CN215934496U

CN215934496U - 电感锂电池组主动均衡拓扑电路、系统、控制系统及车辆

Info

Publication number: CN215934496U
Application number: CN202122033990.7U
Authority: CN
Inventors: 李端凯; 张文超; 周卓敏; 张愔; 刘铭
Original assignee: CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
Current assignee: CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2031-08-26

Abstract

本实用新型提供了公开了电感锂电池组主动均衡拓扑电路、系统、控制系统及车辆，其中，拓扑电路包括：若干串联的锂电池，每一锂电池的两端分别连接第一开关器件的一端及第二开关器件的一端；第一开关器件的另一端连接至第一共同端，所述第二开关器件的另一端连接至第二共同端；第一共同端与第二共同端之间串联有单向器件及电感器件。该拓扑功率较高、工作频率高；采用单电感作为能量转移媒介，因此电路结构简单、便于模块化集成设计。

Description

电感锂电池组主动均衡拓扑电路、系统、控制系统及车辆

技术领域

本实用新型属于电路结构技术领域，具体涉及电感锂电池组主动均衡拓扑电路、系统、控制系统及车辆。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

锂离子电池在储能系统中的应用越来越广泛，但业界也逐渐注意到锂离子电池单体之间存在老化不一致现象：当采用完全相同的工作机制对同品牌同型号的不同单体分别进行持续循环充放电时，随着循环次数的增加，各单体可用容量的衰减速度会呈现出明显的差别，这会造成串联电池组内部分单体循环寿命提前结束，受木桶效应的制约，电池组整体的寿命也会随之终止。

锂电池组成组方式包括串联、并联和串并联混合方式，不同的成组方式可以满足不同的用电需求。串联成组可以提高电池组的容量水平，并联成组可以抬升电池组的电压水平，而串并联混合方式可以同时满足动车组高容量和高电压的综合需求。然而电池因受制作材料、工艺参数等因素的影响，出厂就会在容量、内阻等方面存在差异，这种差异随着后续外部使用条件的不同，包括使用条件、应用工况、成组方式以及管理方法等方面，而进一步扩大电池组的不一致性。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了电感锂电池组主动均衡拓扑电路、系统、控制系统及车辆，本实用新型进一步优化单电感均衡拓扑，使得能量最高电池能量直接传递到能量最低的电池。

根据一些实施例，本实用新型采用如下技术方案：

第一方面，公开了电感锂电池组主动均衡拓扑电路，包括：

若干串联的锂电池，每一锂电池的两端分别连接第一开关器件的一端及第二开关器件的一端；

所述第一开关器件的另一端连接至第一共同端，所述第二开关器件的另一端连接至第二共同端；

所述第一共同端与第二共同端之间串联有单向器件及电感器件。

进一步的技术方案，所述第一开关器件之间为并联关系，所述第一开关器件还并联有末端开关器件；

所述第二开关器件之间为并联关系，所述第二开关器件还并联有首端开关器件。

进一步的技术方案，所述第一开关器件与第二开关器件两者类型相同或不同。

进一步的技术方案，所述第一开关器件与第二开关器件绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

进一步的技术方案，所述单向器件为防电流反向二极管，电感器件为均衡电感。

进一步的技术方案，若干串联的锂电池中，若为n节电池构成的电池组，则至少需要2n+2个开关器件。

进一步的技术方案，所述开关器件电压等级在10V以上，电流等级在50A以上。

第二方面，公开了车辆级储能系统，包括依次串联的多个电感锂电池组主动均衡拓扑电路，每一电路的输入端分别连接至第一开关及第二开关，所述第一开关分别连接至第一公共导线，所述第二开关分别连接至第二公共导线，第一公共导线的末端与第二公共导线首段之间通过第三公共导线相连，第三公共导线上串联有单向二极管及电感。

第三方面，公开了车辆级储能系统的控制系统，包括：控制器，所述控制器分别连接至车辆级储能系统的各个开关及开关器件，用于控制其通断。

进一步的技术方案，所述控制器还连接至显示设备，用于显示所述拓扑电路所处的模态。

第四方面，公开了一种车辆，所述车辆包括上述车辆级储能系统及上述车辆级储能系统的控制系统。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

本实用新型公开的基于电感锂电池组主动均衡拓扑电路，该拓扑电路功率较高、工作频率高；采用单电感作为能量转移媒介，因此电路结构简单、便于模块化集成设计。

基于本实用新型均衡拓扑模态，建立均衡过程数学模型；着重优化了系统频率、占空比、电感等参数，可满足高效、轻量化和大功率应用场景的需求。

本实用新型提出了一种新颖的基于电感锂电池组主动均衡拓扑，该拓扑兼顾均衡效率和电路结构等均衡拓扑优势，解决了经典buck-boost变换器近邻电池均衡拓扑仅能实现近邻电池能量传递，均衡效率低问题；也进一步优化单电感均衡拓扑，使得能量最高电池能量直接传递到能量最低的电池。

本实用新型附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本公开实施例子电感主动均衡拓扑图；

图2为本公开实施例子电感充电模态图；

图3为本公开实施例子电感放电模态图；

图4为本公开实施例子电感充电等效电路图；

图5为本公开实施例子电感放电等效电路图；

图6为本公开实施例子系统级电路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

在本实施例中，以进行举例说明，但并不代表本实用新型提供的电感锂电池组主动均衡拓扑电路仅能应用在锂电池储能系统中。其也可以根据电池对象的不同，适用于其他装置的储能系统中。

基于锂电池作为一种静音、环保的新型储能系统，引起车辆、轨道交通、电力等行业的广泛重视，但是成组电池的不一致性加速了储能系统老化进程，制约着锂电池的快速发展，本实施例中公开了电感锂电池组主动均衡拓扑电路，包括：

第一开关器件的另一端连接至第一共同端，所述第二开关器件的另一端连接至第二共同端；

第一共同端与第二共同端之间串联有单向器件及电感器件。

第一开关器件之间为并联关系，所述第一开关器件还并联有末端开关器件；

第二开关器件之间为并联关系，所述第二开关器件还并联有首端开关器件。

具体实施例子中，参见附图1所示，共7个开关管，三节电池，一个单向二极管，一个电感。其中S0-S7为控制均衡过程的绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管(MOSFET或IGBT)，D1为防电流反向二极管，L为均衡电感。

其基本原理为：通过响应的开关控制，将高单体荷电状态(SOC)电池的多余能量存储到电感中，并通过电感将能量转移到低SOC电池中，该拓扑中电感可为电池组中任意电池单体传递能量，因此，若要给由n节电池构成的电池组均衡，至少需要2n+2个开关管，虽然开关管数量较多，且仅需要1个电感，工作频率较高，均衡电路的体积也较小，结构简单紧凑。

单体电池的电感均衡具体过程共分为两个模态，分别为电感充电模态和电感放电模态。假定B1电池的SOC高于B3电池，先闭合S1、S2，此时B1电池的能量向电感L中转移如图2所示；电感电流上升为I后在断开S1、S2的瞬间闭合S4、S7，由于电感电流不能突变，此时存储在电感L中的能量为B3电池充电，如图3所示，直到电流降为0，断开S4、S7，如此循环，最终实现能量均衡。

当闭合S1、S2，此时B1电池、二极管D1、电感L和处于导通状态下的开关管S1、S2构成闭合回路，B1电池的能量向电感L中转移，流入电感的电流不断上升，即电感中存储的能量不断增加，此模态可用图4所示的电感充电等效电路替代，图中R₀为整个回路的等效直流电阻，主要为开关管S1、S2和二极管D1的导通电阻，阻值较小，U₁为B1电池电压，L为储能电感，i_L为均衡电流，直到i_L达到均衡电流预设值，该模态停止，转换为下一个工作模态。

根据基尔霍夫定律，可得B1电池放电电路方程：

整理可得：

式中，t为电感充电时间，U_f为二极管和开关管压降。

当断开S1、S2，闭合S4、S7，电感中的电流不能突变，此时B3电池、二极管D1、电感L和处于导通状态下的开关管S4、S7构成闭合回路，电感L中存储的能量向B3电池转移，流入B3电池的电流不断下降，即电感中存储的能量不断释放，此模态可用图5所示的电感放电等效电路替代，该模态初始时，电感的电流初始值i₀为预设均衡电流值，U₂为B3电池电压，U_f为二极管的导通压降，该过程的持续时间取决于D1的导通时间，即加载到D1上的正向电压，当此电压大于导通电压，则回路稳定维持导通；当此电压小于导通电压，则回路截止，此过程终止。而加载在D1上的电压则取决于电感中电流的变化率.因此，电感中的电流是此过程的关键参数。

根据基尔霍夫定律，可得B3电池充电等效电路方程：

整理可得：

在一实施例子中，进行占空比和开关频率参数优化：

由于均衡电路开关频率较高，为减小电感磁复位和开关管损耗，提高效率，系统设计工作于断续电流模式(discontinuous current mode,DCM)；同时考虑到电感放电回路中二极管导通压降的存在，电感剩余能量不能完全耗尽，易引起电感饱和，因此这里取占空比D为40％。而开关频率与电路元件尺寸以及电路功耗有关，频率越高，电路元件体积尺寸可减小更多，但考虑到电路中的MOS管和二极管的功耗，系统开关频率取100kHz。

在一实施例子中，进行电感参数优化：

若忽略电感充电回路中的等效串联电阻R₀(约为0.01Ω)，则充电均衡电流为：

式中，V_c为均衡单体电池电压，这里为电池单体标称电压3.3V，f为开关频率，那么通过电流预设值i_c和占空比D可以计算出均衡电感L。

在一实施例子中，关于MOSFET和二极管的选择：

开关器件MOS管的选择可从漏源极击穿电压、持续漏极电流、开关延时和导通电阻等方面来考察.均衡电路中的电压需求为2节单体最大电压之和，即电压等级应该在10V以上；考虑到均衡电流尖峰可能较大及以后增大均衡电流的可能性，电流等级应该在50A以上；开关延时表征开关是否迅速开关，其值越小开关越迅速，功耗越小，发热越小，故应该选择开关延时较小的MOS管；为了减少回路中的功率损耗及防止MOS管发热，应该选择导通内阻比较小的MOS管。这里提供可选择的MOS管型号为IPT004N03L，导通内阻仅为0.4mΩ，可允许峰值电流为100A，完全满足此类应用场景。

防电流反向二极管应具备如下特性：导通阻抗小，减小电能消耗，同时降低系统温升；导通压降小，使电感电能尽可能多地释放给电池；响应速度快等。

本实用新型基于该主动均衡拓扑的电路结构和均衡原理，建立拓扑数学模型推导关键参数；着重优化了系统频率、占空比、电感等参数，可满足高效、轻量化和大功率应用场景的需求。

实施例二：

该实施例子公开了车辆级储能系统，包括依次串联的多个电感锂电池组主动均衡拓扑电路，每一电路的输入端分别连接至第一开关及第二开关，所述第一开关分别连接至第一公共导线，所述第二开关分别连接至第二公共导线，第一公共导线的末端与第二公共导线首段之间通过第三公共导线相连，第三公共导线上串联有单向二极管及电感。

具体的，车辆级储能系统的主动均衡拓扑如下图6所示，分为模组级主动均衡和系统级主动均衡，这里每个模组中串联电池数以3个为例，应用过程中以模组中实际串联电池数量为准；而这里的储能系统是以串联3个模组为例，应用过程也是以系统实际串联模组为准；系统级主动均衡原理与模组级一致，但是开关管、二极管和电感的参数需要重新整定，整定方式与本专利实施例一中的均衡电感等计算原理一致，公式中Vc为均衡单体电池电压，而在系统级主动均衡中Vc为电池模组电压。

实施例三：

该实施例子公开了该实施例子公开了车辆级储能系统的控制系统，包括：控制器，控制器分别连接至上述实施例子一中的电感锂电池组主动均衡拓扑电路系统的所有开关，用于控制其通断。

控制器还连接至显示设备，用于显示所述拓扑电路系统所处的模态。

实施例四：

该实施例子公开了一种车辆，所述车辆包括车辆级储能系统，所述车辆级储能系统采用上述实施例子二中的车辆级储能系统。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims

1.电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，包括：

2.如权利要求1所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，所述第一开关器件之间为并联关系，所述第一开关器件还并联有末端开关器件；

3.如权利要求1所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，所述第一开关器件与第二开关器件两者类型相同或不同。

4.如权利要求1所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，所述第一开关器件与第二开关器件绝缘栅型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。

5.如权利要求1所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，所述单向器件为防电流反向二极管，电感器件为均衡电感。

6.如权利要求1所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，若干串联的锂电池中，若为n节电池构成的电池组，则至少需要2n+2个开关器件。

7.如权利要求1-6任一所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路，其特征是，所述开关器件电压等级在10V以上，电流等级在50A以上。

8.车辆级储能系统，其特征是，包括依次串联的多个上述权利要求1-7任一所述的电感锂电池组主动均衡拓扑电路。

9.车辆级储能系统的控制系统，其特征是，包括：控制器，所述控制器分别连接至权利要求8所述的车辆级储能系统的各个开关及开关器件，用于控制其通断。

10.一种车辆，其特征是，所述车辆包括上述权利要求8所述的车辆级储能系统及上述权利要求9所述的车辆级储能系统的控制系统。