CN110323794B - 一种主动均衡的控制方法和电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电池储能领域的一种主动均衡控制方法和电路。当单体电池满足均衡条件时，对单体电池放电或/和对单体电池充电，单体电池放电电流值在预设的放电峰值和放电谷值之间，单体电池充电电流值在预设的充电峰值和充电谷值之间。本发明实现了单体电池恒流充放电，从而能精确计算单体电池充放电的安时数，提高SOC精确度。该电路可提高开关频率，减小变压器以及滤波器件的体积，同时也降低了数字控制对芯片的高要求，电路简单可靠，延长了储能电池组的使用寿命，降低了成本。

Description

一种主动均衡的控制方法和电路
技术领域
本发明涉及电池储能领域，特别涉及一种主动均衡的控制方法和电路。
背景技术
现有的电池储能领域，普遍存在储能电池组单体电池容量不一致的问题，储能电池组容量取决于最低的一节单体电池，当单体电池放电到一定程度后，可能致使其产生不可恢复的失效，而储能电池组会因此整体失效被更换，造成使用的不便和成本的增加。因此，现有技术普遍采用被动均衡和主动均衡进行单体电池的管理。
被动均衡只能在充电过程中将电压较高的电芯能量放掉，通过充电器恒压充电将低电压的电芯增加容量，但一般均衡电流很小，约为0.1A左右，需要很长的时间(数小时)才能完成充电均衡，并且这种方法并不能解决放电过程中电压低的那一节单体电池带来的短板效应问题。
主动均衡则可以通过电能双向流动将高容量单体电池放电，给低容量的单体电池充电，无论在充电过程中还是在放电过程中，都可以对低容量的单体电池弥补容量，让整组电池的容量能更充分的利用，从而延长备电时间。
现有主动均衡硬件电路复杂，制作成本较高，在均衡的过程中，无法进行恒流充放电，造成均衡电流误差大，均衡效率偏低，电池容量计算不准确，单节电池SOC精度影响整组电池的SOC精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种主动均衡电路的恒流充放电控制方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种主动均衡控制方法，包括：
判断单体电池是否满足均衡条件；
当单体电池满足均衡条件时，对单体电池放电或/和对单体电池充电，
对单体电池放电，是指控制推挽电路，使单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；
对单体电池充电，是指控制推挽电路，使外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间。
控制推挽电路，使单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间具体是指：
单体电池与感性器件串联，
根据与单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大到放电峰值，推挽电路控制电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性器件释放储能，IL的值减小到放电谷值，推挽电路控制IL的值逐渐增大，感性器件储能。
控制推挽电路，使外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间具体是指：
单体电池与感性器件串联，
根据与单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大至充电峰值，推挽电路控制电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至充电谷值，推挽电路控制IL的值逐渐增大，感性器件储能。
推挽电路采用基于隔离Boost+推挽结构双向DC/DC变换电路或基于隔离Boost+半桥结构双向DC/DC变换电路。
一种主动均衡电路，包括推挽电路、控制电路和感性元件，推挽电路在控制电路的控制下，使单体电池通过感性元件向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；推挽电路在控制电路的控制下，使外部直流电源通过感性元件向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间。
还包括电流采样电路，电流采样电路采集单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制电路根据电流IL的大小，控制推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大到放电峰值，控制电路控制推挽电路，使电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至放电谷值，控制电路控制推挽电路，使IL的值增大，感性器件储能。
还包括电流采样电路，电流采样电路采集单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制电路根据电流IL的大小，控制推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大至充电峰值，推挽电路控制电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至充电谷值，推挽电路控制IL的值增大，感性器件储能。
推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2、开关管Q2A和开关管Q2B，
变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有A、B、C三个抽头，
单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
外部直流电源和电容C2并联，构成第二支路；
第二支路、抽头B、抽头A、开关管Q2B串联，构成第三分支路；
第二支路、抽头B、抽头C、开关管Q2A串联，构成第四分支路。
控制电路根据电流采样电路采集单体电池相串联的感性元件上的电流IL的大小，控制开关管Q1A和开关管Q1B的导通和关断，电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性元件释放储能，具体包括：
控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B导通，单体电池通过第一分支路和第二分支路向感性元件充电，电流IL增加至放电峰值，控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B断开，感性元件通过第三分支路向外部直流电源放电，电流IL减小至放电谷值，控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B导通，单体电池通过第一分支路和第二分支路向感性元件充电，电流IL增加至放电峰值，控制电路将开关管Q1A断开，开关管Q1B导通，感性元件通过第四分支路向外部直流电源放电，电流IL减小至放电谷值。
控制电路根据电流采样电路采集单体电池相串联的感性元件上的电流IL的大小，控制开关管Q2A和开关管Q2B的导通和关断，电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，具体包括：
控制电路将开关管Q2A导通，开关管Q2B关断，外部直流电源通过第四分支路、第一分支路和第二分支路向感性元件充电，电流IL增加至充电峰值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B关断，外部直流电源停止向感性元件充电，电流IL减小至充电谷值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B导通，外部直流电源通过第三分支路、第一分支路和第二分支路向感性元件充电，电流IL增加至充电峰值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B关断，外部直流电源停止向感性元件充电，电流值IL减小至充电谷值。
推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2A、电容C2B、开关管Q2A和开关管Q2B，
变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有D、E两个抽头，
单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
开关管Q2A和开关管Q2B串联，构成第五分支路，
电容C2A和电容C2B串联，构成第六分支路，
第五分支路、第六分支路、第一直流电源并联，
开关管Q2A和开关管Q2B的连接中点与抽头D连接，
电容C2A和电容C2B的连接中点与抽头E连接。
开关管为MOSFET场效应管、IGBT与二极管并联、三极管与二极管并联中的一种。
控制电路控制推挽电路的频率为：
Figure BDA0001966626670000061
其中，FS为电流值增加和减小的频率，K是连续深度，IVS1为单体均衡电流，LP为电感量，VS1为单体电池电压，VS2为电源电压，N为变压器的匝数比。
一种主动均衡系统，包括单体电压采样电路、单体电池组、电源管理系统、第一直流电源、选择开关和推挽电路，
电源管理系统控制推挽电路，使单体电池向第一直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；
电源管理系统控制推挽电路，使第一直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间。
一种主动均衡系统，包括单体电压采样电路、单体电池组、电源管理系统、第一直流电源、选择开关和以上所述的一种主动均衡电路，
单体电压采样电路实时采集单体电池组各单体电池的电压值，并通过通信总线将电压值传输到电池管理系统，电池管理系统根据预设的充电阈值和/或放电阈值，控制对应的选择开关开启或者关断，驱动一个主动均衡电路从第一直流电源给一个单体电池充电或放电、驱动一个主动均衡电路从第一直流电源给多个单体电池充电或放电、驱动多个主动均衡电路从第一直流电源给单体电池一对一充电或放电、驱动多个主动均衡电路从第一直流电源给多个单体电池充电或放电。
一种主动均衡恒流装置，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行以上主动均衡控制方法。
一种电源管理平台，采用以上主动均衡控制方法对单体电池进行恒流充电或放电，根据单体电池的初始电荷量、充电或放电的电流值和充电时间，计算出单体电池的实时电荷量。
以上主动均衡控制方法在动力汽车电池管理系统、电力储能设备、高压直流输电系统、后备电池储能系统中的用途。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、实现了单体电池恒流充放电。
2、可提高开关频率，减小变压器以及滤波器件的体积，同时也降低了数字控制对芯片的高要求，电路简单可靠。
3、能精确计算充放电的安时数，精确计算电池容量，提高整组SOC精度。
4、实现对单体电池以及储能电池组容量的数据采集和智能化管理，延长了储能电池组的使用寿命，降低了成本。
附图说明：
图1为实施例1中一种采用主动均衡双向控制的结构方框图；
图2为实施例1中隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路图；
图3为实施例1中充电过程电感电流和开关管时序图；
图4为实施例1中充电过程开关管Q2A或Q2B导通时间的占空比示意图；
图5为实施例1中隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路放电电路图；
图6为实施例1中放电过程中电感电流和开关管时序图；
图7为实施例1中放电过程开关管Q1A和Q1B同时导通时间的占空比示意图；
图8为实施例2中充电过程电路图；
图9为实施例2中充电过程的时序图；
图10为实施例2中放电过程电路图；
图11为实施例2中放电过程的时序图；
图12为实施例3中隔离Boost+半桥结构的双向DC/DC电路图；
图13为实施例4中采用多个隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路的均衡电路图；
图14为实施例5中隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路的均衡电路图；
图15位实施例6中改进后的直流均衡电路框图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明是储能电池主动均衡的控制方法，当单体电池满足均衡条件时，本发明的方法既能实现对单体电池的恒流均衡放电，又能实现对单体电池的恒流均衡充电，并且单体电池均衡充电和均衡放电可以交替实现。
当单体电池满足放电的均衡条件时，采用推挽控制的方法，使单体电池向外部直流电源放电，电流值控制在预设的放电峰值和放电谷值之间，实现恒流均衡放电。
根据与单体电池串联的电感上电流值的大小，改变推挽电路的工作状态，当电感器件电流值增加到放电峰值时，控制推挽电路，使得电感器件上的储蓄的电能传输到外部的直流电源上，电感电流值因为电感器件的电能释放而减小，当电感器件电流值降低到放电谷值时，将推挽电路的工作状态改变为电感器件电流值增加，电感器件储能的状态，以此周而复始，实现了单体电池的恒流放电均衡。
当单体电池满足充电的均衡条件时，采用推挽控制的方法，使外部直流电源向单体电池充电，电流值控制在预设的充电峰值和充电谷值之间，实现恒流均衡充电。
根据与单体电池串联的电感器件上电流值的大小，改变推挽电路的工作状态，外部直流电源通过推挽电路向电感器件充电，电感器件电流值增加，当电感器件电流值增加到充电峰值时，控制推挽电路，使得电感器件上的储蓄的电能传输到单体电池上，电感电流值因为电感器件的电能释放而减小，当电感器件电流值降低到充电谷值时，将推挽电路的工作状态改变为外部直流电源通过推挽电路向电感器件充电，电感器件电流值增加，电感器件储能的状态，以此周而复始，实现了单体电池的恒流充电均衡。
以下，参照附图对本发明的具体实施方式进行说明。但是，以下所示的实施方式只是用于示例，将本发明的技术思想具体化的主动均衡双向控制方法及结构。本发明并不限定于以下的方法及结构。
图1是表示包含使用本发明的一个实施方式，一种采用主动均衡双向控制的结构方框图。
电路由单体电压采样电路、含有N个单体电池的电池组、选择开关、基于隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路、第一直流电源和BMS(电池管理系统)组成。
单体电池是否满足放电的均衡条件，是由单体电压采样电路、N个单体电池的电池组和BMS来实现的。
单体电压采样电路实时采集电池组中N个单体电池的电压值，并通过通信总线传输到BMS，BMS的处理器求得N个单体电池电压值的平均值，比较每个单体电池的电压值和平均值，得到与平均值正偏差最大的电压值对应的单体电池Cmax，同时得到与平均值负偏差最大的电压值对应的单体电池Cmin，单体电池Cmax即为需要进行恒流放电均衡的单体电池，单体电池Cmin即为需要进行恒流充电均衡的单体电池。
推挽控制的方法是由基于隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路来实现的。
BMS控制选择开关中单体电池Cmin对应的开关导通，并向隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路发出充电指令，第一直流电源通过隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路向单体电池Cmin充电，当单体电池Cmin的电压值达到平均值以后，BMS断开单体电池Cmin对应的开关，将单体电池Cmax对应的开关导通，单体电池Cmax通过隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路向第一直流电源放电。
其中，第一直流电源是中间电源平台，一般是BMS系统的控制电源电压，也可以是储能电池或外部直流电源。
隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路如图2所示。恒流均衡充电的过程为：
控制器接收到BMS发出的充电＝1的充电指令后，将Drv_Q2A置为高电平，Drv_Q2B置为低电平，开关管Q2A导通，Q2B断开，VS2(此处为第一直流电源)电流从正极流出，从绕组N2的中间抽头流入，从绕组N2的下端抽头流出，经过开关管Q2A，回到VS2负极，Q2B开关管所在支路断开。变压器绕组N1感应到绕组N2的磁参数变化，变压器绕组N1分别感应出压差，由于感应出的压差大于VS1(此处为单体电池Cmin)，变压器N1侧电流从中间抽头流出，流经电感L1，流经VS1，由于Q1A和Q1B采用了MOS管，MOS管本身存在寄生二极管，均处于导通状态，感应电流通过Q1A流回到上端抽头，通过Q1B流回到下端抽头，对VS1构成充电回路，由于电感是储能元件，电感电流具有连续性，由公式(1)可知
Figure BDA0001966626670000111
随着充电时间的延长，电感电流增加，由于电感与电池单体电压VS1串联，充电均衡电流等于电感电流平均值，实时采集电感电流(即充电均衡电流)，当电感电流达到预设的最大值IL1_max，控制器Drv_Q2A输出低电平，使得将开关管Q2A断开，VS2与变压器断开，绕组N1上的压降降低，电感电流减小，当电感电流减小到IL1_min时，控制器Drv_Q2B输出高电平，使得开关管Q2B导通，开关管Q2A仍处于关断状态，VS2(此处为第一直流电源)电流从正极流出，流过绕组N2的中间抽头，从开关管Q2B流出，回到VS2负极，Q2A开关管所在支路断开。变压器绕组N1感应到绕组N2的磁参数变化，变压器绕组N1分别感应出压差，由于感应出的压差大于VS1(此处为单体电池Cmin)，变压器N1侧电流从中间抽头流出，流经电感L1，流经VS1，由于Q1A和Q1B采用了MOS管，MOS管本身存在寄生二极管，均处于导通状态，感应电流通过Q1A流回到上端抽头，通过Q1B流回到下端抽头，对VS1构成充电回路，随着充电时间的延长，电感电流增加，实时采集电感电流，当电感电流达到预设的最大值IL1_max，控制器将开关管Q2B断开。
由于预设了电感电流的最大值IL1_max和电感电流的最小值IL1_min，控制器在检测到电感电流达到最大值IL1_max时，同时关断开关管Q2A和Q2B，在检测到电感电流降到最小值IL1_min时，轮流导通开关管Q2A和Q2B，使得感应电流在最大值IL1_max和最小值IL1_min之间周期性变化。电感电流变化和开关管时序图如图3所示。
设定电感电流从最小值IL1_min增加到最大值IL1_max的时间为T1，从最大值IL1_max减小到最小值IL1_min的时间为T2，D2为单体电池放电时电感电流上升时间的占空比，即开关管Q2A或Q2B导通时间的占空比，开关管Q2A或Q2B导通时间的占空比如图4所示。Lp是L1的电感量；VS1是单体电池电压，大致范围为磷酸铁锂：2.4V-3.6V，三元锂：2.8V-4.2V；VS2是第二直流电源电压，大致范围为20V-32V；iL1是电感电流瞬时值；ΔiL1是电感电流变化量，Ivs1是单体电池均衡电流；K是连续深度(CCM)，
Figure BDA0001966626670000121
0＜k＜1；Ts2是单体电池充电时开关周期；Fs2是单体电池充电时开关频率；N是变压器匝比，N＝N1/N2。
充电时，电感电流增大阶段，电荷计算公式为：
iL1(T1)＝(IL1_max+IL1_min)*D2*TS/2……(2)
充电时，电感电流减小阶段，电荷计算公式为：
iL1(T2)＝(IL1_max+IL1_min)*(1-D2)*TS/2……(3)
单体电池充电时开关周期Ts2的计算公式为：
TS＝T1+T2……(4)
定义IL1_av是电感电流(即均衡充电电流)的平均值，计算公式为：
Figure BDA0001966626670000131
由公式(2)-(5)推导出公式(6)
Figure BDA0001966626670000132
由公式(6)化简，即可得到公式(7)：
Figure BDA0001966626670000133
因为C1的进出电流在开关周期内平均值为0，所以单体电池均衡电流等于电感电流的均值，如公式(8)所示。
Ivs1＝IL1_av……(8)
电感电流的变化率乘以电感量等于加在电感两端的电压，得出公式(9)，
Figure BDA0001966626670000134
电感两端的伏秒乘积在一个开关周期内正负相等，得出公式(10)，
VS1×(1-D2)＝(N×VS2-VS1)×D2……(10)
由公式(9)和(10)可以推出，当电感量Lp确定，变压器匝比N确定，均衡电流设定后，频率只跟单体电池电压VS1和第二直流电源电压VS2有关系，并且，随着单体电池电压的变化，频率也在变化，频率的最小值决定了变压器体积的大小，频率的计算公式如公式(11)所示。
Figure BDA0001966626670000141
恒流均衡放电的过程为：
隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路放电电路图如图5所示。控制器接收到BMS发出的放电＝1的放电指令后，实时采集电感电流，当电感电流降到最小值IL2_min时，控制器将Drv_Q1A置为高电平，Drv_Q1B置为高电平，开关管Q1A、Q1B导通，变压器短路，电感电流从VS1正极流出，流过电感L1，由于Q1A和Q1B均处于导通状态，电流流向分为两个支路，一个支路，电流流过绕组N1的中间抽头，从绕组N1的上端抽头流出，经过导通的Q1A回到单体电池电压VS1负极，另一个支路，电流流过绕组N1的中间抽头，从绕组N1的下端抽头流出，经过导通的Q1B回到VS1负极，两个支路电流的叠加，使得电感电流增大，当电感电流上升到预设的最大值IL2_max时，控制器将Drv_Q1A保持高电平不变，Drv_Q1B置为低电平，开关管Q1A导通、Q1B关断，电感释放储能，能量通过绕组N1的中间抽头、绕组N1的上端抽头、开关管Q1A回路释放，绕组N2感应到电压差，通过绕组N2的中间抽头、绕组N2的下端抽头、开关管Q2A(mos管具有寄生二极管，处于导通状态)，将电能释放给VS2，当电感电流(即充电均衡电流)下降到预设的最小值IL2_min时，控制器将Drv_Q1A置为高电平，Drv_Q1B置为高电平，开关管Q1A、Q1B导通，变压器短路，电感电流从单体电池电压VS1正极流出，流过电感L1，由于Q1A和Q1B均处于导通状态，然后电流流向分为两个支路，一个支路，电流流过绕组N1的中间抽头，从绕组N1的上端抽头流出，经过导通的Q1A回到单体电池电压VS1负极，另一个支路，电流流过绕组N1的中间抽头，从绕组N1的下端抽头流出，经过导通的Q1B回到单体电池电压VS1负极，两个支路电流的叠加，使得电感电流增大，当电感电流上升到预设的最大值IL2_max时，控制器将Drv_Q1A置为低电平，Drv_Q1B保持高电平不变，开关管Q1A关断、Q1B导通，电感释放储能，能量通过绕组N1的中间抽头、绕组N1的下端抽头、开关管Q2B回路释放，绕组N2感应到电压差，通过绕组N2的中间抽头、绕组N2的上端抽头、开关管Q2B(mos管具有寄生二极管，处于导通状态)，将电能释放给VS2，直到电感电流下降到预设的最小值IL2_min。
由于预设了电感电流的最大值IL2_max和电感电流的最小值IL2_min，控制器同时导通开关管Q1A和开关管Q1B，电感电流增大，在检测到电感电流增加到最大值IL2_max时，轮流关断开关管Q1A和Q1B，使得感应电流在最大值IL2_max和最小值IL2_min之间周期性变化。电感电流变化和开关管时序图如图6所示。
设定电感电流从最小值IL2_min增加到最大值IL2_max的时间为T1，从最大值IL2_max减小到最小值IL2_min的时间为T2，D1为单体电池充电时电感电流上升占空比，即开关管Q1A和Q1B同时导通时间的占空比，开关管Q1A和Q1B同时导通时间的占空比如图7所示。Lp是L1的电感量；VS1是单体电池电压，大致范围为磷酸铁锂：2.4V-3.6V，三元锂：2.8V-4.2V；VS2是第二直流电源电压，大致范围为20V-32V；iL1是电感电流瞬时值；ΔiL1是电感电流变化量，Ivs1是单体电池均衡电流；K是连续深度(CCM)，
Figure BDA0001966626670000161
0＜k＜1；Ts1是单体电池放电时的开关周期；Fs1是单体电池放电时的开关频率；N是变压器匝比，N＝N1/N2。
电感电流的变化率乘以电感量等于加在电感两端的电压，得出公式(12)，
Figure BDA0001966626670000162
电感两端的伏秒乘积在一个开关周期内正负相等，得出公式(13)，
VS1×D1＝(N×VS2-VS1)×(1-D1)……(13)
由公式(12)和(13)可以推出，当电感量Lp确定，变压器匝比N确定，均衡电流设定后，频率只跟单体电池电压VS1和第二直流电源电压VS2有关系，并且，随着单体电池电压的变化，频率也在变化，频率的最小值决定了变压器体积的大小，频率的计算公式如公式(14)所示。
Figure BDA0001966626670000163
从公式(11)和公式(14)可以看出，当VS1和VS2同一时刻不变，Lp、Ivs1、N选定的情况下，Fs1＝Fs2，不管对单体电池是充电还是放电，其频率是相同的，双向是可逆的。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于，对用于推挽控制的方法的隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路中的开关管做了优化。实施例中，开关管采用的是MOSFET管，本实施例中，开关管采用了IGBT或三极管。当采用IGBT或三极管作为开关管时，要实现其推挽控制方法，分别在开关管旁边并联二极管，二极管的导通压降在0.5V到0.7V之间，充电过程的电路图如图8所示，放电过程的电路图如图10所示。
充电过程中，控制器控制Q2A和Q2B导通和断开的同时，也控制着开关管Q1A和Q1B的导通和断开。
放电过程中，控制器控制Q1A和Q1B导通和断开的同时，也控制着开关管Q2A和Q2B的导通和断开。
充电过程的时序图如图9所示，放电过程的时序图如图11所示。
实施例2的恒流充放电过程与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于，对用于推挽控制的方法的隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路做了优化，采用隔离Boost+半桥结构的双向DC/DC电路，隔离Boost+半桥结构的双向DC/DC电路图如图12所示，实施例3与实施例1的区别在于，变压器的右边为半桥电路。
单体电池充电和放电过程与实施例1相同，此处不再赘述。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于，推挽控制的方法采用多个隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路的均衡电路来实现，采用多个隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路的均衡电路图如图13所示。
当BMS系统将采集到的单体电池电压值与充电阈值和放电阈值作比较，当达到充电或者放电的条件时，同时打开对应的选择开关，控制对应的隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路同时通过第一直流电源，对多个单体电池进行充电和放电。与实施例相比，在实现了恒流充电放电的同时并行工作，提高了单体电池均衡的效率。
BMS系统也可控制多个隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路对一个单体电池进行充电和放电。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于，推挽控制的方法种对每一个单体电池都配备一个隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路和一个采样模块，如图14所示。
各电压采样电路分别实时采集本单体模块中单体电池的电压值，并通过通信总线将电压值传输到BMS控制系统，BMS控制系统根据采集到的电压值分别控制每个单体模块中双向DC/DC变换电路的工作状态。当电池单体电压低于充电启动阈值，双向DC/DC变换电路处于工作状态，储能电池通过双向DC/DC变换电路向低电压单体电池进行充电，当单体电池电压达到充电关断阈值，双向DC/DC变换电路处于停止状态，储能电池不对单体电池进行充电。
实施例6
实施例5与实施例1的区别在于，对实现推挽控制方法的基于隔离Boost+推挽结构的双向DC/DC电路进行了改进，改进后的直流均衡电路框图如图15所示。
电路由单体电压采样电路、含有N个单体电池的电池组、选择开关、基于隔离Boost+推挽电路、第一直流电源和BMS(电池管理系统)组成。
BMS控制系统一方面，根据各电压采样电路分别实时采集本单体模块中单体电池的电压值，控制开关的导通和断开，选择被均衡的单体电池；另一方面，BMS实时采集电感器件的电感电流，根据电感电流的大小，控制开关管的关断和导通，从而实现单体电池向外部直流电源放电，电流值控制在预设的放电峰值和放电谷值之间，外部直流电源向单体电池充电，电流值控制在预设的充电峰值和充电谷值之，从而实现单体电池的恒流均衡充电和放电。
实施例7
一种主动均衡智能管理平台，包含实施例1-6任一一种主动均衡控制方法和电路，用户可通过智能管理平台准确设置均衡电流的大小，通过单体电池初始电荷量、均衡恒流电流值和充放电时间，可以准确计算出单体电池的电容量，在智能管理平台中的处理器实时监控单体电池的容量数据、电压数据、均衡电流数据，并通过显示部件直观的反应到监视器上，当单体电池容量小于阈值时，智能管理平台可准确定位故障单体电池的位置，并提醒用于更换。
实施例8
一种主动均衡恒流装置，包括至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被所述至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行实施例1-6任一一种主动均衡控制方法和电路。
实施例1-6任一一种主动均衡控制电路还可应用于动力汽车电池管理系统中，对动力电池组中的每个单体电池或者单体模块实现恒流均衡，实现动力电池在充电放电过程中的均衡，提高电池的续航能力。
实施例1-6任一一种主动均衡控制电路再加上AC/DC转换模块，就能运用于电力储能设备上，对储能电池进行恒流均衡放电或充电，延长储能电池的寿命，降低成本。
实施例1-6任一一种主动均衡控制电路还可以对高压直流输电系统(HVDC)的储能电池进行恒流均衡，延长储能电池的寿命，降低成本。
实施例1-6任一一种主动均衡控制电路还可以应用于后备电池储能系统，由于恒流均衡方法的引入，提高了储能电池的电能传输效率，可减少备用电池的数量。
实施例1-6任一一种主动均衡控制电路还可以应用于IDC机房的储能电池、电力直流屏的储能系统等。

Claims (16)

1.一种主动均衡控制方法，其特征在于，包括：
判断单体电池是否满足均衡条件；
当单体电池满足均衡条件时，对单体电池放电或/和对单体电池充电，
所述对单体电池放电，是指控制推挽电路，使单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；
所述对单体电池充电，是指控制推挽电路，使外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间；所述推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2、开关管Q2A和开关管Q2B，
所述变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有A、B、C三个抽头，
所述单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
所述第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
所述第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
所述外部直流电源和电容C2并联，构成第二支路；
所述第二支路、抽头B、抽头A、开关管Q2B串联，构成第三分支路；
所述第二支路、抽头B、抽头C、开关管Q2A串联，构成第四分支路；
单体电池充电过程中，外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间变化，充电电流从充电谷值上升到充电峰值的过程中，开关管Q2A导通并且开关管Q2B关断，或者，开关管Q2A关断并且开关管Q2B导通；充电电流从充电峰值下降到充电谷值的过程中，开关管Q2A和开关管Q2B都关断；
单体电池放电过程中，单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间周期性变化，放电电流从放电谷值上升到放电峰值的过程中，开关管Q1A和开关管Q1B都导通，放电电流从放电峰值下降到放电谷值的过程中，开关管Q1A导通并且开关管Q1B关断，或者，开关管Q1A关断并且开关管Q1B导通；
控制推挽电路的频率为：
Figure FDA0003020566230000021
其中，FS为电流值增加和减小的频率，K是连续深度，IVS1为单体均衡电流，LP为电感量，VS1为单体电池电压，VS2为电源电压，N为变压器的匝数比。
2.如权利要求1所述的一种主动均衡控制方法，其特征在于，控制推挽电路，使单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间具体是指：
单体电池与感性器件串联，
根据与单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制所述推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大到放电峰值，所述推挽电路控制电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性器件释放储能，IL的值减小到放电谷值，所述推挽电路控制IL的值逐渐增大，感性器件储能。
3.如权利要求1所述的一种主动均衡控制方法，其特征在于，所述控制推挽电路，使外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间具体是指：
单体电池与感性器件串联，
根据与单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，控制所述推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大至充电峰值，所述推挽电路控制电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至充电谷值，所述推挽电路控制IL的值逐渐增大，感性器件储能。
4.如权利要求1～3中任一所述一种主动均衡控制方法，其特征在于，所述推挽电路采用基于隔离Boost+推挽结构双向DC/DC变换电路或基于隔离Boost+半桥结构双向DC/DC变换电路。
5.一种主动均衡电路，其特征在于，包括推挽电路、控制电路和感性元件，所述推挽电路在控制电路的控制下，使单体电池通过感性元件向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；所述推挽电路在控制电路的控制下，使外部直流电源通过感性元件向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间；
所述推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2、开关管Q2A和开关管Q2B，
所述变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有A、B、C三个抽头，
所述单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
所述第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
所述第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
所述外部直流电源和电容C2并联，构成第二支路；
所述第二支路、抽头B、抽头A、开关管Q2B串联，构成第三分支路；
所述第二支路、抽头B、抽头C、开关管Q2A串联，构成第四分支路；
单体电池充电过程中，外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间变化，充电电流从充电谷值上升到充电峰值的过程中，开关管Q2A导通并且开关管Q2B关断，或者，开关管Q2A关断并且开关管Q2B导通；充电电流从充电峰值下降到充电谷值的过程中，开关管Q2A和开关管Q2B都关断；
单体电池放电过程中，单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间周期性变化，放电电流从放电谷值上升到放电峰值的过程中，开关管Q1A和开关管Q1B都导通，放电电流从放电峰值下降到放电谷值的过程中，开关管Q1A导通并且开关管Q1B关断，或者，开关管Q1A关断并且开关管Q1B导通；
所述控制电路控制推挽电路的频率为：
Figure FDA0003020566230000041
其中，FS为电流值增加和减小的频率，K是连续深度，IVS1为单体均衡电流，LP为电感量，VS1为单体电池电压，VS2为电源电压，N为变压器的匝数比。
6.如权利要求5所述的一种主动均衡电路，其特征在于，还包括电流采样电路，所述电流采样电路采集单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，所述控制电路根据所述电流IL的大小，控制所述推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大到放电峰值，所述控制电路控制推挽电路，使电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至放电谷值，所述控制电路控制推挽电路，使IL的值增大，感性器件储能。
7.如权利要求5所述的一种主动均衡电路，其特征在于，还包括电流采样电路，所述电流采样电路采集单体电池相串联的感性器件上的电流IL的大小，所述控制电路根据所述电流IL的大小，控制所述推挽电路的工作状态，其中，IL的值增大，感性器件储能，IL的值增大至充电峰值，所述推挽电路控制电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，IL的值减小至充电谷值，所述推挽电路控制IL的值增大，感性器件储能。
8.如权利要求5所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述控制电路根据电流采样电路采集单体电池相串联的感性元件上的电流IL的大小，控制开关管Q1A和开关管Q1B的导通和关断，电能传输方向由单体电池到外部直流电源，其中，感性元件释放储能，具体包括：
控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B导通，单体电池通过第一分支路和第二分支路向感性元件充电，所述电流IL增加至放电峰值，控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B断开，感性元件通过所述第三分支路向所述外部直流电源放电，所述电流IL减小至放电谷值，控制电路将开关管Q1A导通，开关管Q1B导通，单体电池通过第一分支路和第二分支路向感性元件充电，所述电流IL增加至放电峰值，控制电路将开关管Q1A断开，开关管Q1B导通，感性元件通过所述第四分支路向所述外部直流电源放电，所述电流IL减小至放电谷值。
9.如权利要求5所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述控制电路根据电流采样电路采集单体电池相串联的感性元件上的电流IL的大小，控制开关管Q2A和开关管Q2B的导通和关断，电能传输方向由外部直流电源到单体电池，其中，感性器件释放储能，具体包括：
控制电路将开关管Q2A导通，开关管Q2B关断，外部直流电源通过第四分支路、第一分支路和第二分支路向感性元件充电，所述电流IL增加至充电峰值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B关断，外部直流电源停止向感性元件充电，所述电流IL减小至充电谷值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B导通，外部直流电源通过第三分支路、第一分支路和第二分支路向感性元件充电，所述电流IL增加至充电峰值，控制电路将开关管Q2A关断，开关管Q2B关断，外部直流电源停止向感性元件充电，所述电流值IL减小至充电谷值。
10.如权利要求6所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2A、电容C2B、开关管Q2A和开关管Q2B，
所述变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有D、E两个抽头，
所述单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
所述第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
所述第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
所述开关管Q2A和开关管Q2B串联，构成第五分支路，
所述电容C2A和电容C2B串联，构成第六分支路，
所述第五分支路、第六分支路、第一直流电源并联，
所述开关管Q2A和开关管Q2B的连接中点与所述抽头D连接，
所述电容C2A和电容C2B的连接中点与所述抽头E连接。
11.如权利要求5或10所述的一种主动均衡电路，其特征在于，所述开关管为MOSFET场效应管、IGBT与二极管并联、三极管与二极管并联中的一种。
12.一种主动均衡系统，其特征在于，包括单体电压采样电路、单体电池组、电源管理系统、第一直流电源、选择开关和推挽电路，
所述电源管理系统控制推挽电路，使单体电池向第一直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间；
所述电源管理系统控制推挽电路，使第一直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间；
所述推挽电路包括电容C1、开关管Q1A、开关管Q1B、变压器，电容C2、开关管Q2A和开关管Q2B，
所述变压器的原边有A'、B'、C'三个抽头，次边有A、B、C三个抽头，
所述单体电池与电容C1并联，再与电感元件串联，构成第一支路；
所述第一支路、抽头B'、抽头C'、开关管Q1B串联，构成第一分支路；
所述第一支路、抽头A'、抽头B'、开关管Q1A串联，构成第二分支路；
所述第一直流电源和电容C2并联，构成第二支路；
所述第二支路、抽头B、抽头A、开关管Q2B串联，构成第三分支路；
所述第二支路、抽头B、抽头C、开关管Q2A串联，构成第四分支路；
单体电池充电过程中，外部直流电源向单体电池充电的电流大小在预设的充电峰值和充电谷值之间变化，充电电流从充电谷值上升到充电峰值的过程中，开关管Q2A导通并且开关管Q2B关断，或者，开关管Q2A关断并且开关管Q2B导通；充电电流从充电峰值下降到充电谷值的过程中，开关管Q2A和开关管Q2B都关断；
单体电池放电过程中，单体电池向外部直流电源放电的电流大小在预设的放电峰值和放电谷值之间周期性变化，放电电流从放电谷值上升到放电峰值的过程中，开关管Q1A和开关管Q1B都导通，放电电流从放电峰值下降到放电谷值的过程中，开关管Q1A导通并且开关管Q1B关断，或者，开关管Q1A关断并且开关管Q1B导通；
控制推挽电路的频率为：
Figure FDA0003020566230000081
其中，FS为电流值增加和减小的频率，K是连续深度，IVS1为单体均衡电流，LP为电感量，VS1为单体电池电压，VS2为电源电压，N为变压器的匝数比。
13.一种主动均衡系统，其特征在于，包括单体电压采样电路、单体电池组、电源管理系统、第一直流电源、选择开关和权利要求5～11所述的一种主动均衡电路，
所述单体电压采样电路实时采集所述单体电池组各单体电池的电压值，并通过通信总线将所述电压值传输到所述电源管理系统，所述电源管理系统根据预设的充电阈值和/或放电阈值，控制对应的选择开关开启或者关断，驱动一个所述主动均衡电路从第一直流电源给一个单体电池充电或放电、驱动一个所述主动均衡电路从第一直流电源给多个单体电池充电或放电、驱动多个主动均衡电路从第一直流电源给单体电池一对一充电或放电、驱动多个主动均衡电路从第一直流电源给多个单体电池充电或放电。
14.一种主动均衡恒流装置，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至4中任一所述的方法。
15.一种电源管理平台，其特征在于，采用如权利要求1-4任一所述的方法对单体电池进行恒流充电或放电，根据单体电池的初始电荷量、充电或放电的电流值和充电时间，计算出单体电池的实时电荷量。
16.权利要求1-4任一所述一种主动均衡控制方法在动力汽车电池管理系统、电力储能设备、高压直流输电系统、后备电池储能系统中的用途。
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