CN116722613A - 一种储能元件充放电能量均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种储能元件充放电能量均衡系统及方法，该系统包括：至少一个均衡器，其包括第一MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，所述第一电感的一端分别与所述第一电容的一端以及所述第一MOS管的漏极连接，所述第二电感的一端分别与所述第二电容的一端以及所述第一MOS管的源极连接，所述第一MOS管的栅极用于接入第一开关控制信号；至少一个电池单元，所述第一电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的正极连接，所述第二电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的负极连接；输出电路，所述第一电容远离所述第一MOS管的一端以及所述第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接。

Description

一种储能元件充放电能量均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及电池生产应用领域，尤其涉及一种储能元件充放电能量均衡系统及方法。

背景技术

锂离子电池应用于多种场合，但由于单节电池电压低，电池容量小，在实际应用中都是由多个单体锂电池串联或并联组成。由于各单体锂电池的内阻、总容量、初始容量等性能会因为制造工艺的限制、使用条件和环境的不同存在或小或大的差异，使得锂离子电池储能系统中各单体锂电池的电量有所差别，这会导致锂电池组中某些锂电池出现过充或过放的现象。无论是过充还是过放，都将会对单体锂电池以及整个电池储能系统的性能和寿命产生不可逆的影响。

如何有效防止电池过充或过放成为当前亟需解决的问题。

发明内容

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种储能元件充放电能量均衡系统及方法，主要解决现有电池应用过程中存在过充或过放进而影响电池性能和寿命的问题。

为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。

本申请提供一种储能元件充放电能量均衡系统，包括：

至少一个均衡器，其包括第一MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，所述第一电感的一端分别与所述第一电容的一端以及所述第一MOS管的漏极连接，所述第二电感的一端分别与所述第二电容的一端以及所述第一MOS管的源极连接，所述第一MOS管的栅极用于接入第一开关控制信号，以基于所述第一开关控制信号进行开关状态切换；

至少一个电池单元，所述第一电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的正极连接，所述第二电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的负极连接；其中，所述均衡器与所述电池单元一一对应；

输出电路，所述第一电容远离所述第一MOS管的一端以及所述第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接；所述输出电路的输出端用于连接负载。

在本申请一实施例中，所述输出电路包括：第三电感、第四电感、第三电容、第四电容和第二MOS管，所述第三电容的一端分别与所述第三电感的一端以及所述第二MOS管的漏极连接，所述第四电容的一端分别与所述第四电感的一端以及所述第二MOS管的源极连接，所述第二MOS管的栅极用于接入第二开关控制信号，以基于所述第二开关控制信号进行开关状态切换；所述第三电容远离所述第二MOS管的一端与所述第一电容远离所述第一MOS管的一端连接，所述第四电容远离所述第二MOS管的一端与所述第二电容远离所述第一MOS管的一端连接；所述第三电感远离所述第二MOS管的一端以及所述第四电感远离所述第二MOS管的一端分别用于连接负载的不同端。

在本申请一实施例中，所述均衡器包括N²个，其中N为大于1的正整数；其中，至少存在两个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以及所述两个均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以使对应的所述均衡器并联。

在本申请一实施例中，至少存在一个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端与另一个均衡器的所述第二电容远离所述第一MOS管的一端连接，以使对应的所述均衡器依次串联。

在本申请一实施例中，所述均衡器形成串联结构，仅所述串联结构其中一端的均衡器的第一电容远离对应第一MOS管的一端以及所述串联结构另一端的均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接。

本申请还提供一种储能元件充放电能量均衡控制方法，包括：

提供储能元件充放电能量均衡系统；

获取第一开关控制信号和第二开关控制信号；

将所述第一开关控制信号输入所述第一MOS管的栅极，以及将所述第二开关控制信号输入所述第二MOS管的栅极，以通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态。

在本申请一实施例中，通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态，包括：

在所述充放电均衡系统的均衡器为多个时，通过所述第一开关控制信号控制对应第一MOS管的开关状态以选择用于充放电的电池单元的数量以及各电池单元的连接状态。

在本申请一实施例中，获取第一开关控制信号和第二开关控制信号之前，还包括：

获取所述储能元件充放电能量均衡系统中每个电池单元的电量；

根据所述电量生成所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号。

如上所述，本发明一种充放电均衡系统及方法，具有以下有益效果。

本申请为每个电池单元配置一个均衡器，通过开关控制信号控制均衡器的电感值和电容值进而平衡整体充放电过程，可有效防止电池单元过充或过放现象，提高电池组的整体性能以及使用寿命。

附图说明

图1为本发明一实施例中储能元件充放电能量均衡系统的电路结构示意图。

图2为本申请一实施例中包含多个均衡器的电路结构示意图。

图3为本申请一实施例中两个均衡器并联的电路结构示意图。

图4为本申请一实施例中均衡器串并联的电路结构示意图。

图5为本申请一实施例中两个均衡器串联的电路结构示意图。

图6为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作时的等效原理图。

图7为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作于第一阶段的等效原理图。

图8为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作于第二阶段的等效原理图。

图9为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作时的电路时序图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种充放电均衡系统，该系统包括：至少一个均衡器，其包括第一MOS管S₁₁、第一电感L₁₁、第二电感L₂₁、第一电容C₁₁和第二电容C₂₁，第一电感L₁₁的一端分别与第一电容C₁₁的一端以及第一MOS管S₁₁的漏极连接，第二电感L₂₁的一端分别与第二电容C₂₁的一端以及第一MOS管S₁₁的源极连接，第一MOS管S₁₁的栅极用于接入第一开关控制信号，以基于第一开关控制信号进行开关状态切换；

至少一个电池单元Cell₁₁，所述第一电感L₁₁远离第一MOS管S₁₁的一端与电池单元的正极连接，第二电感L₂₁远离第一MOS管S₁₁的一端与电池单元的负极连接；其中，均衡器与电池单元一一对应；

输出电路，第一电容C₁₁远离所述第一MOS管S₁₁的一端以及第二电容C₂₁远离所述第一MOS管S₁₁的一端分别与输出电路的不同输入端连接；输出电路的输出端用于连接负载out。

请参阅图1，在一实施例中，输出电路包括：第三电感L_o1、第四电感L_o2、第三电容C_o1、第四电容C_o2和第二MOS管S_o，第三电容C_o1的一端分别与第三电感L_o1的一端以及第二MOS管S_o的漏极连接，第四电容C_o2的一端分别与第四电感L_o2的一端以及第二MOS管S_o的源极连接，第二MOS管S_o的栅极用于接入第二开关控制信号，以基于第二开关控制信号进行开关状态切换；第三电容C_o1远离第二MOS管S_o的一端与第一电容C₁₁远离第一MOS管S₁₁的一端连接，第四电容C_o远离第二MOS管S_o的一端与第二电容C₂₁远离第一MOS管S₁₁的一端连接；第三电感L_o1远离第二MOS管S_o的一端以及第四电感L_o2远离第二MOS管S_o的一端分别用于连接负载out的不同端。

请参阅图2，图2为本申请一实施例中包含多个均衡器的电路结构示意图。在一实施例中，均衡器包括N²个，其中N为大于1的正整数。具体地，第一电感L₁₁的一端接第一节电池单元Cell₁₁的正极，第一电感L₁₁的另一端连接第一MOS管S₁₁的漏极，第一MOS管S₁₁的漏极还接第一电容C₁₁的一端，第二电感L₂₁的一端接第一节电池单元Cell₁₁的负极，第二电感L₂₁的另一端接第一MOS管S₁₁的源极，第一MOS管S₁₁的源极还接第二电容C₂₁的一端。另一个均衡器的第一电感L₃₁的一端接第二节电池单元Cell₂₁的正极，第一电感L₃₁的一端接第二MOS管S₂₁的漏极，第二MOS管S₂₁的漏极还接该均衡器的第一电容C₃₁的一端，该均衡器的第二电感L₄₁的一端接第二节电池单元Cell₂₁的负极，第二电感L₄₁的另一端接第二MOS管S₂₁的源极，第二MOS管S₂₁的源极还接第二电容C₄₁的一端，以此类推，第n²个均衡器的第一电感L_2n-1n的一端接第n²节电池单元Cell_nn的正极，第n²个均衡器的第一电感L_2n-1n的另一端接第n²个均衡器的第一MOS管S_nn的漏极，第n²个均衡器的第一MOS管S_nn的漏极接第n²个均衡器的第一电容(C_2n-1n)的一端，第n²个均衡器的第二电感L_2nn的一端接第n²节电池Cell_nn的负极，第n²个均衡器的第二电感L_2nn的另一端接第n²个均衡器的第一MOS管S_nn的源极，第n²个均衡器的第一MOS管S_nn的源极接第n²个均衡器的第二电容C_2nn的一端。

在一实施例中，至少存在两个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以及所述两个均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以使对应的所述均衡器并联。具体地，请参阅图3，图3为本申请一实施例中两个均衡器并联的电路结构示意图。三个及以上均衡器并联的连接方式与两个均衡器并联的连接方式相同，这里仅以两个均衡器并联为例进行说明。图3中，第一个均衡器的第一电感L₁₁的一端与电池单元Cell₁₁的正极连接，第二电感L₂₁的一端与电池单元Cell₁₁的负极连接，第一个均衡器的第一电感L₁₁的另一端接第一电容C₁₁的一端以及第一MOS管S11的漏极，第一电容C₁₁的另一端接输出电路的第三电容C_o1的一端连接；第一个均衡器的第二电感L₂₁的另一端接第二电容C₂₁的一端以及第一MOS管S11的源极，第二电容C₂₁的另一端接输出电路的第四电容C_o2的一端；第三电容C_o1的另一端接第二MOS管S_o的漏极以及第三电感L_o1的一端，第四电容C_o2的另一端接第二MOS管S_o的源极以及第四电感L_o2的一端；第三电感L_o1的另一端以及第四电感L_o2的另一端分别接负载out的不同端。第二个均衡器的第一电感L₃₁的一端与电池单元Cell₂₁的正极连接，第二电感L₄₁的一端与电池单元Cell₂₁的负极连接，第二个均衡器的第一电感L₃₁的另一端接第一电容C₃₁的一端以及第一MOS管S21的漏极，第一电容C₃₁的另一端接输出电路的第三电容C_o1的一端连接；第二个均衡器的第二电感L₄₁的另一端接第二电容C₄₁的一端以及第一MOS管S21的源极，第二电容C₄₁的另一端接输出电路的第四电容C_o2的一端，以此在输出电路的输入端可并联接入多个均衡器。

在一实施例中，至少存在一个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端与另一个均衡器的所述第二电容远离所述第一MOS管的一端连接，以使对应的所述均衡器依次串联。

在一实施例中，所述均衡器形成串联结构，仅所述串联结构其中一端的均衡器的第一电容远离对应第一MOS管的一端以及所述串联结构另一端的均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接。

具体地，请参阅图4，图4为本申请一实施例中均衡器串并联的电路结构示意图。以四个均衡器为例，第一个均衡器与第二个均衡器并联，第三个均衡器与第四个均衡器并联，然后将第一个均衡器的第二电容C₂₁远离第一MOS管S₁₁的一端与第二个均衡器的第二电容C₄₁远离第一MOS管S₂₁的一端相互连接，作为第一公共端；将第一个均衡器的第一电容C₁₁远离第一MOS管S₁₁的一端与第二个均衡器的第一电容C₃₁远离第一MOS管S₂₁的一端相互连接后接入输出电路的其中一个输入端；将第三个均衡器的第一电容C₁₂远离第一MOS管S₁₂的一端与第四个均衡器的第一电容C₃₂远离第一MOS管S₂₂的一端相互连接，作为第二公共端；将第三个均衡器的第二电容C₂₂远离第一MOS管S₁₂的一端与第四个均衡器的第二电容C₄₂远离第一MOS管S₂₂的一端相互连接后接入输出电路的另一个输入端；最后将第一公共端和第二公共端连接，以形成串联结构。更多的均衡器串并联结构与图4所示串并联结构的连接方式相同，这里不再赘述。

请参阅图5，图5为本申请一实施例中两个均衡器串联的电路结构示意图。其中一个均衡器的第二电容C₂₁与另一个均衡器的第一电容C₁₂连接以实现串联，具体串联结构如图5所示，这里不再赘述。

基于前述描述，本申请的储能元件充放电能量均衡系统是基于双向CUK变换器的储能元件充放电能量均衡系统，

本申请实施例还提供一种储能元件充放电能量均衡控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤S600，提供储能元件充放电能量均衡系统；

步骤S610，获取第一开关控制信号和第二开关控制信号；

步骤S620，将所述第一开关控制信号输入所述第一MOS管的栅极，以及将所述第二开关控制信号输入所述第二MOS管的栅极，以通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态。

在一实施例中，步骤S600中的充放电均衡系统的具体电路结构在前述实施例中已进行详细阐述，这里不再赘述，本申请实施例是在前述充放电均衡系统的基础上进行均衡控制的具体方法。

获取第一开关控制信号和第二开关控制信号之前，还包括：

获取所述储能元件充放电能量均衡系统中每个电池单元的电量；

根据所述电量生成所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号。

具体地，可以对每个电池单元的电量进行检测和计算，然后通过均衡系统，控制每个电池单元的电流大小，从而实现电池的电量均衡，可以有效地提升电池均衡系统的性能以及延长其使用寿命。通过检测电量进行针对性的控制时，可通过设计对应的开关控制信号进行均衡器开关控制，进而选择对应的电池单元进行充放电。第一开关控制信号和第二开关控制信号均可采用脉冲宽度调制信号，即PWM(pulse width modulation)信号。具体信号可根据实际应用需求进行设置，这里不作限制。

在一实施例中，图1、图3-图5为该储能元件充放电能量均衡系统的四种工作方式，基于前述描述，本申请的储能元件充放电能量均衡系统时基于双向CUK变换器的储能元件充放电能量均衡系统，双向CUK变换器的充放电原理这里不再赘述。

在一实施例中，通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态，包括：

在所述充放电均衡系统的均衡器为多个时，通过所述第一开关控制信号控制对应第一MOS管的开关状态以选择用于充放电的电池单元的数量以及各电池单元的连接状态。

图6为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作时的等效原理图，该储能元件充放电能量均衡系统根据需要，通过输出电压以及电池容量来选择均衡器串联以及并联的数量，可以进行单个均衡器、两个均衡器串联或并联、多个均衡器串并联进行均衡操作，这些种方式的工作原理等效于单个均衡器均衡的工作原理，充电原理等效于放电原理，选择第一均衡器对负载进行放电过程进行分析，其大致过程分为以下两个阶段。

图7为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作于第一阶段的等效原理图。该系统工作在第一阶段(t₀-t₁)；此阶段，第一MOS管导通，电感L₁₁和电感L₂₁在输入电压的作用下充电，而电感L_o1和电感L_o2在电容C₁₁，电容C₂₁，电容C_o1和电容C_o2的电压和输出电压的共同作用下充电，而电容C₁₁，电容C₂₁，电容C_o1和电容C_o2在输出电流的作用下放电，公式描述如下：

其中，L_in表示L₁₁的电感值和L₂₁的电感值之和，L_o表示L_o1的电感值和L_o2的电感值之和，C表示由电容C₁₁，电容C₂₁，电容C_o1和电容C_o2串联的电容值，u_c表示电容C两端的电压值，i_in表示输入电流，i_o表示输出电流，U_in表示输入端电压，U₀表示输出端电压，因为输出电流纹波较小，因此可以看作恒定的输出电流对电容C进行放电。利用式(1.1)可以解出i_in和i_o在此阶段的变化量：

式中，Δi_in1表示此阶段i_in的变化量，Δi_o表示此阶段i_o的变化量，U_c0＝u(t₀)，DT＝t₁-t₀，T表示PWM周期，D表示PWM占空比。

图8为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作于第二阶段的等效原理图。该系统工作在第二阶段(t₁-t₂)：此阶段，第一MOS管关断，电感L_in在电容C的电压和输入电压的共同作用下放电，而电感L_o在输出电压的作用下放电，而电容C在输入电流的作用下充电，公式描述如下：

式中，由于输入电流纹波较小，因此可以看作恒定的输入电流对电容C进行充电。利用式(1.3)可以解出i_in和i_o在此阶段的变化量：

式中，Δi_in2表示此阶段i_in的变化量，Δi_o2表示此阶段i_o的变化量，U_c0＝u(t₁)，U_C1和U_C0具有如下关系：

在一个PWM周期，i_in和i_o的变化量应该都为0，亦即：

结合式(2.2)、(2.4)、(2.5)以及(2.6)，可以得到：

此处忽略损耗，结合能量守恒定律，即U_inI_in＝U_oI_o，可得：

当作为电池单元的锂电池SOC在10％-90％电池端电压变化微小，因此可以认为U_o/U_in≈1，则式(2.7)和式(2.8)可以简化为：

I_o≈I_in＝k_inU_in-k₂U_o (1.9)

式中，k₁＝2CD/[D(1-D)(2D-1)T]，k₂＝2C(1-D)/[D(1-D)(2D-1)T]。当电路参数、PWM频率以及PWM占空比D确定后，k₁和k₂都为常数，通过硬件实现了电流的自主分配。

图9为本申请一实施例中储能元件充放电能量均衡系统工作时的电路时序图，可以根据时序图对均衡系统进行时序控制。

基于以上储能元件充放电能量均衡系统及方法，可自主选择串联以及并联均衡器数量，储能元件充放电能量均衡系统实现了电流自助分配，方便进行控制，另外还有多种工作方式，大大提高了均衡效率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种储能元件充放电能量均衡系统，其特征在于，包括：

至少一个均衡器，其包括第一MOS管、第一电感、第二电感、第一电容和第二电容，所述第一电感的一端分别与所述第一电容的一端以及所述第一MOS管的漏极连接，所述第二电感的一端分别与所述第二电容的一端以及所述第一MOS管的源极连接，所述第一MOS管的栅极用于接入第一开关控制信号，以基于所述第一开关控制信号进行开关状态切换；

至少一个电池单元，所述第一电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的正极连接，所述第二电感远离所述第一MOS管的一端与所述电池单元的负极连接；其中，所述均衡器与所述电池单元一一对应；

输出电路，所述第一电容远离所述第一MOS管的一端以及所述第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接；所述输出电路的输出端用于连接负载。

2.根据权利要求1所述的储能元件充放电能量均衡系统，其特征在于，所述输出电路包括：第三电感、第四电感、第三电容、第四电容和第二MOS管，所述第三电容的一端分别与所述第三电感的一端以及所述第二MOS管的漏极连接，所述第四电容的一端分别与所述第四电感的一端以及所述第二MOS管的源极连接，所述第二MOS管的栅极用于接入第二开关控制信号，以基于所述第二开关控制信号进行开关状态切换；所述第三电容远离所述第二MOS管的一端与所述第一电容远离所述第一MOS管的一端连接，所述第四电容远离所述第二MOS管的一端与所述第二电容远离所述第一MOS管的一端连接；所述第三电感远离所述第二MOS管的一端以及所述第四电感远离所述第二MOS管的一端分别用于连接负载的不同端。

3.根据权利要求1所述的储能元件充放电能量均衡系统，其特征在于，所述均衡器包括N²个，其中N为大于1的正整数；其中，至少存在两个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以及所述两个均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端相互连接，以使对应的所述均衡器并联。

4.根据权利要求3所述的储能元件充放电能量均衡系统，其特征在于，至少存在一个均衡器的所述第一电容远离所述第一MOS管的一端与另一个均衡器的所述第二电容远离所述第一MOS管的一端连接，以使对应的所述均衡器依次串联。

5.根据权利要求4所述的储能元件充放电能量均衡系统，其特征在于，所述均衡器形成串联结构，仅所述串联结构其中一端的均衡器的第一电容远离对应第一MOS管的一端以及所述串联结构另一端的均衡器的第二电容远离所述第一MOS管的一端分别与所述输出电路的不同输入端连接。

6.一种储能元件充放电能量均衡控制方法，其特征在于，包括：

提供如权利要求1-5任一所述的储能元件充放电能量均衡系统；

获取第一开关控制信号和第二开关控制信号；

将所述第一开关控制信号输入所述第一MOS管的栅极，以及将所述第二开关控制信号输入所述第二MOS管的栅极，以通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态。

7.根据权利要求6所述的储能元件充放电能量均衡控制方法，其特征在于，通过所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号分别控制所述第一MOS管和所述第二MOS管的开关状态，包括：

在所述充放电均衡系统的均衡器为多个时，通过所述第一开关控制信号控制对应第一MOS管的开关状态以选择用于充放电的电池单元的数量以及各电池单元的连接状态。

8.根据权利要求6所述的储能元件充放电能量均衡控制方法，其特征在于，获取第一开关控制信号和第二开关控制信号之前，还包括：

获取所述储能元件充放电能量均衡系统中每个电池单元的电量；

根据所述电量生成所述第一开关控制信号和所述第二开关控制信号。