的转移。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明采用均衡电路来保证电池组中的单体在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的运行成本。在充电过程中，当电池组中任何一个单体能量过高时，可以将此单体的能量均衡给电池组其它所有剩余单体；在放电过程中，当电池组中任何一个单体能量过低时，可以将电池组其它所有剩余单体的能量均衡给这个能量过低的单体。

本发明由于在串联电池组电池管理系统中采用上述无损动态电池均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和电站中蓄电池储能系统的成本。

附图说明

图1是基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路的原理图。

图2是均衡子电路原理图。

图3是以4节电池为例的均衡电路原理图。

图4是以4节电池为例的均衡子电路S_i在充电过程中的工作原理图。

图5是以4节电池为例的均衡子电路S_i在放电过程中的工作原理图。

图6是以4节电池为例的总均衡子电路S在充电过程中的工作过程原理图。

图7是以4节电池为例的总均衡子电路S在放电过程中的工作过程原理图。

图8是以4节电池为例的均衡电路充电仿真实验中各电池单体的电压波形图。

图9是以4节电池为例的均衡电路放电仿真实验中各电池单体的电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明（本发明只涉及均衡电路部分，控制电路是本领域技术人员可参照现有具体应用的电路参数值编程实现和设定的）。

图1是基于电感储能的串联电池组双向无损均衡电路的原理图。其中，串联电池组均分为上、下两部分，上半部分电池单体为上电池组，下半部分电池单体为下电池组；当电池单体总数n为偶数时，上下部分电池单体数均为n/2，当电池单体总数n为奇数时，上电池组单体数为(n+1)/2，下电池组单体数为(n-1)/2；电池单体由上至下分别命名为B₁、B₂、B₃、……B_n，B₁的正极接V_CC，B_n的负极接地GND。每个电池单体均与一个均衡子电路相连接，而均衡子电路的总数为n+1，多出的一个总均衡子电路跨接在电源V_CC与地GND之间。

图2是均衡子电路原理图。每个均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感L构成，其中上桥臂MOSFET S_a的源极和下桥臂MOSFET S_b的漏极和储能电感L的一端相连；上桥臂MOSFET S_a的漏极作为第一输出端a，上桥臂MOSFET S_a的栅极作为第二输出端b，下桥臂MOSFET S_b的栅极作为第三输出端c，下桥臂MOSFET S_b的源极作为第四输出端d，L的另一端作为第五输出端e；第二输出端b、c与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制；与上电池组单体连接的均衡子电路，a端与对应电池单体正极相连，e端与对应电池单体负极相连，d端接地GND；与下电池组单体连接的均衡子电路，e端与对应电池单体正极相连，d端与对应电池单体负极相连，a端接V_CC；总均衡子电路a端接电源V_CC，d端接地GND，e端接上电池组与下电池组的公共点k。

图3是以4节电池为例的均衡电路原理图。电池单体总数n=4，上下部分电池单体数均为2，电池单体由上至下分别命名为B₁、B₂、B₃、B₄，B₁、B₂、B₃、B₄分别与均衡子电路S₁、S₂、S₃、S₄相连接，总均衡子电路S跨接在电池组两端。

仅作为实例，图4是以4节电池为例的均衡子电路S_i在充电过程中的工作原理图。若上电池组中的B₁单体端电压为所有单体最高，为了避免对B₁过充电，在一个PWM周期内，使S₁上桥臂MOSFET S_1a导通，则电流i_c1通过S_1a、S₁的储能电感L₁以及B₁，B₁放电为L₁储存能量；S_1a开通一定时间后使其关断，此时电流i_d1通过S₁下桥臂MOSFET S_1b的续流二极管、L₁及B₂、B₃、B₄，L₁释放能量至B₂、B₃、B₄，实现了能量从B₁到B₂、B₃、B₄的转移。

图5是以4节电池为例的均衡子电路S_i在放电过程中的工作原理图。若下电池组中的B₃单体端电压为所有单体最低，为了避免对B₃过放电，在一个PWM周期内，使S₃上桥臂MOSFET S_3a导通，则电流i_c3通过S_3a、S₃的储能电感L₃以及B₁、B₂，B₁、B₂放电为L₃储存能量；S_3a开通一定时间后使其关断，此时电流i_d3通过S₃下桥臂MOSFET S_3b的续流二极管、L₃及B₃，L₃释放能量至B₃，实现了能量从B₁、B₂到B₃的转移。

图6是以4节电池为例的总均衡子电路S在充电过程中的工作过程原理图。若上电池组平均端电压大于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使S上桥臂MOSFET S_a导通，则电流i_c通过上桥臂MOSFET S_a、S的储能电感L以及上电池组，上电池组放电为L储存能量；上桥臂MOSFET S_a开通一定时间后使其关断，此时电流i_d通过S下桥臂MOSFET S_b的续流二极管、L及下电池组，L释放能量至下电池组，实现了能量从上电池组到下电池组的转移。

图7是以4节电池为例的总均衡子电路S在放电过程中的工作过程原理图。若上电池组平均端电压小于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使S下桥臂MOSFET S_b导通，则电流i_c通过下桥臂MOSFET S_b、总均衡子电路储能电感L以及下电池组，下电池组放电为L储存能量；下桥臂MOSFET S_b开通一定时间后使其关断，此时电流i_d通过S上桥臂MOSFET S_a的续流二极管、L及上电池组，L释放能量至上电池组，实现了能量从下电池组到上电池组的转移。

图8是以4节电池为例的均衡电路充电仿真实验中各电池单体的电压波形图。所述控制电路的控制信号频率的大小根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定；控制电路的输出驱动信号的占空比满足使储能电感在每个信号周期内复位，即储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。由图8可知，各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。图9是以4节电池为例的均衡电路放电仿真实验中各电池单体的电压波形图，可知各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。

Claims

1.基于电感储能的串联电池组双向充放电均衡电路，其特征在于：串联电池组均分为上、下两部分，上半部分的所有电池单体组成上电池组，下半部分的所有电池单体组成下电池组；当电池单体总数n为偶数时，上下部分的电池单体数均为n/2，当电池单体总数n为奇数时，上电池组的单体数为(n+1)/2，下电池组的单体数为(n-1)/2；所有电池单体由上至下分别依次命名为B₁、B₂、B₃、……B_n，B₁的正极接电源（V_CC），B_n的负极接地（GND）；每个电池单体均与一个均衡子电路相连接；均衡子电路的数量为n+1，其中n个均衡子电路相应的与n个电池单体连接，另一个均衡子电路作为总均衡子电路，总均衡子电路与上电池组和下电池组的分界点即公共点（k）连接；每个均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感L构成；每个均衡子电路均各自包括上桥臂MOSFET S_a和下桥臂MOSFET S_b，上桥臂MOSFET S_a的源极与下桥臂MOSFET S_b的漏极均和储能电感的一端相连；上桥臂MOSFET S_a的漏极作为第一输出端（a），上桥臂MOSFET S_a的栅极作为第二输出端（b），下桥臂MOSFET S_b的栅极作为第三输出端（c），下桥臂MOSFET S_b的源极作为第四输出端（d），L的另一端作为第五输出端（e）；第二输出端（b）、第三输出端（c）与控制电路相连接， MOSFET的开通和关断由控制电路控制；与上电池组的电池单体连接的均衡子电路中，第一输出端（a）与对应的电池单体正极相连，第五输出端（e）与对应电池单体负极相连，第四输出端（d）接地（GND）；与下电池组的电池单体连接的均衡子电路中，第五输出端（e）与该对应电池单体正极相连，第四输出端（d）与对应电池单体负极相连，第一输出端（a）接电源（V_CC）；总均衡子电路的第一输出端（a）接电源（V_CC），第四输出端（d）接地（GND），第五输出端（e）接上电池组与下电池组的公共点（k）；所述电池单体为电池模块，电池模块为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或超级电容器；所述控制电路的控制信号频率的大小根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定；在充电过程中，若上电池组中的B_i电池单体端电压为所有单体最高，为了避免对B_i过充电，在一个PWM周期内，使B_i对应的均衡子电路S_i上桥臂MOSFET S_ia导通，则电流通过S_ia、S_i的储能电感L_i以及B_i，B_i放电为L_i储存能量；S_ia开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_i下桥臂MOSFET S_ib的续流二极管、L_i及B_i+1、B_i+2……B_n，L_i释放能量至B_i+1、B_i+2……B_n，实现了能量从B_i到B_i+1、B_i+2……B_n的转移；而若下电池组中的B_j电池单体端电压为所有单体最高，为了避免对B_j过充电，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路S_j下桥臂MOSFET S_jb导通，则电流通过S_jb、S_j的储能电感L_j以及B_j，B_j放电为L_j储存能量；S_jb开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_j上桥臂MOSFET S_ja的续流二极管、L_j及B₁、B₂……B_j-1，L_j释放能量至B₁、B₂……B_j-1，实现了能量从B_j到B₁、B₂……B_j-1的转移；

在放电过程中，若上电池组中的B_i单体端电压为所有单体最低，为了避免B_i过放电，在一个PWM周期内，使B_i对应的均衡子电路S_i下桥臂MOSFET S_ib导通，则电流通过S_ib、S_i的储能电感L_i以及B_i+1、B_i+2……B_n，B_i+1、B_i+2……B_n放电为L_i储存能量；S_ib开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_i上桥臂MOSFET S_ia的续流二极管、L_i及B_i，L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移；而若下电池组中的B_j单体端电压为所有单体最低，为了避免对B_j过放电，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路S_j上桥臂MOSFET S_ja导通，则电流通过S_ja、S_j的储能电感L_j以及B₁、B₂……B_j-1，B₁、B₂……B_j-1放电为L_j储存能量；S_ja开通一定时间后使其关断，此时电流通过S_j下桥臂MOSFET S_jb的续流二极管、L_j及B_j，L_j释放能量至B_j，实现了能量从B₁、B₂……B_j-1到B_j的转移；

总均衡子电路对上电池组与下电池组进行整体均衡，与其他均衡子电路同时工作；在充电过程中，若上电池组平均端电压大于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a导通，则电流通过上桥臂MOSFET S_a、总均衡子电路储能电感L以及上电池组，上电池组放电为L储存能量；上桥臂MOSFET S_a开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b的续流二极管、L及下电池组，L释放能量至下电池组，实现了能量从上电池组到下电池组的转移；若下电池组平均端电压大于上电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b导通，则电流通过下桥臂MOSFET S_b、总均衡子电路储能电感L以及下电池组，下电池组放电为L储存能量；下桥臂MOSFET S_b开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a的续流二极管、L及上电池组，L释放能量至上电池组，实现了能量从下电池组到上电池组的转移；在放电过程中，若上电池组平均端电压小于下电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b导通，则电流通过下桥臂MOSFET S_b、总均衡子电路储能电感L以及下电池组，下电池组放电为L储存能量；下桥臂MOSFET S_b开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a的续流二极管、L及上电池组，L释放能量至上电池组，实现了能量从下电池组到上电池组的转移；若下电池组平均端电压小于上电池组平均端电压，在一个PWM周期内，使总均衡子电路上桥臂MOSFET S_a导通，则电流通过上桥臂MOSFET S_a、总均衡子电路储能电感L以及上电池组，上电池组放电为L储存能量；上桥臂MOSFET S_a开通一定时间后使其关断，此时电流通过总均衡子电路下桥臂MOSFET S_b的续流二极管、L及下电池组，L释放能量至下电池组，实现了能量从上电池组到下电池组的转移；所述控制电路的输出驱动信号的占空比满足使储能电感在每个信号周期内复位，即储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。