CN107546801B

CN107546801B - 一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路

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Publication number: CN107546801B
Application number: CN201710782341.2A
Authority: CN
Inventors: 刘厚德; 康龙云; 饶华兵; 卢楚生; 张�诚
Original assignee: Dongguan Drn New Energy Co ltd
Current assignee: Shenzhen Electric Genie Sales Co ltd
Priority date: 2017-09-02
Filing date: 2017-09-02
Publication date: 2020-09-25
Anticipated expiration: 2037-09-02
Also published as: CN107546801A

Abstract

本发明公开了一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路，用于均衡n个串联电池组成的电池组，包括储能单元、开关单元和控制单元，开关单元包含有n+1个电池开关，相邻两个电池开关之间设置连接一个电池，所有排在奇数位的电池开关并联组成第一开关子单元，所有排在偶数位的电池开关并联组成第二子开关单元；第一开关子单元、储能单元、第二子开关单元三者依次串联，储能单元包括相互并联的一电感、两电容，电感和两电容分别各串联有一储能开关。本发明极大的简化了均衡电路，采用两个电容和一个电感传递能量，实现电池组任意两个电池之间的能量交换，改善电池组电量不均衡的现象，提高电池组的可用容量，延长电池组的使用寿命。

Description

一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡技术，特别涉及一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路。

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。

目前的能量非耗散型均衡电路均采用过多的储能元件和开关以达到能量交换的目的，基本储能元件的数量都大于等于电池数量，而开关数量接近于电池数量的两倍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术上的问题，提供一种基于电感电容双储能元件的串联电池组无损均衡电路，该电路减少均衡电路中储能元件的数量及开关数量，简化均衡电路。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路，用于均衡n个串联电池组成的电池组，其特征在于，包括储能单元、开关单元和控制单元，开关单元包含有n+1个电池开关，相邻两个电池开关之间设置连接一个电池，所有排在奇数位的电池开关并联组成第一开关子单元，所有排在偶数位的电池开关并联组成第二子开关单元；第一开关子单元、储能单元、第二子开关单元三者依次串联，储能单元包括相互并联的一电感、两电容，电感和两电容分别各串联有一储能开关。

进一步阐述方案，所述电池开关和储能开关都由2个反并联的MOSFET组成。

进一步阐述方案，所述控制单元包括相互电连接的驱动模块和微控制器，所述为控制器与电池组电连接，所述开关单元的每个电池开关都分别设置有控制电池开关通断的控制端，所述储能单元的每个储能开关都分别设置有控制端，所述驱动模块与各控制端电连接。

进一步阐述方案，所述两个电容分别是电容C奇和电容C偶，所述电容C奇通过第一开关子单元均衡电池组中位于奇数位的任意两个电池的电量；所述电容C偶通过第二开关子单元均衡电池组中位于偶数位的任意两个电池的电量；所述电感通过第一开关子单元和第二开关子单元来均衡电池组中位于奇数位的任意一个电池与位于偶数位的任意一个电池的电量。

本发明有益效果在于，储能元件数量只有三个，开关数量为电池数量加四，极大的简化了均衡电路。采用两个电容和一个电感传递能量，就可以实现整个电池组的任意两个电池之间的能量交换和电量均衡，改善电池组电量不均衡的现象，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。

附图说明

图1是电池组均衡电路原理图。

图2是4个电池为例电池组均衡电路原理图。

图3是4个电池组成的奇数位电池之间传递能量的均衡电路原理图。

图4是4个电池组成的偶数位电池之间传递能量的均衡电路原理图。

图5是4个电池组成的奇数位电池向偶数位电池传递能量的均衡电路原理图。

图6是4个电池组成的偶数位电池和奇数位电池传递能量的均衡电路原理图

图7是以4节电池为例的均衡电路电池能量过高的仿真实验中各电池单体的电压波形图。

图8是以4节电池为例的均衡电路电池能量过低的仿真实验中各电池单体的电压波形图。

具体实施方式

参照附图1至附图8介绍本发明的具体实施方式。

如图1-8所示，一种基于电感电容双储能元件的串联电池组均衡电路，用于均衡n个串联电池组成的电池组，其特征在于，包括储能单元、开关单元和控制单元，开关单元包含有n+1个电池开关，相邻两个电池开关之间设置连接一个电池，所有排在奇数位的电池开关并联组成第一开关子单元，所有排在偶数位的电池开关并联组成第二子开关单元；第一开关子单元、储能单元、第二子开关单元三者依次串联，储能单元包括相互并联的一电感、两电容，电感和两电容分别各串联有一储能开关。电池开关和储能开关都由2个反并联的MOSFET组成。

控制单元包括相互电连接的驱动模块和微控制器，为控制器与电池组电连接，开关单元的每个电池开关都分别设置有控制电池开关通断的控制端，储能单元的每个储能开关都分别设置有控制端，驱动模块与各控制端电连接。

两个电容分别是电容C奇和电容C偶，电容C奇通过第一开关子单元均衡电池组中位于奇数位的任意两个电池的电量；电容C偶通过第二开关子单元均衡电池组中位于偶数位的任意两个电池的电量；电感通过第一开关子单元和第二开关子单元来均衡电池组中位于奇数位的任意一个电池与位于偶数位的任意一个电池的电量。

采用两个电容和一个电感传递能量，就可以实现整个电池组的任意两个电池之间的能量交换。电池组通过控制均衡电路中的电池开关和储能开关的通断与储能元件的作用，该电路可以实现电池组的电量均衡，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。

具体的是，如图1，当电池数量为n时，均衡电路中的电池组由上至下分别命名为B1、B2……Bn；包含一个电容C奇、一个电容C偶和一个电感L；本均衡电路的MOSFET开关采用反并联的连接方式，每2个MOSFET为一组，实现双向开关的功能（如图1、2中虚线框所示）；S1、S3……Sp为奇数位开关（p为奇数），S2、S4……Sq为偶数位开关（q为偶数）；电池开关和储能开关加起来的数量为n+4，电池两端的电池开关由上至下分别命名为S1、S2……Sk、Sk+1、Sk+2……Sn、Sn+1，与电容C奇串联的储能开关为SC1, 与电容C偶串联的储能开关为SC2,与电感L串联的开关命名为SL。S1、S2……Sn+1这n+1个电池开关一端分别和相应电池的一端相连，另一端所有位于奇数位的电池开关连在一起组成第一开关子单元，同时所有位于偶数位的电池开关连在一起组成第二开关子单元；储能开关SC1一端和电容C奇的一端相连，另一端和第二开关子单元连在一起；储能开关SC2一端和电容C偶的一端相连，另一端和第二开关子单元连在一起；储能开关SL一端和电感L的一端相连，另一端和第二开关子单元连在一起；电容C奇、电容C偶和电感L一端与第一开关子单元连在一起。如图1，图中每个电池开关都有相应的控制端，电池开关S1、S2……Sn+1对应的控制端由上至下分别命名为C1、C2……Cn+1；储能开关SC1对应的控制端命名为CC1；储能开关SC2对应的控制端命名为CC2；储能开关SL对应的控制端命名为CL；驱动模块与的控制端相连；通过对微控制器编程，来分析电池组中各电池单体的电量并决定均衡电路的控制策略；驱动模块给反并联MOSFET的门极提供适当的驱动电压或者关断电压，让反并联MOSFET按照实际需求开启或者关闭。

均衡电路的工作原理如下：

如图1，本均衡电路可以实现电池组中任意电池单体与电池单体之间的能量交换。S1、S3……Sp为奇数位开关（p为奇数），S2、S4……Sq为偶数位开关（q为偶数）。本发明的电池均衡操作分为四种情况，分别叙述如下：

（1）当电池组均衡系统判断电池组需要进行均衡操作时，经过计算得到电量最高的电池和电量最低的电池都是位于奇数位的电池，则利用电容C奇的储能作用和相应的电池开关、储能开关操作，可以将电量最高的电池的能量传递给电量最低的电池；

（2）当电池组均衡系统判断电池组需要进行均衡操作时，经过计算得到电量最高的电池和电量最低的电池都是位于偶数位的电池，则利用电容C偶的储能作用和相应的电池开关、储能开关操作，可以将电量最高的电池的能量传递给电量最低的电池；

（3）当电池组均衡系统判断电池组需要进行均衡操作时，经过计算得到电量最高的电池是位于奇数位的电池，电量最低的电池是位于偶数位的电池，则利用电感L的储能作用和相应的电池开关、储能开关操作，可以将电量最高的电池的能量传递给电量最低的电池；

（4）当电池组均衡系统判断电池组需要进行均衡操作时，经过计算得到电量最高的电池是位于偶数位的电池，电量最低的电池是位于奇数位的电池，则利用电感L的储能作用和相应的电池开关、储能开关操作，可以将电量最高的电池的能量传递给电量最低的电池；

如图2，本发明以4个电池组成的电池组为例说明均衡电路的工作原理，当电池数量扩展到n时，均衡原理不变。

图3所示为本发明的电池均衡操作的第一种情况，此时电量最高的电池和电量最低的电池都为奇数位电池。假设电池B1电量最高，电池B3电量最低。在一个PWM周期内，使电池开关S1、S2和SC1导通，此时电流通过B1、S1、电容C奇、SC1和S2, B1放电为电容C奇储存能量；电池开关S1、S2导通一段时间后后使其关断，同时导通开关S3、S4，此时电流通过电容C奇、S3、B3、S4和SC1 电容C奇放电为B3储存能量，实现了能量从B1到B3的转移。

图4所示为本发明的电池均衡操作的第二种情况，此时电量最高的电池和电量最低的电池都为偶数位电池。假设电池B2电量最高，电池B4电量最低。在一个PWM周期内，使开关S2、S3和SC2导通，此时电流通过B2、S2、电容C偶、SC2和S3, B2放电为电容C偶储存能量；开关S2、S3导通一段时间后使其关断，同时导通开关S4、S5，此时电流通过电容C偶、SC2、S4、B4和S5，电容C偶放电为B4储存能量，实现了能量从B2到B4的转移。

图5所示为本发明的电池均衡操作的第三种情况，此时电量最高的电池为奇数位电池，电量最低的电池都为偶数位电池。假设电池B1电量最高，电池B2电量最低。在一个PWM周期内，使电池开关S1、S2和SL导通，此时电流通过B1、S1、电感L、SL和S2, B1放电为电感L储存能量；电池开关S1导通一段时间后使其关断，同时导通开关S3，此时电流通过电感L、SL、S2、B2和S3，电感L放电为B2储存能量，实现了能量从B1到B2的转移。

图6所示为本发明的电池均衡操作的第四种情况，此时电量最高的电池为偶数位电池，电量最低的电池都为奇数位电池。假设电池B2电量最高，电池B1电量最低。在一个PWM周期内，使开关S2、S3和SL导通，此时电流通过B2、S2、SL、电感L和S3, B2放电为电感L储存能量；开关S3导通一段时间后使其关断，同时导通电池开关S1，此时电流通过电感L、S1、B1、S2和SL，电感L放电为B1储存能量，实现了能量从B2到B1的转移。

以上所述并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质，对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims

1.一种基于电感电容储能元件的串联电池组均衡电路，用于均衡n个串联电池组成的电池组，其特征在于，包括储能单元、开关单元和控制单元，开关单元包含有n+1个电池开关，相邻两个电池开关之间设置连接一个电池，电池两端的电池开关由上至下分别命名为S1、S2…Sk、Sk+1、Sk+2…Sn、Sn+1，第n个电池的负极端与Sn+1电池开关连接；所有奇数位电池开关一端与储能单元的一端连接，所有奇数位电池开关另一端与对应奇数位的电池正极端连接，形成第一开关子单元；所有偶数位电池开关一端与储能单元的另一端连接，所有偶数位电池开关的另一端与对应偶数位的电池正极端连接，形成第二开关子单元；其中，S1、S3…Sp为奇数位电池开关，p为奇数，S2、S4…Sq为偶数位电池开关，q为偶数；储能单元包括相互并联的一个电感、两个电容，一个电感和两个电容分别各串联有一储能开关。

2.根据权利要求1所述的一种基于电感电容储能元件的串联电池组均衡电路，其特征在于，所述电池开关和储能开关都由2个反并联的MOSFET组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于电感电容储能元件的串联电池组均衡电路，其特征在于，所述控制单元包括相互电连接的驱动模块和微控制器，所述微控制器与电池组电连接，所述开关单元的每个电池开关都分别设置有控制电池开关通断的控制端，所述储能单元的每个储能开关都分别设置有控制端，所述驱动模块与各控制端电连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于电感电容储能元件的串联电池组均衡电路，其特征在于，所述两个电容分别是电容C奇和电容C偶，所述电容C奇通过第一开关子单元均衡电池组中位于奇数位的任意两个电池的电量；所述电容C偶通过第二开关子单元均衡电池组中位于偶数位的任意两个电池的电量；所述电感通过第一开关子单元和第二开关子单元来均衡电池组中位于奇数位的任意一个电池与位于偶数位的任意一个电池的电量。