一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略制造技术

本发明专利技术属于电力设备技术领域，尤其涉及一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略。本发明专利技术包括：均衡电路拓扑和均衡策略，其中，均衡电路以电感为载体，用于实现能量在两相邻单体电池之间的转移；均衡策略以单体电池的剩余容量为均衡目标，用于使所有的单体电池同时充满或放空，实现均衡。本发明专利技术均衡电路以电感为载体，能够实现电荷能量在两相邻单体电池之间的转移。该均衡策略以单体电池的剩余容量为均衡目标，不仅能够减少均衡过程中单体电池间转移的电荷量，而且能够保证所有的单体电池同时充满或放空，实现均衡；因而不会出现过充电和过放电的情况，能够减少均衡过程中转移的总电荷量，从而降低均衡过程中的损耗，提高均衡效率。

A new balance circuit topology and balance strategy of battery pack

【技术实现步骤摘要】
一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略
本专利技术属于电力设备
，尤其涉及一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略。
技术介绍
由于材料和制作工艺上的不一致，同一批次的电池也会在容量、老化特性和性能特性等方面表现出差异，因此，串联电池组中各单体电池的荷电状态和容量会出现不均衡的情况，并且不均衡程度会随着充放电循环次数的增加而加重。在充放电过程中，单体电池间的不均衡会使某些单体电池过充电或过放电，这会导致电池容量降低，使用寿命缩短，甚至直接损坏电池，更严重的还可能引发爆炸。因而，研究一种有效的均衡方法来减小或消除电池在使用过程中的不均衡，最大限度地发挥各单体电池的性能，对于电池储能系统有极其重要的意义。目前的均衡方法主要分为两类：被动均衡和主动均衡。被动均衡通过给每个单体电池并联一个开关电阻进行分流。该方法原理简单，易于实现，但均衡电流较小，且有部分能量消耗在电阻上，因此均衡效率较低，并且需要配备散热装置。主动均衡以电感、电容或反激式变压器等储能元件为载体，从电量高的电池向电量低的电池转移电能。该方法提高了均衡效率和能量利用率。但是，均衡能量在转移的过程中也会产生一定的损耗，并且该损耗与所选择的均衡电路拓扑以及控制策略密切相关。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略。其目的是为了能够实现能量在两相邻单体电池之间的转移，降低均衡过程中的损耗，提高均衡效率的专利技术目的。基于上述专利技术目的，本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，包括：均衡电路拓扑和均衡策略，其中，均衡电路以电感为载体，用于实现能量在两相邻单体电池之间的转移；均衡策略以单体电池的剩余容量为均衡目标，用于使所有的单体电池同时充满或放空，实现均衡。所述均衡电路的每个均衡模块由两个MOSFETs和一个电感组成；通过控制MOSFETs，利用储能电感实现单体电池间的电量转移，当开关S1和S3由一组不重叠的PWM信号控制，而其它的开关均关断时，将单体电池B1的电量向单体电池B2转移，每个周期分成四个区间Φ1、Φ2、Φ3和Φ4；在区间Φ1内，开关S1导通，单体电池B1给电感L1充电，假设电路中的电感值均为L，电池端电压为VB，忽略开关的通态电阻和电感的直流内阻，根据基尔霍夫电压定律可得电感电流iL为：式(1)中：D表示占空比，T表示均衡周期，t表示时间；此，一个周期内转移的电荷量q为：式(2)中：D表示占空比，t表示时间；根据式(1)和式(2)，综合考虑电感值、电池端电压和均衡周期，确定合适的占空比D来最大限度地发挥电感的性能；在区间Φ2内，开关S1断开，单体电池B1停止给电感L1充电；区间Φ2的长度大于开关由导通到关断和由关断到导通所需的时间；如果没有区间Φ2，会出现开关S1和S3同时导通的情况，电池B1和B2会短路；同时，在区间Φ2内，必须设有回路使电感L1放电，否则电感L1的电压会急剧增大而损坏元件；在区间Φ3内，开关S3闭合，电感L1释放能量给单体电池B2充电，使电流流经S3而不流经二极管；在区间Φ4内，开关S4断开，电感电流流经二极管给单体电池B2充电；确保电感L1储存的能量完全释放完，防止单体电池B2给电感L1充电。所述均衡策略，包括：串联电池组会因为各个单体电池间的差异而出现不均衡的情况，只有当有单体电池完全充满或完全放空时，电池组才会受到影响；当串联电池组中的某个电池的电量完全放空，而其它电池还有电量时，整个电池组不能继续放电，否则会损害电池的健康状态，因此无法充分利用电池组的容量；当串联电池组中的某个电池的电量完全充满，而其它电池还没有充满时，整个电池组不能继续充电；当串联电池组中不存在完全充满或完全放空的电池时，即使存在不均衡的情况，电池组仍然能够正常充放电；因此，只要保证所有的电池同时充满或同时放空，既不损害电池的健康状态，又充分利用电池组的容量。进一步的，假设所述均单体电池的最大容量为Cimax，最小容量为Cimin，初始容量为Ci0，则在充电状态下，剩余容量Cir表示为：Cir＝Cimax-Ci0(3)其中，单体电池为i；在放电状态下，剩余容量Cir表示为：Cir＝Ci0-Cimin(4)。进一步的，以所述充电状态下和放电状态下的两个单体电池串联组成的电池组，利用本专利技术提出的均衡策略与传统均衡策略比较如下：假设两个单体电池的最大容量分别为C1max、C2max，初始容量分别为C10、C20，初始荷电状态分别为SOC10、SOC20；采用传统均衡策略工作于充电状态下：从t1开始，两个单体电池的荷电状态实现均衡，并一直保持到充电结束，两个单体电池在t1时的荷电状态表示为：式中：Qch_t1是来自于充电电路的电荷量；Qtr_t1是两单体电池间转移的电荷量；若Qtr_t1为正，则表示单体电池2向单体电池1转移电荷；反之，则表示单体电池1向单体电池2转移电荷；因此，0-t1内两单体电池间转移的电荷量为：式中：SOCch1和SOCch2为充电电流作用下两单体电池荷电状态的增加量；从式(6)看出，Qtr_t1的符号与SOC20-SOC10的符号相同；在t1-t2期间，两个单体电池的荷电状态相同，该期间两单体电池间转移的电荷量为：从式(7)看出，Qtr_t2的符号与C1max-C2max的符号相同；因此，整个充电过程中，两单体电池间转移的总电荷量Qtr_sum为：当且仅当Qtr_t1和Qtr_t2的符号相同，即满足式(9)时，不等式取等号：(SOC20-SOC10)(C1max-C2max)≥0(9)采用本专利技术均衡策略工作于充电状态下：利用采用本专利技术均衡策略工作于充电状态下的相关曲线与传统均衡策略比较如下：本专利技术均衡策略工作于充电状态下的相关曲线从t1开始，两个单体电池的剩余容量实现均衡，并一直保持到充电结束；0-t1内，两单体电池间转移的电荷量Qtr_t1为：t1-t2期间，两单体电池的剩余容量保持相等，两单体电池间无电荷转移，因此，整个充电过程中，两单体电池间转移的总电荷量为：比较式(8)和式(11)可知，采用本专利技术均衡策略时，两单体电池间转移的总电荷量始终小于等于采用传统均衡策略时转移的总电荷量。所述均衡策略包括均衡算法，在充电状态下的均衡算法如下：输入：各单体电池的剩余容量矩阵C，均衡周期T；输出：进行电荷转移的电池对；1:whileVar(C)/avg(C)＞0.01do2:d＝argmaxj∈vC(j)3:4:5:6:s＝d+17:从电池单体s向电池单体d转移电荷，持续一个均衡周期8:更新各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：包括：均衡电路拓扑和均衡策略，其中，均衡电路以电感为载体，用于实现能量在两相邻单体电池之间的转移；均衡策略以单体电池的剩余容量为均衡目标，用于使所有的单体电池同时充满或放空，实现均衡。/n

【技术特征摘要】
1.一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：包括：均衡电路拓扑和均衡策略，其中，均衡电路以电感为载体，用于实现能量在两相邻单体电池之间的转移；均衡策略以单体电池的剩余容量为均衡目标，用于使所有的单体电池同时充满或放空，实现均衡。


2.根据权利要求1所述的一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：所述均衡电路的每个均衡模块由两个MOSFETs和一个电感组成；通过控制MOSFETs，利用储能电感实现单体电池间的电量转移，当开关S1和S3由一组不重叠的PWM信号控制，而其它的开关均关断时，将单体电池B1的电量向单体电池B2转移，每个周期分成四个区间Φ1、Φ2、Φ3和Φ4；
在区间Φ1内，开关S1导通，单体电池B1给电感L1充电，假设电路中的电感值均为L，电池端电压为VB，忽略开关的通态电阻和电感的直流内阻，根据基尔霍夫电压定律可得电感电流iL为：



式(1)中：D表示占空比，T表示均衡周期，t表示时间；
此，一个周期内转移的电荷量q为：



式(2)中：D表示占空比，t表示时间；
根据式(1)和式(2)，综合考虑电感值、电池端电压和均衡周期，确定合适的占空比D来最大限度地发挥电感的性能；
在区间Φ2内，开关S1断开，单体电池B1停止给电感L1充电；区间Φ2的长度大于开关由导通到关断和由关断到导通所需的时间；如果没有区间Φ2，会出现开关S1和S3同时导通的情况，电池B1和B2会短路；同时，在区间Φ2内，必须设有回路使电感L1放电，否则电感L1的电压会急剧增大而损坏元件；
在区间Φ3内，开关S3闭合，电感L1释放能量给单体电池B2充电，使电流流经S3而不流经二极管；
在区间Φ4内，开关S4断开，电感电流流经二极管给单体电池B2充电；确保电感L1储存的能量完全释放完，防止单体电池B2给电感L1充电。


3.根据权利要求1所述的一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：所述均衡策略，包括：
串联电池组会因为各个单体电池间的差异而出现不均衡的情况，只有当有单体电池完全充满或完全放空时，电池组才会受到影响；
当串联电池组中的某个电池的电量完全放空，而其它电池还有电量时，整个电池组不能继续放电，否则会损害电池的健康状态，因此无法充分利用电池组的容量；
当串联电池组中的某个电池的电量完全充满，而其它电池还没有充满时，整个电池组不能继续充电；
当串联电池组中不存在完全充满或完全放空的电池时，即使存在不均衡的情况，电池组仍然能够正常充放电；
因此，只要保证所有的电池同时充满或同时放空，既不损害电池的健康状态，又充分利用电池组的容量。


4.根据权利要求1所述的一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：假设所述均单体电池的最大容量为Cimax，最小容量为Cimin，初始容量为Ci0，则在充电状态下，剩余容量Cir表示为：
Cir＝Cimax-Ci0(3)
其中，单体电池为i；
在放电状态下，剩余容量Cir表示为：
Cir＝Ci0-Cimin(4)。


5.根据权利要求4所述的一种新型的电池组均衡电路拓扑及均衡策略，其特征是：以所述充电状态下和放电状态下的两个单体电池串联组成的电池组，利用本发明提出的均衡策略与传统均衡策略比较如下：
假设两个单体电池的最大容量分别为C1max、C2max，初始容量分别为C10、C20，初始荷电状态分别为SOC10、SOC20；
采用传统均衡策略工作于充电状态下：
从t1开始，两个单体电池的荷电状态实现均衡，并一直保持到充电结束，两个单体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张武洋，程俊，黄纯军，孔剑虹，王英明，宫向东，楚天丰，吴蒙，韩月，杨璐羽，
申请(专利权)人：国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，四川大学，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21