CN114759636A - 电池组双层主动均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种均衡速度快的电池组双层主动均衡电路，当均衡控制电路检测到某一个电池单体的SOC偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,同时导通另一端的MOS管与相邻电池单体构成回路,给相邻电池单体充电,从而实现相邻单体间能量的转移。当均衡控制电路检测到某一个电池堆SOC的值偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,经过二极管与其他电池堆构成回路,给其他电池堆充电,从而实现电池堆间能量的转移。

Description

电池组双层主动均衡电路
技术领域
本发明涉及电池组管理技术领域，具体涉及一种电池组双层主动均衡电路。
背景技术
锂电池因其能量密度高、循环寿命长、自放电低以及对环境友好等特点被广泛应用于电池领域中。然而电池单体容量小、负载能力低，无法满足实际的工程需求。为此行业中通常通过一定的连接方式将多个电池单体组成模组，以提高电池***的SOC平台和储存能量。但是电池组使用一段时间后，会出现部分电池SOC亏损的情况，从而导致电池容量不一致，为了缓解电池不一致性问题，因此需要对电池组中SOC亏损的电池进行充电，以保持电池组SOC的均衡。常见的均衡方法分为主动均衡和被动均衡两种，其中被动均衡方法是将高SOC电芯的电量消耗掉，来达到各串电芯SOC一致的效果，其均衡过程就是电量浪费的过程，不仅使得电池组的使用寿命下降，同时也造成了资源浪费；而主动均衡是将电池组中SOC较高的电池单体通过能量传输装置转移到SOC较低的电池单体，对SOC较低的电池单体进行充电，从而达到各电池单体SOC一致的效果。现有技术大多数通过被动均衡或单层主动均衡电路来实现锂电池间的均衡，通过对以上均衡电路的分析和研究发现，无论是被动均衡电路还是单层主动均衡电路，发现均衡时间长是这些均衡电路共有的缺点，有些均衡电路结构和控制逻辑复杂，实现成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种均衡速度快的电池组双层主动均衡电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种电池组双层主动均衡电路，电池组由n节电池单体B1、B2、B3……Bn-1、Bn串联而成，每相邻两节电池单体两两组合形成一个电池堆，一个电池堆内的两节电池单体之间通过一个底层电感和一个MOS管相连并构成底层Buck-Boost均衡电路，电池堆和电池堆之间多个MOS管、二极管和一个顶层电感相连构成顶层桥式开关矩阵均衡电路，底层Buck-Boost均衡电路内部SOC高的电池单体放电，顶层桥式开关矩阵均衡电路中SOC高的电池堆放电。
上述方案中，当均衡控制电路检测到某一个电池单体的SOC偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,同时导通另一端的MOS管与相邻电池单体构成回路,给相邻电池单体充电,从而实现相邻单体间能量的转移。当均衡控制电路检测到某一个电池堆SOC的值偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,经过二极管与其他电池堆构成回路,给其他电池堆充电,从而实现电池堆间能量的转移。
附图说明
图1是发明中双层主动均衡电路结构示意图；
图2是底层Buck-Boost均衡电路工作原理示意图；
图3是顶层桥式开关矩阵电路工作原理示意图；
图4是双层主动均衡电路工作方法的流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种电池组双层主动均衡电路，电池组由n(n为偶数)节电池单体B1、B2、B3……Bn-1、Bn串联而成，每相邻两节电池单体两两组合形成一个电池堆，一个电池堆内的两节电池单体之间通过一个底层电感和一个MOS管相连并构成底层Buck-Boost均衡电路，电池堆和电池堆之间多个MOS管、二极管和一个顶层电感相连构成顶层桥式开关矩阵均衡电路，底层Buck-Boost均衡电路内部SOC高的电池单体放电，顶层桥式开关矩阵均衡电路中SOC高的电池堆放电。当均衡控制电路检测到某一个电池单体的SOC偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,同时导通另一端的MOS管与相邻电池单体构成回路,给相邻电池单体充电,从而实现相邻单体间能量的转移。当均衡控制电路检测到某一个电池堆SOC的值偏高时,导通所对应的MOS管对其进行放电,同时对其一端的电感进行充电；当MOS管关断后,电感保持瞬时电流不变,经过二极管与其他电池堆构成回路,给其他电池堆充电,从而实现电池堆间能量的转移。这种双层的均衡结构在对电池组进行均衡时，不仅可以实现相邻两个单体之间进行能量的均衡,还能实现任意两个相距“较远”的电池堆之间进行能量的均衡,两组均衡可以同时进行，这样便使得均衡的时间显著缩短,均衡的效率显著提升，解决了传统均衡电路均衡速度慢，均衡时间长的问题。
在底层Buck-Boost均衡电路中，底层电感一端连接的是上一节电池单体的负极和下一级电池单体的正极，底层电感的另一端连接上一级电池单体对应的MOS管的源极和下一级电池单体对应的MOS管的漏极。每个MOS管均串联有底层二极管。底层Buck-Boost均衡电路的工作原理如图2所示：假设SOCB1＞SOCB2，并且SOCB1+SOCB2＞SOCB(n-1)+SOCBn，电池单体B1的SOC高于电池单体B2，则首先控制Q1导通，Q2断开，此时B1通过Q1给底层电感L1充电；然后Q1断开，Q2导通，底层电感L1将存储的能量通过Q2传递给B2。
在底层,当检测到相邻两个电池单体之间的SOC差值低于需要的均衡值时,即断开相应的两个开关；在顶层，当检测到两个电池堆之间的SOC差值低于需要的均衡值时,即断开相应的两个开关。均衡控制电路能准确计算出每一个电池单体的SOC值，也可以准确计算出每一个电池堆的SOC。
在顶层桥式开关矩阵均衡电路中，上桥臂的二极管阴极与电池堆正极相连，上桥臂的二极管阳极与MOS管的源极相连，下桥臂的二极管阴极与电池堆负极相连，下桥臂的二极管阳极与MOS管的漏极相连，只有前n/2个上桥臂上和后n/2个下桥臂上设置有二极管。每个MOS管均串联有顶层二极管。顶层桥式开关矩阵均衡电路的工作原理如如图3所示，假设电池组由6节电池单体组成，则共有B12、B34、B56三个电池堆，假设SOCB12＞SOCB56，令N1和M2导通,此时N1和M2联合给顶层电感L0充电，然后令N1和M2断开,N4和M3闭合,此时顶层电感L0给B56充电。正是这种顶层非相邻电池堆之间可以同时均衡的能力,使得此种结构的均衡时间得以缩短，并且，这种结构在顶层需要用到的电感也只有一个，结构简单。
底层Buck-Boost均衡电路对SOC高的电池单体放电时以及顶层桥式开关矩阵均衡电路对SOC最高的电池堆进行放电时，控制信号为占空比为50％的PWM调制脉冲。
均衡电路以单片机为核心，检测每一节电池单体的SOC的同时也能够检测每一个电池堆的SOC，并输出多路PWM控制信号。
通过控制MOS管的导通时间来控制均衡电流的大小，操作简单。
双层主动均衡电路的控制算法如下：在底层如果一个电池堆内相邻两节电池单体SOC的差值超过了设定的目标值，可以直接通过内部Buck-Boost电路来进行均衡，Buck-Boost电路是对电池堆中SOC高的电池单体进行放电，控制信号为占空比为50％的PWM调制脉冲，这时Buck-Boost电路中的电感开始充电，充电结束后，电感开始给低SOC的电池单体充电，再交替进行；顶层是对电池组中SOC最高的电池堆进行放电，控制信号为占空比为50％的PWM调制脉冲，这时桥式开关矩阵中的电感开始充电，充电结束后，电感开始给低SOC的电池堆充电，再交替进行。两层之间的均衡可以同时进行。
本发明所述的电路中不包含耗能元件，能量转移效率较高。与基于Buck-Boost的单层主动均衡电路相比，本发明所述电路在进行均衡时，底层内相邻两个单体之间会直接通过Buck-Boost电路进行均衡，顶层均衡电路会均衡两个电池堆，同时有两路电感参与能量转移，整体均衡效果更佳。

Claims (9)

1.一种电池组双层主动均衡电路，其特征在于：电池组由n节电池单体B1、B2、B3……Bn-1、Bn串联而成，每相邻两节电池单体两两组合形成一个电池堆，一个电池堆内的两节电池单体之间通过一个底层电感和一个MOS管相连并构成底层Buck-Boost均衡电路，电池堆和电池堆之间多个MOS管、二极管和一个顶层电感相连构成顶层桥式开关矩阵均衡电路，底层Buck-Boost均衡电路内部SOC高的电池单体放电，顶层桥式开关矩阵均衡电路中SOC高的电池堆放电。
2.根据权利要求1所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：在底层Buck-Boost均衡电路中，底层电感一端连接的是上一节电池单体的负极和下一级电池单体的正极，底层电感的另一端连接上一级电池单体对应的MOS管的源极和下一级电池单体对应的MOS管的漏极。
3.根据权利要求2所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：每个MOS管均串联有底层二极管。
4.根据权利要求1所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：在顶层桥式开关矩阵均衡电路中，上桥臂的二极管阴极与电池堆正极相连，上桥臂的二极管阳极与MOS管的源极相连，下桥臂的二极管阴极与电池堆负极相连，下桥臂的二极管阳极与MOS管的漏极相连。
5.根据权利要求4所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：只有前n/2个上桥臂上和后n/2个下桥臂上设置有二极管。
6.根据权利要求4所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：每个MOS管均串联有顶层二极管。
7.根据权利要求4所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：底层Buck-Boost均衡电路对SOC高的电池单体放电时以及顶层桥式开关矩阵均衡电路对SOC最高的电池堆进行放电时，控制信号为占空比为50％的PWM调制脉冲。
8.根据权利要求1所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：均衡电路以单片机为核心，检测每一节电池单体的SOC的同时也能够检测每一个电池堆的SOC，并输出多路PWM控制信号。
9.根据权利要求1所述的电池组双层主动均衡电路，其特征在于：通过控制MOS管的导通时间来控制均衡电流的大小。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116154924A (zh) * 2023-04-14 2023-05-23 苏州大学 基于双层拓扑的锂电池主动均衡***及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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