CN113794251A - 退役动力电池组的分层均衡电路及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种退役动力电池组的分层均衡电路及实现方法，该分层均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、微控制器，电压采样电路、开关驱动电路。本发明对退役动力电池组分层均衡，底层均衡模块采用集中式均衡电路，减小了电路体积，降低成本，顶层均衡模块采用分布式均衡电路，降低电路的控制难度，提升电路的可拓展性。该均衡电路实现方法不仅可以实现底层均衡模块内部同时均衡，还实现了底层均衡模块之间的均衡，综合考虑了均衡电路的体积、均衡速度和可拓展性。

Description

退役动力电池组的分层均衡电路及实现方法

技术领域

本发明涉及串联锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种退役动力电池组的分层均衡电路及实现方法。

背景技术

近年来随着环境问题和能源危机的凸显，我国新能源汽车行业发展迅速，新能源汽车的主要动力来源的电池，虽然减少了石油等不可再生能源的消耗和污染性气体的排放，但是新能源汽车保有量的激增也导致大量废旧动力电池面临退役。按照行业内标准，动力电池一般在剩余80％标称容量时就应该退役更换，动力电池退役并不是真正意义上的报废，而是电池本身的电量已经不能再满足原有新能源汽车的要求，但是退役的电池还可以用于智能电网的削峰填谷、储能电站等需求低的场合，如果直接将退役的电池当作报废的电池处理，不仅会造成严重的环境污染，也会浪费大量的资源，因此退役电池梯次利用技术已成为国内外研究热点。因此，对于退役动力电池组电压均衡方法的研究具有重大的实际意义。

中国发明专利(申请号CN202011043541.4)公开一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法，实现同时对多组小电池组或多个电池单体进行均衡，极大提高电池均衡速度，但是由于组内和组间都用到大量变压器，当电池组中电池单体的数量庞大时，一方面均衡电路的体积十分大，另一方面将会产生大量的损耗。

中国发明专利(申请号CN201711298800.6)公开一种模块化均衡电路及其均衡方式，通过模块化均衡，实现对串联电池组的高效均衡，但是其顶层和底层均采用分布式均衡电路，没有综合考虑集中式和分布式均衡电路各自的优点，降低了电池组的可拓展性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种退役动力电池组的分层均衡电路及实现方法。本发明通过将退役动力电池进行分组，一方面考虑到集中式均衡电路需要更少的储能元器件，结构简单，体积较小、成本不高的优点，另一方面考虑到分布式均衡电路控制简单，可拓展性较强的优点，所以本发明组内采用集中式均衡电路、组间采用分布式均衡电路的方式对退役动力电池组进行均衡，实现对退役动力电池进行快速均衡，同时综合兼顾了均衡电路的成本、体积、可拓展性。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种退役动力电池组的分层均衡电路，所述分层均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、微控制器、电压采样电路、开关驱动电路；

所述底层均衡电路由n个底层均衡模块组成，依次命名为M₁、M₂、…M_i、…M_n，i＝1、2、…、n；

其中每个底层均衡模块M_i包括4节串联电池单体B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5，一个电感L_i，5个单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4；

其中双向选通开关S_ik和S_i(k+1)分别接在电池B_ik的负极和正极，k＝1,2,3,4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5均是由两个N沟道MOSFET反向串联而成；

其中单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4均是由二极管和N沟道MOSFET串联而成，单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i4中二极管的正极和N沟道MOSFET的源极接在一起，单向导通开关Q_i2、Q_i3中二极管的负极和N沟道MOSFET的漏极接在一起；

其中单向导通开关Q_i1的二极管一端和单向导通开关Q_i2的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i3的二极管一端和单向导通开关Q_i4的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的另一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点，单向导通开关Q_i4并联在电感L_i两侧，单向导通开关Q_i0的二极管一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i0的N沟道MOSFET一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点；

所述顶层均衡电路由n-1个顶层均衡模块组成，依次命名为T₁、T₂、…T_j、…T_n-1，j＝1、2、…、n-1；

其中每个顶层均衡模块T_j包括2个电感L_j1、L_j2，4个N沟道MOSFET开关S_aj、S_bj、S_cj、S_dj；

其中S_aj的源极和S_bj的漏极接在一起，S_cj的源极和S_dj的漏极接在一起，S_aj的源极和S_cj的源极接在一起，接在一起的端点称为A_j，S_bj的漏极和S_dj的漏极接在一起，接在一起的端点称为B_j，L_j1的一端接在S_aj和S_bj的连接点，L_j2的一端接在S_cj和S_dj中间，L_j1的另一端和L_j2的另一端接在一起，接在一起的端点称为C_j；

其中端点A_j接在底层均衡模块M_i＝j的正极，端点B_j接在底层均衡模块M_i＝j+1的负极，端点C_j接在底层均衡模块M_i＝j的负极；

所述微控制器接收处理电压采样电路传入的电压信号，输出开关信号，通过开关驱动电路放大信号，驱动相应的开关管；所述电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压。

进一步优选的实施方式中，所述底层均衡模块存在3个工作模态，分别为：电感充电模态、电荷保持模态、电感放电模态；

当处于电感充电模态时，通过开关驱动电路将底层均衡模块M_i中电池电压最高的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于充电状态，通过对开关导通时间T_on的设置从而实现对峰值电流i_peak的控制；当处于电荷保持模态时，电感L_i通过单向导通开关Q_i0形成回路，将电荷保持在电感L_i中，这一模态的存在保证在不同电池之间切换时不会出现短路的情况；当电感L_i处于放电状态时，通过开关电路将底层均衡模块M_i中电池电压最低的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于放电状态，通过对开关关断时间T_off的设置，将电感L_i设置成断续工作模式。

进一步优选的实施方式中，所述顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交错地处于充电和放电的状态；

其中，所述顶层均衡模块T_j存在2个均衡模式，均衡模式1：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压大于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；均衡模式2：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压小于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；

其中，均衡模式1下，前半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态；

其中，均衡模式2下，控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态。

进一步优选的实施方式中，所述均衡模式1的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_aj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_aj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_bj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通时间T_on(aj)使得电感L_j1处于断续工作模式；

所述均衡模式1的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_cj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_cj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_dj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通时间T_on(cj)使得电感L_j2处于断续工作模式。

进一步优选的实施方式中，所述均衡模式2的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_bj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_bj关断时，电感L_j1通过S_aj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通时间T_on(bj)使得电感L_j1处于断续工作模式；

所述均衡模式2的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_dj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_dj关断时，电感L_j2通过N沟道MOSFET开关S_cj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通时间T_on(dj)使得电感L_j2处于断续工作模式。

进一步优选的实施方式中，所述顶层均衡模块实现能量在底层均衡模块之间传输，在两种均衡模式下均将整个周期T分为时间相同的两个部分T₁和T₂，满足T₁＝T₂＝T/2，在这两个半周期内顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交替地充电和放电，在一个周期内，顶层均衡模块T_j所连接的底层均衡模块M_i＝j和M_i＝j+1都处于工作状态。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种退役动力电池组的分层均衡电路的实现方法，所述实现方法包括以下步骤：

S1、电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压，并将采集到的电压信息送入微处理器；

S2、微控制器对采集到的电压信息进行处理，得到每个底层均衡模块M_i中的最大电压电池B_imax和最小电压电池B_imin，以及所有底层均衡模块中串联电池组电压和的最大值M_max和串联电池组电压和的最小值M_min；

S3、若B_imax-B_imin大于预先设置的底层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开启相应的底层均衡模块M_i；

S4、若所有的B_imax-B_imin均小于预先设置的底层均衡阈值，则进入步骤S5，否则返回步骤S3；

S5、若M_max-M_min大于预先设置的顶层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开始进行顶层均衡，否则停止均衡；

S6、均衡一段时间t_eq之后，停止均衡一段时间t_w，返回步骤S1。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明综合考虑集中式和分布式均衡电路的优点，底层均衡模块采用集中式均衡电路，使用更少的储能元器件，有利于减小电路体积，降低成本，顶层均衡模块采用分布式均衡电路，电路控制简单，可拓展性强，有利于整体上降低电路的控制难度，提升电路的可拓展性；

(2)底层均衡模块在电感充电和放电模态之间加入电荷保持模态，避免电池间出现短路的情况，同时，为防止电感电流在放电结束后出现逆流而导致电压低的电池放电的情况，底层均衡模块中的集中式均衡电路结构不需要额外的电流传感器，只需控制开关的导通即可，电路的中的二极管有效地避免了电感中电流的逆向流动；

(3)顶层均衡模块中的两个电感交替地处于充电和放电的状态，与其相连的两个底层均衡模块在一个周期中都处于工作状态，相比于传统的基于Buck-boost电路的均衡电路而言，提升了均衡电路的速度和效率；

(4)本发明提出的均衡电路的实现方法不仅让所有底层均衡电路内部都完成均衡，而且也实现所有底层均衡模块之间完成均衡，电路结构易于拓展，适用于退役动力电池的均衡。

附图说明

图1是本发明实施例中提出的退役动力电池组的分层均衡电路的原理图；

图2是本发明实施例中底层均衡模块M_i的电路结构图；

图3是本发明实施例中顶层均衡模块T_j的电路结构图；

图4是适用于8节串联退役电池单体的退役动力电池组的分层均衡电路的电路图；

图5是本发明实施例中底层均衡模块中电感充电模态的状态图；

图6是本发明实施例中底层均衡模块中电荷保持模态状态图；

图7是本发明实施例中底层均衡模块中电感放电模态状态图；

图8是本发明实施例中底层均衡模块中电感电流仿真波形；

图9是本发明实施例中顶层均衡模块前半个周期的电流流向图；

图10是本发明实施例中顶层均衡模块后半个周期的电流流向图；

图11是本发明实施例中顶层均衡模块一个周期内电感L₁₁和L₁₂电流仿真波形；

图12是8节串联电池在PSIM9.1软件上进行仿真的电压轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种退役动力电池组的分层均衡电路，所述分层均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、微控制器、电压采样电路、开关驱动电路；

所述底层均衡电路由n个底层均衡模块组成，依次命名为M₁、M₂、…M_i、…M_n，i＝1、2、…、n；

其中每个底层均衡模块M_i包括4节串联电池单体B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5，一个电感L_i，5个单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4；

其中双向选通开关S_ik和S_i(k+1)分别接在电池B_ik的负极和正极，k＝1,2,3,4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5均是由两个N沟道MOSFET反向串联而成；

其中单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4均是由二极管和N沟道MOSFET串联而成，区别在于Q_i0、Q_i1、Q_i4中二极管的正极和N沟道MOSFET的源极接在一起，Q_i2、Q_i3中二极管的负极和N沟道MOSFET的漏极接在一起；

其中单向导通开关Q_i1的二极管一端和单向导通开关Q_i2的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i3的二极管一端和单向导通开关Q_i4的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的另一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点，单向导通开关Q_i4并联在电感L_i两侧，单向导通开关Q_i0的二极管一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i0的N沟道MOSFET一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点，单向导通开关Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4和电感L_i的连接结构使得电流在电感L_i中只能单向流动，不需要额外的电流检测电路控制所有的开关在电流过零时刻关闭，有效地避免了在电荷保持模态结束后出现电池电压低的电池给电感L_i充电的情况；

所述顶层均衡电路由n-1个顶层均衡模块组成，依次命名为T₁、T₂、…T_j、…T_n-1，j＝1、2、…、n-1；

其中每个顶层均衡模块T_j包括2个电感L_j1、L_j2，4个N沟道MOSFET开关S_aj、S_bj、S_cj、S_dj；

其中S_aj的源极和S_bj的漏极接在一起，S_cj的源极和S_dj的漏极接在一起，S_aj的源极和S_cj的源极接在一起，接在一起的端点称为A_j，S_bj的漏极和S_dj的漏极接在一起，接在一起的端点称为B_j，L_j1的一端接在S_aj和S_bj的连接点，L_j2的一端接在S_cj和S_dj中间，L_j1的另一端和L_j2的另一端接在一起，接在一起的端点称为C_j；

其中端点A_j接在底层均衡模块M_i＝j的正极，端点B_j接在底层均衡模块M_i＝j+1的负极，端点C_j接在底层均衡模块M_i＝j的负极；

所述微控制器接收处理电压采样电路传入的电压信号，输出开关信号，通过开关驱动电路放大信号，驱动相应的开关管；

所述电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压。

本实施例中，底层均衡模块存在3个工作模态，分别为：电感充电模态、电荷保持模态、电感放电模态；

当处于电感充电模态时，通过开关驱动电路将底层均衡模块M_i中电池电压最高的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于充电状态，通过对开关导通时间T_on的设置从而实现对峰值电流i_peak的控制；当处于电荷保持状态时，电感L_i通过单向导通开关Q_i0形成回路，将电荷保持在电感L_i中，这一模态的存在保证在不同电池之间切换时不会出现短路的情况；当电感L_i处于放电状态时，通过开关电路将底层均衡模块M_i中电池电压最低的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于放电状态，通过对开关关断时间T_off的设置，可以将电感L_i设置成断续工作模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。

本实施例中，所述顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交错地处于充电和放电的状态；

其中，所述顶层均衡模块T_j存在2个均衡模式，均衡模式1：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压大于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；均衡模式2：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压小于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；

其中，均衡模式1下，前半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态；

其中，均衡模式2下，控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态。

本实施例中，所述均衡模式1的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_aj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_aj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_bj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通时间T_on(aj)使得电感L_j1处于断续工作模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，所述均衡模式1的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_cj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_cj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_dj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通时间T_on(cj)使得电感L_j2处于断续工作模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)。

本实施例中，所述均衡模式2的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_bj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_bj关断时，电感L_j1通过S_aj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通时间T_on(bj)使得电感L_j1处于断续工作模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)，所述均衡模式2的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_dj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_dj关断时，电感L_j2通过N沟道MOSFET开关S_cj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通时间T_on(dj)使得电感L_j2处于断续工作模式(DiscontinuousConduction Mode，DCM)。

本实施例中，所述顶层均衡模块实现能量在底层均衡模块之间传输，在两种均衡模式下均将整个周期T分为时间相同的两个部分T₁和T₂，满足T₁＝T₂＝T/2，在这两个半周期内顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交替地充电和放电，在一个周期内，顶层均衡模块T_j所连接的底层均衡模块M_i＝j和M_i＝j+1都处于工作状态。

实施例二

本实施例基于实施例一公开的退役动力电池组的分层均衡电路，以实施例一中公开的退役动力电池组的分层均衡电路，进一步公开退役动力电池组的分层均衡电路的实现方法包括以下步骤：

S1、电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压，并将采集到的电压信息送入微处理器；

S2、微控制器对采集到的电压信息进行处理，得到每个底层均衡模块M_i中的最大电压电池B_imax和最小电压电池B_imin，以及所有底层均衡模块中串联电池组电压和的最大值M_max和串联电池组电压和的最小值M_min；

S3、若B_imax-B_imin大于预先设置的底层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开启相应的底层均衡模块M_i；

S4、若所有的B_imax-B_imin均小于预先设置的底层均衡阈值，则进入步骤S5，否则返回步骤S3；

S5、若M_max-M_min大于预先设置的顶层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开始进行顶层均衡，否则停止均衡；

S6、均衡一段时间t_eq之后，停止均衡一段时间t_w，返回步骤S1。

实施例三

图4是适用于8节串联退役电池单体的退役动力电池组的分层均衡电路的电路图，如图示所示，本实施例公开的分层均衡电路包括：两个底层均衡模块，一个顶层均衡模块。

底层均衡电路M_t(t＝1,2)包括4节串联电池单体B_t1、B_t2、B_t3、B_t4，5个双向选通开关S_t1、S_t2、S_t3、S_t4、S_t5，一个电感L_t，5个单向导通开关Q_t0、Q_t1、Q_t2、Q_t3、Q_t4；

其中双向选通开关S_tk和S_t(k+1)分别接在电池B_tk的负极和正极(k＝1,2,3,4)，5个双向选通开关S_t1、S_t2、S_t3、S_t4、S_t5均是由两个N沟道MOSFET反向串联而成；

其中单向导通开关Q_t0、Q_t1、Q_t2、Q_t3、Q_t4都是由二极管和N沟道MOSFET串联而成，区别在于Q_t0、Q_t1、Q_t4中二极管的正极和N沟道MOSFET的源极接在一起，Q_t2、Q_t3中二极管的负极和N沟道MOSFET的漏极接在一起；

其中单向导通开关Q_t1的二极管一端和单向导通开关Q_t2的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_t的一端接在其中点，单向导通开关Q_t3的二极管一端和单向导通开关Q_t4的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_t的另一端接在其中点，单向导通管Q_t4并联在电感L_t两侧，Q_t0的二极管一端接在Q_t1和Q_t2的中点，Q_t0的N沟道MOSFET一端接在Q_t3和Q_t4的中点。

假设底层均衡模块串联电池单体的电池单体电压分布为V_Bt1>V_Bt2>V_Bt3>V_Bt4，电压采样电路将采集到的电池单体的最大电压V_tmax和电池单体的最小电压V_tmin送入微控制器，微控制器判断它们之间的差值若大于均衡阈值则进入均衡状态，首先，导通双向选通开关S_t1、S_t2和单向导通开关Q_t1、Q_t4，将电池B_t1和电感L_t接入电路，如图5所示，使得均衡电路工作在电感充电模态，电压最高的电池B_t1给电感L_t充电，然后进入电荷保持模态，如图6所示，导通单向导通开关Q_t0，将电荷保持在电感L_t中，最后，导通双向选通开关S_t4、S_t5和单向导通开关Q_t1、Q_t4，将电池B_t4和电感L_t接入电路，如图7所示，使得均衡电路工作在电感放电模态，电感L_t给电压最低的电池B_t4充电，三个模态对应的电感电流仿真波形如图8所示，根据电感电流仿真波形可知，在电感充电模态和电感放电模态之间存在电荷保持模态，有效地避免了电池之间出现短路的情况。

假设底层均衡模块中串联电池组电压和满足V_M1>V_M2，电压采样电路将采集到的底层均衡模块中串联电池组电压和的最大值M_max和底层均衡模块中串联电池组电压和的最小值M_min，微控制器判断它们之间的差值若大于均衡阈值则进入均衡状态，此时V_M1>V_M2，因此顶层均衡电路工作在均衡模式1，前半个周期，当开关管S_a1导通时，底层均衡模块M₁给电感L₁₁充电，L₁₂中尚未放完的电流继续通过开关管S_d1的体二极管给底层均衡模块M₂充电，当开关管S_a1关断时，L₁₁通过开关管S_b1的体二极管给底层均衡模块M₂充电，前半个周期的电流流向图如图9所示；后半个周期，当开关管S_c1导通时，底层均衡模块M₁给电感L₁₂充电，L₁₁中尚未放完的电流继续通过开关管S_b1的体二极管给底层均衡模块M₂充电，当开关管S_c1关断时，L₁₂通过开关管S_d1的体二极管给底层均衡模块M₂充电，后半个周期的电流流向图如图10所示；一个周期内对应的电感L₁₁和L₁₂电流仿真波形如图11所示，根据一个周期内对应的电感L₁₁和L₁₂电流仿真波形可知，电感L₁₁和L₁₂交替地处于充电和放电的状态，底层均衡模块M₁和M₂在一个周期中都处于工作状态，有效地提升了底层均衡模块之间的均衡速度。

图12为8节串联电池在PSIM9.1软件上进行仿真的电压轨迹图。其中，电池以1F的电容进行模拟，底层均衡模块M₁中电池的初始电压设置为四个值，分别为V_B11＝4.0V、V_B12＝3.93V、V_B13＝3.87V和V_B14＝3.82V，底层均衡模块M₂中电池的初始电压设置为四个值，分别为V_B21＝3.76V、V_B22＝3.70V、V_B23＝3.63V和V_B24＝3.58V。底层均衡模块M₁中的电池的最大电压差从0.18V降低至0.01V，底层均衡模块M₂中的电池的最大电压差从0.18V降低至0.01V，底层均衡模块M₁和底层均衡模块M₂之间的最大压差从0.95V降低至0.04V。仿真结果表明本发明不仅实现了底层均衡模块内电池的均衡，也通过顶层均衡模块实现了底层模块间的均衡，验证了本发明的有效性，快速性和高效率性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述分层均衡电路包括底层均衡电路、顶层均衡电路、微控制器、电压采样电路、开关驱动电路；

所述底层均衡电路由n个底层均衡模块组成，依次命名为M₁、M₂、…M_i、…M_n，i＝1、2、…、n；

其中每个底层均衡模块M_i包括4节串联电池单体B_i1、B_i2、B_i3、B_i4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5，一个电感L_i，5个单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4；

其中双向选通开关S_ik和S_i(k+1)分别接在电池B_ik的负极和正极，k＝1,2,3,4，5个双向选通开关S_i1、S_i2、S_i3、S_i4、S_i5均是由两个N沟道MOSFET反向串联而成；

其中单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i2、Q_i3、Q_i4均是由二极管和N沟道MOSFET串联而成，单向导通开关Q_i0、Q_i1、Q_i4中二极管的正极和N沟道MOSFET的源极接在一起，单向导通开关Q_i2、Q_i3中二极管的负极和N沟道MOSFET的漏极接在一起；

其中单向导通开关Q_i1的二极管一端和单向导通开关Q_i2的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i3的二极管一端和单向导通开关Q_i4的N沟道MOSFET一端串联在一起，电感L_i的另一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点，单向导通开关Q_i4并联在电感L_i两侧，单向导通开关Q_i0的二极管一端接在单向导通开关Q_i1和单向导通开关Q_i2的连接点，单向导通开关Q_i0的N沟道MOSFET一端接在单向导通开关Q_i3和单向导通开关Q_i4的连接点；

所述顶层均衡电路由n-1个顶层均衡模块组成，依次命名为T₁、T₂、…T_j、…T_n-1，j＝1、2、…、n-1；

其中每个顶层均衡模块T_j包括2个电感L_j1、L_j2，4个N沟道MOSFET开关S_aj、S_bj、S_cj、S_dj；

其中S_aj的源极和S_bj的漏极接在一起，S_cj的源极和S_dj的漏极接在一起，S_aj的源极和S_cj的源极接在一起，接在一起的端点称为A_j，S_bj的漏极和S_dj的漏极接在一起，接在一起的端点称为B_j，L_j1的一端接在S_aj和S_bj的连接点，L_j2的一端接在S_cj和S_dj中间，L_j1的另一端和L_j2的另一端接在一起，接在一起的端点称为C_j；

其中端点A_j接在底层均衡模块M_i＝j的正极，端点B_j接在底层均衡模块M_i＝j+1的负极，端点C_j接在底层均衡模块M_i＝j的负极；

所述微控制器接收处理电压采样电路传入的电压信号，输出开关信号，通过开关驱动电路放大信号，驱动相应的开关管；所述电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压。

2.根据权利要求1所述的一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述底层均衡模块存在3个工作模态，分别为：电感充电模态、电荷保持模态、电感放电模态；

当处于电感充电模态时，通过开关驱动电路将底层均衡模块M_i中电池电压最高的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于充电状态，通过对开关导通时间T_on的设置从而实现对峰值电流i_peak的控制；当处于电荷保持模态时，电感L_i通过单向导通开关Q_i0形成回路，将电荷保持在电感L_i中，这一模态的存在保证在不同电池之间切换时不会出现短路的情况；当电感L_i处于放电状态时，通过开关电路将底层均衡模块M_i中电池电压最低的电池和电感L_i连接起来，使得电感L_i处于放电状态，通过对开关关断时间T_off的设置，将电感L_i设置成断续工作模式。

3.根据权利要求1所述的一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交错地处于充电和放电的状态；

其中，所述顶层均衡模块T_j存在2个均衡模式，均衡模式1：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压大于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；均衡模式2：底层均衡模块M_i＝j的中串联电池组的总电压小于M_i＝j+1的中串联电池组的总电压；

其中，均衡模式1下，前半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态；

其中，均衡模式2下，控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通与关断，使电感L_j1分别处于充电和放电状态，后半个周期，控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通与关断，使电感L_j2分别处于充电和放电状态。

4.根据权利要求3所述的一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述均衡模式1的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_aj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_aj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_bj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_aj的导通时间T_on(aj)使得电感L_j1处于断续工作模式；

所述均衡模式1的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_cj导通时，底层均衡模块M_i＝j给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_cj关断时，电感L_j1通过N沟道MOSFET开关S_dj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j+1充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_cj的导通时间T_on(cj)使得电感L_j2处于断续工作模式。

5.根据权利要求3所述的一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述均衡模式2的前半个周期，当N沟道MOSFET开关S_bj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j1充电，当N沟道MOSFET开关S_bj关断时，电感L_j1通过S_aj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_bj的导通时间T_on(bj)使得电感L_j1处于断续工作模式；

所述均衡模式2的后半个周期，当N沟道MOSFET开关S_dj导通时，底层均衡模块M_i＝j+1给电感L_j2充电，当N沟道MOSFET开关S_dj关断时，电感L_j2通过N沟道MOSFET开关S_cj的体二极管给底层均衡模块M_i＝j充电，通过控制N沟道MOSFET开关S_dj的导通时间T_on(dj)使得电感L_j2处于断续工作模式。

6.根据权利要求1所述的一种退役动力电池组的分层均衡电路，其特征在于，所述顶层均衡模块实现能量在底层均衡模块之间传输，在两种均衡模式下均将整个周期T分为时间相同的两个部分T₁和T₂，满足T₁＝T₂＝T/2，在这两个半周期内顶层均衡模块T_j中电感L_j1和电感L_j2交替地充电和放电，在一个周期内，顶层均衡模块T_j所连接的底层均衡模块M_i＝j和M_i＝j+1都处于工作状态。

7.一种根据权利要求1至6任一所述的退役动力电池组的分层均衡电路的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

S1、电压采样电路采集所有底层均衡电路中电池单体的电压，并将采集到的电压信息送入微处理器；

S2、微控制器对采集到的电压信息进行处理，得到每个底层均衡模块M_i中的最大电压电池B_imax和最小电压电池B_imin，以及所有底层均衡模块中串联电池组电压和的最大值M_max和串联电池组电压和的最小值M_min；

S3、若B_imax-B_imin大于预先设置的底层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开启相应的底层均衡模块M_i；

S4、若所有的B_imax-B_imin均小于预先设置的底层均衡阈值，则进入步骤S5，否则返回步骤S3；

S5、若M_max-M_min大于预先设置的顶层均衡阈值，则通过微控制器产生相应的开关信号，通过开关驱动电路的放大，驱动相应的开关管，开始进行顶层均衡，否则停止均衡；

S6、均衡一段时间t_eq之后，停止均衡一段时间t_w，返回步骤S1。

Images