CN106712191B - 基于外部储能单元与lc准谐振的电池组均衡电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；其中串联电池组为n个单体储能电池串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，单体储能电池的正极、负极分别通过双向可控开关连接于均衡母线的正极、负极；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池、升降压单元的电压信号并传输至控制器。本发明的均衡电路及方法，对电池组进行主动快速，高效的均衡，防止电池出现过充过放现象，提高电池的一致性。

Description

基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及方法
技术领域
本发明涉及串联电池组的均衡领域，特别涉及基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及方法。
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单元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。
传统开关电容类型的均衡电路均衡电流受限制于电池压差，随着电池压差的减小，均衡电流迅速衰减，所以均衡速度较慢。并且均衡过程中开关均为硬开关，损耗大，均衡效率较低，且因为开关管与二极管存在导通压降，导致均衡时无法做到零电压差。
中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容型电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和场效应管及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，使得均衡效率会大大降低。
中国发明专利(授权公告号CN 103296731 B)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，提高了均衡效率。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，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。
本发明的另一目的在于提供基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；
其中，所述串联电池组为n个单体储能电池Bi串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，分为a、b两组其中a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna，b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb，双向可控开关Sia与双向可控开关Sib一一对应，双向可控开关Sia的一端连接于单体储能电池Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极，双向可控开关Sib一端连接于单体储能电池Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极，其中i＝1,2，…，n；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；所述控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池Bi、升降压单元的电压信号并传输至控制器。
所述控制器用于采集单体储能电池Bi与升降压单元的电压信号，确定需要均衡的单体储能电池Bi及其均衡方式，通过控制选通开关，选通需要均衡的单体电池至均衡母线上；通过控制LC串联准谐振单元与升降压单元的接通与否，使LC串联准谐振单元交替工作在充电与放电的状态且充放电过程均为准谐振状态，实现单体储能电池Bi与外部储能单元之间双向能量交换。
所述LC串联准谐振单元包括电感Lr、电容Cr，以及双向可控开关S1、S2；其中电容Cr的一端与电感Lr的一端连接，电感Lr的另一端为均衡母线的正极，电容Cr的另一端为均衡母线的负极；双向可控开关S1一端连接于均衡母线的正极，另一端连接于升降压单元，双向可控开关S2一端连接于均衡母线负极，另一端也连接于升降压单元。
所述升降压单元为buck-boost电路，buck-boost电路包括滤波电容C0、DC-DC电路，其中滤波电容C0与DC-DC电路并联连接，滤波电容C0的正极与双向可控开关S1连接，滤波电容C0的负极与双向可控开关S2连接；DC-DC电路与外部储能单元连接。Buck-boost电路根据选通电池电压等级及其均衡方式决定滤波电容C0电压等级。
所述双向可控开关由两个串联的N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2反向串联组成，N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2的门极驱动信号相同。
所述单体储能电池Bi的选通开关Sia、Sib与双向可控开关S1、S2的驱动信号是一对单极性的互补的PWM信号，其占空比均为50％，其开关频率fs由等效RLC电路的准谐振频率fr确定，fr由均衡电路的集总参数R、Lr、Cr确定。Sia、Sib与S1、S2的交替切换，使LC串联电路工作在准谐振状态下，实现选通开关Sia、Sib与双向可控开关S1、S2零电流切换，降低开关损耗。
所述单体储能电池Bi包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器、镍氢电池。
本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：
基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡方法，包含以下顺序的步骤：
(1)获取单体储能电池电压，计算电池平均电压Vavr；
(2)判断均衡方式：在电池组充电状态下，给电压最高的电池进行放电，减小其充电电流；在电池组放电状态下，给电压最低的电池进行充电，减小其放电电流；在电池搁置状态下，对低于平均值的电池充电，对高于平均值的电池进行放电；
(3)判断能量传递方向：若对单体电池充电，能量从外部储能单元依次经过升降压单元、串联准谐振单元，传递给单体电池；若对单体电池进行放电，能量从单体电池经过LC与buck-boost电路传递给外部储能单元；
(4)选通电池、启动均衡：选通需要均衡的电池，根据能量传递方向，控制相应开关，使LC电路交替工作在充电、放电状态，实现电池与外部储能单元的能量交换，直至达到控制器设定的均衡条件，均衡结束。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明所述的基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，能够在电池组充电、放电，搁置状态下，对电池组进行主动快速，高效的均衡，防止电池出现过充过放现象，提高电池的一致性。
2、本发明实现了开关器件的零电流切换，降低了开关器件的开关损耗，提高了均衡效率；实现了单体电池零电压差均衡，增大了均衡电流，缩短了均衡时间且易于单元化实现。
附图说明
图1为本发明所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路的电路图。
图2为两个N沟道Mosfet构成的双向可控开关的原理图。
图3为LC准谐振电路单元原理图。
图4为外部储能单元与升降压单元电路原理图。
图5a为外部储能单元通过buck-boost电路给LC准谐振电路充电示意图。
图5b为LC准谐振电路通过选通开关给低电压电池充电示意图。
图6为四节串联电池在仿真实验中的波形图，其中Vg1为选通开关S1a、S1b驱动信号，Vg5为S1、S2驱动信号，Vc电容电压，iL电感电流的波形。
图7为四节串联电池在仿真实验中的电压波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1，基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，包括串联电池组101、选通开关102、均衡母线、LC串联准谐振单元103、升降压单元104、外部储能单元105、电压检测电路和控制器106；
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串联准谐振单元由一个电感Lr与一个电容Cr以及两个双向可控开关S1与S2组成。Cr与Lr串联，一端为均衡母线正极，一端为均衡母线负极。S1一端连接于均衡母线正极，另一端连接于升降压单元中的滤波电容C0正极。S2一端连接于均衡母线负极，另一端也连接于所述C0负极。
所述升降压单元由buck-boost电路构成，一端连接于外部储能单元，一端通过S1、S2与LC串联电路连接。
所述选通开关包含2n个双向可控开关，分为a，b两组。所述a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna。所述b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb。Sia与Sib(i＝1,2，…，n)一一对应，Sia的一端连接于Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极。Sib一端连接于Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极。
所述控制器用来采集单体电池与升降压单元的电压信号，确定需要均衡的单体电池及其均衡方式。通过控制选通开关，选通需要均衡的单体电池至均衡母线上；通过控制对应开关，使LC电路交替工作在充电与放电的状态且充放电过程均为准谐振状态，实现单体电池与外部储能单元之间双向能量交换。
图2是两个N沟道Mosfet构成的双向可控开关的原理图。两个串联的N沟道金属氧化物场效应管M1与M2，M1的源极与M2的源极相连，M1与M2的门极驱动信号相同。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3是LC串联准谐振单元，LC串联电路的正极为均衡直流母线的正极，LC串联电路的负极为均衡直流母线的负极。LC串联电路左边为单体电池选通开关，其驱动信号为106_a，LC电路右边为双向可控开关S1、S2，其驱动信号为106_b，106_a与106_b为一对互补的单极性PWM信号，占空比均为50％，开关频率fs由等效RLC电路的准谐振频率fr确定。选通开关与S1、S2的交替切换，实现LC串联电路交替工作在充电与放电的状态下，且充放电过程均为准谐振状态，实现选通开关Sia、Sib与S1、S2零电流切换，降低开关损耗。
图4是外部储能单元与升降压单元电路原理图。外部储能单元由外部蓄电池B0构成，升降压单元由buck-boost电路与稳压滤波电容C0构成。通过对开关管M1与M2发送闭环PID信号，可实现稳压滤波电容C0不同电压等级的稳定输出。
本电路的均衡原理为：
控制器根据电池组当前工作状态(充电，放电，搁置)，决定对单体电池的均衡方式。在电池组充电过程中，对电压较高的电池进行放电均衡，减小其充电电流，防止过充电，以达到均衡的目的。在电池组放电过程中，对电压较低的电池进行充电均衡，减小其放电电流，防止过放电，以达到均衡的目的。在电池组搁置的状态下，对高于平均值的电池进行放电均衡，对低于平均值的电池进行充电均衡，以减小电池差异性，直至达到零电压差。
在单体电池需要充电时，选通电压最低的电池Bi至均衡母线上。控制器对选通开关Sia与Sib发出同步驱动信号，对开关管S1与S2发出与Sia、Sib驱动信号互补的信号。对buck-boost发出PID闭环控制的PWM信号控制C0输出恒定高电压VH(可设定在6-10V)。首先导通S1与S2，外部储能单元通过buck-boost电路中的C0对LC电路进行充电，一段时间后关断S1与S2，开通Sia与Sib，LC电路给电池Bi充电，以此实现外部储能单元向低电压电池传递能量。
在单体电池需要放电时，选通电压最高的电池Bj至均衡母线上。控制器对选通开关Sja与Sjb发出同步驱动信号，对开关管S1与S2发出与之互补的驱动信号。对buck-boost发出PID闭环控制的PWM信号控制C0为恒定低电压VL(可设定在2-3V)。首先导通Sja与Sjb导通时，电池Bj向LC电路充电，一段时间后关断Sia与Sib，开通S1与S2，LC电路向C0充电，C0通过buck-boost电路将能量传递给外部储能单元。以此实现高电压电池向外部储能单元传递能量。
基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡方法，包含以下步骤:
(1)获取单体电池电压，计算电池平均电压Vavr。
(2)判断均衡方式：在电池组充电状态下，给电压最高的电池进行放电，减小其充电电流。在电池组放电状态下，给电压最低的电池进行充电，减小其放电电流。在电池搁置状态下，对低于平均值的电池充电，对高于平均值的电池进行放电。
(3)判断能量传递方向：对单体电池充电，能量从外部储能单元经过buck-boost与LC电路，传递给单体电池。对单体电池进行放电，能量从单体电池经过LC与buck-boost电路传递给外部储能单元。
(4)选通电池、启动均衡：根据步骤(2)(3)的结果，选通需要均衡的电池，根据能量传递方向，控制开关，使LC电路交替工作在充放电状态，实现电池与外部储能单元的能量交换。
以串联电池组搁置状态下均衡为例，结合图5a、图5b对电池组搁置状态下均衡过程进行阐述。
串联电池组B1-B4中，VB1＝3.6V，VB2＝3.7V，VB3＝3.8V，VB4＝3.9V，平均值Vavr＝3.75V。
首先，给电压低于平均值的电池充电均衡，直至其电压值达到平均值。如图5a，控制开关M2，使buck-boost电路中稳压滤波电容C0输出稳定6V电压。开通双向可控开关S1、S2，C0给LC串联电路充电，电容Cr储能。如图5b，半个谐振周期后，S1、S2关闭，同时导通选通开关S1a、S1b，电压最低的电池B1选通到均衡母线上，LC串联电路给B1充电，电容Cr释放能量。循环往复，外部储能单元能量快速地传递给B1。直至B1电压上升至平均电压Vavr。
其次，给电压高于平均值的电池放电均衡，直至其电压下降到平均值。控制开关M1，是buck-boost电路中稳压滤波电容C0电压值稳定在2v。开通开关S4a、S4b，电池B4选通到均衡母线上，B4给LC串联电路充电，电容Cr储能。半个谐振周期后，关断S4a、S4b，同时开通开关S1、S2，LC串联电路给稳压滤波电容C0充电，Cr释放能量。C0的能量通过buck-boost电路传递给外部储能蓄电池B0。循环往复，高电压电池的能量快速的传递给外部储能单元。直至B4电压下降到平均值Vavr。
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是开关管驱动波形与LC串联电路的电流波形以及电容电压波形。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所述的技术效果。
本发明所述的基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及实现方法，能够在电池组充电、放电，搁置状态下，对电池组进行主动快速，高效的均衡，防止电池出现过充过放现象，提高电池的一致性。本发明实现了开关器件的零电流切换，降低了开关器件的开关损耗，提高了均衡效率；实现了单体电池零电压差均衡，增大了均衡电流，缩短了均衡时间且易于单元化实现。
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 (5)

1.基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；
其中，所述串联电池组为n个单体储能电池Bi串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，分为a、b两组其中a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna，b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb，双向可控开关Sia与双向可控开关Sib一一对应，双向可控开关Sia的一端连接于单体储能电池Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极，双向可控开关Sib一端连接于单体储能电池Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极，其中i=1,2，…，n；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；所述控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池Bi、升降压单元的电压信号并传输至控制器；
所述单体储能电池Bi的选通开关Sia、Sib与双向可控开关S1、S2的驱动信号是一对单极性的互补的PWM信号，其占空比均为50%，其开关频率fs由等效RLC电路的准谐振频率fr确定，fr由均衡电路的集总参数R、Lr、Cr确定；
所述单体储能电池Bi包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器、镍氢电池。
2.根据权利要求1所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：所述LC串联准谐振单元包括电感Lr、电容Cr，以及双向可控开关S1、S2；其中电容Cr的一端与电感Lr的一端连接，电感Lr的另一端为均衡母线的正极，电容Cr的另一端为均衡母线的负极；双向可控开关S1一端连接于均衡母线的正极，另一端连接于升降压单元，双向可控开关S2一端连接于均衡母线负极，另一端也连接于升降压单元。
3.根据权利要求2所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：所述升降压单元为buck-boost电路，buck-boost电路包括滤波电容C0、DC-DC电路，其中滤波电容C0与DC-DC电路并联连接，滤波电容C0的正极与双向可控开关S1连接，滤波电容C0的负极与双向可控开关S2连接；DC-DC电路与外部储能单元连接。
4.根据权利要求1或2所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：所述双向可控开关由两个串联的N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2反向串联组成，N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2的门极驱动信号相同。
5.如权利要求1所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路的均衡方法，其特征在于，包含以下顺序的步骤：
（1）获取单体储能电池电压，计算电池平均电压Vavr；
（2）判断均衡方式：在电池组充电状态下，给电压最高的电池进行放电，减小其充电电流；在电池组放电状态下，给电压最低的电池进行充电，减小其放电电流；在电池搁置状态下，对低于平均值的电池充电，对高于平均值的电池进行放电；
（3）判断能量传递方向：若对单体电池充电，能量从外部储能单元依次经过升降压单元、串联准谐振单元，传递给单体电池；若对单体电池进行放电，能量从单体电池经过LC与buck-boost电路传递给外部储能单元；
（4）选通电池、启动均衡：选通需要均衡的电池，根据能量传递方向，控制相应开关，使LC电路交替工作在充电、放电状态，实现电池与外部储能单元的能量交换，直至达到控制器设定的均衡条件，均衡结束。
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