[實用新型]一種雙層橋臂串聯蓄電池組高效均衡器拓撲電路

有效

• 申請號: 201420863021.1
• 申請日: 2014-12-31
• 公開（公告）號: CN204376462U
• 公開（公告）日: 2015-06-03
• 發明（設計）人: 劉紅銳;張昭懷
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本實用新型涉及一種雙層橋臂串聯蓄電池組高效均衡器拓撲電路，屬于蓄電池組能量均衡管理技術領域。

背景技術

隨著環境污染和能源危機的加劇，以蓄電池為動力源或輔助能源的各種電動車的發展成為必然。下面以鋰電池為例進行說明。單體鋰離子電池的標稱電壓最高為3.6v，使用中需要多個單體電池串聯。單體電池的過充電或過放電都將影響電池單體及電池組的使用壽命，甚至發生爆炸事故，因此在多個單體電池串聯使用時，不允許任何單體電池出現過放電和過充電的狀態。由于各個單體電池性能的差異，在使用過程中就會出現單體端電壓或單體電池的荷電狀態（SOC）的不一致，電池組的充電容量受組內荷電狀態最高的單體電池的限制，而電池組的放電容量受組內荷電狀態最低的單體電池的限制，隨著電池組充放電循環次數的增加，電池組的充電容量和放電容量將逐漸減小，最終會提前報廢。為了提高電池組的充放電容量及延長電池的使用壽命，必須對串聯單體蓄電池采取積極有效的均衡措施。

目前，有多種電池組均衡方案，從能量轉移時的能量消耗特性區分為能耗型均衡和非能耗型均衡兩種。非能耗均衡方案以電容、電感或者反激式變壓器作為儲能元件，通過開關器件使能量在單體電池之間或單體電池與電池組之間進行轉移。以電容為儲能元件的均衡方案的實質是以兩單體電池間的電壓差實現能量均衡，而實際中兩單體電池的電壓差很小，考慮均衡回路中開關器件的管壓降，因此能量很難轉移，甚至不能轉移。以電感或者反激式變壓器作為儲能元件的均衡方案，是以均衡電流的形式實現能量轉移的，但目前存在的這兩種均衡電路，均不能保證被均衡的單體電池的均衡電流的連續性，因此均衡效率普遍低，且反激式變壓器的均衡方案，其對均衡電流的可控性差。

發明內容

針對上述現有技術，為解決非能耗均衡方案均衡效率低的問題，本實用新型提供了一種雙層橋臂串聯蓄電池組高效均衡器拓撲電路，該拓撲電路原理簡單，對均衡電流的控制能力強，均衡效率高。

本實用新型的技術方案是：一種雙層橋臂串聯蓄電池組高效均衡器拓撲電路，包括上橋臂功率開關矩陣N、下橋臂功率開關矩陣S、電感L、電壓源E、兩個主控開關M1和M2；其中上橋臂功率開關矩陣N和下橋臂功率矩陣S均為由n對反向串聯的功率開關組成的雙層功率開關矩陣；上橋臂的上層n個功率開關的上端均與電感L的一端相連且其下層n個開關的下端的n條引出線分別接n個串聯的單體電池的正極；下橋臂的下層n個開關的上端的n條引出線分別接n個串聯的單體電池的負極且其下層n個功率開關的下端均與主控開關M2的一端和電壓源E的負極相連；主控開關M2的另一端和M1的一端同時與電感L的另一端相連，主控開關M1的另一端和電壓源E的正極相連。

所述上橋臂功率開關矩陣N、下橋臂功率開關矩陣S、主控開關M1和M2均為逆導型功率開關器件（如有寄生反并聯二極管的功率MOSFET開關）。

所述上橋臂功率開關矩陣N由n對反并聯的雙層功率開關N1和N2組成，上層功率開關N1由功率開關N11,…,Nn1構成，下層功率開關N2由功率開關N12,…,Nn2構成；所述下橋臂功率開關矩陣S由n對反并聯的雙層功率開關S1和S2組成，上層功率開關S1由功率開關S11,…,Sn1構成，下層功率開關S2由功率開關S12,…,Sn2構成，n為電池組中單體電池的個數。

所述電壓源E由電池組經DC/DC提供或者電池組以外的蓄電池組提供。

本實用新型的工作原理是：

本實用新型中以電感L為儲能元件，通過開關的PWM控制使均衡能量在單體電池與均衡電路之間轉移。均衡電路中的功率開關均采用逆導型功率開關，基于典型的降壓斬波電路工作原理和升壓斬波電路工作原理，電池組放電時通過降低電池組中電壓或SOC最低的單體電池的放電電流來提高整個電池組的放電容量，電池組充電時通過降低電池組中電壓或SOC最高的單體電池的充電電流來提高整個電池組的充電容量。在實際應用時，可以根據所用各單體電池的荷電狀態不一致程度，通過調節占空比來調節均衡電流的大小。

當n個串聯的單體電池組成的電池組處于放電或靜置狀態時，電池組中具有最低荷電狀態或最低端電壓的第j個電池Cellj被均衡電路充電，而同組中其它所有的單體電池均不受影響，均衡能量從均衡器向電池Cellj轉移；當n個串聯的單體電池組成的電池組處于充電狀態時，電池組中具有最高荷電狀態或最高端電壓的第i個電池Celli被均衡電路放電，而同組中其它所有的單體電池均不受影響，均衡能量從電池Celli向均衡器轉移；