CN106712168A - 一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，其中，并联电池组包括左电池组和右电池组。并联电池组的首尾两端在V_CC与GND之间，左、右电池组通过中间的均衡电路连接起来，均衡电路又与控制电路相连接。左右电池组的若干电池如果出现电量不均衡的现象，通过控制均衡电路中双向可控硅TRIAC的通断与储能电感的储能作用，可将电量传递给另一电池组的电池，也可从另一电池组获得能量。该电路可实现电池组充放电过程中的动态均衡，改善电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小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

一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡的技术领域，具体涉及一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路。

背景技术

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：某些电池单体的剩余容量偏高；某些电池单体的剩余容量偏低；某些电池单体的剩余容量偏高和某些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

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，通过在并联电池组的电池管理系统中采用一种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，改善电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小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。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，在充电过程中，当并联电池组的左部分的任何一个或者多个连续电池单体能量过高时(如图1和图2(a)中，电池B_l1与电池B_l2是连续的电池单体，电池B_l1与电池B_l2与电池B_l3是连续的电池单体。即电池组的左部分中，任意连续的一个或者多个电池单体，本发明中就称为连续的电池，在均衡过程中就可以适当地视为一个整体。电池组的右部分连续的电池的定义同理)，可以将一个或者多个连续能量过高的单体视为一个整体，并把这个整体的能量均衡给与这个整体对应的右部分电池组成的整体，(图1和图2(a)中，左部分的电池B_l1对应的是右部分的电池B_r1，左部分的电池B_l1和B_l2组成的整体对应的是右部分电池B_r1和B_r2组成的整体。即左部分的任意连续的一个或者多个电池单体组成的整体，对应的是右部分与该整体并联同一个或者多个连续的电感的电池组成的整体，连续的电感的定义与连续电池的定义相同。右部分的电池对应的左部分的电池的定义同理)；右部分的均衡原理与左部分同理。

在放电过程中，当电池组的左部分的一个或多个连续电池单体能量过低时，可以将一个或者多个能量过低的单体视为一个整体。当这个能量过低的整体对应的右部分的电池能量不会过低时，可以将与这个能量过低的整体对应的右部分的电池及与这些电池相连续的任意电池组合的能量均衡给这个能量过低的整体。当这个能量过低的整体对应的右部分的电池能量也过低时，必须通过两步来实现均衡，首先将左部分的能量高的一个或者多个连续的电池单体的能量均衡给右部分的电池，提高右部分的电池的电压，再通过上述的放电均衡的方法进行均衡。右部分的均衡原理与左部分同理。

该并联电池组双向无损均衡电路由并联电池组、均衡电路、控制电路构成。其中，并联电池组分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；假设电池单体总数为2n(n为正整数)，左右部分电池单体数均为n；左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn；B_l1的正极接V_CC，B_r1的负极接GND；电池数量不做限制，但是随着电池数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，双向可控硅TRIAC的开关频率可能达不到要求，对储能电感的要求也会相应提高，应当根据实际情况进行选择。假设电池数量为2n(n为正整数)，均衡电路中的储能电感L数量为n，由上至下分别命名为L₁、L₂……L_n；与电感等数量的双向可控硅TRIAC并联在电感两端，剩余的双向可控硅TRIAC一端和储能电感L的一端相连，另一端和电池的一端相连，双向可控硅TRIAC的控制端与控制电路相连接，使双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制；双向可控硅TRIAC的数量为3n+2，与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S₁、S₂……S_n，与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为S_l1、S_l2……S_l(n+1)，与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)；电池单体B_l1的正极接V_CC，电池单体B_r1的负极接GND。图1中的控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路，通过对控制电路中的微控制器编程，来分析当前电池的电量并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路；通过控制电路中的驱动电路，可以给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭，达到对电池电量进行均衡的目的。

均衡电路的工作原理如下：

当电池数量为2n时，如图1，在充电过程中，若左电池组中的连续的若干个电池都为端电压最高，可以将这些电池所组成的整体同时进行放电均衡。假设这些电池为B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)(这些电池的数量最多等于左电池组的全体电池，即w的最大值为n-1，w大于等于0)。为了避免对B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)过充电，在一个PWM周期内，使双向可控硅TRIACS_li和S_l(i+w+1)导通，则电流通过S_li、储能电感L_i、L_i+1……L_i+w、S_l(i+w+1)以及B_l(i+w)、B_l(i+w-1)……B_li，B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)放电为电感L_i、L_i+1……L_i+w组成的整体储存能量；与电池B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)对应的电池为B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，S_li和S_l(i+w+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_ri和S_r(i+w+1)，此时电流通过电感L_i、L_i+1……L_i+w、S_r(i+w+1)、电池B_r(i+w)、B_r(i+w-1)……B_ri及S_ri，电感L_i、L_i+1……L_i+w释放能量至B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，实现了能量从B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)到B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的转移。在充电过程中，若右电池组中的连续的若干个电池都为端电压最高，均衡原理与左电池组相同。

当电池数量为2n时，如图1，在放电过程中，若左电池组中的连续的若干个电池都为端电压最低，可以将这些电池所组成的整体同时进行放电均衡。假设这些电池为B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)(这些电池的数量最多等于左电池组的全体电池，即w的最大值为n-1，w大于等于0)。假设与电池B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)对应的电池为B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，当B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)所组成的整体能量不会过低时，通过一定的规则判断，与B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)连续的某个电池整体能够为B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)提供能量。假设这个整体的电池为B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)(p+q+w的和的最大值为n-1，p大于等于0，q大于等于0)，则开通S_r(i-p)和S_r(i+q+w+1)，同时开通S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的与电感并联的双向可控硅。此时电流通过S_r(i-p)、电池B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)、S_r(i+q+w+1)、电感L_i、L_i+1……L_i+w及S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的与电感并联的双向可控硅，B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)放电为电感L_i、L_i+1……L_i+w组成的整体储存能量；S_r(i-p)和S_r(i+q+w+1)和S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的与电感并联的双向可控硅开通一段时间后关断，同时开通S_li和S_l(i+w+1)，则电流通过储能电感L_i+w、L_i+w-1……L_i、S_li、B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)以及S_l(i+w+1)，电感L_i、L_i+1……L_i+w释放能量至B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，实现了能量从B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)到B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的转移。当B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)所组成的整体能量过低时，先通过左电池组中的电池为右电池组整体充电，提高B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的能量，再通过上述方式进行放电均衡。在放电过程中，若右电池组中的连续的若干个电池都为端电压最低，均衡原理与左电池组相同。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明由于在并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，左右电池组的若干电池如果出现电量不均衡的现象，通过控制均衡电路中双向可控硅TRIAC的通断与电感的储能作用，可以将电量传递给另一电池组的电池，也可以从另一电池组获得能量，改善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是本发明公开的一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路的电路原理图；

图2(a)是以4节电池为例的充电过程中电感充电的工作过程原理图；

图2(b)是以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图；

图3(a)是以4节电池为例的放电过程中电感充电的工作过程原理图；

图3(b)是以4节电池为例的放电过程中电感放电的工作过程原理图；

图4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5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

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

图1是电池数量为2n(n为正整数)时的基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路的电路原理图。其中，并联电池组分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；左右部分电池单体数均为n；左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn，B_l1的正极接V_CC，B_r1的负极接GND；电池数量不做限制，但是随着电池数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，双向可控硅TRIAC的开关频率可能达不到要求，对储能电感的要求也会相应提高，应当根据实际情况进行选择。均衡电路中的储能电感L数量为n，由上至下分别命名为L₁、L₂……L_n；与电感等数量的双向可控硅TRIAC并联在电感两端，剩余的双向可控硅TRIAC一端和储能电感L的一端相连，另一端和电池的一端相连，双向可控硅TRIAC的控制端与控制电路相连接，使双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制；双向可控硅TRIAC的数量为3n+2，与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S₁、S₂……S_n，与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为S_l1、S_l2……S_l(n+1)，与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)；电池单体B_l1的正极接V_CC，电池单体B_r1的负极接GND。图中控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路，通过对控制电路中的微控制器编程，来分析当前电池的电量并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路；通过控制电路中的驱动电路，可以给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭，达到对电池电量进行均衡的目的。

图2(a)是以4节电池为例的充电过程中电感充电的工作过程原理图。电池单体总数为4，左右部分电池单体数均为2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_l1、B_l2，右电池组电池单体由上至下分别命名为B_r1、B_r2，电感由上至下分别命名为L₁、L₂。若左电池组中的B_l1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，使双向可控硅TRIACS_l1和S_l2导通，则电流通过S_l1、储能电感L₁、S_l2以及B_l1，B_l1放电为电感L₁储存能量。然后将L₁储存的能量释放给B_r1。S_l1和S_l2开通一定时间后使其关断，同时开通S_r1和S_r2，此时电流通过电感L₁、S_r2、电池B_r1及S_r1，电感L₁释放能量至B_r1，实现了能量从B_l1到B_r1的转移。

图2(b)是以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图。电池单体总数为4，左右部分电池单体数均为2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_l1、B_l2，右电池组电池单体由上至下分别命名为B_r1、B_r2，电感由上至下分别命名为L₁、L₂。与图2(a)同一个PWM周期内，S_l1和S_l2开通一定时间后使其关断，同时开通S_r1和S_r2，此时电流通过电感L₁、S_r2、电池B_r1及S_r1，电感L₁释放能量至B_r1，实现了能量从B_l1到B_r1的转移。

图3(a)是以4节电池为例的放电过程中电感充电的工作过程原理图。电池单体总数为4，左右部分电池单体数均为2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_l1、B_l2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_r1、B_r2，电感由上至下分别命名为L₁、L₂。若左电池组中的B_l1单体端电压为所有单体最低，假设与B_l1对应的电池B_r1能量不会过低，且B_r1和B_r2所组成的整体能够为B_l1提供能量。为了避免对B₁过放电，在一个PWM周期内，使双向可控硅TRIACS_r1和S_r3导通，同时开通S₂，则电流通过S_r3、S₂、储能电感L₁、S_r1以及B_r1和B_r2，B_r1和B_r2放电为电感L₁储存能量。

图3(b)是以4节电池为例的放电过程中电感放电的工作过程原理图。电池单体总数为4，左右部分电池单体数均为2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_l1、B_l2，左电池组电池单体由上至下分别命名为B_r1、B_r2，电感由上至下分别命名为L₁、L₂。与图3(a)同一个PWM周期内，S_r1、S_r3和S₂开通一定时间后使其关断，同时开通S_l1和S_l2，此时电流通过电感L₁、S_l1、电池B_l1及S_l2，电感L₁释放能量至B_l1，实现了能量从B_r1和B_r2到B_l1的转移。

图4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。在设置一定控制精度的条件下，各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。

图5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。在设置一定控制精度的条件下，各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括：并联电池组、均衡电路和控制电路，其中所述并联电池组包括分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组，所述左电池组与所述右电池组并联在一起，所述左电池组与所述右电池组通过中间的所述均衡电路连接起来，所述均衡电路又与所述控制电路相连接，所述控制电路通过控制所述均衡电路中双向可控硅TRIAC的通断与储能电感的储能作用，实现所述串联电池组充放电过程中的动态均衡。

2.根据权利要求1所述的一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，其特征在于，

所述并联电池组中电池单体总数为2n(n为正整数)，所述左电池组中电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln，并且B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln依次串联；所述右电池组中电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn，并且B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn依次串联；其中，B_l1的正极接V_CC，B_r1的负极接GND；

所述均衡电路中的储能电感L数量为n，由上至下分别命名为L₁、L₂……L_n，L₁、L₂……L_n依次串联；所述均衡电路中的双向可控硅TRIAC的数量为3n+2，其中有n个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为S₁、S₂……S_n，S₁、S₂……S_n依次串联，S₁、S₂……S_n分别并联在储能电感L₁、L₂……L_n两端；其中还有n+1个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为S_l1、S_l2……S_l(n+1)，S_l1、S_l2……S_ln的T₁端分别和储能电感L₁、L₂……L_n的上端相连，S_l(n+1)的T₁端和储能电感L_n的下端相连，S_l1、S_l2……S_ln的T₂端和电池单体B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln的正端相连，S_l(n+1)的T₂端和电池单体B_ln的负端相连；其中剩下的n+1个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)，S_r1、S_r2……S_rn的T₁端分别和储能电感L₁、L₂……L_n的上端相连，S_r(n+1)的T₁端和储能电感L_n的下端相连，S_r1、S_r2……S_rn的T₂端和电池单体B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn的负端相连，S_r(n+1)的T₂端和电池单体B_rn的正端相连；

所有双向可控硅TRIAC的门极都与所述控制电路相连接，使所有双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，其特征在于，

所述控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路，通过对所述微控制器编程，来分析所述串联电池组中各电池单体的电量并决定所述均衡电路的控制策略；所述驱动电路给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭。

4.根据权利要求1所述的一种基于电感储能的并联电池组双向无损均衡电路，其特征在于，

所述控制电路中控制信号的频率的大小根据所控制的电路储能电感L的电感值、双向可控硅TRIAC的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。