一种电池组主动均衡电路及方法与流程

本发明涉及电气控制技术领域，尤其涉及一种电池组主动均衡电路及方法。

背景技术：

大规模储能作为可再生能源大规模接入的重要解决方案之一，是未来几年的重要发展方向。储能用电池组一般由上百节单体电池经串、并联组合而成，以达到合适的电压等级和容量等级。因为设计、环境以及电池本身性能的差异，电池组在循环使用过程中，会出现电量不一致的问题。

新能源汽车的发展已成为解决能源问题的必然方向，动力电池在实际应用过程中电芯的不一致性的问题会逐步显现，如果不加以治理，会出现进一步恶化的趋势。

电芯的不一致性对动力电池组的影响，会产生很多问题，例如：

1)容量和能量利用率降低，在充电时，先于其他电池充满电的部分电池限制了电池组的充电容量，在放电时，先于其他电池放完电的部分电池限制了电池组的放电容量，导致了电池组总体能存储和放出的容量的减少；

2)限制了电池的功率输出能力，当荷电状态(stateofcharge，soc)存在差异的电池串联成组的时候，在充放电过程中，soc虚高的电池因参数改变会限制整组电池的功率输入或输出的能力；

3)电池组状态估算难度增大，单只电池之间的容量和荷电状态差异给串联电池组的状态准确估算和能量优化使用带来了很大的困难。若单体电池间的最大可用容量和soc不一致，成组电池的soc和能量状态(stateofenergy，soe)的估算难度会明显增加；

4)缩短电池组寿命，实践验证，电池串联使用时，寿命常短于单体电池。分析其中一个可能原因是电池组内的散热情况无法和单体使用时相比，使用温度的升高，加速了电池本身的衰退速度。

这样不但影响电池的续航时间，大大缩短电池的寿命，更严重地可能会造成电池的过充电或者过放电等不可恢复的损坏。为了解决电池组电量不一致导致的不均衡问题需要对电池组进行均衡管理。

电池均衡器是专门针对串联的单体电池组结构，附加于电池组之上，采用电池能量均衡拓扑结构的电路和均衡控制算法，控制各单体电池电压或soc值，使电池组各单体电池工作在“健康”状态，并且不改变原电池组电路结构和性能的一种电气控制装置。电池的均衡是将各节电池间因不一致造成的损害电参数通过耗散或转换的方法进行改变，达到延长续航时间，增加电池寿命的目的。电池的均衡是电池管理的必然要求。

现有电池均衡控制器拓补结构主要有：能量耗散型，总线型以及dc/dc双向变换型。

能量耗散型：能量耗散型均衡拓扑电路，其原理主要是通过旁路电阻放电，将电池组中电量较高电池的多余电量耗散，以此达到改善电池组电量不一致的目的。例如，将各电池单元电压与电池组平均电压进行比较，当电池单元电压大于电池组平均电压，旁路电阻接通放电，对电池单元进行均衡；

总线型，通过均衡子电路，将电池和母线连接在一起，电池就能将其自身富余的能量传递到能量总线上方便其他电池单体获取。例如，每个电池单元上设置有一个均衡子电路，均衡子电路包括隔离型双向反激变压器和电子开关组成，隔离型双向反激变压器次级线圈两端分别于单体电池正负极连接，母线配备储能设备，以储存电池能量。

dc/dc变换型，变换器型均衡电路以buck、boost拓扑结构为基础，经过储能功率电感实现能量的转移，改善电池组电量的不一致。例如，控制电路包括n个充电控制小组，第一能量双向可控的电子开关与该功率电感串联接于一电池单体的正负极，该第二能量双向可控的电子开关与该功率电感串联接于另一电池单体的正负极，每个充电控制小组的拓扑结构相同，将电量较高电池多余的电量转移到相邻电池中，实现能量的双向流动。

对现有技术进行研究发现存在以下问题：

能量耗散型：能量耗散型均衡拓扑电路简单，易实现，但是其消耗电池组剩余电量，降低电池组电量，同时为了避免电阻放电时产生过多的热量，均衡电流必须限制在较小的范围。这些问题限制了此种均衡拓扑电路的发展，但其均衡效率低和产生过多热量的缺点，决定了其局限性；

总线型，总线型电路结构，需配置储能设备，受储能设备体积和寿命的影响，导致均衡器使用不便，影响使用寿命，且不便于模块化；

双向dc/dc变换器型电路，通过控制均衡模块，将电量较高电池多余的电量转移到相邻电池中，改善电池组电量的不一致，但该种电路目前的控制方法电量转移的大部分为相邻电芯，较少部分可以转移的次相邻电芯，转移到更远的电芯上的电量几乎为零，所以整体均衡速度较慢且效率不高；同时，该种电路中在电芯接入时间不一致等复杂工况下，局部电压过高，导致板卡损坏。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明涉及一种电池组主动均衡电路及方法。

本发明采用如下技术方案：

一种电池组主动均衡电路，所述电池组由多个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池串联而成，且每个电池单元属性一致；电池组主动均衡电路包括功率电感式均衡电路和稳定保护电路：

所述功率电感式均衡电路包括：

多个电子电力开关，所述多个电子电力开关相互串联，且分别并联在所述电池单元的两端；

多个功率电感，每个所述电池单元和相应的所述电子电力开关之间分别串联一功率电感；

所述稳定保护电路包括：

多个电容，所述多个电容相互串联，且分别并联在所述电池单元的两端；

多个稳压管，所述多个稳压管相互串联，且分别并联在所述电容的两端。

优选的，所述功率电感一端连接相应的所述电池单元的正极，另一端连接相应的所述电子电力开关。

优选的，所述电子电力开关为mosfet或igbt。

优选的，所述电子电力开关为所述mosfet时，所述mosfet的漏极通过相应的所述功率电感连接相应的所述电池单元的正极，所述mosfet的源极连接相应的所述电池单元的负极，所述mosfet的栅极用于接收开关控制信号；

所述开关控制信号用于控制所述电子电力开关的接通和断开。

优选的，所述稳压管的正极连接相应的所述电池单元的负极，所述稳压管的负极连接相应的所述电池单元的正极。

一种电池组主动均衡方法，采用所述的电池组主动均衡电路，所述电池组主动均衡方法包括：

步骤s1a、选定一电池单元作为第一电池单元并以一第一时间周期接通所述第一电池单元所对应的电子电力开关，所述电池组中所述第一电池单元的实时电量的绝对值最大，且相比所述电池组的平均电量具有一预设偏离值，判断所述第一电池单元的实时电量，并在所述实时电量大于所述平均电量时转向步骤s2a；

步骤s2a、当所述第一电池单元的一相邻所述电池单元的实时电量与所述第一电池单元的实时电量相一致时，以具有相同的实时电量的相邻所述电池单元和所述第一电池单元形成一均衡电池组，并依据所述均衡电池组中包括的所述电池单元的数量形成一第二时间周期，以所述第二时间周期同时接通所述均衡电池组中的所述电池单元所对应的所述电子电力开关；

步骤s3a、当存在有所述电池单元与所述第一电池单元的实时电量相一致时转向步骤s4a；

步骤s4a，分别形成多个所述均衡电池组，每个所述均衡电池组中分别包括相互相邻且实时电量相一致的所述电池单元，针对每个所述均衡电池组形成对应的所述第二时间周期，并以所述第二时间周期同时开通所述均衡电池组中的所有所述电池单元相对应的所述电子电力开关；

步骤s5a，判断所述第一电池单元的实时电量是否低于所述平均电量：

若是，则关闭所有所述电子电力开关，随后退出；

若否，则返回所述步骤s3a。

优选的，所述步骤s1a中，所述第一时间周期为t1。

优选的，所述步骤s2a中，采用下述公式计算得到所述第二时间周期：

t2＝t1/n1；

其中，

t2用于表示所述第二时间周期；

t1用于表示所述第一时间周期；

n1用于表示所述均衡电池组中的所述电池单元的个数。

一种电池组主动均衡方法，采用所述的电池组主动均衡电路，所述电池组主动均衡方法包括：

步骤s1b，选定一电池单元作为第二电池单元并以一第三时间周期开通所述第二电池单元相邻的所述电池单元所对应的所述电子电力开关，所述电池组中所述第二电池单元的实时电量的绝对值最小，且相比所述电池组的平均电量具有一预设偏离值，判断所述第二电池单元的实时电量，并在所述实时电量小于所述平均电量时转向步骤s2b；

步骤s2b，当存在有所述电池单元的实时电量与所述第二电池单元相一致时，将实时电量相一致的所述电池单元作为待判电池单元；

步骤s3b，判断所述待判电池单元的相邻的所述电池单元所对应的所述电子电力开关是否已经开启：

若是，则直接转向步骤s4b；

若否，则以所述第三时间周期开启所述待判电池单元的相邻的所述电池单元所对应的所述电子电力开关，随后转向步骤s4b；

步骤s4b，判断所述第二电池单元的实时电量是否高于所述平均电量：

若是，则关闭所有所述电子电力开关，随后退出；

若否，则返回所述步骤s3b。

优选的，所述步骤s1b中，所述第三时间周期为t1。

本发明的有益效果：本发明电池组主动均衡电路属于双向dc/dc变换器型电路，主要解决以下两个问题：

解决该种电路中电量大部分只转移到相邻电芯带来的整体效率低下问题；

解决该种电路中在电芯接入时间不一致等复杂工况下，局部电压过高，导致板卡损坏的问题。

附图说明

图1为本发明的一种优选实施例中，电池组主动均衡电路的功率电感式均衡电路的示意图；

图2为本发明的一种优选实施例中，电池组主动均衡电路的稳定保护电路的示意图；

图3为本发明的一种优选实施例中，电池组主动均衡方法的流程图之一；

图4为本发明的一种优选实施例中，电池组主动均衡方法的流程图之二。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，下述技术方案，技术特征之间可以相互组合。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

如图1-2所示，一种电池组主动均衡电路，电池组由多个电池单元构成，电池单元由一个或多个单体电池串联而成，且每个电池单元属性一致；电池组主动均衡电路包括功率电感式均衡电路和稳定保护电路：

功率电感式均衡电路包括：

多个电子电力开关，多个电子电力开关相互串联，且分别并联在电池单元的两端；

多个功率电感，每个电池单元和相应的电子电力开关之间分别串联一功率电感；

稳定保护电路包括：

多个电容，多个电容相互串联，且分别并联在电池单元的两端；

多个稳压管，多个稳压管相互串联，且分别并联在电容的两端。

进一步的，功率电感一端连接相应的电池单元的正极，另一端连接相应的电子电力开关。

进一步的，电子电力开关为mosfet或igbt。

进一步的，电子电力开关为mosfet时，mosfet的漏极通过相应的功率电感连接相应的电池单元的正极，mosfet的源极连接相应的电池单元的负极，mosfet的栅极用于接收开关控制信号；

开关控制信号用于控制电子电力开关的接通和断开。

进一步的，稳压管的正极连接相应的电池单元的负极，稳压管的负极连接相应的电池单元的正极。

在本实施例中，本发明电池组主动均衡电路为一种高效稳定的功率电感式锂电池主动均衡电路及其控制方法，该电路的主回路为一种已经成熟的功率电感式均衡电路(如图1所示)，但在该电路的基础上本专利开发出一种配合使用的稳定保护电路(如图2所示)，该电路能保证在复杂工况下的采样稳定和电路电压稳定；同时，在电路的控制上，本专利提出了一种新型的开关选通策略，提高了功率电感式主动均衡器的效率。

图1中，bat1-bat24为电池电芯(即单体电池)；l1-l23为功率电感；k1-k24为电力电子开关，该开关可以为mosfet，也可以是igbt。

图2中，bat1-bat24与图1中电池电芯一一对应；c1-c24为电容；d1-d24为稳压管。

电池组主动均衡电路属于双向dc/dc变换器型电路，主要解决以下两个问题：

解决该种电路中电量大部分只转移到相邻电芯带来的整体效率低下问题；

解决该种电路中在电芯接入时间不一致等复杂工况下，局部电压过高，导致板卡损坏的问题。

如图1-3所示，本发明较佳的实施例中，一种电池组主动均衡方法，采用上述的电池组主动均衡电路，电池组主动均衡方法包括：

步骤s1a、选定一电池单元作为第一电池单元并以一第一时间周期接通第一电池单元所对应的电子电力开关，电池组中第一电池单元的实时电量的绝对值最大，且相比电池组的平均电量具有一预设偏离值，判断第一电池单元的实时电量，并在实时电量大于平均电量时转向步骤s2a；

步骤s2a、当第一电池单元的一相邻电池单元的实时电量与第一电池单元的实时电量相一致时，以具有相同的实时电量的相邻电池单元和第一电池单元形成一均衡电池组，并依据均衡电池组中包括的电池单元的数量形成一第二时间周期，以第二时间周期同时接通均衡电池组中的电池单元所对应的电子电力开关；

步骤s3a、当存在有电池单元与第一电池单元的实时电量相一致时转向步骤s4a；

步骤s4a，分别形成多个均衡电池组，每个均衡电池组中分别包括相互相邻且实时电量相一致的电池单元，针对每个均衡电池组形成对应的第二时间周期，并以第二时间周期同时开通均衡电池组中的所有电池单元相对应的电子电力开关；

步骤s5a，判断第一电池单元的实时电量是否低于平均电量：

若是，则关闭所有电子电力开关，随后退出；

若否，则返回步骤s3a。

进一步的，步骤s1a中，第一时间周期为t1。

进一步的，步骤s2a中，采用下述公式计算得到第二时间周期：

t2＝t1/n1；

其中，

t2用于表示第二时间周期；

t1用于表示第一时间周期；

n1用于表示均衡电池组中的电池单元的个数。

在本实施例中，稳定保护电路在功率电感式均衡器实际工作中，会处于不同的工作环境。如在电动汽车上会产生各种振动，在固定式储能中会有热插拔的工况，当由于振动或者热插拔等因素造成均衡器与电池的接口接触不良时，对图1中均衡器此时的工作状态进行分析，如下：

首先假设bat2电芯未接入电路1ms。在这1ms内，其它任意电芯上的开关管k处于导通状态时，会在功率电感上积蓄能量，然后开关管全部关闭，功率电感需要电芯bat2与其成回路，完成功率电感上电流的释放。而此时，电芯bat2如果断开，将会在断开处(也就是电芯bat2两端)产生瞬间极高的电压。该电压在均衡器上一般会通过击穿采样通道来释放能量，甚至产生电火花，产生安全隐患。

当图2设计的稳定保护电路接入后，再对均衡器的工作状态进行分析，如下：

同样假设bat2电芯未接入电路1ms。在这1ms内，其它任意电芯上的功率电感产生的电流，都可先通过电容c2进行续流；而当电芯未接入时间过长时，稳压管d2在c2上电压超过一定阀值值导通，始终保证了功率电感上电流的通路，稳定bat2接入点的电压在正常状态，保证了电路的稳定性，解除了由于振动、热插拔等原因可能导致的电芯接触不良问题。

新型开关选通策略

对于图1中的拓扑，当某电芯电量高于其他电芯平均电量一定阀值时，启动对应开关管开始均衡。现取电芯bat12举例，电芯bat12电量高于电芯平均电量一定阀值，开通开关k12，电芯bat12电量以电流形式储能于电感l12中之中。在电感电流增大到一定阀值，关闭开关k12，储存于电感中电能会转移到除了电芯bat12以外的其它电芯中。而且该过程中，约60％的电量转移到相邻的电芯中，即bat13和bat11中；在bat10和bat14中转移约30％能量，剩下的极少部分电量以依次递减方式储存于剩下的电芯中。

现为了提高电芯电能转移效率，当电量不均衡时(同样以电芯12电量举例)，提出以下开关选通策略：

如果电芯12的电量高于平均电芯电量一定阀值：

首先开通电量最高电芯的开关k12，开关周期为t(即第一时间周期t1)。

当最高电芯bat12电量与相邻电芯bat11或bat13电量较为一致且超出平均阀值时，同时开通开关k12和k11或k13,开关周期为t/2。现以k11电量跟k12一致举例分析，此时，电芯bat12和电芯bat11同时通过l10和l12、k11和k12转移bat11和bat12上面的电量；同时开关周期变为t/2，可以保证电路工作在同一稳定的均衡电流上。

当出现第三个电芯电量与bat11和bat12一致且高于平均值一定阀值时：如果为相邻电芯，即为bat10或者bat14，同时开通这三个开关，周期取t/3；如果为不相邻电芯，如为bat5，同时开通k5，开关周期t，开通k11和k12，开关周期t/2。

继续判断电芯电量，按上述理论累加，即当相邻电芯电量一样且超过阀值时，同时开通这些电芯对应开关，且周期为t除以开关数；当不相邻电芯电量一样且超过阀值时，同时开通这些电芯对应开关，但各组的开关周期分别计算，每组有几个电芯相邻，就用t除以该数，取为对应开关周期。

当最高电芯电量不高于平均电芯电量阀值时，对高电量均衡完成，关闭所有开关k。

如图1-2、4所示，本发明较佳的实施例中，一种电池组主动均衡方法，采用上述的电池组主动均衡电路，电池组主动均衡方法包括：

步骤s1b，选定一电池单元作为第二电池单元并以一第三时间周期开通第二电池单元相邻的电池单元所对应的电子电力开关，电池组中第二电池单元的实时电量的绝对值最小，且相比电池组的平均电量具有一预设偏离值，判断第二电池单元的实时电量，并在实时电量小于平均电量时转向步骤s2b；

步骤s2b，当存在有电池单元的实时电量与第二电池单元相一致时，将实时电量相一致的电池单元作为待判电池单元；

步骤s3b，判断待判电池单元的相邻的电池单元所对应的电子电力开关是否已经开启：

若是，则直接转向步骤s4b；

若否，则以第三时间周期开启待判电池单元的相邻的电池单元所对应的电子电力开关，随后转向步骤s4b；

步骤s4b，判断第二电池单元的实时电量是否高于平均电量：

若是，则关闭所有电子电力开关，随后退出；

若否，则返回步骤s3b。

进一步的，步骤s1b中，第三时间周期为t1。

在本实施例中，稳定保护电路在功率电感式均衡器实际工作中，会处于不同的工作环境。如在电动汽车上会产生各种振动，在固定式储能中会有热插拔的工况，当由于振动或者热插拔等因素造成均衡器与电池的接口接触不良时，对图1中均衡器此时的工作状态进行分析，如下：

首先假设bat2电芯未接入电路1ms。在这1ms内，其它任意电芯上的开关管k处于导通状态时，会在功率电感上积蓄能量，然后开关管全部关闭，功率电感需要电芯bat2与其成回路，完成功率电感上电流的释放。而此时，电芯bat2如果断开，将会在断开处(也就是电芯bat2两端)产生瞬间极高的电压。该电压在均衡器上一般会通过击穿采样通道来释放能量，甚至产生电火花，产生安全隐患。

当图2设计的稳定保护电路接入后，再对均衡器的工作状态进行分析，如下：

同样假设bat2电芯未接入电路1ms。在这1ms内，其它任意电芯上的功率电感产生的电流，都可先通过电容c2进行续流；而当电芯未接入时间过长时，稳压管d2在c2上电压超过一定阀值值导通，始终保证了功率电感上电流的通路，稳定bat2接入点的电压在正常状态，保证了电路的稳定性，解除了由于振动、热插拔等原因可能导致的电芯接触不良问题。

新型开关选通策略

对于图1中的拓扑，当某电芯电量高于其他电芯平均电量一定阀值时，启动对应开关管开始均衡。现取电芯bat12举例，电芯bat12电量高于电芯平均电量一定阀值，开通开关k12，电芯bat12电量以电流形式储能于电感l12中之中。在电感电流增大到一定阀值，关闭开关k12，储存于电感中电能会转移到除了电芯bat12以外的其它电芯中。而且该过程中，约60％的电量转移到相邻的电芯中，即bat13和bat11中；在bat10和bat14中转移约30％能量，剩下的极少部分电量以依次递减方式储存于剩下的电芯中。

现为了提高电芯电能转移效率，当电量不均衡时(同样以电芯12电量举例)，提出以下开关选通策略：如果电芯12电量低于平均电量一定阀值：首先开通电量最高电芯的相邻开关k11、k13，开关周期为t。

当最低电芯bat12电量与相邻电芯bat11或bat13电量较为一致且低出平均阀值时，同时开通电芯电量低的最边上两个开关,开关周期为t。现以bat11电量跟bat12一致低举例分析，此时，开通k10和k13；同时开关周期为t。

继续判断电芯电量，按上述理论累加，到电芯bat1或者bat24为最低时，不在开通k1或者k24，而是只开通另外一边。

当最低电芯电量不低于平均电芯电量阀值时，对低电量均衡完成，关闭所有开关k。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。