CN108598608A - 一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法 - Google Patents

一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法，包括多个依次串联的电池，其中电池的个数大于等于2，每个电池的两端依次串联有第一控制开关和第二控制开关，第一控制开关和第二控制开关之间的节点与电池之间还串联有第一均衡器电路，相邻的两个电池之间的节点与相邻的两个第一均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，第一均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关。本发明的分层电池均衡电路拓扑结构和方法能在串联电池数目较多的电路中均衡效率大大提高，双向能量转换能力强，模块化设计简单，均衡过程不需遍历所有单体电池。

Description

一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法
技术领域
本发明涉及电池组均衡领域，特别涉及一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法。
背景技术
锂离子电池作为储能***的能量储存载体或电动汽车的能量来源时，单体电池的电压和容量都无法满足在各种工况中应用的需求，为使锂离子电池能达到各方面的等级要求，通常需要串并联成组后使用。但串并联后电池组的整体使用性能相比较单体电池大大降低，同时单体电池间不一致性的存在，使得电池成组使用时更加复杂，电池管理的困难程度也大大增加，此时需要对电池进行均衡处理，均衡后的电池组能有效地提高电池组的寿命和能量利用率，从而保证应用的安全性。
锂离子电池因其高能量密度、高内阻、高电压、高循环次数和低自放电率等优点而得到广泛应用。但是其单体电压只有3.7V左右，不能满足动力电源对电压的需求，因此在实际应用中常使用串联电池组来满足设备对电压的要求。由于电池各单体电池之间存在性能上的差异，为了电池组的使用安全，电池均衡电路是提升串联电池组容量利用率且保证其使用安全的有效途径。
但是，现有技术中的电池均衡器，如果只有少数电池串联，其中许多可以解决不平衡问题，但数目较多的电池串联，则需要花费的均衡时间较长，均衡过程缓慢。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种分层电池均衡电路拓扑结构及电池均衡方法，以解决现有技术中均衡缓慢的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种分层电池均衡电路拓扑结构，包括多个依次串联的电池，其中所述电池的个数大于等于2，每个所述电池的两端分别串联有第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关和所述第二控制开关之间的节点与所述电池之间还串联有第一均衡器电路，所述第一均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关，相邻的两个所述电池之间的节点与相邻的两个所述第一均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，
相邻的至少两个所述电池组成电池模块，每个电池模块的两端串联有第二均衡器电路，相邻的所述电池模块之间的节点与相邻的两个所述第二均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，每个所述第二均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关，
可选的：所述第一控制开关和所述第二控制开关均为触点开关。
可选的：所述MOS开关为P型MOS开关。
本发明的另一方面，提供了一种使用上述所述结构的电池组均衡方法，包括如下步骤：
步骤S1、分别计算每个电池的SOC值，并设置SOC值阈值；
步骤S2、将SOC值高于阈值的电池进行放电均衡，并将放电的能力储存在储能电感中；
步骤S3、对SOC值低于阈值的电池进行充电均衡，直至所有电池的SOC值均在阈值内。
可选的：在步骤S2中，所述放电均衡包括以下步骤：
步骤S21、闭合SOC值高于阈值的所述电池对应的第一控制开关和MOS开关，所述SOC值高于阈值的电池对与所述SOC值高于阈值的电池连接的所述储能电感充电，直至所述SOC值高于阈值的电池的SOC值等于阈值或所述储能电感充满电；
步骤S22、闭合步骤S21中所述SOC值高于阈值的电池对应的MOS开关，重复步骤S21，直至每个所述SOC值高于阈值的电池的SOC值均等于阈值。
可选的：在步骤S3中，所述充电均衡包括以下步骤：
步骤S31、闭合SOC值低于阈值的所述电池对应的第一控制开关和不需要均衡的电池对应的第二控制开关，所述储能电容对所述SOC值低于阈值的电池充电，直至所述SOC值低于阈值的电池的SOC值等于阈值。
采用上述技术方案，由于设置有多层均衡器电路，所有层的均衡器电路可以同时对电池进行均衡，使得电池的均衡时间与现有技术相比可以缩短至少一半，解决了现有技术中因串联电池数目较多而导致的均衡效率低下的问题。
附图说明
图1为本发明分层电池均衡电路拓扑结构的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种分层电池均衡电路拓扑结构，如附图1所示，包括多个依次串联的电池，每个所述电池的两端分别串联有第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关和所述第二控制开关之间的节点与所述电池之间还串联有第一均衡器电路，所述第一均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关，相邻的两个所述电池之间的节点与相邻的两个所述第一均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容；第一控制开关和第二控制开关均为触点开关，MOS开关为P型MOS开关；上述组成了本实施例的拓扑结构的第一层。
本实施例的拓扑结构的第二层是这样的：相邻的两个电池组成电池模块，每个电池模块的两端串联有第二均衡器电路，相邻的电池模块之间的节点与相邻的两个第二均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，每个第二均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关；MOS开关为P型MOS开关。
本实施例的拓扑结构的第三层是这样的：相邻的四个电池组成电池模块，每个电池模块的两端串联有第二均衡器电路，相邻的电池模块之间的节点与相邻的两个第二均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，每个第二均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关；MOS开关为P型MOS开关。
下面以电池G1的电量过高需要向其他电池转移电量为例对放电和充电均衡进行说明：
模式1、电池G1对应的MOS开关S11打开，同时闭合开关k11，此时电池G1的能量转移到储能电感L11中，电感L11中的电流iL11由0开始逐渐增加；
模式2、断开开关S11和开关k11，同时闭合开关K21-K81，二极管D12-D18导通为电流iL11提供续流路径，iL12-iL17分别是储能电感L12-L17的电流，i2-i8是下游电池G2-G8的电流，存储在储能电感L11中的能量开始释放,储能电感L12-L17从电感L11充电，iL12-iL17开始从0增加，同时i8从iL11下降为0，此时，最后一个电池G8的反并联二极管D18关闭，即电池G8停止由储能电感充电，而其他电池继续充电；
模式3、i8减小到0之后，电池G8停止充电，电池G2-G7仍然进行充电，在电池G1的能量传输过程中，假定电池电压U2-U7近似相等，iL12-iL16保持初始值，在这种模式下，L11继续放电，iL11减小，根据基尔霍夫定律，iL16将不断减小到0；
模式4、该模式的工作原理与模式3相同。电池G2-G5仍然进行充电。iL12-iL14保持初始值。iL15则开始逐渐降低直至0，此时，第5个反向并联的二极管D15关闭，电池G5停止充电，其余电池继续充电过程；
模式5、在此模式之前，储能电感L13-L17完成放电过程，电池G2-G7停止轮流充电的过程。该模式是电池G1的能量传输过程中的最后一个过程，在这种模式下，储能电感L11和L12串联工作，则其电流iL11和iL12同时降为0，电池G1的能量传递过程结束.
实施例2
一种电池组均衡方法，所述方法应用于实施例1的均衡电路拓扑结构，包括以下步骤：
步骤S1、分别计算每个电池的SOC值，并设置SOC值阈值；
步骤S2、将SOC值高于阈值的电池进行放电均衡，并将放电的能力储存在储能电感中；
步骤S3、对SOC值低于阈值的电池进行充电均衡，直至所有电池的SOC值均在阈值内。
步骤2具体包括以下步骤：
步骤S21、闭合SOC值高于阈值的所述电池对应的第一控制开关和MOS开关，所述SOC值高于阈值的电池对与所述SOC值高于阈值的电池连接的所述储能电感充电，直至所述SOC值高于阈值的电池的SOC值等于阈值或所述储能电感充满电；
步骤S22、闭合步骤S21中所述SOC值高于阈值的电池对应的MOS开关，重复步骤S21，直至每个所述SOC值高于阈值的电池的SOC值均等于阈值。
步骤3具体包括以下步骤：
步骤S31、闭合SOC值低于阈值的所述电池对应的第一控制开关和不需要均衡的电池对应的第二控制开关，所述储能电容对所述SOC值低于阈值的电池充电，直至所述SOC值低于阈值的电池的SOC值等于阈值。
下面以电池G4能量较高，电池G1能量较低需要均衡为例进行说明：
步骤1、分别计算每个电池的SOC值，并设置SOC值阈值；
步骤2、将SOC值高于阈值的电池G4进行放电均衡，并将放电的能量储存在储能电感中，具体包括以下步骤：
步骤21、闭合电池G4对应的第一控制开关k41和MOS开关S14，此时电池G4的能量转移到储能电感L13和储能电L14中；
步骤22、若储能电感L13和储能电L14充满电后，电池G4的SOC值依然高于阈值，则再闭合第一控制开关k31和MOS开关S22，此时电池G4的能量转移到储能电感L21和储能电感L22中；若在储能电感L13和储能电L14充满电之前，电池G4的SOC值等于阈值，则断开第一控制开关k41和MOS开关S14，完成放电均衡，并进行步骤3。
步骤3、将SOC值低于阈值的电池G1进行充电均衡，将储存在储能电感中的能量对电池G1进行充电均衡，具体包括以下步骤：
步骤31、闭合不需要进行均衡操作的电池G2-G8对应的第二控制开关k21-k81和电池G1对应的第一控制开关k11，储能电感L13和储能电L14对电池G1进行充电均衡，直至电池G1的SOC值等于阈值。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种分层电池均衡电路拓扑结构，其特征在于：包括2个以上依次串联的电池，每个所述电池的两端依次串联有第一控制开关和第二控制开关，所述第一控制开关和所述第二控制开关之间的节点与所述电池之间还串联有第一均衡器电路，相邻的两个所述电池之间的节点与相邻的两个所述第一均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，所述第一均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关；
相邻的至少两个所述电池和所述第一控制开关组成电池模块，每个电池模块的两端串联有第二均衡器电路，相邻的所述电池模块之间的节点与相邻的两个所述第二均衡器电路之间的节点之间分别串联有储能电容，每个所述第二均衡器电路包括并联的保护二极管和MOS开关。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于：所述第一控制开关和所述第二控制开关均为触点开关。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于：所述MOS开关为P型MOS开关。
4.一种使用如权利要求1-3任一项所述结构的电池均衡方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、分别计算每个电池的SOC值，并设置SOC值阈值；
步骤S2、将SOC值高于阈值的电池进行放电均衡，并将放电的能力储存在储能电感中；
步骤S3、对SOC值低于阈值的电池进行充电均衡，直至所有电池的SOC值均在阈值内。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤S2中，所述放电均衡包括以下步骤：
步骤S21、闭合SOC值高于阈值的所述电池对应的第一控制开关和MOS开关，所述SOC值高于阈值的电池对与所述SOC值高于阈值的电池连接的所述储能电感充电，直至所述SOC值高于阈值的电池的SOC值等于阈值或所述储能电感充满电；
步骤S22、闭合步骤S21中所述SOC值高于阈值的电池对应的MOS开关，重复步骤S21，直至每个所述SOC值高于阈值的电池的SOC值均等于阈值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在步骤S3中，所述充电均衡包括以下步骤：
步骤S31、闭合SOC值低于阈值的所述电池对应的第一控制开关和不需要均衡的电池对应的第二控制开关，所述储能电容对所述SOC值低于阈值的电池充电，直至所述SOC值低于阈值的电池的SOC值等于阈值。
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