CN103647329A - 一种二级均衡充电系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二级均衡充电系统及其应用。一种二级均衡充电系统，第一级均衡模块采用多绕组变压器磁性模型，第二级均衡模块采用改进的多原边绕组DC-DC均衡模型；一种所述二级均衡充电系统在混合动力汽车蓄电池组上的应用，将混合动力汽车蓄电池组进行多级分组，然后对电池组进行逐级控制。本发明提供的二级均衡充电系统均衡速度快，电压一致性好，适用于混合动力汽车车载蓄电池比较大的场合，具有均衡效果较好、充电效率较高、系统扩展性强等优势，在节能与新能源汽车领域有着很好的应用前景。

Description

一种二级均衡充电系统及其应用

技术领域

本发明属于节能与新能源汽车领域，涉及到一种二级均衡充电系统及其应用。

背景技术

随着能源问题的紧张，从长远来看，混合动力汽车是未来的发展趋势，并且混合型动力车被认为是目前最具有前景的车型，所以混合动力车型将是未来新能源汽车的主流。由于电池能源较汽油能源来说能量密度低，续航能力较差，所以对电池的循环充电就下显得特别重要，充电过程中的不均衡现象，会使得有的电池过充。而有的电池处于欠充的状态，这样对电池的寿命有很大的影响。

因此，为了减小串联电池组的电池不均衡性，必须在电池充放电过程中对电池组进行均衡控制。在各种均衡方案中，均衡控制技术可以分为耗散型均衡扩散和非耗散型均衡两种：耗散型均衡方法控制简单，但是会有能量损耗；非耗散型均衡中放电双向均衡方法的控制电路过于复杂而不易实现。采用基于原边绕组的均衡方案，这样的方法均衡效率高，成本也较低，并且可以用于串联较多电池的电池组，但是在均衡的过程中因为绕组的匝数很难做到一致，所以均衡存在不一致，因此实际运用还存在一定困难。DC变换器的均衡效率高，并且一致性高，唯一存在的问题就是在电池较多时，成本太高，

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种二级均衡充电系统及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种二级均衡充电系统，包括采用多绕组变压器磁性模型的第一级均衡模块和采用改进的多原边绕组DC-DC均衡模型的第二级均衡模块；所述的多绕组变压器磁性模型包括多个电池和多个电池均衡模块。

所述的电池均衡模块由一个用于储能的等效磁性电感、一个二极管、一个作为电池均衡开关的功率MOSFET和一个作为能量转换设备的中心抽头绕组组成。

所述的改进的多原边绕组DC-DC均衡模型，每个原边绕组上都设有一个反激式DC-DC转换器，所有的原边绕组串联耦合，每个原边绕组都设有单独的充电控制开关。

上述二级均衡充电系统在混合动力汽车蓄电池组上的应用。

一种二级均衡充电系统在混合动力汽车蓄电池组上的应用方式，首先将整个串联的电池组平均分组，然后将每组电池平均分成子组，首先对每个子组进行均衡，均衡结束后，再对每个组进行均衡。

本发明分析了电池组不均衡的客观原因以及导致不均衡扩大的原因，研究了常用均衡电路及均衡策略，在此基础上对DC-DC（直流-直流）变换器均衡器进行了改进，并提出了基于改进后的多原边绕组的DC-DC均衡器与多绕组变压器磁性模型组合的二级均衡充电系统，给出了相应的均衡策略。

本发明对均衡控制策略提出了一些改进思路并进行了有益尝试：

1)根据电压差的大小来调整均衡的时间长短，如在电压差值较大时，大幅度长时间的均衡；在电压差值较小时，小幅度短时间的均衡。使得在提高均衡速度的同时，均衡精度也能得到保证。在电池SOC较高的区间里，电压随时间的变化基本是线性的，使得针对不同电压差设计不同均衡时间容易实现。

2)在采用相邻单体均衡的拓扑结构中，如果电压最低的单体和电压最高的单体隔得比较远，能量的转移将需要很长时间，进而使得能量回馈效率降低。在串联电池组数量比较大时，可采取分组均衡的思路。将整个串联电池组分成M个小块，把每块中电压最高的单体找出来先进行均衡。上述均衡结束后，再对整个电池组块间进行均衡。采取这种均衡控制方式能够提升能量转换率和均衡效率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和技术效果：

（1）本发明提供的二级均衡充电系统减少了使用DC/DC均衡器的个数，节约了生产成本。

（2）本发明提供的二级均衡充电系统针对混合动力汽车蓄电池组车载蓄电池比较大的场合，具有均衡效果较好、充电效率较高、系统扩展性强等优势(可根据需要灵活调整整个电池组及均衡模块的数量)。

附图说明

图1为二级均衡充电系统原理框图。

图2为两个电池均衡模型的等效电路图。

图3为多绕组变压器磁性模型原理图。

图4为改进的多原边绕组DC-DC均衡电路原理图。

图5为二级均衡充电系统的工作模式图。

图6为传统DC-DC均衡电路均充电压。

图7为改进的多原边绕组DC-DC均衡模型的均充电压。

图8为传统DC-DC均衡电路中单体的温度。

图9为改进的多原边绕组DC-DC均衡模型中单体的温度。

图10为均衡充电系统框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明做进一步详细的描述。

本发明采用一种多级式的均衡控制策略，提供一个二级均衡充电系统，图1为二级均衡充电系统原理框图，为了克服集中式均衡法和分散式均衡法的局限性，本发明针对电池数量较多的电动汽车车载蓄电池组(一般数百个单体电池组成)，提供一种二级均衡充电系统，其中，第一级均衡模块采用多绕组变压器磁性模型，第二级均衡模块采用改进的多原边绕组DC-DC均衡模型。图2为两个电池均衡模型的等效电路图。

图3为多绕组变压器磁性模型原理图，多绕组变压器磁性模型包括多个电池和多个电池均衡模块，每个电池均衡模块由一个用于储能的等效磁性电感（l_i）、一个二极管（D_in）、一个作为电池均衡开关的功率MOSFET（Q_i）和作为能量转换设备的中心抽头绕组（W_i）组成。若电压传感器检测到电池电压V_b1>V_b2，V_b1、V_b2分别为电池B₁和B₂的电压，那么能量应该由电池B₁通过多绕组变压器转换到电池B₂，Q₁由电池管理系统（BMS）、脉冲宽度调制（PWM）驱动导通，占空比D，周期为T_s；Q₂始终处于关断状态。工作原理如下：

(1)模式1(0＜t＜t_on)：电感l₁和初级绕组开始储能，能量由V_b1提供，电感电流i_m(t)线性上升如式(1)。

i_m(t)＝I_m(0)+V₁t/L_m  0＜t＜t_on            (1)

式(1)中I_m(0)是电感电流初值。最大电流

在导通时间的末端产生。电池B₁的充电电流i_b1如式(2)。式(2)中I₀为外部充电电流。

i_b1＝I₀-i_m(t)                         (2)

(2)模式2(t_on＜t＜T_s)：此时Q₁截止，初级中的储能耦合到次级，使得次级的二极管D₂₁导通，产生流向电池B₂的充电电流i₂。在初级中，i₁=-i_m由式(3)确定，i₂由式(4)确定。

$i_m\left(t\right)={\hat{I}}_m-\frac{V_{b2}(N_1/N_2)}{L_m}(t-t_{\mathrm{on}})---\left(3\right)$

$i_2=\frac{N_1}{N_2}{i}_m\left(t\right)=\frac{N_1}{N_2}[\frac{V_1}{L_m{f}_s}D-\frac{V_{b2}(N_1/N_2)}{L_m{f}_s}(1-D)]---\left(4\right)$

电池B₂的总的充电电流i_b2由式(5)确定。

i_b2＝I₀+i₂                     (5)

通过多绕组变压器磁性均衡电路磁场储能，使得欠压电池B₂的充电电流增大如式(5)，而电压高的蓄电池B₁的充电电流减小如式(2)，从而达到均衡目标。由于多绕组变压器的绕组共用一个铁芯，因此漏感等产生的效应不能忽视。该均衡电路中变压器的绕组不能过多，也就是均衡对象串联电池组中电池单体数目要求较少。

改进的多原边绕组DC-DC均衡模型如图4所示，与多副边绕组共用一个磁芯不同，本发明所提出的改进的多原边绕组DC-DC均衡模型采用压紧式的低功率多绕组变压器，由于尺寸比较小，因此均衡系统的构建比较容易。此外，充电控制通过开关SSR来实现，这些开关平行地与原边绕组相连。图4所示的均衡模型中，每个单体都有一个反激式DC-DC转换器，所有的原边绕组都是串联耦合的，此外，每个原边绕组都有单独的充电控制开关以实现均衡，过程如下：用PWM波驱动主MOSFET开关管导通，均衡电流流入充电不足的那些单体电池(与此相应的充电控制开关关断)。

本发明提供的二级均衡充电系统的工作原理，与传统的带串联变压器的反激式DC/DC变换器的工作原理非常相似。其工作过程可以分成两种模式(这里假设只有第一个和最后一个单体电池充电不足，并且只有这两个单体的充电控制开关是断开的在MOSFET开关被驱动前)，其等价电路拓扑如图5所示。

(1)模式1(t₀-t₁)：当开关S以一个固定占空比(由BMS控制)导通时，模式1开始。通过第一个和最后一个单体的磁化电流为：

$I_{\mathrm{Kg}1}=I_{\mathrm{Kgn}}=\frac{V_{\mathrm{stack}}\·{\mathrm{DT}}_s}{N_{\mathrm{OFF}}\·L_m}---\left(6\right)$

式(6)中，N_OFF关断的充电控制开关的数量；V_stack是串联电池组的电压；L_m是磁性电感的大小(储能等效)；DT_S是主MOSFET开关的导通周期。

(2)模式2(t₁-t₂)：当开关S断开时，模式2开始。在这种模式下，均衡电流通过整流二极管流入第一个和最后一个单体，与此同时磁性电感上产生感应电流。

均衡充电过程的这两个步骤可完全由BMS控制，均衡的时间可编程控制。

分别对本发明所提出的改进的多原边绕组DC-DC均衡模型和传统的DC-DC变换均衡电路进行均衡充电实验，所得结果如图6、图7、图8、图9所示。从图6和图7可以看出，用本发明的均衡电路充电后各单体电压的一致性比用传统DC-DC变换均衡电路充电后各单体端电压的一致性要好。从图8和图9可以看出，用本发明的二级均衡电路充电后各单体的温度比较接近，而用传统DC-DC变换均衡电路充电后各单体的温度相差稍大，并且前者均充的整体温度比后者低。由此可以看出，本发明所提出的均衡充电电路具有较优越的均充性能。

基于上述二级均衡充电系统设计的一个380V充电系统，如图10所示。该均衡充电系统包括100个串联的额定电压为3.8V的单体蓄电池，首先对100个单体蓄电池进行多级分组，即平均分成四箱，即每箱有25个单体蓄电池；将每箱25个单体蓄电池又分成5个子组，即每5个单体蓄电池为一子组；首先每个子组均进行二级均衡控制，然后对每箱蓄电池进行二级均衡控制，从而达到对整个充电系统进行二级均衡控制的作用。

针对电动汽车车载蓄电池串联数量较多的问题，本发明的二级均衡电路具有均衡效果较好、充电效率较高、系统扩展性强等优势(可根据需要灵活调整整个电池组及均衡模块的数量)。多绕组变压器均衡电路适合于充电电流较大、电池组数量不大的场合，而改进的DC-DC多原边绕组变压器均衡电路的均衡效率比较高，但在电池组数量比较大时，系统体系会比较大，并且控制复杂，本发明利用两种均衡电路的优势互补，提供一个均衡效果较好、充电效率较高、系统扩展性强的二级均衡充电系统。

以上对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明比并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种二级均衡充电系统，其特征在于，包括采用多绕组变压器磁性模型的第一级均衡模块和采用改进的多原边绕组DC-DC均衡模型的第二级均衡模块；所述的多绕组变压器磁性模型包括多个电池和多个电池均衡模块。

2.根据权利要求1所述的二级均衡充电系统，其特征在于，所述的电池均衡模块由一个用于储能的等效磁性电感、一个二极管、一个作为电池均衡开关的功率MOSFET和一个作为能量转换设备的中心抽头绕组组成。

3.根据权利要求1所述的二级均衡充电系统，其特征在于，所述的改进的多原边绕组DC-DC均衡模型，每个原边绕组上都设有一个反激式DC-DC转换器，所有的原边绕组串联耦合，每个原边绕组都设有单独的充电控制开关。

4.权利要求1所述的一种二级均衡充电系统在混合动力汽车蓄电池组上的应用。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，首先将整个串联的电池组平均分组，然后将每组电池平均分成子组，首先对每个子组进行均衡，均衡结束后，再对每个组进行均衡。

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