CN106786880A - 一种新型分层均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型分层均衡电路，用于串联动力电池组或串联储能装置的均衡。该均衡电路包含2‑4个底层电池模块，每个电池模块包含2‑4个单体电池，从而可以实现4‑16节串联电池的分层主动均衡。均衡电路包括底层均衡电路与顶层均衡电路，底层均衡电路负责电池模块内部均衡，顶层均衡电路负责电池模块之间的均衡。底层与顶层均衡电路均采用相同的基于电感储能的电路拓扑，结构简单可靠，均衡路径多。该均衡电路可快速改善串联电池组不均衡的现象，适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

Description

一种新型分层均衡电路
技术领域
本发明涉及串联电池组均衡的技术领域，具体涉及一种新型分层均衡电路。
背景技术
近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，新能源汽车，尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各单体电池的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况，若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，甚至存在过热起火的安全隐患。
针对上述情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。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；耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻，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。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。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单体电池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，提供一种新型分层均衡电路。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种新型分层均衡电路，所述均衡电路包括：串联电池组和均衡电路，所述串联电池组由m个电池模块Mm串联组成(m＝2、3或者4)，每个电池模块由n个单体电池Bi1，Bi2，…，Bin串联组成；所述均衡电路包括n个底层均衡电路Qi(i＝1，…，n，n＝2、3或者4)与1个顶层均衡电路Q，其中，底层均衡电路的数量与电池模块的数量相等，每个底层均衡电路均与一个电池模块连接，实现电池模块内部单体电池之间的均衡，上述顶层均衡电路分别与各个电池模块连接，实现电池模块之间的均衡；
所述底层均衡电路Qi包括：开关管Si1，Si2，…，Sin，电感Li1，Li2，…，Lin-1；
所述开关管均为N沟道MOSFET，分别包括源极、漏极、栅极。
进一步地，当n＝3时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、开关管Si2的漏极；电感Li2的一端连接在单体电池Bi2的负极，另一端连接在开关管Si2的源极、开关管Si3的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si3的源极连接在单体电池Bi3的负极。
进一步地，当n＝2时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、开关管Si2的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si2的源极连接在单体电池Bi2的负极。
进一步地，当n＝4时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、Si2的漏极；电感Li2一端连接在单体电池Bi2的负极，另一端连接在开关管Si2的源极、Si3的漏极；电感Li3一端连接在单体电池Bi3的负极，另一端连接在开关管Si3的源极、Si4的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si4的源极连接在单体电池Bi4的负极。
进一步地，所述顶层均衡电路Q由开关管S1，S2，...，Sm，电感L1，L2，...，Lm-1组成，负责电池模块M1，M2，…，Mm之间的均衡；
当m＝4时，电池模块M1，M2，M3，M4串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接于开关管S1的源极、开关管S2的漏极；电感L2一端连接在电池模块M2的负极，一端连接在开关管S2的源极、开关管S3的漏极；电感L3一端连接在电池模块M3的负极，一端连接在开关管S3的源极、开关管S4的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S4的源极连接在电池模块M4的负极；
当m＝3时，电池模块M1，M2，M3串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接在开关管S1的源极、开关管S2的漏极；电感L2的一端连接在电池模块M2的负极，一端连接在开关管S2的源极、开关管S3的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S3的源极连接在电池模块M3的负极；
当m＝2时，电池模块M1，M2串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接在开光管S1的源极、开关管S2的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S2的源极连接在电池模块M2的负极。
进一步地，所述顶层均衡电路和所述底层均衡电路采用电感储能均衡拓扑，其物理模型为buck-boost直流斩波电路，可采用电压不一致指标或者SOC不一致指标作为均衡变量。
进一步地，所述均衡电路中的电感均为储能电感，其储能电感值由开关管的开关频率、单体电池电压、电池模块电压以及期望的均衡电路的均衡时间而定。
进一步地，所述开关管Si1，Si2，…，Sin的栅极均与控制器连接，通过所述控制器输出的驱动信号控制开关管的开通与关断，实现能量的转移。
进一步地，所述控制器输出的驱动信号的频率，应根据MOSFET的开关损耗、储能电感值、单体电池的电压与容量选择；
所述控制器输出的驱动信号的占空比应根据所述顶层均衡电路和所述底层均衡电路的工作条件而出，保证每个电感在每个开关周期内复位，即每个开关周期内储能电感的电流最终必须下降到零，使电感工作在断续模式下。
进一步地，所述单体电池Bi1，Bi2，…，Bin是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明公开的一种新型分层均衡电路，通过在串联电池组电池管理系统中采用上述均衡电路的双向动态均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命。该新型分层均衡电路控制简单，电路简单可靠，均衡路径多，可实现4-16个电池的分层主动均衡。
附图说明
图1是本发明公开的一种新型分层均衡电路的电路原理图；
图2是本发明中底层均衡子电路原理图；
图3是本发明中顶层均衡电路原理图；
图4(a)是2节电池的底层模块中能量较高的电池放电模式；
图4(b)是2节电池的底层模块中电感续流模式；
图5(a)是3节电池的底层模块中能量较高的电池放电模式1；
图5(b)是3节电池的底层模块中电感续流模式1；
图5(c)是3节电池的底层模块中能量较高的电池放电模式2；
图5(d)是3节电池的底层模块中电感续流模式2；
图6(a)是4节电池的底层模块中能量较高的电池放电模式1；
图6(b)是4节电池的底层模块中电感续流模式1；
图6(c)是4节电池的底层模块中能量较高的电池放电模式2；
图6(d)是4节电池的底层模块中电感续流模式2；
图7(a)是4个顶层电池模块中能量较高的模块放电模式1；
图7(b)是4个顶层电池模块中电感续流模式1；
图7(c)是4个顶层电池模块中能量较高的模块放电模式2；
图7(d)是4个顶层电池模块中电感续流模式2。
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
本实施公开了一种新型分层均衡电路，下面结合附图图1至图7，详细具体介绍该新型分层均衡电路。本发明通过在串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，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联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。串联电池组由2-4个电池模块串联组成，每个电池模块由2-4个单体电池串联组成，总的串联电池组由4-16个单体电池组成。均衡电路由底层均衡电路与顶层均衡电路组成，底层均衡电路负责电池模块内部单体电池之间的均衡，顶层均衡电路负责电池模块之间的均衡，当电池组中电池电量差异大到均衡电路工作要求时，各均衡子电路开始工作。当电池组中电池差异小于设定值时，底层均衡电路与顶层均衡电路都停止工作时，均衡工作结束。所有均衡电路中的开关器件均与控制电路相连，通过控制开关器件的通断，控制能量的转移，从而实现电池组的均衡。
如图1是本发明公开的新型分层均衡电路的电路原理图。101为串联电池组，由2-4个电池模块串联组成，每个电池模块由n个单体电池组成。每个电池模块配有一个底层均衡子电路Qi，(i＝1，…，n，n＝2、3或者4)。102为顶层均衡电路Q。103为控制器，作为总控制电路，负责采样，显示，以及给开关管发出驱动信号。
图2是底层均衡子电路原理图。底层电池模块由2-4个单体电池串联而成。以Q1为例，Q1由开关管S11，S12，…，S1n，储能电感L11，L12，…，L1n-1组成，负责单体电池B11，B12，…，B1n之间的均衡，n＝2,3,4。
所述开关管均为N沟道MOSFET，分别包括源极、漏极、栅极。
以n＝3为例，单体电池B11、B12、B13串联，电感L11一端连接在单体电池B11的负极，另一端连接在开关管S11的源极、开关管S12的漏极；电感L12的一端连接在单体电池B12的负极，另一端连接在开关管S12的源极、开关管S13的漏极；开关管S11的漏极连接在单体电池B11的正极，开关管S13的源极连接在单体电池B13的负极。
图3是顶层均衡电路Q原理图。Q由开关管S1，S2，...,Sm,储能电感L1，L2，...，Lm-1组成，负责电池模块M1，M2，…，Mm之间的均衡，m＝2,3,4。以m＝4为例，M1，M2，M3，M4串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接于开关管S1的源极、开关管S2的漏极；电感L2一端连接在电池模块M2的负极，一端连接在开关管S2的源极、开关管S3的漏极；电感L3一端连接在电池模块M3的负极，一端连接在开关管S3的源极、开关管S4的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S4的源极连接在电池模块M4的负极。
图4(a)和图4(b)是底层电池模块中2节电池均衡过程示意图。如图4(a)，当单体电池B11能量过高时，在一个PWM周期内，开启开关管S11，电流通过单体电池B11，开关管S11，电感L11形成回路，电感L11储能。如图4(b)，当开关管导通一段时间后关断，电流通过电感L11，单体电池B12，D12(S12反并联二极管)形成回路，电感L11将能量释放给单体电池B12，从而实现能量从单体电池B11到单体电池B12的转移。同理，如图4(b)，当单体电池B12能量过高时，操作方法与上述过程相似。
图5(a)至图5(d)是底层电池模块中3节电池均衡过程示意图。如图5(a)，当单体电池B11能量过高时，在一个PWM周期内，开启开关管S11，电流通过单体电池B11，开关管S11，电感L11形成回路，电感L11储能。如图5(b)，当开关管导通一段时间后关断，电流通过电感L11，单体电池B12，电感L12，D12(S12反并联二极管)以及电感L11，单体电池B12，单体电池B13，D12，D13(S13反并联二极管)形成两个回路，电感L11将能量释放给单体电池B12与单体电池B13。
如图5(c)，当单体电池B12能量过高时，在一个PWM周期内，开启开关管S12，电流通过单体电池B12，电感L11，开关管S12，电感L12形成回路，电感L11与电感L12储能。如如图5(d)，当开关管导通一段时间后关断，电流通过电感L11，D11，单体电池B11以及电感L12，单体电池B13，D13形成两个回路，电感L11将能量释放给单体电池B11，电感L12将能量释放给单体电池B13。
当单体电池B13能量过高时，其均衡过程与单体电池B11能量过高时相同，不在赘述。
图6(a)至图6(d)是底层电池模块中4节电池均衡过程示意图。如图6(a)，当单体电池B11能量过高时，在一个PWM周期内，开启开关管S11，电流通过单体电池B11，开关管S11，电感L11形成回路，电感L11储能。如图6(b)，当开关管S11开通一段时间后关闭，电流通过电感L11，单体电池B12，电感L12，D12与电感L11，单体电池B12，单体电池B13，电感L13，D12，D13以及电感L11，单体电池B12，单体电池B13，单体电池B14，D14，D13，D12形成三个回路，电感L11将能量释放给单体电池B12，单体电池B13以及单体电池B14。
如图6(c)，当图6(a)B12能量过高时，在一个PWM周期内，开启开关管S12，电流通过单体电池B12，电感L11，开关管S12，电感L12形成回路，电感L11与电感L12储能。如图6(d)，在开关管S12导通一段时间后关闭，电流通过电感L11，D11，单体电池B11与电感L12，单体电池B13，电感L13，D13以及电感L12，单体电池B13，单体电池B14，D14，D13形成三个回路，电感L11将能量释放给单体电池B11，电感L12将能量释放给单体电池B13与单体电池B14。
当单体电池B13能量过高时，其均衡过程与单体电池B12能量过高时相似，具体可参照上述均衡过程。
当单体电池B14能量过高时，其均衡过程与单体电池B11能量过高时相似，具体可参照上述均衡过程。
图7(a)至图7(d)是顶层电池模块之间均衡过程示意图(以4个模块为例)。其均衡过程与4节电池的底层模块均衡过程一致。
综上所述，本实施公开了一种新型分层均衡电路，通过在串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，改善串联电池组不均衡的现象，提高电池组的可用容量，减小串联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。串联电池组由2-4个电池模块串联组成，每个电池模块由2-4个单体电池串联组成，总的串联电池组由4-16个单体电池组成。均衡电路由底层均衡电路与顶层均衡电路组成，底层均衡电路负责电池模块内部单体电池之间的均衡，顶层均衡电路负责电池模块之间的均衡，当电池组中电池电量差异大到均衡电路工作要求时，各均衡子电路开始工作。当电池组中电池差异小于设定值时，底层均衡电路与顶层均衡电路都停止工作时，均衡工作结束。所有均衡电路中的开关器件均与控制电路相连，通过控制开关器件的通断，控制能量的转移，从而实现电池组的均衡。该新型分层均衡电路控制简单，电路简单可靠，均衡路径多，可实现4-16个电池的分层主动均衡。
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 (10)

1.一种新型分层均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括：串联电池组和均衡电路，所述串联电池组由m个电池模块Mm串联组成(m＝2、3或者4)，每个电池模块由n个单体电池Bi1，Bi2，…，Bin串联组成；所述均衡电路包括n个底层均衡电路Qi(i＝1，…，n，n＝2、3或者4)与1个顶层均衡电路Q，其中，底层均衡电路的数量与电池模块的数量相等，每个底层均衡电路均与一个电池模块连接，实现电池模块内部单体电池之间的均衡，上述顶层均衡电路分别与各个电池模块连接，实现电池模块之间的均衡；
所述底层均衡电路Qi包括：开关管Si1，Si2，…，Sin，电感Li1，Li2，…，Lin-1；
所述开关管均为N沟道MOSFET，分别包括源极、漏极、栅极。
2.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
当n＝3时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、开关管Si2的漏极；电感Li2的一端连接在单体电池Bi2的负极，另一端连接在开关管Si2的源极、开关管Si3的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si3的源极连接在单体电池Bi3的负极。
3.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
当n＝2时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、开关管Si2的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si2的源极连接在单体电池Bi2的负极。
4.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
当n＝4时，电感Li1一端连接在单体电池Bi1的负极，另一端连接在开关管Si1的源极、Si2的漏极；电感Li2一端连接在单体电池Bi2的负极，另一端连接在开关管Si2的源极、Si3的漏极；电感Li3一端连接在单体电池Bi3的负极，另一端连接在开关管Si3的源极、Si4的漏极；开关管Si1的漏极连接在单体电池Bi1的正极，开关管Si4的源极连接在单体电池Bi4的负极。
5.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
所述顶层均衡电路Q由开关管S1，S2，...，Sm，电感L1，L2，...，Lm-1组成，负责电池模块M1，M2，…，Mm之间的均衡；
当m＝4时，电池模块M1，M2，M3，M4串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接于开关管S1的源极、开关管S2的漏极；电感L2一端连接在电池模块M2的负极，一端连接在开关管S2的源极、开关管S3的漏极；电感L3一端连接在电池模块M3的负极，一端连接在开关管S3的源极、开关管S4的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S4的源极连接在电池模块M4的负极；
当m＝3时，电池模块M1，M2，M3串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接在开关管S1的源极、开关管S2的漏极；电感L2的一端连接在电池模块M2的负极，一端连接在开关管S2的源极、开关管S3的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S3的源极连接在电池模块M3的负极；
当m＝2时，电池模块M1，M2串联，电感L1一端连接在M1的负极，一端连接在开光管S1的源极、开关管S2的漏极；开关管S1的漏极连接在电池模块M1的正极，开关管S2的源极连接在电池模块M2的负极。
6.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，所述顶层均衡电路和所述底层均衡电路采用电感储能均衡拓扑，其物理模型为buck-boost直流斩波电路，可采用电压不一致指标或者SOC不一致指标作为均衡变量。
7.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，所述均衡电路中的电感均为储能电感，其储能电感值由开关管的开关频率、单体电池电压、电池模块电压以及期望的均衡电路的均衡时间而定。
8.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，所述开关管Si1，Si2，…，Sin的栅极均与控制器连接，通过所述控制器输出的驱动信号控制开关管的开通与关断，实现能量的转移。
9.根据权利要求1所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
所述控制器输出的驱动信号的频率，应根据MOSFET的开关损耗、储能电感值、单体电池的电压与容量选择；
所述控制器输出的驱动信号的占空比应根据所述顶层均衡电路和所述底层均衡电路的工作条件而出，保证每个电感在每个开关周期内复位，即每个开关周期内储能电感的电流最终必须下降到零，使电感工作在断续模式下。
10.根据权利要求1至9任一所述的一种新型分层均衡电路，其特征在于，
所述单体电池Bi1，Bi2，…，Bin是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。
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