CN112910042A - 一种串联电池组主动均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种串联电池组主动均衡系统，包括电感、串联电池组、与串联电池组连接的电池管理单元、与电池管理单元连接的控制器、与控制器连接的开关驱动器、与连接的若干开关单元；电池管理单元计算各个单体电池的SOC值并发送到控制器，所述控制器根据各个单体电池的SOC值判断所需要均衡的单体电池，并发出开关控制指令到开关驱动器，所述开关驱动器根据开关控制指令对开关单元进行控制以实现对所需要均衡的单体电池进行均衡操作。本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：均衡拓扑易于拓展，电池组内电池数量增加时只需增加相应的开关数量；以各个单体电池的SOC值为依据来进行均衡操作。

Description

一种串联电池组主动均衡系统

技术领域

本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种串联电池组主动均衡系统。

背景技术

近年来，随着动力电池在电动汽车动力系统中的广泛应用，逐渐暴露出一系列诸如耐久性、可靠性和安全性等方面的问题。在电池组串联使用的过程中，受制造工艺、工作条件的影响，电池组内各单体电池通常存在不一致性，这种不一致性最终将导致整个电池组的有效容量降低、循环寿命衰减，电池成组后单体之间的不一致是引起这一系列问题的主要原因之一，因此均衡对于改善电池组的不一致具有重要意义。

按照均衡过程中能量的流动和变换形式可以分为有源均衡和无源均衡两大类。无源均衡电路将多余电量通过电阻放掉，造成能源的浪费并产生热量。有源均衡将无耗散元件用作储能器件，充分利用电池中存储的所有能量，从而最大限度地提高了电池的可用容量，与无源平衡方法相比，浪费的能量很少。如何保证电池在充电、放电过程中进行电池组快速高效的动态主动均衡控制,是保证电池的安全性、可靠性以及充分发挥其化学效能的一项关键技术。

专利(公开号CN201911021857.0)提出了一种基于单电感的新型锂离子电池cell-to-cell模块化均衡电路及控制方法，可以实现任意奇数号电池与偶数号电池之间的能量传输，但需要的开关管数量过多，2n个单体电池需要6n+2个MOSFET，均衡的电池数目必须是偶数个，在一个模块内由于采用单刀双掷开关只能选择两个单体电池，不能任意增添电池个数。并且以电压作为均衡变量，易受极化电压、直流内阻等因素的影响,不能客观地反映电池能量的真实情况，没有从本质上改善单体电池间容量的差异，也没有有效地提高电池组的可用容量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种串联电池组主动均衡系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种串联电池组主动均衡系统，包括：

包括电感、串联电池组、与串联电池组连接的电池管理单元、与电池管理单元连接的控制器、与控制器连接的开关驱动器、与连接的若干开关单元；

所述串联电池组包括若干串联连接的单体电池，编号依次为B1、B2、B3、……Bn；所述单体电池的正极分别连接开关单元，编号依次为S1、S2、S3……Sn；其中，编号为奇数的开关单元连接电感的一端，编号为偶数的开关单元连接电感的另一端；所述开关单元的控制端均连接开关驱动器；

所述电池管理单元计算各个单体电池的SOC值并发送到控制器，所述控制器根据各个单体电池的SOC值判断所需要均衡的单体电池，并发出开关控制指令到开关驱动器，所述开关驱动器根据开关控制指令对开关单元进行控制以实现对所需要均衡的单体电池进行均衡操作。

优选的，所述开关单元包括两个反向串联N沟道MOSFET。

优选的，设定均衡拓扑的启动均衡阈值θ，当串联电池组中各单体电池的SOC值与电池组SOC平均值的最大差值大于均衡阈值θ时，控制器执行均衡操作；所述控制器选取SOC值最高的单体电池编号为Bx，SOC值最低的单体电池编号为By，其中x，y为串联电池组中单体电池的序号。

优选的，若编号Bx为偶数号，且编号By也为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By-1的单体电池充电；

若编号Bx为偶数号，编号By为奇数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池直接给编号By的单体电池充电；

若编号Bx为奇数号，编号By为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体直接向编号By的单体充电；

若编号Bx为奇数号，编号By也为奇数号，则先判断编号Bx和By的先后位置顺序，若编号Bx在前，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By-1的单体电池充电；若编号Bx在后，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By+1的单体电池充电。

优选的，所述电池管理单元实时计算各单体电池的SOC值，判断各单体电池的SOC值与电池组SOC平均值差值是否小于均衡阈值θ，若SOC差值小于均衡阈值θ，则结束均衡，否则继续执行均衡操作。

本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：

1.均衡拓扑易于拓展，电池组内电池数量增加时只需增加相应的开关数量；

2.以各个单体电池的SOC值为依据来进行均衡操作，不易受极化电压、直流内阻等因素的影响，能客观地反映电池能量的真实情况；

3.均衡拓扑简单，耗材少，n个单体电池均衡只需要一个电感和2n个开关管，特别是与传统的相邻电池间的均衡结构相比，本发明可以实现串联电池组中任意奇数号电池与任意偶数号电池间的均衡，减少了n-2个电感，其体积、重量和实施成本均降低；

4.采用了低导通损耗的双向开关，能量可以双向流动，克服传统飞渡电感均衡里二极管带来的系统损耗并且减少了n个二极管。

本发明的具体技术方案及其有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图进行详细的说明。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1为本发明一种串联电池组主动均衡系统的结构示意图；

图2为本发明一种串联电池组主动均衡系统中开关单元的电路结构图；

图3为本发明一种串联电池组主动均衡系统的均衡方法流程示意图。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

参考图1所示，一种串联电池组主动均衡系统，包括电感L、串联电池组、与串联电池组连接的电池管理单元、与电池管理单元连接的控制器、与控制器连接的开关驱动器、与连接的若干开关单元。

其中，串联电池组包括若干串联连接的单体电池，编号依次为B1、B2、B3、……Bn；所述单体电池的正极分别连接开关单元，编号依次为S1、S2、S3……Sn；其中，编号为奇数的开关单元连接电感的一端，编号为偶数的开关单元连接电感的另一端；所述开关单元的控制端均连接开关驱动器。

电池管理单元计算各个单体电池的SOC值并发送到控制器，所述控制器根据各个单体电池的SOC值判断所需要均衡的单体电池，并发出开关控制指令到开关驱动器，所述开关驱动器根据开关控制指令对开关单元进行控制以实现对所需要均衡的单体电池进行均衡操作。

在现有技术中，均衡的单体电池数目必须是偶数个，在一个模块内由于采用单刀双掷开关只能选择两个单体电池，不能任意增添电池个数。本系统中的均衡拓扑结构易于拓展，当电池组内单体电池数量增加时只需增加相应的开关单元数量。

在现有技术中，以电压作为均衡变量，易受极化电压、直流内阻等因素的影响，不能客观地反映电池能量的真实情况，没有从本质上改善单体电池间容量的差异，也没有有效地提高电池组的可用容量。在本实施例中，以各个单体电池的SOC值为依据来进行均衡操作，不易受极化电压、直流内阻等因素的影响，能客观地反映电池能量的真实情况。

在本实施例中，如图2所示，开关单元包括两个反向串联N沟道MOSFET，依次编号为Q(i)1、Q(i)2，i＝1、2……n，其中Q(i)1的S级与Q(i)2的S级相连，Q(i)1的D级和Q(i)2的D级分别与单体电池的一端和电感的一端相连接。

本发明所采用的系统均衡拓扑简单，耗材少。n个单体电池均衡只需要一个电感和2n个开关管，特别是与传统的相邻电池间的均衡结构相比，本发明均可以实现串联电池组中任意奇数号电池与任意偶数号电池间的均衡，减少了n-2个电感，其体积、重量和实施成本都降低了。

本发明采用了低导通损耗的双向开关，能量可以双向流动，克服传统飞渡电感均衡里二极管带来的系统损耗并且减少了n个二极管。

控制器接收由电池管理单元估算出的SOC值并执行逻辑判断功能，输出PWM信号至开关驱动器，通过控制MOSFET的通断来决定需要均衡的单体电池。

PWM信号通过四选一多路选择器来选择，进而控制双向选通开关单元的通断，D1、D2、D3、D4为四选一多路选择器中的数据输入端，D1端连接一个正向脉冲，D2端连接一个高位恒定脉冲，D3端连接一个和D1端脉冲在一个周期内互补的反向脉冲，D4端连接一个低位恒定脉冲。控制器通过逻辑判断选择四个输入端口中的一个输出来控制开关单元的通断。

在进行电池均衡时，只考虑均衡电池对所对应的开关单元，其余开关单元均关断，当SOC值最高的单体电池和SOC值最低的单体电池不为相邻电池时，驱动选通开关单元的PWM信号脉冲在一个周期内互补。

当SOC值最高的单体电池和SOC最低值的单体电池不相邻电池时，共用的双选开关在相邻电池间均衡时在一个开关周期内持续导通，剩余一对开关周期导通。

根据电池SOC值选通单体电池与电感相连，由SOC高值的电池向SOC值低的单体电池充电，实现能量的转移。并且该均衡电路可实现单体电池在充电、放电和静置三种状态间的均衡。

在本实施例中，如图3所示，一种串联电池组主动均衡系统的均衡方法如下：

S1、电池管理单元通过算法估算各个单体电池的SOC值并将值传入控制器，控制器接收后通过均衡控制方法确定所需要均衡的单体电池，进行均衡操作。

S2、设定均衡拓扑的启动均衡阈值θ，当串联电池组中各单体电池SOC值与电池组SOC平均值的最大差值大于θ时，均衡电路启动工作，选取SOC差值最大的一对单体电池并确定它们的位置编号，记录SOC值最高的单体电池编号为Bx，SOC值最低的单体电池编号为By，其中x，y为串联电池组中单体电池的序号。

S3、若编号Bx为偶数号，编号By也为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池直接给编号向编号By-1的单体电池充电；若编号Bx为偶数号，编号By为奇数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池直接给编号By的单体电池充电；若编号Bx为奇数号，编号By为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体直接向编号By的单体充电；若编号Bx为奇数号，编号By也为奇数号，则先判断编号Bx和By的先后位置顺序，若编号Bx在前，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By-1的单体电池充电；若编号Bx在后，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By+1的单体电池充电。

S4、实时估算各个单体电池SOC值，判断各单体电池SOC值与电池组SOC平均值差是否小于均衡阈值θ，若SOC差值小于均衡阈值，则结束均衡，否则返回步骤S3继续执行。

进一步地，所述均衡系统可以实现任意奇数号电池B1、B3、B5、……B2n-1与任意偶数号电池B2、B4、B6、……B2n之间的能量传输。并且奇数号电池与奇数号电池之间和偶数号电池与偶数号电池之间的能量传递需先将能量传递到旁边相邻的电池中，再相邻电池间能量传递，实现均衡。

进一步地，步骤S3中各单体电池充放电时开关序列为：

若x为奇数，y为偶数，且x，y不为相邻数时，在一个开关周期内，先导通双向选通开关单元Sx中的Q(x)1、Q(x)2和Sx+1中的Q(x+1)1、Q(x+1)2，单体电池Bx放电，储能电感充电；随后导通双选开关Sy中的Q(y)1、Q(y)2与Sy+1的Q(y+1)1、Q(y+1)2，关断Sx和Sx+1，储能电感放电，单体电池By充电，双向选通开关Sx、Sx+1和Sy、Sy+1在一个周期内交替导通，一个开关周期结束时关断所有开关单元。

若x和y为相邻数时，在一个开关周期内，先导通开关单元Sx中的Q(x)1、Q(x)2和Sx+1中的Q(x+1)1、Q(x+1)2，单体电池Bx放电，储能电感充电；随后导通开关单元Sy+1中的Q(y+1)1、Q(y+1)2，关断开关单Sx，储能电感放电，单体电池By充电，双向选通开关Sx和Sy+1在一个周期内交替导通。

同理可得其它情况时开关单元的导通关断状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种串联电池组主动均衡系统，其特征在于，包括电感、串联电池组、与串联电池组连接的电池管理单元、与电池管理单元连接的控制器、与控制器连接的开关驱动器、与连接的若干开关单元；

所述串联电池组包括若干串联连接的单体电池，编号依次为B1、B2、B3、……Bn；所述单体电池的正极分别连接开关单元，编号依次为S1、S2、S3……Sn；其中，编号为奇数的开关单元连接电感的一端，编号为偶数的开关单元连接电感的另一端；所述开关单元的控制端均连接开关驱动器；

所述电池管理单元计算各个单体电池的SOC值并发送到控制器，所述控制器根据各个单体电池的SOC值判断所需要均衡的单体电池，并发出开关控制指令到开关驱动器，所述开关驱动器根据开关控制指令对开关单元进行控制以实现对所需要均衡的单体电池进行均衡操作。

2.根据权利要求1所述的一种串联电池组主动均衡系统，其特征在于，所述开关单元包括两个反向串联N沟道MOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种串联电池组主动均衡系统，其特征在于，设定均衡拓扑的启动均衡阈值θ，当串联电池组中各单体电池的SOC值与电池组SOC平均值的最大差值大于均衡阈值θ时，控制器执行均衡操作；所述控制器选取SOC值最高的单体电池编号为Bx，SOC值最低的单体电池编号为By，其中x，y为串联电池组中单体电池的序号。

4.根据权利要求3所述的一种串联电池组主动均衡系统，其特征在于，

若编号Bx为偶数号，且编号By也为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By-1的单体电池充电；

若编号Bx为偶数号，编号By为奇数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池直接给编号By的单体电池充电；

若编号Bx为奇数号，编号By为偶数号，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体直接向编号By的单体充电；

若编号Bx为奇数号，编号By也为奇数号，则先判断编号Bx和By的先后位置顺序，若编号Bx在前，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By-1的单体电池充电；若编号Bx在后，则对开关单元进行控制以实现编号Bx的单体电池向编号By+1的单体电池充电。

5.根据权利要求3所述的一种串联电池组主动均衡系统，其特征在于，

所述电池管理单元实时计算各单体电池的SOC值，判断各单体电池的SOC值与电池组SOC平均值差值是否小于均衡阈值θ，若SOC差值小于均衡阈值θ，则结束均衡，否则继续执行均衡操作。

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