CN108899943B - 基于电池组h桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路及其控制方法 - Google Patents

基于电池组h桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路，是一种电池组H桥串联结构，具备电池保护和主动均衡功能的三相电机逆变驱动控制电路。该电路设计可通过控制电流的导通路径对每个单体电池(或单体电池组)进行放电控制。通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，通过PWM开关调制可实现三相逆变放电，可根据三相电机的控制机理直接驱动电机工作。该电路设计可实现与放电电流大小相同的主动均衡能力。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。

Description

基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路及其 控制方法
技术领域
本发明涉及电池领域。
背景技术
新能源技术快速发展，特别是锂电池在后备储能和电动汽车等领域的广泛应用，对关键的电池储能和电池管理技术提出更高要求，需要提升对电池组放电的有效性和均衡能力，使电池组的储能特性发挥到最佳。
在使用电池组驱动三相电机的应用中，需要增加专门的电机逆变驱动电路才可实现对电机的驱动控制。系统构架复杂，硬件成本高。
电池组包技术对单体电池的一致性具有较高要求，否则因电池一致性问题严重影响电池组整体性能的发挥。但受电池技术限制，需要通过更好的电池管理技术解决电池一致性问题，降低电池组包对单体电池的一致性要求。
目前的被动均衡和主动均衡技术均存在效率低，实际应用效果不理想等问题。特别是主动均衡技术，包括电容飞度法、电压转换法，电路极为复杂、硬件体积大、应用成本高等缺陷。需要有更好的电池管理技术提升应用水平。
整个电池组的性能受制于单体电池失效或质量问题的影响。需要有更好的电池管理技术提高电池应用的可靠性和安全性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种电池组H桥串联结构，具备电池保护和主动均衡功能的三相电机逆变驱动控制电路。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路，电池组由相互串联的电池单元构成，每个电池单元设有一个H桥组件，所述H桥组件由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件依次首尾相连构成，所述电池单元的正极接入到第二开关元件和第四开关元件之间，所述电池单元的负极接入到第一开关元件和第三开关元件之间，所述第三开关元件和第四开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第一电极与其他电池单元串联，所述第一开关元件和第二开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第二电极与其他电池单元串联，每个电池单元的第一电极与另一个电池单元的第二电极连接，其中位于首端的电池单元的第一电极连接电池组的A相供电接口，位于末端的电池单元的第二电极连接电池组的B相供电接口，串联的电池单元的中间电压点的引出导线连接C相供电接口，所述A相供电接口、B相供电接口和C相供电接口分别通过供电开关连接三相电机的电源接口，所述A相供电接口和B相供电接口连接通过充电开关连接充电接口。
所述电池组由中间电压点分隔为AC电池单元组和CB电池单元组,AC电池单元组和CB电池单元组的电池单元数量相同，所述三相电机逆变驱动控制电路设有PWM调制信号输出单元，所述PWM调制信号输出单元输出控制信号至每一个电池单元的每一个开关元件，以及供电开关和充电开关。
所述三相逆变放电控制电路设有电池管理单元，每个所述电池单元的第一电极和第二电极上设有电压采集单元，每个所述电压采集单元输出电压信号至电池管理单元，并输出控制信号至PWM调制信号输出单元，通过PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态；所述充电接口设有电信号采集单元，采集单元可以采用充电的电压值和电极状态，所述电信号采集单元输出感应信号至电池管理单元。
基于三相电机逆变驱动控制电路的控制方法：
当接收到启动电机的信号后，保持供电开关通路，充电开关断路；
PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态，使AC电池单元组和CB电池单元组以相同的频率(如50Hz)动作，且AC电池单元组和CB电池单元组的极性相反；
PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态的方法：
当AC电池单元组的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开时，CB电池单元组的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
当AC电池单元组的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合时，CB电池单元组的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开。
即交替切换供电极性形成三相交流电。
当感应到充电接口有供电信号时，判断当前电机是否在运作；
若是则报警，若否则执行下一步；
判断A相供电接口和B相供电接口输入电流的正负极；
若A相供电接口正极，B相供电接口连接负极，则控制每个电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开；若A相供电接口连接负极，B相供电接口连接正极，则控制每个电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
保持供电开关断路，充电开关通路；
当所有电池单元完成充电后断开充电开关。
充电过程中，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高或状态异常时，则控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件闭合，第二开关元件和第四开关元件断开；或者控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件和第四开关元件闭合；
充电过程中，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高时；
若A相供电接口连接正极，B相供电接口连接负极，则控制该电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
若A相供电接口连接负极，B相供电接口连接正极，则控制该电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开。
可以有效的保护充电过程中的电池。
当感应到充电接口有供电信号时，获取充电接口的输入电压值；
若输入电压值大于安全值上限则报警，并保持充电开关断路，若输入电压值位于安全值上限和安全值下限之间，则开始为全部电池单元充电，若输入电压值低于安全值下限则分批次为电池单元充电；
分批次为电池单元充电的方法：
根据当前充电设备的输出电压比对预存表格，获取每批次参与充电的电池单元数量，充电过程中，若当前参与充电的某一个或多个电池单元电量充满，则断开已经充满电的电池单元的开关元件，并加入尚未充满电的电池单元参与充电，使当前参与充电的电池单元数量与查表获得的数值相同，直至所有电池单元均充满电。
电池组为电机供电时，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高或状态异常时，则控制包括电压偏高或状态异常电池单元内的双数个数电池单元从供电状态中断开，使AC电池单元组和CB电池单元组中处于供电状态的电池单元相同；
从供电状态中断开的控制方法：控制电池单元的第一开关元件和第三开关元件闭合，第二开关元件和第四开关元件断开；或者控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件和第四开关元件闭合。
本发明的优点在于:
1、可将单体电池(或单体电池组)加入串联组合，也可完全旁路出串联组合。可以控制放电电流经过或不经过任意单体电池(或单体电池组)，即可达到均衡电流等于放电电流的高效率均衡。
2、通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，作为三相电源输出端口。根据三相逆变控制机理和三相电机驱动要求，通过PWM开关调制所有串入母线结构参与放电输出的H桥电路，电池管理电路即可实现满足电机驱动要求的三相逆变放电，直接驱动三相电机工作。而不再需要额外增加电机驱动电路。
3、在额定放电电压所需的电池串数基础上，增加一节或多节单体电池(或单体电池组)作为均衡冗余。即可做到旁路进入放电保护或主动均衡的单体电池(或单体电池组)时，电池组放电电压正常。每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电，使电池组的储能特性发挥到最佳，且不依赖于对单体电池的一致性要求。
4、每个单体电池(或单体电池组)仅使用场效应管、继电器或其它开关器件搭建的H桥电路作为导通和关断控制，即可实现串入或旁路控制，电路简洁，控制简单，成本低廉。
5、特别对单体电池(或单体电池组)发生失效或质量问题，可完全旁路在串联组合外，提供电池组应用的可靠性和安全性。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容作简要说明：
图1为基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路示意图。
具体实施方式
基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路是一种电池组H桥串联结构，具备电池保护和主动均衡功能的三相电机逆变驱动控制电路。该电路设计可通过控制电流的导通路径对每个单体电池(或单体电池组)进行放电控制。通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，通过PWM开关调制可实现三相逆变放电，可根据三相电机的控制机理直接驱动电机工作。该电路设计可实现与放电电流大小相同的主动均衡能力。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
电池组中的每个单体电池(或单体电池组)通过场效应管、继电器或其它开关器件搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过H桥电路将单体电池(或单体电池组)串入母线，或将单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合。通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，作为三相电源输出端口，通过PWM开关调制可实现三相逆变放电
单体电池(或单体电池组)通过H桥输出端连接电池组串联母线，Sx_4(第四开关元件)、Sx_1(第一开关元件)开关导通实现电池电压正向输出，Sx_2(第二开关元件)、Sx_3(第三开关元件)开关导通实现电池电压反向输出，该级单体电池(或单体电池组)串入母线，通过母线电流。Sx_2、Sx_4开关导通或Sx_1、Sx_3开关导通，则短接串联母线，该级单体电池(或单体电池组)旁路出串联组合，不通过母线电流。
通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，即对应附图的A、B、C三个端子位置为三相电源的输出端口，直接与电机三相接电端口相连。根据三相逆变控制机理和三相电机驱动要求，通过PWM开关调制所有串入母线结构参与放电输出的H桥电路，电池管理电路即可实现满足电机驱动要求的三相逆变放电，直接驱动三相电机工作，而不再需要额外增加电机驱动电路。
具体结构如下：
单体电池(或单体电池组)正、负极不直接串联形成电池组，而是通过场效应管、继电器或其它开关器件搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过控制H桥电路的导通连接，该级单体电池(或单体电池组)可正向或反向串入母线。
单体电池(或单体电池组)可通过场效应管、继电器或其它开关器件搭建的H桥电路进行通断控制，H桥输出端连接电池组串联母线。通过控制H桥电路将母线短接，该级单体电池(或单体电池组)则旁路出串联组合。
通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，作为三相电源的输出端口，直接与电机三相接电端口相连。根据三相逆变控制机理和三相电机驱动要求，通过PWM开关调制所有串入母线结构参与放电输出的H桥电路，电池管理电路即可实现满足电机驱动要求的三相逆变放电，直接驱动三相电机工作，而不再需要额外增加电机驱动电路。逆变输出电压为每级逆变电压和端口间串联级数的叠加。
放电过程根据每个单体电池(或单体电池组)的电压和状态信息，正常的单体电池(或单体电池组)可通过H桥电路串入母线进行放电连接。异常的单体电池(或单体电池组)可通过H桥电路将该级母线导通连接，该级电池旁路出串联组合，不通过放电电流。电压偏低的单体电池(或单体电池组)也可通过H桥电路反向串入母线进行充电连接，更高效的进行主动均衡。
放电过程根据每个单体电池(或单体电池组)的电压和状态信息，实时控制调整各个单体电池(或单体电池组)的H桥连接状态，实现放电保护和主动均衡。通过动态控制，电池组中的每个单体电池(或单体电池组)都能够达到放分放电。
放电过程对每个单体电池(或单体电池组)的均衡电流等于放电电流。还可通过将单体电池(或单体电池组)做充电连接，更高效的进行主动均衡。
基于该电路结构的电池组包技术和三相电机驱动功能。
通过该发明技术，可以大大降低电池组包对单体电池一致性的要求。
通过该发明技术，电池管理电路可通过PWM开关调制，实现满足电机驱动要求的三相逆变放电，直接驱动三相电机工作。
通过该发明技术，可对电池组中的每个单体电池(或单体电池组)实现放电保护和主动均衡。每个单体电池(或单体电池组)都能够达到充分放电。
通过该发明技术，可将存在问题的单体电池(或单体电池组)彻底排除在串联组合外，不会因个别单体电池(或单体电池组)的损坏影响电池组的使用，大大提高系统的安全性和可靠性。
电池管理电路通过三相逆变放电，直接驱动三相电机的控制逻辑：
通过母线正、负极，并增加中间电压点抽头，作为三相电源输出端口。根据三相逆变控制机理和三相电机驱动要求，通过PWM开关调制所有串入母线结构参与放电输出的H桥电路，电池管理电路即可实现满足电机驱动要求的三相逆变放电，直接驱动三相电机工作。动态调整输出放电的单体电池(或单体电池组)个数，使输出电压的变化符合三相逆变输出的电压要求。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于电池组H桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路，电池组由相互串联的电池单元构成，其特征在于：每个电池单元设有一个H桥组件，所述H桥组件由第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件依次首尾相连构成，所述电池单元的正极接入到第二开关元件和第四开关元件之间，所述电池单元的负极接入到第一开关元件和第三开关元件之间，所述第三开关元件和第四开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第一电极与其他电池单元串联，所述第一开关元件和第二开关元件之间引出电源线作为该电池单元的第二电极与其他电池单元串联，每个电池单元的第一电极与另一个电池单元的第二电极连接，其中位于首端的电池单元的第一电极连接电池组的A相供电接口，位于末端的电池单元的第二电极连接电池组的B相供电接口，串联的电池单元的中间电压点的引出导线连接C相供电接口，所述A相供电接口、B相供电接口和C相供电接口分别通过供电开关连接三相电机的电源接口，所述A相供电接口和B相供电接口连接通过充电开关连接充电接口；
所述第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件为PWM开关，通过PWM开关调制实现三相逆变放电;
当接收到启动电机的信号后，保持供电开关通路，充电开关断路；
PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态，使AC电池单元组和CB电池单元组以相同的频率动作，且AC电池单元组和CB电池单元组的极性相反。
2.根据权利要求1所述的三相电机逆变驱动控制电路，其特征在于：所述电池组由中间电压点分隔为AC电池单元组和CB电池单元组, AC电池单元组和CB电池单元组的电池单元数量相同，所述三相电机逆变驱动控制电路设有PWM调制信号输出单元，所述PWM调制信号输出单元输出控制信号至每一个电池单元的每一个开关元件，以及供电开关和充电开关。
3.根据权利要求1或2所述的三相电机逆变驱动控制电路，其特征在于：所述三相电机逆变驱动控制电路设有电池管理单元，每个所述电池单元的第一电极和第二电极上设有电压采集单元，每个所述电压采集单元输出电压信号至电池管理单元，并输出控制信号至PWM调制信号输出单元，通过PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态；所述充电接口设有电信号采集单元，所述电信号采集单元输出感应信号至电池管理单元。
4.基于权利要求1、2或3三相电机逆变驱动控制电路的控制方法，其特征在于：
PWM调制信号输出单元控制开关元件开关状态的方法：
当AC电池单元组的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开时，CB电池单元组的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
当AC电池单元组的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合时，CB电池单元组的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于：
当感应到充电接口有供电信号时，判断当前电机是否在运作；
若是则报警，若否则执行下一步；
判断A相供电接口和B相供电接口输入电流的正负极；
若A相供电接口正极，B相供电接口连接负极，则控制每个电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开；若A相供电接口连接负极，B相供电接口连接正极，则控制每个电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
保持供电开关断路，充电开关通路；
当所有电池单元完成充电后断开充电开关。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：
充电过程中，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高或状态异常时，则控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件闭合，第二开关元件和第四开关元件断开；或者控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件和第四开关元件闭合；
充电过程中，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高时；
若A相供电接口连接正极，B相供电接口连接负极，则控制该电池单元的第一开关元件和第四开关元件断开，第二开关元件和第三开关元件闭合；
若A相供电接口连接负极，B相供电接口连接正极，则控制该电池单元的第一开关元件和第四开关元件闭合，第二开关元件和第三开关元件断开。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于：
当感应到充电接口有供电信号时，获取充电接口的输入电压值；
若输入电压值大于安全值上限则报警，并保持充电开关断路，若输入电压值位于安全值上限和安全值下限之间，则开始为全部电池单元充电，若输入电压值低于安全值下限则分批次为电池单元充电；
分批次为电池单元充电的方法：
根据当前充电设备的输出电压比对预存表格，获取每批次参与充电的电池单元数量，充电过程中，若当前参与充电的某一个或多个电池单元电量充满，则断开已经充满电的电池单元的开关元件，并加入尚未充满电的电池单元参与充电，使当前参与充电的电池单元数量与查表获得的数值相同，直至所有电池单元均充满电。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：
电池组为电机供电时，当检测到某一个或多个电池单元电压偏高或状态异常时，则控制包括电压偏高或状态异常电池单元内的双数个数电池单元从供电状态中断开，使AC电池单元组和CB电池单元组中处于供电状态的电池单元相同；
从供电状态中断开的控制方法：控制电池单元的第一开关元件和第三开关元件闭合，第二开关元件和第四开关元件断开；或者控制该电池单元的第一开关元件和第三开关元件断开，第二开关元件和第四开关元件闭合。
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CN101534063A (zh) * 2009-04-24 2009-09-16 清华大学 一种级联型多相变流器
CN208596953U (zh) * 2018-05-25 2019-03-12 李勇 基于电池组h桥串联结构的三相电机逆变驱动控制电路

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