[发明专利]一种锂离子电池系统二重能量均衡器及其控制方法

权利要求书

1.一种锂离子电池系统二重能量均衡器，其特征在于：对于由N个电池组组成的电池系统，均衡器由N个选通开关矩阵i、N个电感Li、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关M1和M2、N-1个放电开关Tk、一个电压源E、N*m个电池单元Bij以及N*m个电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵i由上桥臂双层功率开关矩阵H、下桥臂双层功率开关矩阵S构成，每个电池单元均衡模块Aij由两个功率开关和一个电感构成，N*m个电池单元Bij组成的N个电池组i，上桥臂功率开关矩阵H和下桥臂功率开关矩阵S均为由m对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；

所述N个选通开关矩阵的上桥臂的上层m个功率开关的上端引出的N条引线分别与电感L1、L2、…、LN的一端相连，电感L1、L2、…、LN的另一端连接在一起共同与主控开关M1和M2的一端相连；N个选通开关矩阵的下桥臂的下层m个功率开关的下端引出的N条引线连接在一起，共同与主控开关M1的另一端和电压源E的负极相连；电压源E的正极与主控开关M2的另一端相连；每个电池单元Bij中的两个串联单体电池引出的3条引出线分别与对应的电池单元均衡模块Aij中的两个功率开关和一个电感的一端相连，两个功率开关和一个电感的另一端连接在一起；N-1个放电开关Tk两端各引出一条引线，分别与电池组k的负极和相邻下一电池组k+1的正极相连；

其中，i=1,2,...N；j=1,2,...m；k=1,2,...N-1。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池系统二重能量均衡器，其特征在于：所述选通开关矩阵中的功率开关、电池单元均衡模块中的功率开关、放电开关、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池系统二重能量均衡器，其特征在于：所述选通开关矩阵i的上桥臂功率开关矩阵H由m对反向串联的双层功率开关iH1j和iH2j组成；所述选通开关矩阵i的下桥臂功率开关矩阵S由m对反向串联的双层功率开关iS1j和iS2j组成；其中，i=1,2,...N；j=1,2,...m。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池系统二重能量均衡器，其特征在于：所述电压源E由电池系统经DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。

5.一种控制权利要求1-4中任一项所述的锂离子电池系统二重能量均衡器的方法，其特征在于：

在均衡时，均衡器可实现电池组的二重能量均衡；首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的，进行第一重能量均衡时，通过电池单元均衡模块使电池单元中的两个串联单体电池间能量一致；在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡三种均衡实现：当电池系统处于充电状态时，电池系统中串联的能量最高的一个单体电池单元进行均衡放电；当电池系统处于放电状态时，电池系统中串联的能量最低的一个单体电池单元被均衡充电；当电池系统处于静置状态时，电池系统中r个电池组中能量最高的一个电池单元并联同时均衡放电，能量高的电池单元放电电流大；或者电池系统中t个电池组中能量最低的一个电池单元并联同时被均衡充电，能量低的电池单元的充电电流大；其中，r≤N，t≤N，r、t取值为一个或者多个。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述方法具体为：

首先进行第一重均衡，第一重均衡是在电池系统静置状态时进行的，进行第一重能量均衡时，通过电池单元均衡模块使电池单元中串联的两个单体电池间的能量一致；均衡时，通过对电池单元均衡模块中的功率开关进行PWM控制，使能量从能量高的单体电池转移到能量低的单体电池，均衡后可使电池单元中的两单体电池能量一致；

完成第一重能量均衡后进行第二重能量均衡，第二重能量均衡通过充电均衡、放电均衡和静置均衡进行：

充电均衡，当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通电池系统中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自电池系统中能量最高的电池单元作为升压斩波电路的输入端进行均衡放电，均衡放电电流连续；

放电均衡，当电池系统处于放电状态时，通过选通开关矩阵选通电池系统中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自电池系统中能量最低的电池单元作为降压斩波电路的输出端进行均衡充电，均衡充电电流连续；

静置均衡，当电池系统处于静置状态时，通过电池组的选通开关矩阵选通1个或多个电池组中能量最高或能量最低的电池单元，通过对主控开关M1或M2的控制同时实现N个电池组的能量均衡；当对电池组中能量最高的电池单元均衡时，通过选通开关矩阵选通r个电池组中能量最高的电池单元，然后对主控开关M1进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的升压斩波电路，则来自电池组的能量最高的电池单元并联作为升压斩波电路的输入端同时进行均衡放电；当对电池组中能量最低的电池单元均衡时，通过选通开关矩阵选通t个电池组中能量最低的电池单元，然后对主控开关M2进行PWM控制，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，则来自电池组的能量最低的电池单元并联作为降压斩波电路的输出端同时进行均衡充电。