CN113922455B - 能量转移式电池单体电压管理电路 - Google Patents

能量转移式电池单体电压管理电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能量转移式电池单体电压管理电路，用于管理包括多个串联的电池单体的电池组，电池组分割成多个电池单元，每个电池单元包括多个串联的电池排，电池排包括多个电池单体，管理电路包括变压器、多个电感、多个储能电容与多个开关管，变压器具有多个原边绕组，变压器的副边绕组的两端通过开关管分别连接电池组的正负极，多个原边绕组分别通过不同的开关管并接在多个电池单元的两端；每个电池排的两端通过一个开关管并接一个电感，每个电池单元中与电池排并接的相邻电感之间串联一个储能电容。上述能量转移式电池单体电压管理电路，改善了电池组电池的不一致性，延长了电池的使用寿命。

Description

能量转移式电池单体电压管理电路
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别是涉及一种能量转移式电池单体电压管理电路。
背景技术
电池组的使用寿命受电池不一致性的严重影响，依据“木桶效应”，电池组在循环寿命和容量利用率等方面明显劣于单体性能。随着电池组的循环使用，单体不一致性将加剧，进一步恶化锂离子电池的成组特性，极易发生少数单体过充过放情况，从而导致电池组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能燃烧、***等恶性事故，给锂离子电池的应用推广造成极大的阻碍。
对电池组进行均衡控制，即在循环使用过程中，以能量消耗或者转移的方式对电池组内的单体能量适时进行平衡，从而降低单体发生过充过放的概率，消除放电深度差异对电池组的不利影响，进而提高电池组的整体能量利用率，延长电池循环寿命。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够改善电池不一致性、延长电池使用寿命的能量转移式电池单体电压管理电路。
一种能量转移式电池单体电压管理电路，用于管理包括多个串联的电池单体的电池组，所述电池组分割成多个电池单元，每个电池单元包括多个串联的电池排，所述电池排包括多个电池单体，
所述管理电路包括变压器、多个电感、多个储能电容与多个开关管，所述变压器具有多个原边绕组，所述变压器的副边绕组的两端通过开关管分别连接所述电池组的正负极，所述多个原边绕组分别通过不同的开关管并接在所述多个电池单元的两端；
每个电池排的两端通过一个开关管并接一个电感，每个电池单元中与电池排并接的相邻电感之间串联一个储能电容。
进一步的，所述管理电路还包括多个均衡电容与多个控制开关，所述电池排的相邻电池单体分别通过两个控制开关并接一个均衡电容。
进一步的，所述管理电路还包括多个滤波电容，所述电池排中每个电池单体两端并接一个滤波电容。
进一步的，所述多个电池单元中的电池排数量相等，所述多个电池排中的电池单体的数量相等。
进一步的，所述电池单元中具有两个电池排。
进一步的，所述相邻电感之间串联一个储能电容与相邻电感组成CUK变换器。
进一步的，所述电池排中具有两个电池单体。
上述能量转移式电池单体电压管理电路，通过变压器均衡，可以实现电池组中任意单体电池的快速均衡，控制方式简单，均衡电流大，均衡效率高，结构易于扩展，变压器原边绕组的数量大幅度减少，使得变压器原边绕组的一致性控制难度大幅度降低。CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，每个CUK变换器中的电感均衡的是多个单体电池串联的电池排的电压，从而压差得到了增大，改善了当电池组中各单体电压差较小时，均衡电流很小的缺点。开关电容法是管理相邻两节电池单体的主动均衡，主要功能是对相邻两节电池之间的荷电状态差异进行判断，根据均衡算法的结果，均衡模块以开关电源的方式，通过电容的中转站作用把电压高的电池多余电量转移到电压低的电池，实现电池容量最大化。此方案只需要开关和电容来完成均衡电路的搭建，优点是结构比较简单，均衡过程中几乎没有能量损失。通过以上均衡方法的结合，改善了电池组电池的不一致性，延长了电池的使用寿命。
附图说明
图1为一个实施例的能量转移式电池单体电压管理电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种能量转移式电池单体电压管理电路，用于管理包括多个串联的电池单体B1～Bn的电池组，该电池组分割成多个电池单元110，每个电池单元110包括多个串联的电池排112，电池排112包括多个电池单体。管理电路包括变压器T、多个电感L1～Ln/2、多个储能电容CL1～CLn/4与多个开关管S1-1～S1-n/2、S、SN1～SNn/4，变压器T具有多个原边绕组N1-1～N1-n/4，变压器T的副边绕组N2的两端通过开关管S分别连接电池组的正负极，多个原边绕组N1-1～N1-n/4分别通过不同的开关管SN1～SNn/4并接在多个电池单元110的两端。每个电池排112的两端通过一个开关管S1-1～S1-n/2并接一个电感，每个电池单元110中与电池排112并接的相邻电感之间串联一个储能电容CL1～CLn/4。
在本实施例中，管理电路还包括多个均衡电容CB1～CBn/2与多个控制开关S1～Sn，电池排112的相邻电池单体B1～Bn分别通过两个控制开关S1～Sn并接一个均衡电容CB1～CBn/2。
在本实施例中，管理电路还包括多个滤波电容C1～Cn，电池排112中每个电池单体两端并接一个滤波电容C1～Cn。具体的，多个电池单元110中的电池排数量112相等，多个电池排112中的电池单体的数量相等。电池单元110中具有两个电池排112。相邻电感L1～Ln/2之间串联一个储能电容CL1～CLn/4与相邻电感L1～Ln/2组成CUK变换器。电池排112中具有两个电池单体B1～Bn。
以下结合图1具体说明。
以一个由n个单体电池串联模组为例，按本发明方案每4个电池单体组成1个电池单元110，共分成n/4个单元，每2个电池单体组成1个电池排112，每个电池单元110由2个电池排112组成。例如电池单体B1～B4串联组成第1个电池单元和电池单体Bn-3～Bn串联组成第n/4个电池单元。每个电池单元内的4个电池单体又平分成2个小单元(电池排)，每个电池排由2个电池单体组成，这相邻的2个电池排共用1个CUK(Care Unite Skin，Cuk斩波电路)变换器均衡电路。每个电池排内的2个电池单体共用1个电容作为均衡电容；由每2个电池排组成的4个电池单体共同组成的电池单元与整个电池组配置1个变压器均衡。
其中开关管S1-1～S1-n/2、S、SN1～SNn/4与控制开关S1～Sn为功率开关管。与每个电池单体并联的滤波电容C1～Cn为高频滤波电容，用于在能量传输过程中滤除杂波。N1-1～N1-n/4为变压器T均衡的原边绕组，N2为变压器均衡的副边绕组。L1～Ln/2和CL1～CLn/4分别为CUK变换器均衡电路的电感和电容。CB1～CBn/2为电容均衡的均衡电容。
本发明电路的均衡原理为，首先利用变压器完成每个电池单元110与整个电池组间的均衡，然后再利用CUK变换器均衡完成相邻2个电池排之间的均衡，最后利用均衡电容完成每个电池排内2个电池单体之间的均衡。
现就电池组中前4个电池单体B1～B4串联组成的第1个电池单元110为例详细说明本发明的具体均衡过程，均衡步骤如下：
第一步，第1个电池单元110与整个电池组之间的均衡采用变压器T均衡完成。具体均衡过程分成以下2种情况分别完成：
第一种情况，假设第1个电池单元相比电池组中其他电池单元电压较高，均衡步骤如下：
第1步，功率开关管SN1导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1-1，电池单元的部分电量储存到原边绕组N1-1中。电流方向如中i1。
第2步，功率开关管SN1关断，功率开关管S导通，接通整个电池组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，上一步储存到原边绕组N1-1中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池组。电流方向如中i2。
第二种情况，假设第1个电池单元相比电池组中其他电池单元电压较低，均衡步骤如下：
第1步，功率开关管S导通，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中。电流方向如图中i3。
第2步，功率开关管S关断，功率开关管SN1导通，接通第1个电池单元和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1-1，上一步储存到副边绕组N2中的电量耦合到原边绕组N1-1中，原边绕组N1-1中的电量再转移到第1个电池单元中。电流方向如图中i4。
第二步，经过以上第一步的数次循环，已完成了第1个电池单元与电池组的均衡，现在关闭变压器均衡，开启CUK变换器均衡完成电池单元内2个电池排之间的均衡。
现假设第1个电池排内的2个电池单体B1～B2相比第2个小电池单元2个电池单体B3～B4电池单元电压较高，均衡步骤如下：参见图1。
第1步，功率开关管S1-1中的MOS管Q1-1导通，把输入输出环路闭合。功率开关管S1-2中的体二极管D1-2反向截止。此时第1个电池排内的2个电池单体B1～B2流出的电流I1使电感L1储能；储能电容CL1放电电流I2使电感L2储能，并向第2个电池排的2个电池单体B3～B4电池充电转移电量。第1个电池排的放电和第2个电池排的充电同时进行，能量双向流动。
第2步，功率开关管S1-1中的MOS管Q1-1截止，功率开关管S1-2中的体二极管D1-2正偏而导通，将输入输出环路闭合。此时第1个电池排内的2个电池单体B1～B2和电感L1-1感应电动势相加向储能电容CL1充电，充电电流I3储能电容CL1储能，电感L2释放能量，其放电电流I4向第2个电池排的2个电池单体B3～B4电池充电转移电量。第1个电池排的放电和第2电池排的充电同时进行，能量双向流动。
由以上第1步和第2步可知，无论在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的导通还是截止期间，第1个电池排都能向第2个电池排转移能量，储能电容CL1在电路中是一个能量储存元件。在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的截止期间，第1个电池排的电流I3使得储能电容CL1充电储存能量；在功率开关管S1-1的MOS管Q1-1的导通期间，储能电容CL1放电向第2个电池排释放能量。
如果第1个电池排内的2个电池单体B1～B2相比第2个电池排2个电池单体B3～B4电池单元电压较低，均衡步骤与上述第1步和第2步类似。
第三步，经过以上第二步的数次循环，已完成了第1个电池排与第2个小电池排之间的均衡，现在关闭CUK变换器均衡，开启每个电池排内的均衡电容来完成内部2个电池单体之间的均衡。
现以均衡第1个电池排为例进行说明。具体均衡过程如下：
第1个电池排内电池单体B1～B2中必有其中一个电池单体电压相对较高，现假设电池单体B1相比电池单体B2电压较高。令功率开关管S1导通，接通电池单体B1和均衡电容CB1，电池单元的部分电量储存到均衡电容CB1中。电流方向如图中i5。
第2步，功率开关管S1关闭，功率开关管S2中的MOS管关闭而体二极管导通，接通电池单体B2与其串联的均衡电容CB1，均衡电容CB1上一步储存的电量转移到电池单体B2中。电流方向如图中i6。
经过以上第三步的数次循环，完成了第1个电池排2个电池单体之间的均衡，最后关闭电容主动均衡，整个串联电池组的均衡完成结束。
总的均衡策略为，首先利用变压器均衡完成每个电池单元与整个电池组之间的电量转移主动均衡，然后再利用CUK变换器均衡完成相邻2个电池排之间的电量转移主动均衡，最后利用均衡电容完成每个电池排内2个电池单体之间的电量转移均衡主动均衡。
变压器均衡方案，可以同时实现多个电池单体的均衡，使所有电池单体的端电压最终接***均电压水平。该拓扑具有操作简单，易于控制的优点，但是当电池单体数目较多时，多绕组变压器设计困难，难以保证一次侧各绕组的一致性，存在不易扩展的缺点。本发明对整个电池组分成多个电池单元，以电池单元为单位连接变压器原边绕组，进行了分组变压器均衡后，变压器原边绕组的数量大幅度减少，以每个电池单元具有四个电池单体为例，变压器原边绕组的数量为原来数量的1/4，使得变压器原边绕组的一致性控制难度大幅度降低。
CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但是通常只能均衡相邻的2个电池单体，其均衡原理是利用单体电池之间的电压差进行能量转移均衡，故而在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率很低。本发明把串联单体电池进行分组后，每个CUK变换器中的电感均衡的是多个单体电池串联的电池排的电压，以每个电池排具有两个电池单体为例，电感均衡的电压为每个单体电池的电压的2倍，就相当于把单体电池之间的压差放大了2倍，从而压差得到了增大，改善了当电池组中各单体电压差较小时，均衡电流很小的缺点。
上述能量转移式电池单体电压管理电路，通过变压器均衡，可以实现电池组中任意单体电池的快速均衡，控制方式简单，均衡电流大，均衡效率高，结构易于扩展，变压器原边绕组的数量大幅度减少，使得变压器原边绕组的一致性控制难度大幅度降低。CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，每个CUK变换器中的电感均衡的是多个单体电池串联的电池排的电压，从而压差得到了增大，改善了当电池组中各单体电压差较小时，均衡电流很小的缺点。开关电容法是管理相邻两节电池单体的主动均衡，主要功能是对相邻两节电池之间的荷电状态差异进行判断，根据均衡算法的结果，均衡模块以开关电源的方式，通过电容的中转站作用把电压高的电池多余电量转移到电压低的电池，实现电池容量最大化。此方案只需要开关和电容来完成均衡电路的搭建，优点是结构比较简单，均衡过程中几乎没有能量损失。通过以上均衡方法的结合，改善了电池组电池的不一致性，延长了电池的使用寿命。
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 (1)

1.一种能量转移式电池单体电压管理电路，用于管理包括多个串联的电池单体的电池组，所述电池组分割成多个电池单元，每个电池单元包括多个串联的电池排，所述电池排包括多个电池单体，其特征在于，所述管理电路包括变压器、多个电感、多个储能电容与多个开关管，所述变压器具有多个原边绕组，所述变压器的副边绕组的两端通过开关管分别连接所述电池组的正负极，所述多个原边绕组分别通过不同的开关管并接在所述多个电池单元的两端；
每个电池排的两端通过一个开关管并接一个电感，每个电池单元中与电池排并接的相邻电感之间串联一个储能电容；
所述管理电路还包括多个均衡电容与多个控制开关，所述电池排的相邻电池单体分别通过两个控制开关并接一个均衡电容；
所述管理电路还包括多个滤波电容，所述电池排中每个电池单体两端并接一个滤波电容；
所述多个电池单元中的电池排数量相等，所述多个电池排中的电池单体的数量相等；
所述电池单元中具有两个电池排；
所述相邻电感之间串联一个储能电容与相邻电感组成CUK变换器；
所述电池排中具有两个电池单体。
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