CN103956801B

CN103956801B - 一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法

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Publication number: CN103956801B
Application number: CN201410218975.1A
Authority: CN
Inventors: 张承慧; 商云龙; 崔纳新; 纪祥
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2014-05-22
Filing date: 2014-05-22
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2034-05-22
Also published as: CN103956801A

Abstract

本发明公开了一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法，均衡电路主要包括微控制器、选择开关模块、总开关、均衡母线、LC谐振变换和滤波电容。微控制器将电池组中电压最低的电池单体选通至均衡母线上与LC谐振变换的输出接通，控制总开关闭合将电池组的正负极与LC谐振变换的输入接通；同时微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制LC谐振变换交替工作在充电和放电状态，以实现零电流开关均衡。本发明有效改善了电池单体间的不一致性，提高了均衡效率；增大了均衡电流，减少了均衡时间；实现了零电流开关均衡，减少了能量浪费；减少了开关数量，降低了电路体积和成本。

Description

一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法。

背景技术

能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车以节能、环保而广受人们的欢迎，已成为未来汽车发展的必然趋势。而锂离子电池因其高能量密度、低放电率和没有记忆效应，作为动力源广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。但是受到电池制造技术和电源管理系统的技术制约，动力电池使用过程中需要大量单体多级串并联才能够提供足够的供电电压和驱动功率。但是这类电池串联使用时，容易由于容量的不均衡问题造成部分电池单体过充电与过放电的现象，大大影响动力电池组的使用寿命和安全性。因此，必须对电池组进行均衡管理。显而易见，作为电池管理系统的关键技术之一，串联电池组的有效均衡已经成为一个研究热点。

目前，均衡主要有耗散型均衡、非耗散型均衡和电池选择三大类。

耗散型均衡(也称为电池旁路法均衡)通过给电池组中每个电池单体并联一个耗散器件进行放电分流，从而实现电池电压的均衡。耗散均衡进一步又被分为两类：被动均衡和主动均衡。耗散均衡结构和控制简单、成本低，但是存在能量浪费和热管理的问题。

非耗散均衡采用电容、电感等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。根据能量流，非耗散均衡又能够分为以下四种：(1)Cell to Cell；(2)Cell to Pack；(3)Pack to Cell；(4)Cell to Pack to Cell。对于Cell to Cell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适宜于高电压应用，但是电池单体之间的电压差减小再加之电力电子器件存在导通压降使得均衡电流很小，因此Cell to Cell均衡方法不适合于大容量的动力电池。而Pack to Cell的均衡方法，每一次均衡都是通过电池组对电压最低的电池单体进行能量补给，能够实现较大的均衡电流，较适合于大容量的动力电池。非耗散均衡存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等问题。

电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，一般有两步筛选过程。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池组一直均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。

传统均衡方法不适合锂离子电池的主要原因如下：

1)锂离子电池的开路电压在SOC为30％～70％之间时较为平坦，即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；

2)由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。

中国发明专利申请(申请号201310278475.2)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。

为此，中国实用新型申请(申请号201320660950.8)和中国发明专利申请(申请号201310507016.7)提出一种基于升压变换和软开关的Cell to Cell电池均衡电路，该发明使用一个Boost升压变换将电池组中电压最高的电池单体升压至一个较高的电压，以实现大电流、零电压差均衡；使用一个LC谐振变换以实现零电流开关均衡，减少了能量浪费、提高了均衡效率。但是，该发明存在的主要问题是：由于属于Cell to Cell型均衡电路，即使使用Boost升压变换，所提高的均衡电流有限，远远不能够满足电动汽车大容量动力电池的均衡需求，并且Boost升压变换本身也存在能量浪费。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法，包括微控制器、均衡母线、LC谐振变换、选择开关模块、总开关、动力电池组和滤波电容，该均衡电路通过使用一个LC谐振变换能够实现电池组对电池单体的零电流开关均衡，减少了能量浪费，提高了均衡效率；能够获得大电流均衡，适用于大容量动力电池的快速均衡；并且克服了传统均衡电路难以实现电池单体之间零电压差的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，包括微控制器、均衡母线、LC谐振变换、选择开关模块、总开关、动力电池组和滤波电容，其中，微控制器通过电压检测电路连接电池组的各个电池单体，电池单体通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接LC谐振变换电路的输出端，电池组通过总开关连接LC谐振变换电路的输入端，微控制器通过驱动电路连接控制LC谐振变换电路，微控制器通过多路选通开关连接选择开关模块和总开关。

所述LC谐振变换电路的输入端和输出端各并联有一个滤波电容；

所述微控制器包括模数转换模块、脉冲宽度调制PWM信号输出端和通用IO端；

所述模数转换模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最低的电池单体；

所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接LC谐振变换电路，用于产生MOS管开关的控制驱动信号；

所述通用IO端通过一个多路选通开关与选择开关模块连接，用于译码微控制器确定的最低单体电压对应的电池编号，控制选择开关模块将电池组中任意位置的电压最低的电池单体选通至均衡母线上；同时，所述通用IO端通过一个多路选通开关与总开关连接，控制总开关将电池组的正负极连接于LC谐振变换电路的输入。

所述LC谐振变换电路，包括四个MOS管、四个二极管和一个电感、一个电容，其中输入端的一端连接一个MOS管M₁串联二极管D₁后，连接两个支路，一个支路串联MOS管M₃和二极管D₃，另一路串联电感L和电容C，输入端的另一端反接二极管D₂连接MOS管M₂后连接两个支路，一路连接电容C的另一端，另一路反接二极管D₄后连接MOS管M₄。所述LC谐振变换电路中MOS管M₁和M₂由一路PWM+信号驱动，MOS管M₃和M₄由另一路状态反向的PWM-信号驱动，二极管D₁～D₄起反向限流的作用。

所述LC谐振变换在两个状态互补的PWM信号驱动下，工作在充电和放电两个状态。

所述充电状态为LC谐振变换与电池组的正负极并联。

所述放电状态为LC谐振变换与电压最低的电池单体并联。

所述两个滤波电容分别并联在LC谐振变换的输入和输出端，用于将高频交流电流滤波成直流电，以减小对电池的损害。

一种应用上述基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路的实现方法，包括以下步骤：

(1)获取电池单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压；

(2)判断电压：微控制器根据获取的电池单体电压，计算最大单体电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路，并确定最低单体电压对应的电池单体编号；

(3)选通电池：微控制器通过译码电路将最低单体电压对应的电池单体编号译码，控制选择开关模块将最低单体电压对应的电池单体选通至均衡母线上；

(4)能量传递：微控制器控制总开关导通将电池组的正负两端与LC谐振变换的输入接通，同时控制LC谐振变换的四个MOS管使LC谐振变换交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。

所述步骤(4)中，当LC谐振变换与整个电池组并联时，电池组给LC谐振变换充电；当LC谐振变换与电压最低的电池单体并联时，LC谐振变换给电池单体充电，随着LC谐振变换的充、放电过程，实现了能量从整个电池组转移到电压最低的电池单体，特别地，当微控制器发出的PWM频率等于LC谐振变换的固有谐振频率时，可以实现零电流开关均衡。

本发明的工作原理为：

微控制器根据最低单体电压对应的电池单体编号，经过通用IO端译码控制选择开关模块，将电池组中任意位置的电压最低的电池单体选通至均衡母线上；然后，微控制器控制总开关闭合将整个电池组的总电压作为LC谐振变换的输入，克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体间零电压差的问题，也消除了由于使用Boost升压变换升压所带来的能量损耗；同时微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制LC谐振变换，使其交替工作在充电和放电两个状态。特别地，当微控制器发出的PWM频率等于LC谐振变换的固有谐振频率时，可以实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是能量从整个电池组转移到电池组中电压最低的电池单体，增大了均衡电流，提高了均衡效率。

本发明的有益效果为：

(1)与Cell to Cell型均衡电路相比，减少了n个开关，降低了电路体积和成本；

(2)有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体间零电压差的问题；

(3)能够实现大电流均衡，适用于大容量动力电池；

(4)实现零电流开关均衡，减少能量浪费；

(5)有效改善了电池单体间的不一致性，提高了均衡效率。

附图说明

图1为本发明基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路的组成示意图；

图2为本发明的LC谐振变换充电状态的工作原理图；

图3为本发明的LC谐振变换放电状态的工作原理图；

图4为本发明的LC谐振变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压V_C的原理波形图；

图5为实验获得的LC谐振变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压V_C的波形图，其中图5(a)为Cell to Cell型均衡电路的波形图，图5(b)为Pack to Cell型均衡电路波形图；

图6为本发明动力电池静止状态下的均衡效果图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图6所示，一种基于LC谐振变换的Pack to Cell型均衡电路，包括微控制器、选择开关模块、总开关、均衡母线、LC谐振变换和滤波电容，微控制器连接选择开关模块、总开关、LC谐振变换和电池单体，电池组的正负极通过总开关连接LC谐振变换的输入，LC谐振变换的输出通过均衡母线连接选择开关模块，选择开关模块连接各电池单体，LC谐振变换的输入和输出并联两个滤波电容；其中，

所述模数转换模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而确定各个电池单体的电压以及电压最低的电池单体对应的编号；

所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接LC谐振变换，用于产生MOS管开关的控制驱动信号；

所述通用IO端通过一个多路选通开关与选择开关模块连接，用于译码微控制器确定的最低单体电压对应的电池编号，控制选择开关模块将电池组中任意位置的电压最低的电池单体选通至均衡母线上；同时，所述通用IO端通过一个多路选通开关与总开关连接，控制总开关将电池组的正负极连接于LC谐振变换的输入。

所述LC谐振变换电路，包括四个MOS管、四个二极管和一个电感、电容，其中输入端的一端连接一个MOS管M₁串联二极管D₁后，连接两个支路，一个支路串联MOS管M₃和二极管D₃，另一路串联电感L和电容C，输入端的另一端反接二极管D₂连接MOS管M₂后连接两个支路，一路连接电容C的另一端，另一路反接二极管D₄后连接MOS管M₄。所述LC谐振变换电路中MOS管M₁和M₂由一路PWM+信号驱动，MOS管M₃和M₄由另一路状态反向的PWM-信号驱动，二极管D₁～D₄起反向限流的作用。

所述充电状态为LC谐振变换与电池组的正负极并联。

所述放电状态为LC谐振变换与电压最低的电池单体并联。

所述PWM信号的频率等于LC谐振变换的固有谐振频率时，均衡电路实现电池组对电压最低的电池单体间的零电流开关均衡。

所述两个滤波电容分别并联与LC谐振变换的输入和输出端，用于将高频交流电流滤波成直流电，以减小对电池的损害。

一种应用上述基于LC谐振变换的Pack to Cell型均衡电路的实现方法，包括以下步骤：

(2)判断电压：微控制器根据获取的电池单体电压，计算最大单体电压差，若其差值

大于电池均衡阈值，则启动均衡电路，并确定最低单体电压对应的电池单体编号；

(3)选通电池：微控制器通过译码电路将最低单体电压对应的电池单体编号译码，控

制选择开关模块将最低单体电压对应的电池单体选通至均衡母线上；

(4)能量传递：微控制器控制总开关导通将电池组的正负两端与LC谐振变换的输入

接通，同时控制LC谐振变换的四个MOS管使LC谐振变换交替工作在充电和放电两个

状态，从而实现能量的不断传递。

所述步骤(4)中，当LC谐振变换与整个电池组并联时，电池组给LC谐振变换充电；当LC谐振变换与电压最低的电池单体并联时，LC谐振变换给电池单体充电，随着LC谐振变换的充、放电过程，实现了能量从整个电池组转移到电压最低的电池单体。

实施例一：

以8节电池单体为例，并假设B₃为电压最低的电池单体。

均衡电路的微控制器选用数字信号处理DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采样和PWM输出；多路选通开关选用CD4051，是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及EN共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流；电压检测电路采用凌特公司的LTC6802专用电压测量芯片实时测量电池组中每节电池的电压。

选择开关模块选用带有一对常开触点的继电器，其型号为HJR1-2C L-05V，图1中(S_i，Q_i)(i＝1,2,3…,n)为一对常开开关。微控制器通过一个多路选通开关CD4051控制其导通或闭合。

LC谐振电路由四个MOS管M₁～M₄、四个二极管D₁～D₄和一个电感L、一个电容C组成。其中，M₁、M₂、D₁、D₂与L、C构成充电回路；M₃、M₄、D₃、D₄与L、C构成放电回路。M₁的源极、D₂的负极分别通过总开关与电池组正负极相连；D₃的负极、M₄的源极分别与均衡母线正、负极相连。二极管D₁～D₄起隔离的作用。MOS管M₁～M₄由来自微控制器DSP的一对状态互补的PWM信号驱动，其中M₁和M₂由一路PWM+信号驱动，M₃和M₄由另一路状态互补的PWM-信号驱动。当M₁和M₂导通，M₃和M₄关断时，LC谐振电路工作在充电状态；当M₃和M₄导通，M₁和M₂关断时，LC谐振电路工作在放电状态。如此，通过LC谐振电路不断的充、放电可实现能量从电池组转移至电压最低的电池单体，特别地，当微控制器发出的PWM频率等于LC准谐振电路的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡。

首先，微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定最低单体电压以及对应的电池单体编号，并判断最大电压差是否大于电池均衡阈值0.02V，若大于则启动均衡电路，并通过译码芯片CD4051选通开关模块(S₄、Q₄)和总开关(S₀、Q₀)并保持其导通状态直至本次均衡结束，将电压最低的电池单体B₃选通至均衡母线上，并将电池组与LC谐振电路的输入端选通。

在均衡状态下，微控制器控制LC谐振电路使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。

如图2所示，当M₁和M₂导通时，M₃和M₄关断，LC谐振电路与电池组并联。电池组、电感L和电容C形成一个谐振回路，此时对电容C充电，谐振电流i为正，电容C两端的电压V_c开始上升直至谐振电流i变为负值，由图4可以看出，V_c滞后谐振电流i四分之一个周期，且波形均为正弦波。该时刻，由于M₃和M₄处于关断状态，电池单体B₃开路，所以流入B₃的电流i_B3为零；因为滤波电容C₁并联在电池组两端无其他放电回路，所以流入LC的谐振电流i即为流出电池组的电流ibat，并且规定电流流出电池单体/电池组时为正，因此可得到如图4所示工作状态Ⅰ所示的电池组电流i_bat和B₃电流i_B3波形。

如图3所示，当M₃和M₄导通时，M₁和M₂关断，LC谐振电路通过选择开关模块(S₄、Q₄)与电压最低的电池单体B₃并联。B₃、L和C形成一个谐振回路，此时电容C放电，谐振电流i为负，电容C两端的电压V_c开始下降直至谐振电流变为正值。因为电池组处于开路状态，因此流出电池组的电流i_Bat为零；同时该时刻谐振电流i就是B₃的充电电流，因此可得到如图4状态Ⅱ所示的电池组电流i_bat和B₃电流i_B3波形。

如图5所示，为实验获得的LC谐振变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压V_C的实验波形图，其中图5(a)为Cell to Cell型均衡电路的波形图，图5(b)为Pack to Cell型均衡电路波形图，对比可以看出，本发明的Pack to Cell型均衡电路的均衡电流值远远高于Cell to Cell 型均衡电路的电流，极大地提高了均衡效率。

如图6所示为本发明动力电池静止状态下的均衡效果图，当电池单体初始电压分别为B₀＝2.709V，B₁＝2.701V，B₂＝2.694V，B₃＝2.698V，B₄＝3.301V，B₅＝3.302V，B₆＝3.299V，B₇＝3.300V时，只需要大约3500s的时间，均衡电路就使得电池组中电池单体的最大电压差接近于0。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，其特征是：包括微控制器、均衡母线、LC谐振变换、选择开关模块、总开关、动力电池组和滤波电容，其中，微控制器通过电压检测电路连接电池组的各个电池单体，电池单体通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接LC谐振变换电路的输出端，电池组通过总开关连接LC谐振变换电路的输入端，微控制器通过驱动电路连接控制LC谐振变换电路，微控制器通过多路选通开关连接选择开关模块和总开关，微控制器控制总开关导通将电池组的正负两端与LC谐振变换的输入接通，同时控制LC谐振变换使其交替工作在充电和放电两个状态，能量从整个电池组转移到电压最低的电池单体；

所述LC谐振变换电路的输入端和输出端并联有一个滤波电容；

所述LC谐振变换工作在充电和放电两个状态，所述充电状态为LC谐振变换与电池组的正负极并联；

所述放电状态为LC谐振变换与电压最低的电池单体并联。

2.如权利要求1所述的一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，其特征是：所述微控制器包括模数转换模块、脉冲宽度调制PWM信号输出端和通用IO端；

所述模数转换模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而确定各个电池单体电压以及电压最低的电池单体对应的电池编号；

所述通用IO端通过一个多路选通开关与选择开关模块连接，用于译码微控制器确定的最低单体电压对应的电池编号，控制选择开关模块将电池组中任意位置的电压最低的电池单体选通至均衡母线上；同时，所述通用IO端通过一个多路选通开关与总开关连接，控制总开关将电池组的正负极选通至LC谐振变换电路的输入。

3.如权利要求1所述的一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，其特征是：所述LC谐振变换电路，包括四个MOS管、四个二极管和一个电感和电容，其中输入端的一端连接一个MOS管M₁串联二极管D₁后，连接两个支路，一个支路串联MOS管M₃和二极管D₃，另一路串联电感L和电容C，输入端的另一端反接二极管D₂连接MOS管M₂后连接两个支路，一路连接电容C的另一端，另一路反接二极管D₄后连接MOS管M₄。

4.如权利要求3所述的一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，其特征是：所述LC谐振变换中MOS管M₁和M₂由一路PWM+信号驱动，MOS管M₃和M₄由另一路状态反向的PWM-信号驱动，在这两个状态互补的PWM信号驱动下，所述LC谐振变换工作在充电和放电两个状态。

5.一种应用权利要求1～4中任一项所述的均衡电路的实现方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)获取单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压；

(4)能量传递：微控制器控制总开关导通将电池组的正负两端与LC谐振变换的输入接通，同时控制LC谐振变换使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。

6.如权利要求5所述的实现方法，其特征是：所述步骤(4)中，当LC谐振变换与整个电池组并联时，电池组给LC谐振变换充电；当LC谐振变换与电压最低的电池单体并联时，LC谐振变换给电池单体充电，随着LC谐振变换的充、放电过程，实现了能量从整个电池组转移到电压最低的电池单体，当微控制器发出的PWM频率等于LC谐振变换的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡。