一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法

摘要

本发明公开了电池领域的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，方法包括：预设第一电压阈值U0与第二电压阈值U1；根据每组电压选择电路的高压输出端、低压输出端的电压值检测得到最高电压电池组与最低电压电池组，计算最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU；判断电压差值ΔU与第一电压阈值U0、第二电压阈值U1的大小；若ΔU＞U0，最高电压电池组通过调节电路及电压选择电路对最低电压电池组充电；直至ΔU＜U1，闭合主控开关，实现多个电池组的并联。本发明通过电压选择电路自动控制与调节多电池组的电压均衡，控制方法简单易实现，并且电路结构简单，实现成本低。

权利要求

1.一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，并联电路包括调节电路、电压选择电路及主控开关；多个电池组的第一端共同连接调节电路、第二端各自连接一组主控开关与电压选择电路；电压选择电路均并联相应的主控开关，电压选择电路的高压输出端、低压输出端分别与调节电路连接；方法包括：预设第一电压阈值U0与第二电压阈值U1；

根据每组电压选择电路的高压输出端、低压输出端的电压值检测得到最高电压电池组与最低电压电池组，计算最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU；

判断电压差值ΔU与第一电压阈值U0、第二电压阈值U1的大小；

若ΔU＞U0，最高电压电池组通过调节电路及电压选择电路对最低电压电池组充电；直至ΔU＜U1，闭合主控开关，实现多个电池组的并联；

所述调节电路包括功率开关管、限流电感以及续流二极管，功率开关管导通时，最高电压电池组、最低电压电池组通过电压选择电路、功率开关管、限流电感连接构成充放电回路，最高电压电池组为最低电压电池组充电；功率开关管关断时，最低电压电池组通过电压选择电路、限流电感及续流二极管连接构成续流充电回路，限流电感为最低电压电池组充电。

2.根据权利要求1所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，每组电压选择电路均包括低压选择电路、高压选择电路；最高电压电池组通过低压选择电路构成放电回路，最低电压电池组通过高压选择电路构成充电回路。

3.根据权利要求1所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，预设时间阈值T0，若最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU在时间阈值T0内持续小于第二电压阈值U1，则判断ΔU＜U1成立，闭合主控开关。

4.根据权利要求2所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，所述高压选择电路配置为第一二极管，第一二极管的阳极连接电池组、阴极连接调节电路的一端。

5.根据权利要求2所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，所述低压选择电路配置为第二二极管，第二二极管的阴极连接电池组、阳极连接调节电路的另一端。

6.根据权利要求4或5所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，所述主控开关配置为常开开关，常开开关并联在高压选择电路或低压选择电路的两端。

7.根据权利要求4所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，所述高压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管，体二极管的阳极连接电池组、阴极连接调节电路。

8.根据权利要求5所述的一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，其特征在于，所述低压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管，体二极管的阴极连接电池组、阳极连接调节电路。

说明书

一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电池领域，具体是一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法。

背景技术

[0002] 如图1所示,现有的电池组并联方式为在每个电池组中均包含两个继电器和一个限流电阻，在储能系统大并大串的过程中，能量从高压电池转到低压电池中，全靠限流电阻消耗，在电池组失配比较严重的情况下，电池并联过程中会产生较大的环流，带来系统很大的能量损失。

[0003] 针对上述技术问题，不少厂家都考虑使用新形式的并联方法和电路。

[0004] 中国专利CN110994742A公开了一种多电池组并联充电运行的系统和方法，采用电型受控充电电池组、利用复合开闭保护内置开关变换充电的方法，使电池组成为具备特定受控电型充电部件，其输入伏安特性受控、等效输入阻抗受控；是可程控、限输入功率、限输入电流、单向充电、智能可编程模块化设备。但是该专利的储能电池组由于具有充电和放电两种系统，系统成本高，控制比较复杂。

[0005] 中国专利CN110690752A公开了一种多电池组并联控制的BMS管理方法，包括步骤：A，系统上电运行；B，执行系统自检；C，若两个电池组自检均通过，选择总电压较大的电池组的动力回路导通，另一电池组动力回路维持断开状态；D，如果接收到的时充电指令，则执行单电池组相互切换工作的操作，选择总电压较高的电池组工作；E，当总电压差值缩小到设定的最小允许阈值VoltDown时，执行单电池组切换双电池组并联工作的操作；F，执行多电池组切换单电池组工作的操作。在控制过程中，由于该专利最大的电池组回路最先导通，当电池组数量较多时，控制过程的复杂程度成倍增加，不能应用于大规模的电池组并联。

[0006] 中国专利CN103762635A公开了一种用于多电池或多电池组并联充电或放电的电流均衡的方法与系统，提出了一种适用于非连续电流的、实施简单有效的多电池或多电池组并联放电或充电时均衡电流的方法与系统。该方法与系统包括多电池或多电池组形成的多个并联支路，每个并联支路包括电池或电池组、低阻开关通路、和降压部件通路，低阻开关通路和降压部件通路并联连接。当低阻开关闭合时，放电或充电电流仅流经低阻开关通路，通过脉宽调节控制低阻开关通断，实时调节电池或电池组放电或充电电流大小；当低阻开关断开时，电流仅流经降压部件通路，降压部件调整该电池或电池组相对于其他电池或电池组的电压大小。通过时间积分，采用多种算法实现多个电池或电池组总的充电或放电电荷数的均衡，进而实现了多电池或多电池组并联放电或充电时放电电流或者充电电流的均衡控制。但是，该专利的每一个电池组均配有低阻开关通路和降压部件通路，同时低阻开关通路具有调节功能，系统成本比较高，每个电池组均需要一套控制电路和系统，系统比较复杂。

[0007] 可见，现有技术的电池并联方法存在控制方式复杂、成本高等缺点，申请人对此提出改进方案。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，采用多电池组共用一个调节电路，自动控制与调节多电池组的电压均衡。电路结构简单，在电池组并联过程中，极大地提高效率的同时，有效控制了环流，方法高效，实现成本低。

[0009] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0010] 一种高效储能多电池组并联电路的均衡调节方法，并联电路包括调节电路、电压选择电路及主控开关；多个电池组的第一端共同连接调节电路，第二端各自连接一组主控开关与电压选择电路，电压选择电路均并联相应的主控开关，电压选择电路的高压输出端、低压输出端分别与调节电路连接；方法包括：

[0011] 预设第一电压阈值U0与第二电压阈值U1；

[0012] 根据每组电压选择电路的高压输出端、低压输出端的电压值检测得到最高电压电池组与最低电压电池组，计算最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU；

[0013] 判断电压差值ΔU与第一电压阈值U0、第二电压阈值U1的大小；

[0014] 若ΔU＞U0，最高电压电池组通过调节电路及电压选择电路对最低电压电池组充电；直至ΔU＜U1，闭合主控开关，实现多个电池组的并联。

[0015] 进一步的，所述调节电路包括功率开关管、限流电感以及续流二极管，功率开关管导通时，最高电压电池组、最低电压电池组通过电压选择电路、功率开关管、限流电感连接构成充放电回路，最高电压电池组为最低电压电池组充电；功率开关管关断时，最低电压电池组通过电压选择电路、限流电感及续流二极管连接构成续流充电回路，限流电感为最低电压电池组充电。

[0016] 进一步的，每组电压选择电路均包括低压选择电路、高压选择电路；最高电压电池组通过低压选择电路构成放电回路，最低电压电池组通过高压选择电路构成充电回路。

[0017] 进一步的，预设时间阈值T0，若最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU在时间阈值T0内持续小于第二电压阈值U1，则判断ΔU＜U1成立，闭合主控开关。

[0018] 进一步的，所述高压选择电路配置为第一二极管，第一二极管的阳极连接电池组，阴极连接调节电路的一端。

[0019] 进一步的，所述低压选择电路配置为第二二极管，第二二极管的阴极连接电池组，阳极连接调节电路的一端。

[0020] 进一步的，所述主控开关配置为常开开关，常开开关并联在高压选择电路或低压选择电路的两端。

[0021] 进一步的，所述高压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管，体二极管的阳极连接电池组，阴极连接调节电路。

[0022] 进一步的，所述低压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管，体二极管的阴极连接电池组，阳极连接调节电路。

[0023] 有益效果：本发明的多电池组共用一个调节电路，通过电压选择电路自动控制与调节多电池组的电压均衡。通过预设电压阈值，控制并联电路进入与退出电池组电压均衡调节的节点，控制方法简单易实现，并且电路结构简单，实现成本低。

附图说明

[0024] 图1为现有技术的电池组并联示意图。

[0025] 图2为本发明的方法流程图。

[0026] 图3为本发明并联电路的原理框图。

[0027] 图4为本发明实施例1的原理图。

[0028] 图5为实施例1的充放电回路示意图。

[0029] 图6为实施例1的续流充电回路示意图。

[0030] 图7为本发明的控制框图。

[0031] 图8为本发明实施例2的原理图。

[0032] 图9为本发明实施例3的原理图。

[0033] 图10为本发明实施例4的原理图。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0035] 如图3所示，高效储能多电池组并联电路包括调节电路、电压选择电路及主控开关；电池组包括至少两个电池，多个电池组的正极直接并联，并共同连接调节电路，负极各自连接一组主控开关及电压选择电路，每组电压选择电路均并联有相应的主控开关。各电压选择电路的低压输出端、高压输出端分别连接调节电路的低压端、高压端，高压输出端或者低压输出端均可以作为电池组系统的负级。

[0036] 如图2所示，多电池组并联电路的均衡调节方法包括：

[0037] 预设第一电压阈值U0与第二电压阈值U1，其中第一电压阈值U0为上位机或软件设定的进入电压均衡调节的电压给定值，第二电压阈值U1为退出电压均衡调节的电压给定值，U1＜U0＜1V。电压阈值U0的选择与计算公式如下：

[0038] U0

[0039] 式中：Ik为电池组系统允许的最大电流，RΩ为电池组的欧姆内阻。

[0040] 电压阈值U1的选择与计算公式如下：

[0041] U1

[0042] 式中：IE为电池组的额定电流或低于额定电流的某电流值，RΩ为电池组的欧姆内阻。

[0043] 根据每组电压选择电路的高压输出端、低压输出端的电压值检测得到最高电压电池组与最低电压电池组，计算最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU；

[0044] 判断电压差值ΔU与第一电压阈值U0、第二电压阈值U1的大小；

[0045] 若ΔU＞U0，认为多电池组存在电压不均衡的问题，如果此时闭合主控开关，会在电池组之间产生较大的冲击电流，冲击电流超过了系统允许的最大电电流，会导致过流保护或者器件损坏等问题。因此启动调节电路，最高电压电池组通过调节电路及电压选择电路对最低电压电池组充电。若ΔU≤U0，则表明冲击电流处于安全可控范围，主控开关可以直接吸合，实现多电池组的并联。

[0046] 经过重复采样检测及电池组充放电均衡调节之后，如检测当前最高电压电池组与最低电压电池组的电压差值ΔU≥第二电压阈值U1，认为多电池组之间仍存在电压均衡问题，当前检测的最高电压电池组向最低电压电池组充电。直至ΔU＜U1，认为此时多电池组已经实现电压均衡，调节电路停止工作，闭合主控开关，实现多个电池组的并联。

[0047] 实施例1，如图4所示，以三个电池组为例，分别称为第一、第二、第三电池组，三个电池组的正极相连，负极各连接一组电压选择电路，每组电压选择电路均包括低压选择电路、高压选择电路，主控开关并联在高压选择电路的两端。

[0048] 本实施例中，高压选择电路配置为第一二极管，三个电池组连接的第一二极管分别为D1A、D2A、D3A；低压选择电路配置为第二二极管，三个电池组连接的第二二极管分别为D1B、D2B、D3B；主控开关配置为常开开关(低阻)，三个电池组连接的常开开关分别为K1、K2、K3。调节电路包括功率开关管Q1、限流电感L以及续流二极管D5。功率开关管Q1可配置为MOS管或IGBT管或三极管，本实施例以NMOS管为例。

[0049] 第一电池组连接第一二极管D1A的阳极与第二二极管D1B的阴极，常开开关K1并联在第一二极管D1A的两端。第二电池组连接第一二极管D2A的阳极与第二二极管D2B的阴极，常开开关K2连接在第一二极管D2A的两端。第三电池组连接第一二极管D3A的阳极与第二二极管D3B的阴极，常开开关K3连接在第一二极管D3A的两端。

[0050] 第一二极管D1A、D2A、D3A的阴极共同连接到限流电感L的第一端，限流电感L的第二端连接功率开关管Q1的漏极，功率开关管Q1的源极连接第二二极管D1B、D2B、D3B的阳极。续流二极管D5的一端连接限流电感L与功率开关管Q1的公共端，另一端连接三个电池组的共正极。

[0051] 高压选择电路的输出端也即高压输出端，是各第一二极管的共阴极，自动选择各电池组的负极最高电平，相对于电池组系统来说就是最低电压电池组；低压选择电路的输出端也即低压输出端，是各第二二极管的共阳极，自动选择各电池组的负极最低电平，相对于电池组系统来说就是最高电压电池组。通过主控开关和高、低压选择电路，电池组系统的最高压与最低压电池组自动被选择出来，并连接到调节电路。

[0052] 高频开关管、限流电感和续流回路组成电流型BUCK电路，使高压电池组的能量转换到低压电池组，实现能量与电压的转换，使高压电池组的电压降低，低压电池组的电压抬高，当最低电压电池组的电压抬高到与次低电压电池组一致后，低压选择电路自动选择两者中的最低电压，实现能量从最高电压电池组向最低电压电池组的转换，最终，所有电池组实现电压的一致，为主控开关吸合，多电池组并联创造条件。

[0053] 采用本实施例的并联电路，均衡调节方法如下：

[0054] 系统上电，功率开关管Q1由控制电路控制通断，电压选择电路自动在低压输出端得到最高电压电池组的负端电压，在高压输出端得到最低电压电池组的负端电压，通过检测判断得到最高电压电池组与最低电压电池组。

[0055] 假定第一电池组为最高电压电池组，第三电池组为最低电压电池组，则第一电池组的负端为并联系统的最低电平，对应的电压选择电路的低压输出端导通，相应的第三电池组对应的电压选择电路的高压输出端接通。

[0056] 如图5所示，如果第一电池组与第三电池组之间的电压差ΔU＞第一阈值电压U0，控制电路对功率开关管Q1发出PWM控制信号，功率开关管Q1导通，第一电池组、第三电池组通过第二二极管D1B、第一二极管D3A、功率开关管Q1、限流电感L连接构成充放电回路，第一电池组为第三电池组充电。

[0057] 如图6所示，控制电路控制功率开关管Q1关断，由于限流电感L上的电流不能突变，第三电池组通过第一二极管D3A、限流电感L及续流二极管D5连接构成续流充电回路，限流电感为第三电池组充电。

[0058] 上述过程中，第三电池组始终处于充电状态，第一电池组处于放电状态，最高电压的电池组(第一电池组)的能量，通过调节电路给最低电池组(第三电池组)充电，完成了能量从最高电池组向最低电池组转移的过程。

[0059] 当再次进行电压检测时，假如此时第二电池组电压最高、第一电池组电压最低，第二电池组的低压选择电路导通，第一电池组的高压选择电路导通，第二电池组的能量通过调节电路转移到第一电池组。

[0060] 重复进行上述调节过程，直至电压检测电路重复采样检测三个电池组中最高电压电池组与最低电压电池组的电压差ΔU＜U1，从T＝0开始计时，若在预设的时间阈值T0内均成立，则判断此时多电池组电压已经实现均衡，控制电路通过通讯系统控制闭合常开开关K1、K2、K3，实现三个电池组的并联。若ΔU＜U1在预设的时间阈值T0内不成立，则计时清零(T＝0)，调节电路对各电池组重新进行上述调节过程。

[0061] 如图7所示，在整个电池组系统中，最低电压电池组与最高电压电池组的电压差ΔV为电压环反馈量，电压外环控制环给定为0，二者形成电压外环控制系统；电压外环输出量作为电流内环的给定值ILref，实时电流IL作为反馈量调节限流电感的输出电流，将电流调节至电流环给定值；在电流内环的调节下，给定与反馈通过PI控制参数实时调节，输出一个占空比D，实时作用于功率开关管Q1，从而限制电流，实现从高压电池组向低压电池组的能量均衡。

[0062] 上述是调压电路的闭环控制系统，为了电池系统的稳定及可靠性，电感电流环的给定在会一直被限制在允许最大限制电流之内；电感电流环的输出作为占空比驱动作用在功率开关管，从而实现两个不同电池组之间的电压快速、高效地转换。

[0063] 需要说明的是，本实施例以三个电池组为例，当三个以上电池组并联时，最高电压电池组对应的电压选择电路的低压端导通，最低电压电池组对应的电压选择电路的高压端导通，能量会通过调节电路从最高电压电池组转移到最低电压电池组，原理同上所述相同，不再赘述。调节(均衡)电路可以多种形式，不限于实施例的一种形式。

[0064] 实施例2，如图8所示，区别于实施例1之处在于，主控开关并联在低压选择电路的两端，均衡调节方法与实施例1相同，不再赘述。

[0065] 实施例3，如图9所示，低压选择电路配置为第二二极管，高压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管，以三个电池组为例，三个电池组连接的三个开关管分别为QD1A、QD2A、QD3A，其中体二极管的阳极连接电池组，阴极连接调节电路。

[0066] 该实施例将主控开关与高压选择二电路合二为一，电池组系统的体积得到了极大地降低，功率密度提高，开关管为QD1A、QD2A、QD3A需要额外的控制电路进行控制。在实施均衡调节方法时，如ΔU＞U0，控制电路控制功率开关管Q1导通时，最高电压电池组对应的第二二极管导通，最低电压电池组对应的开关管的体二极管导通，最高电压电池组为最低电压电池组充电；控制电路控制功率开关管Q1关断时，最低电压电池组对应的开关管通过限流电感L、续流二极管D5构成续流充电回路。直至ΔU＜U1，所有电池组对应的开关管均导通，实现多个电池组的并联。

[0067] 实施例4，如图10所示，高压选择电路配置为第一二极管，低压选择电路与主控开关共同配置为带体二极管的开关管。以三个电池组为例，三个电池组连接的三个开关管分别为QD1B、QD2B、QD3B，其中体二极管的阴极连接电池组，阳极连接调节电路。

[0068] 本实施例的实施原理与上述实施例基本一致，不再赘述。

[0069] 需要说明的是，上述实施例中的调节电路可以采用多种形式，并不局限，例如，续流二极管还可替换为带体二极管的开关管。

[0070] 本发明至少具有如下优点：

[0071] 1、控制方法简单，电压选择电路自动选择最高电压电池组与最低电压电池组，仅控制调节电路，即可实现系统的所有电池组的均衡，控制逻辑简单，高效，转换效率极大地提高；

[0072] 2、整个电池组系统共用一个调节电路、一个功率开关管，电池组系统极大地得到了简化，成本极大地降低；

[0073] 3、在电池组主控开关吸合之前，实现了失配电池的高效能量转换和电压转换，使吸合瞬间的冲击电流变小；

[0074] 4、多电池组的电压能够自动均衡，降低能量损失的同时，可以有效抑制环流，成本低，效果好。

[0075] 虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

[0076] 故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。