CN207896233U - 一种串联锂离子电池组p-c-c-p均衡器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种串联锂离子电池组P‑C‑C‑P均衡器，本实用新型均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成；其中，4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管包括上层功率开关Q和下层功率开关S，上层功率开关Q由Q1i及Q2i组成，下层功率开关S由S1i及S2i组成。本实用新型可以根据电池状态以及均衡需要，选择不同的均衡策略从而达到不同的均衡效果，均衡具有灵活性，均衡原理简单。均衡器采用反激式变压器作为能量转移的媒介，减小了均衡器的体积。在任一种均衡策略中，只需对一个MOSFET进行PWM控制，能量损耗小。

Description

一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器
技术领域
本实用新型涉及一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，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
随着工业的发展和人类文明的进步，环境问题和能源危机变得越来越严重，特别是石油、煤炭等化石燃料的使用直接导致了严重的温室效应等环境污染问题。而在现代经济飞速发展的时代，能源是必不可少的基础性材料。但由于化石燃料的短缺和不可再生能源的日益匮乏，人类社会的可持续发展将会受到巨大的阻碍。在21世纪这个经济飞速发展的时代，由于电动汽车节能无污染，受到了各国的广泛重视。但电动汽车的一个最关键的技术便是储能，因此，如何将能源进行高效安全的储存和利用就变得至关重要了。
由于锂离子电池具有标称电压高、重量轻、比能量高、循环寿命长、自放电系数小、无记忆效应、无污染等优点，受到了市场的青睐。锂离子单体电池的额定电压为3.6V左右，为了满足储能及电动汽车电压的要求，必须将大量的锂离子电池进行串联或者并联起来使用。在锂离子电池组的使用过程中，由于单体电池间本身特性和环境的差异会导致电池组的能量不一致，随着充放电次数的增加将会导致电池组的充放电容量越来越小，导致电池组的提前报废。为了解决串联的锂离子电池组单体电池间的能量不一致问题，提高锂离子蓄电池组的充放电容量，延长其循环使用寿命，推动新能源锂离子电池储能系统及新能源电动汽车的发展，必须对电池组进行能量的均衡。
根据均衡器的拓扑结构、均衡效果及组成元器件可以将均衡策略分成不同的种类，依据其能量转移方式可分为能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡。根据元器件的不同可将均衡分为电容均衡、电感均衡、变压器均衡、LC均衡等均衡方法。不同的均衡拓扑电路能量转移的路径也会有所不同，其能量转移包括电池包到单体电池、单体电池到电池包、单体电池到单体电池。
目前尚无针对大规模锂离子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的研究。
发明内容
针对大规模锂离子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，本实用新型提供了一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器。
本实用新型的技术方案是：一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，对于由n个单体电池串联组成的电池包/组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成；其中，4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管包括上层功率开关Q和下层功率开关S，上层功率开关Q由Q1i及Q2i组成，下层功率开关S由S1i及S2i组成；
所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，功率开关Q1i的另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，功率开关Q2i的另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，功率开关S1i另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，功率开关S2i另一端共同引出一条引线与反激式变压器T的副边绕组W2一端相连；反激式变压器T的副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，反激式变压器T的原边绕组W1的一端与主控开关M的另一端相连，反激式变压器T的原边绕组W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的另一端相连；
其中，i＝1,2,3…,n。
所述上层功率开关Q、下层功率开关S和主控开关M均为N沟道MOSFET。
本实用新型的有益效果是：本实用新型对于由n个单体电池组成的电池组可以实现三种不同的均衡策略，根据能量转移方式可以分为P-C、C-C和C-P。当采用P-C均衡策略时，能量转移方式为电池包到单体电池(Pack-Cell)；当采用C-C均衡策略时，能量转移方式为单体电池到单体电池(Cell-Cell)；当采用C-P均衡策略时，能量转移方式为单体电池到电池包(Cell-Pack)。在电池组的均衡中，此均衡器可以根据电池状态以及均衡需要，选择不同的均衡策略从而达到不同的均衡效果，均衡具有灵活性，均衡原理简单。均衡器采用反激式变压器作为能量转移的媒介，减小了均衡器的体积。在任一种均衡策略中，只需对一个MOSFET进行PWM控制，能量损耗小。
附图说明
图1是本实用新型一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器电路原理图；
图2是针对4个单体电池的电池组均衡器电路原理图；
图3是实施例1的均衡原理图；
图4是实施例1的均衡原理图；
图5是实施例2的均衡原理图；
图6是实施例2的均衡原理图；
图7是实施例3的均衡原理图；
图8是实施例3的均衡原理图；
其中，如附图所示，灰色部分为断开，黑色部分为导通或工作。
具体实施方式
实施例1：如图1-8所示，一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，对于由n个单体电池串联组成的电池组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成。其中，4n个功率开关包括上层功率开关Q和下层功率开关S。所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与反激式变压器的副边绕组W2一端相连；反激式变压器副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，原边W1的一端与主控开关M的一端相连，W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的一端相连；其中，i＝1,2,3…,n。
进一步地，可以设置所述开关Q、S和M均为N沟道MOSFET。
所述串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器采用P-C、C-C和C-P三种不同的均衡策略。当电池组采用P-C均衡策略时，均衡能量转移方式为电池包(组)到单体电池；当电池组采用C-C均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到单体电池；当电池组采用C-P均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到电池包(组)。在电池组的均衡中，可根据电池组和单体电池的状态选择不同的均衡策略。
所述具体过程为：
当电池组采用P-C均衡策略时，均衡能量从电池包转移到单体电池Celli中。在均衡中，控制Q11和S1n处于导通状态，选通电池包；控制Q2i和S2i处于导通状态，选通单体电池Celli，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，电池包中的能量转移到反激式变压器T的原边绕组中。当主控开关M关断时，储存在变压器原边绕组中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到单体电池Celli中。均衡后，可使单体电池Celli的能量和电池包中其余单体电池的能量一致。
例如对4个单体电池组成的电池组的均衡过程为：在均衡中，假设单体电池Cell2的能量最低，控制Q11和S14处于导通状态，选通电池组；控制Q22和S22处于导通状态，选通单体电池Cell2，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，电池包中的能量转移到反激式变压器T的原边绕组中，如图3所示。当主控开关M关断时，储存在变压器原边绕组中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到单体电池Cell2中，如图4所示。均衡后，可使单体电池Cell2的能量和电池包中其余单体电池的能量一致。
实施例2：如图1-8所示，一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，对于由n个单体电池串联组成的电池组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成。其中，4n个功率开关包括上层功率开关Q和下层功率开关S。所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与反激式变压器的副边绕组W2一端相连；反激式变压器副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，原边W1的一端与主控开关M的一端相连，W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的一端相连。其中，i＝1,2,3…,n。
进一步地，可以设置所述开关Q、S和M均为N沟道MOSFET。
串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器采用P-C、C-C和C-P三种不同的均衡策略。当电池组采用P-C均衡策略时，均衡能量转移方式为电池包(组)到单体电池；当电池组采用C-C均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到单体电池；当电池组采用C-P均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到电池包(组)。在电池组的均衡中，可根据电池组和单体电池的状态选择不同的均衡策略。
所述具体过程为：
当电池组采用C-C均衡策略时，均衡能量从单体电池Cellx转移到单体电池Celly中。均衡时，控制Q1x和S1x处于导通状态，选通单体电池Cellx；控制Q2y和S2y处于导通状态，选通单体电池Celly，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关导通时，单体电池Cellx中的能量储存在反激式变压器T的原边绕组中。当主控开关M关闭时，储存在变压器原边绕组中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到单体电池Celly中。均衡后，可使单体电池Cellx和单体电池Celly的能量一致。其中，x＝1,2,3,…,n；y＝1,2,3,…,n。
例如对4个单体电池组成的电池组的均衡过程为：均衡时，假设均衡能量从单体电池Cell2转移到单体电池Cell4中。均衡时，控制Q12和S12处于导通状态，选通单体电池Cell2；控制Q24和S24处于导通状态，选通单体电池Cell4，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关导通时，单体电池Cell2中的能量储存在反激式变压器T的原边绕组中，如图5所示。当主控开关M关闭时，储存在变压器原边绕组中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到单体电池Cell4中，如图6所示。均衡后，可使单体电池Cell2和单体电池Cell4的能量一致。
实施例3：如图1-8所示，一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，对于由n个单体电池串联组成的电池组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成。其中，4n个功率开关包括上层功率开关Q和下层功率开关S。所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与反激式变压器的副边绕组W2一端相连；反激式变压器副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，原边W1的一端与主控开关M的一端相连，W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的一端相连。其中，i＝1,2,3…,n。
进一步地，可以设置所述开关Q、S和M均为N沟道MOSFET。
串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器采用P-C、C-C和C-P三种不同的均衡策略。当电池组采用P-C均衡策略时，均衡能量转移方式为电池包(组)到单体电池；当电池组采用C-C均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到单体电池；当电池组采用C-P均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到电池包(组)。在电池组的均衡中，可根据电池组和单体电池的状态选择不同的均衡策略。
所述具体过程为：
当电池组采用C-P均衡策略时，均衡能量从单体电池Celli转移到电池包(组)中。均衡时，控制Q1i和S1i处于导通状态，选通单体电池Celli；控制Q21和S2n处于导通状态，选通电池组，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，单体电池Celli中的能量转移到反激式变压器的原边绕组中。当主控开关M关断时，储存在变压器原边中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到电池组中。均衡后，单体电池的能量与电池组中其它单体电池的能量一致。
例如对4个单体电池组成的电池组的均衡过程为：在均衡中，假设单体电池Cell2的能量最高。均衡时，控制Q12和S12处于导通状态，选通单体电池Cell2；控制Q21和S24处于导通状态，选通电池组，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，单体电池Cell2中的能量转移到反激式变压器的原边绕组中，如图7所示。当主控开关M关断时，储存在变压器原边中的能量经反激式变压器的副边绕组转移到电池组中，如图8所示。均衡后，单体电池的能量与电池组中其它单体电池的能量一致。
实施例4：如图1-8所示，一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，对于由n个单体电池串联组成的电池组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成。其中，4n个功率开关包括上层功率开关Q和下层功率开关S。所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，另一端共同引出一条引线与反激式变压器的副边绕组W2一端相连；反激式变压器副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，原边W1的一端与主控开关M的一端相连，W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的一端相连。其中，i＝1,2,3…,n。
进一步地，可以设置所述开关Q、S和M均为N沟道MOSFET。
串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器采用P-C、C-C和C-P三种不同的均衡策略。当电池组采用P-C均衡策略时，均衡能量转移方式为电池包(组)到单体电池；当电池组采用C-C均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到单体电池；当电池组采用C-P均衡策略时，均衡能量的转移方式为单体电池到电池包(组)。在电池组的均衡中，可根据电池组和单体电池的状态选择不同的均衡策略。
所述具体过程为：
当电池组处于充电状态时，可根据单体电池间的能量不一致程度选择P-C、C-C或者C-P均衡策略(如果单体电池间的能量不一致程度比较严重，可以选择选择C-C均衡策略，此时均衡能量直接由最高的单体电池向最低的单体电池转移，使单体电池间的能量不一致程度快速降低。)；当电池组处于静置状态或者放电状态时，可根据单体电池间的能量不一致程度选择P-C、C-C或者C-P均衡策略(同理，如果单体电池间的能量不一致程度比较严重，可以选择选择C-C均衡策略，而P-C或者C-P均衡策略在降低单体电池间能量不一致程度上的效果是相同的，但是在电池组放电状态下，如果采用P-C均衡策略更有利于提高电池组的放电时间)。
本实用新型的工作原理是：
本实用新型对于由n个单体电池组成的电池组可以实现三种不同的均衡策略，根据能量转移方式可以分为P-C、C-C和C-P。当采用P-C均衡策略时，能量转移方式为电池包到单体电池；当采用C-C均衡策略时，能量转移方式为单体电池到单体电池；当采用C-P均衡策略时，能量转移方式为单体电池到电池包。在电池组中，可根据电池组和单体电池的状态选择满足不同均衡要求的均衡策略。
上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型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，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，其特征在于：对于由n个单体电池串联组成的电池包/组，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，2个二极管D，1个电容C和一个反激式变压器T组成；其中，4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管包括上层功率开关Q和下层功率开关S，上层功率开关Q由Q1i及Q2i组成，下层功率开关S由S1i及S2i组成；
所述功率开关Q1i的一端与单体电池Celli的正极相连，功率开关Q1i的另一端共同引出一条引线与二极管D2的阳极相连；功率开关Q2i的一端与单体电池Celli的正极相连，功率开关Q2i的另一端共同引出一条引线与二极管D1的阴极相连；功率开关S1i的一端与单体电池Celli的负极相连，功率开关S1i另一端共同引出一条引线与主控开关M的一端相连；功率开关S2i的一端与单体电池Celli的负极相连，功率开关S2i另一端共同引出一条引线与反激式变压器T的副边绕组W2一端相连；反激式变压器T的副边绕组W2的另一端与二极管D1的阳极相连，反激式变压器T的原边绕组W1的一端与主控开关M的另一端相连，反激式变压器T的原边绕组W1的另一端与二极管D2的阴极和电容C的一端相连，电容C的另一端与主控开关M的另一端相连；
其中，i＝1,2,3…,n。
2.根据权利要求1所述的串联锂离子电池组P-C-C-P均衡器，其特征在于：所述上层功率开关Q、下层功率开关S和主控开关M均为N沟道MOSFET。
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