CN209313474U - 基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及锂电池均衡技术领域，尤其是基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，该均衡拓扑由n个电池单体依次串联组成串联电池组，串联电池组连接变压器的输入端，变压器输出端接一个储能电容，储能电容两端分别连接Buck_Boost单元的输入端，每个电池单体分别连接一个Buck_Boost单元输出端。该拓扑通过变压器对储能电容充电，电容临时存储能量，再通过控制每个Buck_Boost单元中的开关管，将电容中的能量通过Buck_Boost单元分配到需要均衡的电池单体，通过周期性的将电池组能量反馈到电池单体，实现对电池组的整体均衡。该实用新型电池组的放电回路经过每个电池单体，电容可向电池单体多路同时放电，具有均衡速度快，能量损耗小等优点。

Description

基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路

技术领域

本实用新型涉及锂电池均衡技术领域，尤其是一种基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路。

背景技术

日益严重的环境问题和经济问题促使着各国都在积极推动清洁能源的开发，同时城市交通方面也在向着清洁、高效和可持续发展的方向发展，锂电池以能量密度高，体积小，无记忆效应、循环寿命长等优点，已被广泛应用于纯电动汽车和混合动力电动汽车。由于锂电池单体电压较低，为了实现在高压场合的应用，通常需要将很多个锂电池单体串联起来以达到高电压输出。但是锂电池在生产工艺方面存在一些差异，导致其单体电池内阻，储存能量，工作环境温度等参数不一致，因此电池组在充放电过程中会存在过充和过放现象，这样不仅降低了电池的效率、容量，更严重的会缩短电池寿命以至于会发生***的危险。因此研究一种电池均衡电路来保证电池在工作过程中的电压一致问题，从而提高电池工作效率和延长电池寿命具有重要意义。

目前，研究人员曾提出过许多均衡电路拓扑，按照拓扑结构分类，可以将这些均衡电路分为两大类：集中式均衡电路和分布式均衡电路。集中式均衡电路是指整个电池组共用一个均衡器，通过变换器分压等技术将能量重新分配到各个电池单体，最终实现能量在电池单体与电池组间传递的一种均衡方式。分布式均衡电路则是指每个电池单体都配有一个均衡器，通过每个均衡器工作来实现电池单体间的均衡。从能量角度来看，均衡电路又可分为耗散型均衡和非耗散型均衡。耗散型均衡是指通过每个电池单体两端并联的电阻消耗掉多余的能量来达到均衡的目的，该方法也是最早提出来的方案，但由于其存在大量的能量消耗以及会产生多余的热量，会使得均衡效率大大降低，因此非耗散型均衡电路成为研究的主流方向。非耗散型均衡电路是指通过电感，电容，变压器等储能元件将高电压电池中的能量转移到低电压电池中，在均衡过程很少有能量的损耗，并且具有较高的均衡效率。但是传统的Buck_Boost均衡电路方法，通过开关选择需要均衡的两个电池，将高电压电池中的能量转移到低电压的电池中，实现能量的传递，然而这种方法每次只能在两个电池之间进行能量的传递，因此会存在均衡速度较慢的问题。基于多绕组变压器的均衡电路，通过将电池组的能量从变压器原边传递到副边多绕组输出端，通过多绕组输出将能量传递到需要均衡的电池单体，这种均衡方法速度较快，但是要达到均衡，必须保证副边绕组参数完全一致，但是在实际中由于各绕组之间存在交叉影响，很难实现参数完全一致，所以极大的限制了该类拓扑在实际中的应用。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型提供了一种基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，既解决了传统Buck_Boost均衡速度慢的问题，又解决了多绕组变压器输出端交叉影响的问题。

本实用新型采用的技术方案是：

一种基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，包括n个电池单体，一个反激变压器，一个储能电容C₁，n个Buck_Boost单元；每个电池单体分别连接一个Buck_Boost单元的输出端；n个Buck_Boost单元互相并联，并联后的输入端与储能电容C₁连接；Buck_Boost单元的输出端分别连接一个电池单体；

n个电池单体串联成电池组；串联电池组连接反激变压器原边，反激变压器副边接储能电容C₁；反激变压器与电池组之间连接充电控制开关管S_Q；

所述的Buck_Boost单元包括两个开关管，三个二极管，一个电感；其中一个开关管和两个二极管分别与电感、电容构成谐振回路，另外一个开关管和另外一个二极管与电池单体构成放电回路。

该均衡电路拓扑的控制方法，包括以下过程：通过对电池组释放能量，再将该部分能量转移到电池组中低能量的电池单体，从而实现电池单体间的均衡；具体过程如下：先控制反激变压器原边开关管导通，将电池组能量通过反激变压器传递到副边输出电容中，然后再控制低能量电池单体对应的Buck_Boost单元输入端开关管导通，电容与电感发生谐振，将电容中的能量分配到各个电感中，最后再控制Buck_Boost单元输出端开关管导通，将电感中的能量转移到电池单体中，从而实现能量从电池组向电池单体多路传递的过程。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)与现有的多绕组变压器均衡拓扑相比，本实用新型只包含一个变压器，并且输出端连接n个Buck_Boost单元，各单元之间相互独立控制，不存在多绕组变压器输出绕组之间互相交叉影响的问题，并且具有体积小，控制简单的优点。

(2)本实用新型电池组放电回路流经整个电池组，不同位置的电池单体具有相同的均衡速度，避免了由于电池单体均衡速度不一致造成的电压交错现象，减小能量损耗。

(3)本实用新型Buck_Boost单元在原有电路的基础上增加了一个开关管，两个二极管，用以限制电流路径，保证各个模态相互独立，避免互相交叉影响的问题。

(4)本实用新型将电池组的能量向低能量电池单体转移时可实现多路同时均衡，从而提高了均衡速度。

附图说明

图1为本实用新型的基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路结构图。

图2为实施例以四电池组中B₃、B₄充电为例的电路工作时序图。

图3为实施例以4电池组为例在一个周期内的工作模态1电路图。

图4为实施例以4电池组为例在一个周期内的工作模态2电路图。

图5为实施例以4电池组为例在一个周期内的工作模态3电路图。

图6为实施例以4电池组为例在一个周期内的工作模态4电路图。

图7a为实施例图1在模态1状态下的等效电路图。

图7b为实施例图1在模态2状态下的等效电路图。

图7c为实施例图1在模态3状态下的等效电路图。

图7d为实施例图1在模态4状态下的等效电路图。

图8为实施例图1在模态2状态下的励磁电感L_m和电容C₁充放电波形。

图9为实施例图1在模态3状态下的电容C₁和电感L充放电波形。

图10为实施例均衡电路拓扑控制流程图。

图11为实施例均衡电路拓扑关键仿真波形。

图12为实施例4电池串联电池组均衡仿真波形图。

图13为实施例6电池串联电池组均衡仿真波形图。

图14为实施例均衡拓扑在充电模式下4电池组的均衡仿真波形。

图15为实施例均衡拓扑在放电模式下4电池组的均衡仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，包括n个电池单体B₁、B₂……B_n，一个反激变压器，一个储能电容C₁，n个Buck_Boost单元；每个电池单体分别连接一个Buck_Boost单元的输出端；n个Buck_Boost单元互相并联，并联后的输入端与储能电容C₁连接；Buck_Boost单元的输出端分别连接一个电池单体；

n个电池单体串联成电池组；串联电池组连接反激变压器原边，反激变压器副边接储能电容C₁；反激变压器与电池组之间连接充电控制开关管S_Q；

所述的Buck_Boost单元包括两个开关管，三个二极管，一个电感；其中一个开关管和两个二极管分别与电感、电容构成谐振回路，另外一个开关管和另外一个二极管与电池单体构成放电回路。

该均衡电路拓扑的控制方法，包括以下过程：在一个周期开始时，先控制充电控制开关管S_Q导通，电池组向变压器原边励磁电感储能，然后关断充电控制开关管S_Q，此时原边励磁电感中的能量将通过变压器耦合释放到副边电容C₁中，然后导通低能量的电池(m个)对应的Buck_Boost单元输入端开关管S_2i-1，此时电容C₁与m个电感L_i谐振，电容中的能量将分配到各个电感L_i中，当电容C₁中的能量释放完毕，关断开关管S_2i-1并且同时导通开关管S_2i，电感L_i中的能量将分别释放到电池单体中，从而完成了由电池组向多个电池单体放电的过程。

进一步的举例如图2所示，有4个电池单体串联组合，其中V_B1＞V_B2＞V_av＞V_B3＞V_B4，为了实现均衡，则需要将B₁、B₂中的能量转移到B₃、B₄中去。在一个工作周期内，可将均衡过程分为4个工作模态。

图3至图6给出了各个模态下的电流路径。

如图3所示，模态1[t₀-t₁]：在t₀时刻，控制器检测到电池B₃、B₄电压低于平均电压，充电控制开关管S_Q导通，串联电池组向变压器原边励磁电感储存能量，励磁电感电流线性上升，直到t₁时刻，充电控制开关管S_Q关断。

如图4所示，模态2[t₁-t₂]：t₁时刻，关断开关管S_Q关断，此时反激变压器原边开始向副边传递能量，励磁电感电流下降，电容C₁电压逐渐上升，t₂时刻，电感电流下降为零，电容电压达到最大值，由于二极管D_Q的反向钳位作用，电容不再释放能量，此时电路中没有能量流动。

如图5所示，模态3[t₂-t₃]：t₂时刻，开关管S₅、S₇导通，电容C₁与电感L₃、L₄并联谐振，电容中的能量向电感转移，当电容电压下降为零时，开关管S₅、S₇关断，此时电容中的能量全部转移到电感中。

如图6所示，模态4[t₃-t₄]：t₃时刻，开关管S₆、S₈导通，电感L₃、L₄中的能量分别向电池B₃、B₄中释放，电感电流线性下降直至降为零，开关管S₆、S₈关断。

该均衡电路不断重复上述过程，即可实现将B₁、B₂中的能量不断的向B₃、B₄中转移。每个周期开始前检测各个电池电压，分别与电池组平均电压作比较，进行上述同样的过程，最终即可实现电池B₁～B₄的均衡。

通过分析可得，当电路工作在稳定状态时，每一个周期都会有能量从电池组反馈回低电压的电池单体。每一个模态中的等效电路分别如图7a、图7b、图7c、图7d所示。设充电控制开关管S_Q导通的时间为αT_s，则一个周期内电池组释放的能量为W＝(V_allαT_s)²/2L_m；模态2中，电容中存储的能量即为W，模态2持续时间为ΔT₁＝π√(L_mC₁)/2，图8给出了电感L_m和电容C₁的充放电波形；在模态3中，电容C₁与m个电感L_i谐振，此时电容中的能量将分配到m个电感L_i中，W_Li＝(V_allαT_s)²/2mL_m，模态3持续时间ΔT₂＝π√(LC₁/m)/2，图9给出了电容C₁与m个电感L_i谐振的充放电波形。在模态4中，电感L_i中的能量转移到低能量的电池单体中，这样即完成了一个周期内能量从电池组向电池单体转移的过程。

根据上述分析，图10给出了该均衡电路的控制流程图。即在一个周期开始时，先检测各个电池电压，计算出电池组的平均电压V_av和低于平均电压的电池个数m，然后进行上述每个周期的四种模态，如此反复，即可实现能量从电池组向电池单体转移的过程，最终实现电池组的均衡。

仿真结果分析：

针对此电路，进行了仿真分析，其仿真参数分别为：励磁电感L_m＝100μH，电容C₁＝10μF，电感L＝250μH，开关频率f＝5kHZ。在这组仿真参数下，分别进行了4电池组和6电池组的均衡仿真，以及充电和放电均衡。

图11为仿真过程中的励磁电感L_m，电容C₁和电感L的波形。

图12为4电池组在静置情况下的仿真波形，图13为6电池组在静置情况下的仿真波形，由仿真结果可以看出，在电池初始电压不一致的情况下，本实用新型所提出的均衡电路能够实现各电池单体的电压均衡，并且随着电池数量的增多，不仅能够快速实现均衡并且对均衡速度没有太大影响。

图14所示为该均衡拓扑在充电模式下4电池组的均衡仿真波形，充电电流为0.1A，由图中可知，当电池工作在充电模式下，本实用新型提出的均衡拓扑能够快速实现各电池单体的电压均衡。

图15所示为该均衡拓扑在放电模式下4电池组的均衡仿真波形，放电电阻为150Ω，由图中可知，当电池工作在放电模式下，本实用新型提出的均衡拓扑能够快速实现各电池单体的电压均衡。

综上所述，本实用新型所提出的一种基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路具有均衡速度快、均衡效率高、能量损耗小的特点，不论工作在充电、放电还是静置状态，均能够快速实现电池单体的均衡，并且对任意电池数量的电池单体均可以实现均衡。

Claims (2)

1.基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，其特征在于，包括n个电池单体，一个反激变压器，一个储能电容，n个Buck_Boost单元；每个电池单体分别连接一个Buck_Boost单元的输出端；n个Buck_Boost单元互相并联，并联后的输入端与储能电容连接；Buck_Boost单元的输出端分别连接一个电池单体；

n个电池单体串联成电池组；串联电池组连接反激变压器原边，反激变压器副边接储能电容；反激变压器与电池组之间连接充电控制开关管。

2.根据权利要求1所述的基于Buck_Boost单元的反激式多路均衡电路，其特征在于，所述的Buck_Boost单元包括两个开关管，三个二极管，一个电感；其中一个开关管和两个二极管分别与电感、电容构成谐振回路，另外一个开关管和另外一个二极管与电池单体构成放电回路。