CN113629814A - 一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能*** - Google Patents

一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能***。所述电池电压均衡电路包括若干个串联和/或并联设置的电池单元，每个所述电池单元包括两个串联设置的电池单体；每个所述电池单体分别与一个第一开关、一个第二开关并联，并且两个第一开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电感，两个第二开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电阻。本发明提供的电池电压均衡电路通过将两个电池单体串联为一个电池单元，对每个电池单元内的两个电池单体进行电压均衡；设置两个开关，利用电感以及电阻均衡电池单体的电压，解决现有技术不适用电池单体间压差太小的情况以及造成能量损耗的问题。

Description

一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能***
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能***。
背景技术
锂离子电池具有可靠性高、环保无污染、无记忆效应、自放电率低等优点而被广泛应用于电动汽车、光伏***等相关领域。在电池的实际使用过程中，由于各个电池的初始容量差异、衰减特性不对称、温度分布不均匀等原因，导致充放电不均衡。如果电池长期工作在不均衡状态下，能量储存性能会严重下降，甚至还会发生火灾或***等严重事故。
电池***初期容量是100％，在使用的过程中电池会因为各种原因逐渐衰减，这是锂电池的特性，这部分的衰减是无法通过均衡挽回的；而造成***容量下降的最主要的原因是电池容量不均衡导致的***损失，***损失并不是所有电池容量减少，而是指电池***因为不均衡造成有容量也无法使用。因而，为了让电池单体工作在最佳性能状态、充分利用电池组的性能，采用电池均衡技术减小一个串联电池组内每个电池单体之间的个体差异是十分必要的。
目前电池均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类，其中被动均衡分为电阻法和稳压管法两种，主动均衡主要包含电容法、电感法和变压法三大类。但是被动均衡方式会损耗掉电池电量，降低了能量的利用率；而主动均衡方式在压差较小时，无法完成大电流均衡效果并不理想。
发明内容
基于此，有必要针对上述的问题，提供一种电池电压均衡电路、方法、装置以及储能***。
本发明实施例是这样实现的，一种电池电压均衡电路，所述电池电压均衡电路包括若干个串联和/或并联设置的电池单元，每个所述电池单元包括两个串联设置的电池单体；
每个所述电池单体分别与一个第一开关、一个第二开关并联，并且两个第一开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电感，两个第二开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电阻。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种电池电压均衡方法，所述电池电压均衡方法包括以下步骤：
获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断所述压差是否满足预设值；
若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
利用电阻进一步降低电池单体压差。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种电池电压均衡装置，所述电池电压均衡装置包括：
压差获取单元，用于获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断单元，用于判断所述压差是否满足预设值；
转移单元，用于若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
降低单元，用于利用电阻进一步降低电池单体压差。
在其中一个实施例中，本发明提供了一种储能***，所述储能***包括：
如本发明实施例所述的电池电压均衡电路；以及
电池管理***，所述电池管理***用于控制所述电池电压均衡电路工作以平衡电池压差。
本发明提供的电池电压均衡电路通过将两个电池单体串联为一个电池单元，对每个电池单元内的两个电池单体进行电压均衡；设置两个开关，利用电感以及电阻均衡电池单体的电压，解决现有技术不适用电池单体间压差太小的情况以及造成能量损耗的问题。
附图说明
图1为一个实施例中提供的电池电压均衡电路的结构图；
图2为一个实施例中均衡过程步骤图一；
图3为一个实施例中均衡过程步骤图二；
图4为一个实施例中均衡过程步骤图三；
图5为一个实施例中均衡过程步骤图四。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
可以理解，本发明所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但除非特别说明，这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将第一xx脚本称为第二xx脚本，且类似地，可将第二xx脚本称为第一xx脚本。
如图1所示，在一个实施例中，提出了一种电池电压均衡电路，其特征在于，所述电池电压均衡电路包括若干个串联和/或并联设置的电池单元，每个所述电池单元包括两个串联设置的电池单体；
每个所述电池单体分别与一个第一开关、一个第二开关并联，并且两个第一开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电感，两个第二开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电阻。
在本发明实施例中，优选地，第一开关与第二开关采用同种类型的开关。当检测到同属一个电池单元的两个电池单体之间的压差达到预设值时，则通过第一开关与第二开关的顺次打开和关闭，实现将电压高的电池单体的电量转移到电压低的电池单体上。
本发明提供的方案结合了主动均衡法与被动均衡法(仅指均衡的原理而非均衡过程是主动或者被动进行)，主动均衡法利用电感转移造成压差的大部分电量，之后压差降低，再利用被动均衡法消耗掉小部分能量，实现电池单体的均衡。进一步地，在本申请中，主动均衡过程与被动均衡过程可以分别进行，也可以结合进行，优选为结合进行，即，只有在主动均衡之后，降低了压差之后再采用被动均衡消耗掉小部分电量，这种方式限制了被动均衡的使用，可以减少电量的损耗。
本发明提供的电池电压均衡电路通过将两个电池单体串联为一个电池单元，对每个电池单元内的两个电池单体进行电压均衡；设置两个开关，利用电感以及电阻均衡电池单体的电压，解决现有技术不适用电池单体间压差太小的情况以及造成能量损耗的问题。
在本发明一个实施例中，所述第一开关联设置有二极管，所述二极管的导通方向与对应电池单体的放电方向相反。
在本发明实施例中，通过设置二极管，可以阻止电池单体主动放电，限制电流的流动方向。
在本发明一个实施例中，所述第一开关和/或第二开关为场效应管。
在本发明实施例中，第一开关与第二开关的类型相同，但是规格可以根据具体电路元器件的参数确定，本发明实施例对上不作具体限定。
在本发明一个实施例中，所述电池电压均衡电路还包括检测电路，所述检测电路用于检测同一电池单元内电池单体之间的压差以控制所述第一开关和/或第二开关的打开或者关闭。
在本发明实施例中，检测电路通过检测电池单元内两个电池单体的压差确定第一开关和/或第二开关的打开或者关闭，例如，当检测到两个电池单体之间压差达到预设值时，使第一开关闭合，进行主动均衡过程，主动均衡过程执行，使电压较高的电池单体的电压下降，下降到设置值时，断开电压较高的电池单体的第一开关，并闭合电压较低的电池单体的第一开关，使存储于电感中的电量转移到电压较低的电池单体中；之后，当两个电池单体的压差达到另一个设定值时，通过闭合当前电压较高的电池单体对应的第二开关，使电阻消耗部分电量，从而使两个电池单元的压差更小。需要说明的是，此过程中，前后两次电压较高的电池单体并非必然是同一个，通常情况下为同一个，此并不影响本发明的实现。
在本发明一个实施例中，所述检测电路包括一个场效应管，所述场效应管的漏板和源极分别连接在电池单体的两端。
在本发明一个实施例中，相邻电池单元检测电路的场效应管串联设置。
本发明一个实施例还提供了一种电池电压均衡方法，所述电池电压均衡方法包括以下步骤：
获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断所述压差是否满足预设值；
若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
利用电阻进一步降低电池单体压差。
在本发明实施例中，利用电感储能将部分电量从高电压电池单体转移到低电压电池单体，此过程几乎不消耗电量；利用电阻进一步降低电池单体的压差，由于经过第一轮的主动均衡，此时压差较小，减小了消耗的电量。
在本发明一个实施例中，所述利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体，具体包括以下步骤：
控制第一开关导通，使电压高的电池单体的部分电量转移到电感中；
控制第一开关关闭，第二开关导通，使存储于所述电感中的电量转移到电压低的电池单体中。
在本发明实施例中，具体地，控制高电压的电池单体的第一开关导通，使电量转移到电感上，然后控制电压高的电池单体的第一开关断开，电压低的电池单体的第一开关导通，使存储于电感中的电量转移到电压较低的电池单体上，而后断开电压较低的电池单体的第一开关，此时两个第一开关均断开。此后，两个电池单体的压差减小，通过导通电压较高的电池单体的第二开关，使电阻消耗掉部分电量，使两个电池单体的压差进一步减小。
以下以一个具体实施例来说明本发明的工作过程：
本发明截取了一个串联模组中的其中一段4个电池单体片段为例，按本发明方案每2个电池单体组成一个单元，共分成2个单元，即电池单体Bn和Bn+1串联组成第n/2个单元和电池单体Bn+2和Bn+3串联组成第(n/2)+1个单元；每个单元的2个电池单体共用一个固定阻值电阻作为均衡电阻，每相邻2个电池单体并联一个电感作为主动均衡电感。
现就这4个电池单体串联组成的2个单元片段为例，第n/2个单元和第(n/2)+1个单元为例详细说明本发明的具体均衡过程。现在假设某个电池单体的电压相对较高为例外来说明均衡的具体实施步骤。例如假设电池单体Bn的电压较高，均衡步骤如下：
第一步，MOS管Qn导通，二极管Dn关断，接通电池单体Bn和电感Ln，电池单体Bn的部分电量储存到电感Ln中，电流方向如图2所示。
第二步，MOS管Qn关断，二极管Dn+1导通，接通电池单体Bn+1和电感Ln，电感Ln上一步储存的电量转移到电池单体Bn+1中，电流方向如图3所示。
第三步，经过以上第一步和第二步的数次循环，电池单体Bn的电压已比电池单体Bn+1高得不多了，因此时两单体电池之间的电压差较小，若再继续使用电感转移电量均衡，效率低下。现在关闭电感均衡，开启固定电阻被动均衡。
现在令MOS管Qn+1导通，二极管Dn+1与MOS管Qn+2同时关断，接通电池单体Bn和固定电阻Rk，固定电阻Rk开始被动耗能均衡。电流方向如图4所示。
第四步，监测电池单体Bn的电压，等达到均衡目标值，MOS管Qn+1关断，电路中无电流通过，固定电阻Rk停止均衡工作，电池单体Bn的均衡完成。电路电流状态如图5所示。
总的均衡策略为，当电池单体Bn和Bn+1电压差较大时，先利用与它们并联的电感Ln主动均衡转移电量；然后等主动均衡到当电池单体Bn和Bn+1电压差较小时，关闭主动均衡，开启MOS管开关利用与其并联的固定电阻Rk做被动均衡直到均衡完成。
每相邻的2个电池单体之间的大部分电量转移工作由电感均衡完成，剩余的其中一个电压稍微较高电池单体的少部分电量由固定电阻发热消耗完成。
电感Ln可以实现电池单体Bn和Bn+1串联组成的第n/2个单元内部2个电池单体之间的电量转移，而电感Ln可以通过转移第n/2个单元的电池单体Bn+1和第(n/2)+1个单元内的电池单体Bn+1之间的电量来实现不同单元之间的能量转移，从而提高均衡效率。
本发明一个实施例还提供了一种电池电压均衡装置，所述电池电压均衡装置包括：
压差获取单元，用于获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断单元，用于判断所述压差是否满足预设值；
转移单元，用于若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
降低单元，用于利用电阻进一步降低电池单体压差。
在本发明实施例中，该均衡装置的具体实现方法请参考上述电池电压均衡方法的过程，本发明实施例对此不再赘述。
本发明一个实施例还提供了一种储能***，所述储能***包括：
如本发明实施例所述的电池电压均衡电路；以及
电池管理***，所述电池管理***用于控制所述电池电压均衡电路工作以平衡电池压差。
在本发明实施例中，通过将电池电压均衡电路运用于储能***中，可以使储能***的各个电池单元电压均衡，减小电池单元之间的压差，可以使储能***工作在最佳状态，充分利用电池储能***的性能。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本发明所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电池电压均衡电路，其特征在于，所述电池电压均衡电路包括若干个串联和/或并联设置的电池单元，每个所述电池单元包括两个串联设置的电池单体；
每个所述电池单体分别与一个第一开关、一个第二开关并联，并且两个第一开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电感，两个第二开关的公共端与两个所述电池单体的公共端之间设置有电阻。
2.根据权利要求1所述的电池电压均衡电路，其特征在于，所述第一开关联设置有二极管，所述二极管的导通方向与对应电池单体的放电方向相反。
3.根据权利要求1所述的电池电压均衡电路，其特征在于，所述第一开关和/或第二开关为场效应管。
4.根据权利要求1所述的电池电压均衡电路，其特征在于，所述电池电压均衡电路还包括检测电路，所述检测电路用于检测同一电池单元内电池单体之间的压差以控制所述第一开关和/或第二开关的打开或者关闭。
5.根据权利要求4所述的电池电压均衡电路，其特征在于，所述检测电路包括一个场效应管，所述场效应管的漏板和源极分别连接在电池单体的两端。
6.根据权利要求5所述的电池电压均衡电路，其特征在于，相邻电池单元检测电路的场效应管串联设置。
7.一种电池电压均衡方法，其特征在于，所述电池电压均衡方法包括以下步骤：
获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断所述压差是否满足预设值；
若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
利用电阻进一步降低电池单体压差。
8.根据权利要求7所述的电池电压均衡方法，其特征在于，所述利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体，具体包括以下步骤：
控制第一开关导通，使电压高的电池单体的部分电量转移到电感中；
控制第一开关关闭，第二开关导通，使存储于所述电感中的电量转移到电压低的电池单体中。
9.一种电池电压均衡装置，其特征在于，所述电池电压均衡装置包括：
压差获取单元，用于获取电池单元内电池单体之间的压差；
判断单元，用于判断所述压差是否满足预设值；
转移单元，用于若满足预设值，则利用电感储能将部分电量从高电压的电池单体转移到低电压的电池单体；
降低单元，用于利用电阻进一步降低电池单体压差。
10.一种储能***，其特征在于，所述储能***包括：
如权利要求1-6任意一项所述的电池电压均衡电路；以及
电池管理***，所述电池管理***用于控制所述电池电压均衡电路工作以平衡电池压差。
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