CN202856386U - 一种主动均衡充放电的智能电池模组及*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种主动均衡充放电的智能电池模组，其特征在于包括由N节电池串联连接的电池组、开关管、多绕组变压器和电池控制单元，其中：第n节电池通过第n次级开关管（Kn）并联连接到所述多绕组变压器的第n次级绕组；所述电池控制单元分别与所述电池组中各电池的正负极端电气连接，监测所述电池组中各电池的电压。本实用新型还提供了一种主动均衡充放电的智能电池模组***，由M个本实用新型的智能电池模组串联连接。本实用新型公开的主动均衡充放电的智能电池模组及***克服以往电池均衡电路的不足，实现电池的充电均衡，也实现放电均衡，电池均衡过程中能量损失小，效率高，实现了快速电池均衡。

Description

一种主动均衡充放电的智能电池模组及***

技术领域

本实用新型属于电池充放电技术领域，尤其涉及基于智能电池模组的电池组主动均衡充放电***，本实用新型也可以应用在电容串联或电容组串联均衡充放电***。

背景技术

在锂离子电池的大中功率应用场合，通常，将多个锂离子电池串联起来组成电池组以获得足够的电压，在此情况下，必须考虑充放过程中的各电池单体或电池模块的失衡现象，而且，随着时间的推移，充放电次数的增加，这种失衡现象会愈加严重，影响电池的寿命和可靠性。这时，锂离子电池的特性表现为：

（1）锂离子电池对充放电的条件要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度升高，严重破坏电池性能，导致电池寿命缩短；

（2）锂离子电池具有相对平坦的充电曲线，必须非常准确地监视电池的电压、电流、温度以及电池剩余能量的估算；

（3）由于电池单体的内部特性不一致，在充放电过程中将出现部分电池过充或过放的现象，这不但影响整个电池组的效能，还将影响电池组的寿命，甚至出现***等危险。

综上所述，锂离子电池必须采用均衡充电技术，这种观点在国内外已经得到完全认同。

在过去的电池管理***中，被动均衡是常用的方法。该方法通过单体电池的并联分流元件电阻来进行充电分流，从而实现均衡充电，这种类型被称作能量耗散型。该方法的特点是电路结构简单，均衡过程一般在充电过程中完成。但是，该方法不能对容量相对低的单体电池补充电量，存在能量浪费的缺点，并产生发热管理的问题。因此，被动均衡模式已经不能满足动力锂电池均衡技术的不断发展的要求。

目前，作为被动均衡的替代，动力锂电池均衡采用了主动均衡型电池管理电路。主动均衡模式是指串联电池组在充放电时，电压较高的电池的电能不会被电阻消耗掉，其能量通过载体传递给电压较低的电池，实现了锂电池组的均衡充放电。所述的能量传递大多采用电容或电感等储能元件通过功率开关管控制来实现。

实用新型内容

在主动均衡型电池管理方案中，多采用了电容或电感等储能元件和功率开关管，由于存在有耗能元件，在电池均衡过程中造成能量损失，影响了效率，难以实现大容量电池组快速均衡。

本实用新型的目的克服以往技术的不足：

1、有些均衡技术只能实现单一的充电均衡或是放电均衡；

2、实现均衡的电池个数有限；

3、有的均衡技术能量损耗较大，效率低；以及

4、模块化设计不足，不能实现电池模组的智能扩展。

本实用新型提供的主动均衡充放电***克服以往电池均衡电路的以上四点不足之处，既可以在电池充电或是放电的过程中进行动态均衡操作，也可以在电池待机的状态下完成电池的均衡操作。在电池均衡过程中的能量损失小、效率高，实现了快速电池均衡。智能电池模组模块化技术便于电池模组的智能扩展，可以实现更多的电池串联，增强了电池模组间的能量均衡和控制。本实用新型采用MCU实现智能控制，在实现电池组内的均衡充放电功能外，还实现了电池模组间的均衡充放电，包括电池的监测与保护。

本实用新型还可以应用在电容的串联均衡充放电管理。

本实用新型提供了一种主动均衡充放电的智能电池模组，包括由N节电池串联连接的电池组、开关管、多绕组变压器和电池控制单元，其中：

第n节电池通过第n次级开关管（Kn）并联连接到所述多绕组变压器的第n次级绕组；所述多绕组变压器的第一初级绕组通过第一初级开关管（Km）与所述电池组并联连接；

所述电池控制单元分别与所述电池组中各电池的正负极端电气连接，监测所述电池组中各电池的电压；所述电池控制单元还与第n次级开关管（Kn）电连接，并控制第n次级开关管（Kn）的断开和闭合；所述电池控制单元还与第一初级开关管（Km）电连接，并控制第一初级开关管（Km）的断开和闭合；

其中，N为正整数，N≥2，n为正整数，n∈[1,N]。

本实用新型还提供了一种主动均衡充放电的智能电池模组***，由M个上述智能电池模组串联连接，其中，第m个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关管（K_Sm）连接到本智能电池模组内的电池组的正极端（P），同时和第m+1个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；

其中，M为正整数，M≥2，m为正整数，m∈[1，M]。

本实用新型具有如下优点：

1）既可以实现电池的充电均衡，也可实现放电均衡；

2）采用变压器作为能量传递能量元件，没有耗能元件，电池均衡过程中能量损失小，效率高；

3）采用新的拓扑结构，可以很好地解决多组电池串联后的均衡问题；

4）采用新的控制策略可以解决快速电池均衡；

6）采用MCU智能控制，实现电池的监测与保护；

7）电池组采用模块化设计，实现电池组智能串联扩展，完成大容量电池及电池组的均衡；

8）本实用新型还可以应用在电容或超级电容的串联均衡充放电管理。

附图说明

图1是根据本实用新型的实施例的多绕组反激式变压器的示意图；

图2是示出根据本实用新型的实施例的长板均衡方法的原理的示意图；

图3是示出根据本实用新型的实施例的短板均衡方法的原理的示意图；

图4是示出根据本实用新型的实施例的单个电池组控制的原理的示意图；

图5是示出根据本实用新型的实施例的电池组级联的原理的示意图；

图6是示出根据本实用新型的实施例的能量向上传递的原理的示意图；

图7是示出根据本实用新型的实施例的能量向下传递的原理的示意图；以及

图8是示出根据本实用新型的实施例的电池组级联后的控制原理的示意图。

具体实施方式

将通过参考上述附图，通过以下对于实施例的描述来进一步理解本实用新型。

本实用新型的实施例包括两大部分，其一为单组电池串的电池均衡，其二为电池模组串（电池组级联）均衡。下面以锂离子电池作为示例来说明本实用新型的原理。本领域的技术人员完全可以理解，本实用新型不限于某种具体的电池类型，还可适用于现有、以及将来可能出现的各种电池类型。

1.单个锂离子电池组主动均衡充放电

单个锂离子电池组主动均衡充放电采取基于变压器架构的主动均衡方案。如图1所示，该方案采用一个多绕组反激式变压器作为核心，通过磁场与电场的转换，实现能量在单个电池单元间双向传递。电池充电和放电均衡的具体过程如下：当某节电池电压过高时，可以通过并接在该电池上的绕组将多余的能量转移到整个电池组上去。当某节电池电压过低时，通过并接在电池组上的绕组可以把电池组的能量转移到该节电池上。因此，该方案可以完整地实现在充电和放电时的实时均衡，发挥出每节电池的潜力。保证充电时每节电池都能够充满；放电时每节电池都能放至最低的极限，在充放电过程中，每节电池也能够保持相同的电压，使电池组的每节电池真正做到“同生共死”。另外，通过多绕组变压器的第二初级绕组和开关管（K_S1）也可以实现电池组之间的电压均衡，以实现更多电池单体的串联。

基于上述巧妙构思，本发明实施例设计一主动均衡充放电的智能电池模组，包括由N节电池串联连接的电池组、开关管、多绕组变压器和电池控制单元，其中：

第n节电池通过第n次级开关管（Kn）并联连接到所述多绕组变压器的第n次级绕组；所述多绕组变压器的第一初级绕组通过第一初级开关管（Km）与所述电池组并联连接；

所述电池控制单元分别与所述电池组中各电池的正负极端电气连接，监测所述电池组中各电池的电压；所述电池控制单元还与第n次级开关管（Kn）电连接，并控制第n次级开关管（Kn）的断开和闭合；所述电池控制单元还与第一初级开关管（Km）电连接，并控制第一初级开关管（Km）的断开和闭合；

其中，N为正整数，常量，N≥2；n为正整数，变量，n∈[1,N]。

具体而言，上述电路连接方式为：

当N=2时:

第一电池通过第一次级开关管（K1）并联连接到多绕组变压器的第一次级绕组；第二电池通过第二次级开关（K2）并联连接到多绕组变压器的第二次级绕组。

所述电池控制单元与第一电池和第二电池各自的正负极端电气连接，监测第一电池和第二电池的电压。所述电池控制单元还与第一次级开关和第二次级开关电连接，并控制第一次级开关和第二次级开关的断开和闭合。电池控制单元还与第一初级开关（Km）电连接，并控制第一初级开关（Km）和第二初级开关（Ks）断开和闭合。

当N>2时：

第一电池通过第一次级开关管（K1）并联连接到多绕组变压器的第一次级绕组；第二电池通过第二次级开关（K2）并联连接到多绕组变压器的第二次级绕组；……；以此类推，第N节电池通过第N次级开关（Kn）接到所述多绕组变压器的第N次级绕组。

所述电池控制单元与第一电池至第N个电池各自的正负极端电气连接，监测第一电池至第N个电池的电压；所述电池控制单元还与第一次级开关至第N次级开关电连接，并控制第一次级开关至第N次级开关的断开和闭合；电池控制单元还与第一初级开关（Km）电连接，并控制第一初级开关（Km）和第二初级开关（Ks）断开和闭合。

较佳地，本发明实施例中，所述多绕组变压器是反激式多绕组变压器，反激式多绕组变压器由两个同极型初级绕组和多个反极型次级绕组组成。从而进行能量管理和移动，且具有线圈的匝数少，便于绕制的优点。这样的结构设计既能保证能量在初级绕组和次级绕组之间的双向移动，也实现了相邻电池组之间的能量移动。变压器两个初级绕组采用1:1匝数比的同极型绕制，简化了变压器设计和绕制工艺，克服了在多电池组串联时串联数量固化的不足，电池组模块化程度更高，电池组串联能力更强，柔性扩展更好。较佳地，本发明实施例还设计多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过第二初级开关管（Ks）与电池模组的正极端（P）连接，所述第二初级开关管（Ks）还用于与另一智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；所述电池控制单元还与所述第二初级开关管（Ks）电连接，并控制所述第二初级开关管（Ks）的断开和闭合。通过设计第二初级开关管（Ks），使得智能电池模组单体具有很好的扩展性，从而为支持更大的智能化控制***，更大容量的锂电池***提供可能。

下面将具体说明本发明智能电池模组单体内部各电池之间如何实现主动均衡充放电。

1.1充电均衡法

如果某个电池单元的电压高于其他单元，那么就需要将其中的能量导出，这在充电模式下尤其必要。如果不进行均衡，充电过程在第一块电池单元充满之后就不得不立即停止整个电池组充电。均衡可以保持所有电池单元的电压相等而避免发生过早停止充电的情况。图2给出了能量流动原理。例如，在利用MCU（在图4中示出）对单体电池端电压进行扫描式检测之后，发现电池单元3是整个电池组中电压最高的单元。此时，闭合开关管K3而其它开关管K1、K2、K4保持断开，电流从电池流向变压器的次级线圈（绕组），以磁能的形式存在变压器的次级线圈的铁芯之中。在K3断开后闭合主开关管Km，此时，变压器就从储能模式进入了能量输出模式。能量通过初级线圈送入整个电池组。

1.2放电均衡法

如图3所示，当利用MCU（在图4中示出）对单体电池端电压进行扫描式检测发现电池单元3是电压最低的单元时，必须对其进行补充充电。此时闭合主开关管Km，电池组开始对变压器充电。主开关管Km断开后，变压器存储的能量就可以转移至选定的电池单元。此时，相应的次级开关管（在本例中是开关管K3）闭合（其它开关管K1、K2、K4保持断开）后，就开始能量转移，即，变压器存储的能量转移至选定的电池单元3。尤其是当某个电池单元的电压已经达到SOC的下限时，短板均衡法能够帮助延长整个电池组的工作时间，这在放电模式下尤其必要。只要电池组提供的电流低于平均平衡电流就能持续放电，直到每一节电池都达到SOC的下限，实现电池组最大能量输出，充分利用电池能量。

1.3单个电池组控制原理

在单个电池组中，利用MCU（微控制单元）对单体电池端电压进行扫描式检测，并根据上述均衡策略，分别控制Km、K1、K2、K3、K4开关管，以实现单体电池的均衡控制过程，当单个电池组进行均衡时，KS开关管是不工作的。此电路当中采用了MCU控制技术，使均衡控制更加灵活，控制精度更高，同时，通过改变MCU的程序，可以控制开关管的时间长短，可以使此均衡技术适用于不同种类的电池，甚至可以适用于串联的电容组。

基于上述智能电池模组的可扩展性，本发明实施例还提供了一种主动均衡充放电的智能电池模组***，由M个上述智能电池模组串联连接，其中，第m个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关管（K_Sm）连接到本智能电池模组内的电池组的正极端（P），同时和第m+1个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；

其中，M为正整数，M≥2，m为正整数，m∈[1，M]。

具体而言，上述电路连接方式为：

当M＝2时:

第一电池组和第二电池组串联连接，第一电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关（K_S1）连接到第一电池组的正极端（P），同时和第二电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；第二电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关（K_S2）连接到第二电池组的正极端（P）。

当M>2时:

第一电池组到第n电池组串联连接，第一电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关（K_S1）连接到第一电池组的正极端（P），同时和第二电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；第二电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关（K_S2）连接到第二电池组的正极端（P），同时和第三电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；……；以此类推，第N-1电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关（K_S2）连接到第N-1电池组的正极端（P），同时和第N电池组的所述多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接。智能电池模组通过此传递连接实现多电池模组的级联均衡控制电路。

下面将具体说明本发明智能电池模组***内各智能电池模组之间如何实现主动均衡充放电。

2.多个锂电池串联电池组主动均衡充放电

2.1电池组级联（串联）方式

当用电***需要电池组电压较高时，可以将单组电池模块再进行级联以实现更高电压等级的电池组。其连接方式如下：将智能电池模组1的反激式变压器的（L1）端经过开关管（K_S1）接到智能电池模组1的电池组的正极端，同时，智能电池模组1的（L1）端经过开关管（K_S1）连接到智能电池模组2的变压器的（L2）端；智能电池模组1的电池组的负极端连接到智能电池模组2的电池组的正极端，再将智能电池模组2的反激式变压器的（L1）端经过开关管连接到智能电池模组2的电池组的正极端，同时，智能电池模组2的（L1）端经过开关管连接到智能电池模组3的变压器的（L2）端。依此类推，能够将更多的智能电池模组单元连接到一起。

2.2电池组之间充电均衡

当电池组之间电压失衡时，假设智能电池模组2的电池组端电压高于其它智能电池模组的电池组端电压，其均衡过程如下：

智能电池模组2的电池组的（Km）开关管闭合，智能电池模组2的电池组输出能量，以磁能的形式储存在变压器当中；然后断开智能电池模组2的（Km）开关管，闭合（K_S2）开关管，这样储存在变压器当中的磁能转换成电能，传递到智能电池模组1的电池组当中，从而实现能量的向上传递过程。依此类推，在智能电池模组3的电池组端电压高于其他智能电池模组的电池组端电压的情况下，智能电池模组3的能量也可以传递到智能电池模组2当中。

2.3电池组之间放电均衡

当电池组之间电压失衡时，假设智能电池模组2的电池组端电压低于其他电池组端电压，其均衡过程如下：

（K_S2）开关管闭合，智能电池模组1电池组输出能量，以磁能的形式储存在变压器当中；然后断开（K_S2）开关管，闭合智能电池模组2的（Km）开关管，这样储存在变压器当中的磁能转换成电能，传递到智能电池模组2的电池组当中，从而实现能量的向下传递过程。依此类推，在智能电池模组3的电池组端电压低于其他智能电池模组的电池组端电压的情况下，智能电池模组2的能量也可以传递到智能电池模组3当中。

2.4电池组串联控制模式

较佳地，当多个电池组串联起来以后，各智能电池模组之间通过现场总线连接，实现各智能电池模组间的均衡充放控制和能源管理。这种通信方式更加简洁，可靠。

较佳地，各智能电池模组中的电池控制单元通过现场总线形成通讯连接，以其中一个智能电池模组中的电池控制单元为主控制单元，控制其他智能电池模组中的电池控制单元。

智能电池模组控制器将分时工作在两种模式下，即：组内均衡和组间均衡。组间均衡的整个工作过程由中央控制器跟据组间均衡策略进行统一控制，通过通信总线下发指令到每个智能电池模组控制器，从而协调各智能电池模组工作。

2.5电池组之间均衡的优点

上述这种电池组之间的均衡方法，可以通过变压器实现电池组之间的能量向上传递和能量向下传递。充电时，电压较高的电池组输出能量经过变压器传递到邻近的电池组，邻近的电池组再继续向下传递，整个能量的传递过程就像一个“能量泡”逐级衰减式将能量均衡到每一个电池组。然后，再经过电池组内部的均衡（组内均衡），实现单体电池的均衡。

这种均衡方式的优点在于：1）可以实现能量的向上或向下均衡；2）也可以实现在充放电过程中的均衡；3）采用变压器作为能量传递的媒介，可以实现无损均衡；4）均衡电流大，不像以往的均衡方式在几安培至几十安培之内，这种方式下的均衡电流可以达到上百安培；5）这种均衡方式采用模块化的方式，可以灵活、方便地实现多组电池组的串联，也可以实现多电池组的并联，从而实现大容量电池组***。

以上结合附图和实施例的描述是示意性的，该描述不是限制性的。本领域的技术人员应能理解，在实际应用中，在本实用新型的启示下，其他人员也可能做出与本实用新型相似的设计或对本实用新型进行一些添加或改变。特别需要指出的是，只要不脱离本实用新型的设计宗旨，所有显而易见的改变以及具有等同替换的相似设计，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种主动均衡充放电的智能电池模组，其特征在于，包括由N节电池串联连接的电池组、开关管、多绕组变压器和电池控制单元，其中：

第n节电池通过第n次级开关管（Kn）并联连接到所述多绕组变压器的第n次级绕组；所述多绕组变压器的第一初级绕组通过第一初级开关管（Km）与所述电池组并联连接；

所述电池控制单元分别与所述电池组中各电池的正负极端电气连接，监测所述电池组中各电池的电压；所述电池控制单元还与第n次级开关管（Kn）电连接，并控制第n次级开关管（Kn）的断开和闭合；所述电池控制单元还与第一初级开关管（Km）电连接，并控制第一初级开关管（Km）的断开和闭合；

其中，N为正整数，N≥2，n为正整数，n∈[1，N]。

2.如权利要求1所述的智能电池模组，其特征在于：

多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过第二初级开关管（Ks）与电池模组的正极端（P）连接，所述第二初级开关管（Ks）还用于与另一智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；

所述电池控制单元还与所述第二初级开关管（Ks）电连接，并控制所述第二初级开关管（Ks）的断开和闭合。

3.如权利要求1或2所述的智能电池模组，其特征在于，所述多绕组变压器是反激式多绕组变压器，反激式多绕组变压器由两个同极型初级绕组和多个反极型次级绕组组成。

4.如权利要求3所述的智能电池模组，所述反激式多绕组变压器的两个初级绕组采用1:1匝数比的同极型绕制。

5.一种主动均衡充放电的智能电池模组***，其特征在于，由M个如权利要求2所述的智能电池模组串联连接，其中，第m个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第一端（L1）通过其第二初级开关管（K_Sm）连接到本智能电池模组内的电池组的正极端（P），同时和第m+1个智能电池模组的多绕组变压器的第二初级绕组的第二端（L2）连接；

其中，M为正整数，M≥2，m为正整数，m∈[1,M]。

6.如权利要求5所述的***，其特征在于：

各智能电池模组之间通过现场总线连接，实现各智能电池模组间的均衡充放控制和能源管理。 

7.如权利要求6所述的***，其特征在于，各智能电池模组中的电池控制单元通过现场总线形成通讯连接，以其中一个智能电池模组中的电池控制单元为主控制单元，控制其他智能电池模组中的电池控制单元。

8.如权利要求5至7中任何一项所述的***，其特征在于，所述多绕组变压器是反激式多绕组变压器，反激式多绕组变压器由两个同极型初级绕组和多个反极型次级绕组组成。

9.如权利要求8所述的***，所述反激式多绕组变压器的两个初级绕组采用1:1匝数比的同极型绕制。 

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