CN110380493A - 一种串联锂电池均压电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串联锂电池均压电路，其包括由偶数个依次串联的锂电池组成的电池包、高频多端口变压器、一次侧半桥电路和若干个二次侧半桥电路；一次侧半桥电路包括N型开关管SA，N型开关管SA的漏极分别与电池包的正极和电容C1的一端相连接；N型开关管SA的源极分别与电感LP1的一端和N型开关管SB的漏极相连接；N型开关管SB的源极分别与电池包的负极和电容C2的一端相连接；电容C1的另一端分别与一次侧线圈TP的一端和电容C2的另一端相连接；一次侧线圈TP的另一端与电感LP1的另一端相连接。本发明电路结构简单，成本低，避免了锂电池组中单体电池的最低电压影响电池组有效容量。

Description

一种串联锂电池均压电路
技术领域
本发明涉及锂电池均压领域，具体涉及一种串联锂电池均压电路。
背景技术
随着电池相关技术的进步，锂电池以其高能量密度、绿色环保、无记忆效应等优点，在新能源分布式微型发电网的储能环节，新能源电动汽车车载电池等场合中应用越来越广泛。
因为锂离子电池的单体电压比较低，所以在实际应用中，不能满足大功率等级的负荷要求，需要对一定数量的电池串联成电池组来满足实际电池电压需求。但是受限于现阶段的制造工艺、再加上工作温度等环境的影响，锂离子电池在实际的工作中会出现电池容量、等效内阻等参数不一致的问题。
每一个电池的电压和剩余容量都受其电池参数的影响。那么电池组中电池参数的不一致会直接使得同一个电池组内的电池电压的不一致和剩余容量的不一致。电池组的有效容量主要取决于电池组内最低电压的单体电池，所以同一电池组内单体电压的压差过大会影响电池组的使用寿命和使用效率。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种串联锂电池均压电路解决了锂电池组中单体电池的最低电压影响电池组有效容量的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种串联锂电池均压电路，其包括由偶数个依次串联的锂电池组成的电池包、高频多端口变压器、一次侧半桥电路和若干个二次侧半桥电路；一次侧半桥电路包括N型开关管SA，N型开关管SA的漏极分别与电池包的正极和电容C1的一端相连接；N型开关管SA的源极分别与电感LP1的一端和N型开关管SB的漏极相连接；N型开关管SB的源极分别与电池包的负极和电容C2的一端相连接；电容C1的另一端分别与一次侧线圈TP的一端和电容C2的另一端相连接；一次侧线圈TP的另一端与电感LP1的另一端相连接；
每两个相邻的锂电池形成一个电池组并对应一个二次侧半桥电路，第m个二次侧半桥电路包括N型开关管S2m-1，N型开关管S2m-1的漏极与与其对应的电池组的正极相连接；N型开关管S2m-1的源极分别连接N型开关管S2m的漏极和电感Lsm的一端；电感Lsm的另一端与二次侧线圈Tsm的一端相连接；二次侧线圈Tsm的另一端连接至与其对应的两个锂电池的正负极串联线；N型开关管S2m的源极与与其对应的电池组的负极相连接。
进一步地，一次侧线圈TP与电感LP1相连接的一端为同名端；二次侧线圈Tsm与电感Lsm相连接的一端为同名端。
本发明的有益效果为：本发明电路结构简单，成本低，控制方式方便，可实现电池组内电池能量传递、电池组间能量传递和原副边能量传递，其可以对复杂电压分布的电池组进行均压，避免了锂电池组中单体电池的最低电压影响电池组有效容量。
附图说明
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明进行电池组内能量传递的工作示意图；
图3为本发明进行电池组间能量传递的工作示意图；
图4为本发明进行原副边能量传递的工作示意图；
图5为本发明的工作等效波形图；
图6为本发明的工作模态1的电流模态示意图；
图7为本发明的工作模态2的电流模态示意图；
图8为本发明的工作模态3的电流模态示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该串联锂电池均压电路包括由偶数个依次串联的锂电池组成的电池包、高频多端口变压器、一次侧半桥电路和若干个二次侧半桥电路；一次侧半桥电路包括N型开关管SA，N型开关管SA的漏极分别与电池包的正极和电容C1的一端相连接；N型开关管SA的源极分别与电感LP1的一端和N型开关管SB的漏极相连接；N型开关管SB的源极分别与电池包的负极和电容C2的一端相连接；电容C1的另一端分别与一次侧线圈TP的一端和电容C2的另一端相连接；一次侧线圈TP的另一端与电感LP1的另一端相连接；
每两个相邻的锂电池形成一个电池组并对应一个二次侧半桥电路，第m个二次侧半桥电路包括N型开关管S2m-1，N型开关管S2m-1的漏极与与其对应的电池组的正极相连接；N型开关管S2m-1的源极分别连接N型开关管S2m的漏极和电感Lsm的一端；电感Lsm的另一端与二次侧线圈Tsm的一端相连接；二次侧线圈Tsm的另一端连接至与其对应的两个锂电池的正负极串联线；N型开关管S2m的源极与与其对应的电池组的负极相连接。
一次侧线圈TP与电感LP1相连接的一端为同名端；二次侧线圈Tsm与电感Lsm相连接的一端为同名端。
在具体实施过程中，本发明的工作等效波形图如图5所示，本发明的均压电路拓扑实质是单电感均压和多端口DC-DC变换器传输能量。在各种工作状态中，表现为三种不同的能量传输方式。
如图2所示，第一种工作状态为电池组内能量传递，检测电池(或电容)的电压，如果上电池电压高于下电池电压，则在占空比时间打开上电池对应的开关管，此时上电池通过电感放电，电感蓄积能量，占空比时间结束后电感电流续流，能量释放到电压低的下电池。其中每个电池组内单体锂电池的正极作为该电池组的正极的那一个电池为上电池，每个电池组内单体锂电池的负极作为该电池组的负极的那一个电池为下电池。以图1中完整画出的二次侧半桥电路(Module 1)为例，图中电池B1为上电池，与其对应的开关管为开关管S1，图中电池B2为下电池，与其对应的开关管为开关管S2。
如图3所示，第二种工作状态为电池组间能量传递，二次侧半桥电路通过高频多端口变压器形成连接，构成一个比例为1：1：…：1的多端口DC-DC变换器。同一时刻电池电压高于变压器二次侧电压的电池组向变压器放电，变压器向电池电压低于变压器电压的电池组充电。经过多个周期以后，各电池组的电池电压趋于相等。
如图4所示，第三种工作状态为单体和整体的能量均衡，二次侧半桥电路和一次侧半桥电路通过高频多端口变压器连接到一起，构成比例为n：1：…：1的多端口DC-DC变换器，这一点与第二种方式不同。二次侧半桥电路的电流依旧由各个电池组的电池电压和高频多端口变压器电压大小决定，一次侧电流则与二次侧所有电池组电流之和经高频多端口变压器折算以后的值相同。一次侧的电流通过上下两根母线对整体电池包进行充放电，实现对整体电池包能量的交换。
在本发明的一个实施例中，当变压器电压低于所有电池组电池电压时，所有二次侧半桥电路均向高频多端口变压器放电，因而一次侧半桥电路的电流就是所有二次侧半桥电路电流之和。这种模式下，整个拓扑的电流流通方向是单一固定的，利于分析，因此此处以这种模式为例，结合电压电流波形和电路模态图进行分析。此种模态里面为了让所有电池均压到平均电压，所以只开通高于平均电压的电池对应的开关管。
如图6所示，工作模态1：检测副边每个电池组内的上电池，在t0时刻，让上电池电压高于平均电压的前j个电池组中的副边开关管打开。此时，原边对应的打开开关管SA，能量由前j个电池组中所有的上电池流出，通过各自对应的开关管给电感Ls1…Lsj充电，ils1…ilsj线性上升，同时通过高频多端口变压器把能量传递给原边，iLp线性上升，通过开关管SA向整体的电池包传输能量。高频多端口变压器副边的后k个绕组上也有感应电压VTS，但是由于变压器变比的设置使得VTS<VBk1+VD，所以Sk1的体二极管不会被打开。故没有电流通路。此阶段实现单个电池能量向整体电池包的传输。
如图7所示，工作模态2：t1时刻，前j个奇数位开关管S1…S2j-1和开关管SA同时关断，高频多端口变压器电感上储存的能量分别通过SA和前j个奇数位开关管S1…S2j-1的反并联二极管续流，原边侧通过开关管SA的二极管释放给整体电池包，副边通过前j个偶数位开关管S1…S2j-1的二极管释放给与上一周期放电的上电池相对应的组内下电池。此阶段，副边实现二次侧半桥电路内的单电感均压，原边实现电感能量向整体的传递。虽然各个二次侧半桥电路由于各自电池电压的不同而使得电感放电速度有快慢，但是随着时间的推进，各个二次侧半桥电路都会在死区时间内慢慢续流完成，在t2时刻所有二次侧半桥电路完成续流，只有励磁电流还存在于电路中。此阶段实现电感储存能量向低压电池的释放，实为单电感均压的下半阶段。
如图8所示，工作模态3：此阶段为励磁电流的续流阶段，由于高频多端口变压器已经退出工作，励磁电流只能通过电容C2、开关管SB的体二极管和原边电感LP1续流。将开关管SB的电压钳位至零，在t3时刻实现开关管SB的软开关。开始下半周期内高电压电池给全体电池组和组内低压电池的能量释放。
综上所述，本发明电路结构简单，成本低，控制方式方便，可实现电池组内电池能量传递、电池组间能量传递和原副边能量传递，其可以对复杂电压分布的电池组进行均压，避免了锂电池组中单体电池的最低电压影响电池组有效容量。

Claims (2)

1.一种串联锂电池均压电路，其特征在于，包括由偶数个依次串联的锂电池组成的电池包、高频多端口变压器、一次侧半桥电路和若干个二次侧半桥电路；所述一次侧半桥电路包括N型开关管SA，所述N型开关管SA的漏极分别与电池包的正极和电容C1的一端相连接；所述N型开关管SA的源极分别与电感LP1的一端和N型开关管SB的漏极相连接；所述N型开关管SB的源极分别与电池包的负极和电容C2的一端相连接；所述电容C1的另一端分别与一次侧线圈TP的一端和电容C2的另一端相连接；所述一次侧线圈TP的另一端与电感LP1的另一端相连接；
每两个相邻的锂电池形成一个电池组并对应一个二次侧半桥电路，第m个二次侧半桥电路包括N型开关管S2m-1，所述N型开关管S2m-1的漏极与与其对应的电池组的正极相连接；所述N型开关管S2m-1的源极分别连接N型开关管S2m的漏极和电感Lsm的一端；所述电感Lsm的另一端与二次侧线圈Tsm的一端相连接；所述二次侧线圈Tsm的另一端连接至与其对应的两个锂电池的正负极串联线；所述N型开关管S2m的源极与与其对应的电池组的负极相连接。
2.根据权利要求1所述的串联锂电池均压电路，其特征在于，所述一次侧线圈TP与电感LP1相连接的一端为同名端；所述二次侧线圈Tsm与电感Lsm相连接的一端为同名端。
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