一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器技术方案

本实用新型专利技术涉及一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，本实用新型专利技术均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵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L构成，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。本实用新型专利技术可以实现电池组的电气隔离，防止不同电池组之间的相互影响，采用反激式变压器作为能量转换的媒介，减小了均衡器的体积且拓扑电路原理简单。

A multi mode high efficiency energy equalizer for lithium ion battery system

The utility model relates to a multi-mode high-efficiency energy equalizer for a lithium-ion battery system. The equalizer of the utility model consists of N gated switching matrices, N inductors, N+1 main switch Mk with reverse parallel diode Dk, a flyback transformer T, N+1 capacitor Ck, a voltage source E, and N*m battery cell Bij and batteries. The cell equalization module Aij is composed of the upper arm double-layer power switching matrix H and the lower arm double-layer power switching matrix S. Each cell equalization module Aij is composed of two power switches and an inductance L. Both the upper arm power switching matrix H and the lower arm power switching matrix S are composed of m-pair reverse series. The power switch consists of two layers of power switch matrix. The utility model can realize the electric isolation of the battery pack, prevent the mutual influence between different battery packs, adopt the flyback transformer as the medium of energy conversion, reduce the volume of the equalizer and the topological circuit principle is simple.

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器
本技术涉及一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理

技术介绍
随着环境问题和能源危机的加剧，绿色和环保受到广泛的关注，各国都提倡发展绿色能源，减少化石燃料的使用。作为一种新能源交通工具，电动汽车受到了广泛的关注，其发展成为必然趋势。由于锂离子电池具有体积小，能量密度高并且无记忆效应从而在电动汽车领域得到了广泛的应用。但锂离子电池的额定电压较低，为了满足电压的要求，需要将大量的锂离子电池串联起来使用。在蓄电池组的使用过程中，由于电池本身的差异和使用环境的差异会导致锂离子电池能量不一致，从而会导致锂离子电池的过充和过放，进而导致蓄电池组的提前报废。为了解决蓄电池组能量不一致的问题，必须采取有效的方案对蓄电池组进行能量均衡。目前，有多种蓄电池组均衡方案，包括被动均衡和主动均衡，被动均衡主要是通过将蓄电池多余的能量通过电阻进行消耗从而达到均衡的目的，此种均衡方案能量损耗严重。主动均衡主要是将蓄电池多余的能量进行转移从而达到均衡的目的，均衡效率较高并且能量损耗较小。现存的均衡方案的均衡效率普遍较低，并且大量使用开关器件，开关频率高，能量损耗严重。蓄电池均衡技术的局限导致了电动汽车得不到广泛的发展，并且其价格昂贵，因此，电动汽车的应用变得很困难，为了提高均衡效率和降低能量损耗，解决电动汽车发展的局限问题，必须寻求一种高效的均衡方案。研究锂离子蓄电池组高实效均衡器，解决串联成组的锂离子单体电池间的能量不一致问题，对于提高锂离子蓄电池组的充放电容量，延长其循环使用寿命，推动新能源锂离子电池储能系统及新能源电动汽车发展具有非常重要意义，同时对促进人类社会的可持续发展有着非常重要的社会价值和现实意义。
技术实现思路
针对大规模锂离子电池储能系统和电动汽车车载锂离子动力电池系统中大量串联锂离子单体电池间能量不一致问题，本技术提供了一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器。本技术的技术方案是：一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池系统，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵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L构成，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N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；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N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；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中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。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Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。选通开关矩阵X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XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X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XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。所述电压源E由电池系统经过DC/DC提供或者电池系统以外的蓄电池组提供。所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。本技术的有益效果是：本技术可以实现电池组的电气隔离，防止不同电池组之间的相互影响，采用反激式变压器作为能量转换的媒介，减小了均衡器的体积且拓扑电路原理简单。本技术以两节电池为一个电池单元而引入了二重能量均衡策略，均衡能量转移效率高、均衡速度快、对均衡电流的控制能力强，在实现每组电池组内各电池单元间能量均衡的同时，也实现了不同电池组间及不同电池组的电池单元之间的能量均衡。附图说明图1是本技术拓扑电路原理图；图2是电池系统充电均衡时的等效电路图；图3是电池系统放电均衡时的等效电路图；图4是电池系统静置均衡时的电池单元均衡电路图。具体实施方式实施例1：如图1-4所示，一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池系统，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵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L构成，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N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；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N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；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中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。进一步地，可以设置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Q、主控开关M均为逆导型功率开关器件。进一步地，可以设置选通开关矩阵X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XH1j和XH2j组成；选通开关矩阵X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XS1j和XS2j组成；其中，X=1,2,...N；j=1,2,...m。进一步地，可以设置所述电压源E由电池系统经过DC/DC提供（或者电压源E由电池系统以外的蓄电池组提供）。进一步地，可以设置所述的反激式变压器的一次侧为多绕组，每一个电池组对应一个绕组，二次侧为单绕组。当电池系统处于充电状态时，通过选通开关矩阵选通每个电池组中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，其特征在于：对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池系统，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵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L构成，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N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；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N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的正极和负极分别与电压源E的正极和负极相连；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中的两个功率开关和一个电感L的一端相连，两个功率开关和一个电感L的另一端连接在一起；其中，k=0,1,2,…,N；i=1,2,...N；j=1,2,...m。...

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池系统多重模式高效能量均衡器，其特征在于：对于N*m个电池单元Bij组成的N个电池组构成的电池系统，均衡器由N个选通开关矩阵、N个电感、N+1个带反并联二极管Dk的主控开关Mk、一个反激式变压器T，N+1个电容Ck，一个电压源E、以及N*m个电池单元Bij及电池单元均衡模块Aij组成；其中选通开关矩阵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L构成，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N条引线分别与主控开关M1、M2、…、MN的一端相连，主控开关M1、M2、…、MN的另一端与反激式变压器T一次侧的上端相连；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N条引线连接在一起，共同与反激式变压器T一次侧的下端相连；电容C1、C2、…、CN的正极分别与上桥臂的上端引出线相连，负极分别与下桥臂的下端引出线相连；主控开关M0的一端与反激式变压器T的二次侧上端相连，另一端与电压源E的正极相连；电压源E的负极与反激式变压器T二次侧的下端相连，电容C0的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红锐，杜春峰，李博，陈仕龙，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：新型
国别省市：云南,53