串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統的製作方法

2023-06-21 13:13:21

專利名稱：串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於均衡串聯儲能元件組(電池組或超級電容組)的電壓的
>J-U ρ α
裝直。
背景技術：
電動汽車等電動交通工具是近年來興起的新型交通工具，其以節約能源、綠色環保得到廣泛關注，近年來，隨著電力電子技術和電池、超級電容器技術的快速發展，電動汽車的發展也非常迅速。電動汽車利用大功率動力電池組或超級電容器模組來提供能量來源，電動汽車儲能元件組工作電壓等級一般為300 400V，純電動巴士的電壓等級更高，通常為400 600V左右，因此為了滿足設計指標，必然要求多節電池單體或超級電容器單體的串聯使用。但是由於儲能元件單體內部特性差異、工作溫度和循環使用次數的差別，所表現出來的單體行為也會有所區別，具體體現為單體電壓不平衡。理想情況下，如果單體的性能完全一致，那麼儲能元件組的端電壓除以串聯電池的量就是每隻單體的電壓，所以通過檢測儲能元件組的端電壓即可實現成組單體過充電和過放電控制。但是，由於單體在生產和使用過程中不可能做到完全一致，即便在單體出廠的時候經過嚴格篩選後配組的單體，也會由於單體的使用環境、溫度場以及自放電性能等差異使得單體在使用一段時間後在直流內阻、容量以及充電荷狀態等方而出現差異，所以單體的不一致性問題是必然的。影響電動汽車推廣應用的主要因素包括儲能元器件的安全性和使用成本問題，延長單體的使用壽命是降低使用成本的有效途徑之一。為確保單體性能良好，安全，並延長單體使用壽命，在電動汽車中對儲能元件組進行充電時，需採用單體均衡系統對單體進行合理有效的均衡管理和監控。另外除了電動汽車，任何含有大功率儲能單元的系統都需要單體均衡系統，例如電動汽車換電站、配合智能電網建設的儲能電站等，由此可見，單體均衡系統在大功率儲能系統中的重要性。傳統的單體管理均衡方法採用電阻放電，均衡效果一般，並且耗電嚴重，單體主動均衡技術近年來得到快速發展，一些專利已經給出主動式均衡的方法。例如申請號為CN201110142840. 8的中國專利提出了一種基於雙向升降壓變換器的總線式電池組均衡方法，如圖I所示，它涉及一種電池組的電壓均衡方法。該發明的方法基於雙向升降壓變換器、開關陣列、一號濾波電路、二號濾波電路、單體電池電壓檢測電路和控制器實現；雙向升降壓變換器主要是控制均衡電流的大小和流動方向，濾波電路是消除均衡電流的脈動性，避免大幅度脈動的均衡電流對被均衡電池的脈動衝擊，開關陣列選擇控制被均衡的電池接入相應端的均衡總線。又如，申請號為CN200910176662. 3的中國專利公開了一種鋰電池組主動均衡方法，如圖2所示，該專利採用boost技術和法拉電容，可用於大容量的串聯鋰電池組靜置時的電壓均衡。再如，申請號為CN201110101124. 5的中國專利公開了一種動力鋰離子電池的主動均衡系統及均衡方法，如圖3所示，其包括電池模塊，電池模塊通過電池組電壓採樣模塊與均衡控制器的輸入端相連；電池模塊內任意單體電池通過單體電池電壓測量模塊與均衡控制器的輸入端相連，電池模塊內任意單體電池均與電量均衡模塊相連，電量均衡模塊與均衡控制器的輸出端相連；當單體電池電壓、電池模塊內單體電池的平均電壓值間與均衡控制器設定的電壓關係相對應時，均衡控制器向電量均衡模塊輸出均衡控制信號，對電池模塊內相應的單體電池主動均衡，使單體電池電壓、電池模塊內單體電池的平均電壓值與均衡控制器內設定的電壓關係相匹配。上面三個專利中的主動均衡均是通過檢測各電池單體的電壓,將電壓高的電池能量通過電容逐一直接地傳遞到電壓低的電池中，因此，要實現電池均衡的目的，需要經多次能量傳輸才能基本達到電池均衡，所以均衡速度較慢，不適合高電壓(串聯電池數量多)，大容量的串聯電池組；此外，上述三個專利中的每個儲能單元均需要兩個開關器件及兩套驅動電路，所以造成電路器件較多，電路複雜，成本較聞。
發明內容本實用新型要解決的技術問題在於克服上述現有技術存在的不足，而提出一種能彌補大功率儲能元件組在使用過程中的不一致性的電壓主動均衡系統，該系統所用到的電路均衡器件少，電路結構簡單，成本低。 為解決上述技術問題，本實用新型提出一種串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，用以均衡由至少兩個儲能元件單體串聯構成的儲能元件組的電壓，所述電壓主動均衡系統包括一電壓檢測單元、一控制單元、至少兩個均衡電路單元以及一均衡總單元，每個均衡電路單元並聯一個所述儲能元件單體；所述均衡總單元分別與每個均衡電路單元並聯；所述電壓檢測單元分別與各儲能元件單體相連，以檢測各儲能元件單體的輸出電壓；所述控制單元分別與各均衡電路單元相連，以將各儲能元件單體的高於單體平均電壓的電量分別儲存在各均衡電路單元中；所述控制單元還與所述均衡總單元相連，以將儲存在各均衡電路單元中的電量轉移至所述均衡總單元中，再通過所述均衡總單元對所述儲能元件組再充電，從而實現儲能元件組中的各儲能元件單體的電壓均衡。優選地，每個均衡電路單元均包括一開關電容和一受所述控制單元控制而導通或關斷的充電開關，所述開關電容和所述充電開關串聯構成一過壓充電支路，所述過壓充電支路再與所述儲能元件單體並聯，且所述開關電容的正極與所述儲能元件單體的正極對應。優選地，所述均衡電路單元還包括一整流二極體，所述整流二極體串聯連接在所述過壓充電支路中，以杜絕所述開關電容對所述儲能元件單體反向充電。優選地，所述均衡總單元包括一變換器、一大容量的儲能電容、一受所述控制單元控制而導通或關斷的轉移切換開關和一受所述控制單元控制而導通或關斷的升壓切換開關；所述儲能電容與所述轉移切換開關串聯構成一儲能轉移支路，所述儲能轉移支路再分別與所述各均衡電路單元的開關電容並聯，且所述儲能電容的正極與所述開關電容的正極對應；所述儲能電容與所述升壓切換開關串聯構成一儲能升壓支路，所述儲能升壓支路再與所述變換器的兩輸入端並聯，所述變換器的兩輸出端分別與所述儲能元件組的兩端並聯。優選地，所述均衡總單元還包括多個整流二極體，每個開關電容與至少一個所述整流二極體串聯後再與所述儲能轉移支路並聯，以杜絕所述儲能轉移支路中的儲能電容對所述開關電容反向充電。[0011]優選地，所述變換器的輸出端與至少一整流二極體串聯後再與所述儲能元件組的兩端並聯，以杜絕所述儲能元件組中的電能反流至所述變換器中。優選地，所述儲能元件單體為電池或超級電容。與現有技術相比，本實用新型具有如下有益效果該儲能元件組的電壓均衡系統電路結構簡單，其相比現有技術中的電壓均衡系統，省去了驅動電路，減少了開關的數量，降低了成本。

圖I為現有技術中一種電池組電壓均衡系統的結構圖。圖2為現有技術中另一種電池組電壓均衡系統的結構圖。圖3為現有技術中又一種電池組電壓均衡系統的結構圖。圖4為本實用新型串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統的方框結構示意圖。圖5為本實用新型串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統的電路結構方框圖。
具體實施方式
實施例一串聯儲能元件組的電壓主動均衡方法。該串聯儲能元件組的電壓主動均衡方法用以均衡由至少兩個儲能元件單體串聯構成的儲能元件組的電壓，本實用新型的儲能元件單體既可以為電池，也可以為超級電容，對應地，儲能元件組既可以為由電池串聯而構成的電池組，也可以為由超級電容串聯而構成的超級電容組。該方法包括如下步驟步驟a :使串聯儲能元件組中的每個儲能元件單體均並聯一開關電容，檢測每個儲能元件單體的電壓，當檢測到某個儲能元件單體的輸出電壓高於單體平均電壓時，啟動與該儲能元件單體並聯的開關電容並對該開關電容充電；步驟b :將充電後的開關電容的電能傳送到一個大容量的儲能電容中，再將該儲能電容中的電能通過升壓變換器傳送至儲能元件組的兩端，對儲能元件組進行再充電，以實現儲能元件組電能的重新分配。簡言之，該方法主要是通過檢測儲能元件組中的各儲能單體的電壓，將多餘電能從高於平均電壓的儲能單體轉移到一開關電容中，待所有高於平均電壓的儲能單體中的多餘電能均轉移到各開關電容之後，統一將電能轉移到一儲能電容中，再利用儲能電容將電能回饋到整個串聯儲能元件組，而不是將各高於平均電壓的儲能單體中的電能逐個直接回饋到串聯儲能元件組中，因此，這種均衡方法在提高均衡速度的同時，也提高了均衡效率。為了方便控制各開關電容工作，上述每個開關電容先與一充電開關串聯後再與對應的儲能元件單體並聯，且，所有開關電容還通過同一個轉移切換開關與儲能電容並聯，充電開關與轉移切換開關以互補導通的方式運行，從而有效確保了將所有高出平均電壓的儲能單體中的多餘電能均轉移到各開關電容之後，再統一將電能回饋到整個串聯儲能元件組。鑑於每個開關電容在工作時是獨立的，所以，為了提高工作效率，如果上述步驟a中檢測到有兩個以上儲能元件單體的電壓高於單體平均電壓，則允許與該兩個以上儲能元件單體相連的充電開關以相同方式工作(同時導通或同時關斷)，從而使得各高於平均電壓的儲能元件單體的多餘電能夠在同一時間分別轉移到不同的開關電容中，提高了轉移效率，避免了分時轉移而造成的效率低下。因此，本實用新型提供的上述儲能元件組的電壓均衡方法在提高電壓均衡速度的同時，也提高了均衡的效率，能夠適合高電壓、大電容的串聯儲能元件組，市場推廣優勢明顯，前景廣闊。實施例二 :串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統。該電壓主動均衡系統是基於上述電壓主動均衡方法而設計，其大致的結構如圖4所示。該實施例中的儲能元件組為由η個電池11、12、13……In串聯而成的電池組1，該實施例中的電壓主動均衡系統包括一電壓檢測單元(圖中未示出)和一控制單元(圖中未示出)、η個均衡電路單元21、22、23……2η以及一均衡總單元3，每個均衡電路單元並聯一個電池(如圖中的均衡電路單元21與電池11並聯,均衡電路單元22與電池22並聯)均衡總單元3分別與每個均衡電路單元11、12、13……In並聯；電壓檢測單元分別與各電池相連， 以檢測各電池的輸出電壓；控制單元分別與各均衡電路單元11、12、13……In相連，以將各
電池11、12、13......In的高於平均電壓的電量分別儲存在各均衡電路單元11、12、13......In
中；控制單元還與均衡總單元相連，以將儲存在各均衡電路單元11、12、13......In中的電量
轉移至均衡總單元3中，再通過均衡總單元3對電池組再充電，從而實現電池組中各電池的電壓均衡。圖5為上述電壓主動均衡系統應用在三個電池串聯繫統中的電路結構圖，如圖所示，該電壓主動均衡系統包括一電壓檢測單元(圖中未示出)和一控制單元(圖中未示出)、三個均衡電路單元21、22、23以及一均衡總單元3。該三個均衡電路單元21、22、23分別並聯在三個電池11、12、13的兩端，用於分別轉移三個電池11、12、13的高於平均電壓的電能。三個均衡電路單元21、22、23的電路結構相同，以其中一個均衡電路單元21為例，其包括一開關電容Cl和一受控制單元控制而導通或關斷的充電開關SI，開關電容Cl和充電開關SI串聯構成一過壓充電支路，過壓充電支路再與電池BI並聯，且開關電容Cl的正極與電池BI的正極對應。此外，該均衡電路單元還包括一整流二極體D1，該整流二極體Dl串聯連接在過壓充電支路中，整流二極體Dl的正極與開關電容Cl的負極相連，整流二極體Dl的負極與電池BI的負極相連，從而使由電池BI、開關SI、開關電容Cl以及整流二極體Dl構成的迴路中的電流方向只能是圖中的逆時針方向，防止了開關電容Cl對電池BI反向充電。均衡總單元3包括一變換器Τ、一大容量的儲能電容CO、一受控制單元控制而導通或關斷的轉移切換開關SOl和一受控制單元控制而導通或關斷的升壓切換開關S02。儲能電容CO與轉移切換開關SOl串聯構成一儲能轉移支路，儲能轉移支路再分別與各均衡電路單元的開關電容Cl、C2或C3並聯，且儲能電容CO的正極與各開關電容Cl、C2和C3的正極對應。儲能電容CO與升壓切換開關S02串聯構成一儲能升壓支路，儲能升壓支路再與變換器T的兩輸入端並聯，變換器T的兩輸出端分別與電池組I的兩端並聯。同樣，為限制電流方向，該均衡總單元I還包括六個整流二極體D4、D5、D6、D7、D8、D9，開關電容Cl與兩個整流二極體D4、D5串聯後再與儲能轉移支路並聯，同樣開關電容C2也與兩個整流二極體D6、D7串聯後再與儲能轉移支路並聯，開關電容C3也與兩個整流二極體D8、D9串聯後再與儲能轉移支路並聯，從而防止儲能電容CO對三個開關電容Cl、C2和C3反向充電。變換器T的兩輸入端與由儲能電容CO與升壓切換開關S02串聯構成一儲能升壓支路並聯，變換器T的輸出端與一整流二極體DlO串聯後再與電池組的兩端並聯，以防止電池組I中的電能反流至變換器T中。儲能電容CO和轉移切換開關SOl為所有均衡電路單元21、22、23共享，開關S02和變壓器T構成一個升壓變換器，轉移切換開關SOl和均衡電路單元21的充電開關SI、S2、S3之間以互補導通的方式工作，從而實現將各電池BI、B2、B3高於平均電壓的能量通過相應的開關電容C1、C2、C3轉移到儲能電容CO上，再通過升壓變換器傳送到電池組I兩端進行重新分配。該電路的具體工作原理如下當電壓檢測單元檢測到電池BI上的電壓過高時，控制單元控制充電開關SI和轉移切換開關SOl以互補導通的方式高頻運行，每個導通時間為半個周期(為保證安全，應預留死區時間)，而開關S2和S3為關斷狀態，電池BI上的能量通過開關電容Cl傳送到儲能電容CO，之後，控制單元控制升壓切換開關S02導通，使儲能電容CO兩端的電壓作為變壓 器T的輸入電壓，通過變壓器T將電能返回電池組I兩端進行重新分配。即單體BI通過
51-C1-S01-C0-S02-T路徑進行放電將能量傳送到電池組I兩端對電池組I進行再充電。當電壓檢測單元檢測到電池B2上的電壓過高時，控制單元控制充電開關S2和轉移切換開關SOl以互補導通的方式高頻運行，每個導通時間為半個周期(為保證安全，應預留死區時間)，而開關SI和S3為關斷狀態，單體B2上的能量通過開關電容C2傳送到儲能電容CO，之後，控制單元控制升壓切換開關S02導通，使儲能電容CO兩端的電壓作為變壓器T的輸入電壓，通過變壓器T將電能返回電池組I兩端進行重新分配。即單體B2通過
52-C2-S01-C0-S02-T路徑進行放電將能量傳送到電池組I兩端對電池組I進行再充電。當電壓檢測單元檢測到電池B3上的電壓過高時，控制單元控制充電開關S3和轉移切換開關SOl以互補導通的方式高頻運行，每個導通時間為半個周期(為保證安全，應預留死區時間)，而開關SI和S3為關斷狀態，單體B3上的能量通過開關電容C3傳送到儲能電容CO，之後，控制單元控制升壓切換開關S02導通，使儲能電容CO兩端的電壓再作為變換器T的輸入電壓，通過變換器T將電能返回電池組I兩端進行重新分配。即單體B3通過
53-C3-S01-C0-S02-T路徑進行放電將能量傳送到電池組I兩端對電池組I進行再充電。當電池組I中出現兩個或兩個以上的電池的電壓過高時，相應的開關電容Cl、C2或C3的充電開關SI、S2或S3同時以相同的方式運行，並與轉移切換開關SOl保持互補導通的方式工作，將電能通過相應的開關電容C1、C2或C3傳送到儲能電容CO，再通過變換器T對整個電池組I進行再充電。以上描述中，三個充電開關SI、S2、S3、一個轉移切換開關SOl以及一個升壓切換開關S02工作時均以高頻脈衝信號觸發，開關頻率可以是IKHf500KHZ (推薦大於等於50kHz)。充電開關SI、S2和S3可單獨運行，也可以組合運行，視各電池的電壓而定，但在組合運行中須以相同方式工作(同時導通和同時關斷)並與轉移切換開關SOl之間進行互補工作。升壓切換開關S02的開關頻率和導通佔空比視變壓器T的容量和電池的數量而定，其不需要與其他開關管(充電開關SI、S2、S3和轉移切換開關S01)關聯運行。值得一提的是，該電壓主動均衡系統應用在由多個超級電容串聯而成的超級電容組中，以均衡超級電容組中的各超級電容的電壓，具體實施時，只需將上述實施例中的電池相應替換為超級電容即可，其工作原理與上述實施例相同，此處不再贅述。[0037]綜上所述，本實用新型通過給儲能元件組(超級電容組)中的每個儲能元件單體並聯一個開關電容，並將各開關電容與一大容量的儲能電容並聯，使得所有各單體中的多餘電能先轉移到各開關電容之後，再統一將電能轉移到一儲能電容中，最後利用儲能電容將電能回饋到整個串聯電池組(超級電容組)，實現電能的重新分配，使電池組(超級電容組)中各個單體間的電壓均衡，避免了某些單體因電壓過高而造成單體損壞或爆炸等危險。此 夕卜，本實用新型還可以彌補電動汽車等動力儲能元件組在充電和使用過程中單體的不一致性，最大限度地發揮儲能元件的效用，提高儲能元件的安全性，延長儲能元件組的使用壽命。並且本實用新型具有結構簡單、成本低廉的特點。以上僅為本實用新型的較佳可行實施例，並非限制本實用新型的保護範圍，凡運用本實用新型說明書及附圖內容所作出的等效結構變化，均包含在本實用新型的保護範圍內。
權利要求1.一種串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，用以均衡由至少兩個儲能元件單體串聯構成的儲能元件組的電壓，所述電壓主動均衡系統包括一電壓檢測單元和一控制單元，其特徵在於，所述電壓主動均衡系統還包括至少兩個均衡電路單元以及一均衡總單元，每個均衡電路單元並聯一個所述儲能元件單體；所述均衡總單元分別與每個均衡電路單元並聯；所述電壓檢測單元分別與各儲能元件單體相連，以檢測各儲能元件單體的輸出電壓；所述控制單元分別與各均衡電路單元相連，以將各儲能元件單體的高於單體平均電壓的電量分別儲存在各均衡電路單元中；所述控制單元還與所述均衡總單元相連，以將儲存在各均衡電路單元中的電量轉移至所述均衡總單元中，再通過所述均衡總單元對所述儲能元件組再充電，從而實現儲能元件組中的各儲能元件單體的電壓均衡。
2.如權利要求I所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，每個均衡電路單元均包括一開關電容和一受所述控制單元控制而導通或關斷的充電開關，所述開關電容和所述充電開關串聯構成一過壓充電支路，所述過壓充電支路再與所述儲能元件單體並聯，且所述開關電容的正極與所述儲能元件單體的正極對應。
3.如權利要求2所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，所述均衡電路單元還包括一整流二極體，所述整流二極體串聯連接在所述過壓充電支路中，以杜絕所述開關電容對所述儲能元件單體反向充電。
4.如權利要求I所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，所述均衡總單元包括一變換器、一大容量的儲能電容、一受所述控制單元控制而導通或關斷的轉移切換開關和一受所述控制單元控制而導通或關斷的升壓切換開關；所述儲能電容與所述轉移切換開關串聯構成一儲能轉移支路，所述儲能轉移支路再分別與所述各均衡電路單元的開關電容並聯，且所述儲能電容的正極與所述開關電容的正極對應；所述儲能電容與所述升壓切換開關串聯構成一儲能升壓支路，所述儲能升壓支路再與所述變換器的兩輸入端並聯，所述變換器的兩輸出端分別與所述儲能元件組的兩端並聯。
5.如權利要求4所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，所述均衡總單元還包括多個整流二極體，每個開關電容與至少一個所述整流二極體串聯後再與所述儲能轉移支路並聯，以杜絕所述儲能轉移支路中的儲能電容對所述開關電容反向充電。
6.如權利要求4所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，所述變換器的輸出端與至少一整流二極體串聯後再與所述儲能元件組的兩端並聯，以杜絕所述儲能元件組中的電能反流至所述變換器中。
7.如權利要求I所述的串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，其特徵在於，所述儲能元件單體為電池或超級電容。
專利摘要一種串聯儲能元件組的電壓主動均衡系統，該電壓主動均衡系統的主要技術要點是通過給電池組或超級電容組中的每個電池或超級電容並聯一個開關電容，並將各開關電容與一大容量的儲能電容並聯，使得所有各電池或超級電容中的多餘電能先轉移到各開關電容之後，再統一將電能轉移到一儲能電容中，最後利用儲能電容將電能回饋到整個串聯電池組或超級電容組，實現電能的重新分配，使電池組或超級電容組中各個電池或超級電容器單體間的電壓均衡，避免了某些單體因電壓過高而造成單體損壞或爆炸等危險。
文檔編號H02J7/00GK202475036SQ201220119998
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月27日 優先權日2012年3月27日
發明者葉遠茂, 田宏國, 鄭家偉, 陳樂茵 申請人:無錫富洪科技有限公司