串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置及方法
【專利摘要】串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置及方法，涉及一種串聯(lián)電池組單體均衡電路。本發(fā)明解決了現(xiàn)有儲能單體間的能量均衡裝置無法解決任意兩個儲能單體間直接能量傳遞、能量均衡路徑長和能量均衡效率低的問題。本發(fā)明所述串聯(lián)電池組由m+n個單體電池串聯(lián)組成,多單體直接均衡裝置包括變壓器和m+n個雙向開關(guān)，變壓器有m+n個繞組，串聯(lián)電池組中前m個儲能單體為第一組，后n個儲能單體為第二組；變壓器的m+n個繞組中有m個線圈分別與第一組中m個儲能單體一一對應(yīng)，剩余n個線圈分別與第二組中n個儲能單體一一對應(yīng)，m+n個繞組共用一個磁芯，且m+n個繞組的匝數(shù)均相同，實現(xiàn)任意兩儲能單體間能量直接傳遞。用于串聯(lián)儲能單體能量均衡領(lǐng)域。
【專利說明】串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種串聯(lián)電池組單體均衡電路。
【背景技術(shù)】 [0002]能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點，各種新能源技術(shù)層出不窮，隨之而來也對能量存儲技術(shù)提出更高要求。動力電池或超級電容器為主的電壓型儲能電源組通常具有較高的功率密、安全清潔等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電動汽車、空間電源、功率脈沖裝置等需要能量存儲的【技術(shù)領(lǐng)域】。無論動力電池還是超級電容器，儲能單體的電壓等級都比較低，實際應(yīng)用中通常會將幾個甚至幾百個單體串聯(lián)構(gòu)成電壓合適的儲能電源組。由于各儲能單體的參數(shù)難以保證完全一致，在串聯(lián)充放電過程中極易出現(xiàn)某個或某些單體的過充或過放現(xiàn)象，導(dǎo)致串聯(lián)電池組容量和安全性能降低，循環(huán)壽命減少。因此儲能單體間的能量均衡成為串聯(lián)電池組實際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]目前，國內(nèi)外已經(jīng)有很多種基于開關(guān)變換技術(shù)的均衡拓撲結(jié)構(gòu)，大致可以分為以下三類:
[0004]第一類是可以實現(xiàn)單體對單體能量直接傳遞的飛渡電容式均衡拓撲機構(gòu)；
[0005]第二類是可以實現(xiàn)相鄰兩個單體間能量的雙向傳遞或多個相鄰單體單一方向能量的依次傳遞的均衡拓撲結(jié)構(gòu)；
[0006]第三類是可以實現(xiàn)單體與串聯(lián)電池組間的能量傳遞，即局部到整體或整體到局部的能量傳遞的均衡拓撲結(jié)構(gòu)。
[0007]第一類飛渡電容式均衡拓撲結(jié)構(gòu)對可實現(xiàn)點對點能量的直接傳遞，但由于使用了大量的開關(guān)器件，電路復(fù)雜程度增加，電路可靠性難以保證；而另外兩類均衡拓撲結(jié)構(gòu)在進行非相鄰單體間能量的傳遞時，均無法實現(xiàn)能量的跨越式傳遞，均衡過程中，均衡路徑長、均衡速度慢、均衡效率低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有儲能單體間的能量均衡裝置無法解決任意兩個儲能單體間直接能量傳遞、能量均衡路徑長和能量均衡效率低的問題，本發(fā)明提供了一種串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置及方法。
[0009]串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，所述串聯(lián)電池組由m+n個單體電池串聯(lián)組成，所述多單體直接均衡裝置包括變壓器和m+n個雙向開關(guān)，m和n均為大于I的正整數(shù)；
[0010]所述的變壓器有m+n個繞組，且m+n個繞組的匝數(shù)均相同；
[0011]串聯(lián)電池組中的前m個單體電池為第一組，后n個單體電池為第二組；
[0012]所述變壓器的m+n個繞組中有m個線圈分別與第一組中的m個單體電池一一對應(yīng)，所述變壓器的m+n個繞組中其余n個線圈分別與第二組中的n個單體電池--對應(yīng)，
[0013]第i個繞組與第i個雙向開關(guān)和第i個單體電池串聯(lián)連接，并且所述第i個雙向開關(guān)串聯(lián)在第i個單體電池的正極與第i個繞組的同名端之間，i=l、2、…m ;[0014]第j個繞組與第j個雙向開關(guān)和第j個單體電池串聯(lián)連接，并且所述第j個繞組的同名端與第j個單體電池的負極連接，j=m+l、m+2、…m+n。
[0015]對于串聯(lián)動力電池組或超級電容器組，工作條件相同，儲能單體的能量與儲能單體電壓成正比。本發(fā)明的原理為電壓最高儲能單體向電壓最低儲能單體傳遞能量，當(dāng)任意兩個儲能單體的電壓差超過限定閾值時，通過控制某個雙向開關(guān)管進行調(diào)節(jié)，使儲能單體間電壓趨于一致，從而實現(xiàn)儲能單體間的能量均衡。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點是，變壓器有m+n個繞組，串聯(lián)電池組中的前m個儲能單體為第一組，后n個儲能單體為第二組；變壓器的m+n個繞組中有m個線圈分別與第一組中的m個儲
能單體--對應(yīng)，所述變壓器的m+n個繞組中其余n個線圈分別與第二組中的n個儲能單
體一一對應(yīng)，m和n可以相同，也可以不同，m+n個繞組共用一個磁芯，且匝數(shù)相同，電路結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)串聯(lián)電池組任意兩儲能單體間點對點能量的直接雙向傳遞，無論待均衡儲能單體位置相鄰或不相鄰，都能夠一次性將能量傳遞完畢，因而均衡過程的能量傳遞路徑短，均衡速度快，且無能量的中間變換與轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，均衡過程損耗小，使均衡效率得以提高，且均衡效率提高了 30%以上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為【具體實施方式】一所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的電路連接示意圖，其中，B1到Bm+n分別表示第I至第m+n個儲能單體！M1至Mm+n表示第I至第m+n個雙向開關(guān)，L1至Lm+n表示變壓器的第I至第m+n個繞組；
[0018]圖2為【具體實施方式】二所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的電路連接示意圖；
[0019]圖3為【具體實施方式】六中的變壓器第一繞組儲能時，發(fā)明所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置工作狀態(tài)示意圖；
`[0020]圖4為【具體實施方式】六中的變壓器第一繞組中的能量通過磁路耦合經(jīng)變壓器第六繞組轉(zhuǎn)移到第六儲能單體B6時，發(fā)明所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置工作狀態(tài)示意圖；
[0021]圖5為【具體實施方式】六中，當(dāng)m=3,n=3時，以第一儲能單體B1能量最高,第三儲能單體B3能量最低時，本發(fā)明所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置處于組內(nèi)正激均衡模式時的工作狀態(tài)示意圖；
[0022]圖6為【具體實施方式】七中，當(dāng)m=3，n=3時，防止鐵芯出現(xiàn)磁飽，以第一組中第一儲能單體B1能量最高、第三儲能單體B3能量最低和第二組中第五儲能單體B5能量最低為例，說明本發(fā)明所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的工作狀態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]【具體實施方式】一:參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，所述串聯(lián)電池組由m+n個儲能單體串聯(lián)組成，所述多單體直接均衡裝置包括變壓器和m+n個雙向開關(guān)，m和n均為大于I的正整數(shù)；
[0024]所述的變壓器有m+n個繞組，且m+n個繞組的匝數(shù)均相同；
[0025]串聯(lián)電池組中的前m個儲能單體為第一組，后n個儲能單體為第二組；[0026]所述變壓器的m+n個繞組中有m個線圈分別與第一組中的m個儲能單體一一對應(yīng)，所述變壓器的m+n個繞組中其余n個線圈分別與第二組中的n個儲能單體--對應(yīng)，
[0027]第i個繞組Li與第i個雙向開關(guān)和第i個儲能單體串聯(lián)連接，并且所述第i個雙向開關(guān)串聯(lián)在第i個儲能單體的正極與第i個繞組Li的同名端之間，i=2、---m ；
[0028]第j個繞組Lj與第j個雙向開關(guān)和第j個儲能單體串聯(lián)連接，并且所述第j個繞組Lj的同名端與第j個儲能單體的負極連接，j=m+l、m+2、…m+n。
[0029]本發(fā)明的原理為電壓最高儲能單體向電壓最低單體傳遞能量，當(dāng)任意兩個儲能單體的電壓差超過限定閾值時，通過控制多單體直接均衡器的雙向開關(guān)管進行調(diào)節(jié)，使儲能單體間電壓趨于一致，從而實現(xiàn)儲能單體間的能量均衡。
[0030]【具體實施方式】二:參見圖2說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】一所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的區(qū)別在于，所述雙向開關(guān)由兩個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管串聯(lián)組成，且一個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管的源極與另一個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管的源極連接。
[0031]【具體實施方式】三:參見圖2說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】二所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的區(qū)別在于，所述的體內(nèi)寄生二極管開關(guān)管為M0SFET。
[0032]【具體實施方式】四:參見圖1和2說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】一、二或三所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的區(qū)別在于，所述的n為大于2且小于7的整數(shù)，m為大于2且小于7的 整數(shù)。
[0033]【具體實施方式】五:參見圖1和2說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】四所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置的區(qū)別在于，所述的n等于3，且m等于3。
[0034]【具體實施方式】六:參見圖1說明本實施方式，基于【具體實施方式】一、三或五所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置實現(xiàn)串聯(lián)電池組多單體直接均衡方法，所述方法為:組內(nèi)能量均衡時，采用正激均衡工作方式；組間能量均衡時，采用反激均衡工作方式。
[0035]本實施方式中，以m=3，n=3為例，串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置處于組間反激均衡模式或組內(nèi)正激均衡模式時的工作狀態(tài)具體參見圖3到5 ;
[0036]當(dāng)串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置處于組間反激均衡模式時，它的工作狀態(tài)示意圖參見圖3和圖4，第一儲能單體B1能量最高，第六儲能單體B6能量最低為例說明，
[0037]其中，第一雙向開關(guān)M1導(dǎo)通，第一儲能單體B1、第一雙向開關(guān)M1與第一繞組LI構(gòu)成回路，將第一儲能單體B1中多余的能量存儲到變壓器的第一繞組LI中，具體參見圖3，
[0038]當(dāng)?shù)谝浑p向開關(guān)札關(guān)斷，第六雙向開關(guān)仏開通，此時第六儲能單體B6、變壓器的第六繞組L6和第六雙向開關(guān)M6構(gòu)成回路，把第一繞組L1中的能量通過磁路耦合經(jīng)第六繞組L6轉(zhuǎn)移到第六儲能單體B6中，具體參見圖4。
[0039]當(dāng)串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置處于組內(nèi)正激均衡模式時，它的工作狀態(tài)示意圖參見圖5，以第一儲能單體B1能量最高，第三儲能單體B3能量最低為例說明。下面結(jié)合圖5說明，第一雙向開關(guān)M1與第三雙向開關(guān)M3同時導(dǎo)通，且上述兩個雙向開關(guān)與變壓器的第一繞組L1和變壓器的第三繞組L3構(gòu)成正激變換電路。將第一儲能單體B1中多余的能量通過變壓器的第一繞組L1經(jīng)磁路傳遞至變壓器的第三繞組L3,從而將第一儲能單體B1的能量轉(zhuǎn)移到第三儲能單體B3中。
[0040]【具體實施方式】七:參見圖1說明本實施方式，本實施方式與【具體實施方式】六所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡方法的區(qū)別在于，當(dāng)其工作于組內(nèi)正激的均衡工作方式時，采用組間反激的均衡工作方式進行磁復(fù)位，以防止單向勵磁的磁芯飽和。
[0041]本實施方式中，以m=3，n=3為例，采用組間反激的工作方式進行磁復(fù)位，以第一組中第一儲能單體B1能量最高、第三儲能單體B3能量最低和第二組中第五儲能單體B5能量最低為例說明，具體參見圖6,
[0042]使第一雙向開關(guān)M1與第三雙向開關(guān)M3同時導(dǎo)通，且第一雙向開關(guān)M1和第三雙向開關(guān)M3與變壓器的第一繞組L1和變壓器的第三繞組L3構(gòu)成正激變換電路。將第一儲能單體&中多余的能量通過變壓器的第一繞組LI經(jīng)磁路傳遞至變壓器的第三繞組L3，從而將第一儲能單體B1的能量轉(zhuǎn)移到第三儲能單體B3中，
[0043]然后，再使第一雙向開關(guān)M1與第三雙向開關(guān)M3同時關(guān)斷，使第五雙向開關(guān)M5導(dǎo)通，此時第五儲能單體B5與變壓器的第五繞組L5和第五雙向開關(guān)M5構(gòu)成導(dǎo)通回路，將磁芯中的剩余磁能轉(zhuǎn)移到電壓相對較低的第五儲能單體B5中，從而實現(xiàn)鐵芯磁復(fù)位。
【權(quán)利要求】
1.串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，其特征在于，所述串聯(lián)電池組由m+n個儲能單體串聯(lián)組成，所述多單體直接均衡裝置包括變壓器和m+n個雙向開關(guān)，m和n均為大于I的正整數(shù)； 所述的變壓器有m+n個繞組，且m+n個繞組的匝數(shù)均相同； 串聯(lián)電池組中的前m個儲能單體為第一組，后n個儲能單體為第二組； 所述變壓器的m+n個繞組中有m個線圈分別與第一組中的m個儲能單體一一對應(yīng)，所述變壓器的m+n個繞組中其余n個線圈分別與第二組中的n個儲能單體--對應(yīng)， 第i個繞組Li與第i個雙向開關(guān)和第i個儲能單體串聯(lián)連接，并且所述第i個雙向開關(guān)串聯(lián)在第i個儲能單體的正極與第i個繞組Li的同名端之間，i=l、2、…m ； 第j個繞組h與第j個雙向開關(guān)和第j個儲能單體串聯(lián)連接，并且所述第j個繞組Lj的同名端與第j個儲能單體的負極連接，j=m+l、m+2、…m+n。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，其特征在于，所述的雙向開關(guān)由兩個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管串聯(lián)組成，且一個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管的源極與另一個體內(nèi)寄生二極管的開關(guān)管的源極連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，其特征在于，所述的體內(nèi)寄生二極管開關(guān)管為MOSFET。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，其特征在于，所述的n為大于2且小于7的整數(shù)，m為大于2且小于7的整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置，其特征在于，所述的n等于3,且m等于3。
6.基于權(quán)利要求1、3或5所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡裝置實現(xiàn)串聯(lián)電池組多單體直接均衡方法，其特征在于，所述方法為:組內(nèi)能量均衡時，采用正激均衡工作方式；組間能量均衡時，采用反激均衡工作方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的串聯(lián)電池組多單體直接均衡方法，其特征在于，當(dāng)其工作于組內(nèi)正激的均衡工作方式時，采用組間反激的均衡工作方式進行磁復(fù)位，以防止單向勵磁的磁芯飽和。
【文檔編號】H02J7/00GK103618360SQ201310653378
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】劉曉芳, 楊世彥, 陳洋, 韓基業(yè), 趙樹野 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)