一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法技术

本发明专利技术公开了一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。电池模组包含n个依次串联的单体电池，n个单体电池依次分成n/4个电池单组；每个电池单组内的4个电池单体平分成2个电池单元，每个电池单元由2个相邻的电池单体组成，这相邻的2个电池单元共享1个CUK变换器均衡电路；每个电池单元内的2个电池单体共享1个电感作为主动均衡电感；每个电池单组由每2个电池单元组成，电池单组与整个电池模组配置1个变压器均衡。本发明专利技术变压器原边绕组的数量为原来数量的1/4，均衡电阻数量只有现有方案的一半，变压器均衡和CUK变换器均衡是以能量转移的方式来实现的主动均衡，均衡过程中几乎没有能量损失，大大提高了电池均衡的效率和能量利用率。量利用率。量利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法


[0001]本专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。

技术介绍

[0002]电池单组中单体电池在制造和使用过程中必然存在电压、容量、内阻等不一致，并且是一个不断累积的过程，时间越长单体电池之间产生的差异越大；并且锂离子电池单组还会受到使用环境的影响，在使用过程中单体电池的不一致性会被逐渐放大，从而导致某些单体电池性能加速衰减。
[0003]目前对电池的不一致性的解决方法是做电池均衡，即在循环使用过程中，以能量消耗或者转移的方式对电池单组内的单体能量适时进行平衡，从而降低单体发生过充过放的概率，消除放电深度差异对电池单组的不利影响，进而提高电池单组的整体能量利用率，延长电池循环寿命。
[0004]目前电池均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类，其中被动均衡分为电阻法和稳压管法两种，主动均衡主要包含电感法、电容法和变压器法三大类。
[0005]电阻均衡法，是通过均衡电阻发热消耗掉电压较高的电池单体电量达到电压均衡状态。相邻的单体电池不能同时开启均衡，也就是说，均衡开启的最多路数为总路数的一半，目的是避免均衡电流的相互干扰和均衡电路放电产生的热量过于集中，如图1所示。假设图中的3个电池单体B
n
、B
n+1
、B
n+2
电压值均偏高，都需要开启均衡电路进行均衡，按电路设计方案，只能排个先后顺序进行均衡，比如先均衡间隔的2个电池单体B
n
和B
n+2
，最后均衡电池单体B
n+1
。均衡具体步骤如下：首先，闭合开关K
n
和K
n+2
，固定电阻R
n
和R
n+2
开始均衡，电路中电流方向如图2所示；然后，断开开关K
n
和K
n+2
，闭合开关K
n+1
，固定电阻R
n+1
开始均衡，电路中电流方向如图3所示；最后，断开开关K
n+1
，均衡完成。
[0006]CUK变换器均衡法，进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但开关数量多，控制电路复杂；而且只能均衡相邻的2个电池单体，其均衡原理是利用单体电池之间的电压差进行能量转移均衡，故而在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率低。CUK变换器均衡电路拓扑如图4所示。现假设第1个电池单体B1相比第2个电池单体B2电压较高，均衡步骤如下：首先，功率开关管S1‑1中的MOS管Q1‑1导通，功率开关管S1‑2中的体二极管D1‑2反向截止，此时电池单体B1流出的电流I1使电感L1‑1储能；电容C1放电电流I2使电感L1‑2储能，并向电池单体B2充电转移电量。第1个电池单体B1的放电和第2个电池电池单体B2的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图5所示。
[0007]然后，功率开关管S1‑1中的MOS管Q1‑1截止，功率开关管S1‑2中的体二极管D1‑2正偏而导通，此时电池单体B1和电感L1‑1感应电动势相加向电容C1充电，电容C1储能，电感L1‑2释放能量，其放电电流I2向电池单体B2充电转移电量。第1个电池单体B1的放电和第2个电池电池单体B2的充电同时进行，能量双向流动。电流方向如图6所示。
[0008]由上可知，无论在功率开关管S1‑1的MOS管Q1‑1的导通还是截止期间，第1个电池单体B1都能向第2个电池单体B2转移能量，电容C1在电路中是一个能量储存组件。在功率开关管S1‑1的MOS管Q1‑1的截止期间，第1个电池单体B1的电流I1使得电容C1充电储存能量；在功率开关管S1‑1的MOS管Q1‑1的导通期间，电容C1放电向第2个电池单体B2释放能量。
[0009]如果第1个电池单体B1相比第2个电池单体B2电压较低，均衡步骤与上述类似。
[0010]变压器均衡电路，可以同时实现多个电池单体的均衡，使所有电池单体的端电压最终接近平均电压水平。该拓扑具有操作简单，易于控制的优点，但是当电池单体数目较多时，多绕组变压器设计困难，难以保证一次侧各绕组的一致性，存在不易扩展的缺点。
[0011]CUK变换器均衡电路进行电池均衡时均衡放电和充电同时进行，均衡速度快，均衡能量转移效率高，但开关数量多，控制电路复杂；而且只能均衡相邻的2个电池单体，其均衡原理是利用单体电池之间的电压差进行能量转移均衡，故而在单体电压差较小时，均衡电流小，均衡效率很低。
[0012]固定电阻被动均衡法则是每节单体电池与一个固定阻值的电阻相连，通过电阻来消耗掉电量过高的电池单体的电量，从而达到与电量低的单体电压均衡的效果。该种方法的主要优势是电路结构简单，成本较低；主要缺点是均衡过程是消耗多余电量来达到均衡状态，在电路中会损耗掉很多电量，对能量的利用率很低。

技术实现思路

[0013]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种电池模组中电池单体的电压均衡电路及方法。
[0014]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案一种电池模组中电池单体的电压均衡电路，所述电池模组包含n个依次串联的单体电池B1～B
n
，n为4的倍数，所述n个单体电池依次分成n/4个电池单组，每4个电池单体组成1个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体B
n
‑3～B
n
串联组成第n/4个电池单组；所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1
n/4
、n/4个功率开关管S21～S2
n/4
、n/4个电容C11～C1
n/4
、n/4个电感L11～L1
n/4
、n/4个电感L21～L2
n/4
、n个MOS管开关Q1～Q
n
、n个高频滤波电容C21～C2
n
、n/4个电阻R11～R1
n/4
、以及n/4个电阻R21～R2
n/4
；所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1
n/4
、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3
n/4
；令i为大于等于0小于等于n/4
‑
1的自然数，电池单体B
4i+1
的负极分别和原边绕组N1
4i+1
的一端、电感L1
4i+1
的一端、高频滤波电容C2
4i+1
的一端、MOS管开关Q
4i+1
的源极电气相连；电池单体B
4i+1
的正极分别和电池单体B
4i+2
的负极、电阻R1
4i+1
的一端、高频滤波电容C2
4i+1
的另一端、高频滤波电容C2
4i+2
的一端电气相连；电阻R1...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电池模组中电池单体的电压均衡电路，所述电池模组包含n个依次串联的单体电池B1～B
n
，n为4的倍数，其特征在于：所述n个单体电池依次分成n/4个电池单组，每4个电池单体组成1个电池单组，电池单体B1～B4串联组成第1个电池单组，电池单体B
n
‑3～B
n
串联组成第n/4个电池单组；所述电压均衡电路包含变压器、n/4个功率开关管S11～S1
n/4
、n/4个功率开关管S21～S2
n/4
、n/4个电容C11～C1
n/4
、n/4个电感L11～L1
n/4
、n/4个电感L21～L2
n/4
、n个MOS管开关Q1～Q
n
、n个高频滤波电容C21～C2
n
、n/4个电阻R11～R1
n/4
、以及n/4个电阻R21～R2
n/4
；所述变压器包含副边绕组N2、n/4个原边绕组N11～N1
n/4
、功率开关管S、以及n/4个功率开关管S31～S3
n/4
；令i为大于等于0小于等于n/4
‑
1的自然数，电池单体B
4i+1
的负极分别和原边绕组N1
4i+1
的一端、电感L1
4i+1
的一端、高频滤波电容C2
4i+1
的一端、MOS管开关Q
4i+1
的源极电气相连；电池单体B
4i+1
的正极分别和电池单体B
4i+2
的负极、电阻R1
4i+1
的一端、高频滤波电容C2
4i+1
的另一端、高频滤波电容C2
4i+2
的一端电气相连；电阻R1
4i+1
的另一端分别和MOS管开关Q
4i+1
的漏极、MOS管开关Q
4i+2
的源极电气相连；电池单体B
4i+2
的正极分别和MOS管开关Q
4i+2
的漏极、高频滤波电容C2
4i+2
的另一端、功率开关管S1
4i+1
的漏极、功率开关管S2
4i+2
的源极、电池单体B
4i+3
的负极、高频滤波电容C2
4i+3
的一端、MOS管开关Q
4i+3
的源极电气相连；电池单体B
4i+3
的正极分别和电池单体B
4i+4
的负极、电阻R2
4i+1
的一端、高频滤波电容C2
4i+3
的另一端、高频滤波电容C2
4i+4
的一端电气相连；电阻R2
4i+1
的另一端分别和MOS管开关Q
4i+3
的漏极、MOS管开关Q
4i+4
的源极电气相连；电池单体B
4i+4
的正极分别和MOS管开关Q
4i+4
的漏极、高频滤波电容C2
4i+4
的另一端、电感L2
4i+1
的一端、功率开关管S3
4i+1
的漏极电气相连；电感L2
4i+1
的另一端分别和功率开关管S2
4i+2
的漏极、电容C1
4i+1
的一端电气相连；电容C1
4i+1
的另一端分别和功率开关管S1
4i+1
的源极、电感L1
4i+1
的另一端电气相连；原边绕组N1
4i+1
的另一端和功率开关管S3
4i+1
的源极电气相连；副边绕组N2的一端和电池单体B1的负极电气相连，另一端和电池单体B
n
的正极电气相连。2.基于权力要求1所述的电池模组中电池单体的电压均衡电路的均衡方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1），采用变压器均衡完成各个电池单组与整个电池模组之间的均衡，对于任意第i个电池单组：步骤1.1），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较高：步骤1.1.1），导通功率开关管S3
i
，接通第i个电池单组和与其串联的变压器均衡的原边绕组N1
i
，将第i个电池单组的部分电量储存到原边绕组N1
i
中；步骤1.1.2），关断功率开关管S3
i
、导通功率开关管S，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕组N2，将原边绕组N11中的电量耦合到副边绕组N2中，副边绕组N2中的电量再流向整个电池模组；步骤1.2），若第i个电池单组相比电池模组中其他电池单组电压较低：步骤1.2.1），导通功率开关管S，接通整个电池模组和与其串联的变压器均衡的副边绕
组N2，整个电池模组的部分电量储存到副边绕组N2中；步骤1.2.2），关断功率开关管S，导通功率开关管S3
i
，接通第i个电池单组...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚德华，张伟，
申请(专利权)人：傲普上海新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：