基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法，应用于至少两个电池组，每一电池组包括两个电池单体，均衡系统包括至少两个底层均衡电路和顶层均衡电路，至少两个底层均衡电路与至少两个电池组一一对应连接，底层均衡电路用于实现电池组内两个电池单体均衡；顶层均衡电路与至少两个底层均衡电路均连接，顶层均衡电路用于实现至少两个电池组的组间均衡。本发明专利技术基于双层拓扑结构实现了电池组内快速高效均衡，任意电池组间快速高效均衡，提高了电池组不一致性较低时的均衡速率；并且使用一种先组间后组内的均衡控制方法，避免了反复多次均衡，提高均衡速度，在均衡速度、均衡效率和均衡后一致性方面均优于传统均衡方式。效率和均衡后一致性方面均优于传统均衡方式。效率和均衡后一致性方面均优于传统均衡方式。

【技术实现步骤摘要】
基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其是指一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法。

技术介绍

[0002]锂电池由于其电荷保持能力强、可循环使用寿命长、污染性小等优越特性在电动汽车等领域有着广泛的应用。电动汽车的动力电池组往往由大量锂电池单体串联而成，而生产过程的细小差异或其他因素很容易导致电池单体间存在不一致，存在差异的单体电池在充放电过程中会产生过充过放等问题，进而严重影响电池组的性能以及安全性，因此对于锂电池单体间的均衡系统的研究具有重要意义。
[0003]目前主要的均衡方式分为被动均衡与主动均衡，被动均衡也被称为能耗式均衡，工作原理主要为利用电阻元件进行耗能，将锂电池组中单体电压高的单体通过开关与电阻连接，控制开关将多余的能量进行耗放，从而达到锂电池的均衡，被动均衡往往效率较低且具有一定危险性。主动均衡又被称为非能耗式均衡，主要原理为利用电感电容等储能元件将电池组中能量从能量高的单体向能量低的单体进行转移，这类均衡往往效率较高，能量损失小。
[0004]但是现有的主动均衡系统往往难以达到扩展性、均衡速度以及均衡效率兼备的效果。例如图1所示的分布式电容拓扑结构，其通过将电容器作为能量转移的中间载体，在相邻的电池单体间控制双向开关的断开与闭合，就可以将电量高的电池的能量转移到电量低的电池之中，最终让所有电池的能量达到一致。使用该种拓扑结构当电池单体较多时需要较多的开关和电容，且每次都要将相邻两节电池单体进行均衡，均衡时间长且均衡效率较低。例如图2所示的集中式开关电容拓扑结构，其仅使用单一均衡电容，电路结构较为简单，硬件成本较低。利用多开关的跨接结构，实现了任意两个单体的一次性能量转移，均衡过程损耗较少、均衡效率较高。但由于集中式的结构限制，系统某一时刻只能对某一单体进行均衡，而且当电池间的不一致性较小时，由于使用电容作为均衡器件均衡速率就变得较为缓慢，而且可扩展性较差。例如图3所示的双层电容型拓扑结构，其在典型的单层电容均衡拓扑结构之上增加了一层电容，可以实现多个电池同时对电容进行充电和放电。相比于典型的单层电容均衡拓扑结构，该均衡拥有的均衡速度更快。从理论上而言，通过增加一层开关电容，可以将均衡时间缩短四分之一，但随之而来的问题是均衡器体积的增加和成本的提髙，而且其在电池数量较多时均衡速度会变慢。
[0005]因此，迫切需要提供一种创新的基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统以克服现有技术存在的上述技术缺陷。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的技术缺陷，而提出一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法，其在均衡速度、均衡效率和均衡后一致
性方面均优于传统均衡。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，应用于至少两个电池组，每一电池组包括两个电池单体，锂电池主动均衡系统包括：至少两个底层均衡电路，其与至少两个电池组一一对应连接，所述底层均衡电路用于实现电池组内两个电池单体均衡；顶层均衡电路，其与至少两个底层均衡电路均连接，所述顶层均衡电路用于实现至少两个电池组的组间均衡。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，每个所述底层均衡电路包括第一开关管和第一电感，所述第一开关管的漏极连接电池组中的一电池单体的正极，所述第一开关管的源极连接第一电感，所述第一电感连接电池单体的负极，当所述第一开关管导通时，电池单体的电能通过所述第一开关管转移至所述第一电感中。
[0009]在本专利技术的一个实施例中，每个所述底层均衡电路包括第一二极管，所述第一二极管与所述第一开关管并联，其中所述第一二极管的正极连接所述第一开关管的源极，所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的漏极。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，每个所述底层均衡电路还包括第二开关管，所述第二开关管的漏极连接所述第一电感，所述第一电感连接电池组中的另一电池单体的正极，所述第二开关管的源极连接电池单体的负极。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，每个所述底层均衡电路还包括第二二极管，所述第二二极管与所述第二开关管并联，其中所述第二二极管的正极连接所述第二开关管的源极，所述第二二极管的负极连接所述第二开关管的漏极。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述第一开关管和所述第二开关管的导通和截止通过PWM技术进行控制。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，所述顶层均衡电路包括开关阵列、第二电感、第一功率管和超级电容，所述超级电容连接所述第一功率管，所述第一功率管的漏极连接所述第二电感，所述第二电感通过所述开关阵列连接电池组的正极，所述第一功率管的源极通过开关阵列连接电池组的负极。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述顶层均衡电路还包括第三二极管，所述第一功率管与所述第三二极管并联，所述第三二极管的正极连接所述第一功率管的源极，所述第三二极管的负极连接所述第一功率管的漏极。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，所述顶层均衡电路还包括第二功率管和第四二极管，所述第二功率管的漏极连接所述超级电容，所述第二功率管的源极连接所述第二电感，所述第四二极管与所述第二功率管并联，其中，所述第四二极管的正极连接所述第二功率管的源极，所述第四二极管的负极连接所述第二功率管的漏极。
[0016]此外，本专利技术还提供一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡方法，基于如上述所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统实现，方法包括：获取每个电池单体的电压值，根据电池单体的电压值计算电池组的平均电压值；基于电池组的平均电压值得到电压最大值和电压最小值，并计算电压最大值和电压最小值的差值；判断差值是否大于设定的顶层的组间均衡阈值，若是，则对与电压最大值对应的
电池组和与电压最小值对应的电池组之间进行均衡；若否，则进入底层的组内均衡；在组间均衡的过程中实时判断差值是否小于等于设定的顶层的组间均衡阈值，若是，则顶层的组间均衡完成；若否，则返回组间均衡的步骤；当顶层的组间均衡完成后，求解得到电池组内两个电池单体的电压差；判断电压差是否大于设定的底层的组内均衡阈值，若是，则对电池组内两个电池单体进行均衡；若否，则结束；在组内均衡的过程实时判断电压差是否小于等于设定的底层的组内均衡阈值，若是，则底层的组内均衡完成；若否，则返回电压差的判断步骤。
[0017]本专利技术的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本专利技术所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统及方法，其基于双层拓扑结构实现了电池组内快速高效均衡，任意电池组间快速高效均衡，提高了电池组不一致性较低时的均衡速率；并且使用一种先组间后组内的均衡控制方法，避免了反复多次均衡，提高均衡速度，在均衡速度、均衡效率和均衡后一致性方面均优于传统均衡。
附图说明
[0018]为了使本专利技术的内容更容易被清楚的理解，下面根据本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术作进一步详细的说明。
[0019]图1是现有技术的分布式电容拓扑结构图。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：应用于至少两个电池组，每一电池组包括两个电池单体，锂电池主动均衡系统包括：至少两个底层均衡电路，其与至少两个电池组一一对应连接，所述底层均衡电路用于实现电池组内两个电池单体均衡；顶层均衡电路，其与至少两个底层均衡电路均连接，所述顶层均衡电路用于实现至少两个电池组的组间均衡。2.根据权利要求1所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：每个所述底层均衡电路包括第一开关管和第一电感，所述第一开关管的漏极连接电池组中的一电池单体的正极，所述第一开关管的源极连接第一电感，所述第一电感连接电池单体的负极，当所述第一开关管导通时，电池单体的电能通过所述第一开关管转移至所述第一电感中。3.根据权利要求2所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：每个所述底层均衡电路包括第一二极管，所述第一二极管与所述第一开关管并联，其中所述第一二极管的正极连接所述第一开关管的源极，所述第一二极管的负极连接所述第一开关管的漏极。4.根据权利要求3所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：每个所述底层均衡电路还包括第二开关管，所述第二开关管的漏极连接所述第一电感，所述第一电感连接电池组中的另一电池单体的正极，所述第二开关管的源极连接电池单体的负极。5.根据权利要求4所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：每个所述底层均衡电路还包括第二二极管，所述第二二极管与所述第二开关管并联，其中所述第二二极管的正极连接所述第二开关管的源极，所述第二二极管的负极连接所述第二开关管的漏极。6.根据权利要求4或5所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：所述第一开关管和所述第二开关管的导通和截止通过PWM信号进行控制。7.根据权利要求1所述的一种基于双层拓扑的锂电池主动均衡系统，其特征在于：所述顶层均衡电路包括开关阵列、第二电感、第一功率管和超级电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐繁，许宜申，王鑫，丁成华，叶燕，魏国军，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：