CN107294174B - 一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法 - Google Patents

一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法 Download PDF

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Abstract

一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法，结构包括两个以上的电池单体，所有电池单体串联连接，每个电池单体均并联一个开关，每相邻m个电池单体组成一组，采用变压器正激耦合，每一组与整体电池组采用变压器反激连接，形成一个模组；方法是利用变压器反激原理将能量在电池模组与整体电池组间进行转移，同时，同一模组内m个电池在变压器正激作用下实现能量的转移；本发明在保证很好的均衡效果的同时，减少开关管和线圈绕组的数量，降低结构成本；同时实现正反激原理的结合，提高均衡速度。

Description

一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，特别提出一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法。
背景技术
随着环境污染和能源危机的不断加剧，电动汽车以其环境污染小、能源利用率高等优点受到广泛关注。电池作为电动车的能量源，在电动汽车运行过程中起着至关重要的作用，同时电池问题一直是电动汽车的瓶颈之一，短期内难有较大突破。如何在现有技术条件下，尽可能较大程度地发挥电池的作用成为电池技术研究的重点。
生产过程中，电池单体存在生产工艺、材料等差异；放置过程中，电池单体的自放电率存在有不同；使用过程中，电池受工作环境温度和电路等影响而存在差异。在上述因素的影响下，长时间充放电情况下，电池单体将处于不均衡状态。电池的不均衡状态将导致电池组整体容量下降、电池组中单体过充或过放，损害电池寿命。
电池均衡技术就是使用一定的拓扑结构和控制方法消除电池间的差异，使电池处于均衡状态。现有的均衡技术或多或少存在一定的缺陷。被动均衡使用耗散元件将电池多余的能量用热能的形式耗散，虽然结构简单但易引起较大的能量损耗，均衡效率较低，热管理难度大；
Figure BDA0001359958210000011
与buck-boost均衡原理只能在相邻电池单体间实现能量流动，在不相邻电池间需要均衡时，需经多次中间转换，影响均衡效率和速度；变压器正反激原理实现电池与电池组间的均衡，其中，单绕组变压器同一时刻只有一个单体电池进行均衡，均衡时间较长，且开光管数量较多，成本相应增加；多绕组变压器所有线圈均耦合在一起，变压器尺寸巨大，设计复杂；多个变压器给每个电池设置一个专用变压器，与电池组间进行均衡，变压器数量较多，磁损失增加，成本增加。
综上所述，主动均衡较被动均衡更加节能。然而，在实际应用中，主动均衡由于大量元器件、复杂的控制等原因，并未得到广泛的应用。现如今，如何降低主动均衡使用成本成为研究的关键。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种电池单体与电池组间均衡电路结构与方法，在保证很好的均衡效果的同时，减少开关管和线圈绕组的数量，降低结构成本；同时实现正反激原理的结合，提高均衡速度。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电池单体与电池组间均衡电路结构，包括两个以上的电池单体C、变压器T、开关MOSFETM，所有电池单体Cij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体C均并联一个开关MOSFET Mij，每相邻m个电池单体组成一组，m＝2、3、…，采用变压器T正激耦合，每一组与整体电池组采用变压器T反激连接，形成一个模组。
所述的变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能。
所述的开关MOSFET Mij为N沟道MOSFET，或为P沟道MOSFET。
所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，将电池组内相邻m个电池组成一个模组，共分为n组；
第二步，利用电压传感器、电流传感器对每一模组的电压、电流进行检测；
第三步，估计每一电池模组与整个电池组的平均状态；
第四步，获取一组需要均衡的电池，在电池模组与整体电池组间进行均衡；
第五步，判断需要均衡的电池模组平均能量是否高于整体电池组的平均能量；
第六步，如果电池模组平均能量高于整体电池组的平均能量，则电池模组向整体电池组放电；如果电池模组平均能量低于整体电池组的平均能量，则整体电池组向电池模组充电；
第七步，均衡后延时一段时间，返回第二步继续执行。
所述的获取需要均衡电池模组的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法选取。
所述的电池模组向整体电池组放电的步骤为：
第一步，同时闭合高能的电池模组内电池单体所对应的开关MOSFET，此时，电池模组内电池单体、导通的开关MOSFET以及变压器T一次侧绕组形成闭合环路状态，电池模组将能量储存在变压器T绕组中；
第二步，同时断开高能的电池模组内电池单体对应的开关MOSFET，将变压器T中存储的能量释放至整个电池组。
所述的整体电池组向电池模组充电的步骤为：
第一步，闭合低能的电池模组变压器二次侧所对应的开关MOSFET，整体电池组、开关MOSFET以及变压器T二次侧绕组形成闭合环路，电池组向变压器T绕组释放能量；
第二步，断开低能的电池模组变压器T二次侧所对应的开关MOSFET，将变压器T中储存的能量转移至低能的电池模组。
在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，以达到平衡状态。
本发明的有益效果为：
本发明在电池模组与整体电池组间，变压器反激耦合；在同一电池模组内，变压器正激耦合，因此，将变压器正激与反激原理结合，元器件数量减少的同时提高均衡效率。
附图说明
图1为本发明结构的拓扑图。
图2为本发明方法的流程图。
图3为本发明实施例中均衡过程图，图(a)为均衡第一阶段(t0-t1)电路运行过程图，图(b)为均衡第二阶段(t1-t2)电路运行过程图。
图4为本发明实施例中均衡过程原理波形图。
图5为本发明整体电池组向电池模组充电过程关键波形图。
图6为本发明电池模组向整体电池组放电过程关键波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
参照图1，一种电池单体与电池组间均衡电路结构，包括两个以上的电池单体C、变压器T、开关MOSFETM，所有电池单体Cij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体C均并联一个开关MOSFETMij；每相邻m个电池单体组成一组，m＝2、3、…，采用变压器T正激耦合，每一组与整体电池组采用变压器T反激连接，形成一个模组，如模组1中电池单体C11、C12、…、C1m和电池组共用变压器T1，其中，电池单体C11、C12、…、C1m相互之间正激耦合，与电池组反激耦合，将变压器正激、反激工作原理相结合，将能量在电池单体与电池组间进行转移。
所述的变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能。
所述的开关MOSFET Mij为N沟道MOSFET，或为P沟道MOSFET。
参照图2，所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，将电池组内相邻m个电池组成一个模组，共分为n组；
第二步，利用电压传感器、电流传感器对每一模组的电压、电流进行检测；
第三步，估计每一电池模组与整个电池组的平均状态；
第四步，获取一组需要均衡的电池，在电池模组与整体电池组间进行均衡；
第五步，判断需要均衡的电池模组平均能量是否高于整体电池组的平均能量；
第六步，如果电池模组平均能量高于整体电池组的平均能量，则电池模组向整体电池组放电；如果电池模组平均能量低于整体电池组的平均能量，则整体电池组向电池模组充电；
第七步，均衡后延时一定时间，返回第二步继续执行。
所述的获取需要均衡电池模组的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法选取。
所述的电池模组向整体电池组放电的步骤为：
第一步，同时闭合高能的电池模组内电池单体所对应的开关MOSFET，此时，电池模组内电池单体、导通的开关MOSFET以及变压器T一次侧绕组形成闭合环路状态，电池模组将能量储存在变压器T绕组中；
第二步，同时断开高能的电池模组内电池单体对应的开关MOSFET，将变压器T中存储的能量释放至整个电池组。
所述的整体电池组向电池模组充电的步骤为：
第一步，闭合低能的电池模组变压器二次侧所对应的开关MOSFET，整体电池组、开关MOSFET以及变压器T二次侧绕组形成闭合环路，电池组向变压器T绕组释放能量；
第二步，断开低能的电池模组变压器T二次侧所对应的开关MOSFET，将变压器T中储存的能量转移至低能的电池模组。
在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，以达到平衡状态。
附图中：C11、C12、…、Cnm为电池单体；T1、T2、…、Tn为变压器绕组；M11、M12、…、Mnm，M1、M2、…、Mn为N沟道或P沟道MOSFET。
下面给出一个具体的实施例：需要说明的是，本实施例只是本发明的一种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形均应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
以其中一种情况为例，即每个模组中包含两个单体电池，将电能从整体电池组转移到电池单体C11和C12中，包括以下步骤：
第一步，参照图3(a)，将开关M1闭合，整体电池组与开关M1、变压器T1的二次侧绕组L1形成闭合回路；
此过程中，绕组L1上的关系用下式表示：
Figure BDA0001359958210000071
其中，
Figure BDA0001359958210000072
为绕组线圈L1两端的电压值；
开关M1导通时，绕组线圈L1两端的电压值
Figure BDA0001359958210000073
近似等于整体电池组端电压VC：
Figure BDA0001359958210000081
综上两式可得：
Figure BDA0001359958210000082
绕组L1中所能达到的峰值电流为：
Figure BDA0001359958210000083
其中，ton为开关M1导通时间，即ton＝DT；
第二步，参照图3(b)，断开开关M1，电池单体C11与开关M11、变压器T1的一次侧绕组L11形成闭合回路；电池单体C12与开关M12、变压器T1的一次侧绕组L12形成闭合回路；
根据安培定率，可得单体电池C11和C12的初始峰值电流：
Figure BDA0001359958210000084
其中，N11、N12分别为变压器T1一次侧电池C11和C12对应的绕组匝数；N1为变压器T1二次侧绕组匝数；
Figure BDA0001359958210000085
分别为通过电池C11和C12的电流；
由于各电池单体结构对称，因此，变压器一次侧绕组匝数均相同，即：
N11＝Nl2＝Nl0
综上两式可得：
Figure BDA0001359958210000086
此过程中，单体C11与C12回路电流可表示为：
Figure BDA0001359958210000091
Figure BDA0001359958210000092
其中，
Figure BDA0001359958210000093
分别为电池C11和C12的端电压。
图4为本实施例在电池均衡过程中MOSFET电压及均衡电流原理波形图，从图中可以看出，均衡过程中只需输出一组PWM波控制相应的开关导通或关断，控制简单。在t3时刻，对应电池电流均降为零，从而保证电路工作于断续工作模式。
图5为本实施例整体电池组向电池模组充电过程关键波形图，从图中可以看出，需要均衡的电池模组中能量较高的电池充电电流较小，而能量较低的电池充电电流较大，进一步证明了在同一模组中可通过变压器正激原理进一步均衡。
图6为本实施例电池模组向整体电池组放电过程关键波形图，从图中可以看出，需要均衡的电池模组中能量较高的电池放电电流较大，而能量较低的电池放电电流较小，同样证明了在同一模组中可通过变压器正激原理均衡。

Claims (4)

1.电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于：一种电池单体与电池组间均衡电路结构，包括两个以上的电池单体C、变压器T、开关MOSFETM，所有电池单体Cij串联连接，i＝1～n，j＝1～m，每个电池单体C均并联一个开关MOSFETMij，每相邻m个电池单体组成一组，m＝2、3、…，采用变压器T正激耦合，每一组与整体电池组采用变压器T反激连接，形成一个模组；
所述的变压器T由m+1股绕组绕制而成，其中m股同向绕制，实现正激功能；剩余一股反向绕制，实现反激功能；
所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，将电池组内相邻m个电池组成一个模组，共分为n组；
第二步，利用电压传感器、电流传感器对每一模组的电压、电流进行检测；
第三步，估计每一电池模组与整个电池组的平均状态；
第四步，获取一组需要均衡的电池，在电池模组与整体电池组间进行均衡；
第五步，判断需要均衡的电池模组平均能量是否高于整体电池组的平均能量；
第六步，如果电池模组平均能量高于整体电池组的平均能量，则电池模组向整体电池组放电；如果电池模组平均能量低于整体电池组的平均能量，则整体电池组向电池模组充电；
第七步，均衡后延时一段时间，返回第二步继续执行；
所述的电池模组向整体电池组放电的步骤为：
第一步，同时闭合高能的电池模组内电池单体所对应的开关MOSFET，此时，电池模组内电池单体、导通的开关MOSFET以及变压器T一次侧绕组形成闭合环路状态，电池模组将能量储存在变压器T绕组中；
第二步，同时断开高能的电池模组内电池单体对应的开关MOSFET，将变压器T中存储的能量释放至整个电池组；
所述的整体电池组向电池模组充电的步骤为：
第一步，闭合低能的电池模组变压器二次侧所对应的开关MOSFET，整体电池组、开关MOSFET以及变压器T二次侧绕组形成闭合环路，电池组向变压器T绕组释放能量；
第二步，断开低能的电池模组变压器T二次侧所对应的开关MOSFET，将变压器T中储存的能量转移至低能的电池模组。
2.根据权利要求1所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于：所述的开关MOSFETMij为N沟道MOSFET，或为P沟道MOSFET。
3.根据权利要求1所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于：所述的获取需要均衡电池模组的方法为基于电压方法、基于SOC方法或基于剩余电量方法选取。
4.根据权利要求1所述的电池单体与电池组间均衡电路结构的均衡方法，其特征在于，在均衡过程中，由于同一模组电池中，m个单体电池对应的变压器正激耦合，因此当所需均衡的电池模组中单体电池对应的开关同时导通时，能量在m个单体电池间转移，以达到平衡状态。
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107834655A (zh) * 2017-11-29 2018-03-23 山东大学 一种基于多绕组变压器的自动的电池均衡电路及实现方法
CN108011425B (zh) * 2017-12-25 2021-04-16 上海电气集团股份有限公司 一种电池组主动均衡电路及方法
CN109066846B (zh) * 2018-08-01 2020-07-28 西安交通大学 一种模块化电池间均衡电路结构与方法
CN110861536A (zh) * 2018-08-07 2020-03-06 郑州深澜动力科技有限公司 一种电动车辆及其动力电池***
CN109888417A (zh) * 2019-04-09 2019-06-14 哈尔滨工业大学 一种串联储能电源直接均衡器组合结构
CN112688375B (zh) * 2020-12-03 2022-12-16 华南理工大学 基于多绕组变压器的均衡输出***
CN112952974B (zh) * 2021-03-10 2023-03-21 华南理工大学 基于正反激变换器的混合储能均衡电路及控制方法
CN114156981B (zh) * 2021-12-03 2023-07-18 傲普(上海)新能源有限公司 基于变压器的电池模组均衡控制电路及方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199589A (zh) * 2013-04-12 2013-07-10 哈尔滨工业大学 一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101557105B (zh) * 2009-05-19 2013-03-13 浙江大学 延长串联直流供电单元组使用寿命的装置及方法
CN102035010B (zh) * 2009-09-29 2013-05-01 凹凸电子（武汉）有限公司 电池单元均衡电路及方法
TW201336200A (zh) * 2012-02-16 2013-09-01 Univ Nat Cheng Kung 串聯電池電量平衡充／放電電路及其控制方法
KR101397026B1 (ko) * 2012-03-12 2014-05-20 삼성에스디아이 주식회사 배터리 시스템 및 이를 포함하는 에너지 저장 시스템
CN202856386U (zh) * 2012-07-31 2013-04-03 刘阶萍 一种主动均衡充放电的智能电池模组及***
CN103730936B (zh) * 2014-01-03 2015-09-30 桂林电子科技大学 电动汽车动力电池均衡管理***的均衡管理方法
JP6428107B2 (ja) * 2014-09-29 2018-11-28 株式会社村田製作所 蓄電装置、電子機器、電動車両および電力システム
CN106787021B (zh) * 2017-03-16 2023-11-17 山东大学 一种基于多绕组变压器的电池组均衡器模块化***及方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103199589A (zh) * 2013-04-12 2013-07-10 哈尔滨工业大学 一种锂离子电池组模块化快速均衡电路及均衡方法

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