CN109713744A - 一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法。均衡容错电路包括重构容错环路、电池选择网络和反激变换器桥式网络，每一节锂电池串联一组双向MOSFET断路开关，并联一个单向MOSFET旁路开关和二极管构成重构容错环路。电池选择网络由双向MOSFET选择开关组成，每一节锂电池连接两组双向MOSFET选择开关，相邻两节锂电池共用一组双向MOSFET选择开关。反激变换器桥式网络由反激变换器、MOSFET开关和二极管组成。均衡容错方法为：估算每一节锂电池的荷电状态和健康状态，当某节锂电池健康状态低于失效阈值时重构隔离该电池；计算得到剩余容量最多与最少锂电池间的容量差，当容量差大于设定阈值时启动均衡。本发明提高了锂电池组的能量使用效率、可靠性和安全性。

Description

一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法

技术领域

本发明涉及锂电池能量均衡与可重构技术领域，尤其涉及一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法。

背景技术

面对日益紧迫的能源枯竭和环境污染问题，开发新能源汽车成为了各国普遍的选择。由于单体锂电池标称电压较低，需将多个锂电池单体串联使用以满足新能源汽车的供电需求。锂电池组内单体锂电池之间存在不一致性，锂电池组在使用过程中随时间反复充电和放电，每个锂电池单体显示出不同退化特性，尤其是一个或多个性能指标较差的锂电池比其他锂电池更快完成充电或放电。因此，性能指标较差的锂电池会降低锂电池组容量利用率、制约整个锂电池组的工作循环寿命，甚至引起起火爆炸等严重安全事故。为了改善锂电池不一致性，提高锂电池组容量利用率和剩余使用寿命，实现锂电池组稳定、安全的长期运行，需要对其实施状态监测及能量均衡和重构容错控制。

目前，国内外相关研究机构对考虑容错性的锂电池能量均衡研究相对较少，研究多集中在只采用能量转移的均衡方式来解决单体锂电池不一致性，没有考虑到锂电池组长期运行的可靠性和安全性，当锂电池组中某一节锂电池退化严重失效时，短时间内会导致整个锂电池组失效甚至发生严重安全事故。因此如何对锂电池进行有效能量均衡以及如何对失效锂电池进行重构隔离成为亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法，把开关旁路型重构电路与反激变换器型均衡电路结合起来，可实现任意一节单体锂电池与锂电池组间能量转移，实现单体锂电池能量均衡，也可对失效锂电池进行重构隔离，保证锂电池组长期稳定、安全工作。该均衡电路结构仅需一个反激变换器且相邻单体锂电池间共用一组双向MOSFET选择开关，电路结构简单，从而有效的降低该电路成本；而且均衡效率较高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种串联锂电池组均衡容错电路结构包括重构容错环路、电池选择网络和反激变换器桥式网络。重构容错环路和反激变换器桥式网络中的MOSFET均为单向MOSFET，电池选择网络中的MOSFET均为双向MOSFET，所述的MOSFET均为N沟道MOSFET。每节锂电池串联一组双向MOSFET断路开关，并联一个单向MOSFET旁路开关和二极管构成重构容错环路，可对串联锂电池组进行重构隔离。电池选择网络由双向MOSFET选择开关组成，每节锂电池连接两组双向MOSFET选择开关，相邻两节锂电池共用一组双向MOSFET选择开关，可任意选择需要均衡的单体锂电池接入均衡电路。反激变换器桥式网络由反激变换器、四个MOSFET开关和二极管组成，可将单体锂电池的能量通过反激变换器转移到锂电池组中。

一种串联锂电池组均衡容错方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对锂电池的电压、电流和温度进行监测，可采用双扩展卡尔曼滤波算法估算每节锂电池的荷电状态SOC和健康状态SOH；

步骤2、当监测到锂电池温度突然过高或健康状态低于失效阈值时启动重构容错环路，断开双向MOSFET断路开关，导通单向MOSFET旁路开关，对失效锂电池进行重构隔离；

步骤3、根据锂电池的荷电状态计算每节锂电池的剩余容量并据此得到剩余容量最多与最少锂电池间的容量差，当容量差大于设定阈值时启动均衡，利用反激变换器桥式网络实现能量转移。

所述的反激变换器桥式网络均衡方法，其步骤为：

步骤1、闭合高能量锂电池单体所对应的双向MOSFET选择开关，把高能量锂电池接入反激变换器桥式网络；

步骤2、闭合高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，高能量锂电池单体、导通的MOSFET以及变压器的初级线圈形成闭合环路，锂电池能量转移到初级线圈中；

步骤3、断开高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压，同时二极管导通，磁芯中储存的能量转移至锂电池组，实现单体锂电池与锂电池组间的能量转移，最终实现单体锂电池间能量均衡。

本发明把开关旁路型重构电路与反激变换器型均衡电路结合，利用重构容错环路对失效锂电池进行隔离，利用电池选择网络和反激变换器桥式网络实现任意一节单体锂电池与锂电池组间能量转移，实现单体锂电池能量均衡。本发明将锂电池重构容错和能量均衡相结合，改善锂电池不一致性，提高了锂电池组容量利用率和剩余使用寿命，保证锂电池组长期运行的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明电路的拓扑结构图；

图2是本发明方法的流程图；

图3是本发明实施例中均衡容错过程图，其中图(a)为反激变换器桥式网络均衡过程第一、二阶段，图(b)是均衡第三阶段；

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，串联锂电池组均衡容错电路结构包括重构容错环路、电池选择网络和反激变换器桥式网络。重构容错环路和反激变换器桥式网络中的MOSFET均为单向MOSFET，电池选择网络中的MOSFET均为双向MOSFET，所述的MOSFET均为N沟道MOSFET。每节锂电池串联一组双向MOSFET断路开关，并联一个单向MOSFET旁路开关和二极管构成重构容错环路，可对串联锂电池组进行失效隔离。电池选择网络由双向MOSFET选择开关组成，每节锂电池连接两组双向MOSFET选择开关，相邻两节锂电池共用一组双向MOSFET选择开关，可任意选择需要均衡的单体锂电池接入均衡电路。反激变换器桥式网络由反激变换器、四个MOSFET开关和二极管组成，可将单体锂电池的能量通过反激变换器转移到锂电池组中。

如图2所示，一种串联锂电池组均衡容错方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对锂电池的电压、电流和温度进行监测，可采用双扩展卡尔曼滤波算法估算每节锂电池的荷电状态SOC和健康状态SOH；

步骤2、当监测到锂电池温度突然过高或健康状态低于失效阈值时启动重构容错环路，断开双向MOSFET断路开关，导通单向MOSFET旁路开关，对失效锂电池进行重构隔离；

步骤3、根据锂电池的荷电状态计算每节锂电池的剩余容量并据此得到剩余容量最多与最少锂电池间的容量差，当容量差大于设定阈值时启动均衡，利用反激变换器桥式网络实现能量转移。

所述的反激变换器桥式网络均衡方法，其步骤为：

步骤1、闭合高能量锂电池单体所对应的双向MOSFET选择开关，把高能量锂电池接入反激变换器桥式网络；

步骤2、闭合高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，高能量锂电池单体、导通的MOSFET以及变压器的初级线圈形成闭合环路，锂电池能量转移到初级线圈中；

步骤3、断开高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压，同时二极管导通，磁芯中储存的能量转移至锂电池组，实现单体锂电池与锂电池组间的能量转移，最终实现单体锂电池间能量均衡。

下面给出一个具体的实施例，需要说明的是，本实施例只是本发明的一种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形均应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

为不失一般性，以一种特殊情况为例，一种锂电池均衡容错方法，包括以下步骤：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器采集锂电池的电压、电流和温度，估算每节锂电池的荷电状态SOC和健康状态SOH；

步骤2、当监测到锂电池温度突然过高或健康状态低于失效阈值时启动重构容错环路，如图3所示，假如锂电池B₁失效，断开双向MOSFET断路开关S₁₂，导通单向MOSFET旁路开关K₁，对失效锂电池进行重构隔离；

步骤3、根据锂电池的荷电状态计算每节锂电池的剩余容量并据此得到剩余容量最多与最少锂电池间的容量差，当容量差大于设定阈值时启动均衡，利用反激变换器桥式网络实现能量转移，具体步骤如下：

步骤3.1、如图3(a)所示，闭合高能量锂电池单体B₂所对应的双向MOSFET选择开关S₁₃和S₂₂，把高能量锂电池接入反激变换器桥式网络；

步骤3.2、如图3(a)所示，闭合高能量锂电池单体B₂对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET开关E₂和E₃，此时，高能量锂电池单体、导通的MOSFET以及变压器的初级线圈形成闭合环路，锂电池能量转移到初级线圈中；

步骤3.3、如图3(b)所示，断开高能量锂电池单体B₂对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET开关E₂和E₃，此时，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压，同时二极管导通，磁芯中储存的能量转移至锂电池组，实现单体锂电池与锂电池组间的能量转移，最终实现单体锂电池间能量均衡。

Claims (7)

1.一种串联锂电池组均衡容错电路结构与均衡容错方法，其特征在于：包括n个锂电池单体串联组成锂电池组，均衡容错电路结构包括重构容错环路、电池选择网络和反激变换器桥式网络，可对串联锂电池组进行重构隔离和能量均衡。

2.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组均衡容错电路结构，其特征在于：重构容错环路和反激变换器桥式网络中的MOSFET均为单向MOSFET，电池选择网络中的MOSFET均为双向MOSFET，所述的MOSFET均为N沟道MOSFET。

3.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组均衡容错电路结构，其特征在于：每节锂电池串联一组双向MOSFET断路开关，并联一个单向MOSFET旁路开关和二极管构成重构容错环路，可对串联锂电池组进行重构隔离。

4.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组均衡容错电路结构，其特征在于：电池选择网络由双向MOSFET选择开关组成，每节锂电池连接两组双向MOSFET选择开关，相邻两节锂电池共用一组双向MOSFET选择开关，可任意选择需要均衡的单体锂电池接入均衡电路。

5.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组均衡容错电路结构，其特征在于：反激变换器桥式网络由反激变换器、四个MOSFET开关和二极管组成，可将单体锂电池的能量通过反激变换器转移到锂电池组中。

6.根据权利要求1所述的一种串联锂电池组均衡容错方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、利用电压传感器、电流传感器和温度传感器对锂电池的电压、电流和温度进行监测，可采用双扩展卡尔曼滤波算法估算每节锂电池的荷电状态SOC和健康状态SOH；

步骤2、当监测到锂电池温度突然过高或锂电池健康状态低于失效阈值时启动重构容错环路，断开双向MOSFET断路开关，导通单向MOSFET旁路开关，对失效锂电池进行重构隔离；

步骤3、根据锂电池的荷电状态计算每节锂电池的剩余容量并据此得到剩余容量最多与最少锂电池间的容量差，当容量差大于设定阈值时启动均衡，利用反激变换器桥式网络实现能量转移。

7.根据权利要求6所述的一种串联锂电池组均衡方法，其特征在于，所述的反激变换器桥式网络均衡方法，其步骤为：

步骤1、闭合高能量锂电池单体所对应的双向MOSFET选择开关，把高能量锂电池接入反激变换器桥式网络；

步骤2、闭合高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，高能量锂电池单体、导通的MOSFET以及变压器的初级线圈形成闭合环路，锂电池能量转移到初级线圈中；

步骤3、断开高能量锂电池单体对应反激变换器桥式网络中对角桥臂上的MOSFET，此时，初级线圈中的电流为0，同时磁芯中磁场开始下降，在次级线圈上感应出正向电压，同时二极管导通，磁芯中储存的能量转移至锂电池组，实现单体锂电池与锂电池组间的能量转移，最终实现单体锂电池间能量均衡。