CN107147162A - 一种基于电感电容准谐振的均衡电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电感电容准谐振的均衡电路，包括电池组、电感电容准谐振单元，还包括连接电池组与电感电容准谐振单元的选通开关网络，以及主控制器；均衡过程中，主控制器控制选通开关网络与电感电容准谐振单元，使电感电容准谐振单元在充电‑放电‑谐振的状态循环切换，使能量最高的电池将能量通过电感电容传递到能量最低的电池中去。本发明能够实现开关零电流切换，电池之间零电压差均衡，且比现有的准谐振电路速度更快的技术效果。本发明能够大大降低开关器件的开关损耗，且储能器件少，电路体积小，均衡速度快，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

一种基于电感电容准谐振的均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及电池组均衡研究领域，特别涉及一种基于电感电容准谐振的均衡电路及其控制方法。

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。

在发明专利申请201611169013.7中与发明专利申请201410526118.8中所提出的基于LC准谐振的均衡电路，其均衡电流受限于LC两端的电池压差，随着电池压差的减小，LC准谐振电路的均衡电流将急剧减小，均衡速度大幅降低。

因此有必要设计一种新的LC准谐振的均衡电路来满足需求。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于电感电容准谐振的均衡电路，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。

本法明的另一目的在于提供一种基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于电感电容准谐振的均衡电路，包括电池组、电感电容准谐振单元，还包括连接电池组与电感电容准谐振单元的选通开关网络，以及主控制器；其中

所述电池组为n个电池Bi串联而成，i＝1,2，…，n；

所述电感电容准谐振单元包括电感Lr、电容Cr、开关管S、二极管D；其中电感Lr与电容Cr串联后组成支路A，开关管S与二极管D串联后组成支路 B，支路A和支路B并联后的一端为均衡直流母线的正极，另一端为均衡直流母线的负极；

所述选通开关网络包括2n个双向可控开关，分为左右两组S1a、S2a、…、 Sia、…、Sna与S1b、S2b、…、Sib、…、Snb，所述双向可控开关Sia与Sib 一一对应，i＝1,2，…，n；双向可控开关Sia的一端连接于电池Bi的正极，另一端连接于电感电容准谐振单元的均衡直流母线的正极；双向可控开关Sib的一端连接于电池Bi的负极，另一端连接于电感电容准谐振单元的均衡直流母线的负极；

所述主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Sia、Sib 与电感电容准谐振单元中的开关管S，用来控制双向可控开关Sia、Sib与开关管S的导通与关断。

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。

所述开关管S与二极管D串联后，构成一个单向可控的开关。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，包含以下步骤：

步骤1：所述主控制器通过电压采样电路采集各电池电压，确定电压最高的单体电池Bi_max与电压最低的电池Bj_min；

步骤2：一个开关周期内，首先开通双向可控开关Sia与Sib，单体电池Bi 被选通到电感电容准谐振单元的均衡直流母线上，电池Bi给电感电容准谐振单元的电感电容串联电路充电；

步骤3：随后，关断双向可控开关Sia与Sib，开通双向可控开关Sja与Sjb，单体电池Bj被选通到电感电容准谐振单元的均衡直流母线上，电感电容准谐振单元的电感电容串联电路放电给电池Bj；

步骤4：最后，关断双向可控开关Sja与Sjb，开通开关管S，电感电容准谐振单元的电感电容串联电路通过开关管S与二极管D，进行半个周期的谐振；

步骤5：在一个均衡步长时间内，循环步骤2-4；

步骤6：循环步骤1-5直至满足均衡结束条件。

所述主控制器，其发出的开关控制信号，通过驱动电路连接到选通开关网络中双向可控开关与电感电容准谐振单元中的开关管S。

所述开关控制信号为三路频率相同、占空比均为33.3％、相位依次相差120 度的单极性方波信号；开关频率f_r为电感电容串联准谐振频率。f_r的值由系统集总参数L,R,C值确定，确保电感电容串联电路交替工作在准谐振充电-准谐振放电-谐振震荡状态。

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、镍氢电池。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明公开了一种基于电感电容准谐振的均衡电路，为每一个单体电池或任意串联电池小组提供与电感电容准谐振单元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。通过控制开关频率与驱动信号的占空比，使电感电容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，电感电容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，添加的电感电容串联电路的旁路开关S，在每个开关周期的240-360度内导通，可使电感电容电路进行半个周期的谐振，使得电容电压方向，在下一开关周期内，大大提高准谐振模块中的电容电压Vc与电池VBi的电池压差，增大均衡电流，缩短均衡时间，且均衡电流幅值不随电池压差减小而减小。另外，均衡电路开关频率高，电路体积小。

2、本发明能够实现开关零电流切换，电池之间零电压差均衡，且比现有的准谐振电路速度更快的技术效果。本发明能够大大降低开关器件的开关损耗，且储能器件少，电路体积小，均衡速度快，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。

附图说明

图1是本发明所述一种基于电感电容准谐振的均衡电路的电路图。

图2a是两个N沟道MOSFET构成的双向可控开关的原理图。

图2b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2c是一个N沟道MOSFET与一个二极管构成的单向可控开关的原理图。

图3是本发明提供的电感电容准谐振单元的原理图。

图4a是能量较高的电池给电感电容电路充电过程示意图。

图4b是电感电容电路给能量较低的电池充电过程示意图。

图4c是电感电容电路进行谐振过程示意图。

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。

图1是一种基于电感电容准谐振的均衡电路原理图，一种基于电感电容准谐振的均衡电路及其控制方法，其特征在于，所述均衡电路包括1个串联电池组，1个电感电容准谐振单元，1个连接电池组与准谐振单元的选通开关网络， 1个主控制器。

其中，所述电池组为n个电池Bi(i＝1,2，…，n)串联而成。所述电感电容准谐振单元包括1个电感器L，1个电容器C，1个开关管S，1个二极管D；电感与电容串联，开关管与二极管串联且与电感电容串联电路并联；其一端为均衡直流母线的正极，另一端为均衡直流母线的负极。

所述选通开关网络由2n个双向可控开关组成，分为左右两组S1a、S2a、…、Sia、…、Sna与S1b、S2b、…、Sib、…、Snb，所述双向可控开关Sia与Sib (i＝1,2，…，n)一一对应。Sia的一端连接于电池Bi的正极，另一端连接于电感电容准谐振单元的直流母线的正极；Sib的一端连接于电池Bi的负极，另一端连接于电感电容准谐振单元的直流母线的负极。

所述主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Sia、Sib 与准谐振模块中的开关管S，用来控制Sia、Sib与S的导通与关断。

图2a和图2b是本发明提供的双向可控开关的两个实施实例，图2c本发明提供的单向可控开关的实施例。

图2a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2b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。

图2c是一个N沟道MOSFET与一个二极管组成的单向可控开关的原理图。开关管MOSFET的源极与二极管的阳极相连，MOSFET的门极采用单极性正电压驱动信号，当MOSFET导通时，电流仅可从直流母线正极流向直流母线负极。实现单向可控开关。

一种基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，包含以下步骤：

步骤1：所述主控制器通过电压采样电路，采集各电池电压。确定电压最高的单体电池Bi_max与电压最低的电池Bj_min。

步骤2：一个开关周期内，首先开通双向可控开关Sia与Sib，单体电池Bi 被选通到准谐振单元的直流母线上，Bi给电感电容串联电路充电；

步骤3：随后，关断开关Sia与Sib，开通Sja与Sjb，单体电池Bj被选通到准谐振单元的直流母线上，电感电容串联电路放电给电池Bj；

步骤4：最后，关断Sja与Sjb，开通开关管S，电感电容串联电路通过开关管S与二极管D，进行半个周期的谐振。

步骤5：在一个均衡步长时间内，循环步骤2-4；

步骤6：循环步骤1-5直至满足均衡结束条件。

均衡原理与控制方法结合图4a、图4b与图4c阐述。

如图4a，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向电感电容准谐振单元103的电感电容串联电路转移电荷，电容Cr储能。如图4b，三分之一开关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。电感电容准谐振单元103的电感电容串联电路向B4转移电荷，电容Cr释放能量。三分之二开关周期后，双向可控开关S4a与S4b同时断开，单向可控开关S导通，电感电容串联电路通过开关S进行谐振，电容电压反向，增大电容Cr与电池B1之间的电压差，使得均衡电流增加。循环往复，电池B1的能量直接快速的传递给 B4。

控制器发出的开关控制信号，通过驱动电路连接到选通开关网络中双向可控开关与准谐振模块中的开关管S。所述的控制器发出的控制信号为三路频率相同，占空比均为33.3％，相位依次相差120度的单极性方波型号。开关频率f_r为电感电容串联准谐振频率。f_r的值由系统集总参数L,R,C值确定，确保电感电容串联电路交替工作在准谐振充电-准谐振放电-谐振震荡状态。

经过仿真，从电感电流i_L波形图可以看出：每个开关导通关断时刻，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。从电容电压Vcr的波形可以看出单向开关S(VG3)导通过程中，电感电容进行半个周期的谐振，电感电流与电容电压呈正弦变化，电容电压反向，从而增大了下一开关周期时单体电池B1与点电容Cr的电压差，增大了均衡电流。

经过仿真，从四节电池的电压波形图可以看出：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，本发明公开了一种基于电感电容准谐振的均衡电路，为每一个单体电池或任意串联电池小组提供与电感电容准谐振单元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。通过控制开关频率与驱动信号的占空比，使电感电容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，电感电容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，添加的电感电容串联电路的旁路开关S，在每个开关周期的240-360度内导通，可使电感电容电路进行半个周期的谐振，使得电容电压方向，在下一开关周期内，大大提高准谐振模块中的电容电压Vc 与电池VBi的电池压差，增大均衡电流，缩短均衡时间，且均衡电流幅值不随电池压差减小而减小。另外，均衡电路开关频率高，电路体积小。

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)

1.一种基于电感电容准谐振的均衡电路，其特征在于：包括电池组、电感电容准谐振单元，还包括连接电池组与电感电容准谐振单元的选通开关网络，以及主控制器；其中

所述电池组为n个电池Bi串联而成，i＝1,2，…，n；

所述电感电容准谐振单元包括电感Lr、电容Cr、开关管S、二极管D；其中电感Lr与电容Cr串联后组成支路A，开关管S与二极管D串联后组成支路B，支路A和支路B并联后的一端为均衡直流母线的正极，另一端为均衡直流母线的负极；

所述选通开关网络包括2n个双向可控开关，分为左右两组S1a、S2a、…、Sia、…、Sna与S1b、S2b、…、Sib、…、Snb，所述双向可控开关Sia与Sib一一对应，i＝1,2，…，n；双向可控开关Sia的一端连接于电池Bi的正极，另一端连接于电感电容准谐振单元的均衡直流母线的正极；双向可控开关Sib的一端连接于电池Bi的负极，另一端连接于电感电容准谐振单元的均衡直流母线的负极；

所述主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Sia、Sib与电感电容准谐振单元中的开关管S，用来控制双向可控开关Sia、Sib与开关管S的导通与关断。

2.根据权利要求1所述基于电感电容准谐振的均衡电路，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所述基于电感电容准谐振的均衡电路，其特征在于：所述开关管S与二极管D串联后，构成一个单向可控的开关。

4.一种基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤1：所述主控制器通过电压采样电路采集各电池电压，确定电压最高的单体电池Bi_max与电压最低的电池Bj_min；

步骤2：一个开关周期内，首先开通双向可控开关Sia与Sib，单体电池Bi被选通到电感电容准谐振单元的均衡直流母线上，电池Bi给电感电容准谐振单元的电感电容串联电路充电；

步骤3：随后，关断双向可控开关Sia与Sib，开通双向可控开关Sja与Sjb，单体电池Bj被选通到电感电容准谐振单元的均衡直流母线上，电感电容准谐振单元的电感电容串联电路放电给电池Bj；

步骤4：最后，关断双向可控开关Sja与Sjb，开通开关管S，电感电容准谐振单元的电感电容串联电路通过开关管S与二极管D，进行半个周期的谐振；

步骤5：在一个均衡步长时间内，循环步骤2-4；

步骤6：循环步骤1-5直至满足均衡结束条件。

5.根据权利要求4所述基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，其特征在于：所述主控制器，其发出的开关控制信号，通过驱动电路连接到选通开关网络中双向可控开关与电感电容准谐振单元中的开关管S。

6.根据权利要求5所述基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，其特征在于：所述开关控制信号为三路频率相同、占空比均为33.3％、相位依次相差120度的单极性方波信号；开关频率f_r为电感电容串联准谐振频率。

7.根据权利要求4所述基于电感电容准谐振的均衡电路的控制方法，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、镍氢电池。