CN106921198A - 一种电池单体间均衡电路结构与均衡方法 - Google Patents

Abstract

一种电池单体间均衡电路结构与均衡方法，均衡电路结构包括两个以上串联的电池单体C，每个电池单体C均并联一个MOSFET，每相邻两个电池单体C共用一个共享线圈绕组，所有共享线圈绕组均耦合在一起；均衡方法是将电池组内电池单体根据单体编号分为奇数、偶数组，对每节电池单体的电压/电流进行检测，估计其状态；奇数组和偶数组单体中各获取一个需均衡的电池进行均衡，判断需要均衡的两电池单体编号是否相邻，且为奇数小偶数大的情况，如果满足，则按照双向buck‑boost电路方法进行均衡；如果不满足，则按照双向反激电路方法进行均衡；两电池单体间均衡后延时，重新开始下一次均衡，本发明有效降低该电路的成本，提高均衡的效率。

Description

一种电池单体间均衡电路结构与均衡方法

技术领域

本发明属于电池均衡技术领域，特别提出一种电池单体间均衡电路结构与均衡方法。

背景技术

电池均衡就是使用某种方法使电池组中各电池单体的状态趋于一致。电池均衡对于电动车实际运行是至关重要的，电池单体由于电池内阻、容量、外界环境等因素的不同，在实际使用时会处于不均衡的状态。电池间不均衡会由于“短板效应”导致电池组的实际使用容量低于设计值，部分电池还可能出现过充电或过放电的情况，影响电池的使用特性，降低使用寿命，从而对整个电动车的运行造成影响。

现有的电池均衡方法均有其各自的缺陷：被动均衡利用与电池单体并联的电阻对电池单体进行放电，直到高能量电池单体达到与其他电池状态一致，但其易引起较大的能量损耗，均衡效率较低，且释放的热量增大了热管理的难度；buck-boost均衡原理实现相邻两电池单体间的能量流动，但不相邻电池间需要均衡时，需经多次中间转换，影响均衡效率；公用变压器反激均衡原理同一时刻只能实现一个电池单体与电池组的均衡，因此均衡时间较长，且开关管需承受较高的电压，器件成本较高。

主动均衡相对于被动均衡具有很大的优势，然而在实际应用中，主动均衡需要大量的电路元器件、复杂的控制电路等，其成本相对较高，不利于市场的推广。因而，在现有电池管理系统中，考虑到成本等因素的影响，被动均衡仍是最为广泛的均衡方法。

如何合理的利用主动均衡的优点，同时又能大大降低其成本成为目前电池均衡系统研究的一大关键。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种电池单体间均衡电路结构与均衡方法，有效的减少开关和线圈绕组的数量，从而有效降低该电路的成本；还能减小均衡所需时间，提高均衡的效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电池单体间均衡电路结构，包括两个以上串联的电池单体C，每个电池单体C均并联一个MOSFET，每相邻两个电池单体C共用一个共享线圈绕组，所有共享线圈绕组均耦合在一起。

所述的电池单体C的数量为偶数个(n＝2k，k＝1，2...)。

所述的MOSFET有P沟道MOSFET和N沟道MOSFET，奇数电池单体C对应的采用P沟道的MOSFET，而偶数电池单体C对应采用N沟道的MOSFET。

所述的共享线圈绕组均耦合在一起，在两个相邻的电池单体C间进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的相邻电池单体共同构成一个双向buck-boost电路；在不相邻的电池单体间进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的电池单体共同形成一个双向反激电路。

一种电池单体间均衡方法，包括以下步骤：

第一步，将电池组内电池单体根据单体编号分为奇数组和偶数组；

第二步，利用电压传感器、电流传感器对每节电池单体的电压/电流进行检测，估计每节电池单体的状态；

第三步，奇数组和偶数组单体中各获取一个需均衡的电池单体编号，并在奇数组和偶数组之间进行电池单体间的均衡；

第四步，判断需要均衡的两电池单体编号是否相邻，且为奇数小偶数大的情况；如果满足，则按照双向buck-boost电路方法进行均衡；如果不满足，则按照双向反激电路方法进行均衡；

第五步，两电池单体间均衡后延时0.1s-1s，返回第二步继续执行。

获取所述的奇数组和偶数组需均衡电池单体编号的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法。

所述的双向buck-boost电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET开关，此时，高能电池单体、导通的MOSFET以及共享线圈绕组形成闭合环路状态，高能电池即对共享线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，保证所有开关均处于断开状态，从而避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，两电池单体共用的共享线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，最终实现电池单体间的状态均衡。

所述的双向反激电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET，高能电池对共享线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，耦合的共享线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，实现电池单体间的状态均衡。

本发明的有益效果为：

在两个相邻的电池单体间与共享线圈绕组，各自对应的MOSFET共同形成一个双向buck-boost电路；在不相邻的电池单体间，由于共享线圈绕组均耦合在一起，与之将形成一个双向反激电路，因此，将buck-boost电路和反激电路有机的结合，在保证电路的均衡功能并具有很好的可靠性的同时，有效的减少开关和线圈绕组的数量，使整个控制系统及其驱动系统都能得到相应的简化，从而有效降低该电路的成本；该电池均衡电路还能实现电池单体到电池单体的均衡，从而能减小均衡所需时间，提高均衡的效率。

附图说明

图1为本发明电路的拓扑结构图。

图2为本发明方法的流程图。

图3为本发明实施例中均衡过程图，其中图(a)为均衡第一阶段(t₀-t₁)电路运行过程图；图(b)为均衡第三阶段(t₂-t₃)电路运行过程图。

图4为本发明实施例中均衡过程波形图。

图5为本发明实施例中MOSFET开关管的GS电压与DS电压波形图。

图6为本发明实施例中两个均衡电池单体对应的均衡电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

参照图1，一种电池单体间均衡电路结构，包括电池单体C、线圈绕组L、P沟道MOSFET、N沟道MOSFET，所有电池单体串联连接，每个电池单体均并联一个MOSFET，每相邻两个电池单体共用一个共享线圈绕组，所有共享线圈绕组均耦合在一起。图1中：C₁、C₂、...、C_2k为电池单体；L₁、L₂、...、L_k为线圈绕组；S₁、S₃、...、S_2k-1为P沟道MOSFET；S₂、S₄、...、S_2k为N沟道MOSFET；I为电池组主回路电流；I₁、I₂、...、I_2k为各单体电池的均衡电流。

为了保证每两个电池单体能共享一个共享线圈绕组，本发明假定电池组中电池单体的数量为偶数个(n＝2k，k＝1，2...)。为了简化MOSFET开关的驱动电路，奇数的电池单体对应的采用P沟道的MOSFET，而偶数的电池单体对应采用N沟道的MOSFET。

所述的共享线圈绕组均耦合在一起，在两个相邻的电池单体C间(如C₁和C₂)进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的相邻电池单体共同构成一个双向buck-boost电路；在不相邻的电池单体间(如C₁和C₄)进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的电池单体共同形成一个双向反激电路。

参照图2，一种电池单体间均衡方法，包括以下步骤：

第一步，将电池组内电池单体根据单体编号分为奇数组和偶数组；

第二步，利用电压传感器、电流传感器对每节电池单体的电压/电流进行检测，估计每节电池单体的状态；

第三步，奇数组和偶数组单体中各获取一个需均衡的电池单体编号，并在奇数组和偶数组之间进行电池单体间的均衡；

第四步，判断需要均衡的两电池单体编号是否相邻，且为奇数小偶数大的情况；如果满足，则按照双向buck-boost电路方法进行均衡；如果不满足，则按照双向反激电路方法进行均衡；

第五步，两电池单体间均衡后延时0.1s-1s，返回第二步继续执行。

获取所述的奇数组和偶数组需均衡电池单体编号的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法。

所述双向buck-boost电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET开关，此时，高能电池单体、导通的MOSFET以及共享线圈绕组形成闭合环路状态，高能电池即对共享线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，保证系统所有开关均处于断开状态，从而避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，两电池单体共用的线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，最终实现电池单体间的状态均衡。

所述的双向反激电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET，高能电池对线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，耦合的线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，实现电池单体间的状态均衡。

下面给出一个具体的实施例，需要说明的是，本实施例只是本发明的一种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形均应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

为不失一般性，以一种特殊的情况为例，一种电池单体间均衡方法，包括以下步骤：

第一步，将电池组内电池单体根据单体编号分为奇数组和偶数组；

第二步，利用电压传感器、电流传感器对每节电池单体的电压/电流进行检测，估计每节电池单体的状态，电池单体状态的估计可为基于电压方法，基于SOC方法，基于剩余电量方法等方法；

第三步，奇数组和偶数组单体中各获取一个需均衡的电池单体编号，并在奇数组和偶数组之间进行电池单体间的均衡，如需均衡的电池单体编号为奇数组中的C₁和偶数组中的C₄；

第四步，判断需要均衡的两电池单体编号是否相邻，且为奇数小偶数大的情况；如果满足，则按照双向buck-boost电路方法进行均衡；如果不满足，则按照双向反激电路方法进行均衡。此例中C₁与C₄不相邻，故按照双向反激电路方法进行均衡；

第五步，参照图3(a)，将开关S₁闭合，电池单体C₁将通过开关S₁与共享绕组线圈L₁导通；

此过程中，共享绕组线圈上的关系可以用下式表示：

式中为绕组线圈L₁两端的电压值。

对于一定的时间t(t₀＜t＜t₁)，电流I₁(t)可表示为：

由于此时开关S₁处于导通状态，因而，绕组线圈L₁两端的电压应与电池单体C₁的电压相同：

综合以上两式可得：

断开开关S₁，在t₁和t₂之间的时间间隔T_d1为开关死区，保证系统所有开关均处于断开状态，从而能有效避免对应多个开关同时导通而造成的短路；

参照图3(b)，闭合开关S₄，电池单体C₄将通过开关S₄与绕组线圈L₂导通；

由于开关S₄处于导通状态，因而，绕组线圈L₂两端的电压V_L2应与电池单体C₄的电压V_C4相同：

V_L2＝V_C4

由于所用绕组线圈均相互耦合，而在其变压器变比为1时，两个相互耦合的线圈上的电流应近似相等：

I₄≈I₁

而绕组线圈上电流与电压具有以下关系：

考虑到电流的初始状态，电流I₄(t)在时间t(t₂＜t＜t₃)内可由下式求得：

图4为本实施例在电池均衡过程中MOSFET电压及均衡电流波形图，其中，在t₃时刻，所有开关断开，而在时间t₃与t₄之间的时间间隔T_d2用于保证所形成的反激电路一直工作于断续工作模式。

图5为本实施例中MOSFET开关管的GS电压与DS电压波形图，图6为本实施例中两个均衡电池单体对应的均衡电流波形图，从图中可以看出，各个信号电压的变化过程与本实施例所述过程一致，电能从电池单体C₁转移到电池单体C₄。

Claims (8)

1.一种电池单体间均衡电路结构，其特征在于：包括两个以上串联的电池单体C，每个电池单体C均并联一个MOSFET，每相邻两个电池单体C共用一个共享线圈绕组，所有共享线圈绕组均耦合在一起。

2.根据权利要求1所述的一种电池单体间均衡电路结构，其特征在于：所述的电池单体C的数量为偶数个(n＝2k，k＝1，2...)。

3.根据权利要求1所述的一种电池单体间均衡电路结构，其特征在于：所述的MOSFET有P沟道MOSFET和N沟道MOSFET，奇数电池单体C对应的采用P沟道的MOSFET，而偶数电池单体C对应采用N沟道的MOSFET。

4.根据权利要求1所述的一种电池单体间均衡电路结构，其特征在于：所述的共享线圈绕组均耦合在一起，在两个相邻的电池单体C间进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的相邻电池单体共同构成一个双向buck-boost电路；在不相邻的电池单体间进行均衡时，共享线圈绕组与两个需要均衡的电池单体共同形成一个双向反激电路。

5.根据权利要求1所述的一种电池单体间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，将电池组内电池单体根据单体编号分为奇数组和偶数组；

第二步，利用电压传感器、电流传感器对每节电池单体的电压/电流进行检测，估计每节电池单体的状态；

第三步，奇数组和偶数组单体中各获取一个需均衡的电池单体编号，并在奇数组和偶数组之间进行电池单体间的均衡；

第四步，判断需要均衡的两电池单体编号是否相邻，且为奇数小偶数大的情况；如果满足，则按照双向buck-boost电路方法进行均衡；如果不满足，则按照双向反激电路方法进行均衡；

第五步，两电池单体间均衡后延时0.1s-1s，返回第二步继续执行。

6.根据权利要求5所述的一种电池单体间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于：获取所述的奇数组和偶数组需均衡电池单体编号的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法。

7.根据权利要求5所述的一种电池单体间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，所述的双向buck-boost电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET开关，此时，高能电池单体、导通的MOSFET以及共享线圈绕组形成闭合环路状态，高能电池即对共享线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，保证所有开关均处于断开状态，从而避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，两电池单体共用的共享线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，最终实现电池单体间的状态均衡。

8.根据权利要求5所述的一种电池单体间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，所述的双向反激电路均衡方法，其步骤为：

第一步，闭合高能电池单体所对应的MOSFET，高能电池对共享线圈绕组进行放电；

第二步，断开高能电池单体对应的MOSFET，保留1μs-1ms，避免多个开关同时导通而造成短路；

第三步，闭合低能电池单体对应的MOSFET，耦合的共享线圈绕组将向低能电池单体进行充电；

第四步，断开低能电池单体对应的MOSFET，实现电池单体间的状态均衡。