专利名称：串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法
技术领域：
本发明涉及串联电池组自动均衡的技术领域，具体地，涉及一种串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法。
背景技术：
蓄电池、超级电容等蓄电储能装置广泛应用于各领域。如何保证串联电池、电容组中各电池单元、电容单元快速高效的自动均衡，是保证其安全性和可靠性、延长其使用寿命、降低其使用成本和充分发挥其效能的一项关键技术。目前，对串联电池、电容组的自动均衡，一般采用对电压高或电量高的电池单元并联电阻进行放电的自动均衡方法。上述方法可以同步对各电池单元进行均衡，但这是一种能耗式均衡方式，存在均衡效率低、均衡时间长等问题。例如，对150Ah的电池组，当电池单元的电池荷电量(SOC)差异10%时，放电均衡方式将浪费电池组近10%的电量。如以常见的均衡电流500mA来计算，大致需要30h，这显然不能满足如电动汽车等用途的串联电池组在线均衡的时间要求。另外，也有基于电感、电容的能量转移的均衡方法，其是一种非能耗式均衡方法，但存在均衡电路复杂、成本高、制造难度大、可靠性尚待提高等问题，而且该均衡方法中能量的多级传递还将导致均衡效率低的问题。经对现有技术的文献检索发现，公开号为CN102214946A的中国发明专利，公告日为2011. 10. 12，发明名称为“一种动力电池组能量同步动态均衡系统”，其公开了如下技术方案一种动力电池组能量同步动态均衡系统，包括若干个均衡模块、正均衡母线总线、负均衡母线总线、均衡母线同步总线，均衡模块包括电池接口正端、电池接口负端、均衡母线正端、均衡母线负端、均衡母线同步端、第一高速开关、第二高速开关、第三高速开关、第四高速开关、储能元件、隔离电源模块及开关驱动模块；均衡母线正端与正均衡母线总线相连；均衡母线负端与负均衡母线总线相连；均衡母线同步端与均衡母线同步总线相连。其主要特征在于，每个电池单元设置一个均衡模块，利用每个均衡模块中的储能元件与电池并联并通过总线与其它电池单元进行能量转移。然而，上述均衡系统存在以下不足之处 (1)需采用与电池单元相同数量的均衡模块，均衡系统过于复杂，成本高；(2)需采用与电池单元相同数量的储能元件进行能量转移，而且一般储能元件应具有较大容量且其可靠性和长寿命使用性能显著优于电池单元，从而不利于推广应用；C3)为避免电池单元间的短路，同一时刻不能多个电池单元连通到均衡总线，即，均衡时间长，通过储能元件进行能量转移还将导致系统均衡效率低。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法，其可克服现有技术存在的均衡时间长、均衡效率低、均衡系统过于复杂和成本高的缺陷，实现对电池、电容组的在线自动、快速高效的均衡，且其可靠性高、成本低、体积小、重量轻、功能全面、易于规模化、产业化制造和应用。本发明是通过以下技术方案实现的—种串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，包括根据串联电池组中电池单元数量而设置的η个电池单元能量双向转移复合型均衡模块、主控制模块、正均衡总线和负均衡总线；其中，η ^ 1，所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块对应一个由k 个串联的电池单元组成的电池模组，其中k> 1 ；所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块由开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC模块、k个放电均衡电路组成，且每个电池单元能量双向转移复合型均衡模块的内部各组件及其与外部模块间均具有相同的连接关系；所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块的开关矩阵的各输出端相互独立地分别与其对应的电池模组中的各电池单元的极柱相电路连接，且所述开关矩阵的输入端与所述双向DCDC 模块的第一输入输出端相电路连接，所述放电均衡电路分别连接在所述开关矩阵的相邻的两个输出端线路之间以与对应的电池单元并联，所述双向DCDC模块的第二输入输出端的正、负端分别与所述正均衡总线、负均衡总线相电路连接；在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述双向DCDC模块、开关矩阵、k个放电均衡电路均与所述均衡控制模块相电路连接并受所述均衡控制模块的控制；所述主控制模块与所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块的均衡控制模块之间相电路连接。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，在所述双向DCDC 模块的第二输入输出端与该模块对应的电池模组的正负端连接电路中设置有受均衡控制模块控制的模式控制开关和电流方向限制器件，所述模式控制开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器；在所述双向DCDC模块的第二输入输出端与正均衡总线、负均衡总线的连接电路中设置有受均衡控制模块控制的总线连接开关，所述总线连接开关采用基于MOSFET 的电子开关或继电器。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述开关矩阵用于将其对应的电池模组中的任意一个需进行充电均衡的电池单元的正、负极柱分别选通连接到所述双向DCDC模块的第一输入输出端的正、负端，其中，所述开关矩阵中的可控开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器； 所述放电均衡电路包括放电电阻和可控开关，所述可控开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器，所述放电均衡电路的数量不少于相应电池模组中电池单元的数量，并与其对应的电池单元并联。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述双向DCDC模块为隔离型双向直流-直流变换器，在其第一输入输出端、第二输入输出端还设置有用于防止电流过大、防止电压过高、防止电路短路的装置或电路。上述的串联电池组的充放电复合型自动均衡电路，其中，所述主控制模块与所有均衡控制模块之间采用总线通信的方式进行电路连接。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，所述主控制模块对所述电池模组均衡模块诊断保护，还具有电池组管理系统的上位控制器的如电池系统的电流采样、总电压采样、参数估计、高压电安全控制、热管理、故障诊断以及系统控制电源管理、CAN通讯的功能。
上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，所述均衡控制模块还可具有电池组管理系统中下位控制器的电池单元电压采样、电池温度采样、电池热管理控制、电池参数估计、电池诊断保护、CAN通讯的功能，以及开关矩阵诊断及互锁控制、对双向DCDC模块及模式控制开关的诊断控制功能。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC模块、放电均衡电路、 模式控制开关、总线连接开关、电流方向限制器件集成为一体或独立设置；所述均衡控制模块和主控制模块集成为一体或独立设置，或部分或全部集成在电池管理系统中的相应控制器中。上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其中，所述正均衡总线和负均衡总线间设置有用于缓存能量的储能元件。本发明的一种采用上述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路的均衡方法，包括如下步骤所述主控制模块负责判断均衡使能条件、均衡模式，制订均衡策略，并以均衡参数 P的平均值为均衡目标T，其中，所述均衡参数P为串联电池组中电池单元的电压或SOC或电压与SOC的综合值；根据所述均衡目标T，每个均衡控制模块在其对应的电池模组中确定需要均衡放电路放电均衡的电池单元和需要优先转移能量充电均衡的电池单元、需要优先转移能量放电均衡的电池单元；当电池单元的均衡参数P与均衡目标T的差值小于设定值或所述均衡使能条件不满足时，禁止或退出均衡过程；分别计算电池模组均衡参数Pm，其为各电池单元能量双向转移复合型均衡模块对应的电池模组中的电池单元的均衡参数P的平均值；当所述电池模组均衡参数Rii之间的差异大于设定值时，采用电池模组间能量转移复合均衡的模式1，即，在所述主控制模块和均衡控制模块的控制下，使所述模式控制开关断开、所述总线连接开关导通，将所有需要优先转移能量放电均衡的电池单元的电能分别经各自对应的所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的开关矩阵和双向DCDC模块自动、同步地转移到所述正均衡总线和负均衡总线，同时，分别经需要优先转移能量充电均衡的电池单元各自对应的所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的双向DCDC模块和开关矩阵从所述正均衡总线和负均衡总线自动、同步地转移到所有需要优先转移能量充电均衡的电池单元，同时，利用所述放电均衡电路对所有需要均衡放电路放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；当电池模组均衡参数Rii之间的差异小于设定值时，采用各电池模组内能量转移复合均衡的模式2，即，在所述主控制模块和均衡控制模块的控制下，使需要优先转移能量充电均衡的电池单元所在电池模组对应的模式控制开关导通、所述总线连接开关断开、电池模组的能量经各自对应的双向DCDC模块和开关矩阵对各自的需要优先转移能量充电均衡的电池单元进行同步、自动的充电均衡，同时，利用所述放电均衡电路对所有需要放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；在放电均衡电路故障的特殊情况下，采用模式3，S卩，在模式1、模式2中，禁止利用所述放电均衡电路的放电均衡；
在所述双向DCDC模块故障、开关矩阵故障的特殊情况下，采用模式4，即仅利用放电均衡电路对电池单元进行放电均衡。上述的串联电池组的充放电复合型自动均衡方法还可用于串联超级电容组的均与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果1)速度快、效率高；本发明的均衡电路和均衡方法，采用了电阻放电均衡和能量转移均衡相结合的复合型主动式均衡方案，巧妙地克服了现有的被动式电阻放电均衡方案的均衡时间长、均衡效率低的缺点，同时克服了现有的主动式均衡方案的均衡效率过低的缺点，更好地满足实际使用的需求。具体地，对于被动式电阻放电均衡方案，其均衡策略是将串联电池组中的电压或电量高的电池单元的能量通过电阻放电直到与其中电压或电量最低的电池单元一致来实现对串联电池组的均衡，其均衡效率为零。由于均衡电阻放电消耗电能会产生大量的热量，为了避免温度过高，均衡电流不能过大。现有技术中，这类均衡系统的均衡电流一般为 IOOmA 500mA，因此均衡时间过长。而本发明的均衡电路，放电均衡电流可达500mA，能量转移式充电均衡电流可达5 10A，均衡效率可达80%以上。以lOOAh、电池单元电量差异10%的串联电池组为例，利用本发明的均衡电路和均衡方法，可以同步地将电量高的多个电池单元能量转移到多个电量低的电池单元进行大电流的同步能量转移式均衡，还可利用电池模组能量对多个电池单元进行大电流的同步能量转移式充电均衡，还可以对所有单体电池进行同步的放电均衡，从而使得均衡时间大大缩短。相对于利用被动式电阻放电的均衡方法，均衡时间缩短了 78%，均衡后串联电池组电量高8.6%。而对于现有的基于电感、电容的能量转移式均衡方案，由于高电压的串联电池组中串联的电池单元往往超过100 个，导致该方案中能量转移路径过长、均衡效率过低。例如，当电池单元的能量需要经过10 级转移时，其能量转移效率往往就只有大约0. 91(1，为34. 9%。如果考虑电池单元的放电和充电效率，则实际效率将更低。2)高安全、高可靠性和高容错性；本发明的均衡电路，采用隔离型的双向D⑶C模块，并对均衡电路、电池单元、电池系统进行实时诊断。开关矩阵用于选通电池单元的同时，还用于切断电池单元与均衡电路的连接，从而保证了均衡电路的高安全性和高可靠性，避免了现有的能量转移式均衡方法存在的安全性和可靠性问题。本发明提供的均衡方法，具有4种均衡模式，可以在均衡电路部分故障情况下，仍然对串联电池组进行自动均衡控制，从而使其具有高容错性。3)高均衡精度；本发明的均衡电路及均衡方法可动态确定均衡目标、实时控制均衡电流，可通过电池模组间的能量转移进行电池单元的均衡、利用电池模组的能量进行电池单元的均衡， 并辅以可控的放电同步均衡，从而显著提高均衡精度，显著延长串联电池组的使用寿命、降低其使用成本。采用本发明的均衡电路和均衡方法后，各电池单元的电压差可达到lmV。4)功能全面、集成度高、模块化结构、低成本，易产业化实现；本发明的均衡电路，采用模块化结构，并可集成电池组管理系统BMS的全部功能， 可通过总线通讯简化线束，显著降低了成本，易于与其它系统集成应用，具有广泛的应用领域。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路的一个较佳实施例的结构示意图。
具体实施例方式实施例1 如图1所示，本发明的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路包括根据串联电池组中电池单元数量而设置的n(n ^ 1)个电池单元能量双向转移复合型均衡模块，即电池单元能量双向转移复合型均衡模块1、……、电池单元能量双向转移复合型均衡模块η ；由主控制模块2 ；正均衡总线BB+和负均衡总线BB-；用于缓存能量的储能元件3。 其中，电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η分别对应地由具有相同结构的开关矩阵11 nl、均衡控制模块12 n2、双向D⑶C模块13 n3、放电均衡电路(141 14k) (n41 n4j)、模式控制开关15 n5、电流方向限制器件16 η6、总线连接开关(17，18) (η7, η8)组成。其中，电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η分别对应由电池单元组成的电池模组BM-I、……、电池模组ΒΜ-η。每个电池单元能量双向转移复合型均衡模块的内部各组件及其与外部模块间均具有相同的连接关系。如对于电池单元能量双向转移复合型均衡模块1，其对应的电池模组ΒΜ_1中有k个串联的电池单元Cell_ll、Cell_12、……、Cell_lk，其中，k > 1 ；开关矩阵11的输出端Bl 1、B12、……、Blk、Blk+1相互独立地分别与电池模组BM_1中的各电池单元Cell_ll、Cell_12、……、Cell_lk的极柱相电路连接，且开关矩阵11的输入端与双向DCDC模块13的第一输入输出端的LV+和LV-相电路连接；k个具有相同结构的放电均衡电路141 14k分别连接在开关矩阵11相邻的两个输出端之间，如Bll和B12、……、 Blk和Blk+1之间，以分别对应地与电池单元Cell_ll、Cell_12、……、Cell_lk并联；双向 DCDC模块13的第二输入输出端的正端HV+通过电流方向限制器件16与其所对应的电池模组的正端BM_1+相电路连接、负端HV-通过模式控制开关15与其所对应的电池模组的负端 BM_1-相电路连接，且双向D⑶C模块13的第二输入输出端的正端HV+、负端HV-分别通过总线连接开关17和18连接在正均衡总线BB+和负均衡总线BB-；双向D⑶C模块13、开关矩阵11、k个放电均衡电路141 14k、模式控制开关15总线连接开关(17，18)与均衡控制模块12相电路连接，并受均衡控制模块12的控制。主控制模块2与电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η中的均衡控制模块12、……、η2之间相电路连接。开关矩阵11、……、nl分别用于将其对应的电池模组BM_1、……、BM_n中的任意一个需进行均衡的电池单元的正、负极柱分别选通并连接到各开关矩阵所在的电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的双向DCDC模块的第一输入输出端的LV+和LV-，其中，开关矩阵中的可控开关采用如基于MOSFET的电子开关或继电器。电流方向限制器件16 n6采用如二极管的电子器件。
总线连接开关(17，18) (n7，η8)采用如基于MOSFET的电子开关或继电器。模式控制开关15 η5采用如基于MOSFET的电子开关或继电器。电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η中的放电均衡电路(141、142、……、 14k)、……、(！ι41、η42、……、n4j)均包括放电电阻和可控开关，且放电均衡电路的数量不少于相应的电池模组中电池单元的数量，并与其对应的电池单元(Cell_ll、Cell_12、……、 Cell_lk)、……、(Cell_nl、Cell_n2、……、Cell_nj)并联。其中，可控开关采用如基于 MOSFET的电子开关或继电器。双向D⑶C模块13、……、n3为隔离型双向直流-直流变换器，在其第一输入输出端和第二输入输出端还可设置有用于防止电流过大、防止电压过高、防止电路短路等的装置或电路。用于缓存能量的储能元件3与正均衡总线BB+和负均衡总线BB-相电路连接。主控制模块2与均衡控制模块12、……、η2之间采用CAN总线通信的方式进行电路连接。主控制模块2还具有如电池系统的电流采样、总电压采样、参数估计、高压电安全控制、热管理、故障诊断以及系统控制电源管理、CAN通讯等电池组管理系统BMS的上位控制器BMU所用的功能。均衡控制模块12、……、n2还分别具有电池单元电压采样、电池温度采样、电池热管理控制、电池参数估计、电池诊断保护、CAN通讯等BMS中下位控制器LE⑶的所用功能，以及开关矩阵诊断及互锁控制、对双向DCDC模块(13、……、n3)、模式控制开关(15、……、 η5)、总线连接开关(17，18) (η7，η8)的诊断控制等功能。电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η中，每一个模块中的开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC模块、放电均衡电路、模式控制开关、总线连接开关、电流方向限制器件可以集成为一体，也可以独立设置。均衡控制模块12、……、η2与主控制模块2可以集成一体，也可以独立设置，还可以部分或全部集成在电池管理系统中的相应控制器中。本发明的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路的均衡方法如下主控制模块2负责判断均衡使能条件、均衡模式，制订均衡策略，并以均衡参数P的平均值为均衡目标Τ，其中，均衡参数P为串联电池组中的电池单元(Cell_ll、Cell_12、……、
Cell_lk)、......、(Cell_nl、Cell_n2、......、Cell_nj)的电压或 SOC 或电压与 SOC 的综合值；
根据该均衡目标T，每个均衡控制模块12、……、n2分别在其对应的电池模组BM-I、……、 电池模组ΒΜ-η中确定均衡放电路放电均衡的电池单元和需要优先转移能量充电均衡的电池单元、需要优先转移能量放电均衡的电池单元；当电池单元(Cell_ll、Cell_12、……、 Cell_lk)、……、(Cell_nl、Cell_n2、……、Cell_nj)的均衡参数P与均衡目标T的差值小于设定值或均衡使能条件不满足时，禁止或退出均衡过程；分别计算各电池单元能量双向转移复合型均衡模块1 η对应的电池模组BM-I、……、电池模组ΒΜ-η中的电池单元
(Cell_ll、Cell_12、......、Cell_lk)、......、(Cell_nl、Cell_n2、......、Cell_nj)的均衡参
数P的平均值，其称为“电池模组均衡参数Rn”;当电池模组均衡参数Rn之间的差异大于设定值时，采用电池模组间能量转移复合均衡的模式1，即，在主控制模块2和均衡控制模块 12、……、n2的控制下，使所述模式控制开关15、……、η5断开，使所述总线连接开关总线连接开关(17，18) (π7，η8)导通，将所有需要优先转移能量放电均衡的电池单元的电能分别经各自对应的所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的开关矩阵和双向DCDC模块自动、同步地转移到正均衡总线BB+和负均衡总线ΒΒ-，同时，分别经需要优先转移能量充电均衡的电池单元各自对应的电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的双向DCDC模块和开关矩阵从正均衡总线BB+和负均衡总线BB-自动、同步地转移到所有需要优先转移能量充电均衡的电池单元，同时，利用放电均衡电路对所有需要均衡放电路放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；当电池模组均衡参数Rii之间的差异小于设定值时，采用各电池模组内能量转移复合均衡的模式2，即，在主控制模块2和均衡控制模块12、……、 η2的控制下，使需要优先转移能量充电均衡的电池单元所在电池模组对应的模式控制开关 15 η5导通、使所述总线连接开关(17，18) (η7，η8)断开、电池模组的能量经各自对应的双向DOTC模块13、……、η3和开关矩阵11、……、nl对各自的需要优先转移能量充电均衡的电池单元进行同步、自动的电池模组内部能量转移式充电均衡，同时，利用放电均衡电路(141、142、……、14k)、……、(n41、n42、……、n4j)对所有需要均衡放电路放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；在放电均衡电路(141、142、……、14k)、……、 (n41、n42、……、n4j)故障的特殊情况下，采用模式3，S卩，在模式1、模式2中，禁止利用放电均衡电路的放电均衡；在双向DOTC模块故障13、……、n3或开关矩阵11、……、nl故障的特殊情况下，采用模式4，即仅利用放电均衡电路对电池单元进行放电均衡。实施例2 对于电池容量较小或对均衡时间要求不十分高的应用中，可不用实施例1中的采用各电池模组内能量转移复合均衡的模式2，以进一步简化均衡电路。为此，取消实施例1 中的双向DCDC模块13、……、n3与电池模组的连接电路及该连接电路中的电流方向限制器件16 η6、模块控制开关15 η5，且取消总线连接开关(17，18) (η7，η8)，禁止实施例1中的采用各电池模组内能量转移复合均衡的模式2，其他均同实施例1，在此不再赘述。实施例3 通过使各双向D⑶C模块13、……、η3间达到功率平衡，取消实施例1中的缓存能量的储能元件3，以进一步简化均衡电路，其他均同实施例1，在此不再赘述。实施例4 通过使各双向D⑶C模块13、……、η3间达到功率平衡，取消实施例2中的缓存能量的储能元件3，以进一步简化均衡电路，其他均同实施例2，在此不再赘述。同时，上述的串联电池组的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法还可用于串联超级电容组的均衡。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，包括根据串联电池组中电池单元数量而设置的η个电池单元能量双向转移复合型均衡模块、主控制模块、正均衡总线和负均衡总线；其中，η ^ 1，所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块对应一个由k 个串联的电池单元组成的电池模组，其中k > 1 ；所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块由开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC模块、k个放电均衡电路组成，且每个电池单元能量双向转移复合型均衡模块的内部各组件及其与外部模块间均具有相同的连接关系；所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块的开关矩阵的各输出端相互独立地分别与其对应的电池模组中的各电池单元的极柱相电路连接，且所述开关矩阵的输入端与所述双向DCDC 模块的第一输入输出端相电路连接，所述放电均衡电路分别连接在所述开关矩阵的相邻的两个输出端线路之间以与对应的电池单元并联，所述双向DCDC模块的第二输入输出端的正、负端分别与所述正均衡总线、负均衡总线相电路连接；在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述双向DCDC模块、开关矩阵、k个放电均衡电路均与所述均衡控制模块相电路连接并受所述均衡控制模块的控制；所述主控制模块与所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块的均衡控制模块之间相电路连接。
2.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，在所述双向DCDC模块的第二输入输出端与该模块对应的电池模组的正负端连接电路中设置有受均衡控制模块控制的模式控制开关和电流方向限制器件，所述模式控制开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器；在所述双向DCDC模块的第二输入输出端与正均衡总线、负均衡总线的连接电路中设置有受均衡控制模块控制的总线连接开关，所述总线连接开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器。
3.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述开关矩阵用于将其对应的电池模组中的任意一个需进行充电均衡的电池单元的正、负极柱分别选通连接到所述双向DCDC 模块的第一输入输出端的正、负端，其中，所述开关矩阵中的可控开关采用基于MOSFET的电子开关或继电器；所述放电均衡电路包括放电电阻和可控开关，所述可控开关采用基于 MOSFET的电子开关或继电器，所述放电均衡电路的数量不少于相应电池模组中电池单元的数量，并与其对应的电池单元并联。
4.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，在所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中，所述双向DCDC模块为隔离型双向直流-直流双向变换器，在其第一输入输出端、第二输入输出端还设置有防止电流过大、防止电压过高、防止电路短路的装置或电路。
5.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，所述主控制模块与所有均衡控制模块之间采用总线通信的方式进行电路连接。
6.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，所述主控制模块对所述电池模组均衡模块诊断保护，还具有电池组管理系统的上位控制器的如电池系统的电流采样、总电压采样、参数估计、高压电安全控制、热管理、故障诊断以及系统控制电源管理、CAN通讯的功能。
7.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，所述均衡控制模块还可具有电池组管理系统中下位控制器的电池单元电压采样、电池温度采样、电池热管理控制、电池参数估计、电池诊断保护、CAN通讯的功能，以及开关矩阵诊断及互锁控制、对双向DCDC模块及模式控制开关的诊断控制功能。
8.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC 模块、放电均衡电路、总线连接开关、电流方向限制器件和模式控制开关集成为一体或独立设置；所述均衡控制模块和主控制模块集成为一体或独立设置，或部分或全部集成在电池管理系统中的相应控制器中。
9.根据权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路，其特征在于，所述正均衡总线和负均衡总线间设置有用于缓存能量的储能元件。
10.一种采用权利要求1所述的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括如下步骤所述主控制模块负责判断均衡使能条件、均衡模式，制订均衡策略，并以均衡参数P的平均值为均衡目标T，其中，所述均衡参数P为串联电池组中电池单元的电压或SOC或电压与SOC的综合值；根据所述均衡目标T，每个均衡控制模块在其对应的电池模组中确定需要均衡放电路放电均衡的电池单元和需要优先转移能量充电均衡的电池单元、需要优先转移能量放电均衡的电池单元；当电池单元的均衡参数P与均衡目标T的差值小于设定值或所述均衡使能条件不满足时，禁止或退出均衡过程；分别计算电池模组均衡参数Pm，其为各电池单元能量双向转移复合型均衡模块对应的电池模组中的电池单元的均衡参数P的平均值；当所述电池模组均衡参数Rii之间的差异大于设定值时，采用电池模组间能量转移复合均衡的模式1，即，在所述主控制模块和均衡控制模块的控制下，使所述模式控制开关断开，使所述总线连接开关导通，将所有需要优先转移能量放电均衡的电池单元的电能分别经各自对应的所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的开关矩阵和双向DCDC模块自动、同步地转移到所述正均衡总线和负均衡总线，同时，分别经需要优先转移能量充电均衡的电池单元各自对应的所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块中的双向DCDC模块和开关矩阵从所述正均衡总线和负均衡总线自动、同步地转移到所有需要优先转移能量充电均衡的电池单元，同时，利用所述放电均衡电路对所有需要均衡放电路放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；当电池模组均衡参数Rii之间的差异小于设定值时，采用各电池模组内能量转移复合均衡的模式2，S卩，在所述主控制模块和均衡控制模块的控制下，使需要优先转移能量充电均衡的电池单元所在电池模组对应的模式控制开关导通、总线连接开关断开、电池模组的能量经各自对应的双向DCDC模块和开关矩阵对各自的需要优先转移能量充电均衡的电池单元进行同步、自动的充电均衡，同时，利用所述放电均衡电路对所有需要放电均衡的电池单元进行同步、自动的放电均衡；在放电均衡电路故障的特殊情况下，采用模式3，即，在模式1、模式2中，禁止利用所述放电均衡电路的放电均衡；在所述双向DCDC模块故障、开关矩阵故障的特殊情况下，采用模式4，即仅利用放电均衡电路对电池单元进行放电均衡。
全文摘要
一种串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法，包括根据串联电池组中电池单元数量而设置的n个电池单元能量双向转移复合型均衡模块、主控制模块和均衡总线；其中，n≥1，所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块对应一个由k个串联的电池单元组成的电池模组，其中k＞1；所述电池单元能量双向转移复合型均衡模块由开关矩阵、均衡控制模块、双向DCDC模块、k个放电均衡电路和模式控制开关组成。本发明的串联电池组的能量同步转移复合型自动均衡电路及均衡方法可靠性高、成本低、体积小、重量轻、功能全面、易于规模化、产业化制造和应用，可用于如电动汽车、轨道交通、风力发电等需要使用串联电池组、电容组的领域。
文档编号H02J7/00GK102437609SQ201110418428
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月14日 优先权日2011年12月14日
发明者杨林, 羌嘉曦 申请人:上海交通大学