CN108183519A - 一种基于电感的储能电池组无损均衡电路及其均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感的储能电池组无损均衡电路及其均衡方法，提供一种用较少数量的均衡电路储能元件，实现电池均衡的电路。本发明包括电池组、均衡电路以及控制电路；电池组包括左电池组和右电池组，左电池组和右电池组的电池数量相等为偶数，均衡电路包括相互并联的均衡开关和储能电感，均衡开关K由2个反并联MOSFET管组成，每2个MOSFET管为一组。本发明极大地减少了储能元器件的数量，减少均衡电路的体积，简化了均衡控制策略，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，降低蓄能电站的运行成本。

Description

一种基于电感的储能电池组无损均衡电路及其均衡方法

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种减少均衡电路中储能元件的数量，简化均衡电路。

背景技术

锂电池作为一种广泛使用的能量源，日益广泛地用于日常生活中，但是单个电池储能有限，或者充电时间过长，所以通常会将多个电池组合为电池组使用，除了方便更换，更加可靠外，大大节省了充电时间，延长电池使用寿命。但是其问题也很明显，动力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将会出现高低不一的情况，若不加以均衡电池组由于内阻不同等原因，在使用时会出现充电不均匀的问题将容易出现过充和过放现象继而使得电池发热，能量损耗，影响使用寿命甚至引发火灾，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。

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同时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以达到能量交换的目的，基本储能元件的数量大于等于电池数量。

发明内容

针对现有技术缺点，本发明提供一种可以实现开关在开通与关断瞬间，电流为零的均衡电路以及均衡方式，能大大降低开关损耗，提高均衡效率。本发明在蓄能装置的电池管理系统中采用一种均衡电路来均衡电池之间的能量，并且本均衡拓扑极大地减少了储能元器件的数量，减少均衡电路的体积，简化了均衡控制策略，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，降低蓄能电站的运行成本。

本发明实施方案如下：

一种基于电感的储能电池组无损均衡电路，包括电池组、均衡电路以及控制电路；控制电路控制均衡电路对电池组进行均衡，所述电池组包括左电池组Bl和右电池组Br，左电池组Bl由若干左电池单体Bli(i＝1,2,3……n)相互串联组成，右电池组Br由若干右电池单体Bri(i＝1,2,3……n)相互串联组成，左电池组Bl和右电池组Br的电池数量相等，且n为偶数，左电池组Bl和右电池组Br的电池单体数量都为偶数；

均衡电路包括相互并联的均衡开关K和储能电感L，均衡开关K由2个反并联MOSFET管S_l和S_r组成，每2个MOSFET管为一组，即左MOSFET管S_l与右MOSFET管S_r，实现双向开关的功能；

当电池单体数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2(n为偶数)，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；反并联MOSFET管组成的均衡开关K数量为n+1，均衡开关K由上至下分别命名为K₁、K₂、……K_n+1，即Ki(i＝1,2,3……n+1)；

左MOSFET管S_l的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_l2……S_l(n+1)；右MOSFET管S_r的数量为n+1，由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)；

位于单数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)右端和右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连，位于单数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

位于双数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)右端和储能电感L的一端相连，储能电感L的另一端相连右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连；位于双数(从上到下排列)的均衡开关K左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

均衡开关K的控制端(反并联MOSFET管的栅极G)与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制；

标记n+1为数字编号，n+1表示数值n加1。

进一步，在一个实施例中，所述均衡开关Ki(i＝1,2,3……n+1)由左MOSFET管S_li(i＝1,2,3……n+1)和右MOSFET管S_ri(i＝1,2,3……n+1)构成，左MOSFET管S_li(i＝1,2,3……n+1)的栅极G和右MOSFET管S_ri(i＝1,2,3……n+1)的栅极G连接控制电路；左MOSFET管S_li(i＝1,2,3……n+1)的源极S连接右MOSFET管S_ri(i＝1,2,3……n+1)的源极S，左MOSFET管S_li(i＝1,2,3……n)的漏极D连接左电池组中的左电池单体Bli的正极，位于单数的右MOSFET管S_ri(i＝1,3，5……n-1)的漏极D连接右电池组中的右电池单体Bri的负极，位于双数的右MOSFET管S_ri(i＝2,4,6……n)的漏极D连接储能电感Lj(j＝1,3，5……n-1)的输入端，储能电感Lj(j＝1,3，5……n-1)的输出端连接右电池组中位于双数的右电池单体Bri(i＝2,4,6……n)的负极，最下面一个左MOSFET管S_l(n+1)的漏极D连接左电池组中的最下面一个电池单体Bln负极，最下面一个右MOSFET管S_r(n+1)的漏极D连接右电池组中的最下面一个电池单体Brn的正极；

所述控制电路包括PWM信号发生器，控制电路连接均衡电路中MOSFET管的栅极，控制MOSFET管的开通和关断。

进一步，在一个实施例中，所述电池单体总数为2n时(n为偶数)，左右部分电池单体数均为n；电池数量不做限制，当电池数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；

所述控制电路控制信号的频率的大小根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET管的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。

进一步，在一个实施例中，所述电池单体为8节时，左电池组Bl中的电池单体为4个，左电池组中的左电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4串联连接；右电池组Br中的电池单体为4个，右电池组Br中的右电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4串联连接；储能电感L由上至下分别命名为L₁、L₃；

左MOSFET管S_l为5个，从上至下分别命名为由上至下分别命名为S_l1、S_l2、S_l3、S_l4、S_l5；右MOSFET管S_r为5个，从上至下分别命名为由上至下分别命名为S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5；左MOSFET管S_l的栅极G和右MOSFET管S_r的栅极G连接控制电路；左MOSFET管S_l的源极S连接右MOSFET管S_r的源极S；

左MOSFET管S_l1的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l1的正极，右MOSFET管S_r1的漏极D连接右电池组中的左电池单体B_r1的负极；左MOSFET管S_l2的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l2的正极，右MOSFET管S_r2的漏极D经过储能电感L₁后连接右电池组中的右电池单体B_r2的负极；

左MOSFET管S_l3的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l3的正极，右MOSFET管S_r3的漏极D连接右电池组中的右电池单体B_r3的负极；左MOSFET管S_l4的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l4的正极，右MOSFET管S_r4的漏极D经过储能电感L₃后连接右电池组中的右电池单体B_r4的负极；

左MOSFET管S_l5的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l4的负极，右MOSFET管S_r5的漏极D连接右电池组中的右电池单体B_r4的正极；

所有MOSFET管的栅极G分别连接控制电路。

一种基于电感的储能电池组无损均衡电路的均衡方法，方法如下：

对电池组中各个电池单体进行一致性检测，将性能相近的两个电池单体分别编号B_li(i＝1,2,3……n)、B_ri(i＝1,2,3……n)，电池单体B_l1和B_r1组成的整体称为电池整体B₁(电池组B₁)，电池单体B_l2和B_r2组成的整体称为电池整体B₂(电池组B₂)……电池单体B_ln和B_rn组成的整体称为电池整体B_n(电池组B_n)，电池整体Bi(i＝1,2,3……n)，根据电感的电感值、MOSFET管的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量确定控制电路控制信号的频率的PWM周期长短；

检测电池整体Bi(i＝1,2,3……n)的电压；

当电池整体(电池组)的B₁、B₂……Bn中某个电池整体B_i(电池组)能量过高时：

当电池组的B1、B2……Bn中某个电池组B_i(电池整体)能量过高时：

当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方；在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为电感L_i储存能量；S_li开通一定时间后使其关断，同时开通S_l(i+1)，此时电流通过电感L_i、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、电池B_l(i+1)、B_l(i+2)……B_ln、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及B_rn、B_r(n-1)……B_r(i+1)，电感L_i释放能量至B_n、B_n-1……B_i+1，实现了能量从B_i到B_n、B_n-1……B_i+1的转移；

当i为偶数时，储能电感L_i在B_i的上方；在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i-1、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为电感L_i-1储存能量；S_r(i+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_l1，此时电流通过电感L_i-1、电池B_r(i-1)、B_r(i-2)……B_r1、S_r1、S_l1的体二极管、电池B_l1、B_l2……B_l(i-1)、S_li以及S_ri的体二极管，电感L_i-1释放能量至B_i-1、B_i-2……B₁，实现了能量从B_i到B_i-1、B_i-2……B₁的转移；

当电池组的B1、B2……Bn中某个B_i(电池整体)能量过低时：

当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方，在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l(i+1)和S_r(n+1)导通，此时电流通过S_l(i+1)、S_r(i+1)的体二极管、电感L_i、电池B_r(i+1)、B_r(i+2)……B_rn、S_r(n+1)、S_l(n+1)的体二极管以及B_ln、B_l(n-1)……B_l(i+1)放电为电感L_i储存能量；S_r(n+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_ri，则电流通过B_ri、S_ri、S_li的体二极管、B_li、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及储能电感L_i，电感L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移；

当i为偶数时，储能电感L_i-1在B_i的上方，在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l1和S_ri导通，则电流通过S_l1、S_r1的体二极管、电池B_r1、B_r2……B_r(i-1)、储能电感L_i-1、S_ri、S_li的体二极管以及电池B_l(i-1)、B_l(i-2)……B_l1放电为电感L_i-1储存能量；S_l1开通一定时间后使其关断，同时开通S_r(i+1)，则电流通过电感L_i-1、电池B_ri、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、B_li、S_li以及S_ri的体二极管，电感L_i-1释放能量至B_i，实现了能量从B_i-1、B_i-2……B₁到B_i的转移；

重复步骤直至各电池电压均衡。

本发明所述均衡拓扑只能实现上下电池的均衡，不能实现左右电池的均衡。均衡时B_l1和B_r1之间不能实现能量的交换，只能是B_l1和B_r1组成的整体、B_l2和B_r2组成的整体……B_ln和B_rn组成的整体之间进行能量交换。所以电池组中的电池必须先进行一致性检测，然后将性能差不多的电池组成整体。出于描述的简洁，本发明之后的内容，B_l1和B_r1组成的整体称为B₁、B_l2和B_r2组成的整体称为B₂……B_ln和B_rn组成的整体称为B_n。本发明所述的电池组无损均衡电路其特征在于，当电池组的B₁、B₂……B_n中某个电池整体能量过高时，把这个电池的能量均衡给其他的电池；当电池组的B₁、B₂……B_n中某个电池整体能量过低时，把其他的电池的能量均衡给这个电池。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理图；

图2是以8节电池为例的某个电池整体能量过高的均衡电路原理图(i为奇数)；

图3是以8节电池为例的某个电池整体能量过高的均衡电路原理图(i为偶数)；

图4是以8节电池为例的某个电池整体能量过低的均衡电路原理图(i为奇数)；

图5是以8节电池为例的某个电池整体能量过低的均衡电路原理图(i为偶数)；

图6是以8节电池为例的均衡电路某个电池整体能量过高的仿真实验中各电池单体的电压波形图；

图7是以8节电池为例的均衡电路某个电池整体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

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。

该电池组无损均衡电路由电池组和均衡电路构成。其中，电池组分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组Bl，右部分电池单体为右电池组Br，左电池组Bl和右电池组Br的电池数量相等且都为偶数；当左电池组和右电池组的电池数量都为奇数时，最后的两个电池B_l、B_r没有对应的电池可以与它们均衡，需要外加其它的均衡电路，由于这不是本发明最重要的地方，所以本发明不详细说明这种情况。当电池单体总数为2n时(n为偶数)，左右部分电池单体数均为n。电池数量不做限制，但是随着电池数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，MOSFET管的开关频率可能达不到要求，对储能电感的要求也会相应提高，应当根据实际情况进行选择。当电池数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；MOSFET管开关均采用反并联的连接方式，每2个MOSFET管为一组，实现双向开关的功能(本发明之后提到的反并联MOSFET管均是指2个反并联MOSFET管组成的整体)。反并联MOSFET管一端和储能电感L的一端相连，另一端和电池的一端相连，反并联MOSFET管的控制端与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制；当电池数量为2n时，反并联MOSFET管的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_r1、S_l2、S_r2……S_l(n+1)、S_r(n+1)。

均衡电路的工作原理如下：

如图1，电池单体B_l1和B_r1组成的整体称为电池整体B₁(电池组B₁)，电池单体B_l2和B_r2组成的整体称为电池整体B₂(电池组B₂)；当电池整体(电池组)的B1、B2……Bn中某个电池组能量过高时，假设该电池整体为B_i。当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为储能电感L_i储存能量；S_li开通一定时间后使其关断，同时开通S_l(i+1)，此时电流通过储能电感L_i、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、电池B_l(i+1)、B_l(i+2)……B_ln、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及B_rn、B_r(n-1)……B_r(i+1)，储能电感L_i释放能量至B_n、B_n-1……B_i+1，实现了能量从B_i到B_n、B_n-1……B_i+1的转移。当i为偶数时，储能电感L_i在B_i的上方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i-1、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为储能电感L_i-1储存能量；S_r(i+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_l1，此时电流通过储能电感L_i-1、电池B_r(i-1)、B_r(i-2)……B_r1、S_r1、S_l1的体二极管、电池B_l1、B_l2……B_l(i-1)、S_li以及S_ri的体二极管，储能电感L_i-1释放能量至B_i-1、B_i-2……B₁，实现了能量从B_i到B_i-1、B_i-2……B₁的转移。

如图1，当电池组的B1、B2……Bn中某个电池整体能量过低时，假设该电池整体为B_i。当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l(i+1)和S_r(n+1)导通，此时电流通过S_l(i+1)、S_r(i+1)的体二极管、储能电感L_i、电池B_r(i+1)、B_r(i+2)……B_rn、S_r(n+1)、S_l(n+1)的体二极管以及B_ln、B_l(n-1)……B_l(i+1)放电为储能电感L_i储存能量；S_r(n+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_ri，则电流通过B_ri、S_ri、S_li的体二极管、B_li、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及储能电感L_i，储能电感L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移。当i为偶数时，储能电感L_i-1在B_i的上方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l1和S_ri导通，则电流通过S_l1、S_r1的体二极管、电池B_r1、B_r2……B_r(i-1)、储能电感L_i-1、S_ri、S_li的体二极管以及电池B_l(i-1)、B_l(i-2)……B_l1放电为储能电感L_i-1储存能量；S_l1开通一定时间后使其关断，同时开通S_r(i+1)，则电流通过储能电感L_i-1、电池B_ri、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、B_li、S_li以及S_ri的体二极管，储能电感L_i-1释放能量至B_i，实现了能量从B_i-1、B_i-2……B₁到B_i的转移。

图1是电池数量为2n(n为偶数)时的均衡电路原理图。其中，电池组分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组，左电池组和右电池组的电池数量相等且都为偶数；当左电池组和右电池组的电池数量都为奇数时，最后的两个电池B_l1、B_r1没有对应的电池可以与它们均衡，需要外加其它的均衡电路，由于这不是本发明最重要的地方，所以本发明不详细说明这种情况。当电池单体总数为2n时(n为偶数)，左右部分电池单体数均为n。电池数量不做限制，但是随着电池数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，MOSFET管的开关频率可能达不到要求，对储能电感的要求也会相应提高，应当根据实际情况进行选择。当电池数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；MOSFET管开关均采用反并联的连接方式，每2个MOSFET管为一组，实现双向开关的功能(本发明之后提到的反并联MOSFET管均是指2个反并联MOSFET管组成的整体)。反并联MOSFET管一端和储能电感L的一端相连，另一端和电池的一端相连，反并联MOSFET管的控制端与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制；当电池数量为2n时，反并联MOSFET管的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_r1、S_l2、S_r2……S_l(n+1)、S_r(n+1)。

在其中一个实施例中，当电池单体数量为2n时，反并联MOSFET管的数量为n+1，左MOSFET管S_l的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_l2、₂……S_l(n+1)；右MOSFET管S_r的数量为n+1，由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)；

位于单数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)右端和右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连，位于单数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

位于双数(从上到下排列)的均衡开关K(反并联MOSFET管)右端和储能电感L的一端相连，储能电感L的另一端相连右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连；位于双数(从上到下排列)的均衡开关K左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

均衡开关K的控制端(反并联MOSFET管的栅极G)与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制；

标记n+1为数字编号，n+1表示数值n加1。

图2是以8节电池为例的某个电池整体(电池组)能量过高的均衡电路原理图(i为奇数)。其中，电池组均分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；左电池组单体数为4，右电池组单体数为4。左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4。电感由上至下分别命名为L₁、L₃。假设电池B₁的能量过高，储能电感L₁在B₁的下方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l1和S_r2导通，则电流通过B_l1、S_l1、S_r1的体二极管、B_r1、储能电感L₁、S_r2以及S_l2的体二极管放电为储能电感L₁储存能量；S_l1开通一定时间后使其关断，同时开通S_l5，此时电流通过储能电感L₁、S_r2、S_l2的体二极管、电池B_l2、B_l3、B_l4、S_l5、S_r5的体二极管以及B_r4、B_r3、B_r2，储能电感L₁释放能量至B₄、B₃……B₂，实现了能量从B₁到B₄、B₃……B₁的转移。

图3是以8节电池为例的某个电池整体(电池组)能量过高的均衡电路原理图(i为偶数)。其中，电池组均分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；左电池组单体数为4，右电池组单体数为4。左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4。电感由上至下分别命名为L₁、L₃。假设电池B₂的能量过高，储能电感L₁在B₂的上方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l2和S_r3导通，则电流通过B_l2、S_l2、S_r2的体二极管、B_r2、储能电感L₁、S_r3以及S_l3的体二极管放电为储能电感L₁储存能量；S_r3开通一定时间后使其关断，同时开通S_r1，此时电流通过储能电感L₁、电池B_r1、S_r1、S_l1的体二极管、电池B_l1、S_l2以及S_r2的体二极管，储能电感L₁释放能量至B₁，实现了能量从B₂到B₁的转移。

图4是以8节电池为例的某个电池整体(电池组)能量过低的均衡电路原理图(i为奇数)。其中，电池组均分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；左电池组单体数为4，右电池组单体数为4。左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4。电感由上至下分别命名为L₁、L₃。假设电池B₁的能量过高低，储能电感L₁在B₁的上方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l2和S_r5导通，则电流通过电池B_l4、B_l3、B_l2、S_l2、S_r2的体二极管、储能电感L₁、电池B_r2、B_r3、B_r4、S_r5以及S_l5的体二极管放电为储能电感L₁储存能量；S_r5开通一定时间后使其关断，同时开通S_r1，此时电流通过储能电感L₁、电池B_r1、S_r1、S_l1的体二极管、电池B_l1、S_l2以及S_r2的体二极管，储能电感L₁释放能量至B₁，实现了能量从B₂、B₃……B₄到B₁的转移。

图5是以8节电池为例的某个电池整体(电池组)能量过低的均衡电路原理图(i为偶数)。其中，电池组均分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组；左电池组单体数为4，右电池组单体数为4。左电池组电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4，右电池组电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4。电感由上至下分别命名为L₁、L₃。假设电池B₂的能量过高低，储能电感L₁在B₂的上方。在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l1和S_r2导通，则电流通过电池B_l1、S_l1、S_r1的体二极管、电池B_r1、储能电感L₁、S_r2、以及S_l2的体二极管放电为储能电感L₁储存能量；S_l1开通一定时间后使其关断，同时开通S_l3，此时电流通过储能电感L₁、S_r2、S_l2的体二极管、电池B_l2、S_l3、S_r3的体二极管以及电池B_r2，储能电感L₁释放能量至B₂，实现了能量从B1到B₂的转移。

图6是以8节电池为例的均衡电路某个电池整体(电池组)能量过高的仿真实验中各电池单体的电压波形图。在设置一定控制精度的条件下，各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。

图7是以8节电池为例的均衡电路某个电池整体能量过低的仿真实验中各电池单体的电压波形图。在设置一定控制精度的条件下，各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。

进一步，在一个实施例中，电池组分为左、右两部分，左部分电池单体为左电池组，右部分电池单体为右电池组，左电池组和右电池组的电池数量相等且都为偶数；当左电池组和右电池组的电池数量都为奇数时，最后的两个电池B_l、B_r没有对应的电池可以与它们均衡，需要外加其它的均衡电路，由于这不是本发明最重要的地方，所以本发明不详细说明这种情况。当电池单体总数为2n时(n为偶数)，左右部分电池单体数均为n。电池数量不做限制，但是随着电池数量的上升，均衡控制会相应变得复杂，MOSFET管的开关频率可能达不到要求，对储能电感的要求也会相应提高，应当根据实际情况进行选择。

当电池数量为2n(n为偶数)时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；MOSFET管开关均采用反并联的连接方式，每2个MOSFET管为一组，实现双向开关的功能(本发明之后提到的反并联MOSFET管均是指2个反并联MOSFET管组成的整体)。反并联MOSFET管一端和储能电感L的一端相连，另一端和电池的一端相连，反并联MOSFET管的控制端与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制；当电池数量为2n时，反并联MOSFET管的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_r1、S_l2、S_r2……S_l(n+1)、S_r(n+1)。

本发明所述均衡拓扑只能实现上下电池的均衡，不能实现左右电池的均衡。如图1，均衡时B_l1和B_r1之间不能实现能量的交换，只能是B_l1和B_r1组成的整体、B_l2和B_r2组成的整体……B_ln和B_rn组成的整体之间进行能量交换。所以电池组中的电池必须先进行一致性检测，然后将性能差不多的电池组成整体。

电池模块可以是铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等二次电池。控制电路控制信号的频率的大小应根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET管的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于电感的储能电池组无损均衡电路，其特征在于，包括电池组、均衡电路以及控制电路；控制电路控制均衡电路对电池组进行均衡，所述电池组包括左电池组Bl和右电池组Br，左电池组Bl由若干左电池单体Bli(i＝1,2,3……n)相互串联组成，右电池组Br由若干右电池单体Bri(i＝1,2,3……n)相互串联组成，左电池组Bl和右电池组Br的电池数量相等，且n为偶数，左电池组Bl和右电池组Br的电池单体数量都为偶数；

均衡电路包括相互并联的均衡开关K和储能电感L，均衡开关K由2个反并联MOSFET管S_l和S_r组成，每2个MOSFET管为一组，即左MOSFET管S_l与右MOSFET管S_r，实现双向开关的功能；

当电池单体数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，n为偶数，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；反并联MOSFET管组成的均衡开关K数量为n+1，均衡开关K由上至下分别命名为K₁、K₂、……K_n+1，即Ki(i＝1,2,3……n+1)；

左MOSFET管S_l的数量为n+1，由上至下分别命名为S_l1、S_l2……S_l(n+1)；右MOSFET管S_r的数量为n+1，由上至下分别命名为S_r1、S_r2……S_r(n+1)；

从上到下排列位于单数的均衡开关K右端和右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连，从上到下排列位于单数的均衡开关K左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

从上到下排列位于双数的均衡开关K右端和储能电感L的一端相连，储能电感L的另一端相连右电池组Br中的右电池单体Bri的一端相连；从上到下排列位于双数的均衡开关K左端和左电池组Bl中的左电池单体Bli的一端相连；

均衡开关K的控制端与控制电路相连接，使反并联MOSFET管的开通和关断由控制电路控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于电感的储能电池组无损均衡电路，其特征在于，所述均衡开关Ki(i＝1,2,3……n+1)由左MOSFET管S_li(i＝1,2,3……n+1)和右MOSFET管S_ri(i＝1,2,3……n+1)构成，左MOSFET管S_li的栅极G和右MOSFET管S_ri的栅极G连接控制电路；左MOSFET管S_li的源极S连接右MOSFET管S_ri的源极S，左MOSFET管S_li的漏极D连接左电池组中的左电池单体Bli的正极，位于单数的右MOSFET管S_ri(i＝1,3，5……n-1)的漏极D连接右电池组中的右电池单体Bri的负极，位于双数的右MOSFET管S_ri(i＝2,4,6……n)的漏极D连接储能电感Lj(j＝1,3，5……n-1)的输入端，储能电感Lj(j＝1,3，5……n-1)的输出端连接右电池组中位于双数的右电池单体Bri(i＝2,4,6……n)的负极，最下面一个左MOSFET管S_l(n+1)的漏极D连接左电池组中的最下面一个电池单体Bln负极，最下面一个右MOSFET管S_r(n+1)的漏极D连接右电池组中的最下面一个电池单体Brn的正极；

所述控制电路包括PWM信号发生器，控制电路连接均衡电路中MOSFET管的栅极，控制MOSFET管的开通和关断。

3.根据权利要求1所述的一种基于电感的储能电池组无损均衡电路，其特征在于，所述电池单体总数为2n时，n为偶数，左右部分电池单体数均为n；电池数量不做限制，当电池数量为2n时，均衡电路中的储能电感L数量为n/2，由上至下分别命名为L₁、L₃……L_n-1；

所述控制电路控制信号的频率的大小根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET管的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。

4.根据权利要求1所述的一种基于电感的储能电池组无损均衡电路，其特征在于，所述电池单体为8节时，左电池组Bl中的电池单体为4个，左电池组中的左电池单体从上至下分别命名为B_l1、B_l2、B_l3、B_l4串联连接；右电池组Br中的电池单体为4个，右电池组Br中的右电池单体从上至下分别命名为B_r1、B_r2、B_r3、B_r4串联连接；储能电感L由上至下分别命名为L₁、L₃；

左MOSFET管S_l为5个，从上至下分别命名为由上至下分别命名为S_l1、S_l2、S_l3、S_l4、S_l5；右MOSFET管S_r为5个，从上至下分别命名为由上至下分别命名为S_r1、S_r2、S_r3、S_r4、S_r5；左MOSFET管S_l的栅极G和右MOSFET管S_r的栅极G连接控制电路；左MOSFET管S_l的源极S连接右MOSFET管S_r的源极S；

左MOSFET管S_l1的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l1的正极，右MOSFET管S_r1的漏极D连接右电池组中的左电池单体B_r1的负极；左MOSFET管S_l2的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l2的正极，右MOSFET管S_r2的漏极D经过储能电感L₁后连接右电池组中的右电池单体B_r2的负极；

左MOSFET管S_l3的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l3的正极，右MOSFET管S_r3的漏极D连接右电池组中的右电池单体B_r3的负极；左MOSFET管S_l4的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l4的正极，右MOSFET管S_r4的漏极D经过储能电感L₃后连接右电池组中的右电池单体B_r4的负极；

左MOSFET管S_l5的漏极D连接左电池组中的左电池单体B_l4的负极，右MOSFET管S_r5的漏极D连接右电池组中的右电池单体B_r4的正极；

所有MOSFET管的栅极G分别连接控制电路。

5.一种如权利要求1～4任一项所述基于电感的储能电池组无损均衡电路的均衡方法，其特征在于，方法如下：

对电池组中各个电池单体进行一致性检测，将性能相近的两个电池单体分别编号B_li(i＝1,2,3……n)、B_ri(i＝1,2,3……n)，电池单体B_l1和B_r1组成的整体称为电池整体B₁，电池单体B_l2和B_r2组成的整体称为电池整体B₂……电池单体B_ln和B_rn组成的整体称为电池整体B_n，电池整体Bi(i＝1,2,3……n)，根据电感的电感值、MOSFET管的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量确定控制电路控制信号的频率的PWM周期长短；

检测电池整体Bi(i＝1,2,3……n)的电压；

当电池整体的B₁、B₂……Bn中某个电池整体B_i能量过高时：

当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方；在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为电感L_i储存能量；S_li开通一定时间后使其关断，同时开通S_l(i+1)，此时电流通过电感L_i、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、电池B_l(i+1)、B_l(i+2)……B_ln、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及B_rn、B_r(n-1)……B_r(i+1)，电感L_i释放能量至B_n、B_n-1……B_i+1，实现了能量从B_i到B_n、B_n-1……B_i+1的转移；

当i为偶数时，储能电感L_i在B_i的上方，在一个PWM周期内，使MOSFET管S_li和S_r(i+1)导通，则电流通过B_li、S_li、S_ri的体二极管、B_ri、储能电感L_i-1、S_r(i+1)以及S_l(i+1)的体二极管放电为电感L_i-1储存能量；S_r(i+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_l1，此时电流通过电感L_i-1、电池B_r(i-1)、B_r(i-2)……B_r1、S_r1、S_l1的体二极管、电池B_l1、B_l2……B_l(i-1)、S_li以及S_ri的体二极管，电感L_i-1释放能量至B_i-1、B_i-2……B₁，实现了能量从B_i到B_i-1、B_i-2……B₁的转移；

当电池组的B1、B2……Bn中某个B_i(电池整体)能量过低时：

当i为奇数时，储能电感L_i在B_i的下方，在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l(i+1)和S_r(n+1)导通，此时电流通过S_l(i+1)、S_r(i+1)的体二极管、电感L_i、电池B_r(i+1)、B_r(i+2)……B_rn、S_r(n+1)、S_l(n+1)的体二极管以及B_ln、B_l(n-1)……B_l(i+1)放电为电感L_i储存能量；S_r(n+1)开通一定时间后使其关断，同时开通S_ri，则电流通过B_ri、S_ri、S_li的体二极管、B_li、S_l(n+1)、S_r(n+1)的体二极管以及储能电感L_i，电感L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移；

当i为偶数时，储能电感L_i-1在B_i的上方，在一个PWM周期内，使MOSFET管S_l1和S_ri导通，则电流通过S_l1、S_r1的体二极管、电池B_r1、B_r2……B_r(i-1)、储能电感L_i-1、S_ri、S_li的体二极管以及电池B_l(i-1)、B_l(i-2)……B_l1放电为电感L_i-1储存能量；S_l1开通一定时间后使其关断，同时开通S_r(i+1)，则电流通过电感L_i-1、电池B_ri、S_r(i+1)、S_l(i+1)的体二极管、B_li、S_li以及S_ri的体二极管，电感L_i-1释放能量至B_i，实现了能量从B_i-1、B_i-2……B₁到B_i的转移；

重复步骤直至各电池电压均衡。