一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。本实用新型专利技术对于由n＝2m个单体电池Cy,y＝1,2…n组成的电池组，均衡系统的电路拓扑由m层开关N和n‑1个开关Qx,x＝1,2…n‑1组成。本实用新型专利技术可以实现单体电池的并联充电均衡和单体电池的旁路充电均衡。在电池并联充电均衡的各个阶段，电池组电压为串联电池组的1/2，电流为串联电池组的2倍，充电电源容易控制。本实用新型专利技术拓扑电路原理简单，所有开关处于接通或断开状态，无需高频脉宽调制，电路损耗小，电路变换灵活。同时，本实用新型专利技术可以实现并联均衡和旁路混合均衡，满足不同的均衡要求。

【技术实现步骤摘要】
一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统
本技术涉及一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理

技术介绍
随着工业的发展和人类文明的进步，环境问题和能源危机变得越来越严重，特别是石油、煤炭等化石燃料的使用直接导致了严重的温室效应等环境污染问题。而在现代经济飞速发展的时代，能源是必不可少的基础性材料。但由于化石燃料的短缺和不可再生能源的日益匮乏，人类社会的可持续发展将会受到巨大的阻碍。在21世纪这个经济飞速发展的时代，汽车成为当下的主要交通工具，而汽车的主要能源仍然是汽油，这将会导致全球性的环境污染问题，并且会加速能源的消耗。同时，在工业生产和生活中不可再生能源依然是能源的主要来源，环境问题和能源问题仍然非常严峻。为了解决能源短缺和环境污染问题，世界上各个国家都在寻求可再生能源和清洁能源。对于汽车领域而言，各国都逐步推进电动汽车，期望通过电动汽车的普及减少化石燃料的使用和碳的排放。人类要想实现可持续发展，就必须依靠科技的进步开发清洁能源，加速诸如风能和太阳能的使用。而对于电动汽车和清洁能源发电的一个最关键的技术便是储能，因此，如何将能源进行高效安全的储存和利用就变得至关重要了。随着电池及电池管理技术的发展，电动汽车和电网储能得到了有效的发展。锂离子电池具有能量密度大、标称电压相对较高和无记忆效应等优点受到了市场的青睐，被广泛应用于电动汽车和分布式储能当中。为了满足电压和电流的要求，需要将大量的锂离子电池串联起来使用。但由于使用环境和电池本身的差异，电池组在使用过程中会出现能量不一致的问题，从而导致电池的过充和过放，最终会导致电池组的提前报废。现在解决这些问题的主要方法就是对电池组进行能量的均衡，但现存的均衡方法的均衡效率普遍较低。
技术实现思路
针对大规模锂离子电池储能系统和电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联锂离子单体电池间能量不一致问题，本技术提供了一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统。本技术的技术方案是：一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，对于由n＝2m个单体电池Cy,y＝1,2…n组成的电池组，均衡系统的电路拓扑由m层开关N和n-1个开关Qx,x＝1,2…n-1组成；所述m层开关包括第一层开关N11,N12,N13,…,N12m；第二层开关N21,N22,N23,…,N22m-1；第三层开关N31,N32,…,N32m-2；…；第m层开关Nm1,Nm2m-(m-1)；所述开关Qx的源极S与单体电池Cx的负极相连，开关Qx的漏极D与单体电池Cx+1的正极相连；第一层开关N1i和N1j，奇数开关N1i的漏极D与单体电池Ci的正极相连，偶数开关N1j的漏极D与单体电池Cj-1的负极相连，奇数开关N1i的源极S与单体电池Ci+1的正极相连，偶数开关N1j的源极S与单体电池Cj的负极相连；第二层开关N2i和N2j，奇数开关N2i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C5、C9、…、Cn-22+1的正极相连，其开关的源极S依次与单体电池C3、C7、C11…、Cn-22+1+21的正极相连，偶数开关N2j序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C2、C6、C10、…、Cn-22+21的负极相连，其开关的源极S依次与单体电池C4、C8、C12…、Cn的负极相连；第三层开关N3i和N3j，奇数开关N3i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C9、C17、…、Cn-23+1的正极相连，其开关的源极S依次与单体电池C5、C13、C21…、Cn-23+1+22的正极相连，偶数开关N3j序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C4、C12、C20、…、Cn-23+22的负极相连，其开关的源极S依次与单体电池C8、C16、C24…、Cn的负极相连；...；第m层开关Nm1和Nm2，其开关Nm1的漏极D与单体电池Cn-2m+1的正极相连，开关Nm1的源极S与单体电池Cn-2m+1+2m-1的正极相连，开关Nm2的漏极D与单体电池Cn-2m+2m-1的负极相连，开关Nm2的源极S与单体电池Cn的负极相连；其中，i为1～2m之间的奇数，j为1～2m之间的偶数。所述开关N和开关Qx为N沟道MOSFET。所述电池组为2m个单体电池组成的电池组；相邻的串联单体电池通过开关Qx组成串联电池单元，其串联电池单元内包含的单体电池的个数为2s个，而串联电池单元根据包含串联单体电池的个数不同，分为m-1种，且每个单体电池与每种串联电池单元是一一对应的；将上述相邻的串联电池单元通过开关N和开关Qx并联组成并联电池单元共m种，并联电池单元除了包含由相邻相同类型的串联电池单元的并联，还包含两个相邻单体电池的并联组成的电池并联单元，每个单体电池与每种并联电池单元是一一对应的；其中，s＝1、2、…、m-1。本技术的有益效果是：本技术可以实现单体电池的并联充电均衡和单体电池的旁路充电均衡。采用并联充电均衡策略时，通过m层开关的m个均衡阶段实现电池组中串联单体电池间的能量均衡；采用旁路充电均衡策略时，电池组在充电过程中，通过开关将电池组中能量最高的单体电池进行旁路，最终实现充电过程中串联单体电池间的能量均衡。在电池并联充电均衡的各个阶段，电池组电压为串联电池组的1/2，电流为串联电池组的2倍，充电电源容易控制。本技术拓扑电路原理简单，所有开关处于接通或断开状态，无需高频脉宽调制，电路损耗小，电路变换灵活。同时，本技术可以实现并联均衡和旁路混合均衡，满足不同的均衡要求。附图说明图1是本技术一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统电路原理图(2m个单体电池)；图2是实施例1并联充电均衡第一阶段的电路原理图；图3是图2的等效电路图；图4是实施例1并联充电均衡第二阶段的电路原理图；图5是图4的等效电路图；图6是实施例1并联充电均衡第三阶段的电路原理图；图7是图6的等效电路图；图8是实施例2旁路充电均衡的电路原理图；图9是图8的等效电路图；图10是实施例2旁路充电均衡的电路原理图；图11图10的等效电路图；图12是4个单体电池的原理图；图13是8个单体电池的原理图；图14是16个单体电池的原理图；其中，如附图所示，灰色部分为断开状态，黑色部分为导通或工作状态。具体实施方式实施例1：如图1-7所示，一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，对于由n(2m)个单体电池Cy(y＝1,2…n)组成的电池组，均衡系统的电路拓扑由m层开关和(n-1)个开关Qx(x＝1,2…n-1)组成，其中m层开关包括第一层开关(N11，N12，N13，…，N12m)、第二层开关(N21，N22，N23，…，N22m-1)、第三层(N31，N32，…，N32m-2)、…、及第m层开关(Nm1，Nm2)(m＝1,2,3,...t，t表示总层数)，开关N和Q为N沟道MOSFET。开关Qx的源极S和漏极D分别与单体电池Cx的负极和Cx+1的正极相连；第一层开关N1i(i为奇数)的D和S极分别与单体电池Ci的正极、单体电池Ci+1的正极相连，第一层开关N1j(j为偶数)的D和S极分别与单体电池Cj-1的负极、单体电池Cj的负极相连；第二层开关N2i和N2j，奇数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，其特征在于：对于由n＝2m个单体电池Cy,y＝1,2…n组成的电池组，均衡系统的电路拓扑由m层开关N和n‑1个开关Qx,x＝1,2…n‑1组成；所述m层开关包括第一层开关N11,N12,N13,…,N12m；第二层开关N21,N22,N23,…,N22m‑1；第三层开关N31,N32,…,N32m‑2；…；第m层开关Nm1,Nm2m‑(m‑1)；所述开关Qx的源极S与单体电池Cx的负极相连，开关Qx的漏极D与单体电池Cx+1的正极相连；第一层开关N1i和N1j，奇数开关N1i的漏极D与单体电池Ci的正极相连，偶数开关N1j的漏极D与单体电池Cj‑1的负极相连，奇数开关N1i的源极S与单体电池Ci+1的正极相连，偶数开关N1j的源极S与单体电池Cj的负极相连；第二层开关N2i和N2j，奇数开关N2i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C5、C9、…、Cn‑22+1的正极相连，其开关的源极S依次与单体电池C3、C7、C11…、Cn‑22+1+21的正极相连，偶数开关N2j序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C2、C6、C10、…、Cn‑22+21的负极相连，其开关的源极S依次与单体电池C4、C8、C12…、Cn的负极相连；第三层开关N3i和N3j，奇数开关N3i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C9、C17、…、Cn‑23+1的正极相连，其开关的源极S依次与单体电池C5、C13、C21…、Cn‑23+1+22的正极相连，偶数开关N3j序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C4、C12、C20、…、Cn‑23+22的负极相连，其开关的源极S依次与单体电池C8、C16、C24…、Cn的负极相连；...；第m层开关Nm1和Nm2，其开关Nm1的漏极D与单体电池Cn‑2m+1的正极相连，开关Nm1的源极S与单体电池Cn‑2m+1+2m‑1的正极相连，开关Nm2的漏极D与单体电池Cn‑2m+2m‑1的负极相连，开关Nm2的源极S与单体电池Cn的负极相连；其中，i为1～2m之间的奇数，j为1～2m之间的偶数。...

【技术特征摘要】
1.一种串联锂离子电池并联、旁路充电均衡系统，其特征在于：对于由n＝2m个单体电池Cy,y＝1,2…n组成的电池组，均衡系统的电路拓扑由m层开关N和n-1个开关Qx,x＝1,2…n-1组成；所述m层开关包括第一层开关N11,N12,N13,…,N12m；第二层开关N21,N22,N23,…,N22m-1；第三层开关N31,N32,…,N32m-2；…；第m层开关Nm1,Nm2m-(m-1)；所述开关Qx的源极S与单体电池Cx的负极相连，开关Qx的漏极D与单体电池Cx+1的正极相连；第一层开关N1i和N1j，奇数开关N1i的漏极D与单体电池Ci的正极相连，偶数开关N1j的漏极D与单体电池Cj-1的负极相连，奇数开关N1i的源极S与单体电池Ci+1的正极相连，偶数开关N1j的源极S与单体电池Cj的负极相连；第二层开关N2i和N2j，奇数开关N2i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C5、C9、…、Cn-22+1的正极相连，其开关的源极S依次与单体电池C3、C7、C11…、Cn-22+1+21的正极相连，偶数开关N2j序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C2、C6、C10、…、Cn-22+21的负极相连，其开关的源极S依次与单体电池C4、C8、C12…、Cn的负极相连；第三层开关N3i和N3j，奇数开关N3i序号从小到大排列，其开关的漏极D依次与单体电池C1、C9、C17、…、Cn-23+1的正极相连，其开关的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红锐，杜春峰，陈仕龙，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：新型
国别省市：云南,53