CN105811529A - 一种混合均衡拓扑结构的均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，包括由多节单体电池以三节单体电池为一组所组成的电池组、分布式均衡模块、集中式均衡模块、电压检测模块。目的在于降低电池组在充放电过程中的不一致性、提升电池组整体性能。单独集中式均衡拓扑与分布式均衡拓扑各有优缺点，本发明采用一种混合拓扑结构可以极大的提高电池组均衡效率。

Description

一种混合均衡拓扑结构的均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡电路领域，具体是一种混合均衡拓扑结构的均衡电路。

背景技术

电池组均衡控制是电动汽车发展的关键技术之一。在大量锂电池串并联形成的电动车动力系统中，由于电池组不一致性的存在，在使用过程中会出现“木桶效应”，造成电池组的整体容量由电池组中容量最小的单体电池决定，导致电池组的容量得不到最大利用，甚至会缩短电池组的使用寿命。基于此各式各样的均衡控制电路应运而生，由于电感与电容在能量转移过程中能做到无损转移，因此目前以电感或电容作为储能元件的均衡电路成为研究热点。但目前的均衡拓扑结构大都效率低下不能满足大量锂电池进行快速实时均衡的要求，越快使得电池组得到均衡，则越能最大限度的提升锂电池组的整体性能，延长使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，以适应电动汽车中大量锂电池快速实时均衡的要求，解决电池组使用过程中的不一致性问题，提升电池组使用性能、最大可用容量以及使用寿命。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，包括多节单体电池依次串联构成的总电池组，其中以每三节依次相邻的单体电池作为一个分电池组，其特征在于：每个分电池组中，各个单体电池上分别各自并联有由二极管、MOS管并联构成的均衡放电通道，每个均衡放电通道中二极管阳极与MOS管漏极共接，二极管阴极与MOS管源极共接，第一个均衡放电通道中，二极管阳极与MOS管漏极共接端连接至第一节单体电池负极即该分电池组的负极，第三个均衡放电通道中，二极管阴极与MOS管源极共接端连接至第三节单体电池正极即该分电池组的正极，相邻的两节单体电池之间共用一个双电感并联电路分别与各自对应的均衡放电通道连接，所述双电感并联电路由两个电感值不同的电感构成，两电感一端共接后连接至对应的相邻两节单体电池之间，其中电感值较大的电感另一端与一个MOS管的漏极连接，电感值较小的电感另一端与该MOS管的源极共接，第一、第二节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第一个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第二个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，第二、第三节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第二个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第三个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，在各个分电池组中，由每节单体电池对应的均衡放电通道和同一组中相邻两节单体电池共用的双电感并联电路，构成独立对应于各个分电池组中每节单体电池的分布式均衡模块，在每个分电池组中由三个分布式均衡模块相互作用形成组内三节单体电池的能量均衡；

每个分电池组还分别连接有集中式均衡模块，所述集中式均衡模块包括LC振荡电路，LC振荡电路中，电感一端通过电阻与电容一端共接后，再连接至对应的分电池组中第一节单体电池的负极即该分电池组的负极，电感另一端与电容另一端共接后连接至一个MOS管的漏极连接，该MOS管的源极通过另一个电感与对应的分电池组中第三节单体电池的正极即该分电池组的正极连接，各个分电池组对应的LC振荡电路中的电感为同轴电感，该同轴电感为组间能量转移载体，通过各组分电池组上集中式均衡模块中同轴电感可实现能量在任意两个分电池组间传递。

所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：还包括电压检测模块，所述的电压检测模块包括多个单体电池电压检测单元、一个电池组电压检测单元，其中单体电池电压检测单元一一对应检测每节单体电池电压，所述的电池组电压检测单元检测各分电池组电压，为电池组均衡提供基础判断数据。

所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：每节单体电池对应的分布式均衡模块中，均有两个大小不等的电感与一个二极管与之相连接，两个电感用于适应不同的均衡需要，二极管作为电感放电通道。

所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：所述集中式均衡模块与组分布式均衡模块相互独立，互不影响。

所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：集中式均衡模块中的LC振荡电路，一方面可以保证磁芯的可靠复位，一方面也可以实现软开关从而降低开关功耗。

本发明的有益效果是：在电动汽车电池组均衡过程中，由于数量众多，不一致性较差的单体电池较多。本发明可以同时均衡的单体电池数占总数1/3以上，且集中式均衡模块与分布式均衡模块互不影响，极大的提高了均衡效率。此外本发明为每颗单体电池提供两条均衡路径，提高了能量利用率的同时，再次提高了均衡效率，最大限度的降低电池组的不一致性。最后，本发明具有模块化结构，易于扩展，可以适用于不同数量电池组的均衡要求。

附图说明

图1是本发明均衡电路结构框图。

图2是本发明的电路原理图。

图3是本发明的集中式均衡模块均衡时能量流动图。

图4是本发明的电池1电压较高时的组内分布式均衡时能量流动图。

图5是本发明的电池2电压较高时不同情况下的分布式均衡能量流动图，其中：

图5a是本发明的电池2电压较高且电池1与电池3电压均较小时的均衡能量流动图。

图5b是本发明的电池2电压较高与电池3电压相差不大且电池1电压最低时的均衡能量流动图。

图5c是本发明的电池2电压较高与电池1电压相差不大且电池3电压最低时的均衡能量流动图。

图6是本发明的电池3电压较高时的组内分布式均衡时能量流动图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，包括多节单体电池依次串联构成的总电池组，其中以每三节依次相邻的单体电池作为一个分电池组，每个分电池组中，各个单体电池上分别各自并联有由二极管、MOS管并联构成的均衡放电通道，每个均衡放电通道中二极管阳极与MOS管漏极共接，二极管阴极与MOS管源极共接，第一个均衡放电通道中，二极管阳极与MOS管漏极共接端连接至第一节单体电池负极即该分电池组的负极，第三个均衡放电通道中，二极管阴极与MOS管源极共接端连接至第三节单体电池正极即该分电池组的正极，相邻的两节单体电池之间共用一个双电感并联电路分别与各自对应的均衡放电通道连接，双电感并联电路由两个电感值不同的电感构成，两电感一端共接后连接至对应的相邻两节单体电池之间，其中电感值较大的电感另一端与一个MOS管的漏极连接，电感值较小的电感另一端与该MOS管的源极共接，第一、第二节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第一个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第二个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，第二、第三节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第二个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第三个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，在各个分电池组中，由每节单体电池对应的均衡放电通道和同一组中相邻两节单体电池共用的双电感并联电路，构成独立对应于各个分电池组中每节单体电池的分布式均衡模块，在每个分电池组中由三个分布式均衡模块相互作用形成组内三节单体电池的能量均衡；

每个分电池组还分别连接有集中式均衡模块，集中式均衡模块包括LC振荡电路，LC振荡电路中，电感一端通过电阻与电容一端共接后，再连接至对应的分电池组中第一节单体电池的负极即该分电池组的负极，电感另一端与电容另一端共接后连接至一个MOS管的漏极连接，该MOS管的源极通过另一个电感与对应的分电池组中第三节单体电池的正极即该分电池组的正极连接，各个分电池组对应的LC振荡电路中的电感为同轴电感，该同轴电感为组间能量转移载体，通过各组分电池组上集中式均衡模块中同轴电感可实现能量在任意两个分电池组间传递。

还包括电压检测模块，电压检测模块包括多个单体电池电压检测单元、一个电池组电压检测单元，其中单体电池电压检测单元一一对应检测每节单体电池电压，所述的电池组电压检测单元检测各分电池组电压，为电池组均衡提供基础判断数据。

本发明包括由N节单体电池组成的电池组、集中式均衡模块、分布式均衡模块、电压检测模块。

如图2所示，以六节锂电池为例，分别为B1至B6，其中B1至B3为第一组，B4至B6为第二组。组内采用分布式均衡结构，每颗电池均有独立的均衡模块，以第一节电池为例，电池B₁的负极与MOS管S₁₂的漏极以及二极管D₁₁的阳极相连，电池B₁的正极与电感L₁₁、L₁₂相连，其中L₁₁<<L₁₂，电感L₁₂的另一端与MOS管S₁₃的漏极相连，电感L₁₁的另一端与MOS管S₁₃的源极、MOS管S₁₂的源极以及二极管D₁₁的阴极相连，它们共同组成电池1的分布式均衡模块，后面同理连接。在组内均衡过程中可以根据实际情况，打开与电池相连的均衡开关，选通所需的均衡通道进行组内电池间的均衡能量转移。

组间采用集中式均衡结构，以第一组为例。电池B₁的负极与电阻R₁₁的一端相连，电池B₃的正极与电感L₁₅的一端相连，L₁₅的另一端与MOS管S₁₁的源极相连，MOS管S₁₁的漏极与电感L₁₆的一端相连，电感L₁₆的另一端与电阻R₁₁的另一端相连，电容C₁连接在电阻R₁₁与电感L₁₆两端，它们共同组成组1的集中式均衡模块。由于采用的同轴线圈，因此可以实现任意两组电池间的能量传递。

具体均衡过程将分为组间均衡与组内均衡来进行说明。

(1)集中式均衡模块的组间均衡过程

如图3所示，设组1电压为V11，组2电压为V22。V11<V22，则打开开关S11，S21，组2通过电感向组1转移能量E。则，

$\begin{array}{c}E\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}P\left(\mathrm{\&tau;}\right)d\mathrm{\&tau;}=\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}v\left(\mathrm{\&tau;}\right)i\left(\mathrm{\&tau;}\right)d\mathrm{\&tau;}\\ =\underset{0}{\overset{t}{\&Integral;}}L\frac{di\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{d\left(\mathrm{\&tau;}\right)}i\left(\mathrm{\&tau;}\right)d\mathrm{\&tau;}=\frac{1}{2}{\mathrm{Li}}^2\left(t\right)\end{array}$

其中

$i=\frac{V_2}{2L}t$

带入得

$E=\frac{V_2^2{t}^2}{8L}$

由于开关采用脉冲控制，在电压差距较大时，能量不可能一次转移完成，需要转移n次。理论上分析，由于采用了同轴多绕组变压器均衡拓扑结构，可以使得各组间的电压得到完全均衡。但由于制造工艺的差异，难以保持真正一致，因此转移能量会略小于E。

(2)分布式均衡模块的组内均衡

组内均衡采用分布式均衡拓扑结构，每节单体电池都有属于自己的均衡模块，以三节电池为一组，可以实现任意两节电池间的均衡。可以同时均衡的单体电池数达到最大。如图4所示，两节电池间采用双电感模式，其中L12<<L11。

若V1最大，如图4所示，则打开S12，电感L11储能，关断S12，L11通过二极管对电池2与电池3进行续流充电，电池2获得大部分能量。此时

$i_{11}=\frac{V_1}{L_{11}}DT$

$i_{D12}=\frac{V_1}{L}DT-\frac{V_3+\mathrm{\&Delta;}V}{L}t$

$i_{D13}=\frac{V_3+\mathrm{\&Delta;}V}{L}t$

若V2最大，则有三种情况；

①如图5a所示，V1，V3均较小，打开S14，电感L11，L13储能，关断S14，电感L11向电池2充电，电感L13向电池3充电。此时

$i_{D11}=\frac{V_2}{2L}DT-\frac{V_3+\mathrm{\&Delta;}V}{L}t$

$i_{D13}=\frac{V_2}{2L}DT-\frac{V_1+\mathrm{\&Delta;}V}{L}t$

可以看出，与对单节电池均衡相比，同时均衡两颗电池均衡电流会相对减少。

②如图5b所示，V1最小，V3与V2差距很小，则打开S14与S15，由于L14与L13相比很小，L13被短路，此时大部分能量都储存在L11中，关断S14与S15，电感L11向电池1充电，这样就避免了L11与L13同时储能时不必要的能量损耗。

$i_2=\frac{V_2}{L_{11}+L_{14}}DT$

由于

L₁₄<<L₁₁

L14可忽略不计，则

$i_{D11}=i_2=\frac{V_2}{L}DT$

③如图5c所示，V3最小，V1与V2差距很小，与第②种情况类似，此时电池2主要向电池3充电。但此时电流由于后续电池的影响会略有减少，此时

$i_{D13}=\frac{V_2}{L}DT-\frac{\mathrm{\&Delta;}V}{L}t$

若V3最大，如图6所示，则打开S16，电感L13储能，关断S16，L13通过二极管对电池2与电池1进行续流充电，电池2获得大部分能量。此时情况与第一类情况类似。但此时没有后续电流影响，均衡电流为

$i_{D12}=\frac{V_3}{L}DT-\frac{V_1}{L}t$

$i_{D11}=\frac{V_3}{L}DT-\frac{V_2}{L}t$

在实际均衡过程中由于续流二极管的作用，组与组间均衡电流存在细微的相互干扰，即均衡电流会通过二极管向其他组内电池进行充电，此时均衡电流满足两个状态方程。

$i_{Dm}=\frac{V_x}{2L}DT-\frac{\underset{k=1}{\overset{x-1}{\&Sigma;}}{V}_k}{L}t-\underset{k=m}{\overset{x-2}{\&Sigma;}}\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\&Sigma;}}{V}_j}{L}t,m=1-x-1$

$i_{Dn}=\frac{V_x}{2L}DT-\frac{\underset{k=x+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{V}_k}{L}t-\underset{k=n+1}{\overset{N}{\&Sigma;}}\frac{\underset{j=k}{\overset{N}{\&Sigma;}}{V}_j}{L}t,n=x+1-N-1$

开关管PWM的选取

为了电感有足够时间复位，减少开关管的损耗，电路工作的断续模式。此时有

$\underset{k=1}{\overset{x-2}{\&Sigma;}}{t}_k\&le;(1-D)T$

$\underset{k=1}{\overset{x-2}{\&Sigma;}}{t}_k=t_0+t_1+t_2+\mathrm{...}+t_{x-2}=\frac{DT}{x(x-1)}+\frac{2DT}{x(x-1)(x-2)}+\mathrm{...}+\frac{2DT}{3*2*1}=\frac{DT}{2}$

即

$\frac{DT}{2}\&le;(1-D)T$

$D\&le;\frac{2}{3}$

为了减少组间的相互干扰，单颗电池升压电路的升压不能超过组内两颗电池的电压，否则干扰会增加，因此根据升压电路的计算公式。

$D\&le;\frac{(V_O-V_i)}{V_O}$

$D\&le;\frac{1}{2}$

综上所述，为保证电感有足够时间磁复位，并且组间干扰较小，开关管PWM的占空比不能大于50％。

最后，总体均衡控制流程如下，以两组电池为例：

1.检测单体电池电压状态，判断是否需要均衡；

2.设定均衡的阀值电压以及均衡区间，设定好PWM占空比及周期；

3.判断组内哪一节电池处于不均衡状态，按顺序若1号电池电压高，则打开相应均衡开关，使得1号电池过剩的能量转移至2号与3号电池中。若2号电池电压较高，则按上文所述分三种情况考虑并打开相应开关，使得2号电池的过剩能量转移到1号或者2号电池中。若3号电池电压较高，则与1号电池电压较高类似，打开相应开关即可。

4.计算各组的平均电压，判断出组间能量的转移方向；

5.打开组间集中式均衡模块的开关，进行组间能量转移；

6.一次均衡过程结束，进行初始循环。

Claims (5)

1.一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，包括多节单体电池依次串联构成的总电池组，其中以每三节依次相邻的单体电池作为一个分电池组，其特征在于：每个分电池组中，各个单体电池上分别各自并联有由二极管、MOS管并联构成的均衡放电通道，每个均衡放电通道中二极管阳极与MOS管漏极共接，二极管阴极与MOS管源极共接，第一个均衡放电通道中，二极管阳极与MOS管漏极共接端连接至第一节单体电池负极即该分电池组的负极，第三个均衡放电通道中，二极管阴极与MOS管源极共接端连接至第三节单体电池正极即该分电池组的正极，相邻的两节单体电池之间共用一个双电感并联电路分别与各自对应的均衡放电通道连接，所述双电感并联电路由两个电感值不同的电感构成，两电感一端共接后连接至对应的相邻两节单体电池之间，其中电感值较大的电感另一端与一个MOS管的漏极连接，电感值较小的电感另一端与该MOS管的源极共接，第一、第二节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第一个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第二个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，第二、第三节单体电池之间的双电感并联电路中，电感值较小的电感与MOS管源极共接端分别与第二个均衡放电通道中二极管阴极和MOS管源极共接端、第三个均衡放电通道中二极管阳极和MOS管漏极共接端连接，在各个分电池组中，由每节单体电池对应的均衡放电通道和同一组中相邻两节单体电池共用的双电感并联电路，构成独立对应于各个分电池组中每节单体电池的分布式均衡模块，在每个分电池组中由三个分布式均衡模块相互作用形成组内三节单体电池的能量均衡；

每个分电池组还分别连接有集中式均衡模块，所述集中式均衡模块包括LC振荡电路，LC振荡电路中，电感一端通过电阻与电容一端共接后，再连接至对应的分电池组中第一节单体电池的负极即该分电池组的负极，电感另一端与电容另一端共接后连接至一个MOS管的漏极连接，该MOS管的源极通过另一个电感与对应的分电池组中第三节单体电池的正极即该分电池组的正极连接，各个分电池组对应的LC振荡电路中的电感为同轴电感，该同轴电感为组间能量转移载体，通过各组分电池组上集中式均衡模块中同轴电感可实现能量在任意两个分电池组间传递。

2.根据权利要求1所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：还包括电压检测模块，所述的电压检测模块包括多个单体电池电压检测单元、一个电池组电压检测单元，其中单体电池电压检测单元一一对应检测每节单体电池电压，所述的电池组电压检测单元检测各分电池组电压，为电池组均衡提供基础判断数据。

3.根据权利要求1所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：每节单体电池对应的分布式均衡模块中，均有两个大小不等的电感与一个二极管与之相连接，两个电感用于适应不同的均衡需要，二极管作为电感放电通道。

4.根据权利要求1所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：所述集中式均衡模块与组分布式均衡模块相互独立，互不影响。

5.根据权利要求1所述的一种混合均衡拓扑结构的均衡电路，其特征在于：集中式均衡模块中的LC振荡电路，一方面可以保证磁芯的可靠复位，一方面也可以实现软开关从而降低开关功耗。