CN110034597A - 基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LC双极性谐振的Cells‑to‑Cells均衡电路及其控制方法，均衡过程中，微控制器输出四路频率等于LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波驱动信号使均衡源单元和均衡目标单元通过开关网络双极性、循环地连接至LC谐振支路，使LC谐振支路循环地工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电和反极性放电状态，实现能量从源单元传输至均衡目标单元的零电流开关均衡。本发明实现了均衡过程中谐振电容C残余电压的等效释放，且均衡源单元和均衡目标单元均可为任意节相邻的电池单体(Cells)，具有功率密度高、均衡效率高、控制灵活、易于模块化制造的优点。
Description
技术领域
本发明涉及电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路及其控制方法。
背景技术
随着传统能源的逐渐枯竭和人们环保意识的逐渐增强，“零排放”电动汽车的发展得到了各国政府和各大汽车制造公司的大力推动，新能源发电的规模也快速攀升。在电动汽车上通常采用锂离子电池来组成电池组，这是因为锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长等优点，能够满足电动汽车高功率及长续航的需求。新能源发电系统同样需要大量的锂离子电池，这是由于风能、太阳能等以自然资源为基础的可再生能源发电具有波动性、间歇性和不可准确预测性，需要大规模的储能电站来防止并网时对电网产生冲击，而锂离子电池储能系统是现阶段较适合工程应用的技术。
为了达到所需的高电压，在电动汽车的动力电池组与新能源发电的储能电站中，通常需要将大量的锂离子电池串联构成电池组。但是，锂离子电池在制造时存在制造公差，各电池单体在容量、内阻、自放电率上存在差异，并且在组成电池组后各自的工作环境(如温度)及劣化程度有所不同。因此，串联电池组内电池单体间的电压、荷电状态(SOC)具有不一致性，这将导致电池组整体的可用容量降低，并容易引发充放电过程中电池单体的过充电或过放电。这种不一致性还会随着电池循环次数的增长而增长，最终严重影响电池组的可用容量，导致电池组寿命早衰，甚至引发起火爆炸等安全问题。
针对上述问题，为了预防或消除电池单元间的不一致性，需要采用均衡技术来减少电压较高(SOC较高)电池单体的能量，或增加电压较低 (SOC较低)电池单体的能量，从而使得串联电池组内电池单体间能量、电压、SOC保持一致。
目前，均衡技术主要分为两大类：被动均衡技术及主动均衡技术。被动均衡技术也称为能量耗散型均衡，主动均衡技术也称为能量非耗散型均衡。被动均衡技术通常采用将电压较高电池单元的能量通过耗散电阻转化为热能耗散掉的技术路线，均衡效率为零，且会加重电池热管理的负荷。主动均衡技术在电池组静置或充放电时，将电压较高(SOC较高)的电池单体能量传输给电压较低(SOC较低)的电池单体，避免电池单体提前达到充电截止电压或放电截止电压，使电池组能充分充放电，最大化利用电池组容量。目前，主动均衡技术结构和控制较复杂，但在均衡效率上相较被动均衡技术具有绝对优势。
中国发明专利(申请号CN201310278475.2)公开了一种零电流开关主动均衡电路，利用LC准谐振电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡，提高了均衡的效率，有效改善了电池单体间的不一致性。但是由于其使用的开关器件存在导通压降，因此不能够将两个电池单体的电压均衡至完全一样，并且均衡电流较小，均衡耗时长，还存在均衡效率与电池单体间电压差成负相关的问题。中国发明专利(申请号CN201410219756.5)通过开关矩阵实现了电池组中任意节相邻的电池单体组合(Cells)到任意节相邻的电池单体组合(Cells)的均衡，增大了均衡电流，并通过控制最优充、放电组合的电池单体节数之差实现了零电压差均衡，但是其最优放电组合与最优充电组合中包含的电池单体节数之差必须大于等于1，使得其控制不够灵活。
中国发明专利(申请号CN201610068511.6)公开了一种基于三谐振状态LC变换的Adjacent Cell-to-Cell主动均衡电路，其通过引入三谐振状态 LC变换模块，即在原有的LC谐振充电、放电两个状态的基础上，加入第三个释放状态，从而提升了均衡电流，实现了均衡效率与电池单体间电压差的解耦，并且能够使电池组内电池单体的电压均衡至完全一样。但是正是由于释放状态的引入，LC变换模块在该释放状态内没有与任何一电池单元相连接，即其有1/3的时间没有进行能量传输，这降低了均衡的速度，也导致均衡效率有少许下降。该发明的Adjacent Cell-to-Cell结构还使其不能实现能量在不相临接电池单元间的传输，如果压差最大的电池单元恰好处在串联电池组的首尾两端，则该电路需要将能量经电池组内所有电池单体进行传递，使无需均衡的电池单体进行了多余的充电、放电过程，消耗了电池的使用寿命，也使得均衡效率变得低下。此外，在该发明中，一旦 LC变换模块的参数确定好后，均衡过程中微控制器便无法控制均衡电流的大小，使得实际应用中难以根据实际需要切换大电流均衡还是小电流均衡，控制不够灵活。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于LC 双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路及其控制方法。本发明将每个电池单体的正、负极都通过双向开关连接至LC谐振支路的正端(均衡母线a)、反端(均衡母线b)，由微控制器发送四路频率为LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波驱动信号控制LC谐振支路循环工作在正向充电、正向放电、反向充电和反向放电状态，通过正向、反向充放电的过程实现谐振电容C中剩余电荷的等效释放，从而实现电池组内任意两节电池单体之间的零电流开关高效率均衡，也可实现任意节相邻电池单体到任意节相邻电池单体(Cells-to-Cells)的零电流开关快速均衡，提高了均衡电流的均衡电流，特别地还具有快速削峰模式和快速填谷模式。均衡的源单元和均衡目标单元和能量流动的方向仅取决于微控制器驱动信号的输送至开关网络的位置和时序，因此可以通过改变源单元和均衡目标单元来调节电路的均衡电流。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，所述的均衡电路包括N个串联电池单体、1个LC谐振支路、1个开关网络、1个续流网络、1个微控制器、以及电压采样电路与驱动电路，所述的N个串联电池单体通过开关网络连接LC谐振支路，微控制器通过驱动电路驱动开关网络。
所述的N个串联电池单体由N个电池单体依次串联组成，每个电池单体的正负极通过开关网络连接至LC谐振支路；
所述的LC谐振支路包括1个谐振电感L和1个谐振电容C，其中，谐振电感L与谐振电容C串联组成电感电容串联谐振单元，串联等效电阻为Rs，电感电容串联谐振单元两端分别与开关网络的均衡母线a和均衡母线b连接；
所述的开关网络由2N+2个双向可控开关和均衡母线a、b组成，双向可控开关分为上下两组，即S0a、S1a、...、Sia、...、SNa与S0b、S1b、...、Sib、...、 SNb，其中Sia与Sib一一对应且公共连接点为电池单元Bi正极，i＝1,2,...,N， Sia两端分别与均衡母线a和电池单元Bi正极连接，Sib两端分别与均衡母线b和电池单元Bi正极连接，S0a两端分别与均衡母线a和电池单元B1负极连接，S0b两端分别与均衡母线b和电池单元B1负极连接；
所述的续流网络由4个二极管Dj，j＝1,2,3,4组成，其中D1、D2阳极与电池单元B1负极相连，D3、D4阴极与电池单元BN正极相连，D1阴极、 D3阳极与均衡母线b相连，D2阴极、D4阳极与均衡母线a相连；
所述的微控制器包括数模转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，所述的数模转换模块将来自电压采样电路的模拟信号转换为数字信号，所述的PWM信号输出端输出至驱动电路，发出驱动信号，用于控制开关网络中2N+2个双向可控开关的导通与关断，将均衡源单元或均衡目标单元正极性或反极性连接至LC谐振支路。
进一步地，所述的驱动信号由四路频率为LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波信号组成。
进一步地，所述的开关网络在所述的驱动信号作用下，使均衡源单元和均衡目标单元双极性、循环地连接至LC谐振支路，使LC谐振支路循环地工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电和反极性放电四个状态中，将能量不间断地从均衡源单元传输至均衡目标单元。
进一步地，所述的均衡源单元和均衡目标单元为任意个连续相邻的电池单体组合，当均衡电路以高效率均衡模式工作时，均衡源单元为最优放电组合，均衡目标单元为最优充电组合，所述的最优放电组合为电池组内电压高于电池组平均电压一定值且相邻的电池单体个数最多的电池单体的组合；所述的最优充电组合为电池组内电压低于电池组平均电压一定值且相邻的电池单体个数最多的电池单体的组合。
进一步地，当均衡电路以快速削峰模式工作时，所述的均衡源单元为电池组内电压最高且满足设定条件(如：电压超过4.1V且与其他电池单体电压差均大于0.1V)的电池单体，所述的均衡目标单元为整个串联电池组；当均衡电路以快速填谷模式工作时，所述的均衡源单元为整个串联电池组，所述的均衡目标单元为电池组内电压最低且满足设定条件(如：电压低于 3.2V且与其他电池单体电压差均大于0.1V)的电池单体。均衡源单元和均衡目标单元的电池单体数量没有限制。
进一步地，所述的正极性充电状态是均衡源单元的正极连通至开关网络均衡母线a、负极连通至均衡母线b；所述的正极性放电状态是均衡目标单元的正极连通至开关网络均衡母线a、负极连通至均衡母线b；所述的反极性充电状态是均衡源单元的正极连通至开关网络均衡母线b、负极连通至均衡母线a；所述的反极性放电状态是均衡目标单元的正极连通至开关网络均衡母线b、负极连通至均衡母线a。
进一步地，通过双极性的充放电状态，实现所述的谐振电容C的电压的等效释放。
进一步地，所述的LC谐振支路、开关网络、续流网络共同构成一个双向升降压变换器，能量可以在电压高的一侧和电压低的一侧之间双向传输。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路的控制方法，所述的控制方法包括以下步骤：
S1、微控制器通过数模转换模块，经由电压采样电路获取每个电池单体的电压；
S2、微控制器检查对比N个串联电池单体内所有电池单体的电压，选出最高电压电池单体和最低电压电池单体，计算两者电压差(即最大电压差)，若电压差大于均衡阈值，则根据具体需求确定电路的均衡模式以及均衡源单元和均衡目标单元，通过驱动电路控制开关网络中2N+2个双向可控开关的导通或关断；
S3、开关网络在微控制器的驱动信号作用下，使LC谐振支路循环工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电、反极性放电这四个状态中，将能量从均衡源单元传输至均衡目标单元，直至均衡源单元或均衡目标单元所指电池单体不再具有最高电压或最低电压时，微控制器重新选择均衡源单元和均衡目标单元，并重新确定均衡模式以及均衡源单元和均衡目标单元；
S4、重复步骤S3、，直至N个串联电池单体内最高电压单体和最低电压电池单体的电压差小于均衡阈值。
进一步地，所述的控制方法使均衡电路根据N个串联电池单体内各电池单体电压情况切换工作在高效率均衡模式、快速削峰模式和快速填谷模式，其中，所述的高效率均衡模式实现能量从最优放电组合到最优充电组合的传输，均衡效率高，有利于提高电池组容量，所述的快速削峰模式有助于防止N个串联电池单体内电池单体出现过充电，所述的快速填谷模式有助于防止N个串联电池单体内电池单体出现过放电，快速削峰模式和快速填谷模式这两者有利于提高电池组安全性。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明中均衡电路引入了对谐振电容C的正极性、反极性充放电(双极性谐振)，不需额外的释放状态即可等效实现电容电压的反向，相当于提高了一个均衡周期内的平均充放电电流，在下一开关周期开始、谐振电容充电时，大大提高谐振电容与源单元的电压差，增大均衡电流，缩短均衡时间，实现零电压差均衡。相比现有技术，本发明中均衡电路的高效率模式能将均衡功率提高50％，均衡效率相当。
(2)由于双极性谐振的引入，能量可以从低电压的源单元传输至高电压的均衡目标单元(或反之)，使高效率、快速的Cells-to-Cells均衡能够实现，且最优充电组合和最优放电组合所包含的电池单体数量不再有限制。额外的快速削峰模式和快速填谷模式还降低了电池组内某一电池单体电压过高或电压过低的可能性，提高了电池组的安全性。快速削峰模式或快速填谷模式能使均衡功率至多提高为原来的(N-1)*100％，N为该电池组内电池单体的数量。
(3)本发明中均衡电路可以通过切换均衡的源单元和均衡目标单元、切换均衡模式来调节均衡功率，比使用切换(或增加、减少)谐振电感(或谐振电容)的方式均衡效率更高，并且节约电路体积和成本。
(4)由于双极性谐振的引入，在任一均衡模式中开关频率均为恒定，等于LC谐振频率的二分之一，使得均衡电路的控制较为简单。
(5)在任一均衡模式下，均衡电路始终以零电流开关工作，极大地减小了开关损耗，有助于在设计时选取更高开关频率、减小电路体积。
(6)本发明中均衡电路具有易于模块化的特点，能够将电池组和均衡电路打包成一个模块，然后将多个模块进行串联。可以在串联的模块上施加完全相同结构的上层双极性均衡电路来进一步增强整个电池组的均衡能力。
附图说明
图1是本发明公开的双极性谐振型均衡电路施加在N节锂离子电池单体上的均衡示意图；
图2是本发明公开的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路施加在4节锂离子电池单体上的电路图；
图3(a)是本发明的高效率均衡模式工作原理图；
图3(b)是本发明的快速削峰模式工作原理图；
图3(c)是本发明的快速填谷模式工作原理图；
图4是本发明的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路工作在谐振状态下的驱动信号和理论波形图；
图5是本发明的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路当开关频率稍稍偏移于LC谐振支路的谐振频率时，续流网络的工作原理图；
图6(a)是本发明的高效率均衡模式的实验波形图；
图6(b)是本发明的快速削峰模式的实验波形图；
图6(c)是本发明的快速填谷模式的实验波形图；
图7(a)和图7(b)是本发明对以1A恒流放电的串联电池组(4节电池)进行均衡的对照实验波形图，其中，图7(a)是均衡电路不工作时的电池单体电压轨迹图，图7(b)是均衡电路工作时的电池单体电压轨迹图；
图8是本发明的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路模块化设计示例图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
本发明中，微控制器通过电压采样电路和数模转换模块获取电池组内各电池单体电压，确定均衡的源单元和均衡目标单元，通过驱动电路输出四路频率为LC谐振频率二分之一、相位互差90度、占空比为25％的矩形波驱动信号至开关网络，将均衡源单元和均衡目标单元双极性、循环地选通连接至LC谐振支路，使LC谐振支路循环地工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电、反极性放电的四个状态中，从而将能量源源不断地从源单元传输到均衡目标单元，实现零电流开关均衡。由于源单元和均衡目标单元均可以是任意数量的相邻电池单体组合，因此可以实现针对电池组内最优放电组合和最优充电组合的高效率均衡，也可以实现快速削峰和快速填谷的安全均衡。
如图1所示，基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路的微处理器为德州仪器的DSP(TMS320F28335)，配套的电压采样电路和驱动电路用运放和驱动芯片搭建；锂离子电池为三星的ICR18650-22F(2200mAh)；双向开关S0a,S1a,...,Sia,...,SNa与S0b,S1b,...,Sib,...,SNb由两个N沟道 MOSFET反向串联而成(两个MOSFET的S极相连，G极相连)，为三端元件，公共G极接受驱动信号，剩下两个D极分别与电池和均衡母线相连，Sia与Sib(i＝1,2,…,N)一一对应且公共节点为电池Bi的正极，S0a与S0b对应，公共节点为电池B1的负极。下标为a的双向开关另一端连接至均衡母线a，下标为b的双向开关另一端连接至均衡母线b。D1～D4选用快恢复二极管，其中D1、D2阳极与电池单元B1负极相连；D3、D4阴极与电池单元BN正极相连；D1阴极、D3阳极与均衡母线b相连；D2阴极、D4阳极与均衡母线a相连。。谐振电感L选用空心电感，谐振电容C选用CBB电容。如图1所示，对于一个具有N个电池单体的串联电池组，一共需要 2N+2个双向开关、4个二极管、1个谐振电感L和1个谐振电容C。
如图2所示，对于一个具有4个电池单体的串联电池组，一共需要10 个双向开关、4个二极管、1个谐振电感L和1个谐振电容C。
均衡电路运行后，DSP将电压采样电路的信号转换为数字信号，获得各个锂离子电池单体的电压，根据所述控制策略确定是否需要均衡、均衡的源单元和均衡目标单元，以及应采用的均衡模式。在均衡状态下，微控制器输出四路相位互差90度、占空比为25％、开关频率为LC谐振支路谐振频率1/2的驱动信号，经驱动电路控制开关网络，使LC谐振支路循环工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电和反极性放电的四个状态，实现能量在电池组内的均衡，直至电压差不再大于均衡阈值。
如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，假设基于LC双极性谐振的 Cells-to-Cells均衡电路施加在由4节三星锂离子电池串联构成的电池组上，不同均衡模式的源单元和均衡目标单元不同，开关网络的开关情况也不同。
如图3(a)所示，电路以高效率均衡模式工作时，假设B4、B1分别为均衡源单元和均衡目标单元，则能量经由LC谐振支路从B4往B2传输，一个开关周期包含以下4个阶段：
阶段Ⅰ(正极性充电)：开通双向可控开关S4a与S3b，电池单体B4被选通连接至均衡母线，正极性给谐振电容C充电；
阶段Ⅱ(正极性放电)，关断双向可控开关S4a与S3b，开通双向可控开关S1a与S0b，电池单体B1被选通连接至均衡母线，谐振电容C正极性给电池单元Bj放电；
阶段Ⅲ(反极性充电)，关断双向可控开关S1a与S0b，开通双向可控开关S3a与S4b，电池单体B4再次被选通连接至均衡母线，反极性给谐振电容 C充电；
阶段Ⅳ(反极性放电)，关断双向可控开关S3a与S4b，开通双向可控开关S0a与S1b，电池单体B1再次被选通连接至均衡母线，谐振电容C反向给电池单元Bj放电。
如图3(b)所示，电路以快速削峰模式工作时，假设B2为电池组内电压最高且与其他电池单体电压相差较大的电池单体，则能量经由LC谐振支路从B2往整个电池组传输，一个开关周期包含以下4个阶段：
阶段Ⅰ(正极性充电)：开通双向可控开关S2a与S1b，电池单体B2被选通连接至均衡母线，正极性给谐振电容C充电；
阶段Ⅱ(正极性放电)，关断双向可控开关S2a与S1b，开通双向可控开关S4a与S0b，电池串B1、B2、B3、B4被选通连接至均衡母线，谐振电容C 正极性给B1、B2、B3、B4放电；
阶段Ⅲ(反极性充电)，关断双向可控开关S4a与S0b，开通双向可控开关S1a与S2b，电池单体B2再次被选通连接至均衡母线，反极性给谐振电容 C充电；
阶段Ⅳ(反极性放电)，关断双向可控开关S3a与S4b，开通双向可控开关S0a与S1b，电池串B1、B2、B3、B4再次被选通连接至均衡母线，谐振电容C反极性给电池串B1、B2、B3、B4放电。
如图3(c)所示，电路以快速填谷模式工作时，假设B2为电池组内电压最低且与其他电池单体电压相差较大的电池单体，则能量经由LC谐振支路从整个电池组往B2传输，一个开关周期包含以下4个阶段：
阶段Ⅰ(正极性充电)：开通双向可控开关S4a与S0b，电池串B1、B2、 B3、B4被选通连接至均衡母线，正极性给谐振电容C充电；
阶段Ⅱ(正极性放电)，关断双向可控开关S4a与S0b，开通双向可控开关S2a与S1b，电池单体B2被选通连接至均衡母线，谐振电容C正极性给电池单体B2放电；
阶段Ⅲ(反极性充电)，关断双向可控开关S2a与S1b，开通双向可控开关S0a与S4b，电池串B1、B2、B3、B4再次被选通连接至均衡母线，反极性给谐振电容C充电；
阶段Ⅳ(反极性放电)，关断双向可控开关S0a与S4b，开通双向可控开关S1a与S2b，电池单体B2再次被选通连接至均衡母线，谐振电容C极性向给电池单体B2放电；
微控制器控制驱动信号使LC谐振支路循环工作在指定均衡模式的四个阶段内，直至均衡模式发生改变或压差小于均衡阈值。开关频率等于LC 谐振支路谐振频率的二分之一，即每个阶段持续时长均为LC支路谐振周期的二分之一。
如图4所示为图3(a)中的驱动波形与电感电流iL和电容电压uc的理论波形。图3(b)、图3(c)的理论波形与此类似。
如图5所示，如果微控制器驱动信号的开关频率由于异常原因稍稍偏移于LC谐振频率的二分之一，则续流网络开始工作，避免谐振电感电流被硬关断而产生高的电压尖峰损坏电路器件。
图5中上半部分所示，若所有双向开关关断时电感电流的残留电流方向向上(从均衡母线b流向均衡母线a)，二极管D1和二极管D4自然导通，将电感残余能量返送回电池串B1、B2、B3、B4。
图5中下半部分所示，若所有双向开关关断时电感电流的残留电流方向向下(从均衡母线a流向均衡母线b)，二极管D2和二极管D3自然导通，将电感残余能量返送回电池串B1、B2、B3、B4。
如图6(a)、图6(b)、图6(c)所示为基于LC双极性谐振的Cells- to-Cells均衡电路工作时实测波形图。其中，图6(a)为高效率均衡模式，图6(b)为快速削峰模式，图6(c)为快速填谷模式。从电流iL波形图可以看出，每个开关导通与关断时刻，电流为0，实现了软开关，降低了双向开关的开关损耗，大大提高了均衡效率。从谐振电容C的电压uc波形可以看出，谐振电容C的电压在阶段Ⅰ与阶段Ⅲ的始端电压相反，等效实现了“释放”状态，从而增大了均衡电流。并且可以看出，能量流动方向仅取决于驱动信号的序列，而与源单元和均衡目标单元的电压无关，从而可以实现零电压差均衡。
如图7(a)和图7(b)所示为本发明对4节串联电池组进行动态均衡的对照实验，电池单体的初始电压分别为VB1＝3.554V、VB2＝3.554V、 VB3＝3.554V、VB4≈3.604V，静置5min后以1A开始恒流放电。其中图7 (a)为均衡电路不工作时的电池单体电压轨迹，经过27.3min后电池组内最低电压达到放电截止电压2.75V，放出容量为372mAh；图7(b)为均衡电路从5min开始工作时的电池单体电压轨迹，经过36.57min后电池组内最低电压达到放电截止电压2.75V，容量为526mAh，相比均衡电路不工作时提高了41.4％。这组实验结果验证了本发明均衡电路的有效性，能够提高电池组的可用容量。
如图8所示为基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路的模块化设计示意。每一个双极性谐振型均衡电路都可以打包看作一个电池模块 BMk(k＝1,2,…,M)，将多个电池模块串联起来，再施加同样结构的上层双极性谐振型均衡电路，即可方便地完成模块化的设计。
如上即可较好的实现本发明所阐述的技术效果。
综上所述，本实施例公开了一种双极性谐振型锂离子电池均衡器及其控制方法，实现了单体电池之间的能量转移，提高均衡效率，快速均衡模式实现了能量的快速转移。通过控制双向可控开关的导通与关断，改变均衡路径，可直接将能量从能量最高的电池单体转移到能量最低的电池单体。在一个均衡周期内，通过通过控制双向可控开关的导通与关断，无需通过电感电容串联准谐振单元的自谐振即可使电容电压反向，增大电池单体与谐振电容C的电压差，在一个均衡周期中增大了谐振电流的平均值，缩短了均衡时间，且均衡电流幅值不随电池单体间电压差减小而减小。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的均衡电路包括N个串联电池单体、1个LC谐振支路、1个开关网络、1个续流网络、1个微控制器、以及电压采样电路与驱动电路，所述的N个串联电池单体通过开关网络连接LC谐振支路，微控制器通过驱动电路驱动开关网络。
所述的N个串联电池单体由N个电池单体依次串联组成，每个电池单体的正负极通过开关网络连接至LC谐振支路；
所述的LC谐振支路包括1个谐振电感L和1个谐振电容C，其中，谐振电感L与谐振电容C串联组成电感电容串联谐振单元，串联等效电阻为Rs，电感电容串联谐振单元两端分别与开关网络的均衡母线a和均衡母线b连接；
所述的开关网络由2N+2个双向可控开关和均衡母线a、b组成，双向可控开关分为上下两组，即S0a、S1a、...、Sia、...、SNa与S0b、S1b、...、Sib、...、SNb，其中Sia与Sib一一对应且公共连接点为电池单元Bi正极，i＝1,2,...,N，Sia两端分别与均衡母线a和电池单元Bi正极连接，Sib两端分别与均衡母线b和电池单元Bi正极连接，S0a两端分别与均衡母线a和电池单元B1负极连接，S0b两端分别与均衡母线b和电池单元B1负极连接；
所述的续流网络由4个二极管Dj，j＝1,2,3,4组成，其中D1、D2阳极与电池单元B1负极相连，D3、D4阴极与电池单元BN正极相连，D1阴极、D3阳极与均衡母线b相连，D2阴极、D4阳极与均衡母线a相连；
所述的微控制器包括数模转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，所述的数模转换模块将来自电压采样电路的模拟信号转换为数字信号，所述的PWM信号输出端输出至驱动电路，发出驱动信号，用于控制开关网络中2N+2个双向可控开关的导通与关断，将均衡源单元或均衡目标单元正极性或反极性连接至LC谐振支路。
2.根据权利要求1所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的驱动信号由四路频率为LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波信号组成。
3.根据权利要求1所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的开关网络在所述的驱动信号作用下，使均衡源单元和均衡目标单元双极性、循环地连接至LC谐振支路，使LC谐振支路循环地工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电和反极性放电四个状态中，将能量不间断地从均衡源单元传输至均衡目标单元。
4.根据权利要求3所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的均衡源单元和均衡目标单元为任意个连续相邻的电池单体组合，当均衡电路以高效率均衡模式工作时，均衡源单元为最优放电组合，均衡目标单元为最优充电组合，所述的最优放电组合为电池组内电压高于电池组平均电压一定值且相邻的电池单体个数最多的电池单体的组合；所述的最优充电组合为电池组内电压低于电池组平均电压一定值且相邻的电池单体个数最多的电池单体的组合。
5.根据权利要求4所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，当均衡电路以快速削峰模式工作时，所述的均衡源单元为电池组内电压最高且满足设定条件的电池单体，所述的均衡目标单元为整个串联电池组；当均衡电路以快速填谷模式工作时，所述的均衡源单元为整个串联电池组，所述的均衡目标单元为电池组内电压最低且满足设定条件的电池单体。
6.根据权利要求3所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的正极性充电状态是均衡源单元的正极连通至开关网络均衡母线a、负极连通至均衡母线b；所述的正极性放电状态是均衡目标单元的正极连通至开关网络均衡母线a、负极连通至均衡母线b；所述的反极性充电状态是均衡源单元的正极连通至开关网络均衡母线b、负极连通至均衡母线a；所述的反极性放电状态是均衡目标单元的正极连通至开关网络均衡母线b、负极连通至均衡母线a。
7.根据权利要求3所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，通过双极性的充放电状态，实现所述的谐振电容C的电压的等效释放。
8.根据权利要求1所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的LC谐振支路、开关网络、续流网络共同构成一个双向升降压变换器，能量可以在电压高的一侧和电压低的一侧之间双向传输。
9.一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路的控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括以下步骤：
S1、微控制器通过数模转换模块，经由电压采样电路获取每个电池单体的电压；
S2、微控制器检查对比N个串联电池单体内所有电池单体的电压，选出最高电压电池单体和最低电压电池单体，计算两者电压差(即最大电压差)，若电压差大于均衡阈值，则根据具体需求确定电路的均衡模式以及均衡源单元和均衡目标单元，通过驱动电路控制开关网络中2N+2个双向可控开关的导通或关断；
S3、开关网络在微控制器的驱动信号作用下，使LC谐振支路循环工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电、反极性放电这四个状态中，将能量从均衡源单元传输至均衡目标单元，直至均衡源单元或均衡目标单元所指电池单体不再具有最高电压或最低电压时，微控制器重新选择均衡源单元和均衡目标单元，并重新确定均衡模式以及均衡源单元和均衡目标单元；
S4、重复步骤S3，直至N个串联电池单体内最高电压单体和最低电压电池单体的电压差小于均衡阈值。
10.根据权利要求9所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路的控制方法，其特征在于，所述的控制方法使均衡电路根据N个串联电池单体内各电池单体电压情况切换工作在高效率均衡模式、快速削峰模式和快速填谷模式，其中，所述的高效率均衡模式实现能量从最优放电组合到最优充电组合的传输，所述的快速削峰模式防止N个串联电池单体内电池单体出现过充电，所述的快速填谷模式防止N个串联电池单体内电池单体出现过放电。
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