串联电池组多单体直接均衡装置及方法

摘要

串联电池组多单体直接均衡装置及方法，涉及一种串联电池组单体均衡电路。本发明解决了现有储能单体间的能量均衡装置无法解决任意两个储能单体间直接能量传递、能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题。本发明所述串联电池组由m+n个单体电池串联组成,多单体直接均衡装置包括变压器和m+n个双向开关，变压器有m+n个绕组，串联电池组中前m个储能单体为第一组，后n个储能单体为第二组；变压器的m+n个绕组中有m个线圈分别与第一组中m个储能单体一一对应，剩余n个线圈分别与第二组中n个储能单体一一对应，m+n个绕组共用一个磁芯，且m+n个绕组的匝数均相同，实现任意两储能单体间能量直接传递。用于串联储能单体能量均衡领域。

权利要求

1.串联电池组多单体直接均衡装置，其特征在于，所述串联电池组由m+n个储能单体串联组成，所述多单体直接均衡装置包括变压器和m+n个双向开关，m和n均为大于1的正整数；

所述的变压器有m+n个绕组，且m+n个绕组的匝数均相同；

串联电池组中的前m个储能单体为第一组，后n个储能单体为第二组；

所述变压器的m+n个绕组中有m个线圈分别与第一组中的m个储能单体一一对应，所述变压器的m+n个绕组中其余n个线圈分别与第二组中的n个储能单体一一对应，第i个绕组Li与第i个双向开关和第i个储能单体串联连接，并且所述第i个双向开关串联在第i个储能单体的正极与第i个绕组Li的同名端之间，i＝1、2、…m；

第j个绕组Lj与第j个双向开关和第j个储能单体串联连接，并且所述第j个绕组Lj的同名端与第j个储能单体的负极连接，j＝m+1、m+2、…m+n。

2.根据权利要求1所述的串联电池组多单体直接均衡装置，其特征在于，所述的双向开关由两个体内寄生二极管的开关管串联组成，且一个体内寄生二极管的开关管的源极与另一个体内寄生二极管的开关管的源极连接。

3.根据权利要求2所述的串联电池组多单体直接均衡装置，其特征在于，所述的体内寄生二极管开关管为MOSFET。

4.根据权利要求1、2或3所述的串联电池组多单体直接均衡装置，其特征在于，所述的n为大于2且小于7的整数，m为大于2且小于7的整数。

5.根据权利要求4所述的串联电池组多单体直接均衡装置，其特征在于，所述的n等于

3，且m等于3。

6.一种基于权利要求1、3或5所述的串联电池组多单体直接均衡装置实现串联电池组多单体直接均衡的方法，其特征在于，所述方法为：组内能量均衡时，采用正激均衡工作方式；组间能量均衡时，采用反激均衡工作方式。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当工作于组内正激的均衡工作方式时，采用组间反激的均衡工作方式进行磁复位，以防止单向励磁的磁芯饱和。

说明书

串联电池组多单体直接均衡装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种串联电池组单体均衡电路。

背景技术

[0002] 能源与环境问题已经成为全球关注的焦点，各种新能源技术层出不穷，随之而来也对能量存储技术提出更高要求。动力电池或超级电容器为主的电压型储能电源组通常具有较高的功率密、安全清洁等优点，已经广泛应用于电动汽车、空间电源、功率脉冲装置等需要能量存储的技术领域。无论动力电池还是超级电容器，储能单体的电压等级都比较低，实际应用中通常会将几个甚至几百个单体串联构成电压合适的储能电源组。由于各储能单体的参数难以保证完全一致，在串联充放电过程中极易出现某个或某些单体的过充或过放现象，导致串联电池组容量和安全性能降低，循环寿命减少。因此储能单体间的能量均衡成为串联电池组实际应用的关键技术之一。

[0003] 目前，国内外已经有很多种基于开关变换技术的均衡拓扑结构，大致可以分为以下三类：

[0004] 第一类是可以实现单体对单体能量直接传递的飞渡电容式均衡拓扑机构；

[0005] 第二类是可以实现相邻两个单体间能量的双向传递或多个相邻单体单一方向能量的依次传递的均衡拓扑结构；

[0006] 第三类是可以实现单体与串联电池组间的能量传递，即局部到整体或整体到局部的能量传递的均衡拓扑结构。

[0007] 第一类飞渡电容式均衡拓扑结构对可实现点对点能量的直接传递，但由于使用了大量的开关器件，电路复杂程度增加，电路可靠性难以保证；而另外两类均衡拓扑结构在进行非相邻单体间能量的传递时，均无法实现能量的跨越式传递，均衡过程中，均衡路径长、均衡速度慢、均衡效率低。

发明内容

[0008] 本发明是为了解决现有储能单体间的能量均衡装置无法解决任意两个储能单体间直接能量传递、能量均衡路径长和能量均衡效率低的问题，本发明提供了一种串联电池组多单体直接均衡装置及方法。

[0009] 串联电池组多单体直接均衡装置，所述串联电池组由m+n个单体电池串联组成，所述多单体直接均衡装置包括变压器和m+n个双向开关，m和n均为大于1的正整数；

[0010] 所述的变压器有m+n个绕组，且m+n个绕组的匝数均相同；

[0011] 串联电池组中的前m个单体电池为第一组，后n个单体电池为第二组；

[0012] 所述变压器的m+n个绕组中有m个线圈分别与第一组中的m个单体电池一一对应，所述变压器的m+n个绕组中其余n个线圈分别与第二组中的n个单体电池一一对应，[0013] 第i个绕组与第i个双向开关和第i个单体电池串联连接，并且所述第i个双向开关串联在第i个单体电池的正极与第i个绕组的同名端之间，i=1、2、…m；

[0014] 第j个绕组与第j个双向开关和第j个单体电池串联连接，并且所述第j个绕组的同名端与第j个单体电池的负极连接，j=m+1、m+2、…m+n。

[0015] 对于串联动力电池组或超级电容器组，工作条件相同，储能单体的能量与储能单体电压成正比。本发明的原理为电压最高储能单体向电压最低储能单体传递能量，当任意两个储能单体的电压差超过限定阈值时，通过控制某个双向开关管进行调节，使储能单体间电压趋于一致，从而实现储能单体间的能量均衡。

[0016] 本发明的优点是，变压器有m+n个绕组，串联电池组中的前m个储能单体为第一组，后n个储能单体为第二组；变压器的m+n个绕组中有m个线圈分别与第一组中的m个储能单体一一对应，所述变压器的m+n个绕组中其余n个线圈分别与第二组中的n个储能单体一一对应，m和n可以相同，也可以不同，m+n个绕组共用一个磁芯，且匝数相同，电路结构简单，能够实现多节串联电池组任意两储能单体间点对点能量的直接双向传递，无论待均衡储能单体位置相邻或不相邻，都能够一次性将能量传递完毕，因而均衡过程的能量传递路径短，均衡速度快，且无能量的中间变换与转换环节，均衡过程损耗小，使均衡效率得以提高，且均衡效率提高了30%以上。

附图说明

[0017] 图1为具体实施方式一所述的串联电池组多单体直接均衡装置的电路连接示意图，其中，B1到Bm+n分别表示第1至第m+n个储能单体；M1至Mm+n表示第1至第m+n个双向开关，L1至Lm+n表示变压器的第1至第m+n个绕组；

[0018] 图2为具体实施方式二所述的串联电池组多单体直接均衡装置的电路连接示意图；

[0019] 图3为具体实施方式六中的变压器第一绕组储能时，发明所述的串联电池组多单体直接均衡装置工作状态示意图；

[0020] 图4为具体实施方式六中的变压器第一绕组中的能量通过磁路耦合经变压器第六绕组转移到第六储能单体B6时，发明所述的串联电池组多单体直接均衡装置工作状态示意图；

[0021] 图5为具体实施方式六中，当m=3，n=3时，以第一储能单体B1能量最高，第三储能单体B3能量最低时，本发明所述的串联电池组多单体直接均衡装置处于组内正激均衡模式时的工作状态示意图；

[0022] 图6为具体实施方式七中，当m=3，n=3时，防止铁芯出现磁饱，以第一组中第一储能单体B1能量最高、第三储能单体B3能量最低和第二组中第五储能单体B5能量最低为例，说明本发明所述的串联电池组多单体直接均衡装置的工作状态示意图。

具体实施方式

[0023] 具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的串联电池组多单体直接均衡装置，所述串联电池组由m+n个储能单体串联组成，所述多单体直接均衡装置包括变压器和m+n个双向开关，m和n均为大于1的正整数；

[0024] 所述的变压器有m+n个绕组，且m+n个绕组的匝数均相同；

[0025] 串联电池组中的前m个储能单体为第一组，后n个储能单体为第二组；

[0026] 所述变压器的m+n个绕组中有m个线圈分别与第一组中的m个储能单体一一对应，所述变压器的m+n个绕组中其余n个线圈分别与第二组中的n个储能单体一一对应，[0027] 第i个绕组Li与第i个双向开关和第i个储能单体串联连接，并且所述第i个双向开关串联在第i个储能单体的正极与第i个绕组Li的同名端之间，i=2、…m；

[0028] 第j个绕组Lj与第j个双向开关和第j个储能单体串联连接，并且所述第j个绕组Lj的同名端与第j个储能单体的负极连接，j=m+1、m+2、…m+n。

[0029] 本发明的原理为电压最高储能单体向电压最低单体传递能量，当任意两个储能单体的电压差超过限定阈值时，通过控制多单体直接均衡器的双向开关管进行调节，使储能单体间电压趋于一致，从而实现储能单体间的能量均衡。

[0030] 具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的串联电池组多单体直接均衡装置的区别在于，所述双向开关由两个体内寄生二极管的开关管串联组成，且一个体内寄生二极管的开关管的源极与另一个体内寄生二极管的开关管的源极连接。

[0031] 具体实施方式三：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的串联电池组多单体直接均衡装置的区别在于，所述的体内寄生二极管开关管为MOSFET。

[0032] 具体实施方式四：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的串联电池组多单体直接均衡装置的区别在于，所述的n为大于2且小于7的整数，m为大于2且小于7的整数。

[0033] 具体实施方式五：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的串联电池组多单体直接均衡装置的区别在于，所述的n等于3，且m等于3。

[0034] 具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，基于具体实施方式一、三或五所述的串联电池组多单体直接均衡装置实现串联电池组多单体直接均衡方法，所述方法为：组内能量均衡时，采用正激均衡工作方式；组间能量均衡时，采用反激均衡工作方式。

[0035] 本实施方式中，以m=3，n=3为例，串联电池组多单体直接均衡装置处于组间反激均衡模式或组内正激均衡模式时的工作状态具体参见图3到5；

[0036] 当串联电池组多单体直接均衡装置处于组间反激均衡模式时，它的工作状态示意图参见图3和图4，第一储能单体B1能量最高，第六储能单体B6能量最低为例说明，[0037] 其中，第一双向开关M1导通，第一储能单体B1、第一双向开关M1与第一绕组L1构成回路，将第一储能单体B1中多余的能量存储到变压器的第一绕组L1中，具体参见图3，[0038] 当第一双向开关M1关断，第六双向开关M6开通，此时第六储能单体B6、变压器的第六绕组L6和第六双向开关M6构成回路，把第一绕组L1中的能量通过磁路耦合经第六绕组L6转移到第六储能单体B6中，具体参见图4。

[0039] 当串联电池组多单体直接均衡装置处于组内正激均衡模式时，它的工作状态示意图参见图5，以第一储能单体B1能量最高，第三储能单体B3能量最低为例说明。下面结合图5说明，第一双向开关M1与第三双向开关M3同时导通，且上述两个双向开关与变压器的第一绕组L1和变压器的第三绕组L3构成正激变换电路。将第一储能单体B1中多余的能量通过变压器的第一绕组L1经磁路传递至变压器的第三绕组L3，从而将第一储能单体B1的能量转移到第三储能单体B3中。

[0040] 具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六所述的串联电池组多单体直接均衡方法的区别在于，当其工作于组内正激的均衡工作方式时，采用组间反激的均衡工作方式进行磁复位，以防止单向励磁的磁芯饱和。

[0041] 本实施方式中，以m=3，n=3为例，采用组间反激的工作方式进行磁复位，以第一组中第一储能单体B1能量最高、第三储能单体B3能量最低和第二组中第五储能单体B5能量最低为例说明，具体参见图6，

[0042] 使第一双向开关M1与第三双向开关M3同时导通，且第一双向开关M1和第三双向开关M3与变压器的第一绕组L1和变压器的第三绕组L3构成正激变换电路。将第一储能单体B1中多余的能量通过变压器的第一绕组L1经磁路传递至变压器的第三绕组L3，从而将第一储能单体B1的能量转移到第三储能单体B3中，

[0043] 然后，再使第一双向开关M1与第三双向开关M3同时关断，使第五双向开关M5导通，此时第五储能单体B5与变压器的第五绕组L5和第五双向开关M5构成导通回路，将磁芯中的剩余磁能转移到电压相对较低的第五储能单体B5中，从而实现铁芯磁复位。