CN105609887A - 基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法，属于电池储能系统技术领域。所述的架构底层采用相邻单体-单体(C2C)结构，被分为不同的电池包。顶层采用变压器耦合的多向多端口变换器，实现底层任意电池包之间能量双向流动。该分层架构可以减少同时工作的均衡电路数量，避免电池在均衡过程中的反复充放电问题，改善电池健康状态。所述的混合控制方法在电池静置时，通过计算SOC得到各电池单体所需的均衡电流，对均衡系统进行控制；在电池工作时，通过计算SOC变化率对各均衡电路进行控制，提前预测潜在的不均衡趋势并给予纠正，保证各电池实时均衡。此外，所述分层架构和控制方法均可减小均衡电路所需的额定电流，从而降低系统成本，减小能量损耗。

Description

基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法

技术领域

本发明公开了一种基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法，属于电池储能系统技术领域。

背景技术

近年来，随着电动汽车、混合动力汽车以及新能源发电储能系统的快速发展，电池在其中的重要性越加突显。由于电池单体电压有限，串联电池组得到了广泛应用，以满足上述系统的电压等级要求。然而，由于生产条件、工作环境、老化速度以及内部化学特性等因素的不同，串联电池组中各单体之间会存在容量的不均衡，严重影响了电池组的能量利用率、电池寿命和系统安全。因此，在串联电池组中加入均衡机构，保证各电池单体容量一致具有重要意义。

相比于使用电阻、线性半导体器件将不均衡能量以热能形式消耗的被动均衡方式，使用开关器件和电感、电容等无源元件的主动均衡方式具有均衡速度快、能量损耗少、热量产生低等优势，因此得到了更多关注。图1(a)为传统相邻单体-单体(CelltoCell,C2C)均衡架构，由于相邻均衡电路互相影响，均衡控制复杂，能量损耗也相应增大。图1(b)为传统单体-电池包(CelltoPack,C2P)均衡架构，不同的均衡电路可以独立工作。但是当某个电池单体需要放电均衡时，部分能量会通过电池包流回该电池，从而等效为一个重复放电-充电过程。该现象不仅导致能量损失，更对电池健康状态(StateofHealth,SOH)产生不利影响，缩短电池使用寿命。因此，上述两种传统均衡架构各有缺陷，无法使均衡系统效果达到最优。

从均衡控制方法角度来看，现有的方案主要基于SOC或电池电压进行控制。然而无论基于SOC还是电池电压，均衡系统都必须在两者产生一定不均衡偏差之后进行相应均衡操作。换言之，当均衡电路开始工作时，电池不均衡现象已经产生，意味着此时电池的健康状态已经受到损害，若在电池放电/充电到所允许的容量阈值前不能完成均衡，则导致系统可利用的能量减少。为了在尽可能短的时间内消除不均衡现象，均衡电路不得不承受较高的电流应力，从而增加了电路的损耗和成本。

发明内容

本发明针对现有技术中的缺陷和不足，提出了一种分层式均衡电路系统，其适用于串联电池组系统。该系统可以实现电池包之间控制解耦，避免电池包反复充放电问题，从而降低系统能量损耗，提升电池健康状态，同时具有结构简单、模块化程度高等优点。

本发明另一目的是提供一种混合控制方法，该方法针对电池在静置和充放电时的不同特点，在静置时保证各电池单体SOC一致，在充放电时预测电池不均衡趋势并提前进行均衡控制，对不均衡现象防患于未然，使各电池单体SOC变化率一致，最终保证电池始终处于均衡状态，延长其使用时间和寿命。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种分层式均衡电路系统，用于对串联电池组的控制，串联电池组的n个电池单体被分为m个电池包，每个电池包内有p个电池单体(p＝n/m，如有余数则四舍五入取整数)。系统包括一个主BMS单元、若干个顶层均衡电路和若干个底层均衡电路，m个电池包配置有m个顶层均衡电路，每个电池包并联一个顶层均衡电路，每个顶层均衡电路连接多绕组变压器的一个绕组，各顶层均衡电路之间通过多绕组变压器进行耦合；

底层均衡电路采用C2C架构，n个电池单体共配置有n-1个底层均衡电路，各均衡电路独立工作，每两个相邻电池单体由一个底层均衡电路进行均衡，底层均衡电路的输入输出端分别与两节相邻电池单体相连；

顶层均衡电路和底层均衡电路分别与主BMS单元连接，各电池包内的电池单体分别与主BMS单元连接。

本发明的进一步设计在于：

系统还包括一个或多个从BMS单元，从BMS单元与各电池包内的电池单体连接及底层均衡电路连接，主BMS单元与从BMS单元连接。

m个电池包优选设有m个从BMS单元，每个从BMS单元控制一个电池包，与该电池包内的每个电池单体连接，并与该电池包内各底层均衡电路连接。

顶层均衡电路采用移相半桥拓扑：由第一开关管Q_{i_1}和第二开关管Q_{i_2}(i＝1,2,…,m)串联构成一个桥臂，(两个开关管各50％占空比互补导通)；由第一谐振电容C_{i_1}与第二谐振电容C_{i_2}串联构成另一个桥臂；第一开关管Q_{i_1}漏极与第一谐振电容C_{i_1}一端相连，第二开关管Q_{i_2}漏极与第二谐振电容C_{i_2}一端相连，电感L_{r_i}为变压器漏感，与多绕组变压器一个绕组串联连接在所述两个桥臂中点；(多绕组变压器各绕组通过磁芯实现各绕组耦合。当任意两个电池包之间需要传递能量时，以第1个和第m个为例，主BMS发出PWM信号，使Q_{1_1}和Q_{m_1}之间呈一定移相角导通，根据移相角的不同则电流流向及大小相应变化，从而对两电池包之间的均衡电流进行控制。

底层均衡电路采用双向BuckBoost、开关电容、双向Cuk及其它在C2C架构中常用的变换器拓扑。

主、从BMS单元分别使用ST公司的STM32F407和STM32F104系列的ARM控制芯片；底层均衡电路控制器采用PWM模拟控制芯片(如TI公司UCC35705)。

各电池包内的从BMS单元通过信号线与该电池包内的各电池单体以及底层均衡电路相连，主BMS单元通过信号线与顶层均衡电路相连。从BMS单元与主BMS单元通过CAN总线相连。

(从BMS单元检测电池包内各电池单体的工作状态(电压、电流、温度)并实时估算电池容量、SOC、SOC变化率、电流接受率，将以上信息通过CAN总线发送至主BMS单元。主BMS单元计算系统内所有均衡电路所需的工作电流，通过信号线直接控制顶层均衡电路工作，并将底层均衡电路的电流基准通过CAN总线发送至各从BMS单元，各从BMS单元通过信号线控制底层均衡电路工作。

主BMS单元通过信号线采集顶层均衡电路的实际工作电流，并计算顶层均衡电路所需要的工作电流，直接输出PWM信号控制顶层均衡电路工作。

每个底层均衡电路均由独立的从BMS进行控制，从BMS单元通过CAN总线接收主BMS单元发送的各底层均衡电路所需电流基准，并通过信号线将电流基准信息发送至PWM芯片。)

分层式均衡电路系统对电池组的混合均衡控制方法，该方法包含如下步骤：

步骤a)各从BMS单元控制电池包的底层均衡电路，通过传感器实时采样各电池包内每节电池的电压、电流和温度信号，实时估算出每节电池的容量、SOC、SOC变化率和电流接受率，并将信息通过CAN总线传输至主BMS；

步骤b)根据步骤a)中采样的电流信号判断电池是否处在充放电过程中；

1)若电池在充放电过程中，则主BMS单元计算所有电池单体的SOC变化率平均值，并以该平均值作为基准以控制均衡电路，通过计算各均衡电路所需的工作电流基准，使电池在充放电过程中SOC变化率一致；

对顶层均衡电路，计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& ...& 0& 1\\ 0& -1& ...& 0& 1\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ 0& 0& ...& -1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\‾}{K_1}\·dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{\stackrel{\‾}{K_2}\·dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\‾}{K_m}\·dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中m为电池包总数；I_ci(t)为顶层均衡电路第i个绕组所需的工作电流基准(0<i≤m)；dSOC(t)/dt为要达到的SOC变化率，即所有电池SOC变化率的平均值；I₀(t)为充放电电流。为表征第i个电池包电池特性的系数，表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{K_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}\frac{C_{i\_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{i\_j}}}{p}---\left(2\right)$

其中C_{i_j}，α_{i_j}分别是该电池包内第j节电池的容量和电流接受率，可由安时积分、开路电压、卡尔曼滤波等方法进行测量计算；p为该电池包内电池单体数量。

对底层均衡电路，计算方法为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& ...& 1\\ -1& -1& 0& ...& 2\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ -1& -1& -1& ...& n-1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{K_2\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(3\right)$

其中n为串联电池组电池总数；I_{c_i}(t)为第i个底层均衡电路所需的工作电流基准(0<i≤n)；K_i＝C_i/α_i为表征第i节电池电池特性的系数，其中C_i，α_i分别是第i节电池的容量和电流接受率；I_cj(t)为上面求得的第j个顶层均衡电路实际工作电流基准；A_ij为系数；

表示为：

$A_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}-1& (j-1)p<i\&le;jp\\ 0& else\end{array}\right.---\left(4\right)$

由式(2)和(3)，可以得到顶层和底层每个均衡电路所需的工作电流；主BMS单元将采样得到的各顶层均衡电路实际工作电流，与上述计算得到的各顶层均衡电路所需的工作电流基准进行比较及PI运算，并输出PWM控制顶层均衡电路工作。若顶层电路实际工作电流小于所需的工作电流基准，则主BMS增大该均衡电路移相角，从而增大实际工作电流使其与所需电流相等，反之亦然；同时，主BMS单元将各底层均衡电路所需的工作电流基准信息通过CAN总线发送至各从BMS单元，从BMS再将基准发送给该底层均衡电路的PWM控制芯片，PWM控制芯片将采样得到的底层均衡电路实际工作电流，与电流基准进行比较及PI运算，并输出PWM控制底层均衡电路工作；若底层电路实际工作电流小于所需的工作电流，则PWM控制芯片增大该均衡电路PWM信号的占空比，从而增大实际工作电流使其与所需电流相等，反之亦然，直至该层均衡电路实际工作电流等于该均衡电路所需的工作电流；

2)若电池在静置时，主BMS单元计算所有电池单体的SOC平均值，并以此作为均衡基准以控制均衡电路，计算系统内各均衡电路所需的工作电流基准。

对顶层均衡电路，计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ 0& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ 0& 0& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_1}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}}{T}\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_m}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_m\left(t\right)}}{T}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中为第i个电池包需要均衡的SOC值，即第i个电池包内电池的SOC平均值与所有电池SOC平均值之差；T为所需均衡时间，由电池容量以及不均衡程度限定。I_ci(t)为顶层均衡电路第i个绕组的所需的工作电流基准(0<i≤m)

对底层均衡电路，计算方法为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ -1& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ -1& -1& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}{T}\\ \frac{K_2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_{n-1}\left(t\right)}{T}\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中ΔSOC_i(t)为第i节电池需要均衡的SOC值，即第i节电池的SOC与所有电池SOC平均值之差。

由式(5)和(6)，可以得到顶层和底层各均衡电路所需的工作电流，具体的控制过程同步骤1)；

步骤c)当电池工作状态(如电池充放电电流、温度等)发生变化时，主BMS单元根据采样情况实时更新电池电压、电流、温度参数，并重复步骤b)中的控制过程以调整各变换器工作电流基准，保证电池始终处于均衡状态。

本发明的有益效果如下：

1、本发明可以实现不同电池包之间控制解耦，减少同时工作的均衡电路数量，降低系统能量损耗，提高电池能量利用率。

2、本发明可以避免均衡过程中对电池的反复充放电过程，提高电池健康状态，延长电池使用寿命。

3、本发明顶层电路拓扑采用变压器耦合结构，可以实现任意电池包之间能量自由流动，灵活性强，变压器各侧电压近似相等，电路效率高。

4、本发明对电池工作和静置时采用不同控制方式，在静置时根据SOC作为参考，保证电池绝对均衡；在充放电过程中通过SOC变化率预测各电池间的不均衡趋势，提前进行均衡动作，响应速度快，保证电池在工作中始终处于均衡状态。

5、本发明可以降低均衡电路所需额定电流，从而减小电路工作时能量损耗，降低系统所需成本。

6、本发明直接针对电池SOC进行控制，避免环境和电池工作状态对控制策略的影响，均衡结果准确。

7、本发明适用范围广，无论顶层还是底层均衡电路都可使用不同拓扑结构。

8、本发明结构简单，均衡电路模块化程度高，顶层和底层均可独立工作，鲁棒性强，维护成本低。

9、本发明采用主从模式的数字化控制结构，充分利用已有的电池能量管理系统，无需额外控制单元。

附图说明

图1(a)是传统C2C均衡架构，图1(b)是传统C2P均衡架构。

图2是本发明的整体架构图。

图3是本发明的顶层架构图。

图4是本发明顶层均衡电路拓扑。

图5是本发明的底层架构图。

图6是基于双向BuckBoost变换器的底层均衡电路拓扑。

图7是本发明的控制方法框图。

图8是本发明的控制流程图。

图9是本发明的架构和传统C2C架构均衡电路工作电流概率密度对比图。

图10是本发明的控制方法和传统控制方法均衡电路工作电流对比图。

图11是使用本发明的均衡架构和控制方法前后均衡效果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

实施例一：

图2给出了基于串联电池组的分层均衡架构图。系统分为顶层和底层两级均衡结构，底层采用C2C均衡架构，每相邻两个电池单体由一个均衡电路进行均衡，该电路的输入输出端分别与两节相邻电池单体相连，具体电路拓扑可选用双向BuckBoost，双向Cuk，开关电容等双向变换器。n个电池单体被分为m个电池包，每个电池包内有p个电池单体(p＝n/m，如有余数则四舍五入取整数)。在此基础上，每个电池包经过功率变换电路(如半桥、全桥、推挽等拓扑)与多绕组变压器的一个绕组相连，从而与其它电池包耦合并进行能量传递，组成多向多端口变换器，构成顶层均衡结构。每个电池包内均包含一个从BMS单元，整个系统另有一个主BMS单元，主从BMS单元之间通过CAN总线连接并通信。各电池包内的从BMS单元通过信号线与该电池包内的各电池单体以及底层均衡电路相连，主BMS单元通过信号线与顶层均衡电路相连。

图3给出了本发明顶层均衡结构详细框图，主BMS单元计算系统内所有均衡电路所需要的工作电流，并且直接输出PWM信号控制顶层均衡电路工作。同时，主BMS单元将底层各均衡电路所需的工作电流信息通过CAN总线发送至各电池包内的从BMS单元。各电池包所连的功率变换电路通过多绕组变压器进行耦合，构成一个多向多端口变换器。在该变换器中，能量能够通过变压器，在系统内任意两个电池包之间进行双向传递。当某个电池包通过变压器绕组向其它电池包放电时，该电池包可被视为电压源；反之充电时，该电池包可被视为负载。因此，该变换器可以实现灵活的功率大小及流向控制，并且由于各电池包内电池数量基本相同，因此电池包端电压近似相等，所需变压器各绕组匝数之比可设计为1:1，从而变换器能够保证高效率，有利于减小均衡过程中的能量损耗。变换器具体电路没有严格限制，只需保证每个绕组所连功率变换拓扑保持一致，使得能量能够在对称的结构中双向流动即可，半桥、全桥、推挽等拓扑均可在该场合使用。

图5给出了本发明底层均衡结构详细框图，各电池包内的从BMS单元对各电池单体进行监控，实时估算SOC，并通过CAN总线获取主BMS单元所发送的各底层均衡电路所需的工作电流信息。每个底层均衡电路均由独立的PWM芯片进行控制，从BMS单元将电流基准信息发送至PWM芯片。现有适用于C2C架构的均衡电路如双向BuckBoost、双向Cuk、开关电容等拓扑均可应用于该架构中。

实施例二：

图4给出了本发明顶层均衡电路的拓扑结构。该电路基于移相半桥拓扑，第一开关管Q_{i_1}和第二开关管Q_{i_2}(i＝1,2,…,m)串联构成一个桥臂，两个开关管各50％占空比互补导通。第一谐振电容C_{i_1}与第二谐振电容C_{i_2}串联构成另一个桥臂。电感L_{r_i}为变压器漏感，与变压器一个绕组串联接在两个桥臂中点。变压器各绕组通过磁芯与其它绕组耦合。当任意两个电池包之间需要传递能量时，以第1个和第m个为例，主BMS发出PWM信号，使Q_{1_1}和Q_{m_1}之间呈一定移相角导通，根据移相角的不同则电流流向及大小相应变化，从而对两电池包之间的均衡电流进行控制。移相角与电流的具体对应关系与传统移相半桥变换器一致，非本发明重点，故此处不再赘述。

图6给出了基于双向BuckBoost拓扑的均衡电路，具体构成此处不再赘述。

实施例三：

图7、图8分别给出了本发明的混合控制方式框图和控制流程图。

各从BMS采样得到各电池单体的电压、充放电电流、温度信息，估算电池容量、SOC、SOC变化率、电流接受率。当电池处于静置状态时，主BMS使用SOC作为控制对象；当电池处于工作状态时，使用SOC变化率作为控制对象，计算各均衡电路对应的工作电流基准。

由图1(a)可知，底层C2C架构均衡系统中，流过第i个电池单体的均衡电流I_{b_i}等于该电池相邻两个均衡电路工作电流I_{c_i}，I_{c_i-1}以及该电池单体所在电池包(设为j)的顶层均衡电路工作电流之差，即

$I_{b\_i}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{c\_i}-I_{cj}& i=1\\ I_{c\_i}-I_{c\_i-1}-I_{cj}& i>1\end{array}\right.---\left(1\right)$

第i个电池单体的SOC可以表示为

${\mathrm{SOC}}_i\left(t\right)={\mathrm{SOC}}_i\left(t_0\right)+\frac{{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+t}{\mathrm{\&alpha;}}_i{I}_i\left(t\right)dt}{C_i}={\mathrm{SOC}}_i\left(t_0\right)+\frac{1}{K_i}{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+t}{I}_i\left(t\right)dt,({\mathrm{\&alpha;}}_i\&le;1)---\left(2\right)$

其中SOC_i(t₀)是第i节电池初始SOC，α_i是第i节电池电流接受率，C_i是第i节电池容量，I_i(t)是流过第i节电池电池的电流，即充放电电流与均衡电流之差。K_i＝C_i/α_i为表征第i节电池电池特性的系数，其值的不同即代表了电池参数的不一致性，从而导致不均衡现象的发生。本发明的控制方式的目标即是通过均衡电流来消除K_i的影响，使各电池单体的SOC始终一致。

在电池充放电过程中，电池单体的SOC变化率可表示为

$\frac{{\mathrm{dSOC}}_i\left(t\right)}{dt}=\frac{I_i\left(t\right)}{K_i}=\frac{I_0\left(t\right)-I_{b\_i}\left(t\right)}{K_i}---\left(3\right)$

其中I₀(t)为串联电池组的充放电电流。

均衡目标为保持所有电池单体具有一致的SOC变化率dSOC/dt，将式(1)代入式(3)，可以得到电池工作时各均衡电路所需工作电流的计算矩阵，顶层：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& ...& 0& 1\\ 0& -1& ...& 0& 1\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ 0& 0& ...& -1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_1}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_m}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中m为电池包总数；I_ci(t)为顶层均衡电路第i个绕组的工作电流(0<i≤m)；dSOC(t)/dt为要达到的SOC变化率，即所有电池SOC变化率的平均值；I₀(t)为充放电电流。为表征第i个电池包电池特性的系数，表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{K_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}\frac{C_{i\_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{i\_j}}}{p}---\left(5\right)$

其中C_{i_j}，α_{i_j}分别是该电池包内第j节电池的容量和电流接受率；p为该电池包内电池单体数量。

底层：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& ...& 1\\ -1& -1& 0& ...& 2\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ -1& -1& -1& ...& n-1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{K_2\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中n为串联电池组电池总数；I_{c_i}(t)为第i个底层均衡电路的工作电流(0<i≤n)；K_i＝C_i/α_i为表征第i节电池电池特性的系数，其中C_i，α_i分别是第i节电池的容量和电流接受率；I_cj(t)为上面求得的第j个顶层均衡电路工作电流。A_ij为系数，表示为：

$A_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}-1& (j-1)p<i\&le;jp\\ 0& else\end{array}\right.---\left(7\right)$

在静置时，充放电电流为零，因此只有均衡电流I_{b_i}(t)作用，式(1)可表示为

${\mathrm{SOC}}_i\left(t\right)={\mathrm{SOC}}_i\left(t_0\right)-\frac{1}{K_i}{\&Integral;}_{t_0}^{t_0+t}{I}_{b\_i}\left(t\right)dt---\left(8\right)$

设定静置时将各电池SOC在时间T内均衡至一致，每个电池单体需要变化的SOC为ΔSOC_i，且均衡过程中均衡电流恒定，则式(2)可表示为

${\mathrm{\&Delta;SOC}}_i=-\frac{I_{b\_i}T}{K_i}---\left(9\right)$

将式(1)代入式(9)，可以得到静置时各均衡电路所需工作电流的计算矩阵，顶层：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ 0& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ 0& 0& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_1}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}}{T}\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_m}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_m\left(t\right)}}{T}\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中为第i个电池包需要均衡的SOC值，即第i个电池包内电池的SOC平均值与所有电池SOC平均值之差；T为所需均衡时间，由电池容量以及不均衡程度限定。

底层：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ -1& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ -1& -1& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}{T}\\ \frac{K_2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_{n-1}\left(t\right)}{T}\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(11\right)$

其中ΔSOC_i(t)为第i节电池需要均衡的SOC值，即第i节电池的SOC与所有电池SOC平均值之差。

由矩阵(5),(6),(10)和(11)，可以分别计算得到电池工作和静置时各均衡电路所需的均衡电流，并进而转化为电流基准信号，从而主BMS能够控制各均衡电路进行均衡动作。静置时使用SOC作为均衡基准，有利于提高最终各电池均衡结果的准确性，充放电时使用SOC的变化率作为基准，有利于提高电池均衡的快速性与动态响应能力。若在充放电开始前各电池未能均衡到具有相同的SOC，则应优先使用SOC作为基准，在将各电池SOC均衡到一致后，改用SOC变化率作为基准。

对于顶层均衡电路，主BMS采样顶层均衡电路的工作电流得到反馈值I_{cj_fb}，与基准I_{cj_ref}比较并进行PI调节，输出PWM信号直接驱动顶层均衡电路进行工作。若I_{cj_fb}小于I_{cj_ref}，则增大移相角，从而增大工作电流，反之亦然。最终使顶层均衡电路工作电流始终保持为所需值。

对于底层均衡电路，主BMS将所需工作电流基准I_{c_i_ref}通过CAN总线发送至各从BMS，各从BMS再将其发送至各底层均衡电路的PWM控制芯片。控制芯片采样底层均衡电路的工作电流得到反馈值I_{c_i_fb}，与I_{c_i_ref}比较并进行PI调节，输出PWM信号直接驱动顶层均衡电路进行工作。若I_{c_i_fb}小于I_{c_i_ref}，则增大移相角，从而增大工作电流，反之亦然。从而使底层均衡电路工作电流始终保持为所需值。

假设电池组由24个电池单体串联而成，每个电池单体的额定容量C₀为200Ah，额定电流接受系数α₀为1，则额定电池特性系数K₀＝C₀/α₀＝200。串联电池组被分为3个电池包，每个电池包内有8个电池单体(n＝24,m＝3,p＝8)。系统最大充放电电流I_{0_max}为200A，各电池特性系数K_i在区间[0.975K₀,1.025K₀]内分布。

设电池B₁的特性系数K₁＝203，其余电池特性系数均为200，系统以最大电流充电。为了保证各电池均衡，若采用图1(a)中的C2C架构，则根据矩阵(7)，可计算得到各均衡电路所需工作电流为

I_{c_i}＝3-0.125i(12)

若采用本发明所述架构，首先顶层均衡电路工作使3个电池包内电池的SOC变化率平均值相同，可得顶层变换器工作电流为0.25A。再根据矩阵(7)，可得底层各均衡电路所需工作电流为

$I_{c\_i}=\left\{\begin{array}{cc}3-0.375i& i\&le;8\\ 0& i>8\end{array}\right.---\left(13\right)$

对比式(8)式(9)可知，采用本发明所述架构能够将同时工作的底层均衡电路由23个减少至8个，从而大幅减少均衡过程中的能量损耗。

若采用图1(b)中的C2P架构，则均衡电路1需要输出3A电流至电池组以均衡各电池，但同时有0.125A电流会通过电池组流回电池，从而造成能量浪费，并影响电池健康。若采用本发明所述架构，顶层电流可通过变压器在电池包之间自由流动，不会有电流回流出现。

在上述设计实例中，若K_i服从均匀分布，即

K_i～U(0.975K₀,1.025K₀)(14)

则各均衡电路工作电流I_{c_i}服从正态分布

$\begin{array}{c}{I}_{c\_i}~N(0,\mathrm{\&theta;}{\hat{n}}^2{I_0}^2)\\ F\left(I_{c\_i}\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\mathrm{\&theta;}{\hat{n}}^2{I_0}^2}}{e}^{-\frac{{I_{c\_i}}^2}{2\mathrm{\&theta;}{\hat{n}}^2{I_0}^2}}\end{array}---\left(15\right)$

其中F(I_{c_i})为I_{c_i}的概率密度函数，θ为常量，为等效串联电池单体数量。由于使用分层架构，电池包之间实现解耦，因此在本设计实例中，

图9给出了本发明所述架构和传统C2C架构中F(I_{c_i})的对比图。与传统架构相比，本发明由于将电池分包，等效串联电池单体数量减少，因此要满足同等概率的不均衡情况，其所需的最大工作电流更小。如图6所示，为满足98％的不均衡情况，传统架构下均衡电路所需最大工作电流为30A，而本发明所述架构下均衡电路最大工作电流仅为10A，所以在设计中大幅减少了均衡电路的额定电流，有助于选择电流应力更小、成本更低的器件。

图10给出了本发明所述控制方法和传统控制方法的各均衡电路工作电流对比图，其中电池以最大电流200A充电，相邻两电池单体间特性系数差为5％，传统控制方法通过比较SOC进行均衡判断，假设启动均衡的SOC差值阈值为2％，则由图7可知，为在10min内完成均衡，均衡电路所需工作电流为17.4A。而本发明所述的利用SOC变化率为控制对象的方法中，均衡电路所需电流与均衡时间无关，始终为5.1A。因此，本发明所述控制策略亦可减小均衡电路的额定电流。

图11给出了使用本发明所述均衡架构和控制方法前后，在以最大电流200A放电过程中各电池SOC的变化情况。由图可知，未使用均衡时，放电结束后系统内电池SOC差别最大为4.1％，而在使用本发明之后，电池SOC差别被消除，从而证明了本发明对均衡电池的有效性。

综上所述，本发明所述分层均衡架构可以减少同时工作的均衡电路数量，并且避免电池在均衡过程中的反复充放电问题，有助于减小均衡过程能量损耗，改善电池健康状态，延长电池使用寿命。本发明所述的混合控制方法可以在电池工作时提前预测电池潜在的不均衡趋势，从而在电池发生不均衡现象之前给予纠正，最终保证各电池实时均衡，提高电池能量利用率。此外，所述分层架构和控制方法均可有效减小均衡电路所需的额定电流，从而降低系统成本，并减小均衡过程中的能量损耗。因此，本发明具有现有架构及控制方法所不具备的优势。

以上实例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于串联电池组的分层式均衡电路系统，用于对串联电池组的控制，其特征在于：串联电池组的n个电池单体被分为m个电池包，每个电池包内有p个电池单体，系统包括一个主BMS单元、若干个顶层均衡电路和若干个底层均衡电路，m个电池包配置有m个顶层均衡电路，每个电池包并联一个顶层均衡电路，每个顶层均衡电路连接多绕组变压器的一个绕组，各顶层均衡电路之间通过多绕组变压器进行耦合；

底层均衡电路采用C2C架构，n个电池单体共配置有n-1个底层均衡电路，各均衡电路独立工作，每两个相邻电池单体由一个底层均衡电路进行均衡，底层均衡电路的输入输出端分别与两节相邻电池单体相连；

顶层均衡电路和底层均衡电路分别与主BMS单元连接，各电池包内的电池单体分别与主BMS单元连接。

2.根据权利要求1所述分层式均衡电路系统，其特征是：系统还包括一个或多个从BMS单元，从BMS单元与各电池包内的电池单体连接及底层均衡电路连接，主BMS单元与从BMS单元连接。

3.根据权利要求1或2所述分层式均衡电路系统，其特征是：m个电池包优选设有m个从BMS单元，每个从BMS单元控制一个电池包，与该电池包内的每个电池单体连接，并与该电池包内各底层均衡电路连接。

4.根据权利要求3所述分层式均衡电路系统，其特征是：顶层均衡电路采用移相半桥拓扑：由第一开关管Q_{i_1}和第二开关管Q_{i_2}串联构成一个桥臂，i＝1,2,…,m；由第一谐振电容C_{i_1}与第二谐振电容C_{i_2}串联构成另一个桥臂；第一开关管Q_{i_1}漏极与第一谐振电容C_{i_1}一端相连，第二开关管Q_{i_2}漏极与第二谐振电容C_{i_2}一端相连，电感L_{r_i}为变压器漏感，与多绕组变压器一个绕组串联连接在所述两个桥臂中点。

5.根据权利要求3所述分层式均衡电路系统，其特征是：底层均衡电路采用双向BuckBoost、开关电容、双向Cuk及其它在C2C架构中常用的变换器拓扑。

6.根据权利要求3所述分层式均衡电路系统，其特征是：主、从BMS单元分别使用ST公司的STM32F407和STM32F104系列的ARM控制芯片；底层均衡电路控制器采用PWM模拟控制芯片(如TI公司UCC35705)。

7.采用权利要求3-6任一所述分层式均衡电路系统对电池组的混合均衡控制方法，该方法包含如下步骤：

步骤a)各从BMS单元控制电池包的底层均衡电路，通过传感器实时采样各电池包内每节电池的电压、电流和温度信号，实时估算出每节电池的容量、SOC、SOC变化率和电流接受率，并将信息通过CAN总线传输至主BMS；

步骤b)根据步骤a)中采样的电流信号判断电池是否处在充放电过程中；

1)若电池在充放电过程中，则主BMS单元计算所有电池单体的SOC变化率平均值，并以该平均值作为基准以控制均衡电路，通过计算各均衡电路所需的工作电流基准，使电池在充放电过程中SOC变化率一致；

对顶层均衡电路，计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& ...& 0& 1\\ 0& -1& ...& 0& 1\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ 0& 0& ...& -1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_1}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_m}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中m为电池包总数；I_ci(t)为顶层均衡电路第i个绕组所需的工作电流基准(0<i≤m)；dSOC(t)/dt为要达到的SOC变化率，即所有电池SOC变化率的平均值；I₀(t)为充放电电流。为表征第i个电池包电池特性的系数，表示为：

$\stackrel{\&OverBar;}{K_i}=\frac{\underset{j=1}{\overset{p}{\&Sigma;}}\frac{C_{i\_j}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{i\_j}}}{p}---\left(2\right)$

其中C_{i_j}，α_{i_j}分别是该电池包内第j节电池的容量和电流接受率，可由安时积分、开路电压、卡尔曼滤波等方法进行测量计算；p为该电池包内电池单体数量。

对底层均衡电路，计算方法为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}-1& 0& 0& ...& 1\\ -1& -1& 0& ...& 2\\ .& & & & .\\ .& & ...& & .\\ .& & & & .\\ -1& -1& -1& ...& n-1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ \frac{K_2\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;dSOC\left(t\right)}{dt}\\ I_0\left(t\right)\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(3\right)$

其中n为串联电池组电池总数；I_{c_i}(t)为第i个底层均衡电路所需的工作电流基准(0<i≤n)；K_i＝C_i/α_i为表征第i节电池电池特性的系数，其中C_i，α_i分别是第i节电池的容量和电流接受率；I_cj(t)为上面求得的第j个顶层均衡电路实际工作电流基准；A_ij为系数；

表示为：

$A_{ij}=\left\{\begin{array}{cc}-1& (j-1)p<i\&le;jp\\ 0& else\end{array}\right.---\left(4\right)$

由式(2)和(3)，可以得到顶层和底层每个均衡电路所需的工作电流；主BMS单元将采样得到的各顶层均衡电路实际工作电流，与上述计算得到的各顶层均衡电路所需的工作电流基准进行比较及PI运算，并输出PWM控制顶层均衡电路工作。若顶层电路实际工作电流小于所需的工作电流基准，则主BMS增大该均衡电路移相角，从而增大实际工作电流使其与所需电流相等，反之亦然；同时，主BMS单元将各底层均衡电路所需的工作电流基准信息通过CAN总线发送至各从BMS单元，从BMS再将基准发送给该底层均衡电路的PWM控制芯片，PWM控制芯片将采样得到的底层均衡电路实际工作电流，与电流基准进行比较及PI运算，并输出PWM控制底层均衡电路工作；若底层电路实际工作电流小于所需的工作电流，则PWM控制芯片增大该均衡电路PWM信号的占空比，从而增大实际工作电流使其与所需电流相等，反之亦然，直至该层均衡电路实际工作电流等于该均衡电路所需的工作电流；

2)若电池在静置时，主BMS单元计算所有电池单体的SOC平均值，并以此作为均衡基准以控制均衡电路，计算系统内各均衡电路所需的工作电流基准。

对顶层均衡电路，计算方法为：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ 0& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ 0& 0& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_1}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}}{T}\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_2}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\stackrel{\&OverBar;}{K_m}\&CenterDot;\stackrel{\&OverBar;}{{\mathrm{\&Delta;SOC}}_m\left(t\right)}}{T}\end{array}\right]---\left(5\right)$

其中为第i个电池包需要均衡的SOC值，即第i个电池包内电池的SOC平均值与所有电池SOC平均值之差；T为所需均衡时间，由电池容量以及不均衡程度限定；I_ci(t)为顶层均衡电路第i个绕组的所需的工作电流基准(0<i≤m)

对底层均衡电路，计算方法为：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{I}_{c\_1}\left(t\right)\\ I_{c\_2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{c\_n-1}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-1& 0& ...& 0\\ -1& -1& ...& 0\\ .& & & .\\ .& ...& ...& .\\ .& & & .\\ -1& -1& ...& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\frac{K_1\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_1\left(t\right)}{T}\\ \frac{K_2\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_2\left(t\right)}{T}\\ .\\ .\\ .\\ \frac{K_{n-1}\&CenterDot;{\mathrm{\&Delta;SOC}}_{n-1}\left(t\right)}{T}\end{array}\right]\\ +\left[\begin{array}{cccc}{A}_{11}& A_{12}& ...& A_{1m}\\ A_{21}& A_{22}& ...& A_{2m}\\ .& & & .\\ .& & & .\\ .& & & .\\ A_{(n-1)1}& A_{(n-1)2}& ...& A_{(n-1)m}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{c1}\left(t\right)\\ I_{c2}\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ I_{cm}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}---\left(6\right)$

其中ΔSOC_i(t)为第i节电池需要均衡的SOC值，即第i节电池的SOC与所有电池SOC平均值之差；

由式(5)和(6)，可以得到顶层和底层各均衡电路所需的工作电流，具体的控制过程同步骤1)；

步骤c)当电池工作状态；发生变化时，主BMS单元根据采样情况实时更新电池电压、电流、温度参数，并重复步骤b)中的控制过程以调整各变换器工作电流基准，保证电池始终处于均衡状态。