CN106786971A - 基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略 - Google Patents
基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略，锂电池管理系统由依次串联的N个半桥模块组成，通过控制各个模块半桥开关器件的开闭，控制电池电流流向与母线电压，其中锂电池均衡控制策略，运用闭环控制获得基本控制占空比，在获得基本控制占空比后，根据各电池电量状况，旁路或锁定接入电量过低或过高的模块，同时重新计算分配其余模块的控制占空比，从而在保证等效两电平输出前提下，实现快速的电池电量的均衡控制。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略。
背景技术
锂电池具有能量密度大、使用寿命长、无污染、无记忆效应、工作温度范围宽、自放电小等优点，在航空航天、微网储能、电动汽车、以及能源互联网中都发挥着巨大的作用。由于锂电池单体电压及容量限制，往往需要用串联和并联的方式来满足使用场景对电压和电流的需求，然而由于锂电池自身材料的特性，伴随串联电池组的使用，单体电池剩余电量的不一致性会导致电池组的能量迅速下降，因此电池组的均衡手段一直是研究热点，现有的电池均衡手段，绝大部分是在锁定接入电池的基础上，并联电池管理电路，此类方法为保证串联电池的电量均衡，将不平衡的电量转移或者直接消耗掉，但是此类方法都有其相应的缺点。但是此类方法都有均衡能力有限，或者均衡电路复杂的缺点，中国专利申请号201510653845.5公开的一种简易的电池组电池均衡方法，提出了一种整体放电，再个别均衡的均衡方法，但是此种方法需要将电池单独维护，过程较为繁琐，无法在运行时动态进行；另外，中国专利申请号201210142426.1公开了一种电池的均衡系统及方法，提出一种电池均衡系统，通过变压器转移电池多余电量，控制较为简单，但是此种系统拓扑复杂，成本较高。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种能够提保证锂电池电量均衡且延长电池使用寿命的基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略。
为解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于半桥串联的锂电池管理系统，包括若干个依次串联的半桥模块，所述半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，所述功率半桥模块包括至少一个开关器件，所述电池模块包括至少一锂电池，所述功率半桥模块的正、负端与所述锂电池的正、负端连接，每个所述半桥模块包括COM端和负端，多个所述半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个所述半桥模块由最顶端的所述半桥模块的COM端和最底端的所述半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个所述半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。
在本发明的较佳实施例中，所述功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi,其中i取1至N。
在本发明的较佳实施例中，所述电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，所述锂电池与所述电感Lfi串联后一起并联在所述电容Cfi的两端,其中i取1至N。
一种基于半桥串联的锂电池控制策略，包括上述的基于半桥串联的锂电池管理系统，包括以下步骤：
1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；
2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比dm为控制目标，通过电压闭环或电流闭环调节控制各基本模块占空比，从而达到控制直流母线放电电压/充电电流的效果；
3)使用传感器获取各个半桥模块中电池的电极电压及输出电流，经过均值计算后获得各模块的电量数组SOC[i]和平均电量SOCavr，并通过快速排序算法获得电量顺序数组SOCorder[i],其中i取1至N；
4)当检测到各模块SOC不平衡时，启动均衡控制，通过在系统中设定SOC阈值，选定SOC过高的模块,使其在充电时旁路、放电时锁定接入；选定SOC过低的模块，使其在充电时锁定接入、放电时旁路；同时根据旁路模块数P、锁定接入模块数S及总模块数N，按照公式计算并调节其余模块的控制占空比dc，从而让不同SOC等级的模块按照不同的电流充放电，达到SOC均衡的效果；
5)当调整到各模块SOC不需要继续均衡时，切换回普通移相脉冲宽度调制技术PWM控制方式，只控制直流母线放电电压或充电电流。
在本发明的较佳实施例中，在步骤3)中，选定SOC过高的S个模块和选定SOC过低的P个模块，为防止dc大于100％或小于0，S与P应满足S＜dm×N以及P＜(1-dm)×N。
在本发明的较佳实施例中，在步骤3)中，为调节其余模块的控制占空比dc，在旁路模块数P和锁定接入模块数S变化时，需要调节其剩余模块的移相角，使其移相角相等，以保证输出的稳定。
本发明中的基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略，具有以下优点：
1)在充放电的同时，调节各模块充放电速率，从而调整电池组SOC使之趋同，从而提高电池模块和储能系统的可用率，延长电池使用寿命；
2)该控制策略与输出电压控制/充电电流控制解耦，可以在与原本直流母线控制方法解耦的前提下，保证锂电池电量均衡；
3)相较于通过微调模块占空比实现电量均衡的方法，本发明在直流母线上不会产生多于两电平的电压波形，减少了其对直流母线端输出特性的影响，改善输入输出电流质量，减少无源器件的体积。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的电路图；
图2为本发明实施例中基于半桥串联的锂电池控制策略的主控制流程图；
图3为本发明实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的定电压放电SOC均衡变化图；
图4为本发明实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的定电流充电SOC均衡变化图。
具体实施方式
参照图1，一种基于半桥串联的锂电池管理系统，包括若干个依次串联的半桥模块，半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi，(i取1至N),在本实施例中，N＝100,电池模块包括一锂电池Bi，电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，锂电池与电感Lfi串联后一起并联在电容Cfi的两端，功率半桥模块的正、负端与锂电池的正、负端连接，每个半桥模块包括COM端和负端，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个半桥模块由最顶端的半桥模块的COM端和最底端的半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。
参照图2，具体的控制策略包括以下步骤：
1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；
2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比dm为控制目标，通过电压闭环或电流闭环调节控制各基本模块占空比，从而达到控制直流母线放电电压/充电电流的效果；
3)使用传感器获取各个半桥模块中电池的电极电压及输出电流，经过均值计算后获得各模块的电量数组SOC[i]和平均电量SOCavr，并通过快速排序算法获得电量顺序数组SOCorder[i],其中i取1至N；
4)当检测到各模块SOC不平衡时，启动均衡控制，通过在系统中设定SOC阈值，选定SOC过高的模块,使其在充电时旁路、放电时锁定接入；选定SOC过低的模块，使其在充电时锁定接入、放电时旁路；同时根据旁路模块数P、锁定接入模块数S及总模块数N，按照公式计算并调节其余模块的控制占空比dc，从而让不同SOC等级的模块按照不同的电流充放电，达到SOC均衡的效果，选定SOC过高的S个模块和选定SOC过低的P个模块，为防止dc大于100％或小于0，S与P应满足S＜dm×N以及P＜(1-dm)×N；为调节其余模块的控制占空比dc，在旁路模块数P和锁定接入模块数S变化时，需要调节其剩余模块的移相角，使其移相角相等，以保证输出的稳定。
5)当调整到各模块SOC不需要继续均衡时，切换回普通移相脉冲宽度调制技术PWM控制方式，只控制直流母线放电电压或充电电流。
具体的，参照图2，在步骤4)中，预留一部分余量后，最大旁路模块数量及最大锁定接入模块数量其中Vm为目标输出电压，依照电量顺序数组Socorder[i]，将电量数组Soc[i]从大到小依次与电量均值SOCavr做差，通过差值判断并记录当前模块是否需要锁定接入，直到某一模块电量无需锁定接入或锁定接入的模块数量达到Sm时停止；同理，依照电量顺序数组Socorder[i]，将电量数组Soc[i]从小到大依次与电量均值SOCavr做差，通过差值判断并记录当前模块是否需要旁路，直到某一模块电量无需旁路或旁路的模块数量达到Pm时停止，获取当前实际旁路的模块数量P、实际锁定接入模块数量S，通过公式计算获得dc。最后通过统一更新各个模块的占空比从而完成均衡控制的流程完成一次均衡控制，进入下一次均衡控制流程。
图3为在控制策略下，设定控制目标为输出电压Um＝40V，直流母线电压波形以及各个电池组的SOC波形。0.4s时开启均衡，其中模块4由于电量最低，处于旁路状态，3s后，模块4与模块6电量相近，且都低于平均值，因而交替旁路；输出电压模块3电量较高，在开始均衡后，长时间处于锁定接入状态，相较于其他在均衡范围，或者相对电量较低的模块，以更快的速度释放电量，5.5s时，模块2与模块3电量相近，且都大于平均电量，由于滞回程序，两者处于交替快速放电；直到11s时均衡基本完成，所有模块采用同一的放电速率，从而在放电过程中实现了电池均衡由上可以看出，当锂电池电量初始不均时，直流母线侧电压可以满足控制目标，同时单体电池电压也能均衡。
图4所示为在控制策略下，设定控制目标为输出电流Im＝5A直流母线电流波形及各个电池组的SOC波形。0.4s时开启均衡，其中模块4由于电量最低，处于锁定接入，3s后，模块4与模块6电量相近，且都低于平均值，因而交替锁定接入；输出电压模块3电量较高，在开始均衡后，长时间处于旁路状态，直到9s时，与模块2电量相近，进入交替旁路；直到15s时均衡基本完成，从而在放电过程中实现了电池均衡由上可以看出，当锂电池电量初始不均时，直流母线侧充电电流可以满足控制目标，同时单体电池电量也能均衡。
综上所述，本发明中的基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略，具有以下优点：
1)在充放电的同时，调节各模块充放电速率，从而调整电池组SOC使之趋同，从而提高电池模块和储能系统的可用率，延长电池使用寿命；
2)该控制策略与输出电压控制/充电电流控制解耦，可以在与原本直流母线控制方法解耦的前提下，保证锂电池电量均衡；
3)相较于通过微调模块占空比实现电量均衡的方法，本发明在直流母线上不会产生多于两电平的电压波形，减少了其对直流母线端输出特性的影响，改善输入输出电流质量，减少无源器件的体积。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字
和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
Claims (6)
1.一种基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：包括若干个依次串联的半桥模块，所述半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，所述功率半桥模块包括至少一个开关器件，所述电池模块包括至少一锂电池，所述功率半桥模块的正、负端与所述锂电池的正、负端连接，每个所述半桥模块包括COM端和负端，多个所述半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个所述半桥模块由最顶端的所述半桥模块的COM端和最底端的所述半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个所述半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。
2.根据权利要求1所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：所述功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi,其中i取1至N。
3.根据权利要求1所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：所述电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，所述锂电池与所述电感Lfi串联后一起并联在所述电容Cfi的两端,其中i取1至N。
4.一种基于半桥串联的锂电池控制策略，包括权利要求1-3中任意一项所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：包括以下步骤：
1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；
2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比dm为控制目标，通过电压闭环或电流闭环调节控制各基本模块占空比，从而达到控制直流母线放电电压/充电电流的效果；
3)使用传感器获取各个半桥模块中电池的电极电压及输出电流，经过均值计算后获得各模块的电量数组SOC[i]和平均电量SOCavr，并通过快速排序算法获得电量顺序数组SOCorder[i],其中i取1至N；
4)当检测到各模块SOC不平衡时，启动均衡控制，通过在系统中设定SOC阈值，选定SOC过高的模块,使其在充电时旁路、放电时锁定接入；选定SOC过低的模块，使其在充电时锁定接入、放电时旁路；同时根据旁路模块数P、锁定接入模块数S及总模块数N，按照公式计算并调节其余模块的控制占空比dc，从而让不同SOC等级的模块按照不同的电流充放电，达到SOC均衡的效果；
5)当调整到各模块SOC不需要继续均衡时，切换回普通移相脉冲宽度调制技术PWM控制方式，只控制直流母线放电电压或充电电流。
5.根据权利要求4所述的基于半桥串联的锂电池控制策略，其特征在于：在步骤3)中，选定SOC过高的S个模块和选定SOC过低的P个模块，为防止dc大于100％或小于0，S与P应满足S＜dm×N以及P＜(1-dm)×N。
6.根据权利要求4所述的基于半桥串联的锂电池控制策略，其特征在于：在步骤3)中，为调节其余模块的控制占空比dc，在旁路模块数P和锁定接入模块数S变化时，需要调节其剩余模块的移相角，使其移相角相等，以保证输出的稳定。
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