CN104659885B - 一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法 - Google Patents

一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法，该系统包括蓄电池组均衡电路和控制器；所述蓄电池组均衡电路包括与各单体电池一一对应连接的均衡电路单元；每个均衡电路单元包括由4个开关管构成的全桥电路、连接在全桥电路输出侧的变压器绕组、与变压器绕组的漏感串联构成谐振腔的谐振电容，以及并联在谐振电容上的可控开关；每个均衡电路单元的变压器绕组为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；所述控制器用于在检测到各单体电池能量不均衡时，控制能量最低者对应的可控开关闭合、能量最高者对应的可控开关断开，并对能量最高者对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测各单体电池能量是否均衡，实现了无损均衡。

Description

一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法。
背景技术
对于通过串联单体电池组成的蓄电池组来说，各单体电池充放电不一致是导致蓄电池组使用寿命下降的重要因素。
现有技术采用单体电池并联电阻的方式来旁路掉多余的电能，但这种将多余电能以热能形式损耗掉以实现各单体电池间能量均衡的方式属于有损均衡，不利于节能和环保，并且转化的热量又会给蓄电池组的热管理带来负担。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种蓄电池组均衡系统和均衡控制方法，以对蓄电池组中各单体电池的能量进行无损均衡。
一种蓄电池组均衡系统，包括蓄电池组均衡电路和控制器，其中：
所述蓄电池组均衡电路包括与蓄电池组中各单体电池一一对应连接的均衡电路单元；
每个均衡电路单元包括由4个开关管构成的全桥电路、连接在所述全桥电路输出侧的变压器绕组、与所述变压器绕组的漏感串联后构成谐振腔的谐振电容，以及并联在所述谐振电容上的可控开关；
每个均衡电路单元的变压器绕组为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；
所述控制器分别与所述蓄电池组均衡电路以及蓄电池组中各单体电池相连，用于在检测到蓄电池组中各单体电池能量不均衡时，控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测蓄电池组中各单体电池能量是否均衡。
其中，所述控制器为以蓄电池组中存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在外电压低于第二电压阈值的单体电池作为蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准的控制器，其中，所述第一电压阈值不小于所述第二电压阈值。
其中，所述控制器为以蓄电池组中存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在单体电池剩余电量低于第二电量阈值的单体电池作为蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准的控制器，其中，所述第一电量阈值不小于所述第二电量阈值。
其中，所述控制器为以固定开关频率对蓄电池组中能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制的控制器，其中，所述固定开关频率小于所述蓄电池组均衡电路中最小漏感对应的谐振腔的谐振频率。
其中，所述控制器为对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开环的固定开关频率、固定开关脉冲次数的开启脉冲控制，或对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行闭环的对需要进行充/放电单体电池一次性均衡到期望值的固定开关频率、不定脉冲次数的开启脉冲控制的控制器。
其中，所述可控开关为继电器。
其中，所述4个开关管均为NMOS或均为IGBT。
一种均衡控制方法，应用于蓄电池组均衡电路，该蓄电池组均衡电路包括与蓄电池组中各单体电池一一对应连接的均衡电路单元；每个均衡电路单元包括由4个开关管构成的全桥电路、连接在所述全桥电路输出侧的变压器绕组、与所述变压器绕组的漏感串联后构成谐振腔的谐振电容，以及并联在所述谐振电容上的可控开关；每个均衡电路单元的变压器绕组为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；该均衡控制方法包括：
获取蓄电池组中各电池单体的能量；
判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡；
若不均衡，控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测蓄电池组中各单体电池能量是否均衡。
其中，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或是否存在外电压低于第二电压阈值的单体电池，其中，所述第一电压阈值不小于所述第二电压阈值。
其中，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或是否存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池，其中，所述第一电量阈值不小于所述第二电量阈值。
从上述的技术方案可以看出，本发明在检测到各单体电池能量不均衡时，通过控制能量最低的单体电池对应的均衡电路单元中的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的均衡电路单元中的可控开关断开，并对能量最高的单体电池对应的全桥电路开启脉冲控制，使能量直接从能量最高者流向能量最低者，该均衡控制逻辑判断过程循环执行，使得蓄电池组中各单体电池能量可以达到均衡，均衡效果迅速、控制逻辑简单；在整个能量转移过程中不涉及电阻散热，是一种无损均衡策略，有利于节能、环保，解决了现有技术存在的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种蓄电池组均衡电路结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种全桥电路的控制脉冲示意图；
图3为本发明实施例公开的一种均衡控制方法流程图；
图4为所述均衡控制方法的一种具体实现方法流程图；
图5为所述均衡控制方法的又一种具体实现方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种蓄电池组均衡系统，以对蓄电池组中各单体电池的能量进行无损均衡，包括蓄电池组均衡电路和控制器；
参见图1，所述蓄电池组均衡电路包括与蓄电池组中各单体电池(B1～Bn)一一对应连接的均衡电路单元(A1～An)；每个均衡电路单元包括4个开关管(SmA～SmD，m＝1,2,3…n，下同)、1个变压器绕组(Xm)、1个谐振电容(Crm)和1个可控开关(Km)，其中：
1)4个开关管(SmA～SmD)构成全桥电路(Hm)；
2)变压器绕组(Xm)接在全桥电路(Hm)的输出侧，且每个均衡电路单元的变压器绕组(X1～Xn)为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；
3)谐振电容(Crm)与变压器绕组(Xm)的漏感(Lkm)相串联构成谐振腔；
4)可控开关(Km)并联在谐振电容(Crm)上，用于短接谐振电容(Crm)；
所述控制器分别与蓄电池组均衡电路以及蓄电池组中各单体电池相连，用于在检测到蓄电池组中各单体电池能量不均衡时，控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测蓄电池组中各单体电池能量是否均衡。
其中，4个开关管(SmA～SmD)可统一采用NMOS(N-Metal OxideSemiconductor FET，N沟道-金属氧化物半导体场效应晶体管)，也可统一采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)，但并不局限。可控开关(Km)可采用继电器，且同样不作局限。
在本实施例公开的蓄电池组均衡系统中，所述控制器通过控制所述蓄电池组均衡电路来对蓄电池组中各单体电池进行能量均衡维护，以B1为蓄电池组中能量最低的单体电池、B2为蓄电池组中能量最高的单体电池为例，在闭合K1、断开K2、对H2进行开启脉冲控制后，B2的能量先经全桥电路H2、由Lk2和Cr2组成的谐振腔、变压器绕组X2构成的谐振变换器原边谐振电路，再经变压器绕组X1、全桥电路H1中开关管的体二极管、可控开关K1构成的副边整流电路，流到蓄电池组中能量最低的单体电池B1。由于X1～Xn为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组，单体电池B1在蓄电池组中能量最低，电压最低，因此X1上会获得感应电势，感应电流流经Lk1、K1和H1为B1充电，从而实现了直接利用能量最高的单体电池B2为能量最低的单体电池B1进行充电。之后再进行新一轮的均衡控制逻辑判断，直至蓄电池组中各单体电池能量达到均衡。
对Hm进行开启脉冲控制时对应的控制脉冲可参考图2，其中，SmA和SmD同步，SmB和SmC同步，且SmA和SmB互补导通，脉冲宽度均为50％(剔除死区时间)。脉冲的开关频率fs为固定值(允许有一定抖频)，且略小于Crm和Lkm构成的谐振腔的谐振频率fr。考虑到Lk1～Lkn的大小可能会因放电的变压器绕组与充电的变压器绕组的位置不同而存在差异，因此实际的开关频率fs选取应以电感值最小的漏感对应的谐振腔的谐振频率为上限，这样，在任意两个变压器绕组构成变压器时，开关频率fs始终小于谐振频率fr，使得蓄电池组均衡电路始终运行于感性区域。谐振电路的引入，使得蓄电池组均衡电路的开关损耗降到最低，器件应力得到优化，减少热管理压力和提升可靠性。
其中，所述开启脉冲控制，可以设计为开环的固定开关频率、固定开关脉冲次数的方案，也可以设计为闭环的对需要进行充(放)电单体电池一次性均衡到期望值的固定开关频率、不定脉冲次数的方案。
其中，所述控制器可以以单体电池外电压或单体电池剩余电量作为各单体电池能量是否均衡的衡量参数。具体的：
当以单体电池外电压作为衡量参数时，蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准为：蓄电池组中存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在外电压低于第二电压阈值的单体电池，其中所述第一电压阈值不小于所述第二电压阈值。考虑到第一电压阈值等于第二电压阈值时，易出现控制状态频繁切换，因此需要设置一定的滞环区间，即以第一电压阈值大于第二电压阈值作为优选控制方案。
当以单体电池剩余电量作为衡量参数时，蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准为：蓄电池组中存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池，其中所述第一电量阈值不小于所述第二电量阈值。同样，为避免出现控制状态的频繁切换，以滞环控制作为优选(即以第一电量阈值大于第二电量阈值)。此外需要说明的是，所述第一电压阈值、第二电压阈值、所述第一电量阈值、所述第二电量阈值可以是经验值，也可以是电池特性所决定的固定值。
由上述描述可以看出，本实施例在检测到各单体电池能量不均衡时，通过控制能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对能量最高的单体电池对应的全桥电路开启脉冲控制，使能量直接从能量最高者流向能量最低者，该均衡控制逻辑判断过程循环执行，使得各单体电池能量可以达到均衡；并且，在整个能量转移过程中不涉及电阻散热，是一种无损均衡策略，有利于节能、环保。
此外，本发明实施例还公开了一种均衡控制方法，应用于图1所示的蓄电池组均衡电路，以对蓄电池组中各单体电池的能量进行无损均衡，参见图3，该方法包括：
步骤301：获取蓄电池组中各电池单体的能量；
步骤302：判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，若不均衡，进入步骤303；否则，返回步骤301；
步骤303：控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制；所述脉冲控制结束后返回步骤301，进入下一轮均衡控制逻辑判断。
其中，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或是否存在外电压低于第二电压阈值的单体电池，其中，所述第一电压阈值不小于(优选大于)所述第二电压阈值；对应的一种均衡控制方法如图4所示，包括：
步骤401：获取蓄电池组中各电池单体的外电压；
步骤402：判断蓄电池组中是否存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，若不存在，进入步骤403，若存在，进入步骤404；
步骤403：判断蓄电池组中是否存在外电压低于第二电压阈值的单体电池，若存在，进入步骤404，否则返回步骤401；
步骤404：控制蓄电池组中外电压最低的单体电池对应的可控开关闭合、外电压最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述外电压最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制；在所述脉冲控制结束后返回步骤401进入下一轮均衡控制逻辑判断。
当然，步骤402和步骤403中的判断顺序也可互换。
其中，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或是否存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池，其中，所述第一电量阈值不小于(优选大于)所述第二电量阈值；对应的一种均衡控制方法如图5所示，包括：
步骤501：获取蓄电池组中各电池单体的剩余电量；
步骤502：判断蓄电池组中是否存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，若不存在，进入步骤503，若存在，进入步骤504；
步骤503：判断蓄电池组中是否存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池，若存在，进入步骤504，否则返回步骤501；
步骤504：控制蓄电池组中剩余电量最低的单体电池对应的可控开关闭合、剩余电量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述剩余电量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制；所述脉冲控制结束后返回步骤501进入下一轮均衡控制逻辑判断。
当然，步骤502和步骤503中的判断顺序也可互换。
综上所述，本发明在检测到各单体电池能量不均衡时，通过控制能量最低的单体电池对应的均衡电路单元中的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的均衡电路单元中的可控开关断开，并对能量最高的单体电池对应的全桥电路开启脉冲控制，使能量直接从能量最高者流向能量最低者，该均衡控制逻辑判断过程循环执行，使得各单体电池能量可以达到均衡，均衡效果迅速、控制逻辑简单；在整个能量转移过程中不涉及电阻散热，是一种无损均衡策略，有利于节能、环保，解决了现有技术存在的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种蓄电池组均衡系统，其特征在于，包括蓄电池组均衡电路和控制器，其中：
所述蓄电池组均衡电路包括与蓄电池组中各单体电池一一对应连接的均衡电路单元；
每个均衡电路单元包括由4个开关管构成的全桥电路、连接在所述全桥电路输出侧的变压器绕组、与所述变压器绕组的漏感串联后构成谐振腔的谐振电容，以及并联在所述谐振电容上的可控开关；
每个均衡电路单元的变压器绕组为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；
所述控制器分别与所述蓄电池组均衡电路以及蓄电池组中各单体电池相连，用于在检测到蓄电池组中各单体电池能量不均衡时，控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测蓄电池组中各单体电池能量是否均衡。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器为以蓄电池组中存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在外电压低于第二电压阈值的单体电池作为蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准的控制器，其中，所述第一电压阈值不小于所述第二电压阈值。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器为以蓄电池组中存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或蓄电池组中存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池作为蓄电池组中各单体电池能量不均衡的判定标准的控制器，其中，所述第一电量阈值不小于所述第二电量阈值。
4.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于，所述控制器为以固定开关频率对蓄电池组中能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制的控制器，其中，所述固定开关频率小于所述蓄电池组均衡电路中最小漏感对应的谐振腔的谐振频率。
5.根据权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于，所述控制器为对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开环的固定开关频率、固定开关脉冲次数的开启脉冲控制，或对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行闭环的固定开关频率、不定脉冲次数的开启脉冲控制的控制器。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可控开关为继电器。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述4个开关管均为NMOS或均为IGBT。
8.一种均衡控制方法，其特征在于，应用于蓄电池组均衡电路，该蓄电池组均衡电路包括与蓄电池组中各单体电池一一对应连接的均衡电路单元；每个均衡电路单元包括由4个开关管构成的全桥电路、连接在所述全桥电路输出侧的变压器绕组、与所述变压器绕组的漏感串联后构成谐振腔的谐振电容，以及并联在所述谐振电容上的可控开关；每个均衡电路单元的变压器绕组为同一变压器磁芯上的相同匝数的互耦绕组；该均衡控制方法包括：
获取蓄电池组中各电池单体的能量；
判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡；
若不均衡，控制蓄电池组中能量最低的单体电池对应的可控开关闭合、能量最高的单体电池对应的可控开关断开，并对所述能量最高的单体电池对应的全桥电路进行开启脉冲控制，所述脉冲控制结束后重新检测蓄电池组中各单体电池能量是否均衡。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在外电压高于第一电压阈值的单体电池，和/或是否存在外电压低于第二电压阈值的单体电池，其中，所述第一电压阈值不小于所述第二电压阈值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述判断蓄电池组中各电池单体的能量是否均衡，包括：判断蓄电池组中是否存在剩余电量高于第一电量阈值的单体电池，和/或是否存在剩余电量低于第二电量阈值的单体电池，其中，所述第一电量阈值不小于所述第二电量阈值。
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