CN207967973U - 一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，本实用新型均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵。本实用新型可以实现电池组的电气隔离，防止不同电池组之间的相互影响，采用反激式变压器作为能量转换的媒介，减小了均衡器的体积且拓扑电路原理简单。

Description

一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。

背景技术

随着环境问题和能源危机的加剧，绿色和环保受到广泛的关注，各国都提倡发展绿色能源，减少化石燃料的使用。作为一种新能源交通工具，电动汽车受到了广泛的关注，其发展成为必然趋势。由于锂离子电池具有体积小，能量密度高并且无记忆效应从而在电动汽车领域得到了广泛的应用。但锂离子电池的额定电压较低，为了满足电压的要求，需要将大量的锂离子电池串联起来使用。在蓄电池组的使用过程中，由于电池本身的差异和使用环境的差异会导致锂离子电池能量不一致，从而会导致锂离子电池的过充和过放，进而导致蓄电池组的提前报废。为了解决蓄电池组能量不一致的问题，必须采取有效的方案对蓄电池组进行能量均衡。

目前，有多种蓄电池组均衡方案，包括被动均衡和主动均衡，被动均衡主要是通过将蓄电池多余的能量通过电阻进行消耗从而达到均衡的目的，此种均衡方案能量损耗严重。主动均衡主要是将蓄电池多余的能量进行转移从而达到均衡的目的，均衡效率较高并且能量损耗较小。现存的均衡方案的均衡效率普遍较低，并且大量使用开关器件，开关频率高，能量损耗严重。

蓄电池均衡技术的局限导致了电动汽车得不到广泛的发展，并且其价格昂贵，因此，电动汽车的应用变得很困难，为了提高均衡效率和降低能量损耗，解决电动汽车发展的局限问题，必须寻求一种高效的均衡方案。研究锂离子蓄电池组高实效均衡器，解决串联成组的锂离子单体电池间的能量不一致问题，对于提高锂离子蓄电池组的充放电容量，延长其循环使用寿命，推动新能源锂离子电池储能***及新能源电动汽车发展具有非常重要意义，同时对促进人类社会的可持续发展有着非常重要的社会价值和现实意义。

发明内容

针对大规模锂离子电池储能***和电动汽车车载锂离子动力电池***中大量串联锂离子单体电池间能量不一致问题，本实用新型提供了一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器。

本实用新型的技术方案是：一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；

所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；

其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

所述电压源E由电池***经过DC/DC提供或者电池***以外的蓄电池组提供。

所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。

本实用新型的有益效果是：本实用新型可以实现电池组的电气隔离，防止不同电池组之间的相互影响，采用反激式变压器作为能量转换的媒介，减小了均衡器的体积且拓扑电路原理简单。本实用新型以两节电池为一个电池单元而引入了二重能量均衡策略，均衡能量转移效率高、均衡速度快、对均衡电流的控制能力强，在实现每组电池组内各电池单元间能量均衡的同时，也实现了不同电池组间及不同电池组的电池单元之间的能量均衡。

附图说明

图1是本实用新型拓扑电路原理图；

图2是电池***充电均衡时的等效电路图；

图3是电池***放电均衡时的等效电路图；

图4是电池***静置均衡时的电池单元均衡电路图。

具体实施方式

实施例1：如图1-4所示，一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

进一步地，可以设置选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述电压源E由电池***经过DC/DC提供（或者电压源E由电池***以外的蓄电池组提供）。

进一步地，可以设置所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。

当电池***处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1、M2、…、MN进行PWM控制，则来自N个电池组的N个能量最高的电池单元作为反激式变压器一次侧的电源进行均衡放电。

以两组电池的均衡为例，如图2所示，电池***处于充电状态时，假设两个电池组中能量最高的电池单元分别为B11、B22。均衡时，首先通过选通开关矩阵选通电池单元B11、B22，即分别控制开关1H11、1S11、2H12和2S12处于导通状态。被均衡的电池单元B11、B22作为反激式变压器一次侧的电源进行均衡放电。均衡时，对主控开关M1和M2进行PWM控制，则2个电池单元通过反激式变压器均衡放电。当M1和M2处于导通时，来自电池单元的能量储存在变压器的一次侧绕组中，当M1和M2关断时，储存在变压器中的能量经M0的反并联二极管转移到电压源E中。通过电池***充电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最高的电池单元同时均衡放电，一方面提高每个电池组及整个电池***的充电容量，另一方面也使电池***中来自不同电池组的能量最高的单体电池间的能量得到均衡。

实施例2：如图1-4所示，一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

进一步地，可以设置选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述电压源E由电池***以外的蓄电池组提供（或者电压源E由电池***经过DC/DC提供）。

进一步地，可以设置所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。

当电池***处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，然后对主控开关M0进行PWM控制，来自N个电池组的N个能量最低的电池单元作为反激式变压器一次侧的输出端被同时进行均衡充电。

以两组电池的均衡为例，如图3所示，电池***处于放电状态时，假设两个电池组中能量最低的电池单元分别为B12、B21。均衡时，首先通过选通开关矩阵选通电池单元B12、B21，即分别控制开关1H22、1S22、2H21和2S21处于导通状态。被均衡的电池单元B12、B21作为反激式变压器一次侧的输出被进行均衡充电。均衡时，对主控开关M0进行PWM控制，则2个电池单元通过反激式变压器被均衡充电。当M0处于导通时，来自电压源的能量储存在变压器的二次侧绕组中，当M0关断时，储存在变压器中的能量经M1和M2的反并联二极管转移到电池单元B12和B21中。通过电池***放电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最低的电池单元同时均衡充电，一方面提高每个电池组及整个电池***的放电容量，另一方面也使电池***中来自不同电池组的能量最低的单体电池间的能量得到均衡。

实施例3：如图1-4所示，一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

进一步地，可以设置选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述电压源E由电池***以外的蓄电池组提供（或者电压源E由电池***经过DC/DC提供）。

进一步地，可以设置所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。

电池***处于静置状态时，通过电池单元均衡模块，实现每个电池单元中两个串联单体电池之间的能量均衡，等效的均衡电路为典型的升降压斩波电路。

如图4所示，以电池单元A11为例，假设电池单元B11中，单体电池Cell11能量高。均衡时，对均衡模块A11中的开关1Q1进行PWM控制：当开关1Q1导通时，回路①被激活，单体电池Cell11放电，电感L储能；1Q1关断时，回路②被激活，电感L中的能量向单体电池Cell12转移。同理对开关1Q2进行PWM控制时，能量将由单体电池Cell12向单体电池Cell11转移。电池***中其它电池单元均衡模块（Aij，i=1,2,…,N，j=1,2,…,m）均衡原理同上。

实施例4：如图1-4所示，一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

进一步地，可以设置选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

进一步地，可以设置所述电压源E由电池***经过DC/DC提供或者电池***以外的蓄电池组提供。

进一步地，可以设置所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。

当电池组处于充电或放电状态时，如果只有某一个或几个电池组的能量不一致，可以只对这一个或几个电池组进行均衡。在均衡中，控制相应的矩阵开关和主控开关从而实现能量的均衡。

当电池***处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1、M2、…、MN进行PWM控制，来自N个电池组的N个能量最高的电池单元作为反激式变压器一次侧的电源同时进行均衡放电；当主控开关处于开通状态时，电池单元中的能量储存在反激式变压器T的一次侧绕组中，当主控开关M1、M2、…、MN处于断开状态时，储存在反激式变压器T中的能量经M0的反并联二极管转移到电压源E中；在充电均衡中，能量高的电池单元放出的能量多。

当电池***处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中能量最低的电池单元，然后对主控开关M0进行PWM控制，电压源E作为反激式变压器T二次侧的电源，则来自N个电池组的N个能量最低的电池单元被同时进行均衡充电；当主控开关M0处于开通状态时，电压源E中的能量储存在反激式变压器T的二次侧绕组中，当主控开关M0关闭时，储存在反激式变压器T中的能量转移到电池组中相应的电池单元中；在放电均衡中，能量低的电池单元被充电的能量多。

上面结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，其特征在于：对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池***，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感L构成，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；

所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；

其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，其特征在于：所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，其特征在于：选通开关矩阵X的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，其特征在于：所述电压源E由电池***经过DC/DC提供或者电池***以外的蓄电池组提供。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池***多重模式高效能量均衡器，其特征在于：所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。