CN105490329A - 基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，包括若干个串联的电池单体构成的电池组，每个电池单体对应设置有一个功率开关管，每个功率开关管对应设置有一个反并联续流二极管；位于所述电池组正极端的电池单体为首端电池，位于所述电池组负极端的电池单体为末端电池，位于所述首端电池和所述末端电池之间的电池单体为中间电池；所述首端电池对应设置有一个负端能量转移电感，所述末端电池对应设置有一个正端能量转移电感，所述中间电池对应设置有一个正端能量转移电感和一个负端能量转移电感；且每个电池单体对应设置的正/负端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的负/正端能量转移电感为同一个电感。

Description

基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及一种串联电池组均衡电路的拓扑结构，属于电池管理技术领域。

背景技术

近年来，随着地球环境污染和能源危机的加剧，使用清洁能源代替传统不可再生能源是工业发展的必经之路，由此带动了电动汽车、储能电站等技术的兴起。储能电池组是这些领域的核心装置，为了提供足够大的电压以满足用电设备的需求，通常需要将多节单体电池进行串联，解决串联电池组的均衡问题对提高能源利用率和充放电可靠性，延长电池的使用寿命具有重大的意义。

串联电池组的均衡方案分为被动有损均衡和主动无损均衡，主动无损均衡因其能量损耗较小受到了广泛的关注，其又包括基于电容、基于电感和基于变压器能量转移的均衡电路。目前基于电感的均衡电路常用拓扑为模块化桥式均衡电路和基于储能电感对称分布的均衡电路。

模块化桥式均衡电路由北京工业大学的刘春梅等人于2006年提出，电路中每两个相邻单体电池对应一个桥式均衡模块，每个桥式均衡模块包括两个功率开关管、两个反并联续流二极管和一个能量转移电感，该电路对于任何单体电池数目的串联电池组都适用。然而，对于N节电池单体，就需要2N-2个功率开关管、2N-2个反并联续流二极管和N个能量转移电感，电路中元器件数目较多，且每个桥式均衡模块会存在两个功率开关管同时导通引起电池侧短路的直通问题，需要在控制中加入死区以避免这一现象，这就导致了当相邻电池之间电压差较小时，达到均衡所需要的时间较长。基于储能电感对称分布的均衡电路由在浙江理工大学的张寅孩等人于2010年提出，电路中每个单体电池对应一个功率开关管、一个续流二极管和一个储能电感，电路拓扑完全对称，因此对于N节电池单体，需要N个功率开关管、N个续流二极管和N个储能电感，电路结构较为简单，然而，其仅对电池数目为偶数的情况适用，电路的可扩展性较低，适用范围有限。

发明内容

本发明正是针对现有技术电路中器件数目多、均衡所需时间长的不足，提供一种基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，具有结构简单、易于扩展的特点。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案如下：

一种基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，包括若干个串联的电池单体构成的电池组，每个电池单体对应设置有一个功率开关管，每个功率开关管对应设置有一个反并联续流二极管，且每个功率开关管的输入端和与之对应的反并联续流二极管的阴极相连，每个功率开关管的输出端和与之对应的反并联续流二极管的阳极相连；

位于所述电池组正极端的电池单体为首端电池，位于所述电池组负极端的电池单体为末端电池，位于所述首端电池和所述末端电池之间的电池单体为中间电池；

所述首端电池对应设置有一个负端能量转移电感，所述末端电池对应设置有一个正端能量转移电感，所述中间电池对应设置有一个正端能量转移电感和一个负端能量转移电感；且每个电池单体对应设置的正端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的负端能量转移电感为同一个电感，每个电池单体对应设置的负端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的正端能量转移电感为同一个电感。

作为上述技术方案的改进，所述首端电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端相连，所述首端电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端之间通过所述首端电池对应的负端能量转移电感相连；

所述末端电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端相连，所述末端电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端之间通过所述末端电池对应的正端能量转移电感相连。

作为上述技术方案的改进，所述中间电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端之间通过所述中间电池对应的正端能量转移电感相连，所述中间电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端之间通过所述中间电池对应的负端能量转移电感相连。

本发明与现有技术相比较，本发明的实施效果如下：

本发明所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，通过功率器件的导通和关断实现电感的充放电，并通过功率开关管的反并联二极管为电感电流提供续流通路，实现能量在单体电池和串联电池组之间的转移；该电路结构简单，并能够实现多个单体电池之间同时进行能量转移，解决了传统基于电感的串联电池组均衡电路开关器件和电感数目较多、可扩展性低以及能量仅能在相邻单体电池之间转移而导致均衡时间过长的问题。

附图说明

图1是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路拓扑示意图；

图2是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第一阶段电流流向图；

图3是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第二阶段电流流向图；

图4是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第n阶段电流流向图(2<n<N)；

图5是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第n阶段扩展星三角变换电路；

图6是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第n阶段等效电路；

图7是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第N阶段电流流向图；

图8是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的关键电流波形；

图9是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路中间电池放电且其余电池充电的第一阶段电流流向图；

图10是实施例所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路中间电池放电且其余电池充电的第二阶段电流流向图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例来说明本发明的内容。

如图1所示，为本实施例提供的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路的拓扑示意图。

本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，由N节单体电池组成的串联电池组U ₁、U ₂…U _N进行均衡，串联电池组均衡电路包括功率开关管S₁、S₂…S_N、反并联续流二极管D₁、D₂…D_N和能量转移电感L ₁、L ₂…L _N-1，其中功率开关管S₁、S₂…S_N的输入端分别与反并联续流二极管D₁、D₂…D_N的阴极相连，功率开关管S₁、S₂…S_N的输出端分别与反并联续流二极管D₁、D₂…D_N的阳极相连，每个串联电池单体U ₁、U ₂…U _N对应一个功率开关管S₁、S₂…S_N和一个反并联续流二极管D₁、D₂…D_N，其中首端电池单体U ₁对应一个负端能量转移电感L ₁，末端电池单体U _N对应一个正端能量转移电感L _N-1，中间电池单体U _n(1<n<N)分别对应一个正端能量转移电感L _n-1和一个负端能量转移电感L _n，且每个电池单体U _n的正端能量转移电感L _n-1和与其相邻的上一电池单体U _n-1的负端能量转移电感L _n-1为同一个电感，每个电池单体U _n的负端能量转移电感L _n和与其相邻的下一电池单体U _n+1的正端能量转移电感L _n为同一个电感。

其中，首端电池U ₁的正极和其对应的功率开关管S₁的输入端以及反并联续流二极管D₁的阴极相连，首端电池U ₁的负极和其对应的负端能量转移电感L ₁相连，负端能量转移电感L ₁的另一端与功率开关管S₁的输出端以及反并联续流二极管D₁的阳极相连，末端电池U _N的正极和其对应的正端能量转移电感L _N-1相连，正端能量转移电感L _N-1的另一端与功率开关管S_N的输入端以及反并联续流二极管D_N的阴极相连，末端电池U _N的负极和其对应的功率开关管S_N的输出端以及反并联续流二极管D_N的阳极相连。

其中，中间电池U _n的正极和其对应的正端能量转移电感L _n-1相连，正端能量转移电感L _n-1的另一端与功率开关管S_n的输入端以及反并联续流二极管D_n的阴极相连，中间电池U _n的负极和其对应的负端能量转移电感L _n相连，负端能量转移电感L _n的另一端与功率开关管S_n的输出端以及反并联续流二极管D_n的阳极相连。

如图2所示，为本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第一阶段电流流向图。

其中，首端单体电池U ₁对应的功率开关管S₁导通，i _{U_1}为流过U ₁的电流，电流方向从U ₁的正极流出，U ₁释放能量，对应的负端能量转移电感L ₁充电，i _{L_1}为流过L ₁的电流，此时i _{U_1}与i _{L_1}相等，两者从0开始上升。电路中各电感感值相等，即

（1）

由此可得i _{U_1}与i _{L_1}的表达式

（2）

如图3所示，为本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的第二阶段电流流向图。

令首端单体电池U ₁对应的功率开关管S₁在t ₀时刻导通、t ₁时刻关断，则U ₁从t ₁时刻开始停止释放能量，此时对应的负端能量转移电感L ₁开始放电，流过L ₁的电流i _{L_1}方向不变，大小由t ₁时刻的初值开始下降，对应的反并联续流二极管D₂、D₃…D_N导通，为电感电流提供续流通路。i _{U_2}、i _{U_3}…i _{U_N}为流过下游电池U ₂、U ₃…U _N的电流，电流方向从U ₂、U ₃…U _N的正极流入，U ₂、U ₃…U _N吸收能量，对应的能量转移电感L ₂、L ₃…L _N-1充电，i _{L_2}、i _{L_3}…i _{L_N-1}为流过L ₂、L ₃…L _N-1的电流，i _{L_2}、i _{L_3}…i _{L_N-1}由0开始上升。此时可得i _{L_1}表达式

（3）

其中i _{L_1|t1}为i _{L_1}在t ₁时刻的初值，即

（4）

其余电感电流i _{L_n}（1<n<N）的表达式为

（5）

在下游电池中，越是接近首端电池的电池单体对应的负端能量转移电感电流上升越快，根据（3）（5）可得流过末端电池单体U _N的电流i _{U_N}表达式

（6）

i _{U_N}由初值i _{L_1|t1}迅速降为0，当t ₂时刻i _{U_N}降为0后，末端电池单体U _N对应的反并联续流二极管D_N截止，末端电池单体U _N结束吸收能量，电路进入下一阶段，此时中间电池继续吸收能量，电流通路完全对称，在第二阶段中，越是接近末端电池的电池单体对应的负端能量转移电感电流上升越慢，其充电能量也就越少，故会在之后的阶段中率先放电完毕，结束其对应电池单体吸收能量的过程。

如图4所示，假设此时仅剩U ₂、U ₃…U _n仍在吸收能量（2<n<N），则电路处于首端电池放电且其余电池充电的第n阶段。

如图5所示，电路处于首端电池放电且其余电池充电的第n阶段的简化电路可根据基尔霍夫定律进行扩展的星三角变换。根据式（1），电路中各电感感值相等，则等效的变换后电感感值为

（7）

如图6所示，对于串联电池组中的单体电池，其电压相差并不大，则流过电感L ₁₂、L ₂₃…L _n1的电流变化量近似相等，根据基尔霍夫定律，i _{L_2}、i _{L_3}…i _{L_n-1}维持在初始值，由此可得到i _{L_1}的表达式为

（8）

其中i _{L_1|tn}为i _{L_1}在t _n时刻的初值，即

（9）

i _{L_n}的表达式为

（10）

其中i _{L_n|tn}为i _{L_n}在t _n时刻的初值，其近似等于t ₂时刻该电感的电流值，即

（11）

如图7所示，当L _N-1、L _N-2…L ₃依次放电完毕，即U _N-1、U _N-2…U ₃依次结束吸收能量的过程，D_N-1、D_N-2…D₃依次截止，进入最后一个阶段，即电路处于首端电池放电且其余电池充电的第N阶段。此时L ₁和L ₂串联工作，由此可得到i _{L_1}的表达式为

（12）

其中i _{L_1|tN-1}为i _{L_1}在t _N-1时刻的初值，可由公式（9）计算。i _{L_2}的表达式为

（13）

其中i _{L_2|tN-1}为i _{L_2}在t _N-1时刻的初值，可由公式（11）计算，i _{L_1}和i _{L_2}同时降为0，电感L ₁的放电过程结束。

如图8所示，为本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路首端电池放电且其余电池充电的关键电流波形。

在t ₀-t ₁时刻，电感L ₁充电，在t ₁-t _N时刻，电感L ₁放电，实现了电池能量通过电感充放电而进行转移。

当末端电池放电且其余电池充电时，原理与首端电池放电且其余电池充电类似分析。

如图9所示，为本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路中间电池放电且其余电池充电的第一阶段电流流向图，其原理与实施例所述电路首端电池放电且其余电池充电的第一阶段相同。

如图10所示，为本实施例所述基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路中间电池放电且其余电池充电的第二阶段电流流向图，其下游电池充电原理与实施例所述电路首端电池放电且其余电池充电的第二阶段相同，上游电池充电原理与实施例所述电路末端电池放电且其余电池充电的第二阶段相同。中间电池放电且其余电池充电的其他阶段依次类似分析。

以上内容是结合具体的实施例对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，其特征是，包括若干个串联的电池单体构成的电池组，每个电池单体对应设置有一个功率开关管，每个功率开关管对应设置有一个反并联续流二极管，且每个功率开关管的输入端和与之对应的反并联续流二极管的阴极相连，每个功率开关管的输出端和与之对应的反并联续流二极管的阳极相连；

位于所述电池组正极端的电池单体为首端电池，位于所述电池组负极端的电池单体为末端电池，位于所述首端电池和所述末端电池之间的电池单体为中间电池；

所述首端电池对应设置有一个负端能量转移电感，所述末端电池对应设置有一个正端能量转移电感，所述中间电池对应设置有一个正端能量转移电感和一个负端能量转移电感；且每个电池单体对应设置的正端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的负端能量转移电感为同一个电感，每个电池单体对应设置的负端能量转移电感和与其相邻的电池单体对应设置的正端能量转移电感为同一个电感。

2.如权利要求1所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，其特征是，所述首端电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端相连，所述首端电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端之间通过所述首端电池对应的负端能量转移电感相连；

所述末端电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端相连，所述末端电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端之间通过所述末端电池对应的正端能量转移电感相连。

3.如权利要求1所述的基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，其特征是，所述中间电池的正极和与之对应的功率开关管的输入端之间通过所述中间电池对应的正端能量转移电感相连，所述中间电池的负极和与之对应的功率开关管的输出端之间通过所述中间电池对应的负端能量转移电感相连。