CN106100072B - 一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路 - Google Patents

Abstract

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路单元，包括双节电池单体DBs和均衡电路EC₀两个部分，双节电池单体DBs由两只电池单体B_H和B_L构成，令电池单体B_H的正极为端点’1’，电池单体B_L的负极为端点’3’，且电池单体B_H的负极与电池单体B_L的正极相连，连接处为端点’2’。均衡电路EC₀由两组半导体开关S_H和D_H、S_L和D_L、以及电感L₀组成，半导体开关S_H和S_L分别为带反并联二极管D_H和D_L的电力场效应晶体管MOSFET，半导体开关S_H和S_L的门极分别为端点a和b，S_L的漏极为端点e，S_H的源极为端点c，S_H的漏极与S_L的源极及电感L₀的一端相连，电感L₀的另一端为端点d；双节电池单体DBs的端点1～3分别连接均衡电路EC₀端点的c～e。本发明能够大大提升电池组稳定运行的安全性，也有利于降低投资成本。

Description

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池组电路，特别是一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路。

背景技术

目前，锂离子电池被广泛应用于电动汽车、新能源发电、备用电源等领域，它具有功率密度高、无记忆性、自放电少且重量较轻等显著优点。单体锂离子电池的电压和储电的能力均较低，一般采用多个串并联的方式构成电池组，以获得所需等级的电压和容量。由于不同锂离子化学性质或其它特质的不一致，导致串联支路中个电池单体充电和放电的不一致，出现部分电池单体过充或过放的现象，严重时会引起电池组过热致燃，甚至爆炸。因此，串联锂离子电池组电量均衡问题是关系电池安全、稳定和高效运行的关键问题。

发明内容

本发明提出一种低损耗串联锂离子电池组均衡电路，基于对各电池单体的实时监测，并分别在充电、放电和闲置状态下，采用电感作为电能存放的媒介，实现各单体电池的动态均衡。与现有技术相比，上述均衡电路采用模块化管理，结构简单、控制方便且电量均衡过程理论上为零损耗，能够大大提升电池组稳定运行的安全性，也有利于降低投资成本。

本发明所采用的技术方案是：

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路单元，包括双节电池单体DBs和均衡电路EC₀两个部分，双节电池单体DBs由两只电池单体B_H和B_L构成，令电池单体B_H的正极为端点1，电池单体B_L的负极为端点3，且电池单体B_H的负极与电池单体B_L的正极相连，连接处为端点2。

均衡电路EC₀由电感L₀、两组半导体开关S_H和S_L组成，半导体开关S_H、S_L分别为带反并联二极管D_H和反并联二极管D_L的电力场效应晶体管MOSFET；

半导体开关S_H和S_L的门极分别为端点a和端点b；

半导体开关S_L的源极为端点e，半导体开关S_H的漏极为端点c；

半导体开关S_H的源极分别与半导体开关S_L的漏极、电感L₀一端相连，电感L₀的另一端为端点d；

双节电池单体DBs的端点1、端点2、端点3分别连接均衡电路EC₀的端点c、端点d、端点e。

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展电路，包含多个均衡电路单元，具体扩展方式为：首先令均衡电路单元为0级扩展电路，包含一组双节电池单体DBs和均衡电路EC₀；

则1级扩展电路包含两组0级扩展电路和一个均衡电路EC₁，均衡电路EC₁与均衡电路EC₀的区别在于电感为L₁，将两组0级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC₁的端点d相连，均衡电路EC₁中的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

如此类推，k级扩展电路包含两组k-1级扩展电路和一个EC_k，电感为L_k，k-1级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC_k的端点d相连，均衡电路EC_k的端点c和端点e分别接前述串联DBs的正极和负极。

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡方法，当B_H中的电量高于B_L时，以T为控制周期，控制S_H导通，脉宽为DT，D为占空比，具体均衡过程为：充电状态下，使B_L优先充电，待二者电量相当使S_H保持关断，恢复正常充电；放电状态下，降低B_L放电量，待二者电量相当时使S_H保持关断，恢复正常放电；闲置状态下，以电抗器为媒介，将B_H中部分电量转移至B_L中，待二者电量相当时使S_H保持关断，停止均衡。

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡方法，当B_H中电量低于B_L时，以T为控制周期，控制S_L导通，脉宽为DT(D为占空比)，具体均衡过程为：充电状态下，使B_H优先充电，待二者电量相当使S_L保持关断，恢复正常充电；放电状态下，降低B_H放电量，待二者电量相当时使S_L保持关断，恢复正常放电；闲置状态下，以电抗器为媒介，将B_L中部分电量转移至B_H中，待二者电量相当时使S_L保持关断，停止均衡。

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展法，充电和闲置状态下，按0,1,…,n级电路顺序逐级均衡；在放电状态下，为避免输出电压陡跌，采取限制级均衡法，即仅进行0～j级电路均衡，j的大小由电压安全波动范围决定。

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展法，令最高级为n级，则共含2⁽ⁿ⁺¹⁾个电池单体串联，该串联支路满足最大输出电压要求；为了满足最大功率要求，需将m组该串联支路并联。

本发明一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路，针对串联锂离子电池组电量均衡问题，提供了一种新型的低功耗均衡方案，与传统均衡电路相比，其主要优点包括以下三个方面：

(1)：采用电抗器传输电能，不产生任何能量损耗，系统发热少，安全可靠性高；

(2)：均衡电路单元结构简单，电路扩展方法简单，非常容易得到串联锂离子电池组均衡扩展电路，实用性较强；

(3)：所述均衡电路控制简单，成本低，可行性较强。

附图说明

图1(a)为本发明的均衡电路单元电路图。

图1(b)为本发明的扩展电路图。

图2(a)为本发明在充电状态下的均衡过程图；

图2(b)为本发明在放电状态下的均衡过程图；

图2(c)为本发明在闲置状态下的均衡过程图。

图3(a)为本发明的不同开关状态、不同工作状态下电池电量的变化情况示意图。

图3(b)为本发明的不同开关状态、不同工作状态下电池电量的变化情况图表。

图4为本发明的k级扩展电路均衡过程流程图。

具体实施方式

一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡电路，包括均衡电路单元和均衡扩展电路两种，后者由前者叠加扩展而成；针对上述两种电路，分别提出了相应的控制方法。具体如下：

(1)、均衡电路单元包括双节电池单体DBs和均衡电路EC₀两个部分，DBs由两只电池单体B_H和B_L构成，令B_H的正极为端点1，B_L的负极为端点3，且B_H的负极与B_L的正极相连，连接处为端点2；EC₀由两组半导体开关(S_H和D_H、S_L和D_L)及电感(L₀)组成，半导体开关(S_H和S_L)为带反并联二极管(D_H和D_L)的电力场效应晶体管(MOSFET)，S_H和S_L的门极分别为端点a和端点b，S_L的漏极为端点e，S_H的源极为端点c，S_H的漏极与S_L的源极及L₀的一端相连，L₀的另一端为端点d；DBs端点1～3分别连接EC₀的端点c～e。

(2)、均衡扩展电路包含多个均衡电路单元，具体扩展方式为：首先令均衡电路单元为0级扩展电路，包含一组DBs+EC₀；则1级扩展电路包含0级扩展电路和一个EC₁，EC₁与EC₀的区别在于电感为L₁，将0级扩展电路中的两个DBs串联，连接点再与EC₁的端点d相连，EC₁中端点c和端点e分别接前述串联DBs的正极和负极；如前，k级扩展电路包含k-1级扩展电路和一个EC_k(电感为L_k)，k-1级扩展电路中的两组DBs串联，连接点再与EC_k的端点d相连，EC_k的端点c和端点e分别接前述串联DBs的正极和负极。

(3)、对于(1)中所述电路单元，当B_H中的电量高于B_L时，以T为控制周期，控制S_H导通，脉宽为DT(D为占空比)，具体均衡过程为：充电状态下，使B_L优先充电，待二者电量相当使S_H保持关断，恢复正常充电；放电状态下，降低B_L放电量，待二者电量相当时使S_H保持关断，恢复正常放电；闲置状态下，以电抗器为媒介，将B_H中部分电量转移至B_L中，待二者电量相当时使S_H保持关断，停止均衡。

(4)、对于(1)中所述电路单元，当B_H中电量低于B_L时，以T为控制周期，控制S_L导通，脉宽为DT(D为占空比)，具体均衡过程为：充电状态下，使B_H优先充电，待二者电量相当使S_L保持关断，恢复正常充电；放电状态下，降低B_H放电量，待二者电量相当时使S_L保持关断，恢复正常放电；闲置状态下，以电抗器为媒介，将B_L中部分电量转移至B_H中，待二者电量相当时使S_L保持关断，停止均衡。

(5)、对于(2)中所述均衡扩展电路，充电和闲置状态下，按0,1,…,n级电路顺序逐级均衡，对于k级电路，具体过程为：当B_H中的电量高于B_L时，以T为控制周期，控制S_H导通，脉宽为DT(D为占空比)，充电状态下，使其中的B_L优先充电，待二者电量相当后使S_H保持关断，恢复正常充电或进入k+1级电路均衡；闲置状态下，以电抗器为媒介，将B_H中部分电量转移至B_L中，待二者电量相当时使S_H保持关断，停止均衡，进入k+1级电路均衡；在放电状态下，为避免输出电压陡跌，采取限制级均衡法，即仅进行0～j级电路均衡，j的大小由电压安全波动范围决定，对于k级电路，具体过程为：当B_H中的电量高于B_L时，以T为控制周期，控制S_H导通，脉宽为DT(D为占空比)，降低其中B_L放电量，待二者电量相当时使S_H保持关断，恢复正常放电或进入k+1级电路均衡。

(6)、上述(2)中的均衡扩展电路，令最高级为n级，则共含2⁽ⁿ⁺¹⁾个电池单体串联，该串联支路满足最大输出电压要求；为了满足最大功率要求，需将m组该串联支路并联。工作原理：

本发明提出的一种低损耗串联锂离子电池组均衡电路，如图1(a)所示，为均衡电路单元电路图，如图1(b)所示，为扩展电路结构图。均衡电路单元包括双节电池组DBs和均衡电路EC₀，DBs由电池单体B_H和B_L串联构成，B_H的正极为端点1，B_L的负极为端点2，二者连接点为端点3；EC₀由两组含反并联二极管的MOSFET(S_H和D_H、S_L和D_L)和电感L₀组成，S_H和S_L的门极分别为端点a和b，S_L的漏极为端点e，S_H的源极为端点c，S_H的漏极与S_L的源极及L₀的一端相连，L₀的另一端为端点d；DBs端点1～3分别连接EC₀的端点c～e。

考虑均衡电路单元的工作过程，按两单体电池电量关系分为Q_BH>Q_BL和Q_BH<Q_BL两种情况，图2(a)～图2(c)中分别展示了在充电、放电和闲置三种状态下的均衡过程，图3(a)～图3(b)为不同开关状态不同工作状态下，电池电量的变化情况，具体阐述如下：

当Q_BH>Q_BL时，控制S_H以脉宽DT(D为占空比，T为控制周期)导通，设充电电流为I_CS，电抗器电流为I_L，负载电流为I_Load，单体电池电流为I_BH和I_BL，不同工作状态时的均衡过程为：充电状态下，如图2(a)所示，S_H导通，使I_BH＝0且I_BL＝I_CS＝I_L，S_H关断，使I_BH＝I_CS且I_BL＝I_BH+I_L，可见B_L在一个周期内的充电量多于B_H，一段时间后，二者电量相当，EC₀停止工作；放电状态下，如图2(b)所示，S_H导通，使I_BL＝I_Load且I_BH＝I_BL+I_L，S_H关断，使I_BH＝I_Load且I_BL＝I_BH-I_L，可见B_L在一个周期内的放电量少于B_H，一段时间后，二者电量相当，EC₀停止工作；闲置状态下，如图2(c)所示，S_H导通，使I_BL＝0且I_BH＝I_L，S_H关断，使I_BH＝0且I_BL＝I_L，可见B_H中的部分电量经电感转移到了B_L，待二者电量相当后，EC₀停止工作。

当Q_BH<Q_BL时，控制S_L以脉宽DT(D为占空比，T为控制周期)导通，设充电电流为I_CS，电抗器电流为I_L，负载电流为I_Load，单体电池电流为I_BH和I_BL，不同工作状态时的均衡过程为：充电状态下，如图2(a)所示，S_L导通，使I_BL＝0且I_BH＝I_CS＝I_L，S_L关断，使I_BL＝I_CS且I_BH＝I_BL+I_L，可见B_H在一个周期内的充电量多于B_L，一段时间后，二者电量相当，EC₀停止工作；放电状态下，如图2(b)所示，S_L导通，使I_BH＝I_Load且I_BL＝I_BH+I_L，S_L关断，使I_BL＝I_Load且I_BH＝I_BL-I_L，可见B_H在一个周期内的放电量少于B_L，一段时间后，二者电量相当，EC₀停止工作；闲置状态下，如图2(c)所示，S_L导通，使I_BH＝0且I_BL＝I_L，S_L关断，使I_BL＝0且I_BH＝I_L，可见B_L中的部分电量经电感转移到了B_H，待二者电量相当后，EC₀停止工作。

综上所述，该均衡过程的基本思路为：充电时，优先给电量低的电池充电，待二者电量相当后停止均衡，共同充电；放电时，优先使电量高的电池放电，待二者电量相当后停止均衡，共同放电；闲置时，电量高的电池将部分电量通过电感传递给电量低的电池；忽略线路电阻，由于电感不消耗能量，所以该均衡电路理论上可实现零损耗。

再考虑均衡扩展电路的工作过程，其均衡方法与上述基本思路大致相同，以k级扩展电路为例，它包含一个EC_k和两个k-1级扩展电路，如图1(b)的原理框图所示，对比均衡电路单元，EC_k可看作EC₀，两个k-1级扩展电路可看作B_H和B_L；在充电和闲置状态下，k级扩展电路与0级扩展电路的均衡过程完全一样，具体步骤如图4所示；在放电状态下，为避免输出电压陡跌，采取限制级均衡法，即仅进行0～j级电路均衡(或图4中的n＝j)，j的大小由电压安全波动范围决定，如电压波动范围为8V，每个单体电池电压为1V，则j可取3。

Claims (2)

1.采用一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展电路的电池组电量均衡扩展方法，其特征在于：所述扩展电路包含多个均衡电路单元，所述均衡电路单元包括双节电池单体DBs和均衡电路EC₀两个部分，双节电池单体DBs由两只电池单体B_H和B_L构成，令电池单体B_H的正极为端点1，电池单体B_L的负极为端点3，且电池单体B_H的负极与电池单体B_L的正极相连，连接处为端点2；

均衡电路EC₀由电感L₀、两组半导体开关S_H和S_L组成，半导体开关S_H、S_L分别为带反并联二极管D_H和反并联二极管D_L的电力场效应晶体管MOSFET；

半导体开关S_H和S_L的门极分别为端点a和端点b；

半导体开关S_L的源极为端点e，半导体开关S_H的漏极为端点c；

半导体开关S_H的源极分别与半导体开关S_L的漏极、电感L₀一端相连，电感L₀的另一端为端点d；

双节电池单体DBs的端点1与均衡电路EC₀的端点c相连，双节电池单体DBs的端点2与均衡电路EC₀的端点d相连,双节电池单体DBs的端点3与均衡电路EC₀的端点e相连；

扩展方式为：首先令均衡电路单元为0级扩展电路，包含一组双节电池单体DBs和均衡电路EC₀；

则1级扩展电路包含两组0级扩展电路和一个均衡电路EC₁，均衡电路EC₁与均衡电路EC₀的区别在于电感为L₁，将两组0级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC₁的端点d相连，均衡电路EC₁中的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

则2级扩展电路包含两组1级扩展电路和一个均衡电路EC₂，均衡电路EC₂与均衡电路EC₁的区别在于电感为L₂，将两组1级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC₂的端点d相连，均衡电路EC₂中的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

如此类推，k级扩展电路包含两组k-1级扩展电路和一个均衡电路EC_k，电感为L_k，k-1级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC_k的端点d相连，均衡电路EC_k的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

充电和闲置状态下，按0,1,…,n级电路顺序逐级均衡；在放电状态下，为避免输出电压陡跌，采取限制级均衡法，即仅进行0～j级电路均衡，j的大小由电压安全波动范围决定。

2.采用一种低损耗串联锂离子电池组电量均衡扩展电路的电池组电量均衡扩展方法，其特征在于：所述扩展电路包含多个均衡电路单元，所述均衡电路单元包括双节电池单体DBs和均衡电路EC₀两个部分，双节电池单体DBs由两只电池单体B_H和B_L构成，令电池单体B_H的正极为端点1，电池单体B_L的负极为端点3，且电池单体B_H的负极与电池单体B_L的正极相连，连接处为端点2；

均衡电路EC₀由电感L₀、两组半导体开关S_H和S_L组成，半导体开关S_H、S_L分别为带反并联二极管D_H和反并联二极管D_L的电力场效应晶体管MOSFET；

半导体开关S_H和S_L的门极分别为端点a和端点b；

半导体开关S_L的源极为端点e，半导体开关S_H的漏极为端点c；

半导体开关S_H的源极分别与半导体开关S_L的漏极、电感L₀一端相连，电感L₀的另一端为端点d；

双节电池单体DBs的端点1与均衡电路EC₀的端点c相连，双节电池单体DBs的端点2与均衡电路EC₀的端点d相连,双节电池单体DBs的端点3与均衡电路EC₀的端点e相连；

扩展方式为：首先令均衡电路单元为0级扩展电路，包含一组双节电池单体DBs和均衡电路EC₀；

则1级扩展电路包含两组0级扩展电路和一个均衡电路EC₁，均衡电路EC₁与均衡电路EC₀的区别在于电感为L₁，将两组0级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC₁的端点d相连，均衡电路EC₁中的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

则2级扩展电路包含两组1级扩展电路和一个均衡电路EC₂，均衡电路EC₂与均衡电路EC₁的区别在于电感为L₂，将两组1级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC₂的端点d相连，均衡电路EC₂中的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

如此类推，k级扩展电路包含两组k-1级扩展电路和一个均衡电路EC_k，电感为L_k，k-1级扩展电路中的双节电池单体DBs串联，连接点再与均衡电路EC_k的端点d相连，均衡电路EC_k的端点c和端点e分别接前述串联双节电池单体DBs的正极和负极；

令最高级为n级，则共含2⁽ⁿ⁺¹⁾个电池单体串联，该含2⁽ⁿ⁺¹⁾个电池单体的串联支路满足最大输出电压要求；为了满足最大功率要求，需将m组该串联支路并联。