应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路及策略制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路及策略。传统的直接模块化主动均衡由于模块内及模块间的耦合效应，某些单体电池会发生均衡重叠现象，额外增加了主动均衡所需要转移的电量，降低均衡速率和均衡效率，增加了电池循环。本发明专利技术提出的解耦型模块化主动均衡方法通过将模块间均衡线路与各模块均衡母线相连，解除了模块内与模块间的耦合，避免了单体电池发生均衡重叠现象，并且提高了均衡速率及均衡效率。另外本发明专利技术提供了与均衡电路相适应的均衡策略，仿真结果表明该均衡方法在保证均衡速率与效率的同时，可以有效地避免均衡重叠现象。

【技术实现步骤摘要】
应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路及策略
本专利技术涉及锂电池领域，特别涉及一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路及策略。
技术介绍
由于锂电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率低且无记忆效应等优点，在储能领域得到了广泛的应用。但是目前锂离子单体电池电压在3.7V左右，为了达到较高的电压，需要将几十节甚至上百节单体电池串联形成电池包，由于电池在制造生产过程中均有不同的化学和电气特性，因此会出现各个单体电池参数不一致现象。此外，不同的环境温度和老化后的不均匀降解也会导致各单体电池参数不一致现象的发生。以上问题导致在经过数次循环充放电操作后，单体电池间存在较大的电量不一致，降低了电池组的可用能量以及使用寿命。通过电池主动均衡技术可以将高SOC(StateofCharge，荷电状态)单体电池的能量转移到低SOC单体电池，减弱甚至消除电池参数不一致的影响，提升电池组的可用容量，延缓电池组寿命。但是受到均衡功率及均衡效率的影响，在大规模锂电池包中，需要将电池包平均分为若干个电池模块，对各个模块实行模块内及模块间均衡，以提高整体的均衡速率。但是目前的直接模块化均衡方法存在模块内均衡和模块间均衡的耦合效应，产生均衡重叠现象，降低了均衡功率及均衡效率，并使得电池发生反复充放电现象，加剧电池老化。图1为直接模块化主动均衡原理图，由模块单元、模块间均衡电路组成。其中N为各个模块内单体电池数，M为模块数，下标i(i＝1,2,3…N)为单体电池索引，下标j(j＝1,2,3…M)为模块单元索引。模块单元包括第一模块、第二模块、第三模块…第M模块，共M组模块，且每组模块均相同；各个模块通过模块间均衡电路相连接，实现模块间均衡。其中每个模块内部的单体电池可以实现内部均衡，每个模块作为一个整体通过模块间均衡电路实现模块间均衡。为便于解释直接模块化主动均衡产生的均衡重叠现象，通过电量转移图进行说明，如图2所示，假设电池包内存在某两组模块，模块1和模块2，且在进行均衡时不发生能量损失。模块1包含三节同型号单体电池C1,1、C2,1、C3,1，其SOC分别为90％、80％、70％，三节单体电池在模块内达到均衡状态时的SOC等于三节单体电池平均SOCa1，即SOCa1为80％。模块2包括三节型号与模块1相同的三节单体电池C1,2、C2,2、C3,2，三节单体电池的SOC分别为70％、30％、20％，三节单体电池在模块内达到均衡状态时的平均SOCa2为40％。两组模块内6节单体电池达到均衡状态时的平均SOCa为60％。对上述两模块进行直接模块化主动均衡，可将均衡分为两个阶段：阶段一：从状态1到状态2，该阶段对两个模块实施模块内均衡。状态1为两模块内的单体电池处于未均衡的初始状态，模块1内SOC最高的单体电池C1,1将电量转移到SOC最低的单体电池C3,1，当三节单体电池SOC均达到SOCa1，80％时，停止模块1的模块内均衡。模块2内SOC最高的单体电池C1,2将电量转移到低SOC单体电池C2,2和C3,2，当三节单体电池SOC均达到SOCa2，40％时，停止模块2的模块内均衡。设各状态图中表示单体电池SOC的矩形底边长度数值等于一节单体电池满电状态的电荷量Q的数值，因此状态图中释放电量的面积数值可视为对应单体电池释放电荷量数值。模块1内部转移的电荷量数值等于面积S1大小，模块2内部转移的电荷量数值等于面积S3大小。阶段二：从状态2到状态3，第二阶段对两模块实施模块间均衡。直接模块化均衡是将整个模块当作整体，进行模块间均衡，因此模块内的单体电池电量会统一升高或降低。模块1内的单体电池统一将能量转移到模块2内的单体电池，因为各个单体电池型号相同且串联连接，并且不考虑均衡能量损失，当两模块内的六节单体电池荷电状态达到SOCa，60％时，停止模块间均衡。此时两模块内所有单体电池均达到均衡状态，停止均衡操作。模块1向模块2共转移3S2面积大小的电荷量。以上分析表明，阶段一与阶段二共转移电荷量Qec＝S1+3S2+S3＝Q。其中模块1内的单体电池C3,1在第一阶段充入S1大小的电荷量，而在第二阶段释放了S2大小的电荷量，这种重复充放电的现象称为均衡重叠现象，单体电池C3,1本需将电量从70％降低为60％,即转移0.1Q的电荷量，而实际上转移了0.3Q的电荷量，其中重复转移的0.2Q电荷量即为重叠转移的电荷量Qer1，这种重叠转移损失了均衡电路的部分功率，并且会提高均衡带来的电能损失，发生均衡重叠的单体电池也会发生了反复充放电现象，导致电池寿命的降低。其中模块2内的单体电池C1,2在第一阶段释放了S3大小的电荷量，而在第二阶段充入了S2大小的电荷量，同样也发生了均衡重叠现象，均衡重叠电荷量Qer2为0.2Q，两阶段均衡重叠电荷量Qer＝Qer1+Qer2＝0.3Q。如果一个模块内各单体电池平均荷电状态SOCaj大于SOCa，则该模块内SOC低于SOCaj的单体电池会发生均衡重叠现象。如果一个模块内各单体电池平均荷电状态SOCaj小于SOCa，则该模块内SOC高于SOCaj的单体电池会发生均衡重叠现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种解除了模块化均衡在模块内和模块间的耦合效应，消除均衡重叠现象，避免了因均衡重叠对单体电池带来的反复充放电的应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路及策略。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，包括M组结构相同的模块单元，以及模块间均衡电路；每个模块单元包括电池组和模块内均衡电路；电池组由N节单体电池串联组成；模块内均衡电路包括一组模块内开关管阵列、一组控制开关管及一组模块内均衡电感；模块内开关管阵列包括2N+2个模块内开关管：第2i-1模块内开关管及第2i模块内开关管的一端分别与第i单体电池的正极相连，其中i＝1,2,…,N；第2N+1模块内开关管及第2N+2模块内开关管的一端与第N单体电池的负极相连；第2i-1模块内开关管的另一端相连接形成第一均衡母线，第2i模块内开关管的另一端相连接形成第二均衡母线，i＝1,2,…,N+1；控制开关管的一端与第一均衡母线相连，另一端与模块内均衡电感的一端相连，模块内均衡电感另一端与第二均衡母线相连；所述模块间均衡电路包括一组模块间开关管阵列，以及模块间均衡电感；模块间开关管阵列包括2M个模块间开关管：第2j-1模块间开关管的一端与分别第j模块的第一均衡母线相连，第2j-1个模块间开关管的另一端连接形成第一模块间均衡母线；第2j模块间开关管的一端分别与第j个模块的第二均衡母线相连，第2j模块间开关管的另一端连接形成第二模块间均衡母线；j＝1,2,…,M；模块间均衡电感的两端分别与第一模块间均衡母线和第二模块间均衡母线相连接。进一步地，所述模块内开关管由两个同型号NMOS管源极与源极串联构成的双向开关管组成的。所述控制开关管由两个同型号NMOS管源极与源极串联构成的双向开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，包括M组结构相同的模块单元，以及模块间均衡电路；/n每个模块单元包括电池组和模块内均衡电路；电池组由N节单体电池串联组成；/n模块内均衡电路包括一组模块内开关管阵列、一组控制开关管及一组模块内均衡电感；/n模块内开关管阵列包括2N+2个模块内开关管：第2i-1模块内开关管及第2i模块内开关管的一端分别与第i单体电池的正极相连，其中i＝1,2,…,N；第2N+1模块内开关管及第2N+2模块内开关管的一端与第N单体电池的负极相连；/n第2i-1模块内开关管的另一端相连接形成第一均衡母线，第2i模块内开关管的另一端相连接形成第二均衡母线，i＝1,2,…,N+1；/n控制开关管的一端与第一均衡母线相连，另一端与模块内均衡电感的一端相连，模块内均衡电感另一端与第二均衡母线相连；/n所述模块间均衡电路包括一组模块间开关管阵列，以及模块间均衡电感；/n模块间开关管阵列包括2M个模块间开关管：第2j-1模块间开关管的一端与分别第j模块的第一均衡母线相连，第2j-1个模块间开关管的另一端连接形成第一模块间均衡母线；第2j模块间开关管的一端分别与第j个模块的第二均衡母线相连，第2j模块间开关管的另一端连接形成第二模块间均衡母线；j＝1,2,…,M；/n模块间均衡电感的两端分别与第一模块间均衡母线和第二模块间均衡母线相连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，包括M组结构相同的模块单元，以及模块间均衡电路；
每个模块单元包括电池组和模块内均衡电路；电池组由N节单体电池串联组成；
模块内均衡电路包括一组模块内开关管阵列、一组控制开关管及一组模块内均衡电感；
模块内开关管阵列包括2N+2个模块内开关管：第2i-1模块内开关管及第2i模块内开关管的一端分别与第i单体电池的正极相连，其中i＝1,2,…,N；第2N+1模块内开关管及第2N+2模块内开关管的一端与第N单体电池的负极相连；
第2i-1模块内开关管的另一端相连接形成第一均衡母线，第2i模块内开关管的另一端相连接形成第二均衡母线，i＝1,2,…,N+1；
控制开关管的一端与第一均衡母线相连，另一端与模块内均衡电感的一端相连，模块内均衡电感另一端与第二均衡母线相连；
所述模块间均衡电路包括一组模块间开关管阵列，以及模块间均衡电感；
模块间开关管阵列包括2M个模块间开关管：第2j-1模块间开关管的一端与分别第j模块的第一均衡母线相连，第2j-1个模块间开关管的另一端连接形成第一模块间均衡母线；第2j模块间开关管的一端分别与第j个模块的第二均衡母线相连，第2j模块间开关管的另一端连接形成第二模块间均衡母线；j＝1,2,…,M；
模块间均衡电感的两端分别与第一模块间均衡母线和第二模块间均衡母线相连接。


2.根据权利要求1所述的一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，所述模块内开关管由两个同型号NMOS管源极与源极串联构成的双向开关管组成的。


3.根据权利要求1所述的一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，所述控制开关管由两个同型号NMOS管源极与源极串联构成的双向开关管组成的。


4.根据权利要求1所述的一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，所述模块间开关管是由两个同型号NMOS管源极与源极串联构成的双向开关管组成的。


5.根据权利要求1所述的一种应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡电路，其特征在于，所述M组模块单元的电池组串联连接。


6.如权利要求1～5任意一项所述的应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡策略，其特征在于，包括以下步骤：
S1、MCU采集当前串联电池组内各个单体电池的电压，并进行SOC估计；
S2、计算各个单体电池SOC极差△SOC；
S3、判断极差△SOC是否大于或等于均衡预设值△SOCth，如果是，说明此时单体电池处于不均衡的状态，需要进行均衡操作，执行S4；反之说明单体电池处于均衡状态，不需要进行均衡操作，执行步骤S4；
S4、结束操作；
S5、计算所有单体电池SOC的平均值，记为SOCa；
S6、计算各个模块的以下数据：
a、平均SOC：即每个模块内所有单体电池的平均SOC，第j个模块的平均SOC记为SOCa,j；
b、SOCa,j的极差，记为△SOCm；
c、第j个模块内部各单体电池SOC的极差△SOCj；
d、计算第j个模块内SOCi,j大于SOCa的单体电池的数量hj，以及小于SOCa的单体电池的数量lj；
e、对于SOCaj大于SOCa的模块，计算电量小于SOCa的单体电池SOCi,j与SOCa差值绝对值之和SOCtj；对于SOCaj小于SOCa的模块，计算电量大于SOCa的单体电池SOCi,j与SOCa差值绝对值之和SOCtj；
S7、主动均衡系统控制器，在对各个单体电池SOC处理后执行模块间均衡操作；
S8、主动均衡系统控制器，在对各个单体电池SOC处理后执行模块内均衡操作。


7.根据权利要求6所述的应用于锂电池包的解耦型模块化主动均衡策略，其特征在于，所述步骤S7包括以下子步骤：
S71、判断各个模块平均SOC差值最大值是否超过模块间均衡预设值△SOCthm，如果是，说明模块间的不均衡过大，需要进行模块间的均衡操作，执行S731；反之说明各电池模块处于均衡状态，执行S72；
S72、不执行模块间均衡，结束操作；
S73、模块内各个单体电池SOC的排布情况影响着均衡路径的形式，根据模块内各个单体电池SOC的排布将模块分为四种：
a、富能模块：SOCa,j大于SOCa且模块内各单体电池SOCi,j皆大于SOCa；
b、匮能模块：SOCa,j小于SOCa且模块内各单体电池SOCi,j皆小于于SOCa；
c、准富能模块：SOCa,j大于SOCa，但模块内并非所有单体电池SOCi,j皆大于SOCa，存在某些单体电池S...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟群，赵子翔，陈俊雄，田雯迪，范洪雷，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51