基于電感儲(chǔ)能的串聯(lián)電池組雙向無(wú)損均衡電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及串聯(lián)電池組均衡技術(shù)，具體涉及適用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車或蓄能電站中的蓄能裝置的基于電感儲(chǔ)能的串聯(lián)電池組雙向無(wú)損均衡電路。
【背景技術(shù)】
[0002]串聯(lián)電池組在經(jīng)過多個(gè)充放電循環(huán)后，各電池單體的剩余容量的分布大致會(huì)出現(xiàn)三種情況:個(gè)別電池單體的剩余容量偏高；個(gè)別電池單體的剩余容量偏低；個(gè)別電池單體的剩余容量偏高和個(gè)別電池單體的剩余容量偏低。
[0003]針對(duì)上述三種情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均提出了自己的解決方案。如針對(duì)個(gè)別電池單體的剩余容量偏高的情況，有研究者提出了并聯(lián)電阻分流法，它通過控制相應(yīng)的開關(guān)器件將剩余容量偏高的電池模塊的能量通過電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費(fèi)掉，并且在均衡過程中產(chǎn)生了大量的熱，增加了電池?zé)峁芾淼呢?fù)荷。也有研究者提出了雙向DC-DC均衡法、同軸變壓器均衡法等均衡電路，這些電路都采用了變壓器，增加了均衡電路的成本。
[0004]目前鋰離子電池組均衡控制的方法，根據(jù)均衡過程中電路對(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；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，通過減小充電電流防止過充電；放電均衡是指在放電過程中的均衡，通過向剩余能量低的電池單體補(bǔ)充能量來(lái)防止過放電；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)充放電過程中對(duì)電池組進(jìn)行的均衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是在串聯(lián)電池組的電池管理系統(tǒng)中采用基于電感儲(chǔ)能的串聯(lián)電池組雙向無(wú)損均衡電路，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0007]基于電感儲(chǔ)能的串聯(lián)電池組雙向充放電均衡電路，其中串聯(lián)電池組均分為上、下兩部分，上半部分的所有電池單體組成上電池組，下半部分的所有電池單體組成下電池組；當(dāng)電池單體總數(shù)η為偶數(shù)時(shí)，上下部分的電池單體數(shù)均為η/2，當(dāng)電池單體總數(shù)η為奇數(shù)時(shí)，上電池組的單體數(shù)為(η+1)/2，下電池組的單體數(shù)為(η-1)/2 ;所有電池單體由上至下分別依次命名為B1、B2、B3、......Bn，B1的正極接電源，B η的負(fù)極接地；每個(gè)電池單體均與一個(gè)均衡子電路相連接；均衡子電路的數(shù)量為η+1，其中η均衡子電路相應(yīng)的與η個(gè)電池單體連接，另一個(gè)均衡子電路作為總均衡子電路，總均衡子電路與上電池組和下電池組的分界點(diǎn)即公共點(diǎn)連接；每個(gè)均衡子電路由兩個(gè)帶續(xù)流二極管的MOSFET以及儲(chǔ)能電感構(gòu)成。
[0008]進(jìn)一步優(yōu)化地，每個(gè)均衡子電路均各自包括上橋臂MOSFET和下橋臂M0SFET，上橋臂MOSFET的源極與下橋臂MOSFET的漏極均和儲(chǔ)能電感的一端相連；上橋臂MOSFET的漏極作為第一輸出端，上橋臂MOSFET的柵極作為第二輸出端，下橋臂MOSFET的柵極作為第三輸出端，下橋臂MOSFET的源極作為第四輸出端，L的另一端作為第五輸出端；第二輸出端、第三輸出端與控制電路相連接，MOSFET的開通和關(guān)斷由控制電路控制；與上電池組的電池單體連接的均衡子電路中，第一輸出端與該對(duì)應(yīng)的電池單體正極相連，第五輸出端與對(duì)應(yīng)電池單體負(fù)極相連，第四輸出端接地；與下電池組的電池單體連接的均衡子電路中，第五輸出端與該對(duì)應(yīng)電池單體正極相連，第四輸出端與對(duì)應(yīng)電池單體負(fù)極相連，第一輸出端接電源；總均衡子電路的第一輸出端接電源，第四輸出端接地，第五輸出端接上電池組與下電池組的公共點(diǎn)。
[0009]進(jìn)一步優(yōu)化地，所述電池單體為電池模塊，電池模塊為鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池或超級(jí)電容器。
[0010]進(jìn)一步優(yōu)化地，所述控制電路的控制信號(hào)頻率的大小根據(jù)所控制的電路儲(chǔ)能電感的電感值、MOSFET的開關(guān)損耗、電池單體電壓、電池單體容量而定。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)化地，所述控制電路的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比滿足使儲(chǔ)能電感在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)復(fù)位，即儲(chǔ)能電感的電流先從零開始上升，最后又下降到零。
[0012]均衡子電路的工作原理如下。
[0013]在充電過程中，若上電池組中的B1電池單體端電壓為所有單體最高，為了避免對(duì)B1S充電，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使B i對(duì)應(yīng)的均衡子電路S i上橋臂MOSFET S la導(dǎo)通，則電流通過Sla、S1的儲(chǔ)能電感L i以及B y B1放電為L(zhǎng) ^諸存能量；S la開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過S1下橋臂MOSFET S化的續(xù)流二極管、L1^B 1+1、B1+2……Bn，L1釋放能量至B 1+1、B1+2……Bn，實(shí)現(xiàn)了能量從Bjlj B 1+1、B1+2……8?的轉(zhuǎn)移。而若下電池組中的B j電池單體端電壓為所有單體最高，為了避免對(duì)BjS充電，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使B j對(duì)應(yīng)的均衡子電路S j下橋臂MOSFET Sjb導(dǎo)通，則電流通過S jb、Sj的儲(chǔ)能電感L j以及B j, Bj放電為L(zhǎng)滿存能量；Sjb開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過S j上橋臂MOSFET S #的續(xù)流二極管、L ]及B 1、B2……B1 P Lj釋放能量至B ^ B2……B1:，實(shí)現(xiàn)了能量WB jIjB ^ B2……B1 4勺轉(zhuǎn)移。
[0014]在放電過程中，若上電池組中的B1單體端電壓為所有單體最低，為了避免B i過放電，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使B1對(duì)應(yīng)的均衡子電路S i下橋臂MOSFET S lb導(dǎo)通，則電流通過S lb、S1的儲(chǔ)能電感L1以及B1+1、B1+2……Bn，B1+1、B1+2……Bn放電為L(zhǎng) ^諸存能量；S lb開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過S1上橋臂MOSFET S 13的續(xù)流二極管、L B P L1釋放能量至B實(shí)現(xiàn)了能量從B1+1、B1+2……轉(zhuǎn)移。而若下電池組中的B ,單體端電壓為所有單體最低，為了避免對(duì)Bj過放電，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使B j對(duì)應(yīng)的均衡子電路S j上橋臂MOSFETSja導(dǎo)通，則電流通過S ja、Sj的儲(chǔ)能電感L j以及B η B2……Bj !,BnB2……Bj:放電為L(zhǎng)〗儲(chǔ)存能量；Sja開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過S j下橋臂MOSFET S $的續(xù)流二極管、L s及Bj, Lj釋放能量至B j，實(shí)現(xiàn)了能量從BpB2……Bj jljB郝轉(zhuǎn)移。
[0015]總均衡子電路對(duì)上電池組與下電池組進(jìn)行整體均衡，與其他均衡子電路同時(shí)工作。在充電過程中，若上電池組平均端電壓大于下電池組平均端電壓，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，使總均衡子電路上橋臂MOSFET Sa導(dǎo)通，則電流通過上橋臂MOSFET S a、總均衡子電路儲(chǔ)能電感L以及上電池組，上電池組放電為L(zhǎng)儲(chǔ)存能量；上橋臂MOSFET Sa開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過總均衡子電路下橋臂MOSFET Sb的續(xù)流二極管、L及下電池組，L釋放能量至下電池組，實(shí)現(xiàn)了能量從上電池組到下電池組的轉(zhuǎn)移；若下電池組平均端電壓大于上電池組平均端電壓，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使總均衡子電路下橋臂MOSFET Sb導(dǎo)通，則電流通過下橋臂MOSFET Sb、總均衡子電路儲(chǔ)能電感L以及下電池組，下電池組放電為L(zhǎng)儲(chǔ)存能量；下橋臂MOSFET Sb開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過總均衡子電路上橋臂MOSFET S a的續(xù)流二極管、L及上電池組，L釋放能量至上電池組，實(shí)現(xiàn)了能量從下電池組到上電池組的轉(zhuǎn)移；在放電過程中，若上電池組平均端電壓小于下電池組平均端電壓，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，使總均衡子電路下橋臂MOSFET Sb導(dǎo)通，則電流通過下橋臂MOSFET S b、總均衡子電路儲(chǔ)能電感L以及下電池組，下電池組放電為L(zhǎng)儲(chǔ)存能量；下橋臂MOSFET Sb開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過總均衡子電路上橋臂MOSFET 續(xù)流二極管、L及上電池組，L釋放能量至上電池組，實(shí)現(xiàn)了能量從下電池組到上電池組的轉(zhuǎn)移；若下電池組平均端電壓小于上電池組平均端電壓，在一個(gè)PffM周期內(nèi)，使總均衡子電路上橋臂MOSFET Sa導(dǎo)通，則電流通過上橋臂MOSFET Sa、總均衡子電路儲(chǔ)能電感L以及上電池組，上電池組放電為L(zhǎng)儲(chǔ)存能量；上橋臂MOSFET Sa開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，此時(shí)電流通過總均衡子電路下橋臂MOSFET S b的續(xù)流二極管、L及下電池組，L釋放能量至下電池組，實(shí)現(xiàn)了能量從上電池組到下電池組的轉(zhuǎn)移。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
本發(fā)明采用均衡電路來(lái)保證電池組中的單體在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充電和過放電，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)電池組的維修和更換周期，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。在充電過程中，當(dāng)電池組中任何一個(gè)單體能量過高時(shí)，可以將此單體的能量均衡給電池組其它所有剩余單體；在放電過程中，當(dāng)電池組中任何一個(gè)單體能量過低時(shí)，可以將電池組其它所有剩余單體的能量均衡給這個(gè)能量過低的單體。
[0017]本發(fā)明由于在串聯(lián)電池組電池管理系統(tǒng)中采用上述無(wú)損動(dòng)態(tài)電池均衡技術(shù)，能保證每個(gè)電池在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充電和過放電，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，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，降低混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)汽車和電站中蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是基于電感儲(chǔ)能的串聯(lián)電池組雙向無(wú)損均衡電路的原理圖。
[0019]圖2是均衡子電路原理圖。
[002