一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Buck?boost的新型电池均衡电路，包括由多个单体电池串联而成的电池组、电容模块、Buck?boost模块、测控模块，旨在避免串联电池组“过充”和“过放”的同时提高电池组的最大可用容量。依据均衡能量流向划分的均衡策略各有优缺点，本发明可以采用各种均衡策略实现串联电池组的充放电均衡。
【专利说明】
一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路
技术领域
[0001]本发明涉及电池均衡电路领域，具体是一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路。
【背景技术】
[0002]电池组均衡电路是提升串联电池组容量利用率的同时，保证其使用安全的有效解决途径。从均衡电流的可控性分析，采用电感作为储能元件的均衡方案，其均衡电流的可控性强。从均衡能量流向的角度来看均衡策略大致可以分为:在充放电过程中，均衡能量只能在各相邻单体之间进行转移;在充放电过程中，均衡能量从串联电池组中端电压或SOC最高的电池转移到最低的电池;在充电过程中，均衡能量从串联电池组中端电压或SOC最高的电池转移进电池组;在放电过程中，均衡能量从电池组中转移给端电压或SOC最低的电池。不同的均衡策略各有优缺点，本发明基于电感作为储能元件，可以根据电池数目和特性的不同，采取合适的均衡策略用以实现串联电池组的充放电均衡。
[0003]
【发明内容】
本发明的目的是提供一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，以克服现有均衡电路只能采用一种均衡策略的不足，解决了电池组因单体电池不一致性影响串联电池组系统使用安全性和最大可用容量的问题。
[0004]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，用于由N个单体电池El-En串联构成的电池组，其特征在于:包括Buck-boost模块、测控模块，Buck-boost模块包括至少两组均衡储能通道、至少两组均衡放能通道，每组均衡储能通道分别由N个场效应管构成，每组均衡放能通道分别由N个场效应管和至少一个二极管构成，均衡放能通道和均衡放能通道中场效应管分别与电池组单体电池连接，且均衡放能通道和均衡放能通道共用一个电感，所述测控模块测量电池组中每个单体电池的电压、电池组电压、电感电流，测控模块还分别与每个场效应管连接以控制它们导通或关闭。
[0005]所述的一种基于Buck-boost的新型组电池均衡电路，其特征在于:所述Buck-boost模块包括场效应管Kl-Kn，场效应管Kl ’ -Kn ’，场效应管Ql-Qn，场效应管Ql ’ -Qn ’，电感L，二极管Dl和D2，其中场效应管Kl-Kn的漏极——对应与单体电池El-En的正极连接，场效应管Kl-Kn的源极均与电感L的LI端连接，场效应管K1’-Kn’的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Kl ’ -Kn ’的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Q2_Qn的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Q2-Qn的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Ql的源极与单体电池El的正极连接，场效应管Ql的漏极与二极管Dl的负极连接，二极管Dl的正极与电感L的L2端连接，场效应管QI ’ -Qn ’的漏极——对应与单体电池E1-En的负极连接，场效应管Ql’-Qn’的源极均与二极管D2的正极连接，二极管的D2的负极与电感L的LI端连接，由场效应管Kl-Kn、场效应管Kl ’ -Kn ’分别构成均衡储能通道，由场效应管Ql-Qn及二极管D1、场效应管Ql’-Qn’及二极管D2分别构成均衡放能通道，两组均衡储能通道和两组均衡放能通道共同电感L。
[0006]所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:还包括电容模块，电容模块包括单体电容Cl-Cn，以及总体电容C总，其中单体电容Cl-Cn——对应与单体电池E1-En并联形成单体电池滤波，总体电容C总与电池组整体并联形成电池组滤波。
[0007]所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:所述测控模块包括N个单体电压检测单元，3N+1个控制单元，I个电流检测单元，I个电池组电压检测单元，其中单体电压检测单元一一对应连接单体电池El至En的正负极测量以各个单体电池端电压，电池组电压检测单元连接电池组的正负极以测量电池组两端电压，电流检测单元连接电感L的LI端测量电感电流，控制单元分别连接场效应管Kl-Kn，场效应管K1’-Kn’，场效应管Ql-Qn，场效应管Ql’-Qn’的栅极以控制它们导通或关闭。
[0008]所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:所述的场效应管均为P沟道增强型mosfet。
[0009]本发明的有益效果是:电池组依据不同的均衡策略，通过各开关转换单元设置的储能通道单体电池或电池组的能量抽取到电感之中，通过各开关转换单元设置的放能通道将电感之中存储的能量释放给单体电池或电池组。开关转换单元的设置的储能和放能通道可以开放给任意单体电池或整个电池组，因此，电池组可以依据自身单体电池数目和特性选择合适的均衡策略来实现电池组的充放电均衡。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的电路原理图。
[0011]图2是均衡能量在单体电池之间流动的电路图。
[0012]图3是均衡能量在单体电池之间流动的充放电控制流程图。
[0013]图4是均衡能量由单体电池流向电池组的充电均衡的电路图。
[0014]图5均衡能量由电池组流向单体电池的放电均衡的电路图。
[0015]图6是均衡能量在电池组与单体电池之间的充放电控制流程图。
【具体实施方式】
[0016]一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，用于N个单体电池串联而成的电池组，包括电容模块、Buck-boost模块、测控模块。
[0017]如图1所示，Nf单体电池EI至En，以串联的方式连接成电池组，N个单体电容Cl至Cn,一一对应并联于单体电池El至En用于个单体电池滤波，总体电容C总并联于电池组两端用于给电池组滤波；
图1虚线框中，Buck-boost模块包括至少两组均衡储能通道、至少两组均衡放能通道，每组均衡储能通道分别由N个场效应管构成，每组均衡放能通道分别由N个场效应管和至少一个二极管构成，均衡放能通道和均衡放能通道中场效应管分别与电池组单体电池连接，且均衡放能通道和均衡放能通道共用一个电感，测控模块测量电池组中每个单体电池的电压、电池组电压、电感电流，测控模块还分别与每个场效应管连接以控制它们导通或关闭。
[0018]具体的，Buck-boost模块包括N个场效应管Kl-Kn，N个场效应管K1’-Kn’，N个场效应管Ql-Qn，N个场效应管Ql ’ -Qn ’，电感L，二极管Dl和D2，其中场效应管Kl-Kn的漏极一一对应与单体电池El-En的正极连接，场效应管Kl-Kn的源极均与电感L的LI端连接，场效应管Kl’-Kn’的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管ΚΓ-Kn ’的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Q2-Qn的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Q2_Qn的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Ql的源极与单体电池El的正极连接，场效应管Ql的漏极与二极管Dl的负极连接，二极管Dl的正极与电感L的L2端连接，场效应管Ql，-Qn，的漏极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Ql’-Qn’的源极均与二极管D2的正极连接，二极管的D2的负极与电感L的LI端连接，由场效应管Kl-Kn、场效应管Kl’-Kn’分别构成均衡储能通道，由场效应管Ql-Qn及二极管D1、场效应管Ql’-Qn’及二极管D2分别构成均衡放能通道，两组均衡储能通道和两组均衡放能通道共同电感L。
[0019]图1中的测控模块具有N单体电压检测单元，3N+1个控制单元，I个电流检测单元，I
个电池组电压检测单元。单体电压检测单元的--对应连接单体电池El至En的正负极测量各个单体电池端电压，电池组电压检测单元连接电池组的正负极测量电池组两端电压，电流检测单元连接电感L的LI端测量电感电流，控制单元分别连接场效应管的栅极控制它们导通或关闭。
[0020]图2所示的均衡能量在单体电池之间流动的电路图，是电池组在充放电过程中是以开关转换单元中场效应管Ki和Ki ’形成储能通道，场效应管Qj和Qj’形成放能通道。具体的，场效应管Qj和Qj’、电感L、二极管D2相连接形成的放能通道，场效应管Ki和Ki ’、电池组、电感L相连接而成的储能通道，对场效应管K1、Ki ’、Qj和Qj ’同时进行HVM控制，使得放能和储能通道不同时导通，实现电池Ei的能量通过储能通道存储到电感L之中，然后，电感L所存储的能量再通过放能通道释放给电池Ej。注意，这里的i和j的取值不同，且当j取I时，放能通道还要包含二极管Dl。
[0021]图3是均衡能量在单体电池之间流动的充放电控制流程图，即为图2所示电路图的充放电均衡控制流程。在电池组充电过程中，先设定一个充电阀值SOC充，对于单体电池中超过充电阀值SOC充，将其能量转移给电池组中SOC值最小的电池，在电池组放电过程中，先设定一个放电阀值SOC放，对于SOC值低于放电阀值SOC放单体电池，将电池组中SOC值最高的单体电池的能量补充给该单体单池。
[0022]具体地，如图3，步骤如下:
当电池组充电时，
1)将均衡确定为电池组充电均衡；
2)设定充电阀值SOC充，然后测量所有单体电池的端电压并计算SOC(i)值，并进行排序，确定最低SOC单体电池；
3)进入循环，当S0C(i)>S0C充时，将电池Ei的能量转移给SOC最低的单体电池；
4 )直到所有电池均检测完毕，完成一次充电均衡。
[0023]当电池组放电时，
1)将均衡确定为电池组充电均衡；
2)设定放电阀值SOC放，然后测量所有单体电池的端电压并计算SOC(i)值，并进行排序，确定最高SOC单体电池；
3)进入循环，当SOC(i )〈SOC放时，将最高SOC单体电池的能量转移电池Ei ;
4)直到所有电池均检测完毕，完成一次充电均衡。
[0024]图4所示的均衡能量由单体电池流向电池组的充电均衡的电路图，是电池组在充电过程中以开关转换单元中场效应管Ki和Ki’形成储能通道，场效应管Ql和Qn’形成放能通道。具体的，由电池组、场效应管Ql和Qn’、电感L、二极管Dl和D2相连接形成的放能通道，由场效应管Ki和Ki’、电池E1、电感L相连接而成的储能通道。将场效应管Ql和Qn’始终导通，对场效应管Ki和Ki’同时进行Pmi信号控制，使其按照一定的占空比同时导通或关闭，实现电池Ei的能量通过储能通道存储到电感L之中，然后，电感L所存储的能量再通过放能通道释放给整个电池组。
[0025]图5所示的均衡能量由电池组流向单体电池的放电均衡的电路图，是电池组在放电过程中以开关转换单元中场效应管Qi和Qi’形成放能通道，场效应管Kl和Kn’形成储能通道。具体的，由单体电池E1、场效应管Qi和Qi’、电感L、二极管D2相连接形成的放能通道，由场效应管Kl和Kn’、电池组、电感L相连接而成的储能通道。对场效应管Qi和Qi ’、Kl和Kn’同时进行PffM控制，使得放能和储能通道不同时导通，实现电池组的能量通过储能通道存储到电感L之中，然后，电感L所存储的能量再通过放能通道释放给Ei。注意当i取I时，放能通道还要包含二极管Dl。
[0026]图6是均衡能量在电池组与单体电池之间的充放电控制流程图，包含了图4中的充电控制过程和图5中的放电控制过程。在电池组充放电过程中，先设定SOC阈值，通过测控模块的电压检测单元检测每节单体电池，用于计算每节单体电池的SOC值和SOC的平均值SOC平均，在电池组充电过程中，将单体电池SOC值高于SOC平均+SOC阈值的电池能量转移给电池组，在电池组放电过程中，将电池组的能量转移给单体电池SOC值低于SOC平均一SOC阈值的电池。
[0027]具体地，如图6，步骤如下:
当电池组充电时，
I)将均衡确定为电池组充电均衡，然后配置如图4所示的储能和放能通道；
2)设定充电阈值SOC充阈值，然后测量所有单体电池的端电压并计算S0C( i )值和SOC平均；
3)进入循环，当SOC(i)> SOC平均+SOC充阈值时，将电池Ei的能量转给电池组；
4 )直到所有电池均检测完毕，完成一次充电均衡。
[0028]当电池组放电时，
I)将均衡确定为电池组放电均衡。配置如图5所示储能和放能通道。
[0029 ] 2 )设定充电阈值SOC充阈值，然后测量所有单体电池的端电压并计算SOC (i )值和SOC平均；
3)进入循环，当SOC(i )〈S0C平均一SOC充阈值时，将电池组的能量转移给单体电池Ei ;
4)直到所有电池均检测完毕，完成一次充电均衡。
【主权项】
1.一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，用于由N个单体电池El-En串联构成的电池组，其特征在于:包括Buck-boost模块、测控模块，Buck-boost模块包括至少两组均衡储能通道、至少两组均衡放能通道，每组均衡储能通道分别由N个场效应管构成，每组均衡放能通道分别由N个场效应管和至少一个二极管构成，均衡放能通道和均衡放能通道中场效应管分别与电池组单体电池连接，且均衡放能通道和均衡放能通道共用一个电感，所述测控模块测量电池组中每个单体电池的电压、电池组电压、电感电流，测控模块还分别与每个场效应管连接以控制它们导通或关闭。2.根据权利要求1所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:所述Buck-boost模块包括N个场效应管Kl-Kn，N个场效应管Kl’-Kn’，Ν个场效应管Ql_Qn，N个场效应管Ql’-Qn’，电感L，二极管Dl和D2，其中场效应管Kl-Kn的漏极——对应与单体电池E1-En的正极连接，场效应管K1-Kn的源极均与电感L的LI端连接，场效应管K I’ -Kn ’的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Kl，-Kn，的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Q2-Qn的源极——对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Q2-Qn的漏极均与电感L的L2端连接，场效应管Ql的源极与单体电池El的正极连接，场效应管Ql的漏极与二极管Dl的负极连接，二极管Dl的正极与电感L的L2端连接，场效应管Ql ’ -Qn ’的漏极一一对应与单体电池El-En的负极连接，场效应管Ql’-Qn’的源极均与二极管D2的正极连接，二极管的D2的负极与电感L的LI端连接，由场效应管Kl-Kn、场效应管Kl，-Kn，分别构成均衡储能通道，由场效应管Ql-Qn及二极管Dl、场效应管Ql ’ -Qn ’及二极管D2分别构成均衡放能通道，两组均衡储能通道和两组均衡放能通道共同电感L。3.根据权利要求2所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:还包括电容模块，电容模块包括单体电容Cl-Cn，以及总体电容C总，其中单体电容Cl-Cn—一对应与单体电池El-En并联形成单体电池滤波，总体电容C总与电池组整体并联形成电池组滤波。4.根据权利要求2所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:所述测控模块包括N个单体电压检测单元，3N+1个控制单元，I个电流检测单元，I个电池组电压检测单元，其中单体电压检测单元--对应连接单体电池El至En的正负极测量以各个单体电池端电压，电池组电压检测单元连接电池组的正负极以测量电池组两端电压，电流检测单元连接电感L的LI端测量电感电流，控制单元分别连接场效应管Kl-Kn，场效应管K1’-Κη’，场效应管Ql-Qn，场效应管Ql’-Qn’的栅极以控制它们导通或关闭。5.根据权利要求1所述的一种基于Buck-boost的新型电池组均衡电路，其特征在于:所述的场效应管均为P沟道增强型mosfet。
【文档编号】H02J7/00GK105978052SQ201610035859
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年1月19日
【发明人】刘征宇, 孙庆, 马亚东, 王雪松, 汤伟
【申请人】合肥工业大学