CN108134426B - 一种电池阵列均衡电路和均衡方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池阵列均衡电路，包括控制器、蓄能元件、第一母线、第二母线和至少2个电池均衡模块，多个电池均衡模块的布局以及连接关系为纵向排列的电池均衡模块依次串联构成电池均衡模块组，横向排列的电池均衡模块组分别与蓄能元件两端并联；所述控制器与电池均衡模块的控制端连接。所述电池均衡模块包括4个开关管、蓄电池和电压传感器。本发明还包括一种电池均衡方法，具体分为同支路电池均衡方法和跨支路电池均衡方法。本发明实现了电池阵列中任意两蓄电池的均衡，实现蓄电池输出电压的正负可调；大量减少电感等功率元件的使用数量，进而减少设备的体积、重量和成本。
Description
技术领域
本发明属于电池组供电领域，具体涉及一种电池阵列均衡电路和均衡方法。
技术背景
电池组的供电效率和使用寿命与其所包含的单体电池的使用密切相关，而由于生产过程中的诸多因素所造成的个体差异会使得单体电池在使用过程中出现电量的不均衡。由此导致电池的过充电、过放电现象，从而降低蓄能单元的供电效率和使用寿命。在电力日益普及的今天，合理地设计电池均衡电路及均衡策略，延长电池的使用寿命具有十分重要的意义。
现今的比较普遍的电池均衡电路有着各自的局限性，比如：Buck/Bost双向逆变电路只能均衡同一支路上的相邻电池，而且需要大量的电感、开关管等功率器件，其中电感的铁芯会使电路增重；基于DC-DC的改进拓扑结构只能将高能量电池分配给相邻的低能量电池，同样需要大量的电感元件，增加负重。上述两种电路均无法实现定向、跨支路这样灵活的均衡，无法解决现在已经广泛应用的电池阵列电路中的电池均衡。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有几种均衡电路无法实现跨支路均衡电池、无法定向均衡电池的局限性以及电路中电感、电容等功率元件过多等问题。
本发明的技术方案是一种电池阵列均衡电路，包括控制器、蓄能元件、第一母线、第二母线和至少2个电池均衡模块，多个电池均衡模块的布局以及连接关系为：纵向排列的电池均衡模块依次串联构成电池均衡模块组，横向排列的电池均衡模块组分别与蓄能元件两端并联；所述控制器与电池均衡模块的控制端连接；所述电池均衡模块包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、蓄电池和电压传感器，开关管T1的源极和开关管T3的漏极连接，组成第一桥臂；开关管T2的源极和开关管T4的漏极连接，组成第二桥臂；第一桥臂、第二桥臂、电压传感器均和蓄电池并联，第一桥臂的中点连接电池均衡模块的端点p，第二桥臂的中点连接电池均衡模块的端点q。
所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别反并联二极管。所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4均为IGBT。所述蓄能元件为电感。
通过控制开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4，每个电池均衡模块存在4种工作模式：
(1)正向连接模式，控制开关管T1、开关管T4导通，开关管T2、开关管T3断开，蓄电池正极与p端点连接，负极与q端点连接，Upq＝UBT；
(2)反向连接模式，控制开关管T2、开关管T3导通，开关管T1、开关管T4断开，蓄电池正极与q端点连接，负极与p端点连接，Upq＝-UBT；
(3)连通模式，控制开关管T1、开关管T2导通，开关管T3、开关管T4断开时，p端点、q端点连接；
(4)开路模式，控制开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4断开，p端点、q端点断开，电池均衡模块处于开路状态。
采用上述电池阵列均衡电路的电池均衡方法，具体步骤如下，
步骤1：检测各电池阵列均衡模块蓄电池电压；
步骤2：比较蓄电池电压值，找出最高电压值和对应的电池均衡模块；
步骤3：比较蓄电池电压值，找出最低电压值和对应的电池均衡模块；
步骤4：判别最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块是否为同一列；
步骤4.1：如果最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块为同一列即为同一支路，采用同支路电池均衡方法对最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块进行电池均衡；
步骤4.2：如果最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块属于不同列即为不同支路，采用跨支路电池均衡方法对最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块进行电池均衡。
所述同支路电池均衡方法具体包括以下步骤，
步骤1：通过控制器控制开关管使高电压电池均衡模块和低电压电池均衡模块所在支路之外的其它支路中的电池均衡模块均处于开路模式；
步骤2：控制开关管使高电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制高电压电池均衡模块开关管使其处于反向连接模式，给电感充能；
步骤3：控制高电压电池均衡模块开关管使其处于连通模式，控制低电压电池均衡模块开关管使其处于正向连接模式，电感给低电压蓄电池充能。
所述跨支路电池均衡方法具体包括以下步骤，
步骤1：通过控制器控制开关管使高电压电池均衡模块和低电压电池均衡模块所在支路之外的其它支路中的电池均衡模块均处于开路模式；
步骤2：控制开关管使高电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制高电压电池均衡模块开关管使其处于正向连接模式，给电感充能；
步骤3：控制高电压电池均衡模块开关管使其处于开路模式，控制开关管使低电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制低电压电池均衡模块开关管使其处于反向连接模式，电感给低电压蓄电池充能。
电感与上述的电池阵列并联在第一母线、第二母线上，用于能量转移，防止两蓄电池因压差过大而无法正常均衡。
电压传感器安装在蓄电池上，不断检测蓄电池电压。控制器不断采集电压传感器收集的电压，当检测到明显压差时，控制电池均衡模块中开关管的导通和断开，对低电压蓄电池充电。
这种新型电路可以实现电池阵列中任意两蓄电池的均衡，可以解决光伏电池阵列以及电动汽车锂电池阵列中的电池均衡问题，同时由于全桥结构的灵活性，每个均衡模块可以有四种工作模式，电感元件的利用率也大大提高。
本发明的有益效果：
1.实现电池单元的跨支路均衡。
2.实现同支路电池单元的间隔均衡。
3.采用全桥逆变结构，实现电池输出电压的正负可调。
4.减少电路中电感元件的数量。
5.电路适用范围广，电池阵列理论上可以无限延展。
6.全桥电路结构的控制灵活，可以通过控制改变电路结构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明结构示意图。
图2是电池均衡模块电路图。
图3是电池均衡模块正向连接模式示意图。
图4是电池均衡模块正向连接模式等效电路图。
图5是电池均衡模块反向连接模式示意图。
图6是电池均衡模块反向连接模式等效电路图。
图7是电池均衡模块连通模式示意图。
图8是电池均衡模块开路模式示意图。
图9是2×2电池阵列同支路电池均衡电感充电示意图。
图10是2×2电池阵列同支路电池均衡电感放电示意图。
图11是2×2电池阵列跨支路电池均衡电感充电示意图。
图12是2×2电池阵列跨支路电池均衡电感放电示意图。
图13是3×3电池阵列电池均衡电感充电示意图。
图14是3×3电池阵列电池均衡电感放电示意图。
具体实施方式
实施例1
一种2×2电池阵列均衡电路，包括控制器、电感L、第一母线、第二母线、第一电池均衡模块、第二电池均衡模块、第三电池均衡模块和第四电池均衡模块，第一电池均衡模块、第二电池均衡模块、第三电池均衡模块和第四电池均衡模块电路结构相同,布局形式为2行2列排列，第一电池均衡模块电路包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、蓄电池BT1和电压传感器，开关管T1的源极和开关管T3的漏极连接，组成该模块的第一桥臂；开关管T2的源极和开关管T4的漏极连接，组成该模块的第二桥臂；第一桥臂、第二桥臂、电压传感器均和电池BT1并联，第一桥臂的中点连接第一电池均衡模块的端点p(1,1)，第二桥臂的中点连接第一电池均衡模块的端点q(1,1)。第一电池均衡模块和第三电池均衡模块依次串联，第二电池均衡模块和第四电池均衡模块依次串联，串联的电池均衡模块组的两端分别与第一母线、第二母线连接；电感的两端分别与第一母线、第二母线连接。开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别反并联二极管。所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4均为IGBT。控制器型号为STM32F103。
当检测到第一电池均衡模块的蓄电池BT1的电压明显高于其他电池均衡模块电池的电压，第三电池均衡模块蓄电池BT3的电压明显低于其它电池电压时，控制开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8和开关管T13、开关管T14、开关管T15、开关管T16实现第二电池均衡模块和第四电池均衡模块在整个均衡过程中的开路状态；控制开关管T2、开关管T3导通并且开关管T1、开关管T4断开，实现模块第一电池均衡模块的反向输出；控制开关管T9、开关管T10导通并且开关管T11、开关管T12断开实现第三电池均衡模块处于连通模式；蓄电池BT1与电感L相连并给电感L充能，如图9所示。
电感L充能后，控制开关管T1、开关管T2导通并且开关管T3、开关管T4断开实现第一电池均衡模块处于连通模式；控制开关管T9、开关管T12导通并且开关管T10、开关管T11断开实现第三电池均衡模块的正向接入；电池BT3与电感L相连构成回路，电感L释放能量给蓄电池BT3充能，如图10所示。由此实现同支路的第一电池均衡模块和第三电池均衡模块的电池均衡。
实施例2
一种2×2电池阵列均衡电路，电路结构与实施例1电路结构相同。
当检测到第一电池均衡模块蓄电池BT1的电压明显高于其他电池的电压，另一条支路上的第四电池均衡模块蓄电池BT4的电压明显低于其它电压时，控制开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8和开关管T13、开关管T14、开关管T15、开关管T16断开，实现第二电池均衡模块和第四电池均衡模块处于开路模式；
控制开关管T1、开关管T4导通并且开关管T2、开关管T3断开实现第一电池均衡模块的正向输出；控制开关管T9、开关管T10导通并且开关管T11、开关管T12断开实现第三电池均衡模块处于连通模式；控制开关管T5、开关管T6、开关管T7、开关管T8和开关管T13、开关管T14、开关管T15、开关管T16断开，实现第二电池均衡模块和第四电池均衡模块处于开路模式；蓄电池BT1与电感L相连并给电感L充能，如图11所示。
电感L充能后，控制开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4和开关管T9、开关管T10、开关管T11、开关管T12断开，实现第一电池均衡模块和第三电池均衡模块处于开路状态；控制开关管T5、开关管T6导通并且开关管T7、开关管T8断开实现第二电池均衡模块处于连通模式；控制开关管T14、开关管T15导通并且开关管T13、开关管T16断开实现第四电池均衡模块的反向接入；蓄电池BT4与电感L相连构成回路，电感L释放能量给蓄电池BT4充能，如图12所示，由此实现跨支路的电池均衡。
实施例3：
一种3×3电池阵列均衡电路，包括控制器、电感L、第一母线、第二母线和9个电池均衡模块，9个电池均衡模块电路结构相同,布局形式为3行3列排列，同一列的3个电池均衡模块依次串联形成支路，支路两端分别与第一母线、第二母线连接。第1行第1列的电池均衡模块(1,1)包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、蓄电池BT1和电压传感器，开关管T1的源极和开关管T3的漏极连接，组成该模块的第一桥臂；开关管T2的源极和开关管T4的漏极连接，组成该模块的第二桥臂；第一桥臂、第二桥臂、电压传感器均和电池BT1并联，第一桥臂的中点连接第一电池均衡模块的端点p(1,1)，第二桥臂的中点连接第一电池均衡模块的端点q(1,1)。电感的两端分别与第一母线、第二母线连接。开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别反并联二极管。所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别为IGBT。控制器型号为STM32F103。
当检测到电池均衡模块(1,1)蓄电池BT1的电压明显高于其他电池的电压，另一条支路上的电池均衡模块(2,3)蓄电池BT6的电压明显低于其它电压时，控制第2列的3个电池均衡模块处于开路模式；
控制开关管T1、开关管T4导通并且开关管T2、开关管T3断开实现电池均衡模块(1,1)的正向输出；控制电池均衡模块(2,1)开关管和电池均衡模块(3,1)开关管实现2个电池均衡模块处于连通模式；蓄电池BT1与电感L相连并给电感L充能，如图13所示。
电感L充能后，控制第1列的3个电池均衡模块处于开路状态；控制电池均衡模块(1,3)的开关管和电池均衡模块(3,3)的开关管实现电池均衡模块(1,3)和电池均衡模块(3,3)处于连通模式；控制电池均衡模块(2,3)开关管实现电池均衡模块(2,3)的反向连接；蓄电池BT6与电感L相连构成回路，电感L释放能量给蓄电池BT6充能，如图14所示。由此实现电池均衡。
Claims (3)
1.一种电池阵列均衡电路，包括控制器、蓄能元件、第一母线、第二母线和至少2个电池均衡模块，其特征在于，多个电池均衡模块的布局以及连接关系为：纵向排列的电池均衡模块依次串联构成电池均衡模块组，横向排列的电池均衡模块组分别与蓄能元件两端并联；所述控制器与电池均衡模块的控制端连接；所述电池均衡模块包括开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4、蓄电池和电压传感器，开关管T1的源极和开关管T3的漏极连接，组成第一桥臂；开关管T2的源极和开关管T4的漏极连接，组成第二桥臂；第一桥臂、第二桥臂、电压传感器分别和蓄电池并联，第一桥臂的中点连接电池均衡模块的端点p，第二桥臂的中点连接电池均衡模块的端点q；
所述蓄能元件为电感；
所述电池阵列均衡电路的电池均衡方法，具体步骤如下，
步骤1：检测各电池阵列均衡模块对应的蓄电池电压；
步骤2：比较蓄电池电压值，找出最高电压值对应的电池均衡模块；
步骤3：比较蓄电池电压值，找出最低电压值对应的电池均衡模块；
步骤4：判别最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块是否为同一列；
步骤4.1：如果最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块为同一列即为同一支路，采用同支路电池均衡方法对最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块进行电池均衡；
步骤4.2：如果最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块属于不同列即为不同支路，采用跨支路电池均衡方法对最高电压电池均衡模块和最低电压电池均衡模块进行电池均衡；
所述同支路电池均衡方法，具体包括以下步骤，
步骤1：通过控制器控制电池均衡模块中的开关管使高电压电池均衡模块和低电压电池均衡模块所在支路之外的其它支路中的电池均衡模块均处于开路模式；
步骤2：控制电池均衡模块中的开关管使高电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制高电压电池均衡模块开关管使其处于反向连接模式，给电感充能；
步骤3：控制高电压电池均衡模块开关管使其处于连通模式，控制低电压电池均衡模块开关管使其处于正向连接模式，电感给低电压蓄电池充能；
所述跨支路电池均衡方法，具体包括以下步骤，
步骤1：通过控制器控制电池均衡模块中的开关管使高电压电池均衡模块和低电压电池均衡模块所在支路之外的其它支路中的电池均衡模块均处于开路模式；
步骤2：控制电池均衡模块中的开关管使高电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制高电压电池均衡模块开关管使其处于正向连接模式，给电感充能；
步骤3：控制高电压电池均衡模块开关管使其处于开路模式，控制电池均衡模块中的开关管使低电压电池均衡模块同支路的其它电池均衡模块均处于连通模式，控制低电压电池均衡模块开关管使其处于反向连接模式，电感给低电压蓄电池充能。
2.根据权利要求1所述的电池阵列均衡电路，其特征在于，所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别反并联二极管。
3.根据权利要求1或2所述的电池阵列均衡电路，其特征在于，所述开关管T1、开关管T2、开关管T3、开关管T4分别为IGBT。
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| CN108134426A (zh) | 2018-06-08 |
| CN117293946A (zh) | 2023-12-26 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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