CN103199588A

CN103199588A - 基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器及其控制方法

Info

Publication number: CN103199588A
Application number: CN2013101195515A
Authority: CN
Inventors: 夏超英; 刘红锐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2013-07-10

Abstract

本发明公开了一种高时效的电池组斜坡电流均衡系统，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；A组和B组开关器件均采用全控型单向功率开关器件；以电感L为储能元件，通过开关控制使均衡电流在在电池组中的高电压单体组电池的放电回路与低电压的单体电池的充电回路之间进行切换，从而实现能量从高电压单体电池向低电压单体电池转移。均衡期间，两个回路中的四个功率开关器件，只对其中一个进行PWM控制，其余三个功率器件一直处于导通状态，两回路中的电流均为可控的斜坡电流。本发明原理电路简单，对均衡电流的控制能力强，均衡效率高。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

基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器，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。为了提高电池组的储能和有效使用的容量以及延长电池的使用寿命，必须对串联单体蓄电池采取积极有效的均衡措施。

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，本发明提供了一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡系统，该系统电路简单，对均衡电流的控制能力强，均衡效高。

为了解决上述技术问题，本发明一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器予以实现的技术方案是：该均衡器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A1、功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN和功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN、功率开关BN+1均采全控型单向功率开关器件。

进一步讲，所述全控型单向功率开关器件选自于如电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT中的任一种。

实现上述基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器的控制方法包括:

均衡期间使能量从电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的第i个电池Celli向电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第j个电池Cellj转移，其中i≠j，i≤N，j≤N，从而使两电池的充放电电流为可控的斜坡电流；当均衡期间的能量从电池Celli向电池Cellj转移过程中，如果i<j，则对功率开关Bi进行PWM控制，同时使功率开关Ai+1、Aj、Bj+1始终处于导通状态；如果i>j，则对功率开关Ai+1进行PWM控制，同时使功率开关Bi、Aj、Bj+1始终处于导通状态；可控的斜坡电流包括：电池Celli的放电电流为从零上升的斜坡电流和电池Cellj的充电电流为下降到零的斜坡电流，通过改变PWM信号的占空比来调节斜坡电流的大小，以实现斜坡电流的可控。

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，功率开关选择灵活，均衡电流为斜坡电流，且均衡电流值可灵活调整，均衡效率高。使用时，只需设定PWM的频率和合适的占空比，均衡过程中只有与被均衡的两单体电池相关的四个功率开关器件中的一个开关器件需要PWM驱动脉冲，其余三个功率开关器件一直处于导通状态，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。

附图说明

图1是本发明基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡系统原理图；

图2是采用MOSFET时的串联蓄电池斜坡电流均衡原理图；

图3是采用MOSFET时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两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，本发明一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器，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A组功率开关和B组功率中的所有开关器件均可以采用全控型单向功率器件，比如电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT等，如何根据实际使用的电池类型和每组中的电池数目来选择合适的开关器件，是本技术领域内的公知常识，在此不再赘述。图1中开关器件上所标箭头方向即为导通时的电流方向。

实现本发明一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器的控制方法包括：均衡期间使能量从电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的第i个电池Celli向电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第j个电池Cellj转移，其中i≠j，i≤N，j≤N，从而使两电池的充放电电流为可控的斜坡电流；当均衡期间的能量从电池Celli向电池Cellj转移过程中，如果i<j，则对功率开关Bi进行PWM控制，同时使功率开关Ai+1、Aj、Bj+1始终处于导通状态；如果i>j，则对功率开关Ai+1进行PWM控制，同时使功率开关Bi、Aj、Bj+1始终处于导通状态；其中，可控的斜坡电流是指：电池Celli的放电电流为从零上升的斜坡电流和电池Cellj的充电电流为下降到零的斜坡电流，通过改变PWM信号的占空比来调节斜坡电流的大小，以实现斜坡电流的可控。

本发明中以电感L作为储能元件，通过功率开关切换使能量从电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的单体电池向电池组中具有最低荷电状态或者最低端电压的单体电池转移。均衡时，与被均衡的两单体电池相关的四个功率开关器件，只需对其中一个开关器件进行PWM控制，其余三个功率开关器件一直处于导通状态。当电池组中的高电压单体电池的两开关导通时，高电压单体电池放电，电感L储能；当电池组中的低电压单体电池的两开关导通时，低电压单体电池充电，电感L释放能量。通过开关控制均衡电流在高电压单体电池的放电回路与低电压单体电池的充电回路之间进行切换，其充放电回路中的电流均为可控的斜坡电流，最终实现能量从电池组中的高电压单体电池向电池组中的低电压单体电池转移。在实际应用时，可以根据所用各单体电池的荷电状态不一致程度，通过选择占空比来选择合适的斜坡电流的最大值。

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，Celli即为单体锂离子电池。均衡电路模块如图1中的虚线框所示，由分别设置在上桥臂和下桥臂的两组功率开关A和B以及电感L组成，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。

如图2所示，采用电力场效应晶体管MOSFET作为两组功率开关器件的均衡电路原理图。为了便于驱动，A组功率开关采用P沟道型增强型电力场效应晶体管MOSFET，B组功率开关采用N沟道增强型型电力场效应晶体管MOSFET。由于MOSFET本身存在寄生的体二极管，为了防止电池通过其体二极管发生短路，除了AN+1和B1之外的MOS管均都分别串联了二极管，如图2中的DP1、DP2、DP3、……、DPN和DN2、DN3、DN4、……、DNN+1所示，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。当然如果采用无反向并联体二极管的全控型器件，就不需要再额外串联二极管。

为了方便描述本发明中均衡器的工作原理，选6个（即N=6）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Cell1的SOC值最大，而电池Cell3的SOC值最小，即i=1，j=3，均衡时能量由单体电池Cell1向单体电池Cell3转移，由于i<j，则需对功率开关B1进行PWM控制，同时使功率开关A2、A3、B4始终处于导通状态。图3中带有一箭头的实线为单体电池Cell1的放电回路，按照箭头指示方向顺次经过单体电池Cell1、下桥臂的MOS管B1、电感L、上桥臂的MOS管B2和肖特基二极管DP2、，此时电感L储能；图3中带有一个箭头的虚线代表对单体电池Cell3的充电回路，按照箭头指示方向依次经过下桥臂的二极管DN4和MOS管B4、电感L、上桥臂的MOS管A3和肖特基二极管DP3、单体电池Cell3，此时能量由电感L向单体电池Cell3转移。

由于i=1，j=3，则均衡时能量由单体电池Cell1向单体电池Cell3转移，又因为由于i<j，则需对功率开关Bi（即B1）进行PWM控制，同时使功率开关Ai+1（即A2）、Aj（即A3）、Bj+1（即B4）始终处于导通状态。在图4中，u_B1、u_A2、u_A3、u_B4分别表示MOS管B1、A2、A3和B4的电压驱动信号，故MOS管B1的电压驱动信号为PWM信号，而MOS管A2、A3和B4一直处于导通状态，故其驱动信号为一常值电压，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。i₁为电池Cell1的放电电流波形，从图3中可看出它为从零上升到i_max的斜坡电流。i₂为电池Cell3的充电电流波形，同样从图3中可看出它从i_max下降到零的斜坡电流。i_max为斜坡电流的最大值，可通过PWM信号的占空比来调节i_max的大小，即通过改变PWM信号的占空比来调节斜坡电流的大小，以实现斜坡电流的可控。

单体电池Cell1和单体电池Cell3的初始SOC值分别为82%和80%，设定好PWM驱动信号的频率和合适的占空比，在MATLAB环境下进行了均衡实验，均衡过程中两单体电池的SOC变化曲线如图5所示，SOC1、SOC3分别代表电池Cell1和单体电池Cell3的荷电状态SOC的变化曲线。均衡过程中，单体电池Cell1的荷电状态SOC下降，单体电池Cell3的荷电状态SOC上升，经过一段均衡时间，两单体电池的SOC基本相等，此时完成电池组中的单体电池Cell1和单体电池Cell3的均衡。这样对电池组中的其它成对的高电压单体和低电压单体电池进行均衡，最终实现电池组中的各单体电池的SOC值或端电压趋于一致。

图3中，如果单体锂离子电池Cell3的SOC值最大，而电池Cell1的SOC值最小，此时i=3，j=1，其控制方法按照i>j的情况实施，即均衡时能量由单体电池Celli（即Cell3）向单体电池Cellj（即Cell1）转移，此时需对功率开关Ai+1（即A4）进行PWM控制，同时使功率开关Bi（即B3）、Aj（即A1）、Bj+1（即B2）始终处于导通状态，则MOS管B3、A1和B2的电压驱动信号、MOS管A4的电压驱动信号、电感电流i_L、单体电池Cell3的放电电流波形、单体电池Cell1的充电电流波形分别与图4各波形从上到下依次对应。图4中单体电池Cell3的放电电流i₁为从零上升的斜坡电流，而单体电池Cell1的充电电流i₂为下降到零的斜坡电流，通过改变PWM信号（即A4的驱动信号）的占空比来调节斜坡电流的大小，以实现斜坡电流的可控。

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

1.一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器，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A1、功率开关A2、功率开关A3、功率开关A4、……、功率开关AN和功率开关B2、功率开关B3、功率开关B4、……、功率开关BN、功率开关BN+1均采全控型单向功率开关器件。

2.根据权利要求1所述基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器，其特征在于，所述全控型单向功率开关器件选自于如电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT中的任一种。

3.一种基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器的控制方法，其特征在于，

实现如权利要求1所述基于桥式电路的串联蓄电池斜坡电流均衡器串的控制包括:

均衡期间使能量从电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的第i个电池Celli向电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第j个电池Cellj转移，其中i≠j，i≤N，j≤N，从而使两电池的充放电电流为可控的斜坡电流；

当均衡期间的能量从电池Celli向电池Cellj转移过程中，

如果i<j，则对功率开关Bi进行PWM控制，同时使功率开关Ai+1、Aj、Bj+1始终处于导通状态；

如果i>j，则对功率开关Ai+1进行PWM控制，同时使功率开关Bi、Aj、Bj+1始终处于导通状态；

可控的斜坡电流包括：电池Celli的放电电流为从零上升的斜坡电流和电池Cellj的充电电流为下降到零的斜坡电流，通过改变PWM信号的占空比来调节斜坡电流的大小，以实现斜坡电流的可控。