CN107134599B - 一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法，该电路的布置如下：1个电容器和1个电感器串联后与4个充放电切换可控开关连接且4个充放电切换可控开关构成H桥型储能电路的4个桥臂，n(n≥2)个电池单体的两极分别连接开关组，每一开关组由两个均衡可控开关组成，每一开关组中的一个均衡可控开关与H桥型储能电路的一端连接，每一开关组中的另一个均衡可控开关与H桥型储能电路的另一端连接。本发明可实现能量的无损转移；该电路结构简单，可实现任意较高能量电池向低能量电池转移，无须一级一级地按特定顺序转移能量；而且该电路没有使用变压器、DC‑DC变换器等，从而降低了电路的体积、提高了效率。

Description

一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种串联电池组的电压均衡电路及其工作方法，属于电池均衡控制及管理技术领域。
背景技术
当今社会环境污染和能源危机的问题日益突出，新能源技术得到快速发展，利用电池作为动力的产品越来越多。在一些供电电压要求较高的领域，如电动汽车等，单节电池的电压往往达不到供电的要求，因此通常将若干个电池串联起来组成一个电池组进行使用。但各单体电池由于制造工艺等导致容量、内阻、电压等不均衡或受外界温度、湿度等环境因素的影响，在使用过程中会造成各单体电池间的不一致，这种不一致会严重影响整个电池组的寿命和系统的运行。个别电池的差异就会牵一发而动全身，即所谓的木桶效应。因此，在电池组中往往需要均衡电路来进行电能控制与管理，尽量消除或减小这种不一致性。
单体电池在使用过程中的过充电和过放电都会使其性能下降，在整个串联的电池组中，有的电池电压过高，有的电池电压过低，各单体的性能表现不一致，从而影响了整个电池组的使用，这时我们就需要将能量多的电池中的能量转移到能量低的电池中去，最终使得各单体电池得到均衡。
就目前而言，电池均衡的方法主要有并联电阻分流法、外部供电均衡法、Buck-Boost均衡法等，这些方法在电压转换时由于转换效率问题往往会损失部分能量，而且有的电路比较复杂，成本较高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种串联电池组的电压均衡电路。
本发明还提供上述一种串联电池组的电压均衡电路的工作方法。
本发明的技术方案如下：
一种串联电池组的电压均衡电路，包括：n个电池单体串联而成的电池组，2n+2个均衡可控开关、4个充放电切换可控开关、1个电容器和1个电感器，n≥2；1个电容器和1个电感器串联后与4个充放电切换可控开关连接且4个充放电切换可控开关构成H桥型储能电路的4个桥臂，电池单体的两极分别连接开关组，每一开关组由两个均衡可控开关组成，每一开关组中的一个均衡可控开关与H桥型储能电路的一端连接，每一开关组中的另一个均衡可控开关与H桥型储能电路的另一端连接。
优选的，所述电压均衡电路还包括均衡控制器，均衡控制器与电池单体、均衡可控开关、充放电切换可控开关连接。此设计的好处在于，均衡控制器用于实时检测各电池单体的电压、电流、功率、温湿度等信息，并通过一定的控制策略，控制电路开关的导通与关断，实现能量的无损转移。
优选的，所述4个充放电切换可控开关为充放电切换可控开关K1、充放电切换可控开关K2、充放电切换可控开关K3和充放电切换可控开关K4，1个电容器和1个电感器串联组成H桥型储能电路中的储能装置。
一种串联电池组的电压均衡电路的工作方法，包括以下步骤：
A电池放电阶段：
首先由均衡控制器选出须均衡的某个电池单体或多节电池单体，并控制导通相应的两个均衡可控开关，并控制导通H桥型储能电路上的充放电切换可控开关K1和充放电切换可控开关K4，即将电池单体与电容器和电感器串联的电路连通，此时电池单体将能量通过电感器储存到电容器中；
B电池充电阶段：
均衡控制器控制相应的两个均衡可控开关导通，并控制导通H桥型储能电路上的充放电切换可控开关K2和充放电切换可控开关K3，存储在电容器中的能量再通过电感器释放到须均衡的电池单体或多节电池中；
电池放电阶段和电池充电阶段反复循环，直至所有电池单体电压相同或达到预期的可接受范围内。
本发明的有益效果在于：
本发明所述的串联电池组的电压均衡电路，通过控制相应充电回路中可控开关的导通，将能量多的电池中的能量存储在电容器中，充电过程结束后，然后再控制相应放电回路中可控开关的导通，将存储在电容器中的能量转移到需均衡的电池中。本发明可实现能量的无损转移；该电路结构简单，可实现任意较高能量电池或电池组向低能量电池或电池组转移，无须一级一级地按特定顺序转移能量；而且该电路没有使用变压器、DC-DC变换器等，从而降低了电路的体积、提高了效率；此外，本发明使用了较少的储能元件，仅使用了一个电容器和一个电感器，降低了均衡电路的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明单体电池B1放电，电容器C1的储能过程。
图3为单体电池B1放电后，电容器C1储能后给电池B2充电的过程。
图4为本发明多节电池(以B1、B2为例)放电，电容器C1储能过程。
图5为多节电池(以B1、B2为例)放电后，电容器C1储能后给多节电池(以B3、B4为例)充电过程。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种串联电池组的电压均衡电路，该电压均衡电路包括n个电池单体串联而成的电池组B1-Bn；2n+2个均衡可控开关和4个充放电切换可控开关，具体的电路连接关系如图1所示。其中，2n+2个均衡可控开关用于连接或断开所述的电池单体或电池组，并分成奇数组和偶数组，4个充放电切换可控开关为充放电切换可控开关K1、充放电切换可控开关K2、充放电切换可控开关K3和充放电切换可控开关K4,一个电容器C1和一个电感器L1。其中，电池B1-Bn的阳极分别连接两个均衡可控开关，在Bn的阴极也连接两个均衡可控开关；所有的均衡可控开关S1-S2n+2，其一侧与电池单体连接，另一侧的所有奇数组均衡可控开关相连并与H桥型储能电路的一端相连，即与K1和K2一侧相连，所有偶数组的均衡可控开关相连并与H桥型储能电路的另一端相连，即与K3和K4一侧相连；电感器L1和电容器C1串联，左侧与充放电切换可控开关K1、K3连接，右侧与充放电切换可控开关K2、K4连接。
该电压均衡电路还包括均衡控制器(图中未示出)，均衡控制器与每个电池单体、均衡可控开关、充放电切换可控开关连接，本实施例中电池均衡控制器可选用市售产品。均衡控制器用于实时检测各电池单体的电压、电流、功率、温湿度等信息，并通过一定的控制策略，控制电路开关的导通与关断，实现能量的无损转移。
本实施例的电池组电压均衡电路，其工作原理为：首先由均衡控制器实时检测各电池单体的电压、电流、功率、温湿度等信息，经过处理器(均衡控制器内部写入有相应的控制软件程序)的处理，判断出电压高的电池单体和电压低的电池单体，并通过一定的控制策略，选择出更高效的均衡方式。当单体电池需要均衡时，首先闭合高电压电池单体对应的均衡可控开关和充放电切换可控开关K1、K4，电池通过电感器给电容器充能，一定时间后，再打开左侧对应均衡可控开关和右侧充放电切换可控开关K2、K3，则存储在电容器中的能量就转移到低能量的电池中，同理，多节电池之间的均衡亦是如此。在本发明中，电感器用于防止充电和放电时出现的过流现象，电感器作为能量转移媒介的用于暂时储存能量。另外，选择合适的电容器的耐压值可提高均衡多节电池的数量。
实施例2：
如图2所示，图2是本发明单体电池B1放电，电容器C1的储能过程。当均衡控制器检测需要对单体电池放电时，以电池B1放电到B2为例。首先打开均衡可控开关S1、S4和充放电切换可控开关K1、K4，此时电池B1经电感器L1与电容器C1连接，在电感器的限流作用下，电池开始向电容充电。
如图3所示，图3是单体电池B1放电后，电容器C1储能后给电池B2充电的过程。此时断开充电时的开关，打开均衡可控开关S4、S5和充放电切换可控开关K2、K3。此时，电池B2经电感器L1与电容器C1连接，由于电容器两端电压比B2高，则电容器开始向B2充电，一直重复以上图2图3过程，直至两电池电压达到一致。
实施例3：
如图4所示，图4是本发明多节电池(以B1、B2为例)放电，电容器C1储能过程。闭合均衡可控开关S1、S6和充放电切换可控开关K1、K4，则电池B1、B2放电，电容器储能。本图说明了多节电池的放电过程。
如图5所示，图5是多节电池(以B1、B2为例)放电后，电容器C1储能后给多节电池(以B3、B4为例)充电过程。断开充电时的开关，打开均衡可控开关S6、S9和充放电切换可控开关K2、K3，则电容器开始向B3、B4充电。本图说明了电容器给多节电池的充电过程。
以上所述,仅为本发明的的具体实施方式的事例,以上实施例的说明仅适用于帮助理解本发明的原理，但本发明的保护范围并不局限于此,本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种串联电池组的电压均衡电路，其特征在于包括：n个电池单体串联而成的电池组，2n+2个均衡可控开关、4个充放电切换可控开关、1个电容器和1个电感器，n≥2；1个电容器和1个电感器串联后与4个充放电切换可控开关连接且4个充放电切换可控开关构成H桥型储能电路的4个桥臂，电池单体的两极分别连接开关组，每一开关组由两个均衡可控开关组成，每一开关组中的一个均衡可控开关与H桥型储能电路的一端连接，每一开关组中的另一个均衡可控开关与H桥型储能电路的另一端连接；
所述4个充放电切换可控开关为充放电切换可控开关K1、充放电切换可控开关K2、充放电切换可控开关K3和充放电切换可控开关K4，1个电容器和1个电感器串联组成H桥型储能电路中的储能装置；
所述电压均衡电路还包括均衡控制器，均衡控制器与电池单体、均衡可控开关、充放电切换可控开关连接。
2.一种如权利要求1所述的串联电池组的电压均衡电路的工作方法，包括以下步骤：
A电池放电阶段：
首先由均衡控制器选出须均衡的某个电池单体或多节电池单体，并控制导通相应的两个均衡可控开关，并控制导通H桥型储能电路上的充放电切换可控开关K1和充放电切换可控开关K4，即将电池单体与电容器和电感器串联的电路连通，此时电池单体将能量通过电感器储存到电容器中；
B电池充电阶段：
均衡控制器控制相应的两个均衡可控开关导通，并控制导通H桥型储能电路上的充放电切换可控开关K2和充放电切换可控开关K3，存储在电容器中的能量再通过电感器释放到须均衡的电池单体或多节电池中；
电池放电阶段和电池充电阶段反复循环，直至所有电池单体电压相同。
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