CN114336863B - 一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，包括电池模组、电容电感均衡模块和单向MOS管开关组件。本发明的有益效果是：可对整个串联模组中的每个电池单体的能量进行独立控制，保证了串联电池模组在工作状态中电池单体一致性；采用备用电池单体的方式，可从本质上让每一个电池单体都能充满和放光自身能量，从而达到电池模组的能量最大化利用；电池模组的任意两个电池单体都能通过电容电感均衡模块进行直接电能量转移，电压高的电池单体的放电和电压低的电池单体的充电同时进行，能量双向流动，能量转移速度快；可以不会因电池模组中的短板电池单体的出现而影响整个电池模组的使用，极大地延长了电池模组的使用寿命。

Description

一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路

技术领域

本发明涉及一种电容电感解决电路，具体为一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，属于电池管理技术领域。

背景技术

现有电池模组的工作方案是，整个串联电池模组进行整充整放，即是在充电过程中，只要有其中任意一个电池单体达到充电电压截止阈值，整个电池模组就停止充电；在放电过程中，只要有其中任意一个电池单体达到放电电压截止阈值，整个电池模组就停止放电。在这个工作过程中，可以看到，电池模组中最先到达充放电电压截止阈值的某个短板电池单体，它会严重制约整个电池模组的充放电能力。

电池模组的使用寿命会受到电池不一致性的严重影响，依据“木桶效应”，电池模组在循环寿命和容量利用率等方面明显劣于电池单体性能。随着电池模组的循环使用，电池单体不一致性将加剧，进一步促进了短板电池单体的出现，从而导致电池模组性能大幅衰减，极端情况下甚至可能燃烧、***等恶性事故。

目前，传统的电池管理技术解决电池模组的短板效应问题的方法是采用电池均衡。电池均衡管理是指通过旁路电阻直接消耗产生热量或利用储能元件转移电池单体之间相差的电量等方式，使电池单体之间的容量达到近似一致水平。良好的均衡管理可以提高电池模组的转化效率，延长电池模组的使用寿命，改善电池模组的可用容量，在一定程度上可避免电池模组处于不安全状态。然而，电池均衡器只能解决电池模组在长期使用后出现的各个电池单体电池容量不一致的问题，即只能对存在短板电池单体的电池模组进行独立均衡操作，使电池模组中所有电池单体性能一致，以消除短板效应。

因此，传统的电池管理技术方案，无法解决在实际使用时电池模组中存在短板电池单体的问题，致使电池模组的性能不能得到充分发挥。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，可以从本质上让每一个电池单体都能充放电到目标截止电压阈值，从而达到电池模组的性能最大化利用。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电，包括

电池模组，其由若干个电池单体串联构成；

电容电感均衡模块，整个串联的电池模组的所有电池单体共用一个电容电感均衡模块，电容电感均衡模块包括若干个储能电感和一个储能电容，且每一个所述电池单体均与电容电感均衡模块并联；

单向MOS管开关组件，其由若干个单向MOS管开关组成，且其通过控制电路控制各个单向MOS管开关的任意组合和通断，以及统筹他们之间的工作逻辑，并能接收和监控整个电路集成的工作状态信息，并对所接收到的信息做出处理和判断。

作为本发明再进一步的方案：所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体充放电的单向MOS管开关三和单向MOS管开关四，且所述单向MOS管开关三和单向MOS管开关四呈并联连接。

作为本发明再进一步的方案：所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体旁路功能的单向MOS管开关五和单向MOS管开关六，且所述单向MOS管开关五和单向MOS管开关六呈并联连接。

作为本发明再进一步的方案：每个所述储能电感均串联有一个单向MOS管开关九，且每个所述储能电感上均连接有呈并联状设置的单向MOS管开关十，且两个单向MOS管开关十呈背对背设计。

作为本发明再进一步的方案：所述电容电感均衡模块的右侧正极线路连接有分别控制每个电池单体的正极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关一和单向MOS管开关二，且所述单向MOS管开关一和单向MOS管开关二呈并联连接。

作为本发明再进一步的方案：所述电容电感均衡模块的左侧正极线路连接有分别控制每个电池单体的负极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关七和单向MOS管开关八，且所述单向MOS管开关七和单向MOS管开关F呈并联连接。

一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路方法，该方法包括以下步骤

步骤一、采用n+1个电池单体串联组成电池模组，而实际电池模组在工作中采用投入n个电池单体和1个备用电池单体；

步骤二、备用电池单体与电池模组其它n个电池单体之间进行轮番工作。

本发明的有益效果是：

1、可通过单向MOS管开关W₁～W_n+1、X₁～X_n+1、Y₁～Y_n+1、V₁～V_n+1对整个串联模组中的每个电池单体进行独立的工作状态控制；

2、可对整个串联模组中的每个电池单体的能量进行独立控制，保证了串联电池模组在工作状态中电池单体一致性，大大降低了电池模组成组装配时对电池单体的一致性要求；

3、采用备用电池单体的方式，可从本质上让每一个电池单体都能充满和放光自身能量，从而达到电池模组的能量最大化利用；

4.本发明电池模组的任意两个电池单体都能通过电容电感均衡模块进行直接电能量转移，电压高的电池单体的放电和电压低的电池单体的充电同时进行，能量双向流动，能量转移速度快；

5.本发明可以不会因电池模组中的短板电池单体的出现而影响整个电池模组的使用，极大地延长了电池模组的使用寿命。

附图说明

图1为本发明电池模组短板电池单体的电容电感解决电路电路图；

图2为本发明电容电感均衡模块电路电路图；

图3为本发明电池单体B₁给储能电容C充电的电流图；

图4为本发明电感储能和电容放电的电流方向图；

图5为本发明电容储能和电感放电的电流方向图；

图6为本发明电池单体B_n+1的旁路功能给电池模组充电的电流方向图；

图7为本发明电池单体B_n的旁路功能电池模组对外放电的电流方向图；

图8为本发明电池模组对外放电及备用电池单体B₁传递电能量的电流方向图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例一

如图1至图2所示，一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，包括

电池模组，其由若干个电池单体B串联构成；

电容电感均衡模块，整个串联的电池模组的所有电池单体B共用一个电容电感均衡模块，电容电感均衡模块包括若干个储能电感L和一个储能电容C，且每一个所述电池单体B均与电容电感均衡模块并联；

单向MOS管开关组件，其由若干个单向MOS管开关组成，且其通过控制电路控制各个单向MOS管开关的任意组合和通断，以及统筹他们之间的工作逻辑，并能接收和监控整个电路集成的工作状态信息，并对所接收到的信息做出处理和判断。

在本发明实施例中，所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体B充放电的单向MOS管开关三W和单向MOS管开关四X，且所述单向MOS管开关三W和单向MOS管开关四X呈并联连接。

在本发明实施例中，所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体B旁路功能的单向MOS管开关五Y和单向MOS管开关六V，且所述单向MOS管开关五Y和单向MOS管开关六V呈并联连接。

在本发明实施例中，每个所述储能电感L均串联有一个单向MOS管开关九S，且每个所述储能电感L上均连接有呈并联状设置的单向MOS管开关十Q，且两个单向MOS管开关十Q呈背对背设计。

在本发明实施例中，所述电容电感均衡模块的右侧正极线路连接有分别控制每个电池单体B的正极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关一J和单向MOS管开关二K，且所述单向MOS管开关一J和单向MOS管开关二K呈并联连接。

在本发明实施例中，所述电容电感均衡模块的左侧正极线路连接有分别控制每个电池单体B的负极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关七E和单向MOS管开关八F，且所述单向MOS管开关七E和单向MOS管开关八F呈并联连接。

实施例二

如图3至图8所示，一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，现就整个电池模组的工作逻辑过程为例详细说明本发明的具体实施过程。具体实施步骤如下：

第一种情况，电池模组的电容电感均衡过程。

电容电感均衡模块与整个串联电池模组的每一个电池单体B₁～B_n+1为并联电路，整个串联电池模组中的每一个电池单体均共用同一个电容电感均衡模块。电池模组中的任意两个电池单体均可通过电容电感均衡模块的中介作用直接转移能量进行均衡。

为了提高均衡效率，优先进行最高电压电池单体与最低电压电池单体之间的能量转移均衡。具体均衡步骤如下：

假设电池模组中的电池单体B₁的电压值较电池单体B_n的电压值高，且同时分别是电池模组此时的最高电压电池单体和最低电压电池单体，此时可优先均衡这两个电池单体。

第1步，通过控制电路令单向MOS管开关X₁、F₁、S₂、Q₃导通，让电池单体B₁正极、储能电感L₁、储能电容C、储能电感L₄、电池单体B_n负极形成电流通路，因此时储能电容C的一端是电池单体B₁正极另一端是电池单体B_n负极，故而储能电容C的两端有电压差存在，在电池单体B₁正极与电池单体B_n负极之间会形成给储能电容C充电的电流I，最终会让储能电容C充满电量。这样电池单体B₁的部分电能量就会转移储存到储能电容C中。在此过程中，只有储能电容C储存电能量，储能电感L₁和L₄不储存电能量。

电池单体B₁给储能电容C充电的电流图如图3所示。

第2步，经过以上第1步的电能量转移后，此时储能电容C充满电量，通过控制电路令单向MOS管开关X₁、F₁、S₂保持导通、Q₃关闭，S₄、S₅、Q₄、K_n、W_n均导通，此时电池单体B₁流出的电流I₁使电感L₁储能；电容C放电电流I₂使电感L₄储能，并同时向电池单体B_n充电转移电量。电池单体B₁的放电和电池单体B_n的充电同时进行，能量双向流动。

电感储能和电容放电的电流方向图如图4所示。

第3步，随着以上第2步电池单体B₁对电感L₁储能充电和电容C放电的同时进行，充电电流I₁和放电电流I₂都会逐渐增大到峰值电流，此时X₁、F₁、S₂保持导通，关闭单向MOS管开关S₅，导通S₇，S₄、Q₄、K_n、W_n均保持导通状态。此时电池单体B₁和电感L₁感应电动势相加向电容C充电，充电电流I₁，电容C储能；电感L₄将以上第2步储存的能量释放，其放电电流I₂向电池单体B_n充电转移电量。电池单体B₁的放电和电池单体B_n的充电同时进行，能量双向流动。

电容储能和电感放电的电流方向图如图5所示。

第4步，随着以上第3步电池单体B₁和电感L₁感应电动势相加向电容C充电和电感L₄放电的同时进行，充电电流I₁和放电电流I₂都会逐渐从峰值电流减小到零，电容C已储存能量，此时关闭单向MOS管开关S₇、S₂、S₄、Q₄、K_n、W_n。

第4步结束时的电路状态与第1步结束时的电路状态是一样的，若要继续进行能量转移，可按第2、3、4的步骤依次进行。

经过以上第1步到第4步的数次电能量转移，可以把电池单体B₁比电池单体B_n多的电能量转移一半到电池单体B_n中，从而最终使得电池单体B₁和电池单体B_n所储存的电能量一致，电压基本相等。

同理，经过以上第1～4步的类似步骤可以完成电池模组中的任意两个电池单体之间的电能量转移，从而可以最终达到电池模组中的所有电池电池单体的电能量一致性。

第二种情况，电池模组充电过程。

假设最开始电池模组中所有电池单体均进行充电，随着电池模组充电的进行，电池单体中必会首先有某一个电池单体最先到达截止充电电压值，若按现有电路方法任由这种状况发生，就会导致电池模组中的所有其它电池单体都没有充满，极大地减少了电池模组的可使用电容量，而本发明电路方案在此种情况下的应对策略有二：

1)策略一，假设电池模组中电池单体B_n+1率先到达充电截止阈值，此时采用电池单体B_n+1的旁路功能，让电池单体B_n+1停止充电，而电池模组中的其它电池单体继续充电。

控制电路令与电池单体B_n+1的相关的单向MOS管开关Y_n+1导通而W_n+1、X_n+1、V_n+1关闭，充电电流i则通过单向MOS管开关Y_n+1绕过电池单体B_n+1，从其旁路通过电流而继续给电池模组充电。

电池单体B_n+1的旁路功能给电池模组充电的电流方向如图6所示。

2)策略二，在给电池模组充电的过程中，通过控制电路实时监控电池模组中每个电池单体的电压值，任意时刻，都在进行着电池模组中最高电压电池单体通过电容电感均衡模块向最低电压电池单体转移电能量的过程。此策略充电方法可提高给电池模组充电的速率。

通过以上策略一和策略二的配合使用，可以把电池模组中的每一个电池单体充电到充电截止阈值，从而可以实现电池模组的最大可充电容量。

第三种情况，电池模组放电过程。

假设电池模组中所有电池单体均进行放电，随着电池模组放电的进行，电池单体中必会首先有某一个电池单体最先到达截止放电电压值，若按现有电路方法任由这种状况发生，就会导致电池模组中的所有其它电池单体都没有放电到放电截止阈值，极大地减少了电池模组的可放出电量，而本发明电路方案在此种情况下的应对策略有二：

1)策略一，假设电池模组中电池单体B_n率先到达放电截止阈值，此时采用电池单体B_n的旁路功能，让电池单体B_n停止放电，而电池模组中的其它电池单体继续放电。

控制电路令与电池单体B_n的相关的单向MOS管开关V_n导通而W_n、X_n、Y_n关闭，放电电流i则通过单向MOS管开关V_n绕过电池单体B_n，从其旁路通过电流而电池模组继续对外放电。

电池单体B_n的旁路功能电池模组对外放电的电流方向如图7所示。

2)策略二，在给电池模组放电的过程中，通过控制电路实时监控电池模组中每个电池单体的电压值，任意时刻，都在进行着电池模组中最高电压电池单体通过电容电感均衡模块向最低电压电池单体转移电能量的过程。此策略放电方法可最大限度地延迟放电过程中短板电池单体到来的时刻。

通过以上策略一和策略二的配合使用，可以把电池模组中的每一个电池单体放电到放电截止阈值，从而可以实现电池模组的最大放电容量利用。

第四种情况，某一电池单体作为备份使用的过程。

假设本发明方案中n+1个电池单体B₁～B_n+1串联组成的电池模组，在实际使用过程中只需用n个电池单体串联组成的电池模组，这样多余的一个电池单体就可作为能够机动灵活使用的备份电池单体，具体使用策略如下：

1)电池模组的充电过程中，采用电池单体的旁路功能，使得任意时刻，电池模组直接接入充电电路的电池单体串联数目始终为n，多余的那一个电池单体实时地与电池模组中正在充电的电池单体做均衡能量转移，并且每过一小段时间，把多余的这一个电池单体接入电池模组充电，当然需要更换出正在充电的电池模组中电压值最高的电池单体，如此进行电池单体的充电轮换，可把n+1个电池单体都充电到充电截止阈值，让每一个电池单体的充电容量得到充分利用。

2)电池模组的放电过程中，采用电池单体的旁路功能，使得任意时刻，电池模组直接接入放电电路的电池单体串联数目始终为n，多余的那一个电池单体实时地与电池模组中正在放电的电池单体做均衡能量转移，并且每过一小段时间，把多余的这一个电池单体接入电池模组放电，当然需要更换出正在放电的电池模组中电压值最低的电池单体，如此进行电池单体的放电轮换，可把n+1个电池单体都放电到放电截止阈值，让每一个电池单体的放电容量得到充分利用。

3)随着电池模组的使用，当n+1个电池单体中其中的某一个电池单体成为短板电池单体时，此时，这个短板电池单体仍然可以采用以上方法成为备份电池单体使用。

备份电池单体的具体使用方案示例如下：

假设这n+1个电池单体B₁～B_n+1串联组成的电池模组已被充满电，现在需要采用其中n个电池单体串联组成的电池模组对外放电，并假设n+1个电池单体中的短板电池单体排序依次为B₁、B_n+1，此种情况下，采用B₂～B_n+1串联组成的电池模组对外放电，电池单体B₁作为备用电池单体。由于B_n+1为电池模组对外放电过程中的短板电池单体，故从电池模组放电一开始，就需要备用电池单体B₁不断地通过电容电感均衡模块把自身的电能量转移给电池模组的短板电池单体B_n+1。

电池模组对外放电工作时，备用电池单体B₁工作在放电旁路功能模式，并给短板电池单体B_n+1传递电能量，工作电路电流方向图如图8所示。

如图8所示，电池模组对外放电的工作电流为I₁，备用电池单体B₁放电给电容电感均衡模块的充电电流为I₂，电容电感均衡模块放电给短板电池单体B_n+1充电的电流为I₃。

随着电池模组放电和备用电池单体B₁放电给短板电池单体B_n+1补充电能量的进行，当到某一时刻，短板电池单体B_n+1可能不再是短板电池单体，这时，备用电池单体B₁就停止给电池单体B_n+1补充电能量，而改为向其它被认为是短板的电池单体补充能量。如此循环反复，直到把这n+1个电池单体所储存的电能量耗尽。这样的工作模式，可以把电池模组的功能发挥到极致。

工作原理：采用n+1个电池单体串联组成电池模组，而实际电池模组在工作中采用投入n个电池单体和1个备用电池单体；备用电池单体与电池模组其它n个电池单体之间进行轮番工作。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，其特征在于：包括电池模组，其由若干个电池单体(B)串联构成；

电容电感均衡模块，整个串联的电池模组的所有电池单体(B)共用一个电容电感均衡模块，电容电感均衡模块包括若干个储能电感(L)和一个储能电容(C)，且每一个所述电池单体(B)均与电容电感均衡模块并联；

单向MOS管开关组件，其由若干个单向MOS管开关组成，且其通过控制电路控制各个单向MOS管开关的任意组合和通断，以及统筹他们之间的工作逻辑，并能接收和监控整个电路集成的工作状态信息，并对所接收到的信息做出处理和判断；

所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体(B)充放电的单向MOS管开关三(W)和单向MOS管开关四(X)，且所述单向MOS管开关三(W)和单向MOS管开关四(X)呈并联连接；

所述单向MOS管开关组件包括用于控制每个所述电池单体(B)旁路功能的单向MOS管开关五(Y)和单向MOS管开关六(V)，且所述单向MOS管开关五(Y)和单向MOS管开关六(V)呈并联连接；

所述电容电感均衡模块的右侧正极线路连接有分别控制每个电池单体(B)的正极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关一(J)和单向MOS管开关二(K)，且所述单向MOS管开关一(J)和单向MOS管开关二(K)呈并联连接；

所述电容电感均衡模块的左侧正极线路连接有分别控制每个电池单体(B)的负极电路与电容电感均衡模块工作状态的单向MOS管开关七(E)和单向MOS管开关八(F)，且所述单向MOS管开关七(E)和单向MOS管开关八(F)呈并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种电池模组短板电池单体的电容电感解决电路，其特征在于：每个所述储能电感(L)均串联有一个单向MOS管开关九(S)，且每个所述储能电感(L)上均连接有呈并联状设置的单向MOS管开关十(Q)，且两个单向MOS管开关十(Q)呈背对背设计。