单电感双向电池均衡电路制造技术

本实用新型专利技术公开了一种单电感双向电池均衡电路，包含电池组、开关矩阵和电荷保持器；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，当开关矩阵选通电池组中最高电压电池单体时，电荷保持器工作于Boost模式，实现最高电压电池单体到电荷保持器的能量转移，当开关矩阵选通电池组中最低电压电池单体时，电荷保持器工作于Buck模式，实现电荷保持器到最低电压电池单体的能量转移。本实用新型专利技术可快速实现电池组中单体与单体之间的能量转移，具有均衡速度快、均衡效率高等特点，尤其适用于需要高精度均衡的应用场合。

Single inductor bi-directional battery balancing circuit

The utility model discloses a bidirectional equalization circuit for single inductor battery, including battery group, switch matrix and charge holder; strobe switch matrix of a battery in the battery monomer is connected to the charge holder in the equilibrium process of the battery, the inductance for the multiplexing mode of every single battery balance, when the switch matrix strobe the highest voltage battery monomer, charge holder in Boost mode, to achieve the highest voltage of single battery to charge for energy transfer, when the switch matrix strobe the lowest voltage battery monomer, charge holder in Buck mode to achieve. The charge holder to the lowest voltage of the single battery energy transfer. The utility model can quickly realize the energy transfer between the monomer and the monomer in the battery pack, and has the characteristics of fast balancing speed, high equilibrium efficiency and so on, and is especially suitable for the application occasions with high precision and balance.

【技术实现步骤摘要】
单电感双向电池均衡电路
该技术涉及锂电池控制
，尤其是单电感双向电池均衡电路。
技术介绍
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。
技术实现思路
为解决非能耗均衡方案均衡效率低，均衡速度慢的问题，本技术提供了一种单电感双向电池均衡电路。本技术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SA、SB、Si1(i＝2,3,…,n+1)、Si2(i＝1,2,3,…,n)和二极管开关管DA、DB、Di1(i＝1,2,3,…,n)、Di2(i＝2,3,…,n+1)构成，开关管SA、,Si1(i＝2,3,…,n+1)以及二极管D11、DA的一端分别与母线A相连，开关管SB、Si2(i＝1,2,3,…,n)以及二极管D(n+1,2)、DB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SQ1和SQ2构成Buck-Boost电路。开关矩阵中开关管SA的一端与电感L相连，开关管SB的一端与电容C负端相连。开关矩阵中二极管Di1(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Di2(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。本技术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。当开关矩阵选通电池组中最高电压电池单体时，电荷保持器工作于Boost模式，实现最高电压电池单体到电荷保持器的能量转移，当开关矩阵选通电池组中最低电压电池单体时，电荷保持器工作于Buck模式，实现电荷保持器到最低电压电池单体的能量转移。进一步地，开关矩阵以分时复用方式选通电池，当所选电池单体Bi电压高于电池组平均电压时，开关管Si2和S(i+1,1)(i＝1,2,3,…,n)导通，同时对开关管SQ2进行PWM控制，电池单体、开关矩阵及电荷保持器构成Boost变换器，电池单体将能量转存到电荷保持器中；当所选电池单体Bi电压低于电池组平均电压时，开关管S(i+1,2)、Si1(i＝1,2,3,…,n)、SA和SB导通，同时对开关管SQ1进行PWM控制，电池单体、开关矩阵及电荷保持器构成Buck变换器，电荷保持器将能量转移至电池单体中。在均衡过程中，均衡电路直接对高电压电池单体和低电压电池单体进行独立操作，保证了高、低电压电池单体之间的快速能量转移；同时电荷保持器电感电流工作与断续模式(DCM)，消除了均衡过程中各电池之间的交叉影响。与现有均衡技术相比，本技术的有益效果是：一、与现有的有源均衡技术相比，本技术原理简单、效率高，其本质为电荷保持器工作于Boost模式时，均衡器实现电池单体到电荷保持器的能量转移，当电荷保持器工作于Buck模式，均衡器实现电荷保持器到最低电压电池单体的能量转移。二、与现有的有源均衡技术相比，本技术均衡拓扑中仅包含一个电感，且电感电流工作与断续模式(DCM)，消除了均衡过程中各电池之间的交叉影响。三、与现有的集中式有源电池均衡技术相比，本技术均衡电路采用分时复用原理，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。同时该均衡器可快速实现电池单体之间的双向能量转移，均衡速度快，均衡精度高且可控性强。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步说明。图1为本技术单电感双向电池均衡电路拓扑图。图2为以电荷保持器向电池B2转移能量为实施例的电路拓扑图。图3为图2实施例的等效电路。图4为图2实施例中电感电流波形。图5为以电池B1向电荷保持器转移能量为实施例的电路拓扑图。图6为图5实施例的等效电路。图7为图5实施例中电感电流波形。图8为以两电池均衡为实施例，图3状态向图4状态均衡过程中,分时复用控制过程关键波形。图9为图3状态向图4状态均衡过程中，开关矩阵和电荷保持器器的控制相关波形。图10为以四电池均衡为实施例的电路拓扑图。图11为图10实施例的均衡过程电感电流波形及相关电池均衡电流波形。图12为图10实施例的均衡过程电池电压波形。具体实施方式下面通过具体的实例并结合附图对本技术做进一步详细的描述。如图1所示，单电感双向电池均衡电路，包含电池组、开关矩阵和电荷保持器三个部分。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。当开关矩阵选通电池组中最高电压电池单体时，电荷保持器工作于Boost模式，实现最高电压电池单体到电荷保持器的能量转移，当开关矩阵选通电池组中最低电压电池单体本文档来自技高网...

【技术保护点】
单电感双向电池均衡电路，其特征在于：包含电池组、开关矩阵和电荷保持器；所述的开关矩阵包括开关管SA、SB、Si1(i＝2,3,…,n+1)、Si2(i＝1,2,3,…,n)和二极管开关管DA、DB、Di1(i＝1,2,3,…,n)、Di2(i＝2,3,…,n+1)；所述的开关管Si1与二极管Di1串联构成n‑1对单向电流导通电路，开关管Si2与二极管Di2串联(i＝2,3,…,n)构成n‑1对与上述电流方向相反的单向电流导通电路；开关管SA、Si1(i＝2,3,…,n+1)以及二极管D11、DA的一端分别与母线A相连，开关管SB、Si2(i＝1,2,3,…,n)以及二极管D(n+1,2)、DB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；电荷保持器包括电感L、电容C、开关SQ1和SQ2构成Buck‑Boost；开关矩阵中的开关管SA的一端与电感L相连，开关管SB的一端与电容C负端相连；开关矩阵中的二极管Di1(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Di2(i＝2,3,…,n+1)一端的n条线引出线分别电池组的与n个电池单体的负极相连。...

【技术特征摘要】
1.单电感双向电池均衡电路，其特征在于：包含电池组、开关矩阵和电荷保持器；所述的开关矩阵包括开关管SA、SB、Si1(i＝2,3,…,n+1)、Si2(i＝1,2,3,…,n)和二极管开关管DA、DB、Di1(i＝1,2,3,…,n)、Di2(i＝2,3,…,n+1)；所述的开关管Si1与二极管Di1串联构成n-1对单向电流导通电路，开关管Si2与二极管Di2串联(i＝2,3,…,n)构成n-1对与上述电流方向相反的单向电流导通电路；开关管SA、Si1(i＝2,3,…,n+1)以及二极管D11、DA...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐顺刚，李小龙，许建平，覃福班，刘倩怡，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：新型
国别省市：四川,51