WO2018107963A1 - 一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路 - Google Patents

一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路 Download PDF

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康龙云
卢楚生
王书彪
令狐金卿
王则沣
冯元彬
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华南理工大学
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries

Abstract

一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其中,串联电池组分为左、右两部分,左部分电池单体为左电池组,右部分电池单体为右电池组。串联电池组的首尾两端在VCC与GND之间,左、右两部分的电池通过中间的均衡电路连接起来,均衡电路又与控制电路相连接。通过控制均衡电路中双向可控硅TRIAC的通断与储能电感的储能作用,该电路可以实现电池组充放电过程中的动态均衡,改善串联电池组不均衡的现象,提高电池组的可用容量,减小串联电池组的维修和更换周期,延长电池组的使用寿命。因此该电路适用于混合动力汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

Description

一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路 技术领域
本发明涉及电池组均衡的技术领域,具体涉及一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路。
背景技术
串联电池组在经过多个充放电循环后,各电池单体的剩余容量的分布大致会出现三种情况:某些电池单体的剩余容量偏高;某些电池单体的剩余容量偏低;某些电池单体的剩余容量偏高和某些电池单体的剩余容量偏低。
针对上述三种情况,国内外学者均提出了自己的解决方案。如针对个别电池单体的剩余容量偏高的情况,有研究者提出了并联电阻分流法,它通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉,该方法将能量白白浪费掉,并且在均衡过程中产生了大量的热,增加了电池热管理的负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法、同轴变压器均衡法等均衡电路,这些电路都采用了变压器,增加了均衡电路的成本。
目前锂离子电池组均衡控制的方法,根据均衡过程中电路对能量的消耗情况,可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类;按照均衡功能分类,可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡,一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡,通过减小充电电流防止过充电;放电均衡是指在放电过程中的均衡,通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电;动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点,是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷,提供一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,通过在串联电池组的电池管 理系统中采用一种均衡电路来保证电池组中的单体在充电和放电过程中不出现过充电和过放电,改善串联电池组不均衡的现象,提高电池组的可用容量,减小串联电池组的维修和更换周期,延长电池组的使用寿命,降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的运行成本。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,在充电过程中,当电池组的左部分的任何一个或者多个连续电池单体能量过高时(如图1和图3(a)中,电池Bl1与电池Bl2是连续的电池单体,电池Bl1与电池Bl2与电池Bl3是连续的电池单体。即电池组的左部分中,任意连续的一个或者多个电池单体,本发明就称为连续的电池,在均衡过程中就可以适当地视为一个整体。电池组的右部分连续的电池的定义同理),可以将一个或者多个连续能量过高的单体视为一个整体,并把这个整体的能量均衡给与这个整体对应的右部分电池组成的整体,(图1和图3(a)中,左部分的电池Bl1对应的是右部分的电池Br1,左部分的电池Bl1和Bl2组成的整体对应的是右部分电池Br1和Br2组成的整体。即左部分的任意连续的一个或者多个电池单体组成的整体,对应的是右部分与该整体并联同一个或者多个连续的电感的电池组成的整体,连续的电感的定义与连续电池的定义相同。右部分的电池对应的左部分的电池的定义同理);右部分的均衡原理与左部分同理。
在放电过程中,当电池组的左部分的一个或多个连续电池单体能量过低时,可以将一个或者多个能量过低的单体视为一个整体。当这个能量过低的整体对应的右部分的电池能量不会过低时,可以将与这个能量过低的整体对应的右部分的电池及与这些电池相连续的任意电池组合的能量均衡给这个能量过低的整体。当这个能量过低的整体对应的右部分的电池能量也过低时,必须通过两步来实现均衡,首先将左部分的能量高的一个或者多个连续的电池单体的能量均衡给右部分的电池,提高右部分的电池的电压,再通过上述的放电均衡的方法进行均衡。右部分的均衡原理与左部分同理。
该串联电池组双向无损均衡的改良电路由串联电池组、均衡电路、控制电路构成。其中,串联电池组分为左、右两部分,左部分电池单体为左电池组,右部分电池单体为右电池组;当电池单体总数为2n时(n为正整数),左右部分电池单体数均为n,当电池单体总数为2n+1时(n为正整数),左电池组单体数为n,右电池组单体数为n+1,也可以左电池组单体数为n+1,右电池组单体数为n,本发明以左电池组单体数为n,右电池组单体数为n+1为例说明(左电池组单体数为n+1,右电池组单体数为n时,原 理相同);左电池组电池单体从上至下分别命名为Bl1、Bl2、Bl3、……Bln,当电池单体总数为2n时,右电池组电池单体从上至下分别命名为Br1、Br2、Br3、……Brn,当电池单体总数为2n+1时,右电池组电池单体从上至下分别命名为Br0、Br1、Br2、Br3、……Brn;Bl1的正极接VCC,当电池单体总数为2n时,Br1的负极接GND,当电池单体总数为2n+1时,Br0的负极接GND;电池数量不做限制,但是随着电池数量的上升,均衡控制会相应变得复杂,双向可控硅TRIAC的开关频率可能达不到要求,对储能电感的要求也会相应提高,应当根据实际情况进行选择。当电池数量为2n时,均衡电路中的储能电感L数量为n,由上至下分别命名为L1、L2……Ln;当电池数量为2n+1时,均衡电路中的储能电感L数量为n+1,由上至下分别命名为L0、L1……Ln;与电感等数量的双向可控硅TRIAC并联在电感两端,剩余的双向可控硅TRIAC一端和储能电感L的一端相连,另一端和电池的一端相连,双向可控硅TRIAC的控制端与控制电路相连接,使双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制;当电池数量为2n时,双向可控硅TRIAC的数量为3n+2,与电感并联双向可控硅由上至下分别命名为S1、S2……Sn,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl1、Sl2……Sl(n+1),与右电池组相连接的双向可控硅的由上至下分别命名为Sr1、Sr2……Sr(n+1);当电池数量为2n+1时,双向可控硅TRIAC的数量为3n+5,与电感并联双向可控硅由上至下分别命名为S0、S1……Sn,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1……Sl(n+1),与右电池组相连接的双向可控硅的由上至下分别命名为Sr0、Sr1……Sr(n+1);电池单体Bl1的正极接VCC,电池单体Br1的负极接GND。图1中的控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路,通过对控制电路中的微控制器编程,来分析当前电池的电量并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路;通过控制电路中的驱动电路,可以给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压,让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭,达到对电池电量进行均衡的目的。
均衡电路的工作原理如下:
当电池数量为2n时,如图1,在充电过程中,若左电池组中的连续的若干个电池都为端电压最高,可以将这些电池所组成的整体同时进行放电均衡。假设这些电池为Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)(这些电池的数量最多等于左电池组的全体电池,即w的最大值为n-1,w大于等于0)。为了避免对Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)过充电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSli和Sl(i+w+1)导通,则电流通过Sli、储能电感Li、Li+1……Li+w、Sl(i+w+1)以及Bl(i+w)、Bl(i+w-1)……Bli,Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)放电为电感Li、Li+1……Li+w组成的整体储存能量;与电池Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)对应的电池为Bri、Br(i+1)……Br(i+w), Sli和Sl(i+w+1)开通一定时间后使其关断,同时开通Sri和Sr(i+w+1),此时电流通过电感Li、Li+1……Li+w、Sr(i+w+1)、电池Br(i+w)、Br(i+w-1)……Bri及Sri,电感Li、Li+1……Li+w释放能量至Bri、Br(i+1)……Br(i+w),实现了能量从Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)到Bri、Br(i+1)……Br(i+w)的转移。在充电过程中,若右电池组中的连续的若干个电池都为端电压最高,均衡原理与左电池组相同。
当电池数量为2n时,如图1,在放电过程中,若左电池组中的连续的若干个电池都为端电压最低,可以将这些电池所组成的整体同时进行放电均衡。假设这些电池为Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)(这些电池的数量最多等于左电池组的全体电池,即w的最大值为n-1,w大于等于0)。假设与电池Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)对应的电池为Bri、Br(i+1)……Br(i+w),当Bri、Br(i+1)……Br(i+w)所组成的整体能量不会过低时,通过一定的规则判断,与Bri、Br(i+1)……Br(i+w)连续的某个电池整体能够为Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)提供能量。假设这个整体的电池为Br(i-p)、Br(i-p+1)……Br(i+q+w)(p+q+w的和的最大值为n-1,p大于等于0,q大于等于0),则开通Sr(i-p)和Sr(i+q+w+1),同时开通Si-p、Si-p+1……Si+q+w+1中除去Si、Si+1……Si+w剩余的与电感并联的双向可控硅。此时电流通过Sr(i-p)、电池Br(i-p)、Br(i-p+1)……Br(i+q+w)、Sr(i+q+w+1)、电感Li、Li+1……Li+w及Si-p、Si-p+1……Si+q+w+1中除去Si、Si+1……Si+w剩余的与电感并联的双向可控硅,Br(i-p)、Br(i-p+1)……Br(i+q+w)放电为电感Li、Li+1……Li+w组成的整体储存能量;Sr(i-p)和Sr(i+q+w+1)和Si-p、Si-p+1……Si+q+w+1中除去Si、Si+1……Si+w剩余的与电感并联的双向可控硅开通一段时间后关断,同时开通Sli和Sl(i+w+1),则电流通过储能电感Li+w、Li+w-1……Li、Sli、Bli、Bl(i+1)……Bl(i+w)以及Sl(i+w+1),电感Li、Li+1……Li+w释放能量至Bri、Br(i+1)……Br(i+w),实现了能量从Br(i-p)、Br(i-p+1)……Br(i+q+w)到Bri、Br(i+1)……Br(i+w)的转移。当Bri、Br(i+1)……Br(i+w)所组成的整体能量过低时,先通过左电池组中的电池为右电池组整体充电,提高Bri、Br(i+1)……Br(i+w)的能量,再通过上述方式进行放电均衡。在放电过程中,若右电池组中的连续的若干个电池都为端电压最低,均衡原理与左电池组相同。
当电池数量为2n+1时,如图2,在充电或者放电过程中,除了电池Br0,其它电池的均衡方法与电池数量为2n时相同。在充电过程中,若电池Br0端电压最高,为了避免对Br0过充电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSr0和Sr1导通,则电流通过Sr1、储能电感L0、Sr0以及Br0放电,为电感L0储存能量。Sr0和Sr1开通一段时间后使其关断,同时开通Sl0和Sl2,此时电流通过电感L0、Sl0、电池Bl1、Sl2及电感L1,电感L0释放能量至Bl1,实现了能量从Br0到Bl1的转移。在放电过程中,若电池Br0端电压最低,为了避免对Br0过放电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSl0和Sln导通,同时导通双向可控硅S1、S2……Sn,则电流通过 Sl0、储能电感L0、S1、S2……Sn、Sln以及Bln、Bl(n-1)……Bl1,为电感L0储存能量;Sl0和Sln开通一段时间后使其关断,同时开通Sr0和Sr1,此时电流通过电感L0、Sr1、电池Br0及Sr0,电感L0释放能量至Br0,实现了能量从Bl1、Bl2……Bln到Br0的转移。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本发明由于在串联电池组电池管理系统中采用上述无损动态电池均衡技术,能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电,改善串联电池组不均衡的现象,提高电池组的可用容量,延长电池组的使用寿命,降低混合动力汽车、电动汽车和电站中蓄电池储能系统的成本。
附图说明
图1是电池数量为2n时的基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路的电路原理图;
图2是电池数量为2n+1时的基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路的电路原理图;
图3(a)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感充电的工作过程原理图;
图3(b)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图;
图4(a)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感充电的工作过程原理图;
图4(b)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图;
图5(a)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在充电过程中电感充电的工作原理图;
图5(b)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在充电过程中电感放电的工作原理图;
图6(a)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在放电过程中电感充电的工作原理图;
图6(b)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在放电过程中电感放电的工作原理图;
图7是以4节电池为例的均衡电路充电仿真实验中各电池单体的电压 波形图;
图8是以4节电池为例的均衡电路放电仿真实验中各电池单体的电压波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例
图1是电池数量为2n时的均衡电路原理图。其中,串联电池组分为左、右两部分,左部分电池单体为左电池组,右部分电池单体为右电池组;左右部分电池单体数均为n;左电池组电池单体从上至下分别命名为Bl1、Bl2、Bl3、……Bln,右电池组电池单体从上至下分别命名为Br1、Br2、Br3、……Brn,Bl1的正极接VCC,Br1的负极接GND;电池数量不做限制,n为大于等于1的正整数,但是随着电池数量的上升,均衡控制会相应变得复杂,双向可控硅TRIAC的开关频率可能达不到要求,对储能电感的要求也会相应提高,应当根据实际情况进行选择。均衡电路中的储能电感L数量为n,由上至下分别命名为L1、L2……Ln;与电感等数量的双向可控硅TRIAC并联在电感两端,其它的双向可控硅TRIAC一端和储能电感L的一端相连,另一端和电池的一端相连,所有双向可控硅TRIAC的控制端与控制电路相连接,使双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制;双向可控硅TRIAC的数量为3n+2,与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S1、S2……Sn,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl1、Sl2……Sl(n+1),与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr1、Sr2……Sr(n+1);电池单体Bl1的正极接VCC,电池单体Br1的负极接GND。图中控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路,通过对控制电路中的微控制器编程,来分析当前电池的电量并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路;通过控制电路中的驱动电路,可以给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压,让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭,达到对电池电量进行均衡的目的。
图2是是电池数量为2n+1时的均衡电路原理图。其中,串联电池组分为左、右两部分,左部分电池单体为左电池组,右部分电池单体为右电池组;左电池组单体数为n,右电池组单体数为n+1,也可以左电池组单 体数为n+1,右电池组单体数为n,本发明以左电池组单体数为n,右电池组单体数为n+1为例说明;左电池组电池单体从上至下分别命名为Bl1、Bl2、Bl3、……Bln,右电池组电池单体从上至下分别命名为Br0、Br1、Br2、Br3、……Brn,Bl1的正极接VCC,Br0的负极接GND;电池数量不做限制,n为大于等于1的正整数,但是随着电池数量的上升,均衡控制会相应变得复杂,双向可控硅TRIAC的开关频率可能达不到要求,对储能电感的要求也会相应提高,应当根据实际情况进行选择。均衡电路中的储能电感L数量为n+1,由上至下分别命名为L0、L1……Ln;与电感等数量的双向可控硅TRIAC并联在电感两端,剩余的双向可控硅TRIAC一端和储能电感L的一端相连,另一端和电池的一端相连,双向可控硅TRIAC的控制端与控制电路相连接,使双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制;双向可控硅TRIAC的数量为3n+5,与电感并联双向可控硅由上至下分别命名为S0、S1……Sn,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1……Sl(n+1),与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr0、Sr1……Sr(n+1);电池单体Bl1的正极接VCC,电池单体Br1的负极接GND。图中控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路,通过对控制电路中的微控制器编程,来分析当前电池的电量并计算出应该采用哪种控制策略来均衡电路;通过控制电路中的驱动电路,可以给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压,让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭,达到对电池电量进行均衡的目的。
图3(a)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感充电的工作过程原理图。电池单体总数为4,左右部分电池单体数均为2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L1、L2。若左电池组中的Bl1单体端电压为所有单体最高,为了避免对B1过充电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSl1和Sl2导通,则电流通过Sl1、储能电感L1、Sl2以及Bl1,Bl1放电为电感L1储存能量。
图3(b)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图。电池单体总数为4,左右部分电池单体数均为2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L1、L2。与图3(a)在一个PWM周期内,将L1储存的能量释放给Br1。Sl1和Sl2开通一定时间后使其关断,同时开通Sr1和Sr2,此时电流通过电感L1、Sr2、电池Br1及Sr1,电感L1释放能量至Br1,实现了能量从Bl1到Br1的转移。
图4(a)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感充电 的工作过程原理图。电池单体总数为4,左右部分电池单体数均为2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L1、L2。若左电池组中的Bl1单体端电压为所有单体最低,假设与Bl1对应的电池Br1能量不会过低,且Br1和Br2所组成的整体能够为Bl1提供能量。为了避免对B1过放电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSr1和Sr3导通,同时开通S2,则电流通过Sr3、S2、储能电感L1、Sr1以及Br1和Br2,Br1和Br2放电为电感L1储存能量。
图4(b)是电池数量为2n时以4节电池为例的充电过程中电感放电的工作过程原理图。电池单体总数为4,左右部分电池单体数均为2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,左电池组电池单体由上至下分别命名为Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L1、L2。与图4(a)在一个PWM周期内,Sr1、Sr3和S2开通一定时间后使其关断,同时开通Sl1和Sl2,此时电流通过电感L1、Sl1、电池Bl1及Sl2,电感L1释放能量至Bl1,实现了能量从Br1和Br2到Bl1的转移。
图5(a)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在充电过程中电感充电的工作原理图。电池单体总数为5,左部分电池单体数均为2,右部分电池单体数均为3。左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,右电池组电池单体由上至下分别命名为Br0、Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L0、L1、L2,双向可控硅TRIAC的数量为11,与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S0、S1、S2,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1、Sl2,与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr0、Sr1、Sr2。在充电过程中,若电池Br0端电压最高,为了避免对Br0过充电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSr0和Sr1导通,则电流通过Sr1、储能电感L0、Sr0以及Br0放电,为电感L0储存能量。
图5(b)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在充电过程中电感放电的工作原理图。电池单体总数为5,左部分电池单体数均为2,右部分电池单体数均为3。左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,右电池组电池单体由上至下分别命名为Br0、Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L0、L1、L2,双向可控硅TRIAC的数量为11,与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S0、S1、S2,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1、Sl2,与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr0、Sr1、Sr2。与图5(a)在一个PWM周期内,Sr0和Sr1开通一段时间后使其关断,同时开通Sl0和Sl2,此时电流通过电感L0、Sl0、电池Bl1、Sl2及电感L1,电感L0释放能量至Bl1,实现了能量从Br0到Bl1 的转移。
图6(a)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在放电过程中电感充电的工作原理图。电池单体总数为5,左部分电池单体数均为2,右部分电池单体数均为3。左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,右电池组电池单体由上至下分别命名为Br0、Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L0、L1、L2,双向可控硅TRIAC的数量为11,与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S0、S1、S2,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1、Sl2,与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr0、Sr1、Sr2。在放电过程中,若电池Br0端电压最低,为了避免对Br0过放电,在一个PWM周期内,使双向可控硅TRIACSl0和Sl3导通,同时开通S1和S2,则电流通过Sl0、电感L0、S1、S2、Sl3及电池Bl2和Bl1,为电感L0储存能量。
图6(b)是电池数量为2n+1时以5节电池为例的电池Br0在放电过程中电感放电的工作原理图。电池单体总数为5,左部分电池单体数均为2,右部分电池单体数均为3。左电池组电池单体由上至下分别命名为Bl1、Bl2,右电池组电池单体由上至下分别命名为Br0、Br1、Br2,电感由上至下分别命名为L0、L1、L2,双向可控硅TRIAC的数量为11,与电感并联双向可控硅的由上至下分别命名为S0、S1、S2,与左电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sl0、Sl1、Sl2,与右电池组相连接的双向可控硅由上至下分别命名为Sr0、Sr1、Srx。与图6(a)在一个PWM周期内,Sl0、Sl3、S1和S2开通一段时间后使其关断,同时开通Sr0和Sr1,此时电流通过储能电感L0、Sr1、电池Br0以及Sr0放电,电感L0释放能量至Br0,实现了能量从Blx和Bl2到Br0的转移。
图7是以4节电池为例的均衡电路充电仿真实验中各电池单体的电压波形图。在设置一定控制精度的条件下,各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。
图8是以4节电池为例的均衡电路放电仿真实验中各电池单体的电压波形图。在设置一定控制精度的条件下,各电池单体通过均衡电路实现了电压均衡。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

  1. 一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,所述改良电路包括:串联电池组、均衡电路和控制电路,其中所述串联电池组包括分为左、右两部分,左部分电池单体为左电池组,右部分电池单体为右电池组,所述左电池组与所述右电池组串联在一起,所述左电池组与所述右电池组通过中间的所述均衡电路连接起来,所述均衡电路又与所述控制电路相连接,所述控制电路通过控制所述均衡电路中双向可控硅TRIAC的通断与储能电感的储能作用,实现所述串联电池组充放电过程中的动态均衡。
  2. 根据权利要求1所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    当所述串联电池组中电池单体总数为2n时(n为正整数),所述左电池组和所述右电池组中电池单体数均为n,当所述串联电池组中电池单体总数为2n+1时(n为正整数),若所述左电池组中电池单体数为n,则所述右电池组中电池单体数为n+1,若所述左电池组中电池单体数为n+1,则所述右电池组中电池单体数为n。
  3. 根据权利要求2所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    当所述串联电池组中电池单体总数为2n时,所述左电池组中电池单体从上至下分别命名为Bl1、Bl2、Bl3、……Bln,并且Bl1、Bl2、Bl3、……Bln依次串联;所述右电池组中电池单体从上至下分别命名为Br1、Br2、Br3、……Brn,并且Br1、Br2、Br3、……Brn依次串联;其中,Bl1的正极接VCC,Br1的负极接GND;
    所述均衡的改良电路中的储能电感L数量为n,由上至下分别命名为L1、L2……Ln,并且L1、L2……Ln依次串联;所述均衡电路中的双向可控硅TRIAC的数量为3n+2,其中有n个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为S1、S2……Sn,S1、S2……Sn依次串联,并且S1、S2……Sn分别并联在储能电感L1、L2……Ln两端;其中还有n+1个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为Sl1、Sl2……Sl(n+1),Sl1、Sl2……Sln的T1端分别和储能电感L1、L2……Ln的上端相连,Sl(n+1)的T1端和储能电感Ln的下端相连,Sl1、Sl2……Sln的T2端和电池单体Bl1、Bl2、Bl3、……Bln的正端相连,Sl(n+1)的T2端和电池单体Bln的负端相连;其中剩下的n+1个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为Sr1、Sr2……Sr(n+1),Sr1、Sr2……Srn的T1端分别和储能电感L1、L2……Ln的上端相连,Sr(n+1)的T1端和储能电感Ln的下端相连,Sr1、Sr2……Srn的T2端和电池单体Br1、Br2、Br3、……Brn的负端相连,Sr(n+1)的T2端和电池单体Brn的正端相连;
    所有双向可控硅TRIAC的门极都与所述控制电路相连接,使所有双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制。
  4. 根据权利要求2所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    当所述串联电池组中电池单体总数为2n+1时,所述左电池组中电池单体数为n,从上至下分别命名为Bl1、Bl2、Bl3、……Bln,并且Bl1、Bl2、Bl3、……Bln依次串联;所述右电池组中电池单体数为n+1,从上至下分别命名为Br0、Br1、Br2、Br3、……Brn,并且Br0、Br1、Br2、Br3、……Brn依次串联;其中,Bl1的正极接VCC,Br0的负极接GND;
    所述均衡的改良电路中的储能电感L数量为为n+1,由上至下分别命名为L0、L1……Ln,L0、L1、L2……Ln依次串联;所述均衡电路中的双向可控硅TRIAC的数量为3n+5,其中有n+1个双向可控硅TRIAC由上至下 分别命名为S0、S1、S2……Sn,S0、S1、S2……Sn依次串联,并且S0、S1、S2……Sn分别并联在电感L0、L1、L2……Ln两端;其中还有n+2个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为Sl0、Sl1、Sl2……Sl(n+1),Sl0、Sl1、Sl2……Sln的T1端分别和储能电感L0、L1、L2……Ln的上端相连,Sl(n+1)的T1端和储能电感Ln的下端相连,Sl1、Sl2……Sln的T2端和电池Bl1、Bl2、Bl3、……Bln的正端相连,Sl0的T2端和电池Bl1的正端相连,Sl(n+1)的T2端和电池Bln的负端相连;其中剩下的n+2个双向可控硅TRIAC由上至下分别命名为Sr0、Sr1、Sr2……Sr(n+1),Sr0、Sr1、Sr2……Srn的T1端分别和储能电感L0、L1、L2……Ln的上端相连,Sr(n+1)的T1端和储能电感Ln的下端相连,Sr1、Sr2……Srn的T2端和电池Br1、Br2、Br3、……Brn的负端相连,Sr0的T2端和电池Br1的负端相连,Sr(n+1)的T2端和电池Brn的正端相连;
    所有双向可控硅TRIAC的门极都与所述控制电路相连接,使所有双向可控硅TRIAC的开通和关断由控制电路控制。
  5. 根据权利要求1至4任一所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    所述控制电路包含微控制器和所有双向可控硅TRIAC的驱动电路,通过对所述微控制器编程,来分析所述串联电池组中各电池单体的电量并决定所述均衡电路的控制策略;所述驱动电路给双向可控硅TRIAC的门极提供适当的驱动电压或者关断电压,让双向可控硅TRIAC按照实际需求开启或者关闭。
  6. 根据权利要求1至4任一所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    所述控制电路中控制信号的频率的大小根据所控制的电路储能电感L的电感值、双向可控硅TRIAC的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。
  7. 根据权利要求1至4任一所述的一种基于电感储能的串联电池组双向无损均衡的改良电路,其特征在于,
    所述串联电池组中电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等二次电池。
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