一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法，第一层拓扑均衡电路包括多绕组变压器和控制开关，小电池组内的一个单体电池、控制开关K1_1和一个多绕组变压器的副绕组连接；小电池组、控制开关K1和多绕组变压器的原绕组连接；第二层拓扑均衡电路包括变压器和两个控制开关，变压器的原绕组、控制开关S1和总电池组连接；变压器的副绕组、控制开关S1_1和小电池组连接。可以实现同时对多组小电池组或多个电池单体进行均衡，极大提高电池均衡速度，减少电池均衡时间，提高均衡效率。

【技术实现步骤摘要】
一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法
本专利技术属于电池均衡领域，涉及一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法。
技术介绍
锂离子电池具有生产成本低、能量密度高、使用寿命长以及安全稳定等多重优点，目前在工业领域和生活领域中应用最为广泛的电池。锂离子电池的基本特性和工作原理决定了电池单体具有电压低、小容量等特点，通常锂离子电池单体的额定工作电压为3.2V～4.2V，单体电池的容量也只有几安时到几十安时，无法满足一些大型仪器设备对能量源的需求。因此，在锂离子电池的应用当中，通常是由成百或上千节电池以串并联的方式构成锂离子电池组以满足仪器设备对电压、容量以及功率的需求。由于锂离子电池的生产方式、制造工艺十分复杂，要做到每一个单体锂离子电池完全一致是一项不可能的任务，因此每个单体的容量、电压、电阻等参数均有所不同，而且电池在实际使用过程中，由于环、温度等差异，以及电池自身的放热，电池单体之间总是不可避免的存在不一致性。而在使用过程中，电池的不一致性会使电池单体出现过充、过放以及电压差异过大的现象，并且会大幅度降低电池单体的使用寿命，从而引起整个电池组续航能力变差，影响电池组的整体性能。因此，电池均衡技术的研究对提高锂离子电池组的使用寿命、放电功率以及安全稳定性等具有重要的意义。电池均衡技术按能量在均衡过程中是否被消耗可以分为被动均衡和主动均衡。被动均衡技术通常采用单体电池与电阻并联的方式，实现多余能量的耗散。主动均衡技术采用的是通过拓扑均衡结构将电池组中多余的电能通过中间拓扑结构转移到电能较少的单体电池中，实现多余电能的转移。被动均衡技术存在电能耗散、产热过多、均衡时间过长等诸多问题，并且在放电均衡过程中均衡效果不明显，无法避免容量最小的单体电池最先达到放电截至电压。主动均衡技术虽然存在电路结构和控制技术复杂，但是均衡过程中基本没有电能的损耗，节能的同时还可提高电池组的使用效能。因此一般采用主动均衡，但主动均衡存在均衡速度不一致造成的电压突变现象，并且当单体电池数目较多时或者首尾电池距离较远时，均衡时间较长、效率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电池组双层拓扑结构均衡电路及方法，可以实现同时对多组小电池组或多个电池单体进行均衡，极大提高电池均衡速度，减少电池均衡时间，提高均衡效率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种电池组双层拓扑结构均衡电路，包括总电池组、小电池组、第一层拓扑均衡电路和若干个并联的第二层拓扑均衡电路；小电池组包括多个串联的相邻单体电池，总电池组包括多个串联的小电池组；第一层拓扑均衡电路包括多绕组变压器和控制开关，小电池组内的一个单体电池、控制开关K1_1和一个多绕组变压器的副绕组连接，形成第一层充电回路；小电池组、控制开关K1和多绕组变压器的原绕组连接，形成第一层放电回路；第二层拓扑均衡电路包括变压器和两个控制开关，变压器的原绕组、控制开关S1和总电池组连接，形成第二层放电回路；变压器的副绕组、控制开关S1_1和小电池组连接，形成第二层充电回路。优选的，多绕组变压器的副绕组数量为三个，小电池组内单体电池数量为三个。优选的，多绕组变压器的副绕组并联有保护电容C1_1，变压器副绕组并联有保护电容C1。优选的，变压器的原绕组和小电池组负极之间连接有二极管D1，二极管D1正极朝向变压器的原绕组；变压器的副绕组和小电池组负极之间连接有二极管D2，二极管D2正极朝向小电池组负极；多绕组变压器的原绕组和小电池组负极之间连接有二极管D3，二极管D3正极朝向多绕组变压器的原绕组；多绕组变压器的副绕组和小电池组负极之间连接有二极管D4，二极管D4正极朝向小电池组负极。优选的，第一层充电回路、第一层放电回路和第二层充电回路均连接有保险丝。优选的，所有控制开关均采用MOS管。一种基于上述任意一项所述电路的电池组双层拓扑结构均衡方法，将与总电量较低的小电池组连接的第二层放电回路的控制开关S1闭合，对该第二层放电回路中的变压器原绕组充电；待该变压器原绕组充电完毕后，断开第二层放电回路的控制开关S1，并闭合包含需要进行充电小电池组的第二层充电回路的控制开关S1_1，对总电量较低的小电池组进行充电，待原绕组中的能量转移完成后，断开该第二层充电回路的控制开关S1_1，完成一次能量从总电池组至小电池组的转移；然后待所有小电池组的能量相同后，闭合与总电量较低的小电池组连接的第一层放电回路的控制开关K1，对该第一层放电回路中的多绕组变压器原绕组充电；待所述变压器原绕组充电完毕后，断开第一层放电回路的控制开关K1，并闭合包含需要进行充电单体电池的第一层充电回路的控制开关K1_1，对单体电池进行充电，待多绕组变压器的原绕组中的能量转移完成后，断开第一层充电回路的控制开关K1_1，完成一次能量从小电池组至电池单体的转移。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术具有双层拓扑结构均衡电路，并且同层的各个均衡电路之间相互并联，互相独立，相对与单层均衡电路可以实现同时对多组小电池组或多个电池单体进行均衡。极大提高电池均衡速度，减少电池均衡时间，提高均衡效率。第二层放电回路流经整个总电池组，并且控制第二层充电回路内开关闭合的时间一致，电池位置对电池均衡过程并无影响，均衡速度一致，可避免由于均衡速度不一致造成的电压突变现象，克服当单体电池数目较多时或者首尾电池距离较远时，均衡时间较长、效率较低的问题。均衡电路中没有添置额外的发热或者动力装置，减少了电流在电路中所产生的热量，有效降低了能量在均衡过程中的损耗，提高了均衡的效益。进一步，保护电容能够在电流流经充电回路过程中电路元器件进行保护。进一步，二极管能够防止电路中产生电流回流而影响均衡电路效率。进一步，在各个充电回路以及放电回路中均增加了一个保险丝，防止电路中出现电流过大的现象，保护电路中的变压器以及电池等单元，提高整体均衡电路的安全性。本专利技术先通过第二层放电回路和第二层充电回路对总电量较低的小电池组进行充电，再通过第一层放电回路和第一层充电回路对单体电池进行充电，首先经过第二层均衡电路，使得两个小电池组的平均电量维持一致，即后续不需经过第二层均衡电路过程，只需在两个小电池组内进行第一层均衡即可，减少开关控制的复杂程度，提高控制效率。附图说明图1为本专利技术的电池组双层拓扑结构均衡电路结构图；图2为本专利技术所述的第一层拓扑均衡电路结构图；图3为本专利技术所述的第二层拓扑均衡电路结构图；图4为本专利技术实例所述的第二层放电回路的电流路径示意图；图5为本专利技术实例所述的第二层充电回路的电流路径示意图；图6为本专利技术实例所述的第一层放电回路的电流路径示意图；图7为本专利技术实例所述的第一层充电回路的电流路径示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：如图1所示，一种电池组双层拓扑结构均衡电路，包括：3N个单体电池依次串联组成的总电池组，N本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池组双层拓扑结构均衡电路，其特征在于，包括总电池组、小电池组、第一层拓扑均衡电路和若干个并联的第二层拓扑均衡电路；/n小电池组包括多个串联的相邻单体电池，总电池组包括多个串联的小电池组；第一层拓扑均衡电路包括多绕组变压器和控制开关，小电池组内的一个单体电池、控制开关K1_1和一个多绕组变压器的副绕组连接，形成第一层充电回路；小电池组、控制开关K1和多绕组变压器的原绕组连接，形成第一层放电回路；/n第二层拓扑均衡电路包括变压器和两个控制开关，变压器的原绕组、控制开关S1和总电池组连接，形成第二层放电回路；变压器的副绕组、控制开关S1_1和小电池组连接，形成第二层充电回路。/n

【技术特征摘要】
1.一种电池组双层拓扑结构均衡电路，其特征在于，包括总电池组、小电池组、第一层拓扑均衡电路和若干个并联的第二层拓扑均衡电路；
小电池组包括多个串联的相邻单体电池，总电池组包括多个串联的小电池组；第一层拓扑均衡电路包括多绕组变压器和控制开关，小电池组内的一个单体电池、控制开关K1_1和一个多绕组变压器的副绕组连接，形成第一层充电回路；小电池组、控制开关K1和多绕组变压器的原绕组连接，形成第一层放电回路；
第二层拓扑均衡电路包括变压器和两个控制开关，变压器的原绕组、控制开关S1和总电池组连接，形成第二层放电回路；变压器的副绕组、控制开关S1_1和小电池组连接，形成第二层充电回路。


2.根据权利要求1所述的电池组双层拓扑结构均衡电路，其特征在于，多绕组变压器的副绕组数量为三个，小电池组内单体电池数量为三个。


3.根据权利要求1所述的电池组双层拓扑结构均衡电路，其特征在于，多绕组变压器的副绕组并联有保护电容C1_1，变压器副绕组并联有保护电容C1。


4.根据权利要求1所述的电池组双层拓扑结构均衡电路，其特征在于，变压器的原绕组和小电池组负极之间连接有二极管D1，二极管D1正极朝向变压器的原绕组；变压器的副绕组和小电池组负极之间连接有二极管D2，二极管D2正极朝向小电池组负极；多绕组变压器的原绕组和小电池组负极之间连接有二极管D3，二极管D3正极朝向多绕组变压器的原绕...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建锋，艾涵，王新阳，张照震，乔盼，赵慧婷，董学恒，郑涛，邱雨，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61