CN109802464A - 一种桥式lc谐振锂电池均衡电路及其soc估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，包括：桥式LC谐振电路，由两个桥式电路以及串联LC单元构成，用于电池单体间能量回收转移；开关阵列，为电池能量转移提供路径；采用预测电流的SOC估算方法，实现对组内电池的能量平衡。本发明具有以下优点：零电流开关，降低开关功率损耗以及EMI水平；两种工作模式，能够分别满足对均衡速度和效率的需求；控制简单，通过两组互补、定频、定占空比的PWM信号即可实现控制；基于预测电流的SOC估算方法，无需外加电流传感器，通过电池电压及电路参数预测电流值实现SOC估算，解决了直接进行电流采样增加控制器负担的问题，降低了对系统硬件的要求。

Description

一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法

技术领域

本发明涉及用于锂电池的电池均衡技术及SOC估算方法。具体涉及使用桥式LC串联谐振电路和基于预测电流的SOC估算方法实现对锂电池的均衡。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、体积小、安全性高等优点，成为目前使用最多的动力电池，牢牢占据着市场上的主导地位。在实际使用中，电动汽车的工作电压大约为300V左右，这就要求数量较多的电池串联使用。由于生产、使用和储存过程导致的不一致性，各单体电池的行为会表现出差异性，且在数次充放电循环后，这种不均衡现象会越来越严重。由于电池组内电池单体之间的不一致性，会造成电池组使用性能下降，使用寿命减少，进而降低了电动汽车的续驶里程。因此对电池组进行高效、可靠的均衡具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是解决传统非耗散式均衡均衡速度慢，控制复杂，开关损耗大等问题，由此提出一种桥式LC谐振锂电池均衡电路，采用预测电流的SOC估算方法进一步降低对系统硬件资源的要求，并且该发明具有两种均衡模式。本发明电路包括微控制器、桥式LC谐振电路、开关阵列以及基于预测电流SOC估算方法。

桥式LC谐振电路由两个全桥电路构成，一个全桥电路包含四个MOSFET管，每一个桥臂连接一个MOSFET管，在第一个全桥电路桥臂中点处连接第二个全桥电路，在第二个全桥电路桥臂中点处串联有电感L和电容C。桥式LC谐振电路在四路PWM信号驱动下，交替工作在充电和放电两个状态。其中，桥式LC谐振电路根据PWM信号的不同可实现两种工作模式。工作模式一：外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路使用另一组状态互补的PWM信号，外层开关频率是内层开关频率的两倍。此时，桥式LC电路工作于谐振状态，实现了零电流开关，降低了开关损耗，且桥式LC电路定期调换电容电压极性以提高电池与电容电压差的幅值，增大了均衡电流，提升了均衡速度。工作模式二：外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路一组常闭，另一组常开。此时，桥式LC电路工作于谐振状态，实现了零电流开关，降低了开关损耗，电路控制更简单，均衡效率更高；电容极性不发生改变，相较于工作模式一均衡电流小，均衡速度慢。

SOC估算方法在不增加电流传感器的情况下，通过对电路各状态的分析，利用电池电压及电路参数值预测出均衡电流值，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)估算出电池SOC值。

本发明的优点为：

(1)实现零电流开关，能够降低开关功率损耗以及EMI水平；

(2)可实现两种工作模式，能够分别满足对均衡速度及均衡效率的需求；

(3)控制简单，通过两组互补、定频、定占空比的PWM信号即可控制均衡电路；

(4)基于预测电流的SOC估算方法，无需外加电流传感器，通过电池电压及电路参数预测电流值实现SOC估算，解决直接进行电流采样造成控制器负担加重的问题，降低了对系统硬件的要求。

附图说明

图1为本发明桥式LC谐振锂电池均衡电路结构示意图；

图2为本发明桥式LC谐振电路工作模式一时充电工作原理图；

图3为本发明桥式LC谐振电路工作模式一时放电工作原理图；

图4为本发明桥式LC谐振电路工作模式一时的波形原理图；

图5为本发明桥式LC谐振电路工作模式二时充电工作原理图；

图6为本发明桥式LC谐振电路工作模式二时放电工作原理图；

图7为本发明桥式LC谐振电路工作模式二时的波形原理图；

图8为本发明SOC估算方法的流程图；

图9为本发明扩展卡尔曼滤波的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，硬件部分主要包括微控制器、桥式LC谐振电路、开关阵列。

所述微控制器包括模数转换模块、驱动电路和通用I/O端口。其中，模数转换模块用于采集电池单体的电压，将其转换成数字信号用于SOC估算，从而确定SOC最高和最低的电池单体编号；驱动电路用于放大PWM脉冲以驱动功率开关器件；通用I/O端与开关阵列连接，用于译码微控制器确定的最高SOC和最低SOC对应的单体电池编号，控制开关阵列将电池组中任意位置的SOC最高和最低的电池单体选通至桥式LC谐振电路。

所述桥式LC谐振电路包括一个LC电路和8个MOSFET管，其中MOSFET管S₁和S₃由一路PWM₁₊信号驱动，S₂和S₄由另一路状态互补的PWM_1-信号驱动；S₅和S₈由一路PWM₂₊信号驱动，S₆和S₇由另一路状态互补的PWM_2-信号驱动。桥式LC谐振电路在四路PWM信号驱动下，交替工作在充电和放电两个状态。并且桥式LC谐振电路在PWM信号控制下具有两种工作模式。

所述开关阵列由继电器和均衡母线构成，其中Q_1,1+、Q_2,1+、Q_1,n-和Q_2,n-为单刀单掷继电器，其余开关均为单刀双掷继电器。同一时刻只能将一个高SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的高压侧，并将一个低SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的低压侧，提供电能流通的路径。

所述均衡过程为开关阵列先将两节待均衡的单体电池与LC谐振电路稳定连接，之后电量高的电池将能量转移至LC谐振电路内，最后LC谐振电路将其存储的能量转移到低电量电池中，实现能量传递，在该过程中，能量总是从电量高的一侧流向电量低的一侧。重复上述过程，直至实现两电池电量均衡。

所述充电状态为LC谐振电路通过开关阵列与高SOC值单体电池并联；放电状态为LC谐振电路通过开关阵列与低SOC值单体电池并联。

所述SOC估算方法在不增加电流传感器的情况下，通过对电路各状态的分析，利用电池电压及电路参数值预测出均衡电流值，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)估算出电池SOC值。

实施例一

本发明实施例描述了均衡电路工作在模式一下的实现流程，详述如下:

以6节单体电池为例，假设单体电池B₁为电量最高的电池单体，B₄为电量最低的电池单体。

均衡电路的微控制器对电池组内的电池单体进行电压采集，根据SOC估算算法确定各单体电池的SOC值及其对应的电池编号，并判断是否满足均衡开启条件。若满足，则进行均衡。此时，微控制器通过I/O端口控制开关继电Q_1,1+、Q_1,1-、Q_2,4+和Q_2,4-，将SOC最高的单体电池B₁和SOC最低的单体电池B₄接入桥式LC谐振电路。

如图2～4所示，控制器共有两组互补信号PWM₁、PWM₂，其中PWM₁包括PWM₁₊、PWM_1-，PWM₂包括PWM₂₊、PWM_2-。当PWM₂₊为高电平，PWM_2-为低电平时，MOSFET管S₅和S₈导通。此时微控制器发出另一组驱动信号PWM₁：当PWM₁₊为高电平，PWM_1-为低电平时，MOSFET管S₁和S₃导通，单体电池B₁接入谐振电路，工作在充电状态；当PWM_1-为高电平，PWM₁₊为低电平时，MOSFET管S₂和S₄导通，单体电池B₄接入谐振电路，工作于放电状态。当PWM_2-为高电平而PWM₂₊为低电平时，MOSFET管S₆和S₇导通，电容电压极性实现反转。此时微控制器发出另一组驱动信号PWM₁：当PWM₁₊为高电平，PWM_1-为低电平时，MOSFET管S₁和S₃导通，单体电池B₁接入谐振电路，工作在充电状态；当PWM_1-为高电平，PWM₁₊为低电平时，MOSFET管S₂和S₄导通，单体电池B₄接入谐振电路，工作于放电状态。特别的，当外桥PWM频率等于LC谐振电路固有谐振频率，内桥PWM频率等于LC谐振电路固有谐振频率的一半时，形成准谐振实现零电流开关，降低了开关损耗；且桥式LC振荡电路定期调换电容电压极性增大了电容与电池间的电压差，提高了均衡电流，加快了均衡速度。

实施例二

本发明实施例描述了均衡电路工作在模式二下的实现流程，详述如下:

以6节单体电池为例，假设单体电池B₁为电量最高的电池单体，B₄为电量最低的电池单体。

均衡电路的微控制器对电池组内的电池单体进行电压采集，根据SOC估算算法确定各单体电池的SOC值及其对应的电池编号，并判断是否满足均衡开启条件。若满足，则进行均衡。此时，微控制器通过I/O端口控制开关继电器Q_1,1+、Q_1,1-、Q_2,4+和Q_2,4-，将SOC最高的单体电池B₁和SOC最低的单体电池B₄接入桥式LC谐振电路。

如图5～7所示，此工作模式下，微控制器给S₅和S₈、S₆和S₇提供一组驱动信号PWM₂，使S₅和S₈处于常开状态，S₆和S₇处于常闭状态。当PWM₁₊为高电平，PWM_1-为低电平时，MOSFET管S₁和S₃导通，将单体电池B₁接入谐振电路，工作于充电状态，单体电池B₁向电容充电；当PWM_1-为高电平，PWM₁₊为低电平时，MOSFET管S₂和S₄导通，将单体电池B₄接入谐振电路，工作于放电状态，电容对单体电池B₄进行充电。当PWM频率等于LC谐振电路的固有谐振频率时，形成准谐振实现零电流开关，降低了开关损耗，提高均衡效率。

实施例三

图8是本发明实施例提供的基于预测电流的SOC估算方法的实现流程图，详述如下：

(1)采集电池电压以及SOC的初值；

(2)预测电流值

对于工作模式一:

其中，V₁为电量高的电池电压，V₂为电量低的电池电压；Δt为一个状态的持续时间；L为谐振电路电感、C为谐振电路电容；R_s为电路路径上所有寄生电阻的等效电阻。

对于工作模式二：

其中，V₁为电量高的电池电压，V₂为电量低的电池电压；R_s为电路路径上所有寄生电阻的等效电阻；V_C0为电容电压谐振周期的初值，即电容电压最小值；V_C1为电容开始放电时的初值，即电容电压最大值。

(3)利用初始化的EKF以及电流值，结合电池电压和SOC初值，生成SOC估算值；

(4)利用上一步生成的SOC估算值和SOC初值进行修正，得到修正后的SOC估算值；

(5)将修正后的SOC值带入EKF，替代生成的SOC估算值，实现SOC的自动修正。

扩展卡尔曼滤波估算锂电池SOC的算法流程，详述如下：

扩展卡尔曼滤波通过将非线性的系统经过近似线性化处理，使其符合经典卡尔曼滤波算法，即可按照经典卡尔曼滤波迭代方式进行运算。本发明电池模型采用经典的二阶RC电池模型(这里不再详细介绍)，并认为电池理想充放电，可以得到系统的状态方程为：

系统的输出变量为电池外部电压U，输入量为电流I，建立输出方程为：

U(k)＝U_oc(k)-U₁(k)-U₂(k)-R₀I(k)

由于系统的输出方程为非线性方程，对其进行线性化处理，得：

P(0)可赋予一个接近零的值,Q与R不能直接确定，通常结合具体的系统，采用调试法确认其值，接下来按照经典卡尔曼滤波的迭代顺序进行计算即可。图9为扩展卡尔曼滤波的算法流程图，具体迭代过程如下：

(1)状态变量的预估：

(2)单步预测误差协方差矩阵：

(3)卡尔曼滤波增压：

(4)滤波误差方程：

(5)状态变量的修正：

至此，完成一个扩展卡尔曼滤波算法的循环。

在本发明实施例中，考虑到均衡电流变化频率高，直接进行电流采样对微控制器要求较高，因此采用基于预测电流的SOC估算方法，通过对电路工作状态的分析，结合电池电压和电路参数值，实现对均衡电流值的预测，其误差精度满足要求；同时结合EKF，对SOC实现自动修正，提高了SOC估算的准确性，降低了误差的影响。该方法无需在电路中增加额外的电流传感器，降低了对微控制器等硬件设备的要求，节约了成本

综上所述，该发明将桥式LC谐振电路在最高电量和最低电量的电池单体之间周期循环切换。当桥式LC谐振电路与SOC最高的电池单体并联时，电容C从中回收电能；当桥式LC谐振电路与SOC最低的电池单体并联时，电容C向其供给回收的电能，从而实现电池单体间的均衡，当切换频率等于LC谐振电路的固有谐振频率时，形成准谐振实现零电流开关。特别的，当电路工作在模式一的时候，桥式LC振荡电路定期调换电容电压极性提高了电容电压幅值，增大了电池与电容间的电压差，极大的提高了均衡速度。同时，采用基于预测电流的SOC估算方法，无需对电流值进行采样，降低了对微处理器等硬件的要求，节约了成本。

Claims (10)

1.一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，包括：

微控制器，包括数模转换模块、驱动电路和通用I/O端口；

桥式LC谐振电路,包括两个全桥电路，一个全桥电路包含四个MOSFET管，每一个桥臂连接一个MOSFET管，在第一个全桥电路桥臂中点处连接第二个全桥电路，在第二个全桥电路桥臂中点处串联有电感L和电容C；

开关阵列由继电器和均衡母线构成，同一时刻只能将一个高SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的高压侧，并将一个低SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的低压侧，提供电能回收和电能供给的路径；

SOC估算方法是基于预测电流与扩展卡尔曼滤波法(EKF)。

2.如权利要求1所述的微控制器，其中所述的数模转换模块用于采集电池的单体电压，并将其转换为数字信号，用于SOC估算；驱动电路用于放大PWM脉冲以驱动功率开关器件；通用I/O端口，用于译码微控制器确定的最高SOC和最低SOC对应的单体电池编号，控制开关阵列将电池组中任意位置的SOC最高和最低的电池单体选通至桥式LC谐振电路。

3.如权利要求1所述的桥式LC谐振电路包括一个LC电路和8个MOSFET管，其中MOSFET管S₁和S₃由一路PWM₁₊信号驱动，S₂和S₄由另一路状态互补的PWM_1-信号驱动；S₅和S₈由一路PWM₂₊信号驱动，S₆和S₇由另一路状态互补的PWM_2-信号驱动；在这两对状态互补的PWM信号驱动下，桥式LC谐振电路交替工作在充电和放电两个状态，并且具有两种工作模式。

4.如权利要求1所述的桥式LC谐振电路的高压侧为单体电池电量较高的一侧，所述的桥式LC谐振电路的低压侧为单体电池电量较低的一侧。

5.如权利要求1所述的开关阵列由均衡母线和继电器构成，其中Q_1,1+、Q_2,1+、Q_1,n-和Q_2,n-为单刀单掷继电器，其余开关均为单刀双掷继电器。

6.如权利要求1所述的SOC估算方法，基于预测电流法，无需电流传感器，通过对电路各状态的分析，利用电池电压及电路参数值预测出电流值，并结合扩展卡尔曼滤波估算出电池SOC值。

7.如权利要求3所述的桥式LC谐振电路两种工作模式，工作模式一外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路使用另一组状态互补的PWM信号，且外层开关频率为内层开关频率的两倍；工作模式二外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路一组常闭，另一组常开。

8.如权利要求6所述的预测电流其利用的电池电压值为接入均衡电路的两个单体电池的电压，且预测电流值为均衡电流值。

9.如权利要求7所述的桥式LC谐振电路工作模式一，电路定期调换电容电压极性，增大电容与电池间的电压差；且电路谐振，实现零电流开关。

10.如权利要求7所述的桥式LC谐振电路工作模式二，MOSFET管S₅和S₈处于常开状态，MOSFET管S₆和S₇处于常闭状态，电路谐振，实现零电流开关。