CN109638923A - 混合模式电池均衡电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合模式电池均衡电路，属于电力电子技术领域。串联储能单体数量为n时，包含n个电感，2n个开关管，3n‑1个双向开关。该电路有“智能”单体和有源均衡两种模式。“智能”单体模式下，每个单体和BuckBoost变换器组合再进行串联，通过变换器控制单体充放电功率，进而达到均衡，该模式下也可以直连或旁路单体。有源均衡模式下，一部分开关管和双向开关一直导通，其他开关管和双向开关可以控制电感处于断路、短路、接入三种状态之一，使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。该均衡电路可实现更为灵活、多样化的均衡功能。

Description

混合模式电池均衡电路

技术领域

本发明涉及一种混合模式电池均衡电路，属于电力电子技术领域。

背景技术

以各种电池或超级电容器等储能单体构成的串联储能组在电动汽车、新能源发电等领域应用广泛。由于储能单体间存在不可避免的差异，在串联使用过程中，极易出现某个或某些单体过充或过放，如果不对储能组进行能量均衡，则会导致实际容量下降、使用寿命减少等诸多问题，因此储能体间的能量均衡一直是串联储能实际应用的关键技术之一。

利用变换器在串联储能体间传递能量的有源均衡方法是最为常见的。在有源均衡方法中，绝大部分都是利用电感或耦合电感作为中间储能环节，在单体间传递能量，具体可以分为以下几种基本方式：一是飞渡电感方式，电感两端和每个单体的正、负极都通过双向开关相连，这样每个单体都可以通过和电感交换能量，达到任意单体之间进行直接均衡的目的，这种方法需要大量的双向开关，容易出现较大的电压尖峰；二是BuckBoost变换器方式，以两个相邻单体、两个开关管和一个电感组成BuckBoost变换器，可实现相邻单体间的能量均衡，在每两个相邻单体间设置BuckBoost变换器，通过能量在相邻单体间的依次传递，可实现整组的能量均衡，该方法控制简单，但不相邻单体不能直接进行能量均衡，因此均衡速度较慢；三是反激变换器方式，将多输出绕组变压器的原边绕组经双向开关连接串联储能组，各副边绕组分别经双向开关连接各单体，虽然各单体间不能直接进行能量传递，但可使电压较高单体向整组传递能量，而电压较低的单体可从整组获得能量，由于整个串联储能组作为中间过渡环节，因此均衡效率不高。以上述三种方式为基础，人们提出了很多均衡方法，但仍然存在一些共性问题，一是付出的代价较大，开关管及其驱动数量的增多，导致结构和控制复杂；二是均衡路径不够灵活，基本上还局限于单体间或单体与整组间的能量传递。

近年来，出现了一种新的均衡思路，即直接控制每个储能体的充放电功率，而不是在能量不同单体间传递所需的均衡功率。串联的储能单体充放电电流是相同的，不易控制输出功率，因此将一个双向直流变换器和一个储能单体结合起来，使储能单体变为一个所谓的“智能”单体，将原来的储能单体串联变为“智能”单体串联。虽然串联的“智能”单体充放电电流相同，但储能单体的电流可以不同，这样就可以控制每个储能体的充放电功率。由于双向直流变换器与储能单体直接组合，不受储能体数量限制，使用较为灵活，而且相当于所有储能单体都直接参与均衡，均衡速度更快。该类方法的主要缺点是，双向直流变换器需要处理储能体全部的充放电功率，而有源均衡方式中变换器仅处理占比很少的均衡功率即可。

发明内容

本发明提供了一种混合模式电池均衡电路，兼具了有源均衡模式和“智能”单体模式的优点，均衡方式灵活多变、均衡速度快，克服了现有有源均衡电路路径不灵活、“智能”单体方式直流变换器功率大的缺点。

本发明涉及的混合模式电池均衡电路，适用于各种类型电池和超级电容器。

本发明涉及的基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路，对于n个串联储能单体B₁、B₂……B_n，其由n个电感L₁、L₂……L_n，2n个开关管S_1a、S_1b……S_na、S_nb，3n-1个双向开关Q_1a、Q_1b、Q_2a、Q_2b、Q_2c……Q_na、Q_nb、Q_nc组成；以B₂单体为例，具体连接为，S_2a的漏极与S_3b的源极相连，S_2a的源极与S_2b的漏极相连，S_2b的源极与双向开关Q_2c的一端相连，Q_2c的另一端与B₂的负极相连，B₂的正极与双向开关Q_2a相连，Q_2a的另一端与B₃的负极相连，电感L₂和双向开关Q_2b串联而组成的支路连接于S_2a的源极与B₂的正极之间；除B₁单体和B_n单体外，其他单体情况依次类推；对于B₁单体，S_1b的源极直接与B₁的负极相连，对于B_n单体，S_na的漏极直接与双向开关Q_na的一端相连。

本发明涉及的混合模式电池均衡电路，具有“智能”单体和有源均衡两种模式。当串联储能组充放电功率较大时，使用有源均衡模式，当串联储能组充放电功率较小时，使用“智能”单体模式，两种模式下BuckBoost变换器仅需处理较小的功率。

在“智能”单体模式中，利用开关管和双向开关的通断，各储能单体可以处于直连、旁路、功率可控三种状态。所谓功率可控状态是指，通过S_na、S_nb、L_n构成BuckBoost变换器，与单体B_n组合，再作为一个整体与其他单体串联，即可控制B_n的充放电功率。通过控制单体的充放电功率，即出力大小，即可维持各单体能量的均衡。如果单体能量较为均衡，可以让单体处于直连状态，如果单体能量出现不均衡，再让单体处于功率可控状态。当某些单体出现过充或过放危险时，也可将其旁路。

在有源均衡模式中，S_1a、S_2a……S_na和Q_1a、Q_2a……Q_na一直处于导通状态，Q_nb一直处于断开状态，利用双向开关Q_1b、Q_2b、Q_2c、Q_3b、Q_3c……Q_nc，控制n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，使之处于断路、短路、接入三种状态中的一种状态，配合使用n个开关管S_1b、S_2b……S_nb，使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态的电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。和传统的BuckBoost均衡电路一样，当构成多个互不影响的BuckBoost变换器时，这些BuckBoost变换器可同时工作，即同时进行能量均衡。当单体或小组两端的电感都为接入状态时，该单体或小组的能量可同时向其两侧与之相邻的单体或小组释放。

2n个开关管S_1a、S_1b……S_na、S_nb的开关频率与BuckBoost变换器频率相同，工作于高频状态，3n-1个双向开关Q_1a、Q_1b、Q_2a、Q_2b、Q_2c……Q_na、Q_nb、Q_nc仅控制相对应单体或电感的状态，在BuckBoost变换器工作期间，其驱动信号不变，即工作于低频状态，因此双向开关除可以采用MOSFET或IGBT外，也可以使用继电器。

有益效果

本发明的有益效果在于，兼具了“智能”单体和有源均衡两种方法各自的优点，避免了原有“智能”单体模式下较大功率的BuckBoost变换器，在有源均衡模式下，实现了单体和数个相邻单体构成的小组，以及小组与小组之间的能量均衡，这种更为灵活的均衡模式和均衡方式可以提高均衡速度和均衡效率。

附图说明

图1为混合模式电池均衡电路的原理示意图；

图2为具体实施方式一，“智能”单体模式的示意图，以4个储能单体为例；

图3为具体实施方式二，有源均衡模式的示意图，以4个储能单体为例；

图4为具体实施方式三，有源均衡模式下，单体和单体进行能量均衡的示意图；

图5为具体实施方式四，有源均衡模式下，单体和小组进行能量均衡的示意图；

图6为具体实施方式五，有源均衡模式下，同时对单体两侧相邻单体或小组进行均衡的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

“智能”单体模式，结合图2，以4个储能单体为例，通过开关管、双向开关的接通或断开，单体可以处于直连、旁路、功率可控三种状态。图2中，双向开关Q_4a、Q_4c一直导通，B₄处于直连状态；双向开关Q_3b、Q_3c一直导通，开关管S_3a、S_3b和电感L₃构成BuckBoost变换器，B₃处于功率可控状态，可以通过S_3a、S_3b控制B₃的充放电功率；开关管S_2a、S_2b和双向开关Q_2c一直处于导通状态，B₂处于旁路状态；双向开关Q_1a一直处于导通状态，B₁处于直连状态。

具体实施方式二：

有源均衡模式，结合图3，以4个储能单体为例，开关管S_1a、S_2a、S_3a、S_4a和双向开关Q_1a、Q_2a、Q_3a、Q_4a一直处于导通状态，Q_4b一直处于断开状态，此时开关管S_1b、S_2b、S_3b、S_4b依次串联。电感L₁和双向开关Q_1b、Q_2c组成的部分连接与S_1b漏极和B₁正极间，通过Q_1b、Q_2c的接通或断开，可以使电感L₁处于接入、短路、断路状态，以便构成多种形式的BuckBoost变换器。

具体实施方式三：

有源均衡模式下，相邻储能单体进行能量均衡，结合图4，以储能单体为4个时，单体B₁与B₂进行均衡、单体B₃和B₄进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂，开关管S_1a、S_1b、S_2a、S_2b，电感L₁和双向开关Q_1a、Q_1b、Q_2a、Q_3c构成BuckBoost变换器，开关管和双向开关中除S_1b、S_2b外都处于导通状态，通过控制S_1b、S_2b的通断，可实现单体B₁与B₂间的能量传递，从而达到均衡。类似地，储能单体B₃、B₄，开关管S_3a、S_3b、S_4a、S_4b，电感L₃和双向开关Q_3a、Q_3b、Q_3c、Q_4a构成BuckBoost变换器，可实现单体B₃、B₄的能量均衡。而且，由于上述两个BuckBoost变换器互不影响，两个均衡过程可同时进行。

具体实施方式四：

有源均衡模式下，储能单体与相邻小组进行能量均衡，结合图5，以储能单体为4个时，单体B₄与单体B₁、B₂、B₃组成的小组进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂、B₃、B₄，开关管S_1a、S_1b、S_2a、S_2b、S_3a、S_3b、S_4a、S_4b，电感L₃和双向开关Q_4a、Q_3b构成BuckBoost变换器，开关管和双向开关中除S_1b、S_2b、S_3b、S_4b外都处于导通状态，通过控制S_1b和S_2b、S_3b、S_4b的通断，实现了单体B₄与单体B₁、B₂、B₃组成的储能小组的能量均衡。

具体实施方式五：

有源均衡模式下，同时对单体两侧相邻单体或小组进行均衡，结合图6，以储能单体为4个时，单体B₃同时对其两侧的单体B₄和由B₁、B₂组成的小组进行均衡的情况为例来说明，未提及的开关管和双向开关均处于关断状态。

储能单体B₁、B₂、B₃、B₄，开关管S_1a、S_1b、S_2a、S_2b、S_3a、S_3b、S_4a、S_4b，电感L₂、L₃和双向开关Q_1a、Q_2a、Q_2b、Q_3a、Q_3b、Q_4a构成两个类似BuckBoost变换器的组合形式，开关管和双向开关中除S_1b、S_2b、S_3b、S_4b外都处于导通状态。当S_3b导通，S_1b、S_2b、S_4b关断时，B₃对电感L₂、L₃进行储能，当S_3b关断，S_1b、S_2b、S_4b导通时，L₂的能量通过S_1b、S_2b传递给由B₁、B₂组成的小组，L₃的能量通过S_4b传递给由B₄，实现了同时对单体两侧相邻单体或小组的能量均衡。

Claims (10)

1.混合模式电池均衡电路，其特征在于，对于n个串联储能单体B₁、B₂……B_n，其由n个电感L₁、L₂……L_n，2n个开关管S_1a、S_1b……S_na、S_nb，3n-1个双向开关Q_1a、Q_1b、Q_2a、Q_2b、Q_2c……Q_na、Q_nb、Q_nc组成；以B₂单体为例，具体连接为，S_2a的漏极与S_3b的源极相连，S_2a的源极与S_2b的漏极相连，S_2b的源极与双向开关Q_2c的一端相连，Q_2c的另一端与B₂的负极相连，B₂的正极与双向开关Q_2a相连，Q_2a的另一端与B₃的负极相连，电感L₂和双向开关Q_2b串联而组成的支路连接于S_2a的源极与B₂的正极之间；除B₁单体和B_n单体外，其他单体情况依次类推；对于B₁单体，S_1b的源极直接与B₁的负极相连，对于B_n单体，S_na的漏极直接与双向开关Q_na的一端相连。

2.根据权利要求1所述的混合模式电池均衡电路，其特征在于，串联储能单体为各种类型电池或超级电容器。

3.根据权利要求1所述的混合模式电池均衡电路，其特征在于，双向开关由采用相同驱动信号的2个共源极开关管构成，开关管采用MOSFET或IGBT。

4.根据权利要求1所述的混合模式电池均衡电路，其特征在于，双向开关可以为继电器。

5.基于权利要求1所述的均衡电路实现串联储能能量均衡的方法，其特征在于，有“智能”单体和有源均衡两种模式；在“智能”单体模式中，利用开关管和双向开关，各储能单体可以处于直连、旁路、功率可控三种状态，功率可控状态下，由B_x对应的S_xa、S_xb、L_x构成BuckBoost变换器，x＝1、2……n，通过控制单体的充放电功率，保持各单体能量均衡；在有源均衡模式中，S_1a、S_2a……S_na和Q_1a、Q_2a……Q_na一直处于导通状态，Q_nb一直处于断开状态，利用双向开关Q_1b、Q_2b、Q_2c、Q_3b、Q_3c……Q_nc，控制n-1个电感L₁、L₂……L_n-1，使之处于断路、短路、接入三种状态中的一种状态，配合使用n个开关管S_1b、S_2b……S_nb，使单体或相邻单体构成的小组和其他与之相邻的单体或小组，以及处于接入状态的电感构成BuckBoost变换器，实现均衡能量的传递。

6.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，当串联储能组充放电功率较大时，使用有源均衡模式，当串联储能组充放电功率较小时，使用“智能”单体模式，两种模式下BuckBoost变换器仅需处理较小的功率。

7.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，在“智能”单体模式中，如果单体能量较为均衡，可以让单体处于直连状态，如果单体能量出现不均衡，再让单体处于功率可控状态。

8.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，在有源均衡模式中，当构成多个互不影响的BuckBoost变换器时，这些BuckBoost变换器可同时工作。

9.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，在有源均衡模式中，当单体或小组两端的电感都为接入状态时，该单体或小组的能量可同时向其两侧与之相邻的单体或小组释放。

10.根据权利要求5所述的串联储能能量均衡方法，其特征在于，2n个开关管S_1a、S_1b……S_na、S_nb的开关频率与BuckBoost变换器频率相同，工作于高频状态，3n-1个双向开关Q_1a、Q_1b、Q_2a、Q_2b、Q_2c……Q_na、Q_nb、Q_nc仅控制相对应单体或电感的状态，在BuckBoost变换器工作期间，其驱动信号不变，即工作于低频状态。