CN108539812A - 高压锂离子蓄电池均衡电路、均衡方法及蓄电池 - Google Patents

高压锂离子蓄电池均衡电路、均衡方法及蓄电池 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种高压锂离子蓄电池均衡电路，其特征在于：包括若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。

Description

高压锂离子蓄电池均衡电路、均衡方法及蓄电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种空间高压锂离子蓄电池均衡电路、均衡方法及蓄电池。
背景技术
空间锂离子蓄电池组是空间各种卫星平台能够安全可靠运行的关键部位。由于使用过程中各电池单体充电接收能力、自放电率、容量衰减速率的不同，空间实际应用中会通过能量耗散型均衡方式来达到各节电池单体的一致性，其均衡的效果会影响空间锂离子蓄电池的使用容量和寿命，从而直接影响在轨卫星的运行状态，空间锂离子蓄电池的容量或者寿命的下降，会造成卫星平台运行周期的缩短，一旦均衡部分出现故障，会造成严重的后果，甚至造成卫星平台的瘫痪。
一方面，能量耗散型均衡方式的均衡电流较小(一般≤500mA)，随着载荷技术进步，对卫星平台锂离子蓄电池组容量需求越来越大(超过200Ah)，空间领域高压蓄电池组超过200串蓄电池串联，放电倍率要求30-50C，能量耗散型均衡方式已经不能满足要求，并且无法满足其频繁充放电过程的均衡要求，同时这种均衡方式无法解决大容量锂离子蓄电池组在轨均衡的散热问题，并且不能补充容量低的单体电池能量，这些问题会严重影响空间领域卫星运行的可靠性。
另一方面，空间长寿命卫星平台是目前的发展趋势，而能量非耗散型的均衡方式能够延长空间蓄电池的使用寿命，减轻蓄电池组容量的衰减，从而延长空间卫星的使用周期，而且能量非耗散型的均衡方式能够实现空间蓄电池组的大电流快速均衡，因此采用该均衡方式要比现有的空间均衡方式更能延长空间卫星平台的运行时间。
综上所述，随着各类卫星平台的成熟和发展，对长寿命、高性能空间领域高压蓄电池组的需求越来越迫切，因此，研制空间领域高压蓄电池组能量非耗散型均衡方式是必然需求和发展趋势。
发明内容
本发明实施例提供了一种高压锂离子蓄电池均衡电路，包括若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。
优选地，所述原边开关电路包括：原边N沟道MOSFET管，所述原边N沟道MOSFET管的漏极连接所述原边，所述原边N沟道MOSFET管的源极连接原边采样电阻，所述原边采样电阻另一端连接至所述高压锂离子蓄电池的负极。
优选地，所述副边开关电路包括：副边N沟道MOSFET管，所述N沟道MOSFET管的漏极连接所述反激变压器副边一端，每组反激变压器的副边的另一端接到一起，并连接到上一组高压锂离子蓄电池组中远端高压锂离子蓄电池的正极；所述副边N沟道MOSFET管的源极连接副边采样电阻，所述副边采样电阻另一端连接位置偏下的高压锂离子蓄电池组的电压最高端或者连接到地。
优选地，每个所述高压锂离子蓄电池上并联有电容。
优选地，每个所述高压锂离子蓄电池组包含的所述高压锂离子蓄电池个数相同。
优选地，所述原边N沟道MOSFET管和/或所述副边N沟道MOSFET管上并联有二极管。
本发明的另一个实施例还提供了一种空间高压锂离子蓄电池，用于实现上述电路，包括：若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。
本发明的另一个实施例还提供了一种空间高压锂离子蓄电池双向均衡方法，包括步骤：步骤1：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的最高电压值Vnmax以及最低电压值Vnmin；步骤2：设置均衡开启阈值β；步骤3：选取判定条件，进行均衡调节：若Vmax-Vmin>vβ，则将高压锂离子蓄电池组中电压最高的高压锂离子蓄电池单体的能量释放给该高压锂离子蓄电池组或者该高压锂离子蓄电池组中电压最低的高压锂离子蓄电池单体；直至Vmax-Vmin≤vβ；其中v为阈值系数；步骤4：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的电压值Vni，以及平均电压值Vnavg，通过循环步骤3，进行均衡调节，直至Vni-Vnavg≤β，则均衡终止；步骤5：循环步骤1至步骤4，对每个高压锂离子蓄电池组进行均衡调节。
优选地，所述阈值系数选自1.2-2.5。
优选地，所述方法由所述电路实现。
本发明的实施例采用单的反激变压器和开关管构建空间领域高压大功率蓄电池组的双向均衡电路，高压锂离子蓄电池在充电过程中，如果检测到某个电池单体的电池电压大于均衡阈值，则控制反激变压器实现电池单体对蓄电池组的充电，高压锂离子蓄电池在放电过程中，如果检测到某个电池单体的电池电压低于均衡阈值，则控制反激变压器实现蓄电池组对电池单体的充电。本发明能够实现能量在电池单体和蓄电池组之间的双向均衡，提高了***均衡时间，减少了均衡过程中的损耗。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种高压锂离子蓄电池均衡电路图。
图2是本发明实施例提供的最低端蓄电池组的电路图。
具体实施方式
以下根据图1～图2，具体说明本发明实施例的实施过程。
如图1所示，本发明实施例提供了一种高压锂离子蓄电池均衡电路，包括：若干个高压锂离子蓄电池组(CELL1～CELL6、…、CELL187～CELL192)，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体(CELL1…CELL192)；以及与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边(PRI1…PRI192)连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体(CELL1…CELL192)，每个所述反激变压器的副边(SEC1…SEC192)连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；
与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联。
如图1所示，本发明实施例提供的一种空间高压蓄电池均衡电路，其交错并联在高压锂离子蓄电池组上，实现高压蓄电池组中能量的双向均衡。
所述的空间高压大功率蓄电池包含32个高压锂离子蓄电池组，每个高压锂离子蓄电池组中包含6个电池单体。
进一步地，如图1所示，每个高压锂离子蓄电池组包括：6个反激变压器，该反激变压器具有一个原边和一个副边，反激变压器副边同名端接到一起；反激变压器的每一个原边一一对应并联在32个蓄电池组中的192个电池单体。
每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。其中，原边开关电路包括：原边N沟道MOSFET管，所述原边N沟道MOSFET管的漏极连接所述原边，所述原边N沟道MOSFET管的源极连接原边采样电阻，所述原边采样电阻另一端连接至所述高压锂离子蓄电池的负极。
所述的副边开关电路包含：副边N沟道MOSFET管，所述N沟道MOSFET管的漏极连接所述反激变压器副边一端，每组反激变压器的副边的另一端接到一起，并连接到上一组高压锂离子蓄电池组中远端高压锂离子蓄电池(如图2中CELL12)的正极；N沟道MOSFET管的源极连接采样电阻，采样电阻的另一端连接位置偏下的高压锂离子蓄电池组的电压最高端或者连接到地。
每一个电池单体上并联有电容，它的作用是稳压。
所述的原边开关电路中的MOSFET管和副边开关电路中的MOSFET管上都并联有二极管，起续流作用。
在本发明实施例中，每个所述高压锂离子蓄电池组包含的所述高压锂离子蓄电池个数相同，如图1所示，为六个电池单体。在其他实施例中，每个所述高压锂离子蓄电池组包含的所述高压锂离子蓄电池个数可以不相同。
本发明实施例还提供了一种空间高压锂离子蓄电池，用于实现上述电路，该电池包括：
若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。
其他技术特征可以参照上述电路的相关技术特征。
本发明的实施例还提出了一种空间高压锂离子蓄电池双向均衡方法，包括步骤：
步骤1：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的最高电压值Vnmax以及最低电压值Vnmin；
步骤2：设置均衡开启阈值β；
步骤3：选取判定条件，进行均衡调节：若Vmax-Vmin>vβ，则将高压锂离子蓄电池组中电压最高的高压锂离子蓄电池单体的能量释放给该高压锂离子蓄电池组或者该高压锂离子蓄电池组中电压最低的高压锂离子蓄电池单体；直至Vmax-Vmin≤vβ；其中v为阈值系数；
步骤4：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的电压值Vni，以及平均电压值Vnavg，通过循环步骤3，进行均衡调节，直至Vni-Vnavg≤β，则均衡终止；
步骤5：循环步骤1至步骤4，对每个高压锂离子蓄电池组进行均衡调节。
其中，所述阈值系数v可以选自1.2-2.5。在其他实施例中，阈值系数v可以视情况而定。
上述均衡方法可以由本发明实施例提出的高压锂离子蓄电池均衡电路实现。
下面举例说明本实施例提出的均衡方法。例如：
将192节电池单体分成32个高压锂离子蓄电池组，每个高压锂离子蓄电池组中对应6节电池单体，在空间领域中对蓄电池组进行非耗散均衡时，可以划分为对32个高压锂离子蓄电池组分别进行均衡，对每个高压锂离子蓄电池组中的6电池单体进行如下操作：设Vnmax为第i(其中1≤i≤32)个蓄电池组中的6节电池单体最高的单体电压值，Vnmin为第i个蓄电池组中的6节电池单体最低的单体电压值。β为均衡开启阈值，若Vmax-Vmin>1.5β，则将该蓄电池组中电压最高的电池单体的能量释放给该蓄电池组或者该蓄电池组中电压最低的单体，直到Vmax-Vmin≤1.5β，这时采用平均值及差值比较均衡策略，Vni为第i个蓄电池组中的6节电池单体中某节电池单体的电压值，Vnavg为第i个蓄电池组中的6节电池单体中的平均电压值，确保第i个蓄电池组中每节电池单体电压与平均值电压差值均小于均衡阈值(Vni-Vnavg≤β)，则均衡终止。这种均衡方式可以确保在最短的时间内将空间领域蓄电池中所有电池单体的电压保持在均衡阈值范围内，该均衡方式相当于把空间领域高压大功率蓄电池的非耗散均衡分解成多个蓄电池组均衡(每个高压锂离子蓄电池组中的电池单体数目明显减少)，基于上述提出的空间领域均衡变压器的拓扑结构，采用的适用于空间领域的均衡策略能够显著的提高空间领域高压大功率蓄电池组的均衡速度。
更进一步地，如图2所示，所述的每个反激变压器的每个原边上串联有原边开关电路，每个反激变压器的副边上也串联有副边开关电路，图2中的电阻作用是测量均衡电流的大小，为了防止过多的消耗能量，采样电阻都是毫欧级别的；
如图2所示，以第1个蓄电池组中的电池单体CELL2为例，根据上述提出的均衡策略，设定均衡阈值为20mV，在充电过程中，在第1个蓄电池组中若检测到电池单体CELL2的电压最大，若第1个蓄电池组中电池电压最小的电池单体与电池单体CELL2的差值大于1.5倍均衡阈值30mV，将电池单体CELL2所并联的开关管开通，将能量释放给电池组，通过副边驱动信号G2S和I2S开通副边开关管，将电池单体能量释放给蓄电池组，直到最大电压电池单体与最小电压电池单体电压的差值小于1.5倍均衡阈值，对第1个蓄电池组中6节电池单体电压取平均值，比较各个电池单体电压与平均值电压差值，若大于均衡阈值，则进行均衡，直到各个电池单体电压与平均值电压差值小于均衡阈值，则充电均衡完成。
在放电过程中，在第1个蓄电池组中检测到电池单体CELL2的电压最小，若第1个蓄电池组中电池电压最大的电池单体与电池单体CELL2电压的差值大于1.5倍均衡阈值30mV，将电池组所并联的开关管开通，给一个固定占空比PWM信号，即开通G2S和I2S，将电池组能量释放给电池单体，然后电池单体CELL2所并联的开关管开通，即给固定占空比PWM信号到驱动信号G2P和I2P开通原边开关，将电池组能量释放给电池单体。直到最大电压电池单体与最小电压电池单体电压的差值小于1.5倍均衡阈值，对第1个蓄电池组中6节电池单体电压取平均值，比较各个电池单体电压与平均值电压差值，若大于均衡阈值，则进行均衡，直到各个电池单体电压与平均值电压差值小于均衡阈值，则放电均衡完成。
本发明的实施例采用单绕组的反激变压器和开关管构建空间领域高压大功率蓄电池组的双向均衡电路，高压锂离子蓄电池在充电过程中，如果检测到某个电池单体的电池电压大于均衡阈值，则控制反激变压器实现电池单体对蓄电池组的充电，高压锂离子蓄电池在放电过程中，如果检测到某个电池单体的电池电压低于均衡阈值，则控制反激变压器实现蓄电池组对电池单体的充电。本发明能够实现能量在电池单体和蓄电池组之间的双向均衡，提高了***均衡时间，减少了均衡过程中的损耗。此外，现有技术一般通过电阻放电实现均衡的，属于被动均衡，存在能量较大损耗以及散热问题，本发明实施例提出的方案为主动均衡，通过变压器实现能量多电池到能量少电池的转移，损耗较少。

Claims (10)

1.一种高压锂离子蓄电池均衡电路，其特征在于：包括
若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及
与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；
与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；
每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述原边开关电路包括：原边N沟道MOSFET管，所述原边N沟道MOSFET管的漏极连接所述原边，所述原边N沟道MOSFET管的源极连接原边采样电阻，所述原边采样电阻另一端连接至所述高压锂离子蓄电池的负极。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述副边开关电路包括：副边N沟道MOSFET管，所述N沟道MOSFET管的漏极连接所述反激变压器副边一端，每组反激变压器的副边的另一端接到一起，并连接到上一组高压锂离子蓄电池组中远端高压锂离子蓄电池的正极；所述副边N沟道MOSFET管的源极连接副边采样电阻，所述副边采样电阻另一端连接位置偏下的高压锂离子蓄电池组的电压最高端或者连接到地。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于，每个所述高压锂离子蓄电池上并联有电容。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，每个所述高压锂离子蓄电池组包含的所述高压锂离子蓄电池个数相同。
6.如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，所述原边N沟道MOSFET管和/或所述副边N沟道MOSFET管上并联有二极管。
7.一种空间高压锂离子蓄电池，用于实现权利要求1-6任一项所述的电路，其特征在于：包括：
若干个高压锂离子蓄电池组，每组所述高压锂离子蓄电池组包含若干个高压锂离子蓄电池单体；以及
与所述高压锂离子蓄电池单体个数相同的反激变压器，每个所述反激变压器的原边连接至一个所述高压锂离子蓄电池单体，每个所述反激变压器的副边连接至与原边连接的所述高压锂离子蓄电池单体所组成的高压锂离子蓄电池组；所述反激变压器用于向所述高压锂离子蓄电池单体或所述高压锂离子蓄电池组充电；
与相邻每组所述高压锂离子蓄电池组连接的所述反激变压器交错并联；
每个所述反激变压器的原边上串联有原边开关电路，每个所述反激变压器的副边串联有副边开关电路。
8.一种空间高压锂离子蓄电池双向均衡方法，其特征在于：包括步骤：
步骤1：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的最高电压值Vnmax以及最低电压值Vnmin；
步骤2：设置均衡开启阈值β；
步骤3：选取判定条件，进行均衡调节：若Vmax-Vmin>vβ，则将高压锂离子蓄电池组中电压最高的高压锂离子蓄电池单体的能量释放给该高压锂离子蓄电池组或者该高压锂离子蓄电池组中电压最低的高压锂离子蓄电池单体；直至Vmax-Vmin≤vβ；其中v为阈值系数；
步骤4：获取高压锂离子蓄电池组中包含的高压锂离子蓄电池单体的电压值Vni，以及平均电压值Vnavg，通过循环步骤3，进行均衡调节，直至Vni-Vnavg≤β，则均衡终止；
步骤5：循环步骤1至步骤4，对每个高压锂离子蓄电池组进行均衡调节。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述阈值系数v选自1.2-2.5。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法由权利要求1-6任一项所述电路实现。
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Application publication date: 20180914

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