CN109950949B - 一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及储能电池组的控制电路设计领域，尤其涉及一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路，包括：每个第一级均衡组分别包括：一第一级均衡模块，分别连接各个单体电芯，并用于平衡电池包内任一单体电芯的电量；多个第二级均衡组，每个第二级均衡组中分别包括复数个电池包并联连接后连接第二级均衡模块，以形成电池组串；第三级均衡组中包括：第一级串联模块，包括通过一第三级均衡模块串联连接的复数个电池组串；第二级串联模块，包括通过第三级均衡模块串联连接的复数个第一级串联模块。有益效果：能够有效提高单体电芯之间的电量均衡的效率，本发明结构简单，在不影响电池组均衡的稳定性的前提下，有效地降低了成本。

Description

一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路

技术领域

本发明涉及储能电池组的控制电路设计领域，尤其涉及一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路。

背景技术

大规模储能作为可再生能源大规模接入的重要解决方案之一，是未来几年的重要发展方向。储能用电池组一般由上百节单体电池经串、并联组合而成，以达到合适的电压等级和容量等级。因为设计、环境以及电池本身性能的差异，电池组在循环使用过程中，会出现电量不一致的问题。这样不但影响电池的续航时间，大大缩短电池的寿命，更严重地可能会造成电池的过充电或者过放电等不可恢复的损坏。为了解决电池组电量不一致导致的不均衡问题需要对电池组进行均衡管理。

现有电池均衡控制器拓补结构主要有：能量耗散型，总线型以及30C/30C双向变换型。能量耗散型均衡拓扑电路简单，易实现，但是其消耗电池组剩余电量，降低电池组电量，同时为了避免电阻放电时产生过多的热量，均衡电流必须限制在较小的范围。这些问题限制了此种均衡拓扑电路的发展，但其均衡效率低和产生过多热量的缺点，决定了其局限性；总线型电路结构，如专利CN103117577A所述，需配置储能设备，受储能设备体积和寿命的影响，导致均衡器使用不便，影响使用寿命，且不便于模块化；30C/30C变换器型电路：分为两种，一种如专利CN104300640A所述，将电量较高电池多余的电量转移到相邻电池中，改善电池组电量的不一致，但该种电路目前的控制方法电量转移的适用于相邻电芯。另一种，是正激或者反激式电路，可高效的实现均衡功能，但拓扑较为复杂，开关器件多，导致稳定性下降。

因此，现需一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路，既能够满足储能的使用需求，同时，也要有效地避免上述现有技术中的弊端。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路。

具体技术方案如下：

本发明包括一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路，包括：

多个第一级均衡组，每个所述第一级均衡组分别设置于一相应的电池包中，所述电池包包括复数个串联连接的单体电芯；

每个所述第一级均衡组分别包括：

一第一级均衡模块，分别连接各个所述单体电芯，并用于平衡所述电池包内任一所述单体电芯的电量；

多个第二级均衡组，每个所述第二级均衡组中分别包括：

复数个并联连接的所述电池包；

一第二级均衡模块，复数个所述电池包并联连接后连接所述第二级均衡模块，以形成电池组串，所述第二级均衡模块用于调整所述电池组串中任一所述电池包的接入状态；

一第三级均衡组，所述第三级均衡组中包括：

第一级串联模块，包括通过一第三级均衡模块串联连接的复数个所述电池组串；

第二级串联模块，包括通过所述第三级均衡模块串联连接的复数个所述第一级串联模块；

所述第三级均衡组用于平衡每个所述电池组串的电量。

优选的，所述第一级均衡模块包括：

多个单体选择开关，所述单体选择开关连接于每两个所述单体电芯之间，用于选通需要进行均衡控制的所述单体电芯；

一正负极选择开关，所述正负极选择开关连接多个所述单体选择开关；

一正激变换器，所述正激变换器的副边侧连接所述正负极选择开关，所述正激变换器的原边侧连接所述电池包的正负极。

优选的，所述第二级均衡模块包括：

多个第一控制开关，分别设置于每两个相邻的所述电池包之间；

多个功率电阻，分别设置于每两个相邻的所述电池包之间；

于每两个相邻的所述电池包之间，所述第一控制开关与对应的所述功率电阻并联连接。

优选的，所述第一级串联模块包括：

多个第一电感，分别设置于每两个相邻的所述电池组串之间，多个所述第一电感之间并联连接；

多个第二控制开关，分别连接每个所述电池组串，且多个所述第二控制开关之间串联连接。

优选的，所述第二级串联模块包括：

多个第二电感，分别设置于每两个相邻的所述第一级串联模块之间，且多个所述第二电感之间并联连接；

多个第三控制开关，分别连接每个所述第一级串联模块，且多个所述第三控制开关之间串联连接。

优选的，每个所述第一级串联模块中的所述电池组串的数量不大于五个。

优选的，每个所述第一级串联模块分别包括五个所述电池组串，且所述第二级串联模块包括四个所述第一级串联模块。

本发明技术方案的有益效果在于：能够有效提高单体电芯之间的电量均衡的效率，并且本发明的结构简单，在不影响电池组均衡的稳定性的前提下，有效地降低了成本。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明实施例中第一级均衡组的结构示意图；

图2为本发明实施例中第二级均衡组的结构示意图；

图3为本发明实施例中第一级串联模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中第三级均衡组的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路，包括：

多个第一级均衡组1，每个第一级均衡组1分别设置于一相应的电池包B中，电池包B包括复数个串联连接的单体电芯b(图1中的b1～b16均为单体电芯)；

如图1所示，每个第一级均衡组1分别包括：

一第一级均衡模块，分别连接各个单体电芯b，并用于平衡电池包B内任一单体电芯b的电量；

多个第二级均衡组2，如图2所示，每个第二级均衡组2中分别包括：

复数个并联连接的电池包B；

一第二级均衡模块，复数个电池包B并联连接后连接第二级均衡模块，以形成电池组串B+，第二级均衡模块用于调整电池组串B+中任一电池包B的接入状态；

一第三级均衡组，如图3和图4所示，第三级均衡组中包括：

第一级串联模块30，包括通过一第三级均衡模块串联连接的复数个电池组串B+；

第二级串联模块31，包括通过第三级均衡模块串联连接的复数个第一级串联模块30；

第三级均衡组用于平衡每个电池组串B+的电量。

具体地，通过上述技术方案，第一级均衡组如图1所示，b1～b16为单体电芯，单体电芯的电压额定范围为2.5-4.0V，单体电芯数量范围为2-24个，本发明实施例中单体电芯的数量为16个。第一级均衡组1采用双向正激变换器结构，当某一单节电芯的电压大于平均值电压且两者的差值达到一预设数值时，对该单体电芯进行放电，将电量通过变压器T1转移到变压器T1的原边侧(即电池包)，使单体电芯的电压恢复到平均值水平。同理，当单节电芯的电压低于平均值且两者的差值达到一预设数值时，将电池包的电量通过变压器T1转移给该单体电芯，实现电池组对单体电芯的充电，使单体电芯的电压达到平均值，以达到平衡每个单体电芯的电量的目的。

具体地，第二级均衡组如图2所示，在包含多个电池组的储能系统中，为了提高一款储能产品的兼容性，保证可动态实现输出电量Ah数(安时数)的大小，第二级均衡组2可灵活地选择电池包B的并联数量。当需要并联多个电池包B时，先对多个电池包进行总电压检测，当某一个单体电芯与其他单体电芯的电压差超过预设的安全阀值时，断开该电池包B两端的第一可控开关(图2中的Q1-1、Q1-2、……、Q1-n)，电路会自动接入电阻(图2中的R1、R2、……、Rn)，保证并联过程中的均衡电流不会过大，引起危险；当某个电池包B的电压差降低到预设的安全阀值以下时，导通该电池包B连接的第一可控开关，短路掉该电池包对应的电阻。

具体地，如图3所示，本发明实施例中，第三级均衡组为电池组双层电感式主动均衡，第三均衡组3包括第一级串联模块30和第二级串联模块31。第一级串联模块30由五个电池组串B+串联组成，第二级串联模块31由四个第一级串联模块30串联组成，经过两级串联后第三级均衡组的电压为电池包B电压的20倍，该电压完全能够满足储能的使用需求，且该电路的优点为成本低，稳定性好。不足之处在于，电量向相邻较近的几个单体电芯转移多、效率高，向距离远的单体电芯转移能量少且效率低，但在储能的使用环境中，将第三级平衡电路3分为两级使用，每个第一级串联模块中的电池组串B+的数量不大于五个(即n≤5)，可有效避免该问题。

进一步地，如图3所示，五个电池组串B+串联组成第一级串联模块30，第一级串联模块30的电压为五倍的电池包电压；如图4所示，通过四个第一级串联模块30串联，再构成第二级串联模块31，因此，第三级均衡组的电压相当于20倍的电池包B的电压，该电压完成能够满足储能的使用需求，同时，也有效的避免了均衡效率低的弊端。

在一种较优的实施例中，如图1所示，第一级均衡模块包括：

一单体选择单元10，由图1所示的多个开关管Q1～Q34组成，Q1～Q34可以是MOSFET，也可以是绝缘栅双极型晶体管，单体选择单元连接多个单体电芯，用于选通需要进行均衡控制的单体电芯；

一正负极选择单元11，正负极选择单元连接单体选择单元10；

一正激变换器12，正激变换器的副边侧连接正负极选择单元11，正激变换器的原边侧连接电池包的正负极。

具体地，本实施例中单体选择单元10包括34个开关管，开关管的数量与单体电芯的数量适配，每一个单体电芯的正极和负极分别连接两个开关管，例如，第一单体电芯b1的正极连接Q1和Q18，第一单体电芯b1的负极连接Q2和Q19；第二单体电芯b2的正极连接Q2和Q19，第二单体电芯b2的负极连接Q3和Q20，以此类推，以下不再赘述。

具体地，第一级均衡组1采用双向正激变换器结构，正激变换器12包括：一变压器T1，变压器T1的原边侧分别连接电池包B的正负极，每个单体电芯通过单体选择单元10和正负极选择单元11连接变压器T1的副边侧；电感L，设置于变压器T1的副边侧；一第一电容C1，设置于变压器T1的副边侧；一第二电容C2，设置于变压器T1的原边侧；一第三电容C3，设置于电池包B的正极与电池组的负极之间。

进一步地，通过上述技术方案，当某一单节电芯的电压大于平均值电压且两者的差值达到一预设数值时，对该单体电芯进行放电，将电量通过变压器T1转移到变压器T1的原边侧(即电池包B)，使单体电芯的电压恢复到平均值水平。同理，当单节电芯的电压低于平均值且两者的差值达到一预设数值时，将电池组的电量通过变压器T1转移给该单体电芯，实现电池组对单体电芯的充电，使单体电芯的电压达到平均值，以达到平衡每个单体电芯的电量的目的。第一电感L1用于储存及传递电量。本发明实施例中的单体选择单元10和正负极选择单元所采用的开关管既可以为MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)，也可以使用IGBT(Insulate30 Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)替换。

在一种较优的实施例中，如图2所示，第二级均衡模块包括：

多个第一控制开关(图2所示Q1-1、Q1-2、……、Q1-n)，分别设置于每两个相邻的电池包B之间；

多个功率电阻(图2所示R1、R2、……、Rn)，分别设置于每两个相邻的电池包B之间；

于每两个相邻的电池包B之间，第一控制开关与对应的功率电阻并联连接。

具体地，每一个第一控制开关与一对应的功率电阻并联，当需要并联多个电池包B时，先对电池包进行总电压检测，当某一个电池包与其他电池包的电压差超过预设安全阀值时，断开该电池包B两端的第一控制开关，电路会自动接入功率电阻，保证并联过程中的均衡电流不会过大，引起危险；当电池包的电压差降低到预设安全阀值以下时，导通电池包之间的第一控制开关，短路掉对应的功率电阻。例如当电池包B1的电压与其他电池包的电压差超过预设安全阀值时，断开B1对应的第一控制开关Q1-1，电路自动接入功率电阻R1；当电池包B1与其他电池包的电压差降低到预设的安全阀值以下时，Q1-1导通，R1短路。

在一种较优的实施例中，如图3所示，第一级串联模块30包括：

多个第一电感L1，分别设置于每两个相邻的电池组串B+之间，且多个第一电感之间并联连接；

多个第二控制开关Q2，分别连接每个电池组串B+，且多个第二控制开关之间串联连接。第二控制开关既可以使用MOSFET，也可使用IGBT开关替换。

在一种较优的实施例中，如图4所示，第二级串联模块31包括：

多个第二电感L2，分别设置于每两个相邻的第一级串联模块30之间，且多个第二电感之间并联连接；

多个第三控制开关Q3，分别连接每个第一级串联模块30，且多个第三控制开关Q3之间串联连接。

每个第一级串联模块30连接一第三控制开关Q3。第二控制开关既可以使用MOSFET，也可使用IGBT开关替换。

本发明技术方案的有益效果在于：能够有效提高单体电芯之间的电量均衡的效率，并且本发明的结构简单，在不影响电池组均衡的稳定性的前提下，有效地降低了成本。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，包括：

多个第一级均衡组，每个所述第一级均衡组分别设置于一相应的电池包中，所述电池包包括复数个串联连接的单体电芯；

每个所述第一级均衡组分别包括：

一第一级均衡模块，分别连接各个所述单体电芯，并用于平衡所述电池包内任一所述单体电芯的电量；

多个第二级均衡组，每个所述第二级均衡组中分别包括：

复数个并联连接的所述电池包；

一第二级均衡模块，复数个所述电池包并联连接后连接所述第二级均衡模块，以形成电池组串，所述第二级均衡模块用于调整所述电池组串中任一所述电池包的接入状态；

一第三级均衡组，所述第三级均衡组中包括：

第一级串联模块，包括通过一第三级均衡模块串联连接的复数个所述电池组串；

第二级串联模块，包括通过所述第三级均衡模块串联连接的复数个所述第一级串联模块；

所述第三级均衡组用于平衡每个所述电池组串的电量；

所述第一级均衡模块包括：

一单体选择单元，所述单体选择单元连接多个所述单体电芯，用于选通需要进行均衡控制的所述单体电芯；

一正负极选择单元，所述正负极选择单元连接所述单体选择单元；

一正激变换器，所述正激变换器的副边侧连接所述正负极选择单元，所述正激变换器的原边侧连接所述电池包的正负极。

2.根据权利要求1所述的储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，所述第二级均衡模块包括：

多个第一控制开关，分别设置于每两个相邻的所述电池包之间；

多个功率电阻，分别设置于每两个相邻的所述电池包之间；

于每两个相邻的所述电池包之间，所述第一控制开关与对应的所述功率电阻并联连接。

3.根据权利要求1所述的储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，所述第一级串联模块包括：

多个第一电感，分别设置于每两个相邻的所述电池组串之间，且多个所述第一电感之间并联连接；

多个第二控制开关，分别连接每个所述电池组串，且多个所述第二控制开关之间串联连接。

4.根据权利要求1所述的储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，所述第二级串联模块包括：

多个第二电感，分别设置于每两个相邻的所述第一级串联模块之间，且多个所述第二电感之间并联连接；

多个第三控制开关，分别连接每个所述第一级串联模块，且多个所述第三控制开关之间串联连接。

5.根据权利要求1所述的储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，每个所述第一级串联模块中的所述电池组串的数量不大于五个。

6.根据权利要求1所述的储能用锂电池组的三级主动均衡电路，其特征在于，每个所述第一级串联模块分别包括五个所述电池组串，且所述第二级串联模块包括四个所述第一级串联模块。

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