[实用新型]单电感双向电池均衡电路

说明书

技术领域

该实用新型涉及锂电池控制技术领域，尤其是单电感双向电池均衡电路。

背景技术

随着石油、煤炭、天然气等不可再生资源的快速消耗，作为最有发展和应用前景的绿色光源之一，锂电池以质量比能量高，体积比能量高，无记忆效应、循环寿命长等优点，开始应用于电动汽车和电池储能等新能源应用领域。但锂电池单体电压较低，需要将数十个甚至上百个电池单体串联成组以实现高压输出。由于在制造和使用过程中各单体电池内阻、漏电流、温度等特性的差异性，易造成电池组的不均衡现象，具体表现为使用过程中出现单体电池的过充和过放现象，并最终导致电池组性能急剧下降、循环寿命缩短。为延长电池组使用寿命，需在电池组中加入电压均衡电路。

近年来，学术界对电池均衡开关变换器技术做了大量的研究。

根据电路结构和控制方法，有源均衡电路可分为集中式、分布式和集散式三种。集中式均衡电路中，整个电池组共用一个或多个均衡器，具有结构简单、成本低的优点，但由于它多以耦合电感或多绕组变压器为均衡载体，受变压器体积、副边漏感及加工工艺的影响，较难实现高精度电压均衡、不易维护且扩展能力差。分布式均衡电路中，每个电池单体均对应于一个均衡器并进行独立控制，控制灵活、易扩展、易维护，但该均衡电路元器件较多，成本较高。基于开关矩阵的均衡电路结合了上述两种均衡电路的优点，属于集散式均衡电路，它的整组电池共用一个主均衡器，结构相对分布式均衡电路更简单、体积更小、成本更低。根据时分复用均衡控制思路，将整个均衡控制周期划分为多个时间段，在每一个独立时间段内，主均衡器只对一个电池单体进行均衡，因此，电池组中所有单体电池可以独立均衡，均衡电路更易于扩展和维护。

实用新型内容

为解决非能耗均衡方案均衡效率低，均衡速度慢的问题，本实用新型提供了一种单电感双向电池均衡电路。

本实用新型所采用的技术方案是：一种单电感双向电池均衡电路其包含电池组、开关矩阵和电荷保持器三个部分；

其中，开关矩阵由开关管S_A、S_B、S_i1(i＝2,3,…,n+1)、S_i2(i＝1,2,3,…,n)和二极管开关管D_A、D_B、D_i1(i＝1,2,3,…,n)、D_i2(i＝2,3,…,n+1)构成，开关管S_A、,S_i1(i＝2,3,…,n+1)以及二极管D₁₁、D_A的一端分别与母线A相连，开关管S_B、S_i2(i＝1,2,3,…,n)以及二极管D_(n+1,2)、D_B的一端分别与母线B相连，母线A与母线B构成交流AB母线。

电荷保持器由电感L、电容C、开关S_Q1和S_Q2构成Buck-Boost电路。开关矩阵中开关管S_A的一端与电感L相连，开关管S_B的一端与电容C负端相连。

开关矩阵中二极管D_i1(i＝1,2,3,…,n)一端的n条引出线分别与电池组的n个电池单体的正极相连，二极管D_i2(i＝2,3,…,n+1)一端的n条引出线分别与电池组的n个电池单体的负极相连。

开关矩阵选通电池组中的一个电池单体连接到电荷保持器，在电池组的均衡过程中，电感以复用的方式对每一个电池单体进行均衡，电荷保持器有Buck模式和Boost模式两种工作模式，并不断在两种工作模式间切换。为降低开关损耗，开关矩阵以低频方式工作，根据电池电压选通电池单体与电荷保持器连接，电荷保持器以高频方式工作，实现能量的转移。

所述电荷保持器具有电荷存储功能，既可实现电池单体到电荷保持器的能量转存，又可实现电荷保持器到电池单体的能量转存，此过程中无需电池组以外电源提供能量，可实现电池组的充电、放电及静置状态均衡。

所述开关矩阵与电池正负端并联处存在反向二极管，即使开关矩阵控制紊乱，仍可避免电池短路，电池安全性高。

本实用新型的另一个目的是为上述拓扑结构提供控制方法，其具体方案为：

采用如上述单电感双向电池均衡电路的控制方法，通过控制各输出支路开关管交替选通实现分时复用电压均衡控制，其逻辑电路确保了在任意时刻只有一组分时复用开关管导通，避免了控制紊乱导致的电池短路问题。