CN109245220B - 一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，与现有技术相比，本发明电池组的充电控制和放电控制独立进行，并且可以多路直接供电，其结构简单、成本低、应用灵活。能够对不同种类、不同平台电压、不同厂家批次、不同寿命状态的电池组进行并联运行控制。此外，本系统能够对充电电流和放电电流分别进行控制。不仅如此本发明在实现充放电电流控制功能的同时所需的功率开关数量最少，其中一个实施例仅用两个全控型电力电子开关器件和两个二极管，而另外一个实施例仅用三个全控型电力电子开关器件没有二极管。目前相关资料表明没有能够实现上述功能的同时使用更少功率器件的案例。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池保护及控制领域，属于锂电池等相关电池的管理系统，特别是对多种不同电池组并联充放电控制的应用系统。
背景技术
随着锂电池和储能技术的发展，对电池管理系统的要求也越来越高。电池管理过程中，对充放电的电流限制非常重要，特别是对锂电池低温条件下充电电流的限制必须控制精确，否则会引起锂枝晶的生长，最终影响到电池组的安全性。此外，不同种类的电池和不同厂家、批次、状态的电池经常会在一些应用场景中使用，因此多电池组并联充放电控制系统在电池组并联应用的安全性和寿命方面显得尤为重要。
由于不同种类的电池平台电压不同，因此如果把两组不同种类的电池直接并在一起会使得平台电压高的电池充不满，而平台电压低的放不出。同样种类的电池由于厂家、批次、状态的不同，其特性曲线也存在差异，因此也会引起同样问题。
目前对电池进行充放电控制方面，特别是并联控制方面主要采用两个反向串联的MOSFET组成双向电子开关或者采用机械开关与电子开关并联的控制方式，结构简单，成本较低，但是功能较为单一，不适合复杂供电系统中的应用。例如中国专利CN101830269A、CN203261014U、CN104242253A、CN104617613A、CN107425561A、 CN105119361A分别公开了几种不同形式的双向开关电池组控制电路及其控制方法。这些方案仅能控制双向开关对充电或者放电进行起停控制。由于两个电力电子器件组成的双向开关，本质上与一个机械开关如接触器等功能相同，因此无法实现多组电池并联中的独立控制。
此外，为了解决充电限流问题，通常的解决办法是额外增加充电限流模块，当充电时，将充电开关关断，是充电电流通过限流模块进行充电。这种解决方式一方面增加了系统的成本和结构复杂程度，另外一方面充电限流比较小，不能全范围对电流进行控制，而且无法对放电电流也进行全面控制。
中国专利CN107154665A公开了一种采用DC/DC变换器的电池控制装置，该装置采用了8个高速电力电子开关和电感组成的DC/DC变换器，结构非常复杂，成本高，而且需要非常复杂的逻辑控制，因此对控制器的要求比较高，控制系统也非常复杂。该电池充放电控制器所占电池组的成本比例太高，不合适多组电池的应用。
中国专利CN205945144U公开了另一种采用DC/DC变换器的电池控制装置，该装置结构比较简单，但是只能对电池组的充电过程进行控制，无法控制放电过程，特别是当电池过放电时，该控制器无法对电池进行保护，容易引起锂电池的过放电产生锂枝晶造成电池内部短路，安全问题严重。
综上所述，现有技术中简单的双向开关控制模式比较简单，成本低，但是功能单一，只能控制充放电的起停，无法在复杂的储能系统中得到应用，通常为了限流在简单的双向开关上并联一个小电流的限流器，增加了电池控制系统的成本。而带有DC/DC变换器的电池充放电控制系统结构过于复杂，控制难度大，而且成本高，尤其在小功率系统中所占成本比例较大，因此不适合多电池组的并联应用。此外现有的技术中均没有考虑多个一次电源供电应用场景。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，与现有技术相比，本发明电池组的充电控制和放电控制独立进行，并且可以多路直接供电，其结构简单、成本低、应用灵活。能够对不同种类、不同平台电压、不同厂家批次、不同寿命状态的电池组进行并联运行控制。此外，本系统能够对充电电流和放电电流分别进行控制。不仅如此本发明在实现充放电电流控制功能的同时所需的功率开关数量最少，其中一个实施例仅用两个全控型电力电子开关器件和两个二极管，而另外一个实施例仅用三个全控型电力电子开关器件没有二极管。目前相关资料表明没有能够实现上述功能的同时使用更少功率器件的案例。
本发明采取的技术方案为：
为了达到上述目的，本发明的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，包括第一一次电源、第一直流电源、负载、第一电池组、第二一次电源、第二直流电源、第M一次单元、第M直流电源、第二电池组、第N电池组，M和N为大于1的整数，其特征在于，还包括第一防反二极管、第一并联单元、第二防反二极管、第M防反二极管、第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元；所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元包括母线负端、母线正端、电池负端、电池正端；
所述第一一次电源与第一直流电源输入相连，第一防反二极管的阴极与第一直流电源的输出负极相连，第二一次电源与第二直流电源输入相连，第二防反二极管的阴极与第二直流电源的输出负极相连，第M一次电源与第M直流电源输入相连，第M防反二极管的阴极与第 M直流电源的输出负极相连；
所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元的电池负端、电池正端分别与第一电池组、第二电池组、第N电池组的正负极相连；
所述第一防反二极管、第二防反二极管、第M防反二极管的阳极与第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元的母线负端和负载的负端通过负直流母线连接到一起；第一直流电源、第二直流电源、第 M直流电源的正输出端与第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元的母线正端和负载的正端过正直流母线连接到一起；
所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元由双向DC/DC 变换器构成，能够实现充电控制、放电控制、充电限流、放电限流。
所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元有双开关和三开关两种模式。
所述双开关模式的第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元还包括控制器、第一功率开关、第二功率开关、第一二极管、第二二极管、电感；
所述第一功率开关、第二功率开关可以由MOSFET或者IGBT等电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关的漏极与母线正端相连，母线负端与第二功率开关的漏极以及第一二极管和第二二极管的阳极连接在一起，第二功率开关的源极与电池负端连接，第一二极管的阴极与第一功率开关的源极以及电感相连，电感的另外一端与第二二极管的阴极和电池正端连接；
所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元仅由两个全控型功率器件和两个功率二极管组成，可以对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制，通过改变第一功率开关、第二功率开关的占空比可以分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是0-100％。
所述三开关模式的第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元还包括控制单元、第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、电感；
所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管可以由 MOSFET或者IGBT等电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管首尾串联连接，即源极与漏极相连，第一功率开关管的漏极与母线正端连接，第一功率开关管的源极、第二功率开关管的漏极、电感连在一起，电感的另外一端连电池正端，第二功率开关管的源极、第三功率开关管的漏极、母线负端连在一起，第三功率开关管的源极连接电池负端；
所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元仅由三个全控型功率器件组成，可以对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制，通过改变第一功率开关管、第二功率开关管的占空比可以分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是0-100％，第三功率开关管的占空比的取值只有两个0和 100％，控制电池的接通和断开。
所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，其通过所述第一并联单元、第二并联单元、第N并联单元实现的控制方法包括双开关模式充电限流控制策略、双开关模式放电限流控制策略、三开关模式充电限流控制策略、三开关模式放电限流控制策略。
所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置的实现方法，其特征在于，所述双开关模式充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤A-1：控制器检测电池组参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关始终关断；
步骤A-2：控制器检测电池组的充电电流，并根据充电电流设定值控制第一功率开关的占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值；
步骤A-3：当控制器控制第一功率开关导通时，电流经过直流电源正极、第一功率开关、电感、电池组、第二功率开关体内反并联二极管、防反二极管到直流电源负极形成回路；
步骤A-4：当控制器控制第一功率开关关断时，电流经过电感、电池组、第二功率开关体内反并联二极管、第一二极管到电感另外一端形成回路；
步骤A-5：当充电完成时，控制器控制第一功率开关和第二功率开关关断。
所述双开关模式放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤B-1：控制器检测电池组参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关始终关断；
步骤B-2：控制器检测电池组的放电电流，并根据放电电流设定值控制第二功率开关的占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值；
步骤B-3：当控制器控制第二功率开关导通时，电流经过电池组正极、电感、第一功率开关体内反并联二极管、负载、第二功率开关到电池组负极形成回路；
步骤B-4：当控制器控制第二功率开关关断时，电流经过电感、第一功率开关体内反并联二极管、负载、第二二极管到电感另外一端形成回路；
步骤B-5：当放电完成时，控制器控制第一功率开关和第二功率开关关断。
所述三开关模式充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤C-1：控制单元检测电池组参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关管和第三功率开关管始终关断；
步骤C-2：控制单元检测电池组的充电电流，并根据充电电流设定值控制第一功率开关管的占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值；
步骤C-3：当控制单元控制第一功率开关管导通时，电流经过直流电源正极、第一功率开关管、电感、电池组、第三功率开关管体内反并联二极管、防反二极管到直流电源负极形成回路；
步骤C-4：当控制单元控制第一功率开关管关断时，电流经过电感、电池组、第三功率开关管体内反并联二极管、第二功率开关管体内反并联二极管到电感另外一端形成回路；
步骤C-5：当充电完成时，控制单元控制第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管关断。
所述三开关模式放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤D-1：控制单元检测电池组参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关管始终关断，同时控制第三功率开关管始终导通；
步骤D-2：控制单元检测电池组的放电电流，并根据放电电流设定值控制第二功率开关管的占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值；
步骤D-3：当控制单元控制第二功率开关管导通时，电流经过电池组正极、电感、第二功率开关管、第三功率开关管到电池组负极形成回路；
步骤D-4：当控制单元控制第二功率开关管关断时，电流经过电池组正极、电感、第一功率开关管体内反并联二极管、负载、第三功率开关管到电池组负极形成回路；
步骤D-5：当放电完成时，控制单元控制第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管关断。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
本发明的一个效果在于，使用了最少的功率器件实现充放电独立限流控制功能，其中双开关充放电限流电池组并联控制装置仅使用两个全控型电力电子开关，两个二极管，功率开关最少；三开关充放电限流电池组并联控制装置仅使用三个全控型电力电子开关，没有二极管，电力电子器件总数最少。
本发明的一个效果在于，电池组的充电控制和放电控制可以独立进行，避免产生电池组之间的环流。
本发明的一个效果在于，当电池组作为备电运行时，电源直接向负载供电，将充电回路断开避免锂电池等浮充引起副反应，提高电池使用寿命。
本发明的一个效果在于，当电池容量降低达到下限时，可以切断电池输出，避免因过放电引起安全问题。
本发明的一个效果在于，低温条件下充电电流可以根据温度进行调节，避免低温大电流充电产生锂枝晶，引起安全问题。
本发明的一个效果在于，放电时，可以根据一次电源的性质进行限流控制，优先利用一次电源。特别是在新能源供电系统中，优先利用风能和太阳能像系统供电，不足的电能由蓄电池供电，因此电池的输出电流和电压可以得到控制。
附图说明
图1传统电池组控制器示意图；
图2是本发明中多路电源与电池组并联控制装置示意图；
图3是本发明中双开关并联单元示意图；
图4是本发明中三开关并联单元示意图；
图5是本发明中双开关并联单元充电过程1示意图；
图6是本发明中双开关并联单元充电过程2示意图；
图7是本发明中双开关并联单元充电过程电压电流波形图；
图8是本发明中双开关并联单元放电过程1示意图；
图9是本发明中双开关并联单元放电过程2示意图；
图10是本发明中双开关并联单元放电过程电压电流波形图；
图11是本发明中三开关并联单元充电过程1示意图；
图12是本发明中三开关并联单元充电过程2示意图；
图13是本发明中三开关并联单元充电过程电压电流波形图；
图14是本发明中三开关并联单元放电过程1示意图；
图15是本发明中三开关并联单元放电过程2示意图；
图16是本发明中三开关并联单元放电过程电压电流波形图。
附图中，各标号所代表的部件：
1、第一一次电源，2、第一直流电源，3、第一防反二极管，4、负载，5、第一并联单元，6、第一电池组，7、第二一次电源，8、第二直流电源，9、第二防反二极管，10、第M一次电源，11、第M直流电源，12、第M防反二极管，13、第二并联单元，14、第二电池组， 15、第N并联单元，16、第N电池组，100、控制器，101、母线负端， 102、母线正端，103、电池负端，104、电池正端，105、第一功率开关，106、第二功率开关，107、第一二极管，108、第二二极管，109、电感，200、控制单元，201、第一功率开关管，202、第二功率开关管，203、第三功率开关管，204、电感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的介绍。
传统的电池保护板、合路器、并路器都有一个共同的特点，其充电控制电路和放电控制电路均由一个双向功率半导体开关控制，见图 1。该电路结构虽然简单，但是使用不够灵活，无法应用复杂的供电系统。特别是在锂电池应用中，充电电流不可控，当多组电池同时并联充电时，由于每组电池充电电流不均衡，可能会引起某组电池充电电流过大引起火灾事故。此外，当环境温度较低时，充电电流需要进行限制，特别是在0℃以下，如果还继续大电流充电会产生锂枝晶造成电池短路，引起安全问题。为此人们在现有的双向开关控制器上额外增加了限流器。该限流器一般电流远小于电池额定的充放电电流，不仅增加了额外成本，而且不能满足大功率应用场合。
本实施例是多组分布式电源向负载供电的应用场合，并且有多组不同种类、型号、状态的电池组作为储能装置向负载4供电，见图2。其中一次电源1、7、10可以是市电、柴油发电机、风能、太阳能等不同形式的供电装置。在实际应用中需要优先利用风能和太阳能等清洁能源，不够的电能由电池组6、14、16来提供。
所述多路电源与电池组并联控制装置包括第一一次电源1、第一直流电源2、负载4、第一电池组6、第二一次电源7、第二直流电源 8、第M一次单元10、第M直流电源11、第二电池组14、第N电池组16。所述一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置还包括第一防反二极管3、第一并联单元5、第二防反二极管9、第M防反二极管12。一次电源1、7、10分别与直流电源2、8、11相连，防反二极管3、9、12的阴极与直流电源2、8、11的负极相连，防止在直流电源2、8、11之间产生环流。防反二极管3、9、12的阳极与负载4的负极相连组成直流母线负极，直流电源2、8、11的正极与与负载4的正极相连组成直流母线正极。M为大于1的整数。
所述第第一并联单元5、第二并联单元13、第N并联单元15包括母线负端101、母线正端102、电池负端103、电池正端104。并联单元5、13、15的电池负端103、电池正端104分别与电池组6、14、 16的正负极相连。并联单元5、13、15的母线负端101、母线正端 102分别与直流母线正极和直流母线负极相连，见图2。N为大于1 的整数。
所述并联单元5、13、15针对电池组的充放电应用，由功率开关器件最少的双向DC/DC变换器构成，能够实现充电控制、放电控制、充电限流、放电限流。也可以通过控制器100、控制单元200检测直母线的电压对电压进行调节，从而稳定直流母线电压，使供电系统更加稳定，满足高性能负载对电源稳定性安全性的需求。
由于每个电池组6、14、16分别通过并联单元5、13、15与直流母线相连，并且并联单元5、13、15可以对电池组6、14、16分别进行充放电电流控制，因此。尽管电池组6、14、16的种类、性能参数、型号、状态、平台电压不同，也可一个并联使用，并且可以对充放电电流进行加权平均，使每个电池组6、14、16均工作在最佳状态。并且可以根据电池的荷电状态，以及环境温度和电池温度进行充放电电流控制，不仅可以保证电池组6、14、16的使用安全，还可以提高其使用寿命。
作为一种优选的实施例，图3是本发明中本发明中双开关并联单元示意图，该实施例仅在现有技术基础上增加两个功率二极管(第一二极管107和第二二极管108)和一个无源储能元件电感109，就实现了电池组6、14、16的独立充放电控制，和充电限流控制和放电限流控制，以及放电时的直流母线电压控制模式。使用灵活，适合各种不同的储能应用领域，特别是多个新能源电源供电时可以优先利用新能源，而且可以防止多组电池并联同时充电的电流不均衡问题，避免因充电电流过大引起的火灾等安全问题，而且在低温时可以限制电流避免产生锂枝晶影响安全以及使用寿命。
本实施例中，所述并联单元5、13、15包括控制器100、母线负端101、母线正端102、电池负端103、电池正端104、第一功率开关 105、第二功率开关106、第一二极管107、第二二极管108、电感109。所述控制器100，检测电池组6、14、16的单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池温度、电感109电流等参数，通过内部的CPU进行计算和逻辑判断对第一功率开关105、第二功率开关106的门极进行控制。所述控制器100具有通讯模块，可以跟其他并联单元5、13、 15进行通讯，也可以和上位机进行通讯，接收相应的控制指令上报本并联单元5、13、15和电池组6、14、16的状态信息。
本实施例中，所述第一功率开关105、第二功率开关106可以由 MOSFET或者IGBT等电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关105的漏极与母线正端102相连，母线负端101与第二功率开关106的漏极以及第一二极管107和第二二极管108的阳极连接在一起，第二功率开关106的源极与电池负端103连接，第一二极管 107的阴极与第一功率开关105的源极以及电感109相连，电感109 的另外一端与第二二极管108的阴极和电池正端104连接。利用控制器100通过改变第一功率开关105、第二功率开关106的占空比可以分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是 0-100％，可以对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制。
所述并联单元5、13、15仅由两个全控型功率器件和两个功率二极管以及一个电感组成。控制器100控制第一功率开关105、第二功率开关106处于关断状态时，电池组6、14、16与负载4和直流电源 2、8、11隔离，处于隔离状态。
如果电池组6、14、16处于100％SOC状态时，可以通过控制器 100控制第一功率开关105关断，第二功率开关106导通使电池组6、 14、16处于备电状态，同时停止对电池组6、14、16进行浮充，防止浮充带来的副反应，从而提高电池使用寿命。
一旦一次电源1、7、10分别与直流电源2、8、11供电不足甚至断电时，电池组6、14、16瞬时由备电状态自动转入放电状态。电流经过电池组6、14、16正极、电感109、第一功率开关105体内反并联二极管、负载4、第二功率开关106到电池组6、14、16负极形成回路，见图8。同时，控制器100检测电池组6、14、16的单体电池电压、放电电流、环境温度、电池温度、电感109电流等参数。如果是多组电池同时放电需要对放电电流进行均衡时，就会通过通讯线路得到限流指令。控制器100根据放电电流设定值以及放电电流检测值计算出第二功率开关106所需的占空比，并对其实施斩波控制。当电池温度较低时，会根据电池温度特性对电池组6、14、16放电电流进行限制，防止产生锂枝晶，影响电池组6、14、16安全和寿命。详见图8、图9和图10。
当电池组6、14、16容量达到最低设定值时，需要停止放电。控制器100控制第二功率开关106关断，并向上位机发出电池状态，避免电池组6、14、16过放电引起的安全和寿命问题。
当电池组6、14、16需要充电控制时，控制器100控制第二功率开关106关断，同时控制器100检测电池组6、14、16的单体电池电压、充电电流、环境温度、电池温度、电感109电流等参数，根据和电池特性参数以及充电电流设定值和检测值计算出占空比对第一功率开关105进行斩波控制。当电池组6、14、16充满电时，第一功率开关105关断。当多组电池同时充电时，可以通过对充电电流的控制避免充电电流过大对电池造成的损害以及对电池寿命和安全性造成的影响。详见图5、图6、图7。
作为一种优选的实施例，图4是本发明中本发明中三开关并联单元示意图，该实施例仅在现有技术基础上增加了1个功率开关管(第三功率开关管203)和一个无源储能元件电感209，就实现了电池组 6、14、16的独立充放电控制，和充电限流控制和放电限流控制，以及放电时的直流母线电压控制模式。使用灵活，适合各种不同的储能应用领域，特别是多个新能源电源供电时可以优先利用新能源，而且可以防止多组电池并联同时充电的电流不均衡问题，避免因充电电流过大引起的火灾等安全问题，而且在低温时可以限制电流避免产生锂枝晶影响安全以及使用寿命。
本实施例中，所述并联单元5、13、15包括控制单元200、母线负端101、母线正端102、电池负端103、电池正端104、第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203、电感204。所述控制单元200，检测电池组6、14、16的单体电池电压、充放电电流、环境温度、电池温度、电感204电流等参数，通过内部的CPU进行计算和逻辑判断对第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203的门极进行控制。所述控制单元200具有通讯模块，可以跟其他并联单元5、13、15进行通讯，也可以和上位机进行通讯，接收相应的控制指令上报本并联单元5、13、15和电池组6、14、16 的状态信息。
本实施例中，所述第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203可以由MOSFET或者IGBT等电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203首尾串联连接，即源极与漏极相连，第一功率开关管201的漏极与母线正端102连接，第一功率开关管201的源极、第二功率开关管202的漏极、电感204连在一起，电感的另外一端连电池正端104，第二功率开关管202的源极、第三功率开关管203的漏极、母线负端101连在一起，第三功率开关管203的源极连接电池负端103。利用控制单元200通过改变第一功率开关管201、第二功率开关管202的占空比可以分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是0-100％，可以对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制。第三功率开关管203的占空比的取值只有两个0和100％，控制电池的接通和断开。
所述并联单元5、13、15仅由三个全控型功率器件和一个电感组成。控制单元200控制第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203处于关断状态时，电池组6、14、16与负载4和直流电源2、8、11隔离，处于隔离状态。
如果电池组6、14、16处于100％SOC状态时，可以通过控制单元 200控制第一功率开关管201、第二功率开关管202关断，第三功率开关管203导通使电池组6、14、16处于备电状态，同时停止对电池组6、14、16进行浮充，防止浮充带来的副反应，从而提高电池使用寿命。
一旦一次电源1、7、10分别与直流电源2、8、11供电不足甚至断电时，电池组6、14、16瞬时由备电状态自动转入放电状态。电流经过电池组6、14、16正极、电感204、第一功率开关管201体内反并联二极管、负载4、第三功率开关管203到电池组6、14、16负极形成回路，见图15。同时，控制单元200检测电池组6、14、16的单体电池电压、放电电流、环境温度、电池温度、电感204电流等参数。如果是多组电池同时放电需要对放电电流进行均衡时，就会通过通讯线路得到限流指令。控制单元200根据放电电流设定值以及放电电流检测值计算出第二功率开关管202所需的占空比，并对其实施斩波控制。当电池温度较低时，会根据电池温度特性对电池组6、14、 16放电电流进行限制，防止产生锂枝晶，影响电池组6、14、16安全和寿命。
当电池组6、14、16容量达到最低设定值时，需要停止放电。控制单元200控制第二功率开关管202和第三功率开关管203关断，并向上位机发出电池状态，避免电池组6、14、16过放电引起的安全和寿命问题。详见图14、图15、图16。
当电池组6、14、16需要充电控制时，控制单元200控制第二功率开关管202和第三功率开关管203关断，同时控制单元200检测电池组6、14、16的单体电池电压、充电电流、环境温度、电池温度、电感204电流等参数，根据和电池特性参数以及充电电流设定值和检测值计算出占空比对第一功率开关管201进行斩波控制。当电池组6、 14、16充满电时，第一功率开关管201关断。当多组电池同时充电时，可以通过对充电电流的控制避免充电电流过大对电池造成的损害以及对电池寿命和安全性造成的影响。详见图11、图12、图13。
作为一种优选的实施例，所述采用双开关并联单元对第一并联单元5、第二并联单元13、第N并联单元15充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤A-1：控制器100检测电池组6、14、16参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关106始终关断。优选地，如果第一功率开关105、第二功率开关106采用MOSFET做功率开关，可以通过控制器100控制第二功率开关106始终导通，效果与本实施例相同。
步骤A-2：控制器100检测电池组6、14、16的充电电流，并根据充电电流设定值通过PI调节器计算出第一功率开关105的PWM控制占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值。
步骤A-3：当控制器100控制第一功率开关105导通时，电流经过直流电源2、8、11正极、第一功率开关105、电感109、电池组6、 14、16、第二功率开关106体内反并联二极管(优选地，采用MOSFET 功率开关时，电流可以通过第二功率开关106)、防反二极管3、9、 12到直流电源2、8、11负极形成回路。见图5本发明中双开关并联单元充电过程1示意图。
步骤A-4：当控制器100控制第一功率开关105关断时，电流经过电感109、电池组6、14、16)第二功率开关106体内反并联二极管(优选地，采用MOSFET功率开关时，电流可以通过第二功率开关 106)、第一二极管107到电感109另外一端形成回路；见图6本发明中双开关并联单元充电过程2示意图。
步骤A-5：当充电完成时，控制器100控制第一功率开关105和第二功率开关106关断。将电池组6、14、16与直流母线隔离，避免浮充影响电池的使用寿命和安全问题。
图7为本发明中双开关并联单元充电过程电压电流波形图，当第一功率开关105的门极驱动信号Vg105为高电平时，充电电流iL上升；当第一功率开关105的门极驱动信号Vg105为低电平时，充电电流iL下降。控制器100对该电流进行检测，滤除高频信号，与充电电流设定值进行比较，并计算出第一功率开关105的PWM控制占空比输出成为第一功率开关105的门极驱动信号Vg105。
作为一种优选的实施例，所述采用双开关并联单元对第一并联单元5、第二并联单元13、第N并联单元15放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤B-1：控制器100检测电池组6、14、16参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关105始终关断。优选地，如果第一功率开关105、第二功率开关106采用MOSFET做功率开关，可以通过控制器100控制第一功率开关105始终导通，效果与本实施例相同。
步骤B-2：控制器100检测电池组6、14、16的放电电流，并根据放电电流设定值通过PI调节器计算出第二功率开关106的PWM控制占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值。
步骤B-3：当控制器100控制第二功率开关106导通时，电流经过电池组6、14、16正极、电感109、第一功率开关105体内反并联二极管(优选地，采用MOSFET功率开关时，电流可以通过第一功率开关105)、负载4、第二功率开关106到电池组6、14、16负极形成回路。详见图8本发明中双开关并联单元放电过程1示意图。
步骤B-4：当控制器100控制第二功率开关106关断时，电流经过电感109、第一功率开关105体内反并联二极管(优选地，采用 MOSFET功率开关时，电流可以通过第一功率开关105)、负载4、第二二极管108到电感109另外一端形成回路。详见图9本发明中双开关并联单元放电过程2示意图。
步骤B-5：当放电完成时，控制器100控制第一功率开关105和第二功率开关106关断。避免电池组6、14、16因过放电产生的安全和寿命问题。
图10为本发明中双开关并联单元放电过程电压电流波形图，当第二功率开关106的门极驱动信号Vg106为高电平时，放电电流iL 反方向上升；当第二功率开关106的门极驱动信号Vg106为低电平时，放电电流iL反方向下降。控制器100对该电流进行检测，滤除高频信号，与放电电流设定值进行比较，并计算出第二功率开关106的 PWM控制占空比输出成为第二功率开关106的门极驱动信号Vg106。
作为一种优选的实施例，所述采用三开关并联单元对第一并联单元5、第二并联单元13、第N并联单元15充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤C-1：控制单元200检测电池组6、14、16参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关管202和第三功率开关管203始终关断。优选地，如果第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203采用MOSFET做功率开关，可以通过控制单元200控制第二功率开关管202和第三功率开关管203始终导通，效果与本实施例相同。
步骤C-2：控制单元200检测电池组6、14、16的充电电流，并根据充电电流设定值通过PI调节器计算出第一功率开关管201的PWM 控制占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值；
步骤C-3：当控制单元200控制第一功率开关管201导通时，电流经过直流电源2、8、11正极、第一功率开关管201、电感204、电池组6、14、16、第三功率开关管203体内反并联二极管(优选地，采用MOSFET功率开关时，电流可以通过第三功率开关管203)、防反二极管3、9、12到直流电源2、8、11负极形成回路。详见图11本发明中三开关并联单元充电过程1示意图。
步骤C-4：当控制单元200控制第一功率开关管201关断时，电流经过电感204、电池组6、14、16、第三功率开关管203体内反并联二极管、第二功率开关管202体内反并联二极管(优选地，采用 MOSFET功率开关时，电流可以通过第三功率开关管203、第二功率开关管202)到电感204另外一端形成回路。详见图12本发明中三开关并联单元充电过程2示意图。
步骤C-5：当充电完成时，控制单元200控制第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203关断。将电池组6、14、 16与直流母线隔离，避免浮充影响电池的使用寿命和安全问题。
图13为本发明中三开关并联单元充电过程电压电流波形图，当第一功率开关管201的门极驱动信号Vg201为高电平时，充电电流 iL上升；当第一功率开关管201的门极驱动信号Vg201为低电平时，充电电流iL下降。控制单元200对该电流进行检测，滤除高频信号，与充电电流设定值进行比较，并计算出第一功率开关管201的PWM控制占空比输出成为第一功率开关管201的门极驱动信号Vg201。
作为一种优选的实施例，所述采用三开关并联单元对第一并联单元5、第二并联单元13、第N并联单元15放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤D-1：控制单元200检测电池组6、14、16参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关管201始终关断，同时控制第三功率开关管203始终导通。优选地，如果第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203采用MOSFET做功率开关，可以通过控制单元200控制第一功率开关管201、第二功率开关管202采用互补导通的同步整流模式，效果与本实施例相同。
步骤D-2：控制单元200检测电池组6、14、16的放电电流，并根据放电电流设定值通过PI调节器计算出第二功率开关管202的PWM 控制占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值。
步骤D-3：当控制单元200控制第二功率开关管202导通时，电流经过电池组6、14、16正极、电感204、第二功率开关管202、第三功率开关管203到电池组6、14、16负极形成回路。详见图14本发明中三开关并联单元放电过程1示意图。
步骤D-4：当控制单元200控制第二功率开关管202关断时，电流经过电池组6、14、16正极、电感204、第一功率开关管201体内反并联二极管(优选地，采用MOSFET功率开关时，电流可以通过第一功率开关管201)、负载4、第三功率开关管203到电池组6、14、 16负极形成回路。详见图15本发明中三开关并联单元放电过程2示意图。
步骤D-5：当放电完成时，控制单元200控制第一功率开关管201、第二功率开关管202、第三功率开关管203关断。避免电池组6、14、 16因过放电产生的安全和寿命问题。
图16为本发明中三开关并联单元放电过程电压电流波形图，当第二功率开关管202的门极驱动信号Vg202为高电平时，放电电流 iL反方向上升；当第二功率开关管202的门极驱动信号Vg202为低电平时，放电电流iL反方向下降。控制单元200对该电流进行检测，滤除高频信号，与放电电流设定值进行比较，并计算出第二功率开关管202的PWM控制占空比输出成为第二功率开关管202的门极驱动信号Vg202。
对所公开的实施例的上述说明，仅用于本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现，因此本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和创新点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，包括第一一次电源(1)、第一直流电源(2)、负载(4)、第一电池组(6)、第二一次电源(7)、第二直流电源(8)、第M一次电源(10)、第M直流电源(11)、第二电池组(14)、第N电池组(16)，M和N为大于1的整数，其特征在于，还包括第一防反二极管(3)、第一并联单元(5)、第二防反二极管(9)、第M防反二极管(12)、第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)；所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)包括母线负端(101)、母线正端(102)、电池负端(103)、电池正端(104)；
所述第一一次电源(1)与第一直流电源(2)输入相连，第一防反二极管(3)的阴极与第一直流电源(2)的输出负极相连，第二一次电源(7)与第二直流电源(8)输入相连，第二防反二极管(9)的阴极与第二直流电源(8)的输出负极相连，第M一次电源(10)与第M直流电源(11)输入相连，第M防反二极管(12)的阴极与第M直流电源(11)的输出负极相连；
所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)的电池负端(103)、电池正端(104)分别与第一电池组(6)、第二电池组(14)、第N电池组(16)的正负极相连；
所述第一防反二极管(3)、第二防反二极管(9)、第M防反二极管(12)的阳极与第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)的母线负端(101)和负载(4)的负端通过负直流母线连接到一起；第一直流电源(2)、第二直流电源(8)、第M直流电源(11)的正输出端与第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)的母线正端(102)和负载(4)的正端过正直流母线连接到一起；
所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)由双向DC/DC变换器构成，能够实现充电控制、放电控制、充电限流、放电限流。
2.如权利要求1所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，其特征在于，所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)有双开关和三开关两种模式。
3.如权利要求2所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，其特征在于，所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)处于双开关模式时，还包括控制器(100)、第一功率开关(105)、第二功率开关(106)、第一二极管(107)、第二二极管(108)、第一电感(109)；
所述第一功率开关(105)、第二功率开关(106)由电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关(105)的漏极与母线正端(102)相连，母线负端(101)与第二功率开关(106)的漏极以及第一二极管(107)和第二二极管(108)的阳极连接在一起，第二功率开关(106)的源极与电池负端(103)连接，第一二极管(107)的阴极与第一功率开关(105)的源极以及第一电感(109)相连，第一电感(109)的另外一端与第二二极管(108)的阴极和电池正端(104)连接；
所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)仅由两个全控型功率器件和两个功率二极管组成，对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制，通过改变第一功率开关(105)、第二功率开关(106)的占空比分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是0-100％。
4.如权利要求2所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，其特征在于，所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)处于三开关模式时，还包括控制单元(200)、第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)、第二电感(204)；
所述第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)由电力电子可控器件组成，以MOSFET为例，第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)首尾串联连接，即源极与漏极相连，第一功率开关管(201)的漏极与母线正端(102)连接，第一功率开关管(201)的源极、第二功率开关管(202)的漏极、第二电感(204)连在一起，电感的另外一端连电池正端(104)，第二功率开关管(202)的源极、第三功率开关管(203)的漏极、母线负端(101)连在一起，第三功率开关管(203)的源极连接电池负端(103)；
所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)仅由三个全控型功率器件组成，对电池进行充放电进行起停控制，以及充电限流和放电限流的分别控制，通过改变第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)的占空比分别控制充电电流和放电电流的大小，占空比的取值范围分别是0-100％，第三功率开关管(203)的占空比的取值只有两个0和100％，控制电池的接通和断开。
5.基于如权利要求1-4中任意一项所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置，其通过所述第一并联单元(5)、第二并联单元(13)、第N并联单元(15)实现的控制方法包括双开关模式充电限流控制策略、双开关模式放电限流控制策略、三开关模式充电限流控制策略、三开关模式放电限流控制策略。
6.如权利要求5所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置的实现方法，其特征在于，所述双开关模式充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤A-1：控制器(100)检测电池组(6、14、16)参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关(106)始终关断；
步骤A-2：控制器(100)检测电池组(6、14、16)的充电电流，并根据充电电流设定值控制第一功率开关(105)的占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值；
步骤A-3：当控制器(100)控制第一功率开关(105)导通时，电流经过直流电源(2、8、11)正极、第一功率开关(105)、第一电感(109)、电池组(6、14、16)、第二功率开关(106)体内反并联二极管、防反二极管(3、9、12)到直流电源(2、8、11)负极形成回路；
步骤A-4：当控制器(100)控制第一功率开关(105)关断时，电流经过第一电感(109)、电池组(6、14、16)、第二功率开关(106)体内反并联二极管、第
一二极管(107)到第一电感(109)另外一端形成回路；
步骤A-5：当充电完成时，控制器(100)控制第一功率开关(105)和第二功率开关(106)关断。
7.如权利要求5所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置的实现方法，其特征在于，所述双开关模式放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤B-1：控制器(100)检测电池组(6、14、16)参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关(105)始终关断；
步骤B-2：控制器(100)检测电池组(6、14、16)的放电电流，并根据放电电流设定值控制第二功率开关(106)的占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值；
步骤B-3：当控制器(100)控制第二功率开关(106)导通时，电流经过电池组(6、14、16)正极、第一电感(109)、第一功率开关(105)体内反并联二极管、负载(4)、第二功率开关(106)到电池组(6、14、16)负极形成回路；
步骤B-4：当控制器(100)控制第二功率开关(106)关断时，电流经过第一电感(109)、第一功率开关(105)体内反并联二极管、负载(4)、第二二极管(108)到第一电感(109)另外一端形成回路；
步骤B-5：当放电完成时，控制器(100)控制第一功率开关(105)和第二功率开关(106)关断。
8.如权利要求5所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置的实现方法，其特征在于，所述三开关模式充电限流控制策略实现步骤如下：
步骤C-1：控制单元(200)检测电池组(6、14、16)参数，需要进行充电控制时，控制第二功率开关管(202)和第三功率开关管(203)始终关断；
步骤C-2：控制单元(200)检测电池组(6、14、16)的充电电流，并根据充电电流设定值控制第一功率开关管(201)的占空比，使充电电流检测值跟踪充电电流设定值；
步骤C-3：当控制单元(200)控制第一功率开关管(201)导通时，电流经过直流电源(2、8、11)正极、第一功率开关管(201)、第二电感(204)、电池组(6、14、16)、第三功率开关管(203)体内反并联二极管、防反二极管(3、9、12)到直流电源(2、8、11)负极形成回路；
步骤C-4：当控制单元(200)控制第一功率开关管(201)关断时，电流经过第二电感(204)、电池组(6、14、16)、第三功率开关管(203)体内反并联二极管、第二功率开关管(202)体内反并联二极管到第二电感(204)另外一端形成回路；
步骤C-5：当充电完成时，控制单元(200)控制第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)关断。
9.如权利要求5所述的一种最少开关的充放电限流电池组并联控制装置的实现方法，其特征在于，所述三开关模式放电限流控制策略实现步骤如下：
步骤D-1：控制单元(200)检测电池组(6、14、16)参数，需要进行放电控制时，控制第一功率开关管(201)始终关断，同时控制第三功率开关管(203)始终导通；
步骤D-2：控制单元(200)检测电池组(6、14、16)的放电电流，并根据放电电流设定值控制第二功率开关管(202)的占空比，使放电电流检测值跟踪放电电流设定值；
步骤D-3：当控制单元(200)控制第二功率开关管(202)导通时，电流经过电池组(6、14、16)正极、第二电感(204)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)到电池组(6、14、16)负极形成回路；
步骤D-4：当控制单元(200)控制第二功率开关管(202)关断时，电流经过电池组(6、14、16)正极、第二电感(204)、第一功率开关管(201)体内反并联二极管、负载(4)、第三功率开关管(203)到电池组(6、14、16)负极形成回路；
步骤D-5：当放电完成时，控制单元(200)控制第一功率开关管(201)、第二功率开关管(202)、第三功率开关管(203)关断。
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