CN106230068A - 一种电池组拓扑结构及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池组拓扑结构，所述电池组由多个单体电池串联组成，其中，多个电池组串联在直流母线中，每个电池组均与DC/DC变换器并联，并且，所有DC/DC变换器的输出均与电容并联。每个电池组根据自身的SOC值来控制其充放电，流经各DC/DC变换器的电流为电池组和直流母线的差额电流，可以实现电池充放电系统的最大效率控制。因此，所需DC/DC变换器功率较小，可以减小其体积、降低其成本，并且这种方式损耗相对较小，可以提高整个系统的效率。

Description

一种电池组拓扑结构及其形成方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体地说，涉及一种电池组拓扑结构及其形成方法。

背景技术

把化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池。电池普遍应用于汽车、通讯、IT、电力、铁路、航空、港口、军事、金融、能源等领域，需求广泛，用量巨大。

由于每个单体电池的电压等级比较低，需要将很多单体电池串联起来，采用DC/DC变换器进行集中控制。但是在这种连接方式下，串联电池组的流过的电流受SOC低的单体电池限制，严重影响了系统的效率。针对此问题，比较普遍的一个方案是将所有的单体电池按几个到十几个的规模分成若干个由单体电池串联构成的电池组，每个电池组由一个DC/DC变换器控制充电或放电的过程，然后将各个DC/DC变换器的输出侧依次串联后接入直流母线。这种全功率的传递要求DC/DC变换器的功率与电池相同，则其生产成本较高、体积也较大；同时由于全部功率需要经过DC/DC变换器传输，影响整个系统的效率。因此，为了进一步实现电池充放电系统的优化控制，需要研究新型的电池充放电技术来提高系统的效率。

发明内容

本发明提供了一种电池组拓扑结构及其形成方法，以至少解决现有技术中电池组受SOC低的单体电池限制，或者DC/DC变换器需要和电池组功率相同，造成其生产成本高、体积大的缺陷。

根据本发明的一个方面，提供一种电池组拓扑结构，所述电池组由多个单体电池串联组成，其中，多个电池组串联在直流母线中，每个电池组均与DC/DC变换器并联，并且，所有DC/DC变换器的输出均与电容并联。

优选地，DC/DC变换器为双向隔离型DC/DC变换器。

优选地，所述电池组还包括SOC检测装置。

根据本发明的另一个方面，提供一种电池组拓扑结构的形成方法，包括以下步骤：用多个单体电池串联形成电池组；将多个电池组串联在直流母线中；在每个电池组的电路上，并联一个DC/DC变换器；将每个DC/DC变换器的输出端与电容并联。

优选地，所述DC/DC变换器为双向隔离型DC/DC变换器。

优选地，所述电池组还包括SOC检测装置。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示本发明实施例的电池组的拓扑结构示意图；

图2是表示本发明实施例的电池组的工作原理示意图。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的一种电池组拓扑结构及其形成方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

本发明针对目前的电池充放电系统效率优化问题，提出了一种电池组拓扑结构的形成方法，可以实现对不同SOC(剩余电量)的电池均衡控制，提高其充放电效率，其拓扑结构如图1所示。

首先，用多个单体电池(未示出)串联形成电池组1、2……N。然后，将多个电池组1、2……N串联在直流母线中。在每个电池组的电路上，并联一个DC/DC变换器。具体地说，是将DC/DC变换器的输入端和电池组的正负极连接。再将每个DC/DC变换器的输出端并联到电容C上。具体地说，是DC/DC变换器的输出端的一根线缆A₁、A₂……A_n连接在电容的一端点A处，DC/DC变换器的输出端的另一根线缆B₁、B₂……B_n连接在电容的另一端点B处。从此电路连接图可以看出，电池充放电的主要电流是在直流母线上，DC/DC变换器仅流入少量控制电流。电池组在直流母线中进行充放电，而电容C则是用于电池组辅助充放电。采用此拓扑可以实现串联的电池组之间的能量协调控制，实现彼此之间的能量均衡。

下面详细说明本拓扑结构的实现原理。在这种电池成组方法中，如图2所示，电池组的电压分别为v₁、v₂…v_n,电池组的电流分别为i₁、i₂…i_n，DC/DC变换器输入侧的电流为i₁'、i₂'…i_n',DC/DC变换器输出侧的电流为i₁″、i₂″…i_n″。电池串联的电流为i。当电池进行放电时，电池为输出特性，电流方向如图2所示。电池组输出电流与串联电流、DC/DC变换器输入侧电流之间关系如下式(1)所示

$\begin{array}{c}{i}_1=i+i_1^{\′}\\ i_2=i+i_2^{\′}\\ .\\ .\\ .\\ i_n=i+i_n^{\′}\end{array}---\left(1\right)$

从式1可以看出，每个电池组释放出的电流i₁的一部分流入串联母线，另一部分流入DC/DC变换器。控制多个串联电池组的最优效果是，使得串联电池组的串联电流为电池组的输出电流的平均值，如下式(2)所示，而不会因为某个电池的SOC低而影响电池的充放电效率。

$i=\frac{i_1+i_2+\mathrm{...}{i}_n}{n}---\left(2\right)$

要想实现上式(2)，需要各DC/DC变换器的输入电流满足下式(3)

I′₁+i′₂+i′_n＝0 (3)

当电池进行放电时，电池是输出功率，即i₁、i₂…i_n都为正。随着电池进行放电，电池组的SOC会发生变化，在每个电池组上还设置有检测装置，用于检测电池组SOC值。而DC/DC变换器则控制电池组的电压始终保持在额定电压。SOC较高的电池组，其输出的电流也比较大，通常会大于串联母线上的电流，由式1可以看出DC/DC变换器输入侧的电流为正，也可以说是电池组通过DC/DC变换器给电容C充电。

SOC较低的电池组，其输出的电流也较小，通常会小于串联母线上的电流，由式1可以看出DC/DC输入侧的电流为负，也可以是说电容C通过DC/DC变换器给电池组充电。

这样，因为本拓扑结构的连接关系，使得每个电池组都能够通过DC/DC变换器来均衡的充放电，通过DC/DC变换器之间的协调控制可以实现DC/DC变换器的输入电流的和为0。

当电池进行充电时，电池是输入功率，即i₁、i₂…i_n都为负，也就是直流母线的电流是流入电池组给电池组充电。随着电池组进行充电，电池组的SOC也会发生变化，在每个电池组上还设置有检测装置，用于检测电池组SOC值。DC/DC变换器则控制电池组的电压始终保持在额定电压。SOC较高的电池组，其输入的电流比较小，通常会小于串联母线上的电流，由式1可以看出，DC/DC变换器输入侧的电流为正，也可以说是电池组通过DC/DC变换器给电容C充电。

SOC较低的电池组，其输入的电流较大，通常会大于串联母线上的电流，由式1可以看出DC/DC输入侧的电流为负，也可以是说电容C通过DC/DC变换器给电池组充电。

这样，因为本拓扑结构的连接关系，使得每个电池组都能够通过DC/DC变换器来均衡的充放电，通过实时检测电池组的SOC值，通过DC/DC变换器来调整充放电电流，DC/DC变换器之间的协调控制可以实现DC/DC变换器的输入电流的和为0。采用这种电池成组方法，每个电池组根据自身的SOC值来控制其充放电，流经各DC/DC变换器的电流为电池组和直流母线的差额电流，因此，可以实现了电池充放电系统的最大效率控制。

此外，此方法中的DC/DC变换器是双向隔离型DC/DC变换器，可灵活地实现Buck/Boost(升压/降压)切换。具体地说，当电池组放电时，DC/DC变换器切换为Boost(升压)模式，当电池充电时，DC/DC变换器切换为Buck(降压)模式。由于电池的输出电流大部分流经串联母线，只有一小部分电流经过DC/DC变换器，因此可以实现电池充放电系统效率的最大化。

根据本发明的另一个方面，提供一种电池组拓扑结构，如图1所示，多个电池组1、2……N串联在直流母线中。其中，每个电池组都是由多个单体电池串联而成，在每个电池组的电路上，并联有一个DC/DC变换器。具体地说，是DC/DC变换器的输入端和电池组的正负极连接。每个DC/DC变换器的输出端并联到电容C上。具体地说，是DC/DC变换器的输出端的一根线缆A₁、A₂……A_n连接在电容C的一端点A处，DC/DC变换器的输出端的另一根线缆B₁、B₂……B_n连接在电容C的另一端点B处。

本发明的这种电池成组方法，每个电池组根据自身的SOC值来控制其充放电，流经各DC/DC变换器的电流为电池组和直流母线的差额电流，因此，可以实现了电池充放电系统的最大效率控制。因此，所需DC/DC变换器功率较小，可以减小其体积、降低其成本，并且这种方式损耗相对较小，可以提高整个系统的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电池组拓扑结构，其特征在于，

所述电池组由多个单体电池串联组成，

其中，多个电池组串联在直流母线中，每个电池组均与DC/DC变换器并联，并且，所有DC/DC变换器的输出均与电容并联。

2.根据权利要求1所述的一种电池组拓扑结构，其特征在于,DC/DC变换器为双向隔离型DC/DC变换器。

3.根据权利要求1所述的一种电池组拓扑结构，其特征在于,所述电池组还包括SOC检测装置。

4.一种电池组拓扑结构的形成方法，包括以下步骤：

用多个单体电池串联形成电池组；

将多个电池组串联在直流母线中；

在每个电池组的电路上，并联一个DC/DC变换器；

将每个DC/DC变换器的输出端与电容并联。

5.根据权利要求4所述的一种电池组拓扑结构的形成方法，其特征在于：所述DC/DC变换器为双向隔离型DC/DC变换器。

6.根据权利要求4所述的一种电池组拓扑结构，其特征在于,所述电池组还包括SOC检测装置。