CN108711901A - 一种基于全桥级联型电池均衡拓扑及均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于全桥级联型电池均衡拓扑及均衡控制方法，属于电池管理技术领域。将电池与全桥模块并联形成一个电池模块，多个电池模块级联构成电池组；在充放电过程中根据单体电池SOC大小，控制电池组中全桥模块工作在不同的状态，使单体电池正向或反向接入电池组，整组电池放电的同时单体电池充电；整组电池充电的同时单体电池放电；电池组中单体电池SOC趋于一致。确保整个电池组的输出电压在均衡过程中保持恒定。后级DC‑DC电路保证在均衡结束后的电压突变不会影响整个电池组的输出。优点：单体电池反接入电池组能很好地完成均衡工作，缓解了传统恒流充电导致的电池极化效应，且实现故障电池切除。设置的切换阈值减少了SOC排序次数，提高了算法的运行速度。
Description
技术领域
本发明涉及电池管理技术领域，特别是一种基于全桥级联型电池均衡拓扑及均衡控制方法。
背景技术
随着电动汽车的迅速发展，电池作为电动汽车动力来源得到了广泛的应用。但由于电池单体电压较低，因此需要将多节电池串并联以提升电池组电压和容量。但因为电池制作工艺，使用环境等因素的影响，单体电池的参数不可能完全一致，由于短板效应导致电池组不能完全发挥功能，效率降低。且在充放电过程中容易导致过充过放的问题，降低电池使用寿命以及增加了安全隐患。单体电池参数不一致性会引起单体电池容量的不一致性，导致电池组性能降低，从而影响电池组的使用。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于全桥级联型电池均衡拓扑及均衡控制方法，解决单体电池不一致性导致电池组性能降低的问题，提高电池安全性和使用寿命、提高均衡速度、以及降低电池在充放电过程中极化现象。
本发明的目的是这样实现的：本发明的技术方案是：电池均衡拓扑以及电池均衡控制方法。
所述的电池均衡拓扑由电池和全桥模块构成，电池正极与全桥模块的两个上桥臂公共端相连，电池负极与全桥模块的两个下桥臂公共端相连；再以全桥模块左右两个半桥模块中点作为接口引出与其他模块进行级联，构成整个均衡拓扑主电路，后级再接DC-DC变换器稳压输出；通过控制MOSFET开关器件控制每节电池接入主电路的极性；实现整组电池放电的同时单体电池充电；整组电池充电的同时单体电池放电；实现各个单体电池SOC趋于一致。
所述的全桥模块由4个MOSFET开关器件两两串联以后再并联构成。
所述全桥模块有4路独立的触发脉冲与4个MOSFET开关器件对应连接，用以驱动全桥模块，实现单体电池与电池组正接、反接、隔离的三种工作状态。
一种基于全桥级联型均衡拓扑均衡控制方法，具体步骤如下：
步骤1：初始化系统：确定单次反接入电池组的电池个数为r；设置均衡阈值T_V_S；设置切换阈值C_V_S；初始化SOC排序数组SOC_order[i]；初始化两个平均数组ave_l和ave_h；
步骤2：计算SOC并求取两两单体电池SOC之差的最大值，记为det_soc_m；
步骤3:将det_soc_m与T_V_S做比较，若判定出电池组已达到均衡，将所有全桥模块设置为工作状态1；若判定出电池组未到达均衡，则进行步骤4；
步骤4：判断ave_l与ave_h之差的绝对值是否小于切换阈值C_V_S；若上述计算结果为真，则执行步骤5操作，否则执行步骤6操作；
步骤5：更新其中SOC_order[i]为SOC排序后数组，之后执行步骤2；
步骤6：对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，更新全桥模块的工作状态，更新ave_l，ave_h，之后执行步骤2。
所述的步骤3中的比较为滞环比较，避免均衡器重复启动。
所述的步骤6中的对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，分为充电和放电两种情况，充电模式下进行降序排序，放电情况下进行升序排序。
有益效果：由于采用了上述方案，在充放电过程中根据单体电池SOC大小，控制电池组中全桥模块工作在不同的状态，使单体电池正向或反向接入电池组，达到整组电池放电的同时，单体电池充电；整组电池充电的同时，单体电池放电。实现电池组中单体电池SOC趋于一致。其中均衡策略采用双阈值判断具体某几节电池反接入电路。确保整个电池组的输出电压在均衡过程中保持恒定。后级DC-DC电路保证在均衡结束后的电压突变不会影响整个电池组的输出。该均衡拓扑和均衡策略将单体电池反接入电池组不仅可以很好的完成均衡工作还缓解了传统恒流充电导致的电池极化效应，且可以实现故障电池切除。设置的切换阈值减少了SOC排序次数，提高了算法的运行速度。解决了单体电池不一致性导致电池组性能降低的问题，提高了电池安全性和使用寿命、提高了均衡速度、降低了开关损耗、以及降低了电池在充放电过程中极化现象。主要体现在：
1)：全桥模组最大开关频率取决于均衡阈值，均衡前期开关频率较低；均衡后期，开关频率虽然明显提高，但也迅速脱离均衡。总体来看平均开关频率较低，开关损耗降低；
2)：总电压输出在长时间保持稳定，输出电压为仅在均衡结束后有的电压变化，其中Ui为反接入电池组的第i节电池电压，通过后级DC-DC变换器稳定电池组均衡结束电压跳变；
3)：电池在充放电过程流过电池两端的电流为正负脉冲电流，因此大大降低了电池充放电过程中的极化效应。
主要优点有：
1、该均衡拓扑突破均衡电流和充放电电流的限制，解决传统均衡拓扑均衡电流过小的问题；
2、能够实现故障电池切除的基本要求，提高电池组使用寿命和安全性能；
3、不改变电池组输出电流极性的情况下改变单体电池电流极性，进而实现电池的脉冲充放电，降低传统电池恒流充电导致的极化现象；
4、控制策略算法效率较高，电池组输出稳定，平均开关频率较低，开关损耗降低。
附图说明
图1是本发明的均衡拓扑原理图。
图2是本发明的基于均衡拓扑的均衡策略控制流程图。
图3是本发明的均衡电路恒流放电各单体电池SOC变化曲线图。
图4是本发明的均衡电路恒流充电各单体电池SOC变化曲线图。
图5是本发明的电池组1.5A放电，电池4电流波形图。
图6是本发明的电池组1.5A放电，电池6电流波形图。
具体实施方式
本发明包括：电池均衡拓扑以及电池均衡控制方法。
所述的电池均衡拓扑由电池和全桥模块构成，电池正极与全桥模块的两个上桥臂公共端相连，电池负极与全桥模块的两个下桥臂公共端相连；再以全桥模块左右两个半桥模块中点作为接口引出与其他模块进行级联，构成整个均衡拓扑主电路，后级再接DC-DC变换器稳压输出；通过控制MOSFET开关器件控制每节电池接入主电路的极性；实现整组电池放电的同时单体电池充电；整组电池充电的同时单体电池放电；实现各个单体电池SOC趋于一致。
所述的全桥模块由4个MOSFET开关器件两两串联以后再并联构成。
所述全桥模块有4路独立的触发脉冲与4个MOSFET开关器件对应连接，用以驱动全桥模块，实现单体电池与电池组正接、反接、隔离的三种工作状态。
为分析方便起见，定义全桥模块的三种工作状态：左上方MOSFET开关器件和右下方MOSFET开关器件开通，左下方MOSFET开关器件和右上方MOSFET开关器件关通，为工作状态1；左上方MOSFET开关器件和右下方MOSFET开关器件关断，左下方MOSFET开关器件和右上方MOSFET开关器件开通，为工作状态2；左上方MOSFET开关器件和右上方MOSFET开关器件开通或左下方MOSFET开关器件和右下方MOSFET开关器件开通，为工作状态3。全桥模块处在工作状态1，此时对应单体电池正向接入电池组；全桥模块处在工作状态2，此时对应单体电池反向接入电池组；全桥模块处在工作状态3，此时对应单体电池与电池组隔离。
未开启均衡功能时，无论电池处于充电或者放电状态，单体电池对应的全桥模块均处于工作状态1。
开启均衡功能后：
当电池组放电时，若检测到单体电池SOC低于整组其他电池SOC时，通过控制MOSFET开关器件使该节电池对应的全桥模块处于工作状态2，其余电池对用的全桥模块处于工作状态1。
在电池组充电时，若检测到单体电池SOC高于整组其他电池SOC时，通过控制MOSFET开关器件使该节电池对应的全桥模块处于工作状态2，其余电池对用的全桥模块处于工作状态1。
在检查到单体电池发生故障时，通过控制MOSFET开关器件使该节电池对应的全桥模块处于工作状态3，其余电池对用的全桥模块处于工作状态1。
本发明的基于全桥级联型均衡拓扑均衡控制方法，具体步骤如下：
步骤1：初始化系统：确定单次反接入电池组的电池个数为r；设置均衡阈值T_V_S；设置切换阈值C_V_S；初始化SOC排序数组SOC_order[i]；初始化两个平均数组ave_l和ave_h；
步骤2：计算SOC并求取两两单体电池SOC之差的最大值，记为det_soc_m；
步骤3:将det_soc_m与T_V_S做比较，若判定出电池组已达到均衡，将所有全桥模块设置为工作状态1；若判定出电池组未到达均衡，则进行步骤4；
步骤4：判断ave_l与ave_h之差的绝对值是否小于切换阈值C_V_S；若上述计算结果为真，则执行步骤5操作，否则执行步骤6操作；
步骤5：更新其中SOC_order[i]为SOC排序后数组，之后执行步骤2；
步骤6：对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，更新全桥模块的工作状态，更新ave_l，ave_h，之后执行步骤2。
所述的步骤3中的比较为滞环比较，避免均衡器重复启动。
所述的步骤6中的对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，分为充电和放电两种情况，充电模式下进行降序排序，放电情况下进行升序排序。
实施例1：图1中：全桥级联型电池均衡拓扑包括若干个级联的全桥模块，与其并联的电池，以及后级的DC-DC变换器。全桥模块包括4个MOSFET开关器件，4个MOSFET开关器件两两串联后再并联，电池正极与两个上桥臂公共端相连，电池负极与两个下桥臂公共端相连。再以全桥模块左右两个半桥模块中点作为接口引出与其他模块进行级联，后级再经过DC-DC变换器稳定输出电压。通过控制MOSFET开关器件控制每节电池接入主电路的极性，实现整组电池放电的同时，单体电池充电；整组电池充电的同时，单体电池放电。进而实现各个单体电池SOC趋于一致。
图2中：在本具体实施例中，n＝6。一种基于全桥级联型均衡拓扑均衡控制策略，具体步骤如下：
步骤1：初始化系统：确定单次反接入电池组的电池个数为1，即r＝1，l＝n-r＝5；设置均衡阈值T_V_S＝0.01；设置切换阈值C_V_S＝0.01；初始化SOC排序数组SOC_order[i]；初始化两个平均数组ave_l＝0和ave_h＝0；
步骤2：计算SOC并求取两两单体电池SOC之差的最大值，记为det_soc_m；
步骤3：将det_soc_m与T_V_S做比较，若det_soc_m<T_V_S，说明均衡结束。将所有全桥模块设置为工作状态1。若det_soc_m>T_V_S，则进行步骤4。需要说明的是为避免均衡后期频繁启动均衡，此处比较应为滞环比较；
步骤4：判断ave_l与ave_h之差的绝对值是否小于切换阈值C_V_S；若上述计算结果为真，则执行步骤5操作，否则执行步骤6操作；
步骤5：更新其中SOC_order[i]为SOC排序后数组，之后执行步骤2；
步骤6：对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，更新全桥模块的工作状态，更新ave_l，ave_h，之后执行步骤2；
上述步骤6中对单体电池SOC进行排序应分为充电和放电两种情况：
在电池组充电过程中：对SOC进行降序排序；在电池组放电过程中，对SOC进行升序排序。
图3中，所示为在上述控制策略下进行I＝1.5A恒流放电，单体电池SOC变化波形。电池模型采用三阶戴维南等效模型，放电仿真设置单体电池初始SOC如表1所示：
表1：充电状态电池SOC初始值
| 电池1 | 100％ |
| 电池2 | 95％ |
| 电池3 | 90％ |
| 电池4 | 85％ |
| 电池5 | 80％ |
| 电池6 | 75％ |
可以看出，均衡初期SOC较低的单体电池被反接入电池组进行充电SOC升高，其余SOC降低，直到达到切换阈值，才进行下一次排序操作。电池SOC也逐渐趋于一致。
图4中，所示为在上述控制策略下进行I＝1.5A恒流冲电，单体电池SOC变化波形。电池模型采用三阶戴维南等效模型，冲电仿真设置单体电池初始SOC如表2所示：
表2：充电状态电池SOC初始值
| 电池1 | 0％ |
| 电池2 | 5％ |
| 电池3 | 10％ |
| 电池4 | 15％ |
| 电池5 | 20％ |
| 电池6 | 25％ |
与放电分析类似，可以看出，均衡初期SOC较高的单体电池被反接入电池组进行放电，直到其SOC达到切换阈值才进行下一次排序操作，SOC也逐渐趋于一致。
图5，图6中：分别为电池组以1.5A电流放电电池4，和电池6的电流波形，可以看出在均衡末期，电池两端电流为正负1.5A的脉冲电流，可以很好的缓解电池在恒流放电中导致的极化现象。
Claims (6)
1.一种基于全桥级联型电池均衡拓扑，其特征是：电池均衡拓扑由电池和全桥模块构成，电池正极与全桥模块的两个上桥臂公共端相连，电池负极与全桥模块的两个下桥臂公共端相连；再以全桥模块左右两个半桥模块中点作为接口引出与其他模块进行级联，构成整个均衡拓扑主电路，后级再接DC-DC变换器稳压输出；通过控制MOSFET开关器件控制每节电池接入主电路的极性；实现整组电池放电的同时单体电池充电；整组电池充电的同时单体电池放电；实现各个单体电池SOC趋于一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于全桥级联型电池均衡拓扑，其特征是：所述的全桥模块由4个MOSFET开关器件两两串联以后再并联构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于全桥级联型电池均衡拓扑，其特征是：所述全桥模块有4路独立的触发脉冲与4个MOSFET开关器件对应连接，用以驱动全桥模块，实现单体电池与电池组正接、反接、隔离的三种工作状态。
4.采用权利要求1所述的一种基于全桥级联型电池均衡拓扑的均衡控制方法，其特征是：具体步骤如下：
步骤1：初始化系统：确定单次反接入电池组的电池个数为r；设置均衡阈值T_V_S；设置切换阈值C_V_S；初始化SOC排序数组SOC_order[i]；初始化两个平均数组ave_l和ave_h；
步骤2：计算SOC并求取两两单体电池SOC之差的最大值，记为det_soc_m；
步骤3:将det_soc_m与T_V_S做比较，若判定出电池组已达到均衡，将所有全桥模块设置为工作状态1；若判定出电池组未到达均衡，则进行步骤4；
步骤4：判断ave_l与ave_h之差的绝对值是否小于切换阈值C_V_S；若上述计算结果为真，则执行步骤5操作，否则执行步骤6操作；
步骤5：更新其中SOC_order[i]为SOC排序后数组，之后执行步骤2；
步骤6：对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，更新全桥模块的工作状态，更新ave_l，ave_h，之后执行步骤2。
5.根据权利要求4所述的一种基于全桥级联型电池均衡拓扑的均衡控制方法，其特征是：所述的步骤3中的比较为滞环比较，避免均衡器重复启动。
6.根据权利要求4所述的一种基于全桥级联型电池均衡拓扑的均衡控制方法，其特征是：所述的步骤6中的对单体电池SOC进行排序并存放在SOC_order[i]中，分为充电和放电两种情况，充电模式下进行降序排序，放电情况下进行升序排序。
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