CN102684259A

CN102684259A - 一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统及其方法

Info

Publication number: CN102684259A
Application number: CN2012101371866A
Authority: CN
Inventors: 夏超英; 刘红锐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明公开了一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统，包括设置在上桥臂的A组功率开关和设置在下桥臂的B组功率开关及一电感L组成的桥式电路；以电感L为储能元件，通过开关控制使均衡电流在电池组的放电回路与单体电池的充电回路之间进行切换，从而实现能量从整个电池组向被均衡的低压单体电池转移。对均衡电流进行闭环PI调节，通过对电池组的上下两固定开关的PWM控制，实现均衡电流恒定且可控的控制策略。本发明系统的原理电路简单，利用该系统对均衡电流的控制能力强，均衡效率达80%以上。本发明可广泛应用于电动车辆和储能装置中的电池组均衡系统中。

Description

一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种高时效的电池组非能耗恒流均衡方案，适合于各种电动车辆包括混合动力车辆、纯电动车辆、电动自行车，以及储能装置中的电池组的均衡系统。

背景技术

随着环境污染和能源危机的加剧，以蓄电池为动力源或辅助能源的各种电动车的发展成为必然。下面以锂电池为例进行说明。单体锂离子电池的标称电压最高为3.6v，使用中需要多个单体电池串联。单体电池的过充电或过放电都将影响电池单体及电池组的使用寿命，甚至发生爆炸事故，因此在多个单体电池串联使用时，不允许任何单体电池出现过放电和过充电的状态。由于各个单体电池性能的差异，在使用过程中就会出现单体端电压或单体电池的荷电状态（SOC）的不一致，在很大程度上影响到了电池组的性能和使用寿命。为了使电池组的容量得到有效、安全、健康的使用，对串联使用的单体电池采取积极有效的均衡措施是电池管理系统的关键技术。

均衡的时效性体现在均衡速度和均衡效率两方面。均衡速度描述了电池组各单体电池达到均衡所用的时间；均衡效率则描述了均衡过程中能量的有效利用率。目前，电池组均衡有多种设计方案，从能量转移时的能量消耗特性区分为能耗型均衡和非能耗型均衡两种。非能耗均衡方案以电容或电感作为储能元件，通过开关器件使能量在单体电池之间或单体电池与电池组之间进行转移。由于电池单体电压只有几伏，对电池组中的低压单体电池充电时功率开关器件压降带来的损耗相对所占比例明显。现阶段均衡方案对均衡电流的控制能力弱，在均衡过程中大部分能量被开关器件损耗掉，均衡效率普遍较低，与电阻能耗型均衡方案相比优势不明显，且电路复杂。

发明内容

针对上述现有技术，为解决非能耗均衡方案均衡效率低的问题，本发明提供了一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统，该系统电路简单，利用该系统对均衡电流的控制能力强，均衡效率达80%以上。

为了解决上述技术问题，本发明一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统予以实现的技术方案是：包括设置在上桥臂的A组功率开关和设置在下桥臂的B组功率开关及一电感L组成的桥式电路；电池组包括N个单体电池，所述A组功率开关由功率开关A1、功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1构成，所述B组功率开关由功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN、功率开关BN+1构成；所述功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1和功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN均分别串联有一肖特基二极管；所述功率开关采用电力场效应晶体管。

本发明一种高时效的电池组非能耗恒流均衡方法是:采用PI调节器对均衡电流进行闭环控制，使PI调节器产生的PWM驱动信号驱动电池组放电回路的功率开关A1和功率开关BN+1，而使电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第i个电池的充电回路中的功率开关Ai+1和功率开关Bi一直处于开通的状态，其中i≤N，通过PI调节器设定均衡电流的大小，实现均衡电流恒定且可控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明系统的原理电路简单，采用电流闭环控制，均衡电流恒定，且均衡电流值可灵活调整，均衡效率高。使用时，只需设定PWM的频率和合适的均衡电流值，而在均衡过程中不需要PWM驱动脉冲的分配，只有电池组的两个固定的电力场效应晶体管（MOS管）需要此PWM驱动脉冲，被均衡的低压单体电池的两MOS管采用电平控制，这样既降低了开关损耗又使功率开关器件的控制电路简单化。恒流控制策略及器件的选型使该方案的均衡效率得到了大幅度提高。

附图说明

图1是本发明高时效的电池组非能耗恒流均衡系统原理图；

图2是本发明均衡系统均衡电流控制策略框图；

图3是6个单体电池串联的一均衡电路原理图；

图4是图3所示均衡电路均衡过程中的主要波形图；

图5是图3所示均衡电路均衡过程中各单体电池的荷电状态SOC曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统，包括设置在上桥臂的A组功率开关和设置在下桥臂的B组功率开关及一电感L组成的桥式电路；电池组包括N个单体电池，所述A组功率开关由功率开关A1、功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1构成，所述B组功率开关由功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN、功率开关BN+1构成；所述功率开关采用电力场效应晶体管（MOS管），为了防止电池通过电力场效应晶体管发生短路，所述功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1和功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN均分别串联有二极管，考虑到肖特基二极管的导通压降低、开关速度快，故选用肖特基二极管作为MOS管的串联二极管。

本发明系统以电感L作为储能元件，通过功率开关切换使能量从整个电池组向低压单体电池转移。均衡时，只需对与电池组相连的上下两个MOS管进行脉冲宽度调制（PWM）控制，而电池组中具有最低端电压或者最小荷电状态SOC的单体电池的上下两个MOS管一直处于开通状态。当电池组的两开关导通时，电感L储能；当电池组的两开关断开时，低压单体电池的两开关导通，此时能量由电感L向低压单体电池转移。通过开关控制均衡电流在电池组的放电回路与单体电池的充电回路之间进行切换，从而实现能量从整个电池组向被均衡的低压单体电池转移。

本发明系统采用PI调节器对均衡电流进行闭环控制，使PI调节器产生的PWM驱动信号驱动电池组放电回路的功率开关A1和功率开关BN+1，而使电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第i个电池的充电回路中的功率开关Ai+1和功率开关Bi一直处于开通的状态，其中i≤N，通过PI调节器设定均衡电流的大小，实现均衡电流恒定且可控。在实际应用时，可以根据所用电池的额定容量以及电池的工作状态（充电，放电，静止）设置合适的均衡电流值。

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，N表示单体电池的数目，即电池组由N个单体电池串联组成，Cell即为单体锂离子电池。均衡电路如图1中的虚线框所示，由分别设置在上桥臂和下桥臂的两组电力场效应晶体管（MOS管）开关A和B以及电感L组成，除了A1和BN+1之外的MOS管均都分别串联了肖特基二极管，如图1中的DN2、DN3、DN4、……、DNN+1和DS1、DS2、DS2、DS3、……、DSN所示，i_L为电感电流，同时也是均衡电流，其方向在图1中箭头标出，当然，使用时可灵活地选择串联单体电池的数目。

图2是本发明系统均衡电流的闭环控制策略框图，其中，i^*为给定均衡电流，PI为比例积分调节器，其输出与等腰三角波进行比较产生驱动电池组的两个功率开关A1和BN+1的PWM信号，PWM驱动信号的频率即等腰三角波的频率（提前设置）。这样调节i^*就可实现均衡电流的大小可控，通过电流闭环就可使i_L=i^*，从而通过图2可实现均衡电流恒定且可控。

为了方便描述本发明中均衡电路的工作原理，选6个单体电池串联组成电池组，电路如图3所示。假设单体锂离子电池Cell6的SOC值最小，则能量将在整个电池组与单体锂离子电池Cell6间转移，图中带有一箭头的实线为整个电池组的放电回路，按照箭头指示方向顺次经过整个电池组、上桥臂的MOS管A1、电感L、下桥臂的MOS管B7，此时电感L储能；图中带有一个箭头的虚线代表对单体锂离子电池Cell6的充电回路，依次经过电感L、下桥臂的二极管DS6和MOS管B6、单体锂离子电池Cell6、上桥臂的肖特基二极管DN7和MOS管A7，此时能量由电感L向单体锂离子电池Cell6转移。

在图4中，A7B6表示MOS管A7与MOS管B6的驱动信号，由于单体锂离子电池Cell6具有最小的荷电状态SOC，因此处在单体锂离子电池Cell6充电回路中的开关A7和开关B6一直处在开通（on）状态，而处在电池组放电回路中的MOS管A1和MOS管B7的驱动信号为PWM波，如图4中的A1B7曲线即为PWM波形，其中，“on”与“off”表示开关的状态即开通和关断。i_L为电感电流波形，其平均值即为给定电流i^*，i^cell6为单体锂离子电池Cell6的电流，大于零的部分代表单体锂离子电池Cell6即整个电池组的放电电流，小于零的部分代表单体锂离子电池Cell6的充电电流。

在图5中，SOC1、SOC2、SOC3、SOC4、SOC5、SOC6分别代表6个单体锂离子电池的荷电状态SOC，均衡过程中，单体锂离子电池Cell6的荷电状态SOC上升，其他单体锂离子电池的荷电状态SOC减小，这样电池组各单体锂离子电池荷电状态SOC的差异减小，并且单体锂离子电池Cell6的荷电状态SOC上升幅度比较明显，可见其均衡效率高。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims

1.一种高时效的电池组非能耗恒流均衡系统，其特征在于，

包括设置在上桥臂的A组功率开关和设置在下桥臂的B组功率开关及一电感L组成的桥式电路；

电池组包括N个单体电池，所述A组功率开关由功率开关A1、功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1构成，所述B组功率开关由功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN、功率开关BN+1构成；

所述功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN、功率开关AN+1和功率开关B1、功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN均分别串联有一肖特基二极管；

所述功率开关采用电力场效应晶体管。

2.一种高时效的电池组非能耗恒流均衡方法，其特征在于，实现如权利要求1所述高时效的电池组非能耗恒流均衡系统的方法是:采用PI调节器对均衡电流进行闭环控制，使PI调节器产生的PWM驱动信号驱动电池组放电回路的功率开关A1和功率开关BN+1，而使电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第i个电池的充电回路中的功率开关Ai+1和功率开关Bi一直处于开通的状态，其中i≤N，通过PI调节器设定均衡电流的大小，实现均衡电流恒定且可控。