本發(fā)明涉及電池組均衡技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著空氣質(zhì)量的日益惡化以及石油資源的漸趨匱乏，新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車成為當(dāng)今世界各大汽車公司的開發(fā)熱點(diǎn)。動(dòng)力電池組作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性都有重大影響。動(dòng)力電池組在經(jīng)過(guò)多個(gè)充放電循環(huán)后，各電池單體的剩余容量的分布大致將會(huì)出現(xiàn)高低不一的情況，若不加以均衡將容易出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象。如此一來(lái)，在實(shí)際使用中，將嚴(yán)重影響電池組使用壽命，甚至存在過(guò)熱起火的安全隱患。

針對(duì)上述情況，為了改善電池組的不一致性問(wèn)題，提高電池組的整體性能，則需要采用均衡控制。目前鋰離子電池組均衡控制的方法，根據(jù)均衡過(guò)程中電路對(duì)能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類；耗散型即為在每節(jié)單體電池外并聯(lián)分流電阻，通過(guò)控制相應(yīng)的開關(guān)器件將剩余容量偏高的電池模塊的能量通過(guò)電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費(fèi)掉，并且在均衡過(guò)程中產(chǎn)生了大量的熱，增加了電池?zé)峁芾淼呢?fù)荷。非耗散型通過(guò)電池外部DC-DC電路實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。按照均衡功能分類，可分為充電均衡、放電均衡和動(dòng)態(tài)均衡。充電均衡是指在充電過(guò)程中的均衡，一般是在電池組單體電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)開始均衡，通過(guò)減小充電電流防止過(guò)充電；放電均衡是指在放電過(guò)程中的均衡，通過(guò)向剩余能量低的電池單體補(bǔ)充能量來(lái)防止過(guò)放電；動(dòng)態(tài)均衡方式結(jié)合了充電均衡和放電均衡的優(yōu)點(diǎn)，是指在整個(gè)充放電過(guò)程中對(duì)電池組進(jìn)行的均衡。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路，所述均衡電路包括3n個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能電池和n個(gè)均衡子電路，其中，所述3n個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能電池，分別是依次串聯(lián)連接的B1a、B1b、B1c，B2a、B2b、B2c，……，Bja、Bjb、Bjc，……，Bna、Bnb、Bnc，每三節(jié)電池Bja、Bjb、Bjc為一電池小組m_j(j＝1,2,3…n)，共n組電池小組，其中n為正整數(shù)，所述n個(gè)均衡子電路，包括一個(gè)基礎(chǔ)均衡子電路Q1和n-1個(gè)擴(kuò)展均衡子電路Qi(i＝2,3，…，n)；

所述基礎(chǔ)均衡子電路Q1由電感L1a、L1b和開關(guān)管S1a、S1b、S1c組成，用于負(fù)責(zé)電池小組m₁中電池B1a、B1b、B1c之間的均衡，所述開關(guān)管S1a、S1b、S1c均為N溝道MOSFET，分別包括源極、漏極、柵極；

所述基礎(chǔ)均衡子電路Q1中，電感L1a的一端與電池B1a的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管S1a的源極、開關(guān)管S1b的漏極相連；電感L1b的一端與電池B1b的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管S1b的源極、開關(guān)管S1c的漏極相連；開關(guān)管S1a的漏極與電池B1a的正極相連，開關(guān)管S1c的源極與電池B1c的負(fù)極相連；

所述擴(kuò)展均衡子電路Qi(i＝2,3，…，n)，由電感Lia、Lib、Lic和開關(guān)管Sia、Sib、Sic、Sid、Sie組成，其中電感Lia的一端與電池Bia的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管Sia的源極、開關(guān)管Sib的漏極相連，電感Lib的一端與電池Bib的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管Sib的源極、開關(guān)管Sic的漏極相連，開關(guān)管Sia的漏極與電池Bia的正極相連，開關(guān)管Sic的源極與電池Bic的負(fù)極相連，開關(guān)管Sid、開關(guān)管Sie以及電感Lic負(fù)責(zé)電池小組m_i與電池小組m_i-1相連，電感Lic的一端與電池Bia正極相連，另一端與開關(guān)管Sid的源極、開關(guān)管Sie的漏極相連，開關(guān)管Sid的漏極與電池Bi-1a的正極相連，開關(guān)管Sie的源極與電池Bic的負(fù)極相連。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)管S1a、S1b、S1c，Sia、Sib、Sic、Sid、Sie(i＝2,3，…，n)的柵極均與控制電路連接，通過(guò)所述控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，達(dá)到電池組的均衡的目的。

進(jìn)一步地，所述3n個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能電池易于擴(kuò)展電池小組m_i，即三節(jié)電池Bia，Bib，Bic，同時(shí)，所述均衡電路添加一個(gè)擴(kuò)展均衡子電路Qi。

進(jìn)一步地，所述均衡電路中的電感均為儲(chǔ)能電感，其儲(chǔ)能電感值由開關(guān)管的開關(guān)頻率、電池單體電壓和/或均衡電路的均衡時(shí)間選擇確定，不同儲(chǔ)能電感的電感值可以滿足不同均衡時(shí)間的需求。

進(jìn)一步地，所述控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)損耗、儲(chǔ)能電感的電感值和電池單體電壓與容量選擇確定。

進(jìn)一步地，所述控制電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比根據(jù)均衡子電路的工作條件選擇確定，保證每個(gè)電感在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)復(fù)位，即每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)儲(chǔ)能電感的電流最終下降到零，使電感工作在斷續(xù)模式下。

進(jìn)一步地，所述3n個(gè)儲(chǔ)能單元是二次電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池、超級(jí)電容器或鎳氫電池。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

1)本發(fā)明在串聯(lián)電池組的電池管理系統(tǒng)中采用一種均衡電路來(lái)保證電池組中的單體在充電和放電過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電，改善串聯(lián)電池組不均衡的現(xiàn)象，提高電池組的可用容量，減小串聯(lián)電池組的維修，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，降低混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車和蓄能電站的運(yùn)行成本。

2)本發(fā)明易于擴(kuò)展串聯(lián)電池組電池的個(gè)數(shù)，需要擴(kuò)展電池?cái)?shù)時(shí)，可一次增加一個(gè)電池小組，只需添加一個(gè)擴(kuò)展均衡子電路連接在原有電路上即可，且不需對(duì)原有電路結(jié)構(gòu)與控制策略進(jìn)行改動(dòng)。

3)本發(fā)明在充放電該過(guò)程中，均衡子電路先進(jìn)行電池小組內(nèi)部電池的均衡，再進(jìn)行臨近電池小組之間的均衡，最終實(shí)現(xiàn)整組電池的均衡，且控制簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明公開的一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路的電路原理圖；

圖2是本發(fā)明中基礎(chǔ)均衡子電路的電路原理圖；

圖3是本發(fā)明中擴(kuò)展均衡子電路的電路原理圖；

圖4(a)是電池小組內(nèi)電池放電模式1；

圖4(b)是電池小組內(nèi)電感續(xù)流模式1。

圖4(c)是電池小組內(nèi)電池放電模式2；

圖4(d)是電池小組內(nèi)電感續(xù)流模式2；

圖5(a)是臨近電池小組均衡過(guò)程步驟1；

圖5(b)是臨近電池小組均衡過(guò)程步驟2；

圖6(a)是9節(jié)電池的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1；

圖6(b)是9節(jié)電池的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

本實(shí)施例結(jié)合附圖1至圖6，詳細(xì)介紹一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路。

圖1是本發(fā)明公開的一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路的電路原理圖，如圖1所示，該均衡電路包括3n個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能電池和n個(gè)均衡子電路，其中，所述3n個(gè)串聯(lián)儲(chǔ)能電池，分別是B1a、B1b、B1c，B2a、B2b、B2c，……，Bja、Bjb、Bjc，……，Bna、Bnb、Bnc，每三節(jié)電池Bja、Bjb、Bjc為一電池小組m_j，(j＝1,2,3…n)，共n組電池小組，其中n為正整數(shù)，所述n個(gè)均衡子電路，包括一個(gè)基礎(chǔ)均衡子電路Q1，n-1個(gè)擴(kuò)展均衡子電路Qi(i＝2,3，…，n)。

圖2是基礎(chǔ)均衡子電路的電路圖，所述基礎(chǔ)均衡子電路由電感L1a、L1b和開關(guān)管S1a、S1b、S1c組成，負(fù)責(zé)電池小組m₁中電池B1a、B1b、B1c之間的均衡。所述開關(guān)管S1a、S1b、S1c為N溝道MOSFET，包括源極、漏極、柵極。

所述基礎(chǔ)均衡子電路中，電感L1a的一端與電池B1a的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管S1a的源極、開關(guān)管S1b的漏極相連。電感L1b的一端與電池B1b的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管S1b的源極、開關(guān)管S1c的漏極相連。開關(guān)管S1a的漏極與電池B1a的正極相連，開關(guān)管S1c的源極與電池B1c的負(fù)極相連，組成完整回路。

圖3是擴(kuò)展均衡子電路的電路圖，所述擴(kuò)展均衡子電路Qi，i＝2,3,….,n,由電感Lia、Lib、Lic和開關(guān)管Sia、Sib、Sic、Sid、Sie組成。其中電感Lia的一端與電池Bia的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管Sia的源極、開關(guān)管Sib的漏極相連。電感Lib的一端與電池Bib的負(fù)極相連，另一端與開關(guān)管Sib的源極、開關(guān)管Sic的漏極相連。開關(guān)管Sia的漏極與電池Bia的正極相連，開關(guān)管Sic的源極與電池Bic的負(fù)極相連。開關(guān)管Sid、開關(guān)管Sie以及電感Lic負(fù)責(zé)電池小組m_i與電池小組m_i-1相連。電感Lic的一端與電池Bia正極相連，另一端與開關(guān)管Sid的源極、開關(guān)管Sie的漏極相連，開關(guān)管Sid的漏極與電池Bi-1a的正極相連，開關(guān)管Sie的源極與電池Bic的負(fù)極相連。

所有的開關(guān)管S1a、S1b、S1c，Sia、Sib、Sic、Sid、Sie(i＝1,2,3，…，n)的柵極均與控制電路連接，通過(guò)控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移，達(dá)到電池組的均衡的目的。

圖4(a)-圖4(d)是電池小組內(nèi)3節(jié)電池的均衡原理示意圖。以第一電池小組為例說(shuō)明。如圖4(a)當(dāng)電池B1a電壓過(guò)高時(shí)，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，開通開關(guān)管S1a，電流通過(guò)電池B1a，開關(guān)管S1a，電感L1a形成回路，電感L1a儲(chǔ)能，圖中Q回路表示電流的回路，箭頭代表電流的方向。如圖4(b)，在開關(guān)管S1a導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L1a，電池B1b，電感L2a，D1b(S1b反并聯(lián)二極管)以及電感L1a，電池B1b，電池B1c，D1c(S1c反并聯(lián)二極管)，D1b形成兩個(gè)閉合回路，電感L1a將能量釋放給電池B1b與電池B1c。為了保證儲(chǔ)能電感工作在斷續(xù)模式下，開關(guān)管S1a的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比小于50％.

當(dāng)電池B1a電壓過(guò)低時(shí)，電池B1b與電池B1c向其轉(zhuǎn)移能量。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，同時(shí)開通開關(guān)管S1b，開關(guān)管S1c，電流通過(guò)電池B1c，電池B1b，電感L1a，開關(guān)管S1b，開關(guān)管S1c以及開關(guān)管B1c，電感L1b，開關(guān)管S1c形成兩個(gè)閉合回路，電感L1a與電感L1b儲(chǔ)能。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通一定時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L1a，D1a(S1a反并聯(lián)二極管)，電池B1a以及電感L1b，D1b，D1a，開關(guān)管S1a，開關(guān)管S1b形成兩個(gè)閉合回路，L1a將能量傳遞給B1a，L1b將能量傳遞給B1a與B1b。

當(dāng)電池B1b能量過(guò)高時(shí)，電池B1b向其余兩節(jié)電池轉(zhuǎn)移能量。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，導(dǎo)通開關(guān)管S1b，電流通過(guò)電池B1b，電感L1a，開關(guān)管S1b，電感L1b形成回路，電感L1a與電感L1b同時(shí)儲(chǔ)能。在開關(guān)管導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L1a，D1a，電池B1a以及電感L1b，開關(guān)管S1c，D1c形成兩個(gè)閉合回路，電感L1a將能量傳遞給電池B1a，電感L1b將能量傳遞給開關(guān)管S1c。

如圖4(c)，當(dāng)電池B1b能量過(guò)低時(shí)，電池B1a與電池B1c向其傳遞能量。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，同時(shí)打開開關(guān)管S1a與開關(guān)管S1c，電流通過(guò)電池B1a，開關(guān)管S1a，電感L1a以及電池B1c，電感L1b，開關(guān)管S1c形成兩個(gè)閉合回路，電感L1a與電感L1b同時(shí)儲(chǔ)能。如圖4(d)，在開關(guān)管導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L1a，電池B1b，電感L1b，D1b形成回路，電感L1a與電感L1b將能量傳遞給電池B1b。

當(dāng)電池B1c與電池B1a處于對(duì)稱位置，工作原理與電池B1a一致。

圖5(a)和圖5(b)是臨近兩個(gè)電池小組均衡原理示意圖。以電池小組m₁與電池小組m₂為例說(shuō)明。

如圖5(a)當(dāng)電池小組m₁能量過(guò)高時(shí)，電池小組m₁向電池小組m₂傳遞能量。在一個(gè)PWM周期內(nèi)，開通開關(guān)管S2d，電流通過(guò)電池小組m₁，開關(guān)管S2d，電感L2c形成回路，電感L2c儲(chǔ)能。如圖5(b)，開關(guān)管導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L2c，電池小組m₂，D2e(開關(guān)管S2e反并聯(lián)二極管)形成回路，電感L2c將能量傳遞給電池小組m₂。

當(dāng)電池小組m₁能量過(guò)低時(shí)，電池小組m₂向電池小組m₁傳遞能量。在一個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)，導(dǎo)通開關(guān)管S2e，電流通過(guò)電池小組m₂，電感L2c，開關(guān)管S2e形成回路，電感L2c儲(chǔ)能。開關(guān)管導(dǎo)通一段時(shí)間后關(guān)閉，電流通過(guò)電感L2c，D2d(S2d反并聯(lián)二極管)，電池小組m₁形成回路，電感L2c將能量釋放給電池小組m₁。

同理，當(dāng)電池小組m₂能量過(guò)高過(guò)低時(shí)，其工作原理與上述電池小組m₁工作過(guò)程相同。

圖6(a)和圖6(b)是9節(jié)電池均衡電路的兩種實(shí)現(xiàn)方法。

圖6(a)中電池小組采用兩兩結(jié)合的拓?fù)?，臨近電池小組實(shí)現(xiàn)均衡。

圖6(b)中，電池小組采用三個(gè)一組的拓?fù)洌渚庠砼c小組內(nèi)單體電池均衡原理相同。

綜上所述，本實(shí)施例公開了一種可擴(kuò)展3n個(gè)儲(chǔ)能單元的均衡電路，該均衡電路易于擴(kuò)展串聯(lián)儲(chǔ)能單元的數(shù)量，可每次擴(kuò)展3個(gè)電池單體，且只需增加一個(gè)擴(kuò)展子電路，無(wú)需改動(dòng)原有主電路結(jié)構(gòu)。該均衡電路使用開關(guān)器件與儲(chǔ)能元件較少，3n個(gè)儲(chǔ)能單元采用5n-2開關(guān)器件，3n-1個(gè)儲(chǔ)能電感。該均衡電路可以在充電，放電，以及靜置狀態(tài)下對(duì)串聯(lián)儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)主動(dòng)均衡，改善串聯(lián)電池組不均衡的現(xiàn)象，提高電池組的可用容量，減小串聯(lián)電池組的維修和更換周期，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。該該均衡電路適用于電動(dòng)汽車或蓄能電站中的蓄能裝置的電池管理系統(tǒng)，通過(guò)在串聯(lián)電池組電池管理系統(tǒng)中運(yùn)用雙向動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)，能保證每個(gè)電池在充電和放電過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，改善串聯(lián)電池組不均衡的問(wèn)題，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，且控制簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單可靠，易于擴(kuò)展串聯(lián)電池?cái)?shù)。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。