CN111564880A - 一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法，本发明在静置状态下进行第一重均衡，均衡模块电路原理简单且各模块相互独立，第二重均衡包括串联蓄电池系统充电、放电、静置三种状态下的均衡策略，均衡的拓扑电路原理简单；在电池静置状态下完成第一重能量均衡的前提下，在电池充电、放电、静置状态下进行第二重能量均衡，最终通过多重多状态的能量均衡实现电池系统中各串联单体电池之间的能量均衡。相比较现有的均衡器及控制方法，本发明的电路原理简单，同时配合本发明的方法可知均衡器最终能有效地实现能量均衡，同时均衡速度快、转移效率高、对均衡能量的控制能力更强。

Description

一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。

背景技术

随着环境污染和能源危机的日益严重，为了节能环保，世界各个国家提倡和大力发展纯电动汽车。由于锂离子电池具有体积小、重量轻、标称电压相对较高、循环寿命长、无记忆效应等优点，因此受到电动汽车市场的青睐。锂离子单体电池的电压在3.6V左右，在使用中需要将大量的锂离子电池串联来满足电压的要求。但是电动汽车的价格比较昂贵，它的缺点也是显而易见的，其中制约电动汽车发展的一个主要问题就是蓄电池的使用寿命短的问题。蓄电池由于制造技术、材质和其它方面的差异从而导致了其在充电或放电的过程中不均衡，有的单体电池在充电的过程中会先充满，有的则在放电时先放完。因此，电池组的充电容量受组中能量最高的单体电池的容量的限制，而电池组的放电容量受组中能量最低的单体电池的容量的限制，这样电池组的充、放电容量越来越小，最终导致电池组报废。所以，必须采取有效的措施来对串联的锂离子单体电池进行能量均衡，提高电池组的充放电容量，从而延长电池组的使用寿命。

蓄电池均衡按照不同的分类标准可以分为不同种类的均衡方案，根据均衡所采用的主要储能和均衡元件，将蓄电池组均衡分为电阻均衡法、电容均衡法、电感均衡法和变压器均衡法。电阻均衡法，电阻均衡法没有开关管的控制，在每节蓄电池上并联一个固定的分流电阻，电阻值一般为电池内阻的数十倍，在电池充电过程中便可自动的实现均衡，在均衡中能量损耗严重；电容均衡法，电容均衡法是以电容为主要的均衡元件进行的均衡方案，电容均衡有单个电容均衡、多个电容均衡和多个电容多层均衡等均衡方案，电容均衡方案能量转移困难；电感均衡，以电感作为能量转移的媒介，提高了均衡效率；变压器均衡，通过变压器实现能量的均衡，变压器可以实现电气隔离，但均衡器体积庞大。

作为大规模锂离子蓄电池储能系统或电动汽车车载锂离子动力电池系统，目前多采用分组均衡的方式。但是，目前的均衡器普遍存在能量转移效率低、均衡速度慢、对均衡能量的控制能力差的问题。

发明内容

针对大规模串联电池储能系统和电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联锂离子单体电池间能量不一致问题，本发明提供了一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器及其控制方法。

本发明的技术方案是：一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，由共用一个电池系统的第一重均衡电路和第二重均衡电路构成。

所述第一重均衡电路、第二重均衡电路均包括N*m个电池单元IBi、N-1个放电开关Tk构成的电池系统；每m个电池单元构成1个电池组，每个电池组通过一个放电开关连接，每个电池单元串联连接，每个电池单元均衡模块串联连接；

第一重均衡电路还包括N*m个电池单元均衡模块IAi；每个电池单元与对应的电池单元均衡模块连接；

第二重均衡电路还包括1个电感L、N个选通开关构成的开关矩阵、两个带反并联二极管的主控开关M1和M2、一个电压源E；每个开关矩阵串联连接，每个开关矩阵与对应的电池组连接，每个开关矩阵与电感一端、主控开关M1一端、电压源E负极连接，电感另一端与主控开关M1另一端和主控开关M2一端连接，主控开关M2另一端与电压源E正极连接；

其中，i＝1,2,...m；I＝1,2,...N；k＝1,2,...N-1。

所述N个选通开关构成的开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每一个开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H和下桥臂双层功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关；每个电池单元均衡模块IAi由六个带反并联二极管的功率开关和三个储能电感构成，每个电池单元由4个单体电池构成；

第一重均衡电路中，每个电池单元均衡模块与电池单元的电路结构为：电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的一端与对应电池单元的第1个单体电池的负极、第2个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的一端与对应对池单元的第3个单体电池的负极、第4个单体电池的正极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第四个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第1个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第四个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第4个单体电池的负极连接；电池单元均衡模块中第二层的储能电感的一端与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第二层的储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与第1个电池的正极相连，电池单元均衡模块中第二层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与第4个电池的负极相连；

第二重均衡电路中，所述N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H上端的m个功率开关引出的m条漏极引线与电感L的一端相连，电感L的另一端与主控开关M1和主控开关M2的一端相连，主控开关M2的另一端与电压源E的正极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的正极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S上端的m个功率开关引出的m条漏极引线连接在一起后共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的负极相连；N-1个放电开关Tk的两端各引出一条引线，分别与对应电池组的负极和相邻下一电池组的正极相连。

所述开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关、放电开关、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述电压源E由电池系统经DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器的控制方法，

在均衡时，均衡器实现电池组的二重能量均衡；

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的；第一重均衡分为两个阶段：第一个阶段通过电池单元均衡模块使相邻两个单体电池间能量一致；第二个阶段使电池单元内四个单体电池的能量一致；

在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡三种均衡实现：

当电池系统处于充电状态时，串联电池组中的能量最高的一个电池单元进行均衡放电；

当电池系统处于放电状态时，串联电池组中的能量最低的一个电池单元被均衡充电；

当电池系统处于静置状态时，电池系统中r个电池组中能量最高的一个电池单元并联同时均衡放电，均衡放电开始时，r个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，各个电池单元同时向电压源E放电，放电电流一致；或者/和电池系统中t个电池组中能量最低的一个电池单元并联同时被均衡充电，均衡充电开始时，t个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，电压源E同时向各个电池单元充电，充电电流一致；

其中，r≤N，t≤N，r、t取值为一个或者多个。

所述方法具体为：

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的，进行第一重能量均衡时，通过电池单元均衡模块使电池单元中串联的四个单体电池间的能量一致；均衡分两个阶段，通过对电池单元均衡模块中的功率开关进行PWM控制，第一个阶段使相邻两个单体电池的能量一致，第二个阶段使电池单元中的四单体电池能量一致；

完成第一重能量均衡后进行第二重能量均衡，第二重能量均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡进行：

充电均衡：当电池系统处于充电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自电池系统中能量最高的电池单元作为升压斩波电路的输入端进行均衡放电，均衡放电电流连续；

放电均衡：当电池系统处于放电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自电池系统中能量最低的电池单元作为降压斩波电路的输出端进行均衡充电，均衡充电电流连续；

静置均衡：当电池系统处于静置状态时，通过电池组的开关矩阵选通1个或多个电池组中能量最高或能量最低的电池单元，通过对主控开关M1或M2的控制同时实现多个电池单元的能量均衡；当对电池组中能量最高的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通r个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，均衡放电时，r个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当r个电池单元能量一致后，则并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电；当对电池组中能量最低的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通t个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡充电时，t个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当t个电池单元能量一致后，则t个电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电。

本发明的有益效果是：本发明在静置状态下进行第一重均衡，均衡模块电路原理简单且各模块相互独立，第二重均衡包括串联蓄电池系统充电、放电、静置三种状态下的均衡策略，均衡的拓扑电路原理简单；在电池静置状态下完成第一重能量均衡的前提下，在电池充电、放电、静置状态下进行第二重能量均衡，最终通过多重多状态的能量均衡实现电池系统中各串联单体电池之间的能量均衡。相比较现有的均衡器及控制方法，本发明的电路原理简单，同时配合本发明的方法可知均衡器最终能有效地实现能量均衡，同时均衡速度快、转移效率高、对均衡能量的控制能力更强。

附图说明

图1是本发明拓扑电路原理图；

图2是第一重能量均衡第一阶段的一个电池单元均衡模块电路图；

图3是第一重能量均衡第二阶段的一个电池单元均衡模块电路图；

图4是第二重能量均衡的充电均衡时的等效电路图；

图5是第二重能量均衡的放电均衡时的等效电路图；

图6是第二重能量均衡的静置均衡时的等效电路图一；

图7是第二重能量均衡的静置均衡时的等效电路图二；

其中，如附图2、3所示，灰色部分为断开状态，黑色部分为导通或工作状态。

具体实施方式

实施例1：如图1-7所示，一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，由共用一个电池系统的第一重均衡电路和第二重均衡电路构成。

进一步地，可以设置所述第一重均衡电路、第二重均衡电路均包括N*m个电池单元IBi、N-1个放电开关Tk构成的电池系统；每m个电池单元构成1个电池组，每个电池组通过一个放电开关连接，每个电池单元串联连接，每个电池单元均衡模块串联连接；

第一重均衡电路还包括N*m个电池单元均衡模块IAi；每个电池单元与对应的电池单元均衡模块连接；

第二重均衡电路还包括1个电感L、N个选通开关构成的开关矩阵、两个带反并联二极管的主控开关M1和M2、一个电压源E；每个开关矩阵串联连接，每个开关矩阵与对应的电池组连接，每个开关矩阵与电感一端、主控开关M1一端、电压源E负极连接，电感另一端与主控开关M1另一端和主控开关M2一端连接，主控开关M2另一端与电压源E正极连接；

其中，i＝1,2,...m；I＝1,2,...N；k＝1,2,...N-1。

进一步地，可以设置所述N个选通开关构成的开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每一个开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H和下桥臂双层功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关(所述上桥臂双层功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关IHi1和IHi2组成；所述下桥臂双层功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关ISi1和ISi2组成；其中，i＝1,2,...m；I＝1,2,...N)；每个电池单元均衡模块IAi由六个带反并联二极管的功率开关和三个储能电感构成，每个电池单元由4个单体电池构成；

第一重均衡电路中，每个电池单元均衡模块与电池单元的电路结构为：电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的一端与对应电池单元的第1个单体电池的负极、第2个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的一端与对应对池单元的第3个单体电池的负极、第4个单体电池的正极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第四个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第1个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第四个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第4个单体电池的负极连接；电池单元均衡模块中第二层的储能电感的一端与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第二层的储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与第1个电池的正极相连，电池单元均衡模块中第二层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与第4个电池的负极相连；

第二重均衡电路中，所述N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H上端的m个功率开关引出的m条漏极引线与电感L的一端相连，电感L的另一端与主控开关M1和主控开关M2的一端相连，主控开关M2的另一端与电压源E的正极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的正极相连(如开关矩阵1中上桥臂双层功率开关矩阵H下端的m个功率开关引出的m条引线与电池组1中对应的m个电池单元的正极连接)；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S上端的m个功率开关引出的m条漏极引线连接在一起后共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的负极相连；N-1个放电开关Tk的两端各引出一条引线，分别与对应电池组的负极和相邻下一电池组的正极相连(即Tk的一端与电池组k中第m个电池单元的第4个单体电池的负极连接，Tk的另一端与电池组k+1中第1个电池单元的第1个单体电池的的正极连接)。

进一步地，可以设置所述开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关、放电开关、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

进一步地，可以设置所述电压源E由电池系统经DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器的控制方法，

在均衡时，均衡器实现电池组的二重能量均衡；

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的；第一重均衡分为两个阶段：第一个阶段通过电池单元均衡模块使相邻两个单体电池间能量一致；第二个阶段使电池单元内四个单体电池的能量一致；

在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡三种均衡实现：当电池系统处于充电状态时，串联电池组中的能量最高的一个电池单元进行均衡放电；当电池系统处于放电状态时，串联电池组中的能量最低的一个电池单元被均衡充电；当电池系统处于静置状态时，电池系统中r个电池组中能量最高的一个电池单元并联同时均衡放电，均衡放电开始时，r个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，各个电池单元同时向电压源E放电，放电电流一致；或者/和电池系统中t个电池组中能量最低的一个电池单元并联同时被均衡充电，均衡充电开始时，t个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，电压源E同时向各个电池单元充电，充电电流一致；其中，r≤N，t≤N，r、t取值为一个或者多个(第一重均衡是针对每个电池单元中的四个串联单体电池，比如1B1中有四个单体电池1BT11、1BT12、1BT13和1BT14，第一阶段均衡使1BT11和1BT12、1BT13和1BT14的能量均衡；第二阶段均衡使四个单体电池能量均衡。而第二重均衡是使每个电池单元之间能量均衡，即每个电池单元之间能量趋于一致)。

进一步地，可以设置所述方法具体为：

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的，进行第一重能量均衡时，通过电池单元均衡模块使电池单元中串联的四个单体电池间的能量一致；均衡分两个阶段，通过对电池单元均衡模块中的功率开关进行PWM控制，第一个阶段使相邻两个单体电池的能量一致，第二个阶段使电池单元中的四单体电池能量一致；

第一个阶段如图2所示，若单体电池1BT11和1BT14能量较高，则控制MOSFET开关1Q111与1Q114，利用储能电感1L111和1L112将能量转移至单体电池1BT12和1BT13，从而使相邻两个单体电池的能量一致，第二个阶段如图3所示，若单体电池1BT13和1BT14的总能量高于1BT11和1BT12的总能量，则控制MOSFET开关1Q122，利用储能电感1L121将能量转移至单体电池1BT11和1BT12，从而使电池单元中的四单体电池能量一致。

完成第一重能量均衡后进行第二重能量均衡，第二重能量均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡进行：

充电均衡：当电池系统处于充电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自电池系统中能量最高的电池单元作为升压斩波电路的输入端进行均衡放电，均衡放电电流连续；

如图4所示，电池系统处于充电状态时，假设串联电池系统中的电池单元IBi的能量最高。均衡时，电池单元IBi通过选通开关矩阵中相应的开关，同时与电感L串联。等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，被均衡的电池单元IBi处于升压斩波电路的输入端。均衡时，控制选通开关矩阵中的开关IHi1、IHi2和ISi1、ISi2导通，则电池组中的电池单元IBi被选通，然后对主控开关M1进行PWM控制，则电池单元均衡放电。由于均衡放电的电池单元位于升压斩波电路的输入端，因此均衡放电电流连续。通过电池系统充电状态下的均衡策略，使电池组中能量最高的电池单元均衡放电，一方面提高每个电池组及整个电池系统的充电容量，另一方面也使电池系统中能量最高的电池单元的能量得到均衡。

放电均衡：当电池系统处于放电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自电池系统中能量最低的电池单元作为降压斩波电路的输出端进行均衡充电，均衡充电电流连续；

如图5所示，电池系统处于放电状态时，假设电池系统中串联的电池单元JBj的能量最低。均衡时，电池单元JBj通过选通开关矩阵中相应的开关，同时与电感L串联。等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，被均衡的电池单元JBj处于降压斩波电路的输出端。均衡时，控制选通开关矩阵的开关JHj1、JHj2和JSj1、JSj2导通，则电池组中的电池单元JBj被选通，然后对主控开关M2进行PWM控制，则电池单元均衡充电，均衡充电电流连续。通过电池系统放电状态下的均衡策略，使电池组中能量最低的电池单元均衡充电，一方面提高每个电池组及整个电池系统的放电容量，另一方面也使电池系统中能量最低的电池单元的能量得到均衡。

静置均衡：当电池系统处于静置状态时，通过电池组的开关矩阵选通1个或多个电池组中能量最高或能量最低的电池单元，通过对主控开关M1或M2的控制同时实现多个电池单元的能量均衡；

当对电池组中能量最高的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通r个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，均衡放电时，r个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当r个电池单元能量一致后，则并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，放电电流一致；

如图6所示，通过选通r个电池单元对应的开关，使得r个电池单元并联，在均衡放电时，高能量电池单元先直接对低能量电池单元充电，迅速使得各电池单元能量一致，然后r个电池单元同时并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电，放电电流一致。

当对电池组中能量最低的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通t个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡充电时，t个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当t个电池单元能量一致后，则t个电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电。

如图7所示，通过选通t个电池单元对应的开关，使得t个电池单元并联，在均衡充电时，高能量电池单元先直接对低能量电池单元充电，迅速使得各电池单元能量一致，然后t个电池单元同时并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电，放电电流一致。

根据实际能量均衡情况，可以同时工作，也可以部分均衡模块工作。电池单元间能量均衡完成后，通过开关矩阵及充放电均衡控制可实现整个电池系统的静置均衡。

本发明的工作原理是：

均衡器以电感为储能元件，均衡电路中的功率开关器件均为逆导型功率开关器件，在均衡中通过二重能量均衡实现电池组的能量均衡控制。首先进行第一重能量均衡，第一重能量均衡是在电池系统处于静置状态时进行，通过第一重能量均衡实现电池单元中四个串联的单体电池间的能量均衡。在完成第一重能量均衡的前提下进行第二重能量均衡，第二重能量均衡根据电池系统的三种不同的工作状态分为充电均衡、放电均衡和静置均衡。充电均衡：选通电池系统中串联的能量最高的一个电池单元，然后通过对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，此时被选通的电池单元为升压斩波电路的输入端而被均衡放电；放电均衡：选通电池系统中串联的能量最低的一个电池单元，通过对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，此时被选通的电池单元为降压斩波电路的输出端而被均衡充电；静置均衡：选通r个电池组中能量最高的电池单元，通过对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，均衡放电时，r个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当r个电池单元能量一致后，则r个电池单元并联作为升压斩波电路的输入端而同时被均衡放电；或者选通t个电池组中能量最低的电池单元，通过对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡充电时，t个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当t个电池单元能量一致后，则t个电池单元并联作为降压斩波电路的输出端而同时被均衡充电。在实际的应用过程中，可以根据各电池单元的荷电状态不一致程度，通过调节占空比来调节均衡电流的大小；其中，r≤N，t≤N，r、t取值为一个或者多个。

如目前某些利用电感均衡的均衡器，仅能实现相邻电池之间的能量均衡。若要实现第一个电池单元与第i个电池单元的能量均衡，均衡器最少需要工作i-1次，而本发明可以一次性实现不同间隔电池单元的能量均衡。本发明所述均衡器，在静止状态下可实现j个电池单元同时均衡，均衡速度提高j倍(i，j∈N*，N*为正整数)，使得效率高。且多个电池单元同时进行第二重静置均衡时，整个均衡电路仅利用一个储能电感进行能量转移，只需对可控开关M1或M2进行控制，从而减少了需要PWM波控制的可控开关个数，对均衡能量的控制能力更强。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，其特征在于：由共用一个电池系统的第一重均衡电路和第二重均衡电路构成。

2.根据权利要求1所述的串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，其特征在于：所述第一重均衡电路、第二重均衡电路均包括N*m个电池单元IBi、N-1个放电开关Tk构成的电池系统；每m个电池单元构成1个电池组，每个电池组通过一个放电开关连接，每个电池单元串联连接，每个电池单元均衡模块串联连接；

第一重均衡电路还包括N*m个电池单元均衡模块IAi；每个电池单元与对应的电池单元均衡模块连接；

第二重均衡电路还包括1个电感L、N个选通开关构成的开关矩阵、两个带反并联二极管的主控开关M1和M2、一个电压源E；每个开关矩阵串联连接，每个开关矩阵与对应的电池组连接，每个开关矩阵与电感一端、主控开关M1一端、电压源E负极连接，电感另一端与主控开关M1另一端和主控开关M2一端连接，主控开关M2另一端与电压源E正极连接；

其中，i＝1,2,...m；I＝1,2,...N；k＝1,2,...N-1。

3.根据权利要求2所述的串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，其特征在于：所述N个选通开关构成的开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每一个开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H和下桥臂双层功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关；每个电池单元均衡模块IAi由六个带反并联二极管的功率开关和三个储能电感构成，每个电池单元由4个单体电池构成；

第一重均衡电路中，每个电池单元均衡模块与电池单元的电路结构为：电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的一端与对应电池单元的第1个单体电池的负极、第2个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的一端与对应对池单元的第3个单体电池的负极、第4个单体电池的正极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第四个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接；电池单元均衡模块中第一层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第1个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第三个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第一层的第四个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与对应电池单元的第4个单体电池的负极连接；电池单元均衡模块中第二层的储能电感的一端与对应电池单元的第2个单体电池的负极、第3个单体电池的正极连接，电池单元均衡模块中第二层的储能电感的另一端与电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的源极、第二个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极连接，电池单元均衡模块中第二层的第一个带反并联二极管的Mosfet开关的漏极与第1个电池的正极相连，电池单元均衡模块中第二层的第二个带反并联二极管的Mosfet开关的源极与第4个电池的负极相连；

第二重均衡电路中，所述N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H上端的m个功率开关引出的m条漏极引线与电感L的一端相连，电感L的另一端与主控开关M1和主控开关M2的一端相连，主控开关M2的另一端与电压源E的正极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的上桥臂双层功率开关矩阵H下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的正极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S上端的m个功率开关引出的m条漏极引线连接在一起后共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；N个选通开关构成的开关矩阵的下桥臂双层功率开关矩阵S下端的m个功率开关引出的m条漏极引线分别与各个电池单元的负极相连；N-1个放电开关Tk的两端各引出一条引线，分别与对应电池组的负极和相邻下一电池组的正极相连。

4.根据权利要求2所述的串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，其特征在于：所述开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关、放电开关、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

5.根据权利要求2所述的串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器，其特征在于：所述电压源E由电池系统经DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

6.一种控制权利要求1-5中任一项所述的串联蓄电池系统多重多状态能量均衡器的方法，其特征在于：

在均衡时，均衡器实现电池组的二重能量均衡；

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的；第一重均衡分为两个阶段：第一个阶段通过电池单元均衡模块使相邻两个单体电池间能量一致；第二个阶段使电池单元内四个单体电池的能量一致；

在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡三种均衡实现：

当电池系统处于充电状态时，串联电池组中的能量最高的一个电池单元进行均衡放电；

当电池系统处于放电状态时，串联电池组中的能量最低的一个电池单元被均衡充电；

当电池系统处于静置状态时，电池系统中r个电池组中能量最高的一个电池单元并联同时均衡放电，均衡放电开始时，r个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，各个电池单元同时向电压源E放电，放电电流一致；或者/和电池系统中t个电池组中能量最低的一个电池单元并联同时被均衡充电，均衡充电开始时，t个电池单元中能量高的电池单元先直接给能量低的电池单元放电，当各个电池单元能量一致时，电压源E同时向各个电池单元充电，充电电流一致；

其中，r≤N，t≤N，r、t取值为一个或者多个。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法具体为：

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的，进行第一重能量均衡时，通过电池单元均衡模块使电池单元中串联的四个单体电池间的能量一致；均衡分两个阶段，通过对电池单元均衡模块中的功率开关进行PWM控制，第一个阶段使相邻两个单体电池的能量一致，第二个阶段使电池单元中的四单体电池能量一致；

完成第一重能量均衡后进行第二重能量均衡，第二重能量均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡进行：

充电均衡：当电池系统处于充电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自电池系统中能量最高的电池单元作为升压斩波电路的输入端进行均衡放电，均衡放电电流连续；

放电均衡：当电池系统处于放电状态时，通过开关矩阵选通电池系统中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自电池系统中能量最低的电池单元作为降压斩波电路的输出端进行均衡充电，均衡充电电流连续；

静置均衡：当电池系统处于静置状态时，通过电池组的开关矩阵选通1个或多个电池组中能量最高或能量最低的电池单元，通过对主控开关M1或M2的控制同时实现多个电池单元的能量均衡；当对电池组中能量最高的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通r个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，均衡放电时，r个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当r个电池单元能量一致后，则并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电；当对电池组中能量最低的电池单元均衡时，通过开关矩阵选通t个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，均衡充电时，t个电池单元中的高能量电池单元先直接向低能量电池单元放电，当t个电池单元能量一致后，则t个电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电。

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