CN105811030B - 一种锂离子电池系统均衡器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂离子电池系统均衡器及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。本发明当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。本发明拓扑电路原理简单，均衡能量转移效率高、均衡速度快、对均衡电流的控制能力强，在实现每组电池组内各电池单元间能量均衡的同时，也实现了不同电池组间及不同电池组的电池单元之间的能量均衡。

Description

一种锂离子电池系统均衡器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池系统均衡器及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。

背景技术

能源是人类活动的物质基础，也是现代社会经济发展的保障。煤炭、石油等常规能源是今天主要的能源来源，随着社会经济的发展，人们对能源的需求量也在迅速增加，这将造成煤炭、石油等常规的不可再生能源日益匮乏，阻碍了人类社会的可持续发展。同时环境污染愈加剧烈，像燃油汽车的尾气，工厂的废气等直接造成大气污染，导致温室效应、酸雨和臭氧层破坏，危及人类的生存。汽车是21世纪最重要的交通工具，同时也是流动的污染源，汽车污染成为全球性问题。环保专家认为要减少汽车对城市环境的危害，最有效的办法是加速发展、普及环保型汽车，减少对石化燃料的依赖。由此在能源危机和环境污染日趋加剧的背景下，以蓄电池为动力的新能源电动汽车的发展也成为必然。人类需要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生能源和新能源。太阳能和风能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，因此太阳能和风能被看作是最具有代表性的新能源和可再生能源，利用太阳能和风能的发电技术受到世界各国的高度重视。风能、太阳能发电存在间歇和随机性，直接大规模接入会给电网的调度带来很大困难，同时影响电网的安全稳定运行，随着蓄电池性能的不断突破，蓄电池储能技术在分布式储能以及大规模电站储能方面产业化应用的条件日趋成熟。锂离子电池具有单体电池电压高、重量轻、比能量高、循环寿命长、自放电系数小、无记忆效应、无污染等优点，在大规模储能领域和新能源电动汽车行业有着很好的应用和发展前景。美国电科院在2009年的储能项目研究规划中开展了锂离子电池用于分布式储能的研究和开发。国内，国家电网、南方电网也开始尝试用高功率锂离子电池作为储能系统。锂离子电池在使用过程中，必须严格控制充、放电电压，过充电会有爆炸的危险；过放电会使负极铜集流网发生溶解，碳材料的层状结构会受到破坏，直接导致电池损坏或降低其使用寿命。锂离子单体电池的标称电压为3.6v左右，为满足电动汽车及电力储能系统电压需求，需要几十个甚至上百个单体电池串联成组使用，由于串联使用的单体电池间能量存在不一致的问题，同时锂离子单体电池在使用中不允许出现过充电和过放电，因此锂离子单体电池串联成组后的性能与单体电池相比差很多。随着充放电循环次数的增加，串联各单体电池间能量不一致程度加剧，导致电池组充、放电容量减小，最终使蓄电池组提前报废。可见，串联成组的锂离子单体电池间的不一致性问题是制约其在储能系统和电动汽车上推广和发展的关键因素。研究锂离子蓄电池组高实效均衡器，解决串联成组的锂离子单体电池间的能量不一致问题，对于提高锂离子蓄电池组的充放电容量，延长其循环使用寿命，推动新能源锂离子电池储能系统及新能源电动汽车发展具有非常重要意义，同时对促进人类社会的可持续发展有着非常重要的社会价值和现实意义。

锂离子单体电池的标称电压在3.6v左右，作为大规模锂离子蓄电池储能系统或电动汽车车载锂离子动力电池系统，都需要大量的锂离子单体电池串联使用，因此目前均采用分组均衡的方式，即将串联的所有单体电池进行分组，每组电池都有一个均衡器负责组内各单体电池之间的能量均衡。目前的均衡器普遍存在能量转移效率低、均衡速度慢、对均衡能量的控制能力差，且未考虑各个电池组间或不同电池组的各个单体电池间的能量均衡。

发明内容

针对大规模锂离子电池储能系统和电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联锂离子单体电池间能量不一致问题，本发明提供了一种锂离子电池系统均衡器及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连（如电池单元BNm中的Celln-1、Celln引出的3条引出线与ANm中的NQn-1、L、NQn的一端相连），两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述电压源E由电池系统DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，例如控制选通开关矩阵X的开关XTj1和XSj1导通，则电池组X中的电池单元BXj被选通，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，例如控制选通开关矩阵X的开关XTi2和XSi2导通，则电池组X中的电池单元BXi被选通，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

例如电池单元均衡模块A11中，对功率开关1Q1进行PWM控制，均衡能量将从单体电池Cell1向Cell2转移；而对功率开关1Q2进行PWM控制，均衡能量将从单体电池Cell2向Cell1转移。其他电池单元模块均衡原理同上，且各电池单元均衡模块间互不影响，根据实际能量均衡情况，可以同时工作，也可以部分均衡模块工作。

其中，锂离子电池系统为N个电池组组成，每个电池组包括m个电池单元，每个电池单元为两个串联的单体电池（1个电池单元中有n个单体电池n=2m）。

本发明的工作原理是：

均衡以电感为储能元件，均衡电路中的功率开关器件均为逆导型功率开关器件，通过对主控开关M1进行PWM控制，使充电状态下的各个电池组中能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时均衡放电，通过对主控开关M2进行PWM控制，使放电状态下的各个电池组中能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时被均衡充电，通过电池单元均衡模块实现电池静置状态下的电池单元内两单体电池间能量均衡。在电池组静置时基于升降压斩波电路原理，可实现能量在两单体电池间均衡。根据电池的不同工作状态，本发明所采用三种不同能量均衡策略。充电均衡策略：当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，每个电池组中能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，从而快速有效的提高整个电池系统的充电容量。放电均衡策略：当电池系统处于放状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，每个电池组中能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，从而快速有效的提高整个电池系统的放电容量。静置均衡策略：当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。在实际的应用过程中，可以根据各电池单元的荷电状态不一致程度，通过调节占空比来调节均衡电流的大小。

本发明的有益效果是：本发明充电状态和放电状态下的均衡器拓扑电路最优，能量均衡策略最优，以两节电池为一个电池单元而引入了二重能量均衡策略，拓扑电路原理简单，均衡能量转移效率高、均衡速度快、对均衡电流的控制能力强，在实现每组电池组内各电池单元间能量均衡的同时，也实现了不同电池组间及不同电池组的电池单元之间的能量均衡。

附图说明

图1是本发明拓扑电路原理图；

图2是电池系统充电均衡时的等效电路图；

图3是电池系统放电均衡时的等效电路图；

图4是电池系统静置均衡时的电池单元均衡电路图。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述电压源E由电池系统DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

如图2所示，电池系统处于充电状态时，假设N个电池组中能量最高的电池单元分别为B1，B2，B3，...，BN。均衡时，电池单元B1，B2，B3，....，BN通过选通开关矩阵被选通，同时分别与电感L1，L2，L3，....，LN串联。等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，被均衡的电池单元B1，B2，B3，...，BN处于升压斩波电路的输入端。均衡时，控制选通开关矩阵X的开关XTj1和XSj1导通，则电池组中的电池单元BXj被选通，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，则N个电池单元均衡放电，均衡放电电流分别为i1，i2，i3，...，iN。由于均衡放电的电池单元位于升压斩波电路的输入端，因此均衡放电电流连续，另外N个电池单元并联作为升压斩波电路的输入端，因此能量高的电池单元均衡放电电流大。通过电池系统充电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最高的电池单元同时均衡放电，一方面提高每个电池组及整个电池系统的充电容量，另一方面也使电池系统中来自不同电池组的能量最高的单体电池间的能量得到均衡。

如图3所示，电池系统处于放电状态时，假设N个电池组中能量最低的电池单元分别为B1，B2，B3，...，BN。均衡时，电池单元B1，B2，B3，....，BN通过选通开关矩阵被选通，同时分别与电感L1，L2，L3，....，LN串联。等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，被均衡的电池单元B1，B2，B3，...，BN处于降压斩波电路的输出端。均衡时，控制选通开关矩阵X的开关XTj2和XSj2导通，则电池组中的电池单元BXj被选通，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，则N个电池单元被均衡充电，均衡充电电流分别为i1，i2，i3，...，iN。由于被均衡充电的电池单元位于降压斩波电路的输出端，因此均衡充电电流连续，另外N个电池单元并联作为降压斩波电路的输出端，因此能量低的电池单元均衡充电电流大。通过电池系统放电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最低的电池单元同时均衡充电，一方面提高每个电池组及整个电池系统的放电容量，另一方面也使电池系统中来自不同电池组的能量最低的单体电池间的能量得到均衡。

如图4所示，电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡，等效的均衡电路为典型的升降压斩波电路。假设电池单元均衡模块A11中，单体电池Cell1能量高，均衡时：对开关1Q1进行PWM控制，当开关1Q1导通时，回路①被激活，单体电池Cell1放电，电感L储能；1Q1关断时，回路②被激活，电感L中的能量向单体电池Cell2转移。同理对开关1Q2进行PWM控制，能量将由单体电池Cell2向单体电池Cell1转移。电池系统中其它电池单元均衡模块（Aij，i=1,2,…,N，j=1,2,…,m）均衡原理同上。

实施例2：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述电压源E由电池系统DC/DC提供。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

实施例3：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述电压源E由电池系统以外的蓄电池组提供。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

实施例4：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

实施例5：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

实施例6：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。

实施例7：如图1-4所示，一种锂离子电池系统均衡器，由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

一种锂离子电池系统均衡器的控制方法，当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种锂离子电池系统均衡器，其特征在于：由N个选通开关矩阵、N个电感、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、一个电压源E、以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵T、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块由两个功率开关和一个电感L构成；上桥臂功率开关矩阵T和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1的一端和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；i=1,2,...N；j=1,2,...m；

当电池系统处于充电状态时，每个电池组中能量最高的电池单元并联同时均衡放电，能量高的均衡放电电流大；当电池系统处于放电状态时，每个电池组中能量最低的电池单元并联同时被均衡充电，能量低的均衡充电电流大；当电池系统处于静置状态时，每个电池单元均衡模块实现两单体电池间的能量均衡。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池系统均衡器，其特征在于：所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池系统均衡器，其特征在于：所述选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵T由m对反并联的双层功率开关XTj1和XTj2组成；所述选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反并联的双层功率开关XSj1和XSj2组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池系统均衡器，其特征在于：所述电压源E由电池系统DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的锂离子电池系统均衡器的控制方法，其特征在于：所述方法具体为：

当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，同样其他电池组中能量最高的电池单元被同时选中，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，均衡放电电流连续；

当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，同样其他电池组中能量最低的电池单元被同时选中，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，均衡充电电流连续；

当电池系统处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡。