CN116154928A - 双层主被动混合均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双层主被动混合均衡电路，其所述副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡；本发明的均衡电路结构简单、开关损耗小，能够有效减少均衡过程中的能量损耗，提高能量传输效率，减少了均衡时间。

Description

双层主被动混合均衡电路

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种双层主被动混合均衡电路。

背景技术

为满足储能系统电压和容量等级的需求，锂电池通常以串联电池组、电池单元以及模块化的形式出现。锂电池在生产过程中由于制造工艺、外界环境等方面的差异，导致其在容量、内阻、自放电率等方面存在差异，而且在循环使用中这种差异会逐渐增大，从而导致电池组产生不一致性问题。而根据“木桶效应”理论，电池组的使用寿命会因为某个性能参数较差的单体电池而导致性能急剧衰减，甚至产生火灾、爆炸等严重的安全问题。

目前，电池均衡技术是解决电池组电池单体不一致性问题最有效的方法之一，电池均衡技术的研究对电池储能系统的发展具有重大意义。其中主动均衡法是目前均衡技术研究的主流，通过储能元件来实现均衡能量在均衡对象之间的转移，相较于利用电阻消耗能量的被动均衡，主动均衡法具有更高的效率和速度。根据均衡类型的不同，主动均衡分为单体电池对单体电池、单体电池对电池组和单体电池对电池组对单体电池三类。

而根据储能元件的不同，主动均衡又可以分为电感式拓扑、电容式拓扑和变压器式拓扑等，其中，变压器式均衡拓扑具有结构简单、均衡速度快、效率高、均衡路径短且具有均衡过程中电池放电回路与充电回路存在电气隔离的优点。然而，现有技术针对电池均衡的电路结构中，其均衡电路结构复杂、开关损耗大和能量传输效率较差等缺点，无法满足高效快速的均衡需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种双层主被动混合均衡电路，其均衡电路结构简单、开关损耗小，能够有效减少均衡过程中的能量损耗，提高能量传输效率，减少了均衡时间。

为了实现上述目的，本发明公开了一种双层主被动混合均衡电路，其包括顶层均衡器、第一开关组件、第二开关组件、电池组件和开关阵列，所述顶层均衡器包括一个主绕组和m个副绕组，所述电池组件包括m个依次串联的电池组结构，每一个电池组结构对应一个副绕组，所述电池组件的正极通过第一开关组件电连接所述主绕组的第二端，负极通过第二开关组件电连接所述主绕组的第一端，所述开关阵列包括m个第三开关组件，每一个电池组结构对应一个第三开关组件，所述电池组结构包括正极端口、负极端口、n个第四开关组件、n个第五开关组件和n个依次串联的电池单体，每一个电池单体对应一个第四开关组件和一个第五开关组件，所述正极端口电连接对应的副绕组的第一端，所述负极端口通过对应的第三开关组件电连接对应的副绕组的第二端，每一电池单体的正极通过对应的第四开关组件电连接所述正极端口，负极电连接所述负极端口，所述第五开关组件的一端电连接对应的电池单体的正极，另一端接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间，所述副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡。

较佳地，所述顶层均衡器为基于多绕组变压器的均衡器。

较佳地，所述主绕组的第二端为同名端，所述副绕组的第一端为同名端。

较佳地，所述第一开关组件包括第一MOS管和第一二极管，所述第一MOS管的D极电连接所述主绕组的第二端，S极电连接所述电池组件的正极，所述第一二极管的正极电连接所述第一MOS管的S极，负极电连接所述第一MOS管的D极。

较佳地，所述第二开关组件包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的D极电连接所述主绕组的第一端，S极电连接所述电池组件的负极，所述第二二极管的正极电连接所述第二MOS管的S极，负极电连接所述第二MOS管的D极。

较佳地，所述第三开关组件包括第三MOS管、第三二极管、第四MOS管和第四二极管，所述第三MOS管的S极电连接对应的副绕组的第二端，D极电连接所述第四MOS管的D极，所述第四MOS管的S极电连接对应的电池组结构的负极；

所述第三二极管的正极电连接所述第三MOS管的S极，负极电连接所述第三MOS管的D极，所述第四二极管的正极电连接所述第四MOS管的S极，负极电连接所述第四MOS管的D极。

较佳地，所述第四开关组件包括第五MOS管、第五二极管、第六MOS管和第六二极管，所述第五MOS管的S极电连接对应的正极端口，D极电连接所述第六MOS管的D极，所述第六MOS管的S电连接对应的电池单体的正极；

所述第五二极管的正极电连接所述第五MOS管的S极，负极电连接所述第五MOS管的D极，所述第六二极管的正极电连接所述第六MOS管的S极，负极电连接所述第六MOS管的D极。

较佳地，所述第五开关组件包括第七MOS管、第七二极管和电阻，所述第七MOS管的D极电连接对应的电池单体的正极，S极通过电阻接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间，所述第七二极管的正极接于所述第七MOS管的S极与电阻之间，负极电连接所述第七MOS管的D极。

较佳地，所述顶层均衡器具有削峰模式和填谷模式，所述削峰模式用于在任一电池组结构的能量高于第一预设阈值时，将能量高于第一预设阈值的电池组结构的能量转移至其余电池组结构中；所述填谷模式用于在任一电池组结构的能量低于第二预设阈值时，将其余电池组结构的能量转移至能量低于第二预设阈值的电池组结构中。

与现有技术相比，本发明通过设置顶层均衡器和多个电池组结构，副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡，其均衡电路结构简单、开关损耗小，能够有效减少均衡过程中的能量损耗，提高能量传输效率，减少了均衡时间。

附图说明

图1是本发明的双层主被动混合均衡电路的整体架构；

图2是本发明的双层主被动混合均衡电路的电路图；

图3是本发明的电池组结构与对应的开关阵列、副绕组的电路图；

图4是本发明的双层主被动混合均衡电路中执行主动均衡和被动均衡的流程框图；

图5是本发明的双层主被动混合均衡电路处于削峰模式下的电流流向示意图；

图6是本发明的双层主被动混合均衡电路处于填谷模式下的电流流向示意图；

图7是本发明的双层主被动混合均衡电路中执行削峰模式和填谷模式的流程框图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

请参阅图1-图7所示，本实施例的双层主被动混合均衡电路包括顶层均衡器、第一开关组件、第二开关组件、电池组件和开关阵列，所述顶层均衡器包括一个主绕组和m个副绕组。

所述电池组件包括m个依次串联的电池组结构，每一个电池组结构对应一个副绕组，所述电池组件的正极通过第一开关组件电连接所述主绕组的第二端，负极通过第二开关组件电连接所述主绕组的第一端。

所述开关阵列包括m个第三开关组件，每一个电池组结构对应一个第三开关组件，所述电池组结构包括正极端口、负极端口、n个第四开关组件、n个第五开关组件和n个依次串联的电池单体，每一个电池单体对应一个第四开关组件和一个第五开关组件。

所述正极端口电连接对应的副绕组的第一端，所述负极端口通过对应的第三开关组件电连接对应的副绕组的第二端，每一电池单体的正极通过对应的第四开关组件电连接所述正极端口，负极电连接所述负极端口。

所述第五开关组件的一端电连接对应的电池单体的正极，另一端接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间。

所述副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡。

较佳地，所述顶层均衡器为基于多绕组变压器的均衡器。

较佳地，所述主绕组的第二端为同名端，所述副绕组的第一端为同名端。

较佳地，所述第一开关组件包括第一MOS管和第一二极管，所述第一MOS管的D极电连接所述主绕组的第二端，S极电连接所述电池组件的正极，所述第一二极管的正极电连接所述第一MOS管的S极，负极电连接所述第一MOS管的D极。

较佳地，所述第二开关组件包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的D极电连接所述主绕组的第一端，S极电连接所述电池组件的负极，所述第二二极管的正极电连接所述第二MOS管的S极，负极电连接所述第二MOS管的D极。

较佳地，所述第三开关组件包括第三MOS管、第三二极管、第四MOS管和第四二极管，所述第三MOS管的S极电连接对应的副绕组的第二端，D极电连接所述第四MOS管的D极，所述第四MOS管的S极电连接对应的电池组结构的负极；

所述第三二极管的正极电连接所述第三MOS管的S极，负极电连接所述第三MOS管的D极，所述第四二极管的正极电连接所述第四MOS管的S极，负极电连接所述第四MOS管的D极。

较佳地，所述第四开关组件包括第五MOS管、第五二极管、第六MOS管和第六二极管，所述第五MOS管的S极电连接对应的正极端口，D极电连接所述第六MOS管的D极，所述第六MOS管的S电连接对应的电池单体的正极；

所述第五二极管的正极电连接所述第五MOS管的S极，负极电连接所述第五MOS管的D极，所述第六二极管的正极电连接所述第六MOS管的S极，负极电连接所述第六MOS管的D极。

较佳地，所述第五开关组件包括第七MOS管、第七二极管和电阻，所述第七MOS管的D极电连接对应的电池单体的正极，S极通过电阻接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间，所述第七二极管的正极接于所述第七MOS管的S极与电阻之间，负极电连接所述第七MOS管的D极。

较佳地，所述顶层均衡器具有削峰模式和填谷模式，所述削峰模式用于在任一电池组结构的能量高于第一预设阈值时，将能量高于第一预设阈值的电池组结构的能量转移至其余电池组结构中；所述填谷模式用于在任一电池组结构的能量低于第二预设阈值时，将其余电池组结构的能量转移至能量低于第二预设阈值的电池组结构中。

可以理解的是，本实施例采用具有多副边绕组的双向反激电路来实现电能与磁能之间的转化，通过电磁转换实现由高能量向低能量的电池组传递，从而实现电池整体能量的均衡控制。底层结构则是通过主被动混合均衡电路实现能量均衡，如图2中右侧电池组2的拓展图所示，该结构通过控制MOS管的通断来控制均衡电流的方向，当电池间的电量差值大于所设定的阈值时，电池通过两个反向串联的MOS管与反激变压器的副边相连，对副边（即电感）进行充放电以实现电池间的能量转移；当电池间的电量差值小于所设定的阈值时，则是通过在每块锂电池正负极上并联电阻放电，并且电阻与一个小功率MOS管连接，通过电阻放电使SOC高于平均值的锂电池单体释放多余能量，消耗高电量电池中的能量从而达到电池间的均衡。

具体地，本实施例以电池组件包括三个依次串联的电池组结构，及以第二个电池组结构为例进行说明，记第一个电池组结构为电池组结构1，第二个电池组结构为电池组结构2，第三个电池组结构为电池组结构3。设电池组结构2具有四个电池单体，将这四个电池单体依次标记为B1、B2、B3和B4，其中，电池单体B1的正极为该电池组结构的正极，电池单体B4的负极为该电池组结构的负极。

将主绕组标记为W1，电池组结构1对应的副绕组标记为W2，电池组结构2对应的副绕组标记为W3，电池组结构3对应的副绕组标记为W4；

将第一MOS管标记为S1，第一二极管标记为D1，第二MOS管标记为S2，第二二极管标记为D2，第三MOS管标记为S3、第三二极管标记为D3、第四MOS管标记为S4，第四二极管标记为D4，第五MOS管标记为S5，第五二极管标记为D5，第六MOS管标记为S6，第六二极管标记为D6，第七MOS管标记为S7，第七二极管标记为D7，电阻标记为R。

以电池单体B4为例，分析电池单体B4的荷电状态SOC对于均衡电路工作模式选择的影响，在传统Buck-Boost均衡电路中因为开关不断打开关断造成的能量损耗会影响能量的转移效率针对这一问题，本发明通过分层分段工作的主被动均衡控制策略来解决均衡电路中因为开关不断打开关断造成的能量损耗会影响能量的转移效率问题。

该底层主被动均衡电路拓扑结构有两种工作模式：首先，设定一个预设误差值e，得到电池组结构中所有电池单体的SOC值，从而得到电池组结构中SOC值最小的那节电池单体。在本实施例中，以该电池组结构中电池单体B4的SOC值最小为例，进而分别求得电池组结构中剩余电池单体B1、电池单体B2、电池单体B3与电池单体B4的SOC差值，记为e14、e24和e34，再依次将e14、e24和e34与预设误差值e进行大小比较，其中，当任一电池单体的SOC值与SOC24差值大于预设误差值e时开启主动均衡模式，反之，当任一电池单体的SOC值与SOC24差值小于预设误差值e时则开启被动均衡模式，主动均衡电路和被动均衡电路共同构成底层均衡器。该底层均衡器工作模式流程图如图4所示：

设定电池单体B4的SOC值最小，且SOC21>SOC22>SOC23，并且电池单体之间的SOC差值设定为：e14>e24>e，e34<e，其中，SOC21代表第二个电池组结构中的第一个电池单体的SOC值，SOC22代表第二个电池组结构中的第二个电池单体的SOC值，SOC23代表第二个电池组结构中的第三个电池单体的SOC值，SOC24代表第二个电池组结构中的第四个电池单体的SOC值，e14代表电池单体B1与电池单体B4之间的SOC差值，e24代表电池单体B2与电池单体B4之间的SOC差值，e34代表电池单体B3与电池单体B4之间的SOC差值。下面来具体分析在该情况下电路的电流流向。

在t0时刻，电池组结构2对应的第三MOS管S3和第五MOS管S5导通，形成B1→D6→S5→D4→S3→W3→B1回路，回路电流逐渐增大，电池单体B1中的电能转化成磁能存储在变压器中，需要注意，这里的B1、D6、S5、D4、S3、W3、S3和S5均为与电池组结构2对应的电子元器件；

2)在t1时刻，关断S3、S5后再导通S3和S5， B2开启主动均衡模式，形成B2→D6→S5→D4→S3→W3→B2回路，电池单体B2中的电能转化成磁能存储在变压器中，需要注意，这里的B1、D6、S5、D4、S3、W3、S3和S5均为与电池组结构2对应的电子元器件；

3)从t0时刻起间断性开启被动均衡模式，例如当电池单体B1在t1时刻与电池单体B4的SOC差值e14已经小于预设误差值e，电池单体B1开启被动均衡模式，形成B1→M9→R1电流回路，直到电池单体B1的SOC值和电池单体B4的SOC值相同则停下动作，否则继续进行被动均衡；电池单体B2、电池单体B3重复以上动作，直至四个电池完成达到均衡。

其中该顶层均衡电路拓扑结构有两种工作模式（设第一预设阈值和第二预设阈值均等于设定阈值电量б）：

“削峰模式”：发生于某一电池单体的电量较高时，当电池单体电量高于设定阈值电量б时，立即启动均衡开关，即将此电池单体电量转移到电池组结构中，以达到削除最大电池单体电量的目的；

“填谷模式”：发生于电池某节单体的电量较低时，当电池单体电量低于设定电池阈值电量б时，立即启动均衡开关，即将整个电池组结构中电量转移到此电池单体中，以实现对SOC最小的电池单体的充电。

“削峰模式”的充电过程如图5所示，其原理是将电池组结构内电量最高的电池单体为整个电池组结构充电，同时避免最高SOC的电池单体出现过充现象；“填谷模式”的均衡充电过程如图6，在避免电池单体过度放电的同时实现了对最小SOC的电池单体的充电。顶层均衡电路工作模式流程图如图7所示：

下面来分析顶层均衡器的两种工作模式，假设电池组结构1的SOC值最小，电池组结构2的SOC值最大：

1)首先打开电池组结构2对应的S4，形成电池组结构2→W3→D3→S4电流回路，电池组结构2中的电能转化成磁能存储在副绕组W2中；副绕组W2中的能量通过反激传递到主绕组W1中，接着关闭电池组结构2对应的S4和S1，形成电池组结构2→电池组结构3→D2→W2→S1→电池组结构1电流回路，从而将电池组结构2中的能量转移到其他电池组结构中；

2)完成“削峰”工作模式后，接着进行“填谷”工作模式，首先打开S7，形成电池组结构3→电池组结构2→电池组结构1→D1→S2→W1电流回路，电池组结构中的电能转化成磁能存储在主绕组W1中；接着关闭D2打开电池组结构1对应的S3，W1中的能量通过反激传递到W2中，形成W2→D4→电池组结构1对应的S3→电池组结构1电流回路，从而将电池组中的能量通过反激传递到最小SOC值的电池组结构1中。

结合图1-图7，本发明通过设置顶层均衡器和多个电池组结构，副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡，其均衡电路结构简单、开关损耗小，能够有效减少均衡过程中的能量损耗，提高能量传输效率，减少了均衡时间。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种双层主被动混合均衡电路，其特征在于：包括顶层均衡器、第一开关组件、第二开关组件、电池组件和开关阵列，所述顶层均衡器包括一个主绕组和m个副绕组，所述电池组件包括m个依次串联的电池组结构，每一个电池组结构对应一个副绕组，所述电池组件的正极通过第一开关组件电连接所述主绕组的第二端，负极通过第二开关组件电连接所述主绕组的第一端，所述开关阵列包括m个第三开关组件，每一个电池组结构对应一个第三开关组件，所述电池组结构包括正极端口、负极端口、n个第四开关组件、n个第五开关组件和n个依次串联的电池单体，每一个电池单体对应一个第四开关组件和一个第五开关组件，所述正极端口电连接对应的副绕组的第一端，所述负极端口通过对应的第三开关组件电连接对应的副绕组的第二端，每一电池单体的正极通过对应的第四开关组件电连接所述正极端口，负极电连接所述负极端口，所述第五开关组件的一端电连接对应的电池单体的正极，另一端接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间，所述副绕组与对应的第三开关组件、对应的第四开关组件构成主动均衡电路，以对对应的电池组结构进行主动均衡，位于同一电池组结构内的所有第五开关组件共同构成被动均衡电路，以对对应的电池组结构进行被动均衡。

2.如权利要求1所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述顶层均衡器为基于多绕组变压器的均衡器。

3.如权利要求2所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述主绕组的第二端为同名端，所述副绕组的第一端为同名端。

4.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述第一开关组件包括第一MOS管和第一二极管，所述第一MOS管的D极电连接所述主绕组的第二端，S极电连接所述电池组件的正极，所述第一二极管的正极电连接所述第一MOS管的S极，负极电连接所述第一MOS管的D极。

5.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述第二开关组件包括第二MOS管和第二二极管，所述第二MOS管的D极电连接所述主绕组的第一端，S极电连接所述电池组件的负极，所述第二二极管的正极电连接所述第二MOS管的S极，负极电连接所述第二MOS管的D极。

6.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述第三开关组件包括第三MOS管、第三二极管、第四MOS管和第四二极管，所述第三MOS管的S极电连接对应的副绕组的第二端，D极电连接所述第四MOS管的D极，所述第四MOS管的S极电连接对应的电池组结构的负极；

所述第三二极管的正极电连接所述第三MOS管的S极，负极电连接所述第三MOS管的D极，所述第四二极管的正极电连接所述第四MOS管的S极，负极电连接所述第四MOS管的D极。

7.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述第四开关组件包括第五MOS管、第五二极管、第六MOS管和第六二极管，所述第五MOS管的S极电连接对应的正极端口，D极电连接所述第六MOS管的D极，所述第六MOS管的S电连接对应的电池单体的正极；

所述第五二极管的正极电连接所述第五MOS管的S极，负极电连接所述第五MOS管的D极，所述第六二极管的正极电连接所述第六MOS管的S极，负极电连接所述第六MOS管的D极。

8.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述第五开关组件包括第七MOS管、第七二极管和电阻，所述第七MOS管的D极电连接对应的电池单体的正极，S极通过电阻接于对应的电池单体的负极与与对应的电池单体的负极串联的下一个电池单体的正极之间，所述第七二极管的正极接于所述第七MOS管的S极与电阻之间，负极电连接所述第七MOS管的D极。

9.如权利要求3所述的双层主被动混合均衡电路，其特征在于：所述顶层均衡器具有削峰模式和填谷模式，所述削峰模式用于在任一电池组结构的能量高于第一预设阈值时，将能量高于第一预设阈值的电池组结构的能量转移至其余电池组结构中；所述填谷模式用于在任一电池组结构的能量低于第二预设阈值时，将其余电池组结构的能量转移至能量低于第二预设阈值的电池组结构中。

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