CN103633691A - 半桥zvs电池串均衡电路及其控制方法 - Google Patents

半桥zvs电池串均衡电路及其控制方法 Download PDF

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张波
付坚
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Abstract

本发明提供半桥ZVS电池串均衡电路及其控制方法。所述半桥ZVS电池串均衡电路包括n个电流型半桥和n绕组变压器；每个电流型半桥各自连接有一个电池单体，所有电池单体串联连接形成电池串，电池单体的个数为n；n绕组变压器的每一绕组各自与一个所述电流型半桥连接；n是大于或等于2。所述控制方法采用1/2脉宽的方波信号对每个电流型半桥电路进行移相控制，以固定相位的1/2脉宽的方波为参考信号。本发明提供半桥ZVS电池串均衡电路，与能量消耗均衡技术相比，具有能耗低的优势；与现在能量转移均衡技术相比，控制简单，损耗低，效率高。

Description

半桥ZVS电池串均衡电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及电池均衡技术领域，具体涉及半桥ZVS电池串均衡电路及其控制方法，本发明同样适用于超级电容的均衡。
背景技术
随着电力系统储能及电动汽车行业的发展，串联电池组得到广泛的使用，特别是动力电池组，串联的电池单体个数越来越多，容量越来越大。由于工艺条件限制，在经过多次充、放电循环之后，电池单体的容量差异会愈来愈明显，电池之间会产生较大的电压差，使串联电池组总的有效容量减小，影响电池组的使用性能和寿命。
电池均衡方法分为两类，一是能量消耗法，通过耗能电路使电压高的单体电池电压下降，直到和电压最低的单体电池一致。该方法结构简单，但能耗较大，均衡速度慢，效率低。二是能量转移法，通过电感或电容储能元件把电压高的单体电池电能转移到电压低的单体电池中，最终使两者电压趋于一致。目前，能量转移法主要应用DC-DC变换技术，控制电感、电容实现能量过渡，达到对电池单体补电或放电的目的。现有的基于DC-DC变换技术的电池均衡电路主要有两点不足，一是软开关较难实现，导致开关损耗很大；二是均采用PWM控制，对于数量庞大的开关管的控制非常复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出半桥ZVS电池串均衡电路及其控制方法。
本发明采用的技术方案是：所述半桥ZVS电池串均衡电路包括n个电流型半桥和n绕组变压器，称为第1种电池串均衡电路。每个电流型半桥各自连接有一个电池单体，所有电池单体串联连接形成电池串，电池单体的个数为n，n绕组变压器的每一绕组各自与一个所述电流型半桥连接；n个电流型半桥的元件参数相同，n绕组变压器的每个绕组的匝数和漏感相同。
所述半桥ZVS电池串均衡电路还包括第n+1个电流型半桥和第n+1个绕组，第2种电池串均衡电路。所述第n+1个电流型半桥与所述电池串的两端连接，第n+1个绕组与所述第n+1个电流型半桥连接；连接所述电池串的第n+1个电流型半桥的元件参数归算到每个所述电池单体侧后的元件参数与每个电池单体所连接的电流型半桥的元件参数相同；所述第n+1个绕组的匝数和漏感是每个所述电池单体侧的绕组的匝数和漏感的n倍。
每个电流型半桥由第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容和电感组成；其中，第一二极管和第二二极管分别反并联在第一开关管和第二开关管上，第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连；第一电容的阴极与第二电容的阳极相连，第一电容的阳极与第一开关管的漏极相连，第二电容的阴极与第二开关管的源极相连；电感的一端与第一开关管的源极相连，另一端与第二开关管的源极构成电流型半桥的一个端口；第一开关管的源极与第一电容的阴极构成电流型半桥的另一个端口电感Ldc连接所述电池单体或电池串，实现电流型的输入输出。
每个电流型半桥中开关管的结电容与该电流型半桥所连接的绕组的漏感构成谐振电路，实现该电流型半桥中各开关管的ZVS开通。
所述第1种电池串均衡电路中，采用1/2脉宽的方波信号对每个电流型半桥电路进行移相控制，以固定相位的1/2脉宽的方波为参考信号，对电压大于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行超前控制，对电压小于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行滞后控制，超前与滞后相位均采用固定值。
所述第2种电池串均衡电路中，采用1/2脉宽的方波信号对每个电流型半桥电路进行移相控制，以固定相位的1/2脉宽的方波为参考信号，对电压大于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行超前控制，对电压小于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行滞后控制，超前与滞后相位均采用固定值；同时使用所述参考信号控制与电池串连接的电流型半桥的桥臂。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明提供半桥ZVS电池串均衡电路，与能量消耗均衡技术相比，具有能耗低的优势；与现在能量转移均衡技术相比，控制简单，同时实现各开关管的ZVS开通，损耗低，效率高。所述第2种电池串均衡电路，可以同时实现电池单体-电池单体、电池单体-电池串和电池串-电池单体的能量转移，缩短了均衡时间。
附图说明
图1a、图1b分别是本发明的半桥ZVS电池串均衡电路中的第1种电池串均衡电路和第2种电池串均衡电路；
图2a、图2b分别是图1a或图1b所示半桥ZVS电池串均衡电路的电流型半桥与多绕组变压器；
图3是图1a或图1b所示半桥ZVS电池串均衡电路中等效的双半桥双向DC-DC变换器；
图4是图1a或图1b所示半桥ZVS电池串均衡电路中各电流型半桥的控制信号发生原理；
图5a、图5b分别是图1a、图1b所示半桥ZVS电池串均衡电路的功率流图；
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。但本发明的实施不限于此。
参考图1a，本发明的半桥ZVS电池串均衡电路中的第1种电池串均衡电路包括n个电流型半桥和n绕组变压器。每个电流型半桥各自连接有一个电池单体，所有电池单体串联连接形成电池串，电池单体的个数为n，n绕组变压器的每一绕组各自与一个所述电流型半桥连接；n个电流型半桥的元件参数相同，n绕组变压器的每个绕组的匝数和漏感相同。
参考图1b，本发明的半桥ZVS电池串均衡电路中的第2种电池串均衡电路，还包括第n+1个电流型半桥和第n+1个绕组。所述第n+1个电流型半桥与所述电池串的两端连接，第n+1个绕组与所述第n+1个电流型半桥连接；连接所述电池串的第n+1个电流型半桥的元件参数归算到每个所述电池单体侧后的元件参数与每个电池单体所连接的电流型半桥的元件参数相同；所述第n+1个绕组的匝数和漏感是每个所述电池单体侧的绕组的匝数和漏感的n倍。
参考图2a，每个电流型半桥由第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容C1、第二电容C2和电感Ldc组成。其中，第一二极管D1和第二二极管D2分别反并联在第一开关管S1和第二开关管S2上，第一开关管S1的源极与第二开关管S2的漏极相连；第一电容C1的阴极与第二电容C2的阳极相连，第一电容C1的阳极与第一开关管S1的漏极相连，第二电容C2的阴极与第二开关管S2的源极相连；电感Ldc的一端与第一开关管S1的源极相连，另一端与第二开关管S2的源极构成电流型半桥的端口Port1；第一开关管S1的源极与第一电容C1的阴极构成电流型半桥的端口Port2。电感Ldc连接所述电池单体或电池串，实现电流型的输入输出。通过对桥臂的控制，可以实现电流型半桥中功率流双向流动。
参考图2b，所述第1种电池串均衡电路中n绕组变压器的端口Port1至端口Port n各自与一个与所述电池单体相连的电流型半桥连接；所述第2种电池串均衡电路中n+1绕组变压器的端口Port1至端口Port n各自与一个与所述电池单体相连的电流型半桥连接，端口Port n+1与一个与所述电池串相连的电流型半桥连接。多绕组变压器的每个端口连接电流型半桥，等效地与存在相位差的1/2脉宽的各方波电压源相连，多绕组变压器的漏感是传递功率的元件，功率从方波电压相位超前的端口传递到方波电压滞后的端口，即通过移相控制可以实现功率在多绕组变压器各端口间的相互流动。
参考图3，多绕组变压器任两个端口的电流型半桥等效为双半桥双向DC-DC变换器，通过控制两个半桥桥臂的超前与滞后，实现功率的双向流动。开关管S1、S2的结电容Cs1、Cs2和开关管S3、S4的结电容Cs3、Cs4分别与变压器漏感Ls1+Ls2构成谐振电路，实现开关管S1、S2、S3、S4的ZVS开通。
参考图4，所述第1种电池串均衡电路，以1/2脉宽的方波信号Vgb作为参考信号，以开关周期为采用周期采样每个电池单体的电压Vb1、Vb2、?Vbn，求其平均电压
Figure BDA0000414197140000061
每个电池单体电压Vbi与平均电压Vbav进行比较，对于电压Vbi大于平均电压Vbav的电池单体，使用比参考信号Vgb超前相位φ的方波信号Vgi控制连接该电池单体的电流型半桥桥臂；对于电压Vbi等于平均电压Vbav的电池单体，使用参考信号Vgb控制连接该电池单体的电流型半桥桥臂；对于电压Vbi小于平均电压Vbav的电池单体，使用比参考信号Vgb滞后相位φ的方波信号Vgi控制连接该电池单体的电流型半桥桥臂。所述第2种电池串均衡电路，使用参考信号Vgb控制连接电池串的电流型半桥桥臂，连接各电池单体的电流型半桥桥臂控制信号的产生原理与所述第1种电池均衡电路完全相同。
根据图4的分析，所述第1种电池串均衡电路中，对于电压大于电池串平均电压的电池单体采用超前桥臂，对于电压小于电池串平均电压的电池单体采用滞后桥臂，功率从电压大于平均电压的电池单体流向电压小于电池串平均电压的电池单体，即实现电池单体-电池单体的能量转移，经过若干个开关周期后，每个电池单体的电压趋向电池串的平均电压，参考图5a。
所述第2种电池串均衡电池中，对于电压大于电池串平均电压的电池单体采用超前桥臂，对于电压小于电池串平均电压的电池单体采用滞后桥臂，对于连接电池串的电流型半桥采用参考桥臂，功率从电压大于电池串平均电压的电池单体流向电池串和电压小于电池串平均电压的电池单体，同时功率从电池串流向电压小于电池串平均电压的电池单体，即实现电池单体-电池单体、电池单体-电池串、电池串-电池单体的能量转移，经过若干个开关周期后，各电池单体的电压趋向电池串的平均电压，参考图5b。

Claims (10)

1.半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：包括n个电流型半桥和n绕组变压器；每个电流型半桥各自连接有一个电池单体，所有电池单体串联连接形成电池串，电池单体的个数为n；n绕组变压器的每一绕组各自与一个所述电流型半桥连接；n是大于或等于2。
2.根据权利要求1所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：还包括第n+1个电流型半桥和第n+1个绕组，所述第n+1个电流型半桥与所述电池串的两端连接，第n+1个绕组与所述第n+1个电流型半桥连接。
3.根据权利要求1或2所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：每个电流型半桥由第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第一电容（C1）、第二电容（C2）和电感（Ldc）组成；其中，第一二极管（D1）和第二二极管（D2）分别反并联在第一开关管（S1）和第二开关管（S2）上，第一开关管（S1）的源极与第二开关管（S2）的漏极相连；第一电容（C1）的阴极与第二电容（C2）的阳极相连，第一电容（C1）的阳极与第一开关管（S1）的漏极相连，第二电容（C2）的阴极与第二开关管（S2）的源极相连；电感（Ldc）的一端与第一开关管（S1）的源极相连，另一端与第二开关管（S2）的源极构成电流型半桥的一个端口；第一开关管（S1）的源极与第一电容（C1）的阴极构成电流型半桥的另一个端口。
4.根据权利要求1所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：n个电流型半桥的元件参数相同。
5.根据权利要求2所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：连接所述电池串的第n+1个电流型半桥的元件参数归算到每个所述电池单体侧后的元件参数与每个电池单体所连接的电流型半桥的元件参数相同。
6.根据权利要求1所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：n绕组变压器的每个绕组的匝数和漏感相同。
7.根据权利要求2所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：所述第n+1个绕组的匝数和漏感是每个所述电池单体侧的绕组的匝数和漏感的n倍。
8.根据权利要求1或2所述的半桥ZVS电池串均衡电路，其特征在于：每个电流型半桥中开关管的结电容与该电流型半桥所连接的绕组的漏感构成谐振电路，实现该电流型半桥中各开关管的ZVS开通。
9.用于权利要求1所述的半桥ZVS电池串均衡电路的控制方法，其特征在于采用1/2脉宽的方波信号对每个电流型半桥电路进行移相控制，以固定相位的1/2脉宽的方波为参考信号，对电压大于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行超前控制，对电压小于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行滞后控制，超前与滞后相位均采用固定值。
10.用于权利要求2所述的半桥ZVS电池串均衡电路的控制方法，其特征在于采用1/2脉宽的方波信号对每个电流型半桥电路进行移相控制，以固定相位的1/2脉宽的方波为参考信号，对电压大于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行超前控制，对电压小于电池串平均电压的电池单体所连接的电流型半桥进行滞后控制，超前与滞后相位均采用固定值；同时使用所述参考信号控制与电池串连接的电流型半桥的桥臂。
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