CN104578288B - 一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制方法，属于蓄电池组能量均衡管理技术领域。本发明包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、主控开关M1和M2；电池组处于放电或静置状态时，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被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Cellj转移；处于充电状态时，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被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器转移。本发明拓扑电路原理简单；均衡电流连续，且可控性强，均衡效率高。

Description

一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制 方法

技术领域

本发明涉及一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制方法，属于蓄电池组能量均衡管理技术领域。

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，电池组的充电容量受组内荷电状态最高的单体电池的限制，而电池组的放电容量受组内荷电状态最低的单体电池的限制，随着电池组充放电循环次数的增加，电池组的充电容量和放电容量将逐渐减小，最终会提前报废。为了提高电池组的充放电容量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。

目前，有多种电池组均衡方案，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、电感或者反激式变压器作为储能元件，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。以电容为储能元件的均衡方案的实质是以两单体电池间的电压差实现能量均衡，而实际中两单体电池的电压差很小，考虑均衡回路中开关器件的管压降，因此能量很难转移，甚至不能转移。以电感或者反激式变压器作为储能元件的均衡方案，是以均衡电流的形式实现能量转移的，但目前存在的这两种均衡电路，均不能保证被均衡的单体电池的均衡电流的连续性，因此均衡效率普遍低，且反激式变压器的均衡方案，其对均衡电流的可控性差。

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，本发明提供了一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路及其控制方法，该拓扑电路原理简单，对均衡电流的控制能力强，均衡效率高。

本发明的技术方案是：一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件（如有寄生反并联二极管的功率MOSFET开关）。

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反并联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反并联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数。

所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。

一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，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被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Cellj转移；当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时，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被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器转移；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时：控制Cellj的充电开关Nj1和Sj1一直处于导通状态，对主控开关M1进行PWM控制，均衡电路为典型的降压斩波电路，且Cellj处于降压斩波电路的输出端，因此Cellj在主控开关导通和关断期间均有均衡充电电流；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时：控制Celli的放电开关Ni2和Si2一直处于导通状态，对主控开关M2进行PWM控制，均衡电路为典型的升压斩波电路，且Celli处于升压斩波电路的输入端，因此Celli在主控开关导通和关断期间均有均衡放电电流。

本发明的工作原理是：

本发明中以电感L为储能元件，通过开关的PWM控制使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。均衡电路中的功率开关均采用逆导型功率开关，基于典型的降压斩波电路工作原理和升压斩波电路工作原理，电池组放电时通过降低电池组中电压或SOC最低的单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量，电池组充电时通过降低电池组中电压或SOC最高的单体电池的充电电流来提高整个电池组的充电容量。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，通过调节占空比来调节均衡电流的大小。

本发明的有益效果是：拓扑电路原理简单，电池组充电时，被均衡的单体电池处于升压斩波电路的输入端，其放电均衡电流在PWM周期内连续；电池组放电或静置时，被均衡的单体电池处于降压斩波电路的输出端，其充电均衡电流在PWM周期内连续。均衡期间，除了被均衡的单体电池，同组中的其它单体电池均不受影响。均衡电流连续，且可控性强，均衡效率高。使用时，只需设定主控开关的PWM频率和合适的占空比，其被均衡的单体电池的相应开关通过开关矩阵使其处于导通状态即可，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是本发明拓扑电路原理图；

图2是电池组充电时的均衡电路工作原理图；

图3是图2所示均衡过程的等效电路；

图4是图2所示均衡过程的相关波形图；

图5是电池组放电时的均衡电路工作原理图

图6是图5所示均衡过程的等效电路；

图7是图5所示均衡过程的相关波形图。

具体实施方式

实施例1：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反并联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反并联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数。

所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。

一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，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被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Cellj转移；当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时，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被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器转移；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时：控制Cellj的充电开关Nj1和Sj1一直处于导通状态，对主控开关M1进行PWM控制，均衡电路为典型的降压斩波电路，且Cellj处于降压斩波电路的输出端，因此Cellj在主控开关导通和关断期间均有均衡充电电流；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时：控制Celli的放电开关Ni2和Si2一直处于导通状态，对主控开关M2进行PWM控制，均衡电路为典型的升压斩波电路，且Celli处于升压斩波电路的输入端，因此Celli在主控开关导通和关断期间均有均衡放电电流。

如图2所示，电池组处于充电状态时，假设电池组中单体电池Cell2的端电压最高，均衡时：通过回路①，单体电池Cell2释放能量，而电感L储能；通过回路②，能量由电感L向电压源E转移。即均衡时通过回路①和回路②，能量由高电压单体电池Cell2向均衡电路转移。

如图3、4所示，为图2的等效均衡电路和相关波形，其中U2为单体电池Cell2的端电压，“on”代表开开关处于导通状态，“off”代表开关处于关断状态，i为电池Cell2均衡放电电流波形。等效的均衡电路为典型的升降压斩波电路，被均衡的单体电池Cell2处于升压斩波电路的输入端。均衡时，控制放电开关矩阵中Cell2的放电开关N22和S22一直处于导通状态，而对主控开关M2进行PWM控制。当开关M2导通时，回路①被激活，单体电池Cell2放电，电感储能，电感上的电流上；当开关M2断开时，回路②被激活，电感上的能量通过开关M1的反并联二极管D1向电压源E转移，电感上的电流下降。

如图5所示，电池组处于放电状态时，假设电池组中单体电池Cell1的端电压最低，均衡时：通过回路①回路②，能量由均衡电路向低电压单体电池Cell1转移。

如图6、7所示，为图5的等效均衡电路和相关波形，其中U1为单体电池Cell1的端电压，i为电池Cell1均衡充电电流波形，等效的均衡电路为典型的降压斩波电路，被均衡的单体电池Cell1处于降压斩波电路的输出端。均衡时，控制充电矩阵中Cell1的充电开关N11和S11一直处于导通状态，而对主控开关M1进行PWM控制。当开关M1导通时，回路①被激活，电源E向单体电池Cell1充电，同时电感LL储能，电感上的电流上；当开关M1断开时，回路②被激活，电感上的能量通过开关M2的反并联二极管D2向单体电池Cell1转移，电感上的电流下降。

实施例2：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反并联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反并联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数。

所述电压源E由电池组经DC/DC提供。

实施例3：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，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被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Cellj转移；当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时，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被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器转移；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时：控制Cellj的充电开关Nj1和Sj1一直处于导通状态，对主控开关M1进行PWM控制，均衡电路为典型的降压斩波电路，且Cellj处于降压斩波电路的输出端，因此Cellj在主控开关导通和关断期间均有均衡充电电流；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时：控制Celli的放电开关Ni2和Si2一直处于导通状态，对主控开关M2进行PWM控制，均衡电路为典型的升压斩波电路，且Celli处于升压斩波电路的输入端，因此Celli在主控开关导通和关断期间均有均衡放电电流。

实施例4：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反并联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反并联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数。

所述电压源E由电池组以外的蓄电池组提供。

实施例5：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反并联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反并联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数。

实施例6：如图1-7所示，一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路，包括上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的下层n个开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域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作出各种变化。

Claims (3)

1.一种双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，其特征在于：所述拓扑电路包括：上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、电感L、电压源E、两个主控开关M1和M2；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率矩阵S均为由n对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂的上层n个功率开关的上端均与电感L的一端相连且其下层n个功率开关的下端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的正极；下桥臂的上层n个功率开关的上端的n条引出线分别接n个串联的单体电池的负极且其下层n个功率开关的下端均与主控开关M2的一端和电压源E的负极相连；主控开关M2的另一端和M1的一端同时与电感L的另一端相连，主控开关M1的另一端和电压源E的正极相连；

所述上桥臂功率开关矩阵N由n对反向串联的双层功率开关N1和N2组成，上层功率开关N1由功率开关N11,…,Nn1构成，下层功率开关N2由功率开关N12,…,Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由n对反向串联的双层功率开关S1和S2组成，上层功率开关S1由功率开关S11,…,Sn1构成，下层功率开关S2由功率开关S12,…,Sn2构成，n为电池组中单体电池的个数；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，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被均衡器电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器电路向电池Cellj转移；当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时，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被均衡器电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Celli向均衡器电路转移；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时：控制Cellj的功率开关Nj1和Sj1一直处于导通状态，对主控开关M1进行PWM控制，均衡器电路为典型的降压斩波电路，且Cellj处于降压斩波电路的输出端，因此Cellj在主控开关导通和关断期间均有均衡充电电流；

当n个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时：控制Celli的功率开关Ni2和Si2一直处于导通状态，对主控开关M2进行PWM控制，均衡器电路为典型的升压斩波电路，且Celli处于升压斩波电路的输入端，因此Celli在主控开关导通和关断期间均有均衡放电电流。

2.根据权利要求1所述的双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，其特征在于：所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关M1和M2均为逆导型功率开关器件。

3.根据权利要求1所述的双层桥臂串联蓄电池组高效均衡器拓扑电路的控制方法，其特征在于：所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。