CN108321871A - 一种串联电池组的主动均衡电路及其均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种串联电池组的主动均衡电路及其均衡方法，是在由n个串联组成的电池组上连接有可控开关阵列和H桥型储能模块；配合***电路，通过检测电池的各种参数，依据实际的电压或SOC分布选择出最合适的控制策略，控制相应开关管的导通，可实现任意一节电池或电池组通过储能电感器向另外某节电池或电池组传递能量，基于电感储能的均衡电路均衡电流可控、均衡速度快效率高，并且该路结构简单、可扩展强，适用于大规模电池组的均衡。
Description
技术领域
本发明涉及串联电池组的主动均衡电路。
背景技术
随着新能源技术的快速发展，以电池储能为代表的储能***应用日益广泛。在给一些需要长时间或者大功率工作的设备供电时，如应急电供电装置和电动汽车等，单节的电池无法满足实际的需要，因此需要将多节电池进行串并联形成电池组来使用。但电池由于先天生产的差异或受环境等因素影响，每节电池特性参数都会不一致，进而导致在实际使用时有的电池充放电较快，而有的电池充放电较慢。如此循环下去会进一步加深各电池的不一致性，最终会影响整个电池组的使用寿命，严重的还会发生电池损坏、***的危险。因此对电池进行有效的管理是不可或缺的。利用电池管理电路可实现各电池的电压或SOC均衡，以尽量消除或减小各电池间的不一致性。
目前常用的电池管理电路由均衡电路和***电路模块组成。其中***电路模块主要包括均衡控制器模块、电压检测模块、电流检测模块、温湿度检测模块、显示模块、开关管驱动模块、上位机监测模块等；均衡控制器模块，主要是中央处理器CPU,用以进行ADC模数转换、PWM输出、相关数据处理及相关控制策略的执行等；电压检测模块：用以检测各单体电池的电压；电流检测模块：用以检测电池均衡时充放电电流；温湿度检测模块：用以检测电池的温湿度。显示模块：用以显示各电池的电压、电流、温湿度等相关参数；开关管驱动模块：用以驱动开关管的正常导通与关断；上位机监测模块：用以实时监测各电池的状态。其中均衡电路可分为主动均衡电路和被动均衡电路。
与本发明有关的技术是主动均衡电路。主动均衡是利用储能元件将高电量电池中能量转移到低电量电池中去。主动均衡又主要分为电容储能和电感储能。电容储能效率高且电路相对简单，但是均衡速度慢且均衡电流难以控制。如中国发明专利(申请号201510386342.6)提出的一种基于储能电容来实现均衡的电池均衡电路，实际使用时受电池压差的影响较大的影响电流会很大，需配合限流电感器使用，在电池压差较小时均衡电流也会很小，均衡电流和均衡速度难以控制。电感储能虽然易受控制和均衡速度快，但效率没有电容储能高，电路结构相对复杂，控制方式相对较难。如中国发明专利(申请号201510905345.6)公开了基于电感充放电能量转移的串联电池组均衡电路，该电路只能实现两相邻电池的均衡，而且使用了较多的电感器，在多块电池均衡***时电路会十分复杂。再如中国发明专利(申请号201410293688.7)提出的一种均衡电路，该电路将电池分为了奇数组和偶数组，虽然增加了多种均衡方式，但可直接实现奇-偶间电池的均衡，由于电感通过的电流不能突变,实现奇-奇组或偶-偶组间电池均衡却需要第三块电池作为中间量，在无形中增加了控制难度、降低了均衡速度及效率。
为克服上述技术的不足，本发明人申请号2017103347741公开了了一种串联电池组的电压均衡电路，该电路同样是基于电容储能实现的，利用LC产生谐振提高储能电容的电压，H桥的作用在于定期调换电容极性以进一步提高电容电压幅值，该电路的均衡方式虽然有所增加，但却无法实现一对多和多对一的的均衡方式，且使用了双组的可控开关，增加了成本。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种串联电池组的主动均衡电路，同时提供上述主动均衡电路的均衡方法。
本发明的技术方案如下：
一种串联电池组的主动均衡电路，是在由n个串联组成的电池组上连接有可控开关阵列和H桥型储能模块；其特征在于，所述的可控开关阵列由n+1个可控开关管S1-Sn+1组成；所述的H桥型储能模块由4个电流方向转换开关K1-K4和1个储能电感器L1组成，其中转换开关K1-K4组成H桥的4个桥臂，储能电感器L1则串联在H桥中间，作为能量转移的中转站；所述的n≥2，所述的电池单体B1-Bn从1-n连续排序，所述的可控开关管S1-Sn+1从1-(n+1)连续排序；所述的串联电池组、可控开关阵列和H桥型储能模块连接结构是，电池单体B1的正、负极分别对应连接可控开关管S1、S2，电池单体B2的正、负极分别对应连接可控开关管S2、S3，依次类推，直至最后一个电池单体Bn的正、负极分别对应连接可控开关管Sn、Sn+1；将奇数排序的可控开关管S1、S3、S5.....的另一侧与H桥储能模块的上桥臂相连，将偶数排序的可控开关管S2、S4、S6.....的另一侧与H桥储能模块的下桥臂相连。
一种串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，首先电池管理电路的***电路工作，电压检测模块和电流检测模块检对各电池的相关参数进行检测，均衡控制器模块根据检测结果或由检测电压、电流估算的SOC，选出最大电量值和最小电量值的那两块单体电池；并判断那两块单体电池的排序是否一个为奇数一个为偶数；
第二步，放电过程
均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动那块高电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，此时电流从K1的左上桥臂经过电感器L1流向K4的右下桥臂，或从K4的右下桥臂经过电感器L1流向K1的左上桥臂，高电量电池中部分能量被储存在电感器L1中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；
第三步，充电过程
如果那两块单体电池的排序是一个为奇数一个为偶数时进行充电过程一，否则进行充电过程二：
充电过程一：均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动那块低电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，储存在电感器L1中的能量被转移到那块低能量的电池中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；返回第一步；
充电过程二：
均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动那块低电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K2、K3导通，储存在电感器L1中的能量被转移到那块低能量的电池中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；返回第一步；
第四步，上述过程循环往复，直至所有单体电池的电压或SOC趋于一致或在可接受范围内，停止工作。
进一步，在第一步中，除选出最大电量值和最小电量值的那两块外，还可选出多个最大电量值和多个最小电量值的电池联组；并判断出电池联组第一个单体电池的排序是奇数还是偶数；在第二步时以此判断是进行充电过程一还是充电过程二；
如果最大电量值的电池联组第一个单体电池的排序是奇数，最小电量值的电池联组第一个单体电池的排序是偶数，属于一奇一偶的情况，进行充电过程一；否则进行充电过程二。
进一步，在高电量电池联组放电过程中，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动电池联组排序第一个电池正极、和排序末一个电池负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通；在低电量电池联组充电过程中，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动电池联组排序第一个电池正极、和排序末一个电池负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4或K2、K3导通。
本发明的有益效果在于：
本发明配合***电路，通过检测电池的各种参数，依据实际的电压或SOC分布选择出最合适的控制策略，控制相应开关管的导通，可实现任意一节电池或电池组通过储能电感器向另外某节电池或电池组传递能量，无须一级一级传递，也无需借助第三者作为中间量传递。还具有单节电池对单节电池、单节电池对多节电池、多节电池对单节电池、多节电池对多节电池等多种均衡方式，实现了任意一块电池或若干奇数块相邻电池组成的电池组向另一块或另一奇数块组成的电池组进行能量转移，均衡方式极为灵活，大大提高了均衡的效率。且基于电感储能的均衡电路均衡电流可控、均衡速度快效率高，并且该路结构简单、可扩展强，适用于大规模电池组的均衡。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图。
图2为本发明单节电池B1放电，储能电感器L1的储能过程。
图3A为单节电池B1放电后，电感器L1储能后给单节电池B2充电的过程。
图3B为单节电池B1放电后，电感器L1储能后给单节电池B3充电的过程。
图3C为单节电池B1放电后，电感器L1储能后给多节电池B2、B3、B4充电的过程。
图3D为单节电池B1放电后，电感器L1储能后给多节电池B3、B4、B5充电的过程。
图4为多节电池B1、B2、B3放电，储能电感器L1的储能过程。
图5A为多单节电池B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给单节电池B4充电的过程。
图5B为多单节电池B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给单节电池B5充电的过程。
图5C为多单节电池B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给多节电池B4、B5、B6充电的过程。
图5D为多单节电池B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给多节电池B5、B6、B7充电的过程。
具体实施方式
下面以十个电池单体B1-B10串联组成的电池组通过为实施例，并结合附图对本发明的电路结构做进一步说明，但应当理解，本发明的实施方式不限于此。
实施例1
从图1看出，一种串联电池组的主动均衡电路，它是在由十个(n＝10)电池单体B1-B10串联组成的电池组上连接有可控开关阵列和H桥型储能模块；其中所述的可控开关阵列由10+1＝11个可控开关管S1-S11组成；所述的H桥型储能模块由4个电流方向转换开关K1-K4和1个储能电感器L1组成，其中转换开关K1-K4组成H桥的4个桥臂，储能电感器L1则串联在H桥中间，作为能量转移的中转站；所述的电池单体B1-B10从1-10连续排序，所述的可控开关管S1-S11从1-11连续排序；串联电池组、可控开关阵列和H桥型储能模块连接结构是，电池单体B1的正、负极分别对应连接可控开关管S1、S2，电池单体B2的正、负极分别对应连接可控开关管S2、S3，依次类推，直至最后一个电池单体B10的正、负极分别对应连接可控开关管S10、S11；将奇数排序的可控开关管S1、S3、S5.....的另一侧与H桥储能模块的上桥臂相连，将偶数排序的可控开关管S2、S4、S6.....的另一侧与H桥储能模块的下桥臂相连。
实施例2
下面以图2图3A为例，说明一种串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，首先电池管理电路的***电路工作，电压检测模块和电流检测模块检对各电池的相关参数进行检测，均衡控制器模块根据检测结果或由检测电压、电流估算的SOC，选出最大电量值的单体电池B1和最小电量值的单体电池B2；其排序为一个为奇数一个为偶数；
第二步，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动高电量电池B1正负极对应连接的2个可控开关管S1、S2和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，此时单节电池B1放电,电流从K1的左上桥臂经过电感器L1流向K4的右下桥臂，高电量电池中部分能量被储存在电感器L1中，然后关闭上述导通的可控开关管S1、S2和电流方向转换开关K1、K4,如图2单节电池B1放电，储能电感器L1储能过程；
因为那两块电池的排序为一奇一偶，所以进行充电过程一；
充电过程一，均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动低电量电池B2正负极对应连接的两个可控开关管S1、S2和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，储存在电感器L1中的能量被转移到低能量的电池B2中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；图3A所示；
返回第一步，上述过程循环往复，直至所有电池的电压或SOC趋于一致或在可接受范围内，停止工作。
实施例3
下面以图2图3B等图为例，说明一种串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
第一步，首先电池管理电路的***电路工作，电压检测模块和电流检测模块对各电池的相关参数进行检测，均衡控制器模块根据检测结果或由检测电压、电流估算的SOC，选出最大电量值的单体电池B1和最小电量值的单体电池B3；其排序都为奇数，即非一奇一偶；
第二步，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动高电量电池B1正负极对应连接的两个可控开关管S1、S2和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，此时单节电池B1放电,电流从K1的左上桥臂经过电感器L1流向K4的右下桥臂，高电量电池中部分能量被储存在电感器L1中，然后关闭上述导通的可控开关管S1、S2和电流方向转换开关K1、K4,如图2单节电池B1放电，储能电感器L1储能过程；因为电量最大的B1和电量最小的B3下标均为奇数，非一奇一偶；所以进行充电过程二；
充电过程二，均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动低电量电池B3正负极对应连接的两个可控开关管S3、S4和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K2、K3导通，储存在电感器L1中的能量被转移到低能量的电池B3中，然后关闭上述导通的可控开关管S3、S4和电流方向转换开关K2、K3；
返回第一步；上述过程循环往复，直至所有电池的电压或SOC趋于一致或在可接受范围内，停止工作。
实施例2和实施例3共同说明了单节电池对单节电池放电的过程。
实施例4：
如图3C所示，实施例4说明了单节电池B1放电后，电感器L1储能后给电池联组B2、B3、B4充电的过程。其中放电的过程和实施例3相同。在充电的过程中，由于电池联组B2、B3、B4的第一个单体电池B2的排序是偶数，属于一奇一偶的情况；所以进行充电过程二；此时电流无须改变方向，在此过程中需打开开关阵列中的可控开关管S1、S5和H桥型储能模块中的K1、K4，电感器L1储存的能量转移到电池B2、B3、B4组成的多节电池组中。
实施例5：
如图3D所示，实施例5说明了单节电池B1放电后，电感器L1储能后给电池联组B3、B4、B5充电的过程。其中放电的过程和实施例3相同。在充电的过程中，由于电池联组B3、B4、B5的第一个单体电池B3的排序是奇数，电流须改变方向才能均衡，在此过程中需打开开关阵列中的均衡可控开关S3、S6和H桥型储能模块中的K2、K3，电感器L1储存的能量转移到电池B3、B4、B5组成的多节电池组中。
实施例4和实施例5共同说明了单节电池对多节电池放电的过程。
实施例6：
实施例6如图4、图5A所示，为多节电池联组B1、B2、B3放电，储能电感器L1储能，再为电池B4充电的全过程。当均衡控制器模块根据检测结果或由检测电压、电流估算的SOC，选出最大电量值电池联组B1、B2、B3，最小电量值电池B4时，需要电池B1、B2、B3组成的电池联组放电。此时，如图4所示，可控开关管S1、S4和H桥型储能模块中的K1、K4打开，电池联组B1、B2、B3与电感器L1连通放电，电感器L1开始储能，储能完毕后，关闭上述开关。在充电的过程中，如图5A所示，由于电池联组B1、B2、B3的第一个单体电池B1的排序是奇数，最小电量值电池B4排序是偶数为一奇一偶的情况，电流无须改变方向，在此过程中需打开开关阵列中的可控开关管S4、S5和H桥型储能模块中的K1、K4，电感器L1储存的能量转移到单节电池B4中。
实施例7
实施例7如图4和5B所示，为电池联组B1、B2、B3放电，储能电感器L1储能，再为电池B5充电的全过程。其中放电的过程和实施例6相同。在充电的过程中，如5B所示，由于电池联组B1、B2、B3的第一个单体电池B1的排序是奇数，最小电量值电池B5排序是奇数，为非一奇一偶的情况，电流须改变方向才能均衡。在此过程中需打开开关阵列中的均衡可控开关管S5、S6和H桥型储能模块中的K2、K3，电感器L1储存的能量转移到单节电池B5中。
实施例6和实施例7共同说明了多节电池对单节电池放电的过程。
实施例8：
实施例8如图5C所示，为电池联组B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给电池联组B4、B5、B6充电的过程。其中放电的过程和实施例6相同。在充电的过程中，如5C所示，由于电池联组B1、B2、B3的第一个单体电池B1的排序是奇数，电池联组B4、B5、B6的第一个单体电池B4的排序是偶数，为一奇一偶的情况，电流无须改变方向，在此过程中需打开开关阵列中的可控开关管S4、S7和H桥型储能模块中的K1、K4，电感器储存的能量转移到多节电池B4、B5、B6中。
实施例9：
实施例9如图5D所示，为电池联组B1、B2、B3放电后，电感器L1储能后给电池联组B5、B6、B7充电的过程。其中放电的过程和实施例6相同。在充电的过程中，如5D所示，由于电池联组B1、B2、B3的第一个单体电池B1的排序是奇数，电池联组B5、B6、B7的第一个单体电池B5的排序是奇数，为非一奇一偶情况，电流须改变方向才能均衡。在此过程中需打开开关阵列中的可控开关管S4、S7和H桥型储能模块中的K2、K3，电感器L1储存的能量转移到多节电池B4、B5、B6中。
实施例8和实施例9共同说明了多节电池对多节电池放电的过程。
以上所述,仅为本发明的的具体实施方式的事例,以上实施例的说明仅适用于帮助理解本发明的原理，但本发明的保护范围并不局限于此,于本领域的一般技术人员,依据本发明实施例,在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.一种串联电池组的主动均衡电路，是在由n个串联组成的电池组上连接有可控开关阵列和H桥型储能模块；其特征在于，所述的可控开关阵列由n+1个可控开关管S1-Sn+1组成；所述的H桥型储能模块由4个电流方向转换开关K1-K4和1个储能电感器L1组成，其中转换开关K1-K4组成H桥的4个桥臂，储能电感器L1则串联在H桥中间，作为能量转移的中转站；所述的n≥2，所述的电池单体B1-Bn从1-n连续排序，所述的可控开关管S1-Sn+1从1-(n+1)连续排序；
所述的串联电池组、可控开关阵列和H桥型储能模块的连接结构是，电池单体B1的正、负极分别对应连接可控开关管S1、S2，电池单体B2的正、负极分别对应连接可控开关管S2、S3，依次类推，直至最后一个电池单体Bn的正、负极分别对应连接可控开关管Sn、Sn+1；将奇数排序的可控开关管S1、S3、S5.....的另一侧与H桥储能模块的上桥臂相连，将偶数排序的可控开关管S2、S4、S6.....的另一侧与H桥储能模块的下桥臂相连。
2.一种如权利要求1所述的串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，首先电池管理电路的***电路工作，电压检测模块和电流检测模块检对各电池的相关参数进行检测，均衡控制器模块根据检测结果或由检测电压、电流估算的SOC，选出最大电量值和最小电量值的那两块单体电池；并判断那两块单体电池的排序是否一个为奇数一个为偶数；
第二步，放电过程
均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动那块高电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，此时电流从K1的左上桥臂经过电感器L1流向K4的右下桥臂，或从K4的右下桥臂经过电感器L1流向K1的左上桥臂，高电量电池中部分能量被储存在电感器L1中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；
第三步，充电过程
如果那两块单体电池的排序是一个为奇数一个为偶数时进行充电过程一，否则进行充电过程二：
充电过程一：均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动那块低电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通，储存在电感器L1中的能量被转移到那块低能量的电池中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；返回第一步；
充电过程二：
均衡控制器模块继续输出信号并配合开关管驱动模块，驱动那块低电量电池正负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K2、K3导通，储存在电感器L1中的能量被转移到那块低能量的电池中，然后关闭上述导通的可控开关管和电流方向转换开关；返回第一步；
第四步，上述过程循环往复，直至所有单体电池的电压或SOC趋于一致或在可接受范围内，停止工作。
3.如权利要求2所述的串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于，在第一步中，除选出最大电量值和最小电量值的那两块外，还可选出多个最大电量值和多个最小电量值的电池联组；并判断出电池联组第一个单体电池的排序是奇数还是偶数；
在第二步时以此判断是进行充电过程一还是充电过程二；如果最大电量值的电池联组第一个单体电池的排序是奇数，最小电量值的电池联组第一个单体电池的排序是偶数，属于一奇一偶的情况，进行充电过程一；否则进行充电过程二。
4.如权利要求2所述的串联电池组的主动均衡电路的均衡方法，其特征在于，在高电量电池联组放电过程中，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动电池联组排序第一个电池正极、和排序末一个电池负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4导通；在低电量电池联组充电过程中，均衡控制器模块输出信号，并配合开关管驱动模块，驱动电池联组排序第一个电池正极、和排序末一个电池负极对应连接的2个可控开关管和H桥型储能模块中的电流方向转换开关K1、K4或K2、K3导通。
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