[發明專利]一種電池模組中電池單體的電壓均衡電路及方法

有效

• 申請號: 202111140491.6
• 申請日: 2021-09-28
• 公開（公告）號: CN113872288B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 尚德華;張偉
• 申請（專利權）人: 傲普（上海）新能源有限公司
• 主分類號: H02J7/00
• 分類號: H02J7/00
• 代理公司: 蘇州一號院知識產權代理有限公司 32513
• 代理人: 劉光垣

本發明公開了一種電池模組中電池單體的電壓均衡電路及方法。電池模組包含n個依次串聯的單體電池，n個單體電池依次分成n/4個電池單組；每個電池單組內的4個電池單體平分成2個電池單元，每個電池單元由2個相鄰的電池單體組成，這相鄰的2個電池單元共享1個CUK變換器均衡電路；每個電池單元內的2個電池單體共享1個電感作為主動均衡電感；每個電池單組由每2個電池單元組成，電池單組與整個電池模組配置1個變壓器均衡。本發明變壓器原邊繞組的數量為原來數量的1/4，均衡電阻數量只有現有方案的一半，變壓器均衡和CUK變換器均衡是以能量轉移的方式來實現的主動均衡，均衡過程中幾乎沒有能量損失，大大提高了電池均衡的效率和能量利用率。

技術領域

本發明涉及電池領域，尤其涉及一種電池模組中電池單體的電壓均衡電路及方法。

背景技術

電池單組中單體電池在制造和使用過程中必然存在電壓、容量、內阻等不一致，并且是一個不斷累積的過程，時間越長單體電池之間產生的差異越大；并且鋰離子電池單組還會受到使用環境的影響，在使用過程中單體電池的不一致性會被逐漸放大，從而導致某些單體電池性能加速衰減。

目前對電池的不一致性的解決方法是做電池均衡，即在循環使用過程中，以能量消耗或者轉移的方式對電池單組內的單體能量適時進行平衡，從而降低單體發生過充過放的概率，消除放電深度差異對電池單組的不利影響，進而提高電池單組的整體能量利用率，延長電池循環壽命。

目前電池均衡方法主要分為被動均衡和主動均衡兩大類，其中被動均衡分為電阻法和穩壓管法兩種，主動均衡主要包含電感法、電容法和變壓器法三大類。

電阻均衡法，是通過均衡電阻發熱消耗掉電壓較高的電池單體電量達到電壓均衡狀態。相鄰的單體電池不能同時開啟均衡，也就是說，均衡開啟的最多路數為總路數的一半，目的是避免均衡電流的相互干擾和均衡電路放電產生的熱量過于集中，如圖1所示。假設圖中的3個電池單體B_n、B_n+1、B_n+2電壓值均偏高，都需要開啟均衡電路進行均衡，按電路設計方案，只能排個先后順序進行均衡，比如先均衡間隔的2個電池單體B_n和B_n+2，最后均衡電池單體B_n+1。均衡具體步驟如下：首先，閉合開關K_n和K_n+2，固定電阻R_n和R_n+2開始均衡，電路中電流方向如圖2所示；然后，斷開開關K_n和K_n+2，閉合開關K_n+1，固定電阻R_n+1開始均衡，電路中電流方向如圖3所示；最后，斷開開關K_n+1，均衡完成。

CUK變換器均衡法，進行電池均衡時均衡放電和充電同時進行，均衡速度快，均衡能量轉移效率高，但開關數量多，控制電路復雜；而且只能均衡相鄰的2個電池單體，其均衡原理是利用單體電池之間的電壓差進行能量轉移均衡，故而在單體電壓差較小時，均衡電流小，均衡效率低。CUK變換器均衡電路拓撲如圖4所示。現假設第1個電池單體B₁相比第2個電池單體B₂電壓較高，均衡步驟如下：

首先，功率開關管S_1-1中的MOS管Q_1-1導通，功率開關管S_1-2中的體二極管D_1-2反向截止，此時電池單體B₁流出的電流I₁使電感L_1-1儲能；電容C₁放電電流I₂使電感L_1-2儲能，并向電池單體B₂充電轉移電量。第1個電池單體B₁的放電和第2個電池電池單體B₂的充電同時進行，能量雙向流動。電流方向如圖5所示。