CN106532851B - 一种可扩展3n个储能单元的均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，该均衡电路易于扩展串联储能单元的数量，可每次扩展3个电池单体，且只需增加一个扩展子电路，无需改动原有主电路结构。该均衡电路使用开关器件与储能元件较少，3n个储能单元采用5n‑2开关器件，3n‑1个储能电感。该均衡电路可以在充电，放电，以及静置状态下对串联储能单元实现动态主动均衡，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。该该均衡电路适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理***。

Description

一种可扩展3n个储能单元的均衡电路

技术领域

本发明涉及电池组均衡技术领域，具体涉及一种可扩展3n个储能单元的均衡电路。

背景技术

近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，新能源汽车，尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力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将会出现高低不一的情况，若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，甚至存在过热起火的安全隐患。

针对上述情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。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；耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻，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。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。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，提供一种可扩展3n个储能单元的均衡电路。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，所述均衡电路包括3n个串联储能电池和n个均衡子电路，其中，所述3n个串联储能电池，分别是依次串联连接的B1a、B1b、B1c，B2a、B2b、B2c，……，Bja、Bjb、Bjc，……，Bna、Bnb、Bnc，每三节电池Bja、Bjb、Bjc为一电池小组m_j(j＝1,2,3…n)，共n组电池小组，其中n为正整数，所述n个均衡子电路，包括一个基础均衡子电路Q1和n-1个扩展均衡子电路Qi(i＝2,3，…，n)；

所述基础均衡子电路Q1由电感L1a、L1b和开关管S1a、S1b、S1c组成，用于负责电池小组m₁中电池B1a、B1b、B1c之间的均衡，所述开关管S1a、S1b、S1c均为N沟道MOSFET，分别包括源极、漏极、栅极；

所述基础均衡子电路Q1中，电感L1a的一端与电池B1a的负极相连，另一端与开关管S1a的源极、开关管S1b的漏极相连；电感L1b的一端与电池B1b的负极相连，另一端与开关管S1b的源极、开关管S1c的漏极相连；开关管S1a的漏极与电池B1a的正极相连，开关管S1c的源极与电池B1c的负极相连；

所述扩展均衡子电路Qi(i＝2,3，…，n)，由电感Lia、Lib、Lic和开关管Sia、Sib、Sic、Sid、Sie组成，其中电感Lia的一端与电池Bia的负极相连，另一端与开关管Sia的源极、开关管Sib的漏极相连，电感Lib的一端与电池Bib的负极相连，另一端与开关管Sib的源极、开关管Sic的漏极相连，开关管Sia的漏极与电池Bia的正极相连，开关管Sic的源极与电池Bic的负极相连，开关管Sid、开关管Sie以及电感Lic负责电池小组m_i与电池小组m_i-1相连，电感Lic的一端与电池Bia正极相连，另一端与开关管Sid的源极、开关管Sie的漏极相连，开关管Sid的漏极与电池Bi-1a的正极相连，开关管Sie的源极与电池Bic的负极相连。

进一步地，所述开关管S1a、S1b、S1c，Sia、Sib、Sic、Sid、Sie(i＝2,3，…，n)的栅极均与控制电路连接，通过所述控制电路输出的驱动信号控制开关管的开通与关断，实现能量的转移，达到电池组的均衡的目的。

进一步地，所述3n个串联储能电池易于扩展电池小组m_i，即三节电池Bia，Bib，Bic，同时，所述均衡电路添加一个扩展均衡子电路Qi。

进一步地，所述均衡电路中的电感均为储能电感，其储能电感值由开关管的开关频率、电池单体电压和/或均衡电路的均衡时间选择确定，不同储能电感的电感值可以满足不同均衡时间的需求。

进一步地，所述控制电路输出的驱动信号的频率根据开关管的开关损耗、储能电感的电感值和电池单体电压与容量选择确定。

进一步地，所述控制电路输出的驱动信号的占空比根据均衡子电路的工作条件选择确定，保证每个电感在每个开关周期内复位，即每个开关周期内储能电感的电流最终下降到零，使电感工作在断续模式下。

进一步地，所述3n个储能单元是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明在串联电池组的电池管理***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，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。

2)本发明易于扩展串联电池组电池的个数，需要扩展电池数时，可一次增加一个电池小组，只需添加一个扩展均衡子电路连接在原有电路上即可，且不需对原有电路结构与控制策略进行改动。

3)本发明在充放电该过程中，均衡子电路先进行电池小组内部电池的均衡，再进行临近电池小组之间的均衡，最终实现整组电池的均衡，且控制简单，电路简单可靠。

附图说明

图1是本发明公开的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路的电路原理图；

图2是本发明中基础均衡子电路的电路原理图；

图3是本发明中扩展均衡子电路的电路原理图；

图4(a)是电池小组内电池放电模式1；

图4(b)是电池小组内电感续流模式1。

图4(c)是电池小组内电池放电模式2；

图4(d)是电池小组内电感续流模式2；

图5(a)是临近电池小组均衡过程步骤1；

图5(b)是临近电池小组均衡过程步骤2；

图6(a)是9节电池的均衡拓扑结构1；

图6(b)是9节电池的均衡拓扑结构2。

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

本实施例结合附图1至图6，详细介绍一种可扩展3n个储能单元的均衡电路。

图1是本发明公开的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路的电路原理图，如图1所示，该均衡电路包括3n个串联储能电池和n个均衡子电路，其中，所述3n个串联储能电池，分别是B1a、B1b、B1c，B2a、B2b、B2c，……，Bja、Bjb、Bjc，……，Bna、Bnb、Bnc，每三节电池Bja、Bjb、Bjc为一电池小组m_j，(j＝1,2,3…n)，共n组电池小组，其中n为正整数，所述n个均衡子电路，包括一个基础均衡子电路Q1，n-1个扩展均衡子电路Qi(i＝2,3，…，n)。

图2是基础均衡子电路的电路图，所述基础均衡子电路由电感L1a、L1b和开关管S1a、S1b、S1c组成，负责电池小组m₁中电池B1a、B1b、B1c之间的均衡。所述开关管S1a、S1b、S1c为N沟道MOSFET，包括源极、漏极、栅极。

所述基础均衡子电路中，电感L1a的一端与电池B1a的负极相连，另一端与开关管S1a的源极、开关管S1b的漏极相连。电感L1b的一端与电池B1b的负极相连，另一端与开关管S1b的源极、开关管S1c的漏极相连。开关管S1a的漏极与电池B1a的正极相连，开关管S1c的源极与电池B1c的负极相连，组成完整回路。

图3是扩展均衡子电路的电路图，所述扩展均衡子电路Qi，i＝2,3,….,n,由电感Lia、Lib、Lic和开关管Sia、Sib、Sic、Sid、Sie组成。其中电感Lia的一端与电池Bia的负极相连，另一端与开关管Sia的源极、开关管Sib的漏极相连。电感Lib的一端与电池Bib的负极相连，另一端与开关管Sib的源极、开关管Sic的漏极相连。开关管Sia的漏极与电池Bia的正极相连，开关管Sic的源极与电池Bic的负极相连。开关管Sid、开关管Sie以及电感Lic负责电池小组m_i与电池小组m_i-1相连。电感Lic的一端与电池Bia正极相连，另一端与开关管Sid的源极、开关管Sie的漏极相连，开关管Sid的漏极与电池Bi-1a的正极相连，开关管Sie的源极与电池Bic的负极相连。

所有的开关管S1a、S1b、S1c，Sia、Sib、Sic、Sid、Sie(i＝1,2,3，…，n)的栅极均与控制电路连接，通过控制开关管的开通与关断，实现能量的转移，达到电池组的均衡的目的。

图4(a)-图4(d)是电池小组内3节电池的均衡原理示意图。以第一电池小组为例说明。如图4(a)当电池B1a电压过高时，在一个PWM周期内，开通开关管S1a，电流通过电池B1a，开关管S1a，电感L1a形成回路，电感L1a储能，图中Q回路表示电流的回路，箭头代表电流的方向。如图4(b)，在开关管S1a导通一段时间后关闭，电流通过电感L1a，电池B1b，电感L2a，D1b(S1b反并联二极管)以及电感L1a，电池B1b，电池B1c，D1c(S1c反并联二极管)，D1b形成两个闭合回路，电感L1a将能量释放给电池B1b与电池B1c。为了保证储能电感工作在断续模式下，开关管S1a的驱动信号占空比小于50％.

当电池B1a电压过低时，电池B1b与电池B1c向其转移能量。在一个PWM周期内，同时开通开关管S1b，开关管S1c，电流通过电池B1c，电池B1b，电感L1a，开关管S1b，开关管S1c以及开关管B1c，电感L1b，开关管S1c形成两个闭合回路，电感L1a与电感L1b储能。当开关管导通一定时间后关闭，电流通过电感L1a，D1a(S1a反并联二极管)，电池B1a以及电感L1b，D1b，D1a，开关管S1a，开关管S1b形成两个闭合回路，L1a将能量传递给B1a，L1b将能量传递给B1a与B1b。

当电池B1b能量过高时，电池B1b向其余两节电池转移能量。在一个PWM周期内，导通开关管S1b，电流通过电池B1b，电感L1a，开关管S1b，电感L1b形成回路，电感L1a与电感L1b同时储能。在开关管导通一段时间后关闭，电流通过电感L1a，D1a，电池B1a以及电感L1b，开关管S1c，D1c形成两个闭合回路，电感L1a将能量传递给电池B1a，电感L1b将能量传递给开关管S1c。

如图4(c)，当电池B1b能量过低时，电池B1a与电池B1c向其传递能量。在一个PWM周期内，同时打开开关管S1a与开关管S1c，电流通过电池B1a，开关管S1a，电感L1a以及电池B1c，电感L1b，开关管S1c形成两个闭合回路，电感L1a与电感L1b同时储能。如图4(d)，在开关管导通一段时间后关闭，电流通过电感L1a，电池B1b，电感L1b，D1b形成回路，电感L1a与电感L1b将能量传递给电池B1b。

当电池B1c与电池B1a处于对称位置，工作原理与电池B1a一致。

图5(a)和图5(b)是临近两个电池小组均衡原理示意图。以电池小组m₁与电池小组m₂为例说明。

如图5(a)当电池小组m₁能量过高时，电池小组m₁向电池小组m₂传递能量。在一个PWM周期内，开通开关管S2d，电流通过电池小组m₁，开关管S2d，电感L2c形成回路，电感L2c储能。如图5(b)，开关管导通一段时间后关闭，电流通过电感L2c，电池小组m₂，D2e(开关管S2e反并联二极管)形成回路，电感L2c将能量传递给电池小组m₂。

当电池小组m₁能量过低时，电池小组m₂向电池小组m₁传递能量。在一个PWM开关周期内，导通开关管S2e，电流通过电池小组m₂，电感L2c，开关管S2e形成回路，电感L2c储能。开关管导通一段时间后关闭，电流通过电感L2c，D2d(S2d反并联二极管)，电池小组m₁形成回路，电感L2c将能量释放给电池小组m₁。

同理，当电池小组m₂能量过高过低时，其工作原理与上述电池小组m₁工作过程相同。

图6(a)和图6(b)是9节电池均衡电路的两种实现方法。

图6(a)中电池小组采用两两结合的拓扑，临近电池小组实现均衡。

图6(b)中，电池小组采用三个一组的拓扑，其均衡原理与小组内单体电池均衡原理相同。

综上所述，本实施例公开了一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，该均衡电路易于扩展串联储能单元的数量，可每次扩展3个电池单体，且只需增加一个扩展子电路，无需改动原有主电路结构。该均衡电路使用开关器件与储能元件较少，3n个储能单元采用5n-2开关器件，3n-1个储能电感。该均衡电路可以在充电，放电，以及静置状态下对串联储能单元实现动态主动均衡，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。该该均衡电路适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理***，通过在串联电池组电池管理***中运用双向动态均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命，且控制简单，电路简单可靠，易于扩展串联电池数。

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 (5)

1.一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括3n个串联储能电池和n个均衡子电路，其中，所述3n个串联储能电池，分别是依次串联连接的B1a、B1b、B1c，B2a、B2b、B2c，… …，Bja、Bjb、Bjc，… …，Bna、Bnb、Bnc，每三节电池Bja、Bjb、Bjc为一电池小组m_j ，j=1,2,3…n，共n组电池小组，其中n为正整数，所述n个均衡子电路，包括一个基础均衡子电路Q1和n-1个扩展均衡子电路Qi，i=2,3，…，n；

所述基础均衡子电路Q1由电感L1a、L1b和开关管S1a、S1b、S1c组成，用于负责电池小组m₁中电池B1a、B1b、B1c之间的均衡，所述开关管S1a、S1b、S1c均为N沟道MOSFET，分别包括源极、漏极、栅极；

所述基础均衡子电路Q1中，电感L1a的一端与电池B1a的负极相连，另一端与开关管S1a的源极、开关管S1b的漏极相连；电感L1b的一端与电池B1b的负极相连，另一端与开关管S1b的源极、开关管S1c的漏极相连；开关管S1a的漏极与电池B1a的正极相连，开关管S1c的源极与电池B1c的负极相连；

所述扩展均衡子电路Qi，由电感Lia、Lib、Lic和开关管Sia、Sib、Sic、Sid、Sie组成，其中电感Lia的一端与电池Bia的负极相连，另一端与开关管Sia的源极、开关管Sib的漏极相连，电感Lib的一端与电池Bib的负极相连，另一端与开关管Sib的源极、开关管Sic的漏极相连，开关管Sia的漏极与电池Bia的正极相连，开关管Sic的源极与电池Bic 的负极相连，开关管Sid、开关管Sie以及电感Lic负责电池小组m_i与电池小组m_i-1相连，电感Lic的一端与电池Bia正极相连，另一端与开关管Sid的源极、开关管Sie的漏极相连，开关管Sid的漏极与电池Bi-1a的正极相连，开关管Sie的源极与电池Bic的负极相连；

所述开关管S1a、S1b、S1c，Sia、Sib、Sic、Sid、Sie的栅极均与控制电路连接，通过所述控制电路输出的驱动信号控制开关管的开通与关断，实现能量的转移；

所述3n个串联储能电池易于扩展电池小组m_i，即三节电池Bia，Bib，Bic，同时，所述均衡电路添加一个扩展均衡子电路Qi。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，其特征在于，

所述均衡电路中的电感均为储能电感，其储能电感值由开关管的开关频率、电池单体电压和/或均衡电路的均衡时间选择确定，不同储能电感的电感值可以满足不同均衡时间的需求。

3.根据权利要求1所述的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，其特征在于，

所述控制电路输出的驱动信号的频率根据开关管的开关损耗、储能电感的电感值和电池单体电压与容量选择确定。

4.根据权利要求1所述的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，其特征在于，

所述控制电路输出的驱动信号的占空比根据均衡子电路的工作条件选择确定，保证每个电感在每个开关周期内复位，即每个开关周期内储能电感的电流最终下降到零，使电感工作在断续模式下。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种可扩展3n个储能单元的均衡电路，其特征在于，所述3n个储能单元是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。

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