CN104953659B - 一种电池组充放电均衡电路和充放电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池组充放电均衡电路和充放电方法，包括变压电路、N个转换单元和对应的N个测控模块，N个转换单元依次级联，采用旁路电路和基于SOC的单体电池电压排序充放电控制方法配合使用，测控模块按电压或者SOC的差异进行实时在线的动态电压均衡控制，避免电池组充放电过程中“过充”、“过放”、“欠充”等问题，有效的避免了电池组使用过程中产生的不一致问题，此外，若干电池模组不直接串联，而是通过转换电路串联成组，能够方便、快捷的实现电池组的充放电过程，同时也使后期对该电路均衡部分进行维护、检修等工作更加便捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池组充放电均衡电路和充放电方法。
背景技术
随着智能电网和电动汽车的发展，锂离子电池在电池储能和电动汽车领域得到了广泛应用，但单体电池的一致性问题严重影响了电池成组后的循环使用寿命和安全性。不仅严重影响了电池串并联使用的安全性，也使得电池的单次循环使用成本大幅增加，制约了储能产业和电动汽车产业的发展，因此，必须对电池进行均衡来改善电池的不一致问题，提高锂电池组的寿命和效率
目前，为解决电池在使用过程中的不一致问题，主要实施以下两种技术手段，电压均衡和电池均衡维护。电压均衡通过BMS(电池管理系统)中采用电阻耗能型或能量转移型均衡电路，按单体电压进行均衡，主要缺点是BMS无法准确检测到每级电池模组的SOC，不能实现按每级电池的SOC进行均衡，均衡效果不理想，而且均衡电路能力有限，当电池一致性差异超过一定范围，也无法实现均衡。电池均衡维护是在电池使用过程中，定期根据电池状态进行均衡充电维护，缺点是电池均衡维护工作量大、维护成本高，不能及时在线维护，在电池规模化推广应用中也缺乏可操作性。
另外，由于电动汽车开始在世界范围内推广应用，届时每年将有大量的动力电池从车上退役。电动汽车退役动力电池应用于储能领域，需要经过严格的筛选和配组，现有的筛选配组技术是在电池成组时选择一致性好的单体电池进行配组，筛选配组难度较大，电池淘汰率较高，成本太高，失去了工程应用的价值。亟需研发一种能适应退役电池一致性差异的变流器，降低应用成本，提高安全可靠性。
针对锂离子电池成组应用的一致性问题，本申请通过研究适合于多类型、一致性差异大的锂离子电池充放电应用的功率变换拓扑和控制技术，提出一种新型的功率变换技术和充放电控制方法，解决了锂离子电池组因电池单体一致性差异影响电池组系统可靠性和可用率低的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池组均衡电路，用以解决电池组因单体电池一致性差异导致电池组系统可用率低的问题，并且还提供了用于该均衡电路的充放电控制方法，以配合均衡电路快速实现充放电控制。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种电池组均衡电路，包括变压电路、转换电路和测控系统；
转换电路由至少两个转换单元组成，每个转换单元具有用于与对应单体电池相连接的电池端口和用于与相邻转换单元级联的级联端口，各转换单元通过级联端口级联，位于首尾位置的转换单元的相应级联端口与变压电路的输入/输出端口对应连接；所述转换单元包括用于在单体电池为充电或放电状态下打开的充放电通道和用于将单体电池旁路的旁路通道；所述充放电通道由至少一个充放电可控开关构成，所述旁路通道由至少一个旁路可控开关构成。
进一步的，所述充放电可控开关与所述旁路可控开关串联后的两端连接所述电池端口，旁路可控开关两端连接所述级联端口。
进一步的，所述测控系统包括至少两个测控模块，所述各测控模块控制连接对应的转换单元，每一个测控模块和其对应的转换单元一体封装。
进一步的，所述可控开关是电力MOSFET管。
本发明还提供了一种充电方法，步骤如下：
(1)将所述均衡电路的各个转换单元与单体电池对应连接，并使电路工作在充电状态。
(2)测量所有单体电池模组的电量参数，然后对所述电量参数进行排序，求取最小值和最大值，所述电量参数为电池电压或SOC；
(3)将测量到的每个单体电池的电量参数分别与预设值进行比较，对电量参数数值大于等于预设值的单体电池的转换电路进行控制，使其旁路通道打开，对电量参数数值小于预设值的单体电池继续充电；
(4)重复上述步骤2、3，直到电量参数最小值大于等于电池的充电上限值时，停止充电。
本发明又提供了一种放电方法，步骤如下：
(1)将所述充放电电路的各个转换电路与单体电池对应连接，并使电路工作在放电状态。
(2)测量N级单体电池模组的电量参数，然后对电量参数进行排序，求取最小值和最大值，所述电量参数为电池电压或SOC；
(3)将测量到的每个单体电池的电量参数数值分别与放电下限值进行比较，对电量参数数值小于等于放电下限值的单体电池的转换电路进行控制，使其旁路通道打开，对电量参数数值大于放电下限值的单体电池继续进行放电；
(4)重复上述步骤2、3，直到电量参数最大值小于等于放电下限值时，停止放电。
本发明的有益效果是：电池组不直接串联，而是级联成组，通过对各转换单元设置旁路通道和充放电通道，能够实现电池组充放电过程中的功率无损耗，节约电能，并使电池充放电和旁路之间的切换更加稳定，采用级联结构将转换单元级联成组，能够使电池组充放电过程方便、快捷，同时也使后期对该电路均衡部分进行维护、检修等工作更加便捷。
此外，还采用基于单体电池的SOC或电压的排序控制方法，测控模块按电压或者SOC的差异进行实时在线的动态电压均衡控制，通过控制转换电路的旁路通道和充放电通道的开闭，对“过充”、“过放”的电池进行旁路控制，有效的避免了电池组使用过程中产生的不一致问题。
附图说明
图1是本发明电路的电路原理图(虚框内为均衡电路)；
图2是转换单元与测控模块的对应连接图；
图3是各转换单元不同电路状态对应的电流流向图；
图4是变流器充电控制流程图；
图5是变流器放电控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
电路实施例
一种电池组充放电均衡电路，包括变压电路、转换电路和测控系统，转换电路由至少两个转换单元组成，转换单元具有用于与对应单体电池相连接的电池端口和用于与相邻转换单元级联的级联端口，各转换单元通过级联端口级联，位于首尾位置的转换单元的相应级联端口与变压电路的输入/输出端口对应连接；所述转换单元包括用于在单体电池为充电或放电状态下打开的充放电通道和用于将单体电池旁路的旁路通道，所述充放电通道由至少一个充放电可控开关构成，所述旁路通道由至少一个旁路可控开关构成。
如图1所示，其中虚线框中包括变压电路和转换电路。
具体的，本实施例中转换电路由N个转换单元级联组成，各个转换单元由一个充放电可控开关与一个旁路可控开关串联组成，其串联后的两端连接所述电池端口，旁路可控开关两端连接所述级联端口。充放电可控开关、旁路可控开关为IGBT，MOS管等开关器件。作为其他实施方式，转换单元可以由多个充放电可控开关和旁路可控开关构成。
具体的，如图3所示，各转换单元有旁路通道和充放电通道，其中旁路通道由可控开关T2构成，充放电通道由可控开关T1构成，当T1导通，T2截止转换电路工作在充电状态；当T1截止，T2导通转换电路工作在旁路状态；当T1导通，T2截止转换电路工作在放电状态，本实施例的开关管采用低压MOSFET，内部寄生有反并联二极管，为降低通态损耗，充、放电状态时T1保持ON信号，T2保持OFF信号；旁路状态时T2保持ON信号，T1保持OFF信号。
作为其他实施方式，为了消除电流阶跃变化对电池模组的影响，转换单元还包括并联在电池端口两端的高频滤波电容Cf。
本实施例中变压电路为双向斩波电路，其低压侧端口中的上端口与位于首端的转换单元的相应级联端口对应连接，下端口与位于尾端变换单元的相应级联端口对应连接。双向斩波电路的高压侧通过并网变流器接入交流电网或直接接入公共直流母线。作为其他实施方式，也可以采用其他具有变压功能的DC/DC电路。
如图2所示，各测控模块与对应转换单元相连接，转换单元与测控模块能够封装为一体，封装后的整体与对应单体电池相装配，这样能够避免各单体电池串联成组，而是通过该整体间的串联，来实现对各单体电池的充放电，这样做能够使后期对该电路均衡部分进行维护、检修等工作便捷，同时，对各单体电池的拆卸与安装也提供了极大的方便。
各级测控模块能够对所连接的单体电池的电压、电流、温度进行采样，实时监测每个电池模组的电压、电流、温度、SOC等信息，并通过CAN接口通讯上传到处理运算单元，控制单元控制对应单桥臂电路工作状态的选择。
以上实施例中的电路拓扑，能够实现背景技术中指出的电池均衡问题，也能够解决退役动力电池梯次利用问题。
充放电控制方法实施例
在电池组充电过程中，设定一固定周期，各级测控模块在每个周期中对对应单体电池的电压进行采集，并将采集到的数据通过通讯接口传输给处理运算单元，处理运算单元将采集到的数据进行排序，并选取单体电压中最高值Max(E1,E2,…,EN)对应的单体电池进行旁路控制，实现各级单体电池电压趋于均衡。
具体充电控制过程如下：以磷酸铁锂电池为例，每个电池单体的额定端电压为3.2V，充电上限电压为3.5V。这里将预设值设为3.55V(预设值可以根据具体单体电池电压设定)，如图4所示，具体步骤如下：
1)将所述充放电装置的各个转换电路与单体电池对应连接，并使装置工作在充电状态；
2)测量每个单体电池模组的电压，对所测电压数据进行排序，求取最小值和最大值；
3)每个单体电池电压分别与3.55V进行比较，对大于等于3.55V的单体电池的转换电路进行控制，使其旁路通道打开，对电压小于3.55V的单体电池继续充电；
4)重复上述步骤，直到电压最小值大于等于电池的充电上限值时，停止充电。
各级测控模块在每个周期中对对应单体电池的电压进行采集，并将采集到的数据通过通讯接口传输给处理运算单元，处理运算单元将采集到的数据进行排序，并选取单体电压中最低值Min(E1,E2,…,EN)对应的单体进行旁路控制。
具体放电控制过程如下：以磷酸铁锂电池为例，每个电池单体的额定端电压为3.2V，放电下限电压为2.7V，这里将预设值设为2.75V(预设值可以根据具体单体电池电压设定)，如图5所示，具体步骤如下：
1)将所述充放电装置的各个转换电路与单体电池对应连接，并使装置工作在放电状态。
2)测量每个单体电池模组的电压，对所测电压数据进行排序，求取最小值和最大值；
3)每个单体电池电压分别与2.7V进行比较，对小于等于2.7V的单体电池的转换电路进行控制，使其旁路通道打开，对电压大于2.7V的单体电池继续放电；
4)重复上述步骤，直到电压最大值小于等于2.7V时，停止充电。
本实施例中测控模块的控制方式是根据单体电池的电压参数来进行控制的，当然也可以根据单体电池的SOC参数来进行控制，方法与按电压排序控制方法类似，这里不再赘述。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种电池组充放电均衡电路，其特征在于，包括变压电路、转换电路和测控系统；
转换电路由至少两个转换单元组成，每个转换单元具有用于与对应单体电池相连接的电池端口和用于与相邻转换单元级联的级联端口，各转换单元通过级联端口级联，位于首尾位置的转换单元的相应级联端口与变压电路的输入/输出端口对应连接；所述转换单元包括用于在单体电池为充电或放电状态下打开的充放电通道和用于将单体电池旁路的旁路通道；
所述充放电通道由至少一个充放电可控开关构成，所述旁路通道由至少一个旁路可控开关构成；
所述变压电路通过并网变流器接入交流电网。
2.根据权利要求1所述的电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述充放电可控开关与所述旁路可控开关串联后的两端连接所述电池端口，旁路可控开关两端连接所述级联端口。
3.根据权利要求1所述的电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述测控系统包括至少两个测控模块，所述各测控模块控制连接对应的转换单元，每一个测控模块和其对应的转换单元一体封装。
4.根据权利要求2所述的电池组充放电均衡电路，其特征在于，所述可控开关是电力MOSFET管。
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