一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器及其控制方法，均衡器包括第一均衡模块LBM、第二均衡模块FBM、电池系统、均衡电压源BE；其中，电池系统由串联电池单元BU构成，每个电池单元由两个串联单体电池组成。本发明专利技术至少具备四大优势：一是均衡器在进行第一、二重均衡时均能实现并行均衡，均衡速度快，且不易受单体电池数量的影响；二是整个均衡电路里元器件少且易控制；三是采用模块化设计，开关器件的参数不变，易拓展，且每个开关管的电压应力小；四是所有均衡模块中开关的驱动电压均由电池单元或者均衡电压源提供，不需要额外的驱动电源。外的驱动电源。外的驱动电源。

【技术实现步骤摘要】
一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池能量均衡管理


技术介绍

[0002]随着环境污染和能源危机的日益严重，为解决这些问题，全球电网行业、制造业、交通运输等行业开始向着低能耗、低污染以及低碳化。而储能电池技术正是解决这些难题的关键技术，既可以促进电动汽车的快速发展，同时也推动了大型分布式电网的智能化。由于锂离子电池具有能量密度高、自充放率低、循环寿命长、成组方式灵活等特点，被广泛应用于电动汽车、智能电网、通讯设备等领域。
[0003]锂离子单体电池的标称电压为3.6v左右，为了满足蓄电池系统的电压需求，使用中采用多个的单体电池串联构成电池系统。单体电池的过充电或过放电都将影响电池单体及电池系统的使用寿命，甚至发生爆炸事故，因此在多个单体电池串联使用时，不允许任何单体电池出现过放电和过充电的状态。由于各个单体电池性能的差异，在使用过程中会出现各单体电池的能量不一致，能量高的单体电池将限制整个电池系统的充电容量，而能量低的单体电池将限制整个电池系统的放电容量，随着电池系统充放电循环次数的增加，电池系统的充电容量和放电容量将逐渐减小，最终使电池系统提前报废。为了提高电池系统的充放电容量及延长电池的使用寿命，必须对串联单体蓄电池采取积极有效的均衡措施。
[0004]为了解决电池系统内单体电池间能量的不一致的问题，蓄电池均衡电路应运而生。均衡电路主要包括主动均衡电路和被动均衡电路。主动均衡电路是通过电感、电容以及变压器等储能元件进行能量的转移。而被动均衡电路是将能量高的单体电池的多余能量通过电阻等耗能元件消耗掉。从节能减排的角度，主动均衡有很大的优势，同时主动均衡的均衡方式更加灵活，均衡的实效性更好。
[0005]目前现有的主动均衡普遍存在以下主要问题：
[0006]1.均衡速度受限于串联单体电池数量。串联单体电池数量越大，均衡速度越低；
[0007]2.能量转移回路长，均衡效率低。以单体电池为均衡对象，当单体电池具有任意可选性和能量双向性时，标称电压为3.6v的锂离子单体电池能量回路中的开关器件多，均衡效率低；
[0008]3.模块化程度弱，当需要增加串联电池数量时，均衡器中的开关器件的电压应力将发生改变，则开关器件参数将重新选择。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供了一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器及其控制方法，以用于通过模块化的二重均衡模块构建串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，并进一步通过二重均衡实现所有电池单元内部两个单体电池之间的能量均衡，通过三种工作模式实现各串联电池单元间的能量均衡。
[0010]本专利技术的技术方案是：一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，包括第一均衡模块 LBM、第二均衡模块FBM、电池系统、均衡电压源BE；其中，电池系统由串联电池单元BU 构成，每个电池单元由两个串联单体电池组成；
[0011]第i个第一均衡模块LBMi的端口1、端口3分别与第i个电池单元BUi的正极、负极相连，LBMi的端口2同时与电池单元BUi中单体电池B(2i
‑
1)的负极和单体电池B(2i)的正极相连；
[0012]第i个第二均衡模块FBMi的端口A、端口B分别与第i个第一均衡模块LBMi的端口1、端口3相连，FBMi的端口C、端口D分别与均衡电压源BE的正极、负极相连；其中， i＝1,2,3,
…
,n；n为电池系统中串联电池单元的个数，则电池系统中串联单体电池的个数为2n。
[0013]所述第一均衡模块LBM由两个带反并联二极管的功率开关M1和M2、一个电感L组成，电感L的一端作为第一均衡模块LBM的端口2，电感L的另一端同时与功率开关M1的漏极和功率开关M2的漏极相连；功率开关M1的源极作为第一均衡模块LBM的端口1，功率开关M2的源极作为第一均衡模块LBM的端口3。
[0014]所述第二均衡模块FBM由一个反激式变压器FT、两个带反并联二极管的功率开关M3 和M4组成；其中，反激式变压器FT的原边绕组的同名端作为第二均衡模块FBM的端口A，反激式变压器FT的原边绕组的非同名端与功率开关M3漏极相连，功率开关M3的源极作为第二均衡模块FBM的端口B，反激式变压器FT的副边绕组的非同名端作为第二均衡模块 FBM的端口C，反激式变压器FT的副边绕组的同名端与功率开关M4的漏极相连，功率开关M4的源极作为第二均衡模块FBM的端口D。
[0015]所述功率开关M1为P沟道MOSFET，其驱动电压由所对应的电池单元BU提供；功率开关M2为N沟道MOSFET，其驱动电压由所对应的电池单元BU提供。
[0016]所述功率开关M3、功率开关M4均为N沟道MOSFET，其中，功率开关M3的驱动电压由所对应的电池单元BU提供，功率开关M4的驱动电压由均衡电压源BE提供。
[0017]一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器的控制方法，采用上述任意一项所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器进行，具体均衡过程分两重均衡进行，第一重均衡由第一均衡模块实现，在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡由第二均衡模块实现。
[0018]所述第一重均衡，具体为：
[0019]所有的第一均衡模块能同时工作，实现所有电池单元内部两个单体电池之间的能量均衡：当第i个电池单元BUi内部的两个单体电池B(2i
‑
1)和B(2i)间的能量不均衡时，则通过第一均衡模块LBMi实现单体电池B(2i
‑
1)和B(2i)间的能量均衡；其中，当单体电池B(2i
‑
1)的能量高，单体电池B(2i)的能量低时：对功率开关iM1进行PWM控制，同时对功率开关iM2采用带死区互补的PWM控制，此时能量由单体电池B(2i
‑
1)向单体电池B(2i)转移；当单体电池 B(2i)的能量高，单体电池B(2i
‑
1)的能量低时：对功率开关iM2进行PWM控制，同时对功率开关iM1采用带死区互补的PWM控制，能量由单体电池B(2i)向单体电池B(2i
‑
1)转移。
[0020]所述对功率开关iM1进行PWM控制，同时对功率开关iM2采用带死区互补的PWM控制，具体为：在电感Li电流连续模式下，任一PWM控制周期内，当功率开关iM1处于导通状态，则功率开关iM2处于关断状态；当功率开关iM1处于关断状态，则功率开关iM2经过一段死区
后导通直至功率开关iM1下一导通时刻提前一段死区使iM2处于关断状态；对功率开关iM2进行PWM控制，同时对功率开关iM1采用带死区互补的PWM控制同理。
[0021]所述第二重均衡，具体为：
[0022]第二重均衡通过各个相互独立的第二均衡模块，实现各串联电池单元间的能量均衡；第二重均衡有三种工作模式：多个能量高的电池单元并行均衡放电、多个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，其特征在于：包括第一均衡模块LBM、第二均衡模块FBM、电池系统、均衡电压源BE；其中，电池系统由串联电池单元BU构成，每个电池单元由两个串联单体电池组成；第i个第一均衡模块LBMi的端口1、端口3分别与第i个电池单元BUi的正极、负极相连，LBMi的端口2同时与电池单元BUi中单体电池B(2i
‑
1)的负极和单体电池B(2i)的正极相连；第i个第二均衡模块FBMi的端口A、端口B分别与第i个第一均衡模块LBMi的端口1、端口3相连，FBMi的端口C、端口D分别与均衡电压源BE的正极、负极相连；其中，i＝1,2,3,
…
,n；n为电池系统中串联电池单元的个数，则电池系统中串联单体电池的个数为2n。2.根据权利要求1所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，其特征在于：所述第一均衡模块LBM由两个带反并联二极管的功率开关M1和M2、一个电感L组成，电感L的一端作为第一均衡模块LBM的端口2，电感L的另一端同时与功率开关M1的漏极和功率开关M2的漏极相连；功率开关M1的源极作为第一均衡模块LBM的端口1，功率开关M2的源极作为第一均衡模块LBM的端口3。3.根据权利要求1所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，其特征在于：所述第二均衡模块FBM由一个反激式变压器FT、两个带反并联二极管的功率开关M3和M4组成；其中，反激式变压器FT的原边绕组的同名端作为第二均衡模块FBM的端口A，反激式变压器FT的原边绕组的非同名端与功率开关M3漏极相连，功率开关M3的源极作为第二均衡模块FBM的端口B，反激式变压器FT的副边绕组的非同名端作为第二均衡模块FBM的端口C，反激式变压器FT的副边绕组的同名端与功率开关M4的漏极相连，功率开关M4的源极作为第二均衡模块FBM的端口D。4.根据权利要求1所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，其特征在于：所述功率开关M1为P沟道MOSFET，其驱动电压由所对应的电池单元BU提供；功率开关M2为N沟道MOSFET，其驱动电压由所对应的电池单元BU提供。5.根据权利要求1所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器，其特征在于：所述功率开关M3、功率开关M4均为N沟道MOSFET，其中，功率开关M3的驱动电压由所对应的电池单元BU提供，功率开关M4的驱动电压由均衡电压源BE提供。6.一种串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器的控制方法，其特征在于：采用权利要求1
‑
5中任一项所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器进行，具体均衡过程分两重均衡进行，第一重均衡由第一均衡模块实现，在完成第一重均衡的前提下进行第二重均衡，第二重均衡由第二均衡模块实现。7.根据权利要求6所述的串联蓄电池系统二重模块化并行均衡器的控制方法，其特征在于：所述第一重均衡，具体为：所有的第一均衡模块能同时工作，实现所有电池单元内部两个单体电池之间的能量均衡：当第i个电池单元BUi内部的两个单体电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红锐，韦向阳，李海瑞，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：