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個儲能單元的均衡電路。

背景技術(shù)：

近年來，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，尤其是純電動汽車成為當(dāng)今世界各大汽車公司的開發(fā)熱點(diǎn)。動力電池組作為電動汽車的關(guān)鍵部件，對整車動力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性都有重大影響。動力電池組在經(jīng)過多個充放電循環(huán)后，各電池單體的剩余容量的分布大致將會出現(xiàn)高低不一的情況，若不加以均衡將容易出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。如此一來，在實際使用中，將嚴(yán)重影響電池組使用壽命，甚至存在過熱起火的安全隱患。

針對上述情況，為了改善電池組的不一致性問題，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)均衡過程中電路對能量的消耗情況，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。非耗散型通過電池外部DC-DC電路實現(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)充能量來防止過放電；動態(tài)均衡方式結(jié)合了充電均衡和放電均衡的優(yōu)點(diǎn)，是指在整個充放電過程中對電池組進(jìn)行的均衡。

技術(shù)實現(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個儲能單元的均衡電路。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種可擴(kuò)展3n個儲能單元的均衡電路，所述均衡電路包括3n個串聯(lián)儲能電池和n個均衡子電路，其中，所述3n個串聯(lián)儲能電池，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個均衡子電路，包括一個基礎(chǔ)均衡子電路Q1和n-1個擴(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，通過所述控制電路輸出的驅(qū)動信號控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，實現(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個串聯(lián)儲能電池易于擴(kuò)展電池小組m_i，即三節(jié)電池Bia，Bib，Bic，同時，所述均衡電路添加一個擴(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能電感，其儲能電感值由開關(guān)管的開關(guān)頻率、電池單體電壓和/或均衡電路的均衡時間選擇確定，不同儲能電感的電感值可以滿足不同均衡時間的需求。

進(jìn)一步地，所述控制電路輸出的驅(qū)動信號的頻率根據(jù)開關(guān)管的開關(guān)損耗、儲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)動信號的占空比根據(jù)均衡子電路的工作條件選擇確定，保證每個電感在每個開關(guān)周期內(nèi)復(fù)位，即每個開關(guān)周期內(nèi)儲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個儲能單元是二次電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池、超級電容器或鎳氫電池。

本發(fā)明相對于現(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，延長電池組的使用壽命，降低混合動力汽車、電動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)電池組電池的個數(shù)，需要擴(kuò)展電池數(shù)時，可一次增加一個電池小組，只需添加一個擴(kuò)展均衡子電路連接在原有電路上即可，且不需對原有電路結(jié)構(gòu)與控制策略進(jìn)行改動。

3)本發(fā)明在充放電該過程中，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，最終實現(xiàn)整組電池的均衡，且控制簡單，電路簡單可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種可擴(kuò)展3n個儲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程步驟1；

圖5(b)是臨近電池小組均衡過程步驟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。

具體實施方式

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

實施例

本實施例結(jié)合附圖1至圖6，詳細(xì)介紹一種可擴(kuò)展3n個儲能單元的均衡電路。

圖1是本發(fā)明公開的一種可擴(kuò)展3n個儲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個串聯(lián)儲能電池和n個均衡子電路，其中，所述3n個串聯(lián)儲能電池，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個均衡子電路，包括一個基礎(chǔ)均衡子電路Q1，n-1個擴(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，通過控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷，實現(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明。如圖4(a)當(dāng)電池B1a電壓過高時，在一個PWM周期內(nèi)，開通開關(guān)管S1a，電流通過電池B1a，開關(guān)管S1a，電感L1a形成回路，電感L1a儲能，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)通一段時間后關(guān)閉，電流通過電感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。為了保證儲能電感工作在斷續(xù)模式下，開關(guān)管S1a的驅(qū)動信號占空比小于50％.

當(dāng)電池B1a電壓過低時，電池B1b與電池B1c向其轉(zhuǎn)移能量。在一個PWM周期內(nèi)，同時開通開關(guān)管S1b，開關(guān)管S1c，電流通過電池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形成兩個閉合回路，電感L1a與電感L1b儲能。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通一定時間后關(guān)閉，電流通過電感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能量過高時，電池B1b向其余兩節(jié)電池轉(zhuǎn)移能量。在一個PWM周期內(nèi)，導(dǎo)通開關(guān)管S1b，電流通過電池B1b，電感L1a，開關(guān)管S1b，電感L1b形成回路，電感L1a與電感L1b同時儲能。在開關(guān)管導(dǎo)通一段時間后關(guān)閉，電流通過電感L1a，D1a，電池B1a以及電感L1b，開關(guān)管S1c，D1c形成兩個閉合回路，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能量過低時，電池B1a與電池B1c向其傳遞能量。在一個PWM周期內(nèi)，同時打開開關(guān)管S1a與開關(guān)管S1c，電流通過電池B1a，開關(guān)管S1a，電感L1a以及電池B1c，電感L1b，開關(guān)管S1c形成兩個閉合回路，電感L1a與電感L1b同時儲能。如圖4(d)，在開關(guān)管導(dǎo)通一段時間后關(guān)閉，電流通過電感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為例說明。

如圖5(a)當(dāng)電池小組m₁能量過高時，電池小組m₁向電池小組m₂傳遞能量。在一個PWM周期內(nèi)，開通開關(guān)管S2d，電流通過電池小組m₁，開關(guān)管S2d，電感L2c形成回路，電感L2c儲能。如圖5(b)，開關(guān)管導(dǎo)通一段時間后關(guān)閉，電流通過電感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能量過低時，電池小組m₂向電池小組m₁傳遞能量。在一個PWM開關(guān)周期內(nèi)，導(dǎo)通開關(guān)管S2e，電流通過電池小組m₂，電感L2c，開關(guān)管S2e形成回路，電感L2c儲能。開關(guān)管導(dǎo)通一段時間后關(guān)閉，電流通過電感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能量過高過低時，其工作原理與上述電池小組m₁工作過程相同。

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

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

圖6(b)中，電池小組采用三個一組的拓?fù)?，其均衡原理與小組內(nèi)單體電池均衡原理相同。

綜上所述，本實施例公開了一種可擴(kuò)展3n個儲能單元的均衡電路，該均衡電路易于擴(kuò)展串聯(lián)儲能單元的數(shù)量，可每次擴(kuò)展3個電池單體，且只需增加一個擴(kuò)展子電路，無需改動原有主電路結(jié)構(gòu)。該均衡電路使用開關(guān)器件與儲能元件較少，3n個儲能單元采用5n-2開關(guān)器件，3n-1個儲能電感。該均衡電路可以在充電，放電，以及靜置狀態(tài)下對串聯(lián)儲能單元實現(xiàn)動態(tài)主動均衡，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，延長電池組的使用壽命。該該均衡電路適用于電動汽車或蓄能電站中的蓄能裝置的電池管理系統(tǒng)，通過在串聯(lián)電池組電池管理系統(tǒng)中運(yùn)用雙向動態(tài)均衡技術(shù)，能保證每個電池在充電和放電過程中不出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，改善串聯(lián)電池組不均衡的問題，延長電池組的使用壽命，且控制簡單，電路簡單可靠，易于擴(kuò)展串聯(lián)電池數(shù)。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，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)。