一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池组电路,特别是一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路。
背景技术
目前,锂离子电池被广泛应用于电动汽车、新能源发电、备用电源等领域,它具有功率密度高、无记忆性、自放电少且重量较轻等显著优点。单体锂离子电池的电压和储电的能力均较低,一般采用多个串并联的方式构成电池组,以获得所需等级的电压和容量。由于不同锂离子化学性质或其它特质的不一致,导致串联支路中个电池单体充电和放电的不一致,出现部分电池单体过充或过放的现象,严重时会引起电池组过热致燃,甚至***。因此,串联锂离子电池组电量均衡问题是关系电池安全、稳定和高效运行的关键问题。
发明内容
本发明提出一种低损耗串联锂离子电池组均衡电路,基于对各电池单体的实时监测,并分别在充电、放电和闲置状态下,采用电感作为电能存放的媒介,实现各单体电池的动态均衡。与现有技术相比,上述均衡电路采用模块化管理,结构简单、控制方便且电量均衡过程理论上为零损耗,能够大大提升电池组稳定运行的安全性,也有利于降低投资成本。
本发明所采用的技术方案是:
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路单元,包括双节电池单体DBs和均衡电路EC0两个部分,双节电池单体DBs由两只电池单体BH和BL构成,令电池单体BH的正极为端点’1’,电池单体BL的负极为端点’3’,且电池单体BH的负极与电池单体BL的正极相连,连接处为端点’2’。
均衡电路EC0由两组半导体开关SH和DH、SL和DL、以及电感L0组成,半导体开关SH和SL分别为带反并联二极管DH和DL的电力场效应晶体管MOSFET,半导体开关SH和SL的门极分别为端点a和b,SL的漏极为端点e,SH的源极为端点c,SH的漏极与SL的源极及电感L0的一端相连,电感L0的另一端为端点d;
双节电池单体DBs的端点1~3分别连接均衡电路EC0端点的c~e。
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展电路,包含多个均衡电路单元,具体扩展方式为:首先令均衡电路单元为0级扩展电路,包含一组双节电池单体DBs和均衡电路EC0;则1级扩展电路包含两组0级扩展电路和一个均衡电路E C1,均衡电路EC1与均衡电路EC0的区别在于电感为L1,将两组0级扩展电路中的两个双节电池单体DBs串联,连接点再与均衡电路EC1的d端点相连,均衡电路EC1中c和e端点分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极;......;
如此类推,k级扩展电路包含两组k-1级扩展电路和一个ECk,电感为Lk,k-1级扩展电路中的两组DBs串联,连接点再与ECk的d端相连,ECk的c和e端点分别接前述串联DBs组的正极和负极;……。
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡方法,当BH中的电量高于BL时,以T为控制周期,控制SH导通,脉宽为DT,D为占空比,具体均衡过程为:充电状态下,使BL优先充电,待二者电量相当使SH保持关断,恢复正常充电;放电状态下,降低BL放电量,待二者电量相当时使SH保持关断,恢复正常放电;闲置状态下,以电抗器为媒介,将BH中部分电量转移至BL中,待二者电量相当时使SH保持关断,停止均衡。
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡方法,当BH中电量低于BL时,以T为控制周期,控制SL导通,脉宽为DT(D为占空比),具体均衡过程为:充电状态下,使BH优先充电,待二者电量相当使SL保持关断,恢复正常充电;放电状态下,降低BH放电量,待二者电量相当时使SL保持关断,恢复正常放电;闲置状态下,以电抗器为媒介,将BL中部分电量转移至BH中,待二者电量相当时使SL保持关断,停止均衡。
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展法,充电和闲置状态下,按0,1,…,n级电路顺序逐级均衡;在放电状态下,为避免输出电压陡跌,采取限制级均衡法,即仅进行0~j级电路均衡,j的大小由电压安全波动范围决定。
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展法,令最高级为n级,则共含2(n+1)个电池单体串联,该串联支路满足最大输出电压要求;为了满足最大功率要求,需将m组该串联支路并联。
本发明一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路,针对串联锂离子电池组电量均衡问题,提供了一种新型的低功耗均衡方案,与传统均衡电路相比,其主要优点包括以下三个方面:
(1):采用电抗器传输电能,不产生任何能量损耗,***发热少,安全可靠性高;
(2):均衡电路单元结构简单,电路扩展方法简单,非常容易得到串联锂离子电池组均衡扩展电路,实用性较强;
(3):所述均衡电路控制简单,成本低,可行性较强。
附图说明
图1(a)为本发明的均衡电路单元电路图。
图1(b)为本发明的扩展电路图。
图2(a)为本发明在充电状态下的均衡过程图;
图2(b)为本发明在放电状态下的均衡过程图;
图2(c)为本发明在闲置状态下的均衡过程图。
图3(a)为本发明的不同开关状态、不同工作状态下电池电量的变化情况示意图。
图3(b)为本发明的不同开关状态、不同工作状态下电池电量的变化情况图表。
图4为本发明的k级扩展电路均衡过程流程图。
具体实施方式
一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路,包括均衡电路单元和均衡扩展电路两种,后者由前者叠加扩展而成;针对上述两种电路,分别提出了相应的控制方法。具体如下:
(1)、均衡电路单元包括双节电池单体DBs和均衡电路EC0两个部分,DBs由两只电池单体BH和BL构成,令BH的正极为端点’1’,BL的负极为端点’3’,且BH的负极与BL的正极相连,连接处为端点’2’;EC0由两组半导体开关(SH和DH、SL和DL)及电感(L0)组成,半导体开关(SH和SL)为带反并联二极管(DH和DL)的电力场效应晶体管(MOSFET),SH和SL的门极分别为端点a和b,SL的漏极为端点e,SH的源极为端点c,SH的漏极与SL的源极及L0的一端相连,L0的另一端为端点d;DBs端点1~3分别连接EC0端点c~e。
(2)、均衡扩展电路包含多个均衡电路单元,具体扩展方式为:首先令均衡电路单元为0级扩展电路,包含一组DBs+EC0;则1级扩展电路包含两组0级扩展电路和一个EC1,EC1与EC0的区别在于电感为L1,将两组0级扩展电路中的两个DBs串联,连接点再与EC1的d端点相连,EC1中c和e端点分别接前述串联DBs的正极和负极;......;如前,k级扩展电路包含两组k-1级扩展电路和一个ECk(电感为Lk),k-1级扩展电路中的两组DBs串联,连接点再与ECk的d端相连,ECk的c和e端点分别接前述串联DBs组的正极和负极;……。
(3)、对于(1)中所述电路单元,当BH中的电量高于BL时,以T为控制周期,控制SH导通,脉宽为DT(D为占空比),具体均衡过程为:充电状态下,使BL优先充电,待二者电量相当使SH保持关断,恢复正常充电;放电状态下,降低BL放电量,待二者电量相当时使SH保持关断,恢复正常放电;闲置状态下,以电抗器为媒介,将BH中部分电量转移至BL中,待二者电量相当时使SH保持关断,停止均衡。
(4)、对于(1)中所述电路单元,当BH中电量低于BL时,以T为控制周期,控制SL导通,脉宽为DT(D为占空比),具体均衡过程为:充电状态下,使BH优先充电,待二者电量相当使SL保持关断,恢复正常充电;放电状态下,降低BH放电量,待二者电量相当时使SL保持关断,恢复正常放电;闲置状态下,以电抗器为媒介,将BL中部分电量转移至BH中,待二者电量相当时使SL保持关断,停止均衡。
(5)、对于(2)中所述均衡扩展电路,充电和闲置状态下,按0,1,…,n级电路顺序逐级均衡,对于k级电路,具体过程为:当BH中的电量高于BL时,以T为控制周期,控制SH导通,脉宽为DT(D为占空比),充电状态下,使其中的BL优先充电,待二者电量相当后使SH保持关断,恢复正常充电或进入k+1级电路均衡;闲置状态下,以电抗器为媒介,将BH中部分电量转移至BL中,待二者电量相当时使SH保持关断,停止均衡,进入k+1级电路均衡;在放电状态下,为避免输出电压陡跌,采取限制级均衡法,即仅进行0~j级电路均衡,j的大小由电压安全波动范围决定,对于k级电路,具体过程为:当BH中的电量高于BL时,以T为控制周期,控制SH导通,脉宽为DT(D为占空比),降低其中BL放电量,待二者电量相当时使SH保持关断,恢复正常放电或进入k+1级电路均衡。
(6)、上述(2)中的均衡扩展电路,令最高级为n级,则共含2(n+1)个电池单体串联,该串联支路满足最大输出电压要求;为了满足最大功率要求,需将m组该串联支路并联。
工作原理:
本发明提出的一种低损耗串联锂离子电池组均衡电路,如图1(a)所示,为均衡电路单元电路图,如图1(b)所示,为扩展电路结构图。均衡电路单元包括双节电池组DBs和均衡电路EC0,DBs由电池单体BH和BL串联构成,BH的正极为端点1,BL的负极为端点2,二者连接点为端点3;EC0由两组含反并联二极管的MOSFET(SH和DH、SL和DL)和电感L0组成,SH和SL的门极分别为端点a和b,SL的漏极为端点e,SH的源极为端点c,SH的漏极与SL的源极及L0的一端相连,L0的另一端为端点d;DBs端点1~3分别连接EC0的端点c~e。
考虑均衡电路单元的工作过程,按两单体电池电量关系分为QBH>QBL和QBH<QBL两种情况,图2(a)~图2(c)中分别展示了在充电、放电和闲置三种状态下的均衡过程,图3(a)~图3(b)为不同开关状态不同工作状态下,电池电量的变化情况,具体阐述如下:
当QBH>QBL时,控制SH以脉宽DT(D为占空比,T为控制周期)导通,设充电电流为ICS,电抗器电流为IL,负载电流为ILoad,单体电池电流为IBH和IBL,不同工作状态时的均衡过程为:充电状态下,如图2(a)所示,SH导通,使IBH=0且IBL=ICS=IL,SH关断,使IBH=ICS且IBL=IBH+IL,可见BL在一个周期内的充电量多于BH,一段时间后,二者电量相当,EC0停止工作;放电状态下,如图2(b)所示,SH导通,使IBL=ILoad且IBH=IBL+IL,SH关断,使IBH=ILoad且IBL=IBH-IL,可见BL在一个周期内的放电量少于BH,一段时间后,二者电量相当,EC0停止工作;闲置状态下,如图2(c)所示,SH导通,使IBL=0且IBH=IL,SH关断,使IBH=0且IBL=IL,可见BH中的部分电量经电感转移到了BL,待二者电量相当后,EC0停止工作。
当QBH<QBL时,控制SL以脉宽DT(D为占空比,T为控制周期)导通,设充电电流为ICS,电抗器电流为IL,负载电流为ILoad,单体电池电流为IBH和IBL,不同工作状态时的均衡过程为:充电状态下,如图2(a)所示,SL导通,使IBL=0且IBH=ICS=IL,SL关断,使IBL=ICS且IBH=IBL+IL,可见BH在一个周期内的充电量多于BL,一段时间后,二者电量相当,EC0停止工作;放电状态下,如图2(b)所示,SL导通,使IBH=ILoad且IBL=IBH+IL,SL关断,使IBL=ILoad且IBH=IBL-IL,可见BH在一个周期内的放电量少于BL,一段时间后,二者电量相当,EC0停止工作;闲置状态下,如图2(c)所示,SL导通,使IBH=0且IBL=IL,SL关断,使IBL=0且IBH=IL,可见BL中的部分电量经电感转移到了BH,待二者电量相当后,EC0停止工作。
综上所述,该均衡过程的基本思路为:充电时,优先给电量低的电池充电,待二者电量相当后停止均衡,共同充电;放电时,优先使电量高的电池放电,待二者电量相当后停止均衡,共同放电;闲置时,电量高的电池将部分电量通过电感传递给电量低的电池;忽略线路电阻,由于电感不消耗能量,所以该均衡电路理论上可实现零损耗。
再考虑均衡扩展电路的工作过程,其均衡方法与上述基本思路大致相同,以k级扩展电路为例,它包含一个ECk和两个k-1级扩展电路,如图1(b)的原理框图所示,对比均衡电路单元,ECk可看作EC0,两个k-1级扩展电路可看作BH和BL;在充电和闲置状态下,k级扩展电路与0级扩展电路的均衡过程完全一样,具体步骤如图4所示;在放电状态下,为避免输出电压陡跌,采取限制级均衡法,即仅进行0~j级电路均衡(或图4中的n=j),j的大小由电压安全波动范围决定,如电压波动范围为8V,每个单体电池电压为1V,则j可取3。