CN214707232U - 一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置。该装置包括锂离子动力电池模块以及充放电均衡电路，其中锂离子动力电池模块可由单个电池单体组成，也可由多个串联或串并联的电池单体组成；充放电均衡电路由开关管(含反并联续流二极管)以及相应的导线组成，其中开关管可使用IGBT、MOSFET以及SiC MOSFET等器件，也可使用机械开关。该均衡装置可实现充放电过程下的能量均衡，闲置状态下的能量均衡等功能，且具有均衡损耗低、发热小、均衡速度快、均衡方式灵活等优势。

Description

一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，特别涉及一种动力电池能量均衡系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对能源的需求也不断提升，而传统燃油汽车的大量使用，加剧了石油等化石能源的消耗速度，同时化石能源的燃烧不仅产生大量温室气体，导致全球变暖，而且会产生大量的细颗粒物、氮氧化物、臭氧、一氧化碳等危害人类健康的物质。我国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和。

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。随着电动车的技术不断进步与成本持续下降，从一开始依赖政府大量补贴发展到现在核心竞争力不断提升，在补贴逐渐退坡的政策下依然具有一定的竞争力，市场提升空间巨大。

以电动汽车为代表的新能源汽车作为交通领域碳减排的最重要手段之一，由于行驶过程中不会排放有害气体，对环境的影响相对传统汽车较小，因此大力发展电动汽车来替代传统燃油汽车是能够解决化石能源短缺以及环境污染问题的有效途径。

受制于现阶段动力电池的能量密度和电压等级，当前电动汽车的电池部分需要由许多电池单体组成，而电池存在一致性差异，所以为了最大化利用电池的电能以提升电动汽车的续航水平，需要利用能量均衡电路。

目前常见的均衡电路主要包括被动均衡和主动均衡两大类：

被动均衡也称电池能耗型均衡，主要将电池与稳压管并联或通过开关与电阻并联，一般为稳压管法和电阻法，被动均衡一般存在发热、均衡效率低等问题，限制了大规模使用；主动均衡主要分为开关电容型、储能电感型、DC-DC型、基于变压器的均衡电路等类型，但现有技术下这些均衡方法都存在均衡效率不够高，均衡功率不够大等问题，因此需要开发高效的电池能量均衡电路。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种大功率，高效率的能量均衡电路，解决现有技术均衡效率低，发热量大等问题。

本发明具体的构成方式如下。

一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置，包括锂离子动力电池模块以及充放电均衡电路，其中锂离子动力电池模块可由一个电池单体组成，也可由多个串联或串并联的电池单体组成；充放电均衡电路由开关管以及相应的导线组成，开关管可使用IGBT、MOSFET以及 SiC MOSFET以及机械开关等器件。

模块化充放电均衡电路将每个电池模块连接起来，当电池模块总个数为n时，对于电池模块i来说，当i＝1时：电池的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管中二极管的阴极与电池模块的正极相连，这两个开关管之间的连接处引出电池组的正极总输出端子；此外，该电池模块的正极通过另一个独立的开关管与相邻电池模块的正极相连，开关管的方向为：二极管的阴极与电池模块i的正极相连。

当电池模块i介于2到n-1之间时，每个电池模块的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管中二极管的阴极与电池模块的正极相连，这两个开关管之间的连接部分引出导线连接到第i-1个电池模块的负极；此外，该电池模块的正极分别通过独立的开关管与相邻两个电池模块的正极相连，其中与电池模块i-1相连时开关管的方向为：二极管的阳极与电池模块i的正极相连；与电池模块i+1相连时开关管的方向为：二极管的阴极与电池模块i 的正极相连。

当电池模块i＝n时，该电池模块的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管中二极管的阴极与电池模块的正极相连，这两个开关管之间的连接部分引出导线连接到第i-1个电池模块的负极；此外，该电池模块的正极通过独立的开关管与相邻的电池模块i-1 的正极相连，开关管的方向为：二极管的阳极与电池模块i的正极相连。

在充电过程中，在电池模块i(i＝1，2，…，n-1)需要被旁路时，对开关管的控制逻辑如下：T_3i-1触发导通，T_3i以及T_3i-2闭锁；在放电过程中，在电池模块i(i＝1，2，…，n-1) 需要被旁路时，对开关管的控制逻辑如下：T_3i-1触发导通，T_3i以及T_3i-2闭锁；对于电池模块 i(i＝1，2，…，n-1)，关断T_3i-2，开通T_3i-1，T_3i，即可实现电池模块之间的能量均衡。

附图说明

图1是基于IGBT的锂电池组主动均衡装置；

图2是基于机械开关的锂电池组主动均衡装置；

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参考图1，图1是基于IGBT的锂电池组主动均衡装置，该均衡装置下，任意相邻电池模块之间可以独立的进行能量均衡操作，以电池模块2和电池模块3为例，(其他任意相邻模块之间的导通和关断逻辑与这两个开关管类似)导通开关管T₆和T₈，关断开关管T₇，此时开关管T₄和T₅互补导通和关断，T₉可为任意状态。此时电池模块2和电池模块3之间将会开展能量均衡过程，在此过程中无需高频开关动作，因此可有效降低能量损耗。

如果由于电池模块之间的不均衡性，电池模块i率先充满电，此时如果继续对整个电池组充电将导致该电池模块i过电压，此时可通过该拓扑使该电池模块被旁路，当i＝1，2，…， n-1时，对开关管的控制逻辑如下：T_3i-1触发导通，T_3i以及T_3i-2闭锁；当i＝n时，T_3i-1触发导通，T_3i-2闭锁。

如果电池模块i率先放电完成，此时如果继续对整个电池组进行放电操作将导致该电池模块的过放电，此时可通过该拓扑使该电池模块被旁路，当i＝1，2，…，n-1时，对开关管的控制逻辑如下：T_3i-1触发导通，T_3i以及T_3i-2闭锁；当i＝n时，T_3i-1触发导通，T_3i-2闭锁。

如果此时所有电池模块都未处于充电或放电状态，且电池模块之间需要进行能量均衡操作，则开通所有开关管T_3i-1和T_3i(当i＝电池模块的最大值n时，仅需开通T_3i-1)，关断所有开关管T_3i-2。

对于图2所示的基于机械开关的锂电池组主动均衡装置，其控制方式与基于IGBT的锂电池组主动均衡装置类似，由于相应的位置由IGBT替换为机械开关，在控制时对相应位置的机械开关进行开关操作即可。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (4)

1.一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置，其特征在于：每个锂离子动力电池模块的正负极上面连接由开关管(IGBT或MOSFET)以及相应的导线组成的均衡电路，除去与电池组负极直接相连的电池模块的均衡电路包含2个开关管外，其余每个电池模块相连的均衡电路均包含3个开关管，开关管可用机械开关代替。

2.根据权利要求1所述的一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置，其特征在于：当电池模块总个数为n时，对于电池模块i来说，当i＝1时：电池的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管T₂中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管T₁中二极管的阴极与电池模块的正极相连，这两个开关管之间的连接处引出电池组的正极总输出端子；此外，该电池模块的正极通过另一个独立的开关管T₃与相邻电池模块的正极相连，开关管的方向为：二极管的阴极与电池模块i的正极相连。

3.根据权利要求1所述的一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置，其特征在于：当电池模块i介于2到n-1之间时，每个电池模块的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管T_3i-1中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管T_3i-2中二极管的阴极与电池模块的正极相连，这两个开关管之间的连接部分引出导线连接到第i-1个电池模块的负极；此外，该电池模块的正极分别通过独立的开关管与相邻两个电池模块的正极相连，其中与电池模块i-1相连时开关管T_3(i-1)的方向为：二极管的阳极与电池模块i的正极相连；与电池模块i+1相连时开关管T_3i的方向为：二极管的阴极与电池模块i的正极相连。

4.根据权利要求1所述的一种适用于锂电池组的电池主动均衡装置，其特征在于：当电池模块i＝n时，该电池模块的正极和负极之间连接两个同方向串联的开关管，其中靠近电池模块负极的开关管T_3n-1中二极管的阳极与电池模块的负极相连，靠近电池模块正极的开关管T_3n-2中二极管的阴极与电池模块的正极相连，开关管T_3n-1与开关管T_3n-2之间的连接部分引出导线连接到第n-1个电池模块的负极；此外，该电池模块的正极通过独立的开关管T_3(n-1)与相邻的电池模块n-1的正极相连，开关管的方向为：二极管的阳极与电池模块n的正极相连。

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