CN109066846A - 一种模块化电池间均衡电路结构与方法 - Google Patents

一种模块化电池间均衡电路结构与方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种模块化电池间均衡电路结构与方法，结构包括两个以上的电池单体，所有电池单体串联连接，每个电池单体均并联一个开关，每相邻m个电池单体组成一组，采用变压器正激耦合，初级绕组和次级绕组反激耦合，次级绕组与直流母线电容并联，形成一个模组，模组之间经过直流母线传递能量，模组内部通过正激耦合实现组内电池均衡，实现能量在模块化电池间的传递。本发明便于整体系统扩展，使均衡模块批量化生产，降低生产成本。本发明能够在保证很好的均衡效果的同时，减少变压器，开关管和线圈绕组的数量，降低结构成本；同时采用变压器正反激原理的结合，提高均衡速度。模组之间采用直流母线进行能量传递，不需要中间逆变器，减少了能量损耗。

Description

一种模块化电池间均衡电路结构与方法
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，特别提出一种模块化电池间均衡电路结构与方法。
背景技术
近些年来，由于环境的污染，自然资源的枯竭，政府相关激励政策，中东问题造成油价的不断上涨等原因。传统燃油车面临窘境，新能源电动汽车由于其环境污染小，能源利用率高等优点，近年来在市场上的占比不断加大。电池系统作为电动汽车的动力来源，其安全性，使用成本成为制约电动汽车发展的关键因素。
动力电池在使用过程中，通过串联形成电池组，以此来满足负载的电压等级需求。电池组中各单体电池的不平衡现象十分普遍，该现象产生一方面是由于各单体电池内部的差异，如制造过程中的物理量差异，自放电率的不一致，电池内部阻抗的变化；另一方面电池在使用过程中，各单体电池面临的外部环境也有差异，如各电池所受压力和面临的环境温度的差异。电池不均衡会导致单体电池的容量下降，产生的“木桶效应”会加剧电池能量的衰退，从而导致电池组整体利用率和使用寿命降低，进而影响电动汽车的使用寿命和续驶里程。过充电时电池内部活性成分与电解质反应，严重时会引发爆炸和火灾，由此导致电动汽车最受人关注的安全隐患问题。因此，电池均衡对整体电池组生命周期和安全性能具有重要意义。
电池均衡技术是指在拓扑结构的基础上，采用适当的控制策略减少各电池单体的差异。目前均衡技术主要分为主动均衡和被动均衡。被动均衡将电池中额外的能量通过并联电阻的方式进行消耗。这种方法结构简单，成本低。但是均衡过程中会产生大量的热，造成能量的浪费，均衡效率低。主动均衡是近些年的研究热点，主动均衡采用不同的拓扑结构，实现能量在电池之间，电池与电池组，电池组之间进行转移，以此达到均衡的目的，可以解决被动均衡能量浪费，效率低等问题。主动均衡中，变压器均衡由于可以实现电气隔离、控制简单、效率较高等原因而备受关注。根据变压器数量可分为单变压器和多变压器结构，单变压器均衡结构中只有一个变压器，控制所需要的开关实现电池均衡，此方法结构简单，但开关较多，变压器绕制复杂，无法做到绕组完全一致。多变压器电路中有多个变压器，每个单体电池对应一个均衡模块，同一时刻可有多个模块同时工作，因此均衡速度大大提高，但变压器数量较多，成本相应增加。
综上所述，变压器均衡可以实现电池隔离，均衡速度快，效率高。然而在实际应用中，变压器均衡由于电路中存在大量元器件、变压器绕线复杂，模块化成本高等原因，并未得到广泛的应用。现如今，如何降低变压器均衡使用成本，减少变压器的数量，简化电路，使得系统可以实现模块化，便于大批量生产，从而减小生产成本，成为研究的关键。
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供一种模块化电池间均衡电路结构与方法，在保证很好的均衡效果的同时，便于系统扩展；减少变压器，开关管和线圈绕组的数量，降低结构成本；同时采用变压器正反激原理的结合，大大提高均衡速度。模组之间采用直流母线进行能量传递，不需要中间转换器，减少了能量损耗。整个模块可以实现大批量生产，由此降低了生产成本。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种模块化电池间均衡电路结构，该电路结构包括两个以上的电池单体Bij、变压器T、开关MOSFET以及直流母线电容Ci；其中，
所有电池单体Bij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体Bij均串联一个开关MOSFET Mij，每相邻m个电池单体形成一组模组，m＝2、3、…，模组内部电池通过变压器T正激耦合，构成变压器初级多绕组，变压器T初级绕组和次级绕组反激耦合，次级绕组与直流母线电容Ci并联，模组之间经过直流母线传递能量，闭合开关MOSFET Mi，选择模组进行充电，模组内部通过正激耦合实现组内电池均衡，实现能量在模块化电池间的传递。
本发明进一步的改进在于，变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能。
本发明进一步的改进在于，开关MOSFET Mij和Mi均为N沟道MOSFET，或者为P沟道MOSFET。
本发明进一步的改进在于，所述的直流母线电容Ci为电解质电容或薄膜电容，实现储能和滤波作用。
一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，动力电池包内相邻m个电池形成一个电池模组，共分为n组；
第二步，利用电流传感器对每一模组的电流进行检测；
第三步，根据相应算法估计每一电池模组的平均状态；
第四步，确定两组需要均衡的电池，一组为高压电池，一组为低压电池，在两个电池模组之间进行均衡；
第五步，如果电池模组p平均能量高于电池模组q的平均能量，则电池模组p向电池模组q放电，且p、q≤n；
第六步，均衡后延时一段时间，返回第二步继续执行。
本发明进一步的改进在于，获取需要均衡电池模组的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法选取。
本发明进一步的改进在于，高能电池模组p向低能电池模组q放电，电路稳态时的步骤为：
第1步，闭合高能的电池模组p内电池单体两侧所对应的开关MOSFET Mpj，同时闭合低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq；此时，高能电池模组p内电池单体Bpj、导通的开关MOSFETMpj以及变压器Tp初级绕组Lpj形成闭合环路状态，电池模组p将能量储存在变压器Tp初级绕组Lpj中；直流母线电容Ci，低能电池模组q对应变压器Tq次级绕组Lq，导通的开关MOSFETMq形成闭合环路，直流母线电容Ci向变压器Tq次级绕组Lq释放上一时刻存储的能量；
第2步，断开高能的电池模组p内电池单体对应的开关MOSFETMij，同时断开低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq；高能电池模组p对应变压器Tp次级绕组Lp感应出的电动势，并将存储的能量释放至直流母线电容Ci中，低能电池模组q对应变压器Tq初级多绕组Lqj感应出电动势，并将存储的能量释放给低能电池单体Bqj；其中，系统中所有MOSFET均处于关断状态，对应电池电流均降为零，从而保证电路工作于断续工作模式。
本发明进一步的改进在于，在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，以达到平衡状态。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种模块化电池间均衡电路结构，该电路结构包括两个以上的电池单体，所有电池单体串联连接，每个电池单体均并联一个开关，每相邻m个电池单体组成一组，采用变压器正激耦合，初级绕组和次级绕组反激耦合，次级绕组与直流母线电容并联，形成一个模组，模组之间经过直流母线传递能量，模组内部通过正激耦合实现组内电池均衡，实现能量在模块化电池间的传递。本发明便于整体系统扩展，可以使均衡模块批量化生产，由此降低生产成本。该结构可以实现模块化电池间的均衡。在保证很好的均衡效果的同时，减少变压器，开关管和线圈绕组的数量，降低结构成本；同时采用变压器正反激原理的结合，提高均衡速度。此外，模组之间采用直流母线进行能量传递，不需要中间逆变器，减少了能量损耗。
本发明提供的一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，该均衡方法可以实现模块化电池间均衡，电路可以实现模块化，便于整体系统扩展；模组之间通过直流母线电容实现能量传递，模组内部均衡通过变压器正激耦合实现，变压器初级绕组与次级绕组反激耦合向直流母线传递能量，直流母线电容存储能量并向低能电池模组释放。
综上所述，本发明将变压器正激与反激原理结合，结合正反激耦合的优点，保证均衡效果的同时减少了电子元器件的数量。另外，直流母线电容能够减少能量损失。
附图说明
图1为本发明结构的拓扑图。
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3(a)为均衡第一阶段(t0-t1)电路运行过程图，图3(b)为均衡第二阶段(t1-t3)电路运行过程图。
图4为本发明实施例中均衡过程原理波形图。
图5为本发明高能电池组向低能电池组充电过程关键波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
参照图1，本发明提供的一种模块化电池间均衡电路结构，可以实现任意电池间的均衡，电路结构包括两个以上的电池单体Bij、变压器T、开关MOSFET以及直流母线电容Ci，所有电池单体Bij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体Bij均串联一个开关MOSFET Mij，每相邻m个电池单体形成一组模组，m＝2、3、…，模组内部电池通过变压器T正激耦合，构成变压器初级多绕组，变压器T初级绕组和次级绕组反激耦合，次级绕组与直流母线电容Ci并联，模组之间经过直流母线传递能量，闭合开关MOSFET Mi，选择模组进行充电，模组内部通过正激耦合实现组内电池均衡，实现能量在模块化电池间的传递。
所述的变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能。
所述的开关MOSFET Mij和Mi均为N沟道MOSFET，或为P沟道MOSFET。
所述的直流母线电容Ci为电解质电容或薄膜电容，实现储能和滤波作用。
参照图2，本发明提供的一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，动力电池包内相邻m个电池形成一个电池模组，共分为n组；
第二步，利用电流传感器对每一模组的电流进行检测；
第三步，根据相应算法估计每一电池模组的平均状态；
第四步，确定两组需要均衡的电池，一组为高压电池，一组为低压电池，在两个电池模组之间进行均衡；
第五步，如果电池模组p平均能量高于电池模组q的平均能量，则电池模组p向电池模组q放电，且p、q≤n；
第六步，均衡后延时一段时间，返回第二步继续执行。
在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，模组内电池可以达到平衡状态。
所述的高能电池模组p向低能电池模组q放电，电路稳态时的步骤为：
第1步，闭合高能的电池模组p内电池单体两侧所对应的开关MOSFET Mpj，同时闭合低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq。此时，高能电池模组p内电池单体Bpj、导通的开关MOSFETMpj以及变压器Tp初级绕组Lpj形成闭合环路状态，电池模组p将能量储存在变压器Tp初级绕组Lpj中；直流母线电容Ci，低能电池模组q对应变压器Tq次级绕组Lq，导通的开关MOSFETMq形成闭合环路。直流母线电容Ci向变压器Tq次级绕组Lq释放上一时刻存储的能量；
第2步，断开高能的电池模组p内电池单体对应的开关MOSFETMij，同时断开低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq。高能电池模组p对应变压器Tp次级绕组Lp感应出的电动势，并将存储的能量释放至直流母线电容Ci中，低能电池模组q对应变压器Tq初级多绕组Lqj感应出电动势，并将存储的能量释放给低能电池单体Bqj；其中，系统中所有MOSFET均处于关断状态，对应电池电流均降为零，从而保证电路工作于断续工作模式。
附图中：B11、B12、...、Bnm为电池单体；T1、T2、...、Tn为变压器绕组；M11、M12、...、Mnm，M1、M2、...、Mn为N沟道或P沟道MOSFET；Ci为电解质电容或薄膜电容。
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。
以其中一种情况为例，即每个模组中包含两个单体电池，将电能从高压电池模组1的B11和B12的转移到低压电池模组的B21和B22中，包括以下步骤：
第一步，(t0-t1)时间段，参照图3(a)，将开关M11、M12和M2闭合，电池单体B11与开关M11、变压器T1的初级绕组L11形成闭合回路；电池单体B12与开关M12、变压器T1的初级绕组L12形成闭合回路；直流母线电容C与开关M2、变压器T2的次级绕组L2形成闭合回路。
此过程中，绕组L11，绕组L12上的关系用下式表示：
其中，为绕组线圈L11两端的电压值，为绕组线圈L12两端的电压值；
开关M11，M12导通时，绕组线圈L11，L12两端的电压值近似等于电池单体B11，B12端电压
综上两式可得：
绕组L1中所能达到的峰值电流为：
其中，ton为开关M1导通时间，即ton＝DT；
同时，直流母线电容C与变压器T2的次级绕组L2构成回路，直流母线电容将上一时刻存储的能量释放给变压器T2的次级绕组L2。
电容C在t0时刻存储的能量Q为：
根据能量守恒定律，电容C在t0-t1时刻释放的能量等于上一时刻t1-t3，变压器T1次级绕组向电容放电的能量。
其中，u为t1时刻变压器T1次级绕组L1两端的电压
起始时刻，回路电流为零，t1时刻，回路电流达到最大
在t1时刻，电容将能量完全传递给变压器T2的次级绕组L2：
第二步，(t1-t3)时间段，参照图3(b)，断开开关M11、M12和M2，电池单体B21与开关M21、变压器T2的初级绕组L21形成闭合回路；电池单体B22与开关M22、变压器T2的初级绕组L22形成闭合回路；开关M1、变压器T1的次级绕组L1与直流母线电容C形成闭合回路。
根据安培定率，可得变压器T1次级绕组L1的初始峰值电流：
N11i11(t1)+N12i12(t1)＝N1i1(t1)
单体电池B21和B22的初始峰值电流：
N21i21(t1)+N22i22(t1)＝N2i2(t1)
其中，N11、N12分别为变压器T1连接到电池B11和B12对应的绕组匝数；N1为变压器T1次级绕组匝数；N21、N22分别为变压器T2连接到电池B21和B22对应的绕组匝数；N2为变压器T2次级绕组匝数；i11、i12、i21、i22分别为通过电池B11，B12，B21和B22的电流；i1，i2为通过变压器T1，T2次级绕组的电流。
由于各电池单体结构对称，因此，变压器初级绕组匝数均相同，即：
N11＝N12＝N21＝N22＝N0
综上两式可得：
此过程中，单体B21与B22回路电流可表示为：
其中，分别为电池B21和B22的端电压。
第三步，(t3-t4)时间段，此时保证所有MOSFET均处于关断状态，以此保证电路不会出现反充现象，在t4时刻，对应电池电流均降为零，从而保证电路工作于断续工作模式。
图4为本实施例在电池均衡过程中MOSFET电压及均衡电流原理波形图，从图中可以看出，均衡过程中只需输出一组PWM波控制相应的开关导通或关断，控制简单。
图5为本实施例高能电池模组向低能电池模组充电过程关键波形图，从图中可以看出，高能电池模组中能量较高的电池放电电流较大，而能量较低的电池放电电流较小，低能电池模组中能量较高的电池充电电流较小，而能量较低的电池充电电流较大，进一步证明了在同一模组中可通过变压器正激原理进一步均衡。

Claims (8)

1.一种模块化电池间均衡电路结构，其特征在于，该电路结构包括两个以上的电池单体Bij、变压器T、开关MOSFET以及直流母线电容Ci；其中，
所有电池单体Bij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体Bij均串联一个开关MOSFETMij，每相邻m个电池单体形成一组模组，m＝2、3、…，模组内部电池通过变压器T正激耦合，构成变压器初级多绕组，变压器T初级绕组和次级绕组反激耦合，次级绕组与直流母线电容Ci并联，模组之间经过直流母线传递能量，闭合开关MOSFET Mi，选择模组进行充电，模组内部通过正激耦合实现组内电池均衡，实现能量在模块化电池间的传递。
2.根据权利要求1所述的一种模块化电池间均衡电路结构，其特征在于，变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能。
3.根据权利要求1所述的一种模块化电池间均衡电路结构，其特征在于，开关MOSFETMij和Mi均为N沟道MOSFET，或者为P沟道MOSFET。
4.根据权利要求1所述的一种模块化电池间均衡电路结构，其特征在于，所述的直流母线电容Ci为电解质电容或薄膜电容，实现储能和滤波作用。
5.权利要求1至4中任一项所述的一种模块化电池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，动力电池包内相邻m个电池形成一个电池模组，共分为n组；
第二步，利用电流传感器对每一模组的电流进行检测；
第三步，根据相应算法估计每一电池模组的平均状态；
第四步，确定两组需要均衡的电池，一组为高压电池，一组为低压电池，在两个电池模组之间进行均衡；
第五步，如果电池模组p平均能量高于电池模组q的平均能量，则电池模组p向电池模组q放电，且p、q≤n；
第六步，均衡后延时一段时间，返回第二步继续执行。
6.根据权利要求5所述的一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，获取需要均衡电池模组的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法选取。
7.根据权利要求5所述的一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，高能电池模组p向低能电池模组q放电，电路稳态时的步骤为：
第1步，闭合高能的电池模组p内电池单体两侧所对应的开关MOSFET Mpj，同时闭合低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq；此时，高能电池模组p内电池单体Bpj、导通的开关MOSFETMpj以及变压器Tp初级绕组Lpj形成闭合环路状态，电池模组p将能量储存在变压器Tp初级绕组Lpj中；直流母线电容Ci，低能电池模组q对应变压器Tq次级绕组Lq，导通的开关MOSFETMq形成闭合环路，直流母线电容Ci向变压器Tq次级绕组Lq释放上一时刻存储的能量；
第2步，断开高能的电池模组p内电池单体对应的开关MOSFETMij，同时断开低能的电池模组q对应变压器Tq次级绕组所对应的开关MOSFETMq；高能电池模组p对应变压器Tp次级绕组Lp感应出的电动势，并将存储的能量释放至直流母线电容Ci中，低能电池模组q对应变压器Tq初级多绕组Lqj感应出电动势，并将存储的能量释放给低能电池单体Bqj；其中，系统中所有MOSFET均处于关断状态，对应电池电流均降为零，从而保证电路工作于断续工作模式。
8.根据权利要求5所述的一种模块化电池间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，以达到平衡状态。
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