CN217656455U - 一种双级架构的均衡控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种双级架构的均衡控制系统，其中系统包括第一级均衡模块和第二级均衡模块，串联储能元件组中相邻的两个储能元件单体均与一个第一级均衡模块连接，串联储能元件组中相邻的两组储能元件组均与一个第二级均衡模块连接；所述第一级均衡模块、以及第二级均衡模块均包括串联的感性元件和均衡单元。本实用新型提供了一种双级架构的均衡控制系统，用较简单的实现方式、以及较少的电子器件，实现了主动均衡，本实用新型具有线路、结构和控制相对简单，成本低，可靠性相对较高的特点。

Description

一种双级架构的均衡控制系统

技术领域

本实用新型属于储能设备领域，尤其是涉及一种双级架构的均衡控制系统。

背景技术

随着新能源技术的发展，动力锂电池和储能应用越来越广泛，电池管理系统BMS技术也不断进步。由于木桶效应，锂电池的一致性直接影响了锂电池系统的可用容量。通过技术手段有效解决电池的一致性难题，对动力电池系统和储能系统应用具有重要意义。BMS均衡技术一向是解决一致性问题的有效手段之一，BMS均衡技术分为被动均衡技术和主动均衡技术。被动均衡优点是成本低，控制简单，缺点是均衡电流小，通常100mA，而且能量会以电阻发热的形式释放掉，能量完全损失；主动均衡技术优点是均衡电流大，通常达到几A，能量实现动态转移，但是现有的主动均衡方案电子器件使用数量较大，导致成本高昂，控制复杂，可靠性低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型旨在提出一种双级架构的均衡控制系统，以解决现有主动均衡方式因电子器件使用数量较多导致的问题。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供了一种双级架构的均衡控制系统，包括第一级均衡模块和第二级均衡模块，串联储能元件组中相邻的两个储能元件单体均与一个第一级均衡模块连接，串联储能元件组中相邻的两组储能元件组均与一个第二级均衡模块连接；

所述第一级均衡模块、以及第二级均衡模块均包括串联的感性元件和均衡单元，所述感性元件一端与上一级储能元件单体负极或下一级储能元件单体正极连接，另一端与均衡单元连接；所述均衡单元包括二极管D1、二极管D2、开关元件K1以及开关元件K2，所述二极管D1与开关元件K1并联，二极管D1负极与感性元件连接、正极与上一级储能元件单体正极连接，所述二极管D2与开关元件K2并联，二极管D2正极与感性元件连接、负极与下一级储能元件单体负极连接。

进一步的，所述感性元件采用电感。

进一步的，所述开关元件K1及开关元件K2采用MOS管、三极管或IGBT。

相对于现有技术，本实用新型所述的一种双级架构的均衡控制系统具有以下优势：

本实用新型提供了一种双级架构的均衡控制系统，用较简单的实现方式、以及较少的电子器件，实现了主动均衡，本实用新型具有线路、结构和控制相对简单，成本低，可靠性相对较高的特点；通过采用双级架构，将储能元件单体均衡和储能元件组分开控制，使控制简单、高效、方便，通过共用感性元件方式减少了器件使用数量，降低了控制系统的复杂度和成本，有利于提高控制系统的可靠性。

附图说明

构成本实用新型的一部分的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。在附图中：

图1为本实用新型实施例所述一种双级架构的均衡控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述一种双级架构的均衡控制系统中均衡单元的结构示意图。

附图标记说明：

1、第一级均衡模块；2、第二级均衡模块；3、感性元件；4、均衡单元。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

一种双级架构的均衡控制系统，包括第一级均衡模块和第二级均衡模块，串联储能元件组中相邻的两个储能元件单体均与一个第一级均衡模块连接，串联储能元件组中相邻的两组储能元件组均与一个第二级均衡模块连接；

上述第一级均衡模块、以及第二级均衡模块均包括串联的感性元件和均衡单元，所述感性元件一端与上一级储能元件单体负极或下一级储能元件单体正极连接，另一端与均衡单元连接；所述均衡单元包括二极管D1、二极管D2、开关元件K1以及开关元件K2，所述二极管D1与开关元件K1并联，二极管D1负极与感性元件连接、正极与上一级储能元件单体正极连接，所述二极管D2与开关元件K2并联，二极管D2正极与感性元件连接、负极与下一级储能元件单体负极连接。

示例性的，感性元件可以采用电感，开关元件K1和开关元件K2均可采用MOS管、三极管、IGBT等，以实现开关控制；具体的，均衡单元的内部结构包含两个开关元件K1和开关元件K2，两个二极管D1和二极管D2，其中开关元件K1和开关元件K2是可控制的，通过控制开关元件K1和开关元件K2的导通或关闭，结合与均衡单元对应的感性元件共同作用可以形成脉冲电流，用与实现电芯本体或电池模组的均衡。

在实际应用过程中，这种控制系统是双级的，其中第一级均衡模块主要用于储能元件单体，即电芯单体的均衡；第二级均衡模块主要用于储能元件组，即电池包或电池模组的均衡，以解决电池的一致性难题；通过采用双级均衡，可以有效消除电池成组后由于自身和使用过程中产生的各种不一致性，有利于提高电池的使用寿命和可靠性。

示例性的，以由12个储能元件单体串联组成的储能元件组为例，对于第一级均衡模块，每两个储能元件单体共用一个感性元件和一个均衡单元；其中，感性元件的主要作用是防止电流突变，能够对变化的电流产生抑制，形成阻抗作用，而每两个储能元件单体共用一个感性元件，则可以减少元器件数量，有利于降低电路的复杂度，提高电路的可靠性。

对于第二级均衡模块，对应12个储能元件单体串联的中部设置一个感性元件，使12个储能元件单体中的六个储能元件单体和六个储能元件单体共用一个第二级均衡模块，即共用一个感性元件和一个均衡单元。本领域技术人员也可以根据需要选择组成储能元件组的储能元件单体个数，并根据实际需要选择合适位置设置第二级均衡模块，以实现对储能元件组的主动均衡。

其中，对于第二级均衡模块，开关元件K1和开关元件K2的控制脉冲信号始终是一对互补的脉冲，即开关元件K1导通的时候，确保开关元件K2关闭，开关元件K2导通的时候，确保开关元件K1关闭，用来防止开关元件K1和开关元件K2同时导通形成短路。在实际使用过程中，开关元件K1和开关元件K2既可以同时控制，也可以单独控制其中的一个，另一个关闭，本领域技术人员也可以采用其他方式控制开关元件K1和开关元件工作；开关元件K1和开关元件不工作时，开关元件K1和开关元件K2都处于关闭状态；本领域技术人员可以根据外部感性元件的电感值和设定的电流、以及电芯电压能够确定开关元件K1和开关元件K2的控制频率，而二极管D1和二极管D2能够起到续流的作用；示例性的，由于电路的感抗值为XL＝2π*f*L，其中f是控制开关脉冲频率，L是感性元件的电感值；电路中的动态电流I＝单体电压u/XL，例如设计2A的均衡电流，而u＝3V，则需要感抗值XL＝3/2＝1.5；f*L＝1.5/2π＝0.238,由此脉冲信号设计10kHz的控制频率时，则需要选取的电感值L＝0.238/10K＝23.8uH。

本实施例还提供了一种应用上述双级架构的均衡控制系统的均衡控制方法，包括：

步骤S1、使串联储能元件组中每相邻的两个储能元件单体共用一个第一级均衡模块。

步骤S2、使串联储能元件组中每相邻的两组储能元件组共用一个第二级均衡模块。

步骤S3、判断第二级均衡模块对应的储能元件组是否达到预设均衡条件，当储能元件组达到预设均衡条件时，控制第二级均衡模块工作，直到预设均衡条件不满足时，控制第二级均衡模块停止工作；第二级均衡模块工作时，第二级均衡模块中均衡单元内的开关元件K1和开关元件K2受一组互补的脉冲信号控制，即开关元件K1导通时，开关元件K2关闭，开关元件K2导通时，开关元件K1关闭；第二级均衡模块不工作时，开关元件K1和开关元件K2均关闭。

步骤S4、判断储能元件单体是否达到预设均衡条件，当储能元件单体达到预设均衡条件时，控制储能元件单体对应的第一级均衡模块工作，直到预设均衡条件不满足时，控制储能元件单体对应的第一级均衡模块停止工作；第一级均衡模块工作时，若第一级均衡模块对应的储能元件单体在串联储能元件组的所处位置为奇数，则控制开关元件K2导通、开关元件K1关闭；若第一级均衡模块对应的储能元件单体在串联储能元件组的所处位置为偶数，则控制开关元件K1导通、开关元件K2关闭；第一级均衡模块不工作时，开关元件K1和开关元件K2均关闭。

步骤S5、判断相邻两个储能元件单体是否均达到预设均衡条件，当相邻两个储能元件单体均达到预设均衡条件时，控制相邻两个储能元件单体对应的第一级均衡模块工作，直到预设均衡条件不满足时，控制相邻两个储能元件单体对应的第一级均衡模块停止工作；第一级均衡模块工作时，第一级均衡模块中均衡单元内的开关元件K1和开关元件K2受一组互补的脉冲信号控制，即开关元件K1导通时，开关元件K2关闭，开关元件K2导通时，开关元件K1关闭；第一级均衡模块不工作时，开关元件K1和开关元件K2均关闭。

在实际应用过程中，以12串电池包为例，可以采用如下步骤对电池包进行均衡控制：

步骤一、先根据双级架构的均衡控制系统的电路参数、及电流参数，确定控制均衡单元管子的开关频率，根据所选开关元件的特性设置好控制脉冲信号为一对互补脉冲，并设置好死区时间，本领域技术人员也可以根据实际参数和需要进行调整。

步骤二、判断电池包(即储能元件组)是否达到均衡条件，并对电池包进行均衡控制，具体步骤如下：

先计算12串电池包总体状态，在充电阶段，可以判定电压或者SOC最高的电池包，如果该电池包的电压或者SOC与所有电池包的电压或SOC平均值相比较，超过了设定门槛(即预设均衡条件)，则达到电池包均衡条件，开启电池包均衡，第二级均衡模块开始工作，其中，第二级均衡模块对应均衡单元中的开关元件K1和开关元件K2同时工作，开关元件K1和开关元件K2受一组互补的脉冲信号控制，脉冲信号的开关频率可根据电路参数提前计算得到。

第二级均衡模块工作时，第二级均衡模块对应的均衡单元相当于对电池包建立起了“旁路”，旁路电流的大小可根据开关频率和电路参数确定，例如可设定为2A；这样此电池包就会相对其他电池包少充2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第二级均衡模块工作，即可达到均衡的目的，本领域技术人员可以根据需要选择合适的开关频率和电路参数，来确定旁路电流的大小，以满足不同电池包的均衡控制需要，在这里不再赘述。

同理，在放电阶段，可以判定电压或者SOC最低的电池包，如果该电池包的电压或者SOC与所有电池包的电压或SOC平均值比较，超过了设定门槛(即预设均衡条件)，则该电池包达到了均衡条件，第二级均衡模块工作，此时第二级均衡模块工作对应的均衡单元相当于对电池包建立起了“旁路”，旁路电流可根据开关频率和电路参数确定，旁路电流即主动均衡电流，例如可设定为2A，这样此电池包就会相对其他电池包少放2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第二级均衡模块工作，即可达到均衡电池包的目的。

步骤三、判断电芯单体(即储能元件单体)是否达到均衡条件，并对电池包进行均衡控制，具体步骤如下：

计算电芯单体的电压或SOC状态，在充电阶段，如果最高电压或者SOC的电芯单体与当前电池包内所有电芯单体的电压或SOC的平均值比较，超过了设定门槛(即预设均衡条件)，则该电芯单体达到了均衡条件，该电芯单体所连第一级均衡模块中的均衡单元工作；

实际使用过程中，如果该电芯单体所处的位置是奇数，则该电芯单体对应第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K2工作，开关元件K1打开；如果该电芯单体所处的位置是偶数，则该电芯单体对应第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K1工作、开关元件K2打开；如果第一级均衡模块所对应的相邻两个电芯单体都大达到了均衡条件，则第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K1和开关元件K2同时工作，开关元件K1和开关元件K2受一组互补的脉冲信号控制，脉冲信号的开关频率可根据电路参数提前计算得到。

第一级均衡模块工作时，第一级均衡模块对应的电芯单体被2A的电流“旁路”，相当于少充了2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第一级均衡模块工作，即可达到均衡电芯单体的目的。

同理，在放电阶段，如果最低电压或者SOC的电芯单体与当前电池包内所有电芯单体的电压或SOC的平均值比较，超过了设定门槛，则该电芯单体达到了均衡条件，该电芯单体所连的第一级均衡模块中的均衡单元工作；

在实际使用过程中，如果该电芯单体所处的位置是奇数，则该电芯单体对应第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K2工作，开关元件K1打开；此时该电芯单体被2A的电流“旁路”，相当于少放了2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第一级均衡模块工作，即可达到均衡电芯单体的目的。

如果该电芯单体所处的位置是偶数，则该电芯单体对应第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K1工作，开关元件K2打开；此时该电芯单体被2A的电流“旁路”，相当于少放了2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第一级均衡模块工作，即可达到均衡电芯单体的目的。

如果第一级均衡模块所对应的两个电芯单体都达到了均衡条件，则第一级均衡模块均衡单元中的开关元件K1和开关元件K2同时工作，开关元件K1和开关元件K2受一组互补的脉冲信号控制，脉冲信号的开关频率可根据电路参数提前计算得到；此时，两个电芯单体均被2A的电流“旁路”，相当于少放了2A的电流，直到均衡条件不满足后，停止第一级均衡模块工作，即可达到均衡电芯单体的目的。

本实用新型提供了一种双级架构的均衡控制系统，用较简单的实现方式、以及较少的电子器件，实现了主动均衡，本实用新型具有线路、结构和控制相对简单，成本低，可靠性相对较高的特点；通过采用双级架构，将储能元件单体均衡和储能元件组分开控制，使控制简单、高效、方便，通过共用感性元件方式减少了器件使用数量，降低了控制系统的复杂度和成本，有利于提高控制系统的可靠性。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种双级架构的均衡控制系统，其特征在于：包括第一级均衡模块和第二级均衡模块，串联储能元件组中相邻的两个储能元件单体均与一个第一级均衡模块连接，串联储能元件组中相邻的两组储能元件组均与一个第二级均衡模块连接；所述第一级均衡模块、以及第二级均衡模块均包括串联的感性元件和均衡单元，所述感性元件一端与上一级储能元件单体负极或下一级储能元件单体正极连接，另一端与均衡单元连接；所述均衡单元包括二极管D1、二极管D2、开关元件K1以及开关元件K2，所述二极管D1与开关元件K1并联，二极管D1负极与感性元件连接、正极与上一级储能元件单体正极连接，所述二极管D2与开关元件K2并联，二极管D2正极与感性元件连接、负极与下一级储能元件单体负极连接。

2.根据权利要求1所述的一种双级架构的均衡控制系统，其特征在于：所述感性元件采用电感。

3.根据权利要求1所述的一种双级架构的均衡控制系统，其特征在于：所述开关元件K1及开关元件K2采用MOS管、三极管或IGBT。

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