本發(fā)明涉及電池組均衡的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路。

背景技術(shù)：

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：某些電池單體的剩余容量偏高；某些電池單體的剩余容量偏低；某些電池單體的剩余容量偏高和某些電池單體的剩余容量偏低。針對(duì)上述三種情況，國內(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。

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。

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，提供一種基于電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路，通過在并聯(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，改善電池組不均衡的現(xiàn)象，提高電池組的可用容量，減小電池組的維修和更換周期，延長電池組的使用壽命，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。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路，在充電過程中，當(dāng)并聯(lián)電池組的左部分的任何一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)電池單體能量過高時(shí)(如圖1和圖2(a)中，電池B_l1與電池B_l2是連續(xù)的電池單體，電池B_l1與電池B_l2與電池B_l3是連續(xù)的電池單體。即電池組的左部分中，任意連續(xù)的一個(gè)或者多個(gè)電池單體，本發(fā)明中就稱為連續(xù)的電池，在均衡過程中就可以適當(dāng)?shù)匾暈橐粋€(gè)整體。電池組的右部分連續(xù)的電池的定義同理)，可以將一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)能量過高的單體視為一個(gè)整體，并把這個(gè)整體的能量均衡給與這個(gè)整體對(duì)應(yīng)的右部分電池組成的整體，(圖1和圖2(a)中，左部分的電池B_l1對(duì)應(yīng)的是右部分的電池B_r1，左部分的電池B_l1和B_l2組成的整體對(duì)應(yīng)的是右部分電池B_r1和B_r2組成的整體。即左部分的任意連續(xù)的一個(gè)或者多個(gè)電池單體組成的整體，對(duì)應(yīng)的是右部分與該整體并聯(lián)同一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)的電感的電池組成的整體，連續(xù)的電感的定義與連續(xù)電池的定義相同。右部分的電池對(duì)應(yīng)的左部分的電池的定義同理)；右部分的均衡原理與左部分同理。

在放電過程中，當(dāng)電池組的左部分的一個(gè)或多個(gè)連續(xù)電池單體能量過低時(shí)，可以將一個(gè)或者多個(gè)能量過低的單體視為一個(gè)整體。當(dāng)這個(gè)能量過低的整體對(duì)應(yīng)的右部分的電池能量不會(huì)過低時(shí)，可以將與這個(gè)能量過低的整體對(duì)應(yīng)的右部分的電池及與這些電池相連續(xù)的任意電池組合的能量均衡給這個(gè)能量過低的整體。當(dāng)這個(gè)能量過低的整體對(duì)應(yīng)的右部分的電池能量也過低時(shí)，必須通過兩步來實(shí)現(xiàn)均衡，首先將左部分的能量高的一個(gè)或者多個(gè)連續(xù)的電池單體的能量均衡給右部分的電池，提高右部分的電池的電壓，再通過上述的放電均衡的方法進(jìn)行均衡。右部分的均衡原理與左部分同理。

該并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路由并聯(lián)電池組、均衡電路、控制電路構(gòu)成。其中，并聯(lián)電池組分為左、右兩部分，左部分電池單體為左電池組，右部分電池單體為右電池組；假設(shè)電池單體總數(shù)為2n(n為正整數(shù))，左右部分電池單體數(shù)均為n；左電池組電池單體從上至下分別命名為B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln，右電池組電池單體從上至下分別命名為B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn；B_l1的正極接V_CC，B_r1的負(fù)極接GND；電池?cái)?shù)量不做限制，但是隨著電池?cái)?shù)量的上升，均衡控制會(huì)相應(yīng)變得復(fù)雜，雙向可控硅TRIAC的開關(guān)頻率可能達(dá)不到要求，對(duì)儲(chǔ)能電感的要求也會(huì)相應(yīng)提高，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。假設(shè)電池?cái)?shù)量為2n(n為正整數(shù))，均衡電路中的儲(chǔ)能電感L數(shù)量為n，由上至下分別命名為L₁、L₂……L_n；與電感等數(shù)量的雙向可控硅TRIAC并聯(lián)在電感兩端，剩余的雙向可控硅TRIAC一端和儲(chǔ)能電感L的一端相連，另一端和電池的一端相連，雙向可控硅TRIAC的控制端與控制電路相連接，使雙向可控硅TRIAC的開通和關(guān)斷由控制電路控制；雙向可控硅TRIAC的數(shù)量為3n+2，與電感并聯(lián)雙向可控硅的由上至下分別命名為S₁、S₂……S_n，與左電池組相連接的雙向可控硅由上至下分別命名為S_l1、S_l2……S_l(n+1)，與右電池組相連接的雙向可控硅由上至下分別命名為S_r1、S_r2……S_r(n+1)；電池單體B_l1的正極接V_CC，電池單體B_r1的負(fù)極接GND。圖1中的控制電路包含微控制器和所有雙向可控硅TRIAC的驅(qū)動(dòng)電路，通過對(duì)控制電路中的微控制器編程，來分析當(dāng)前電池的電量并計(jì)算出應(yīng)該采用哪種控制策略來均衡電路；通過控制電路中的驅(qū)動(dòng)電路，可以給雙向可控硅TRIAC的門極提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓或者關(guān)斷電壓，讓雙向可控硅TRIAC按照實(shí)際需求開啟或者關(guān)閉，達(dá)到對(duì)電池電量進(jìn)行均衡的目的。

均衡電路的工作原理如下：

當(dāng)電池?cái)?shù)量為2n時(shí)，如圖1，在充電過程中，若左電池組中的連續(xù)的若干個(gè)電池都為端電壓最高，可以將這些電池所組成的整體同時(shí)進(jìn)行放電均衡。假設(shè)這些電池為B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)(這些電池的數(shù)量最多等于左電池組的全體電池，即w的最大值為n-1，w大于等于0)。為了避免對(duì)B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)過充電，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，使雙向可控硅TRIACS_li和S_l(i+w+1)導(dǎo)通，則電流通過S_li、儲(chǔ)能電感L_i、L_i+1……L_i+w、S_l(i+w+1)以及B_l(i+w)、B_l(i+w-1)……B_li，B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)放電為電感L_i、L_i+1……L_i+w組成的整體儲(chǔ)存能量；與電池B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)對(duì)應(yīng)的電池為B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，S_li和S_l(i+w+1)開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，同時(shí)開通S_ri和S_r(i+w+1)，此時(shí)電流通過電感L_i、L_i+1……L_i+w、S_r(i+w+1)、電池B_r(i+w)、B_r(i+w-1)……B_ri及S_ri，電感L_i、L_i+1……L_i+w釋放能量至B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，實(shí)現(xiàn)了能量從B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)到B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的轉(zhuǎn)移。在充電過程中，若右電池組中的連續(xù)的若干個(gè)電池都為端電壓最高，均衡原理與左電池組相同。

當(dāng)電池?cái)?shù)量為2n時(shí)，如圖1，在放電過程中，若左電池組中的連續(xù)的若干個(gè)電池都為端電壓最低，可以將這些電池所組成的整體同時(shí)進(jìn)行放電均衡。假設(shè)這些電池為B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)(這些電池的數(shù)量最多等于左電池組的全體電池，即w的最大值為n-1，w大于等于0)。假設(shè)與電池B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)對(duì)應(yīng)的電池為B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，當(dāng)B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)所組成的整體能量不會(huì)過低時(shí)，通過一定的規(guī)則判斷，與B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)連續(xù)的某個(gè)電池整體能夠?yàn)锽_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)提供能量。假設(shè)這個(gè)整體的電池為B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)(p+q+w的和的最大值為n-1，p大于等于0，q大于等于0)，則開通S_r(i-p)和S_r(i+q+w+1)，同時(shí)開通S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的與電感并聯(lián)的雙向可控硅。此時(shí)電流通過S_r(i-p)、電池B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)、S_r(i+q+w+1)、電感L_i、L_i+1……L_i+w及S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的與電感并聯(lián)的雙向可控硅，B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)放電為電感L_i、L_i+1……L_i+w組成的整體儲(chǔ)存能量；S_r(i-p)和S_r(i+q+w+1)和S_i-p、S_i-p+1……S_i+q+w+1中除去S_i、S_i+1……S_i+w剩余的與電感并聯(lián)的雙向可控硅開通一段時(shí)間后關(guān)斷，同時(shí)開通S_li和S_l(i+w+1)，則電流通過儲(chǔ)能電感L_i+w、L_i+w-1……L_i、S_li、B_li、B_l(i+1)……B_l(i+w)以及S_l(i+w+1)，電感L_i、L_i+1……L_i+w釋放能量至B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)，實(shí)現(xiàn)了能量從B_r(i-p)、B_r(i-p+1)……B_r(i+q+w)到B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的轉(zhuǎn)移。當(dāng)B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)所組成的整體能量過低時(shí)，先通過左電池組中的電池為右電池組整體充電，提高B_ri、B_r(i+1)……B_r(i+w)的能量，再通過上述方式進(jìn)行放電均衡。在放電過程中，若右電池組中的連續(xù)的若干個(gè)電池都為端電壓最低，均衡原理與左電池組相同。

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：

本發(fā)明由于在并聯(lián)電池組電池管理系統(tǒng)中采用上述無損動(dòng)態(tài)電池均衡技術(shù)，左右電池組的若干電池如果出現(xiàn)電量不均衡的現(xiàn)象，通過控制均衡電路中雙向可控硅TRIAC的通斷與電感的儲(chǔ)能作用，可以將電量傳遞給另一電池組的電池，也可以從另一電池組獲得能量，改善電池組不均衡的現(xiàn)象，提高電池組的可用容量，延長電池組的使用壽命，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。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的一種基于電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路的電路原理圖；

圖2(a)是以4節(jié)電池為例的充電過程中電感充電的工作過程原理圖；

圖2(b)是以4節(jié)電池為例的充電過程中電感放電的工作過程原理圖；

圖3(a)是以4節(jié)電池為例的放電過程中電感充電的工作過程原理圖；

圖3(b)是以4節(jié)電池為例的放電過程中電感放電的工作過程原理圖；

圖4是以4節(jié)電池為例的均衡電路充電仿真實(shí)驗(yàn)中各電池單體的電壓波形圖；

圖5是以4節(jié)電池為例的均衡電路放電仿真實(shí)驗(yàn)中各電池單體的電壓波形圖。

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。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(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

圖1是電池?cái)?shù)量為2n(n為正整數(shù))時(shí)的基于電感儲(chǔ)能的并聯(lián)電池組雙向無損均衡電路的電路原理圖。其中，并聯(lián)電池組分為左、右兩部分，左部分電池單體為左電池組，右部分電池單體為右電池組；左右部分電池單體數(shù)均為n；左電池組電池單體從上至下分別命名為B_l1、B_l2、B_l3、……B_ln，右電池組電池單體從上至下分別命名為B_r1、B_r2、B_r3、……B_rn，B_l1的正極接V_CC，B_r1的負(fù)極接GND；電池?cái)?shù)量不做限制，但是隨著電池?cái)?shù)量的上升，均衡控制會(huì)相應(yīng)變得復(fù)雜，雙向可控硅TRIAC的開關(guān)頻率可能達(dá)不到要求，對(duì)儲(chǔ)能電感的要求也會(huì)相應(yīng)提高，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。均衡電路中的儲(chǔ)能電感L數(shù)量為n，由上至下分別命名為L₁、L₂……L_n；與電感等數(shù)量的雙向可控硅TRIAC并聯(lián)在電感兩端，剩余的雙向可控硅TRIAC一端和儲(chǔ)能電感L的一端相連，另一端和電池的一端相連，雙向可控硅TRIAC的控制端與控制電路相連接，使雙向可控硅TRIAC的開通和關(guān)斷由控制電路控制；雙向可控硅TRIAC的數(shù)量為3n+2，與電感并聯(lián)雙向可控硅的由上至下分別命名為S₁、S₂……S_n，與左電池組相連接的雙向可控硅由上至下分別命名為S_l1、S_l2……S_l(n+1)，與右電池組相連接的雙向可控硅由上至下分別命名為S_r1、S_r2……S_r(n+1)；電池單體B_l1的正極接V_CC，電池單體B_r1的負(fù)極接GND。圖中控制電路包含微控制器和所有雙向可控硅TRIAC的驅(qū)動(dòng)電路，通過對(duì)控制電路中的微控制器編程，來分析當(dāng)前電池的電量并計(jì)算出應(yīng)該采用哪種控制策略來均衡電路；通過控制電路中的驅(qū)動(dòng)電路，可以給雙向可控硅TRIAC的門極提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓或者關(guān)斷電壓，讓雙向可控硅TRIAC按照實(shí)際需求開啟或者關(guān)閉，達(dá)到對(duì)電池電量進(jìn)行均衡的目的。

圖2(a)是以4節(jié)電池為例的充電過程中電感充電的工作過程原理圖。電池單體總數(shù)為4，左右部分電池單體數(shù)均為2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_l1、B_l2，右電池組電池單體由上至下分別命名為B_r1、B_r2，電感由上至下分別命名為L₁、L₂。若左電池組中的B_l1單體端電壓為所有單體最高，為了避免對(duì)B₁過充電，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，使雙向可控硅TRIACS_l1和S_l2導(dǎo)通，則電流通過S_l1、儲(chǔ)能電感L₁、S_l2以及B_l1，B_l1放電為電感L₁儲(chǔ)存能量。然后將L₁儲(chǔ)存的能量釋放給B_r1。S_l1和S_l2開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，同時(shí)開通S_r1和S_r2，此時(shí)電流通過電感L₁、S_r2、電池B_r1及S_r1，電感L₁釋放能量至B_r1，實(shí)現(xiàn)了能量從B_l1到B_r1的轉(zhuǎn)移。

圖2(b)是以4節(jié)電池為例的充電過程中電感放電的工作過程原理圖。電池單體總數(shù)為4，左右部分電池單體數(shù)均為2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_l1、B_l2，右電池組電池單體由上至下分別命名為B_r1、B_r2，電感由上至下分別命名為L₁、L₂。與圖2(a)同一個(gè)PWM周期內(nèi)，S_l1和S_l2開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，同時(shí)開通S_r1和S_r2，此時(shí)電流通過電感L₁、S_r2、電池B_r1及S_r1，電感L₁釋放能量至B_r1，實(shí)現(xiàn)了能量從B_l1到B_r1的轉(zhuǎn)移。

圖3(a)是以4節(jié)電池為例的放電過程中電感充電的工作過程原理圖。電池單體總數(shù)為4，左右部分電池單體數(shù)均為2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_l1、B_l2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_r1、B_r2，電感由上至下分別命名為L₁、L₂。若左電池組中的B_l1單體端電壓為所有單體最低，假設(shè)與B_l1對(duì)應(yīng)的電池B_r1能量不會(huì)過低，且B_r1和B_r2所組成的整體能夠?yàn)锽_l1提供能量。為了避免對(duì)B₁過放電，在一個(gè)PWM周期內(nèi)，使雙向可控硅TRIACS_r1和S_r3導(dǎo)通，同時(shí)開通S₂，則電流通過S_r3、S₂、儲(chǔ)能電感L₁、S_r1以及B_r1和B_r2，B_r1和B_r2放電為電感L₁儲(chǔ)存能量。

圖3(b)是以4節(jié)電池為例的放電過程中電感放電的工作過程原理圖。電池單體總數(shù)為4，左右部分電池單體數(shù)均為2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_l1、B_l2，左電池組電池單體由上至下分別命名為B_r1、B_r2，電感由上至下分別命名為L₁、L₂。與圖3(a)同一個(gè)PWM周期內(nèi)，S_r1、S_r3和S₂開通一定時(shí)間后使其關(guān)斷，同時(shí)開通S_l1和S_l2，此時(shí)電流通過電感L₁、S_l1、電池B_l1及S_l2，電感L₁釋放能量至B_l1，實(shí)現(xiàn)了能量從B_r1和B_r2到B_l1的轉(zhuǎn)移。

圖4是以4節(jié)電池為例的均衡電路充電仿真實(shí)驗(yàn)中各電池單體的電壓波形圖。在設(shè)置一定控制精度的條件下，各電池單體通過均衡電路實(shí)現(xiàn)了電壓均衡。

圖5是以4節(jié)電池為例的均衡電路放電仿真實(shí)驗(yàn)中各電池單體的電壓波形圖。在設(shè)置一定控制精度的條件下，各電池單體通過均衡電路實(shí)現(xiàn)了電壓均衡。

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)。