CN106532852A - 基于lc串联储能的电池组均衡电路 - Google Patents

基于lc串联储能的电池组均衡电路 Download PDF

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康龙云
王书彪
卢楚生
令狐金卿
王则沣
冯元彬
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0016Circuits for equalisation of charge between batteries using shunting, discharge or bypass circuits

Abstract

本发明公开了一种基于LC串联储能的电池组均衡电路,用于解决现有技术中串联电池组均衡拓扑存在较高功率损耗,均衡器件多,均衡电路体积大成本高的问题。所述均衡电路包括n个串联电池,2n个双向可控开关,1个LC串联储能单元和一个开关控制器。2n个双向可控开关分为左右两组,左右开关一一对应,用于控制需要均衡电池的投切。LC串联储能单元由一个电容与一个电感串联组成,工作在准谐振状态下。本均衡电路实现了开关器件的零点流切换,降低了开关器件的开关损耗,实现了串联电池组低损耗主动均衡,且储能器件少电路体积小的技术效果,改善串联电池组不均衡的现象,适用于电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

Description

基于LC串联储能的电池组均衡电路
技术领域
本发明涉及电池组均衡的技术领域,具体涉及一种基于LC串联储能的电池组均衡电路。
背景技术
近年来,随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏,新能源汽车,尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件,对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后,各电池单体的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况,若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来,在实际使用中,将严重影响电池组使用寿命,甚至存在过热起火的安全隐患。
针对上述情况,为了改善电池组的不一致性问题,提高电池组的整体性能,则需要采用均衡控制。目前锂离子电池组均衡控制的方法,根据均衡过程中电路对能量的消耗情况,可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类;耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻,通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉,该方法将能量白白浪费掉,并且在均衡过程中产生了大量的热,增加了电池热管理的负荷。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。按照均衡功能分类,可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡,一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡,通过减小充电电流防止过充电;放电均衡是指在放电过程中的均衡,通过向剩余能量低的电池单体补充能量来防止过放电;动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点,是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。按照均衡器件不同可分为开关电容型,开关电感型,变压器型,DC-DC变化器型等拓扑。
传统开关电容均衡电路结构简单,控制方法简单。但是存在开关均为硬开关,损耗大,均衡效率较低,均衡速度慢等问题。且均衡器件多,均衡电路体积较大,成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷,提供一种基于LC串联储能的电池组均衡电路。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
一种基于LC串联储能的电池组均衡电路,所述均衡电路包括:1个电池组、2n个双向可控开关、1个LC串联储能单元和一个开关控制器,
其中,所述电池组为n个储能电池Bi(i=1,2,…,n)串联而成;所述LC串联储能单元由一个电感和一个电容串联而成,其一端为直流母线的正极,另一端为直流母线的负极;
所述2n个双向可控开关分为左、右两组,分别是左开关组和右开关组,所述左开关组包括双向可控开关S1a、S2a、…、Sia、…、Sna,所述右开关组包括双向可控开关S1b、S2b、…、Sib、…、Snb,所述双向可控开关Sia与所述双向可控开关Sib(i=1,2,…,n)一一对应,所述双向可控开关Sia的一端连接于储能电池Bi的正极,另一端连接于所述LC串联储能单元的直流母线的正极,所述双向可控开关Sib的一端连接于储能电池Bi的负极,另一端连接于所述LC串联储能单元的直流母线的负极;
所述开关控制器发出的开关控制信号连接到所述2n个双向可控开关,用来控制双向可控开关的导通与关断。
进一步地,所述双向可控开关由两个n沟道MOSFET反向串联组成或者由一个n沟道MOSFET与一个p沟道MOSTET正向串联组成。
进一步地,所述开关控制器发出的开关控制信号通过驱动电路连接到所述2n个双向可控开关。
进一步地,所述开关控制信号为一单极性方波,或者一对互补的单极性方波信号。
进一步地,所述开关控制信号的占空比为50%。
进一步地,所述LC串联储能单元由一个电感和一个电容串联而成的LC串联电路工作在准谐振状态下,所述均衡电路的开关频率fs根据均衡电路中的集总参数R、L、C确定,确保LC串联电路工作在准谐振状态,在每个开关时刻LC串联电路的电流降低为0值附近,减小开关损耗,提高均衡效率。
进一步地,所述电池组中电池是二次电池,包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中任意一种或多种。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
本发明公开了一种基于LC串联储能的电池组均衡电路为每一个单体电池或任意串联电池小组提供与LC进行电荷转移的均衡路径,可直接将能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去。另外通过控制开关频率与驱动信号的占空比,使LC串联电路工作在准谐振状态下,保证每次开关导通或关闭时,LC串联电路的电流都为零,实现零点流切换,大大减小均衡电路的开关损耗。另外均衡电路结构简单,均衡电路体积小成本低的技术效果。
附图说明
图1是本发明公开的基于LC串联储能的电池组均衡电路的电路原理图;
图2(a)是两个N沟道MOSFET构成的双向可控开关的原理图;
图2(b)是一个N沟道与一个P沟道MOSFET构成的双向可控开关的原理图;
图3是本发明提供的LC串联储能单元原理图;
图4(a)是能量较高的电池给LC电路充电过程示意图;
图4(b)是LC电路给能量较低的电池充电过程示意图;
图5(a)是能量较高的电池组给LC电路充电过程示意图;
图5(b)是LC电路给能量较低的电池组充电过程示意图;
图6是四节串联电池在仿真实验中的驱动信号(Vg1、Vg2)与电容电压Vc电感电流iL的波形;
图7是四节串联电池在仿真实验中的电压波形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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作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。
实施例
本实施例公开了一种基于LC串联储能的电池组均衡电路,适用于混合动力电动汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。
下面结合附图实例对本发明的技术方案作具体实施方式的详细说明。图1是一种基于LC串联储能的电池组均衡电路原理图,电池组为n个储能电池Bi(i=1,2,…,n)串联而成。所述均衡电路包括2n个双向可控开关,1个LC串联储能单元103,一个开关控制器104。
所述2n个双向可控开关分为左、右两组,分别是左开关组101,右开关组102。左开关组101包括双向可控开关S1a、S2a、…、Sia、…、Sna。右开关组102包括双向可控开关S1b、S2b、…、Sib、…、Snb。双向可控开关Sia与双向可控开关Sib(i=1,2,…,n)一一对应,双向可控开关Sia的一端连接于电池Bi的正极,另一端连接于LC串联储能单元103的直流母线的正极。双向可控开关Sib一端连接于电池Bi的负极,另一端连接于LC串联储能单元103的直流母线的负极。
所述LC串联储能单元103由一个电感和一个电容串联而成。所述储能单元的一端为直流母线的正极,分别与左开关组101中双向可控开关S1a、S2a、…、Sia、…、Sna,相连,所述储能单元的另一端为直流母线的负极,分别与右开关组102中双向可控开关S1b、S2b、…、Sib、…、Snb相连。
开关控制器104发出的开关控制信号通过驱动电路连接到2n个双向可控开关,用来控制开关的导通与关断。
图2(a)和图2(b)是本发明提供的双向可控开关的两个实施实例。
图2(a)是两个n沟道MOSFET反向串联,即M1的源极与M2的源极相连,M1的漏极与M2的漏极为开关的两个连接点。M1的门极与M2的门极相连接,并用同一单极性驱动信号。M1,M2同时导通或者同时关断。当M1,M2同时导通时,可实现双向导通。当M1,M2同时关闭时,双向均不导通。
图2(b)是一个n沟道MOSFET与一个p沟道MOSTET正向串联,即M1(n沟道)的源极与M2(p沟道)的漏极相连。M1的漏极,M2的源极作为双向开关的两个连接点。M1的门极采用单极性正电压驱动信号,M2的门极采用单极性负电压开通。M1,M2同时导通或同时关断,实现双向可控。
均衡原理与控制方法结合图4(a)、图4(b)与图5(a)、图5(b)阐述。
通过同时控制左开关组101中的Sia与右开关组102中的Sib的导通,可实现电池Bi与LC串联储能单元103之间进行电荷转移。该控制方法为任意一节单体电池与LC串联储能单元103进行电荷转移提供了均衡路径,可直接将能量从能量较高的电池转移到能量较低的电池中去,有针对性的转移电荷,提高了均衡效率。
通过同时控制Sia与Sjb导通,n≥i>j≥1,可实现电池小组Bj~Bi与LC串联储能单元103之间进行电荷转移。该控制方法为任意电池小组与LC串联储能单元103的LC串联电路进行电荷转移提供了均衡路径,同时对多节电池进行均衡。提供了更加自由直接的均衡路径。
如图4(a),串联电池组B1-B4中,B1的能量最高,B4能量最低时,控制双向可控开关S1a与S1b同时导通,B1向LC串联储能单元103的LC串联电路转移电荷,电容C储能,图中回路Q表示电流回路,箭头代表电流方向。如图4(b),半个准谐振周期后双向可控开关S1a与S1b同时关闭,然后双向可控开关S4a与S4b同时导通。LC串联储能单元103的LC串联电路向B4转移电荷,电容C释放能量。循环往复,电池B1的能量直接快速的传递给B4,直至B1与B4能量差小于控制逻辑的设定值,均衡结束。
如图5(a),串联电池组中电池B1与B2电池小组能量高于电池B3与B4电池小组时。双向可控开关S2a与S1b同时导通,B1与B2电池组向LC串联储能单元103的LC串联电路转移电荷,电容C储能。如图5(b),半个准谐振周期后双向可控开关S2a与S1b同时关闭,随后双向可控开关S4a与S3b同时导通。LC串联储能单元103的LC串联电路向B3与B4电池组转移电荷,电容C释放能量。循环往复,电池组B1与B2的能量传递给B3与B4电池组,直至能量差小于控制逻辑的设定值,均衡结束。
图6与图7是四节电池不同电压情况下的均衡仿真实验波形图。
图6是双向可控开关驱动波形与LC串联电路的电流波形以及电容C的电压波形。从电流iL波形图可以看出,每个开关导通关断时刻,LC串联电路电流为0,这大大降低了开关管的导通损耗,提高了均衡效率。
图7是四节电池的电压波形图。四节电池中B1电压最低,B4电压最高,经过一定时间的均衡,各单体电池的电压趋于一致达到控制器设定的均衡目标。
如上即可较好的实现本发明说叙述的技术效果。
综上所述,本发明通过提供一种基于LC串联储能的电池组均衡电路,改善了现有串联电池组均衡电路复杂,储能元件繁多,均衡电路体积大,均衡过程功率损耗多的技术问题,实现了串联电池组双向主动均衡,电路结构简单,储能元件少,均衡电路体积小,且可以实现开关零点流状态切换,大大减小了均衡过程中的能量损耗,提高了均衡效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述均衡电路包括:1个电池组、2n个双向可控开关、1个LC串联储能单元和一个开关控制器,
其中,所述电池组为n个储能电池Bi(i=1,2,…,n)串联而成;所述LC串联储能单元由一个电感和一个电容串联而成,其一端为直流母线的正极,另一端为直流母线的负极;
所述2n个双向可控开关分为左、右两组,分别是左开关组和右开关组,所述左开关组包括双向可控开关S1a、S2a、…、Sia、…、Sna,所述右开关组包括双向可控开关S1b、S2b、…、Sib、…、Snb,所述双向可控开关Sia与所述双向可控开关Sib(i=1,2,…,n)一一对应,所述双向可控开关Sia的一端连接于储能电池Bi的正极,另一端连接于所述LC串联储能单元的直流母线的正极,所述双向可控开关Sib的一端连接于储能电池Bi的负极,另一端连接于所述LC串联储能单元的直流母线的负极;
所述开关控制器发出的开关控制信号连接到所述2n个双向可控开关,用来控制双向可控开关的导通与关断。
2.根据权利要求1所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述双向可控开关由两个n沟道MOSFET反向串联组成或者由一个n沟道MOSFET与一个p沟道MOSTET正向串联组成。
3.根据权利要求1所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述开关控制器发出的开关控制信号通过驱动电路连接到所述2n个双向可控开关。
4.根据权利要求1至3任一所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述开关控制信号为一单极性方波,或者一对互补的单极性方波信号。
5.根据权利要求4所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述开关控制信号的占空比为50%。
6.根据权利要求1至3任一所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述LC串联储能单元由一个电感和一个电容串联而成的LC串联电路工作在准谐振状态下,所述均衡电路的开关频率fs根据均衡电路中的集总参数R、L、C确定,确保LC串联电路工作在准谐振状态,在每个开关时刻LC串联电路的电流降低为0值附近,减小开关损耗,提高均衡效率。
7.根据权利要求1至3任一所述的基于LC串联储能的电池组均衡电路,其特征在于,所述电池组中电池是二次电池,包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器或镍氢电池中任意一种或多种。
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