CN205622249U

CN205622249U - 一种易于扩展的2n电池组均衡电路

Info

Publication number: CN205622249U
Application number: CN201620082683.4U
Authority: CN
Inventors: 康龙云; 李文彪; 冯腾; 郭向伟
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2026-01-28

Abstract

本实用新型公开了一种易于扩展的2n电池组均衡电路，来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放，改善串联电池组不均衡的现象，延长电池组的使用寿命，且易于扩展到更多的电池串联。包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由上至下分别命名为B_0a、B_0b、B_1a、B_1b、……、B_(n‑1)a、B_(n‑1)b，其中n＝1,2，……∞，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B_0a、B_0b、电感L₀和MOSFET开关管S_0a、S_0b组成，其中B_0a与B_0b串联连接，B_0a的负极与L₀一端相连，L₀的另一端与S_0a的源极、S_0b的漏极相连，S_0a的漏极与B_0a的正极相连，S_0b的源极与B_0b的负极相连，扩展部分由电池B_ma、B_mb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n‑1。

Description

一种易于扩展的2n电池组均衡电路

技术领域

本实用新型涉及混合动力汽车、纯电动汽车或蓄能装置的电池管理系统领域，特别涉及一种易于扩展的2n电池组均衡电路。

背景技术

近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，低排放、低油耗的新型电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致会出现三种情况：个别电池单体的剩余容量偏高；个别电池单体的剩余容量偏低；个别电池单体的剩余容量偏高和个别电池单体的剩余容量偏低。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，并且容易出现过充和过放现象。

针对上述三种情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种易于扩展的2n电池组均衡电路，来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充和过放，改善串联电池组不均衡的现象，延长电池组的使用寿命，且易于扩展到更多的电池串联。其特征在于，当需要增加串联电池数时，每2个电池为一小组，只用添加一个扩展子电路就可以连接在原有电路上，且不会对原电路造成影响。在充放电过程中，首先均衡的是每个小组中的单体电池，然后对每个小组进行均衡，最终实现整组电池的能量均衡。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：一种易于扩展的2n电池组均衡电路，包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由上至下分别命名为B_0a、B_0b、B_1a、B_1b、……、B_(n-1)a、B_(n-1)b，n＝1,2，……∞，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B_0a、B_0b、电感L₀和MOSFET开关管S_0a、S_0b组成，其中B_0a与B_0b串联连接，B_0a的负极与L₀一端相连，L₀的另一端与S_0a的源极、S_0b的漏极相连，S_0a的漏极与B_0a的正极相连，S_0b的源极与B_0b的负极相连，扩展部分由电池B_ma、B_mb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1。

所述电池组模块是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。

所述扩展子电路的数量为n-1；每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池B_ma、B_mb相连接的上桥臂MOSFET为S_ma、下桥臂MOSFET为S_mb、电感为L_ma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为S_mc、下桥臂MOSFET为S_md、电感为L_mb，所述S_ma的源极与S_mb的漏极和储能电感L_ma的一端相连；L_ma的另一端作为输出端c，S_ma的漏极作为输出端b，S_mb的源极作为输出端d，S_mc的源极与S_md的漏极和储能电感L_mb的一端相连，L_mb的另一端与S_ma的漏极相连，S_md的源极与S_mb的源极相连，S_mc的漏极作为输出端a，输出端a与上一组电池B_(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池B_ma的正极相连，输出端c与B_mb的正极相连，输出端d与B_mb的负极相连，MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。

所述控制电路控制信号的频率的大小应根据所控制的电路储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、电池单体电压、电池单体容量而定。

所述控制电路的输出驱动信号的占空比应至少能使储能电感L在每个信号周期内复位，即在一个开关周期内储能电感的电流最终都必须要下降到零。

所述基础部分在充放电过程中，若电池B_0a的端电压比B_0b的端电压高，为了避免B_0a过充或B_0b过放，在一个PWM周期内，使B_0a对应的上桥臂MOSFET S_0a导通，则电流通过B_0a、S_0a以及L₀，B_0a放电为L₀储存能量；S_0a导通一定时间后使其关断，此时电流通过B_0b对应的下桥臂MOSFET S_0b的续流二极管、L₀以及B_0b，L₀释放能量至B_0b，实现了能量从B_0a到B_0b的转移。

所述扩展子电路在充放电过程中，若电池B_ma的端电压比B_mb的端电压高，为了避免B_ma过充或B_mb过放，在一个PWM周期内，使B_ma对应的上桥臂MOSFET S_ma导通，则电流通过B_ma、S_ma以及L_ma，B_ma放电为L_ma储存能量；S_ma导通一定时间后使其关断，此时电流通过B_mb对应的下桥臂MOSFET S_mb的续流二极管、L_ma以及B_mb，L_ma释放能量至B_mb，实现了能量从B_ma到B_mb的转移；均衡完小组内的电池后，再比较本小组电池与上一小组电池的端电压，若本小组电池的端电压高于上一小组电池的端电压，则在一个PWM周期内，使本小组电池对应的下桥臂MOSFETS_md导通，则电流通过本小组电池B_ma、B_mb、L_mb以及S_md，B_ma、B_mb放电为L_mb储存能量，S_md导通一定时间后使其关断，此时电流通过上一小组电池对应的上桥臂MOSFETS_mc的续流二极管、L_mb以及B_(m-1)a、B_(m-1)b，L_mb释放能量，给B_(m-1)a、B_(m-1)b充电，实现了能量从本小组电池到上一小组电池的转移。

与现有技术相比本实用新型在串联电池组电池管理系统中采用上述双向动态均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充和过放现象，改善串联电池组不均衡的问题，延长电池组的使用寿命，且易于扩展串联电池数。

附图说明

图1是以6节电池为例的均衡电路原理图。

图2是扩展子电路原理图。

图3是基础部分的工作过程原理图。

图4是扩展部分的工作过程原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

一种易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由上至下分别命名为B_0a、B_0b、B_1a、B_1b、……、B_(n-1)a、B_(n-1)b，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B_0a、B_0b、电感L₀和MOSFET开关管S_0a、S_0b组成，其中B_0a与B_0b串联连接，B_0a的负极与L₀一端相连，L₀的另一端与S_0a的源极、S_0b的漏极相连，S_0a的漏极与B_0a的正极相连，S_0b的源极与B_0b的负极相连，扩展部分由电池B_ma、B_mb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1，n＝1,2，……∞。

如图1是以6节电池为例的均衡电路原理图。其中，串联电池组由6节电池串联组成，每2节电池为一小组，电池单体由上至下分别命名为B_0a、B_0b、B_1a、B_1b、B_2a、B_2b。电池组均衡电路分为基础部分与扩展部分。基础部分由电池B_0a、B_0b、电感L₀和MOSFET开关管S_0a、S_0b组成，扩展部分由电池B_1a、B_1b、B_2a、B_2b及其对应的扩展子电路组成。B_1a、B_1b对应的扩展子电路包括MOSFET开关管S_1a、S_1b、S_1c、S_1d以及电感为L_1a、L_1b。B_2a、B_2b对应的扩展子电路包括MOSFET开关管S_2a、S_2b、S_2c、S_2d以及电感为L_2a、L_2b。

如图2是扩展子电路原理图。每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池B_ma、B_mb相连接的上桥臂MOSFET为S_ma、下桥臂MOSFET为S_mb、电感为L_ma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为S_mc、下桥臂MOSFET为S_md、电感为L_mb。S_ma的源极与S_mb的漏极和储能电感L_ma的一端相连。L_ma的另一端作为输出端c，S_ma的漏极作为输出端b，S_mb的源极作为输出端d，S_mc的源极与S_md的漏极和储能电感L_mb的一端相连，L_mb的另一端与S_ma的漏极相连，S_md的源极与S_mb的源极相连，S_mc的漏极作为输出端a。输出端a与上一组电池B_(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池B_ma的正极相连，输出端c与B_mb的正极相连，输出端d与B_mb的负极相连。MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。

如图3是基础部分的工作过程原理图。在充放电过程中，若电池B_0a的端电压比B_0b的端电压高，为了避免B_0a过充或B_0b过放，在一个PWM周期内，使B_0a对应的上桥臂MOSFET S_0a导通，则电流通过B_0a、S_0a以及L₀，B_0a放电为L₀储存能量；S_0a导通一定时间后使其关断，此时电流通过B_0b对应的下桥臂MOSFET S_0b的续流二极管、L₀以及B_0b，L₀释放能量至B_0b，实现了能量从B_0a到B_0b的转移。

如图4中两个图是扩展部分的工作过程原理图。其中与自己本组电池B_1a、B_1b相连接的上桥臂MOSFET S_1a、下桥臂MOSFET S_1b、电感L_1a以及与电池B_2a、B_2b相连接的上桥臂MOSFET S_2a、下桥臂MOSFET S_2b、电感L_2a的工作过程与基础部分的工作过程是一样的，均是用来均衡与自己对应的小组内的单体电池。小组间的均衡过程如下：在充放电过程中，比较本小组电池与上一小组电池的端电压，假设第0小组B_0a、B_0b的端电压高于第1小组B_1a、B_1b的端电压，第1小组B_1a、B_1b的端电压高于第2小组B_2a、B_2b的端电压，则在一个PWM周期内，使第1小组电池对应的上桥臂MOSFET S_1c导通，第2小组电池对应的上桥臂MOSFET S_2c导通，则电流i_L1b通过第0小组电池B_0a、B_0b、L_1b以及S_1c，电流i_L2b通过第1小组电池B_1a、B_1b、L_2b以及S_2c，B_0a、B_0b放电为L_1b储存能量，B_1a、B_1b放电为L_2b储存能量。S_1c、S_2c导通一定时间后使其关断，此时电流i_L1b通过第1小组电池对应的下桥臂MOSFET S_1d的续流二极管、L_1b以及B_1a、B_1b，电流i_L2b通过第2小组电池对应的下桥臂MOSFET S_2d的续流二极管、L_2b以及B_2a、B_2b，L_1b释放能量给B_1a、B_1b充电，L_2b释放能量给B_2a、B_2b充电，实现了能量从端电压最高的小组电池到端电压最低的小组电池的转移。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于包括电池组模块和均衡电路模块；所述电池组模块由2n个电池串联组成，每2个电池为一小组，电池单体由上至下分别命名为B_0a、B_0b、B_1a、B_1b、……、B_(n-1)a、B_(n-1)b，其中n＝1,2，……∞，所述均衡电路模块包括基础部分与扩展部分，基础部分由电池B_0a、B_0b、电感L₀和MOSFET开关管S_0a、S_0b组成，其中B_0a与B_0b串联连接，B_0a的负极与L₀一端相连，L₀的另一端与S_0a的源极、S_0b的漏极相连，S_0a的漏极与B_0a的正极相连，S_0b的源极与B_0b的负极相连，扩展部分由电池B_ma、B_mb及其对应的扩展子电路组成，其中m＝1,2，……，n-1。

2.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述电池组模块是二次电池，包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池。

3.根据权利要求1所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述扩展子电路的数量为n-1；每个扩展子电路由四个带续流二极管的MOSFET以及两个储能电感L构成，与本组电池B_ma、B_mb相连接的上桥臂MOSFET为S_ma、下桥臂MOSFET为S_mb、电感为L_ma，连接上一组电池与本组电池的上桥臂MOSFET为S_mc、下桥臂MOSFET为S_md、电感为L_mb，所述S_ma的源极与S_mb的漏极和储能电感L_ma的一端相连；L_ma的另一端作为输出端c，S_ma的漏极作为输出端b，S_mb的源极作为输出端d，S_mc的源极与S_md的漏极和储能电感L_mb的一端相连，L_mb的另一端与S_ma的漏极相连，S_md的源极与S_mb的源极相连，S_mc的漏极作为输出端a，输出端a与上一组电池B_(m-1)a的正极相连，输出端b与本组电池B_ma的正极相连，输出端c与B_mb的正极相连，输出端d与B_mb的负极相连，MOSFET的栅极均与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制。

4.根据权利要求3所述的易于扩展的2n电池组均衡电路，其特征在于：所述控制电路的输出驱动信号的占空比应至少能使储能电感L在每个信号周期内复位，即在一个开关周期内储能电感的电流最终都必须要下降到零。