CN111555394B - 一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法，包括双向反激均衡电路及基于均衡电路的均衡控制方法。双向反激均衡电路，由两个MOSFET，以及一个高频变压器组成，用于通过大电流和转移能量。通过对MOSFET施加不同频率和占空比控制信号，可控制均衡电流的大小和方向，实现电池组与组内任意一个单体电池能量的相互转移。均衡控制方法是根据电池组平均SoCavg与每个单电池SoC之间的差值产生相应的控制信号，控制双向反激均衡电路实现能量在电池组与单电池之间的转移。本发明可以有效的实现串联电池组的均衡，提高电池组的使用寿命及使用过程中的安全系数。

Description

一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法
技术领域
本发明涉及一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法，适用于对任意种类串联电池组的均衡操作，以电池组中各电池SoC为均衡依据，增强电池组的安全性并延长电池组使用寿命。
背景技术
大规模储能技术是解决可再生能源波动性、间歇性以及地域分布特性的重要途径之一。在新能源高效率输出时储存多余能量，并在负荷高峰时释放能量快速响应，实现有效地缓冲，能极大缓解可再生能源并网时对电网带来的影响，增强电网的稳定性以及可调度能力。电池储能以其可扩展性强、高效率以及寿命长等特点，已成为储能技术中的一个重要方向，但现存的一些技术难题限制了电池储能技术的使用。
为满足实际使用所需的电压与容量要求，需将多个单电池串联成组使用。但即使是相同规格、相同型号，甚至同批次生产的电池之间也会存在容量、端电压和内阻上的差异。由于电池单体之间不一致性的存在，当对电池组整体进行充(放)电时，一旦电池组中有单电池达到充(放)电截止电压，便必须立即停止充(放)电，否则会造成其余单电池的过充(过放)。更严重的是，因为不一致性的存在，若不加以管理，电池组的使用寿命甚至整个系统的安全均不能得到有效保障。
为了减小电池组串并联使用时电池单体之间不一致性导致的一系列问题，通过均衡电路提升电池组的使用寿命与安全系数是十分必要的。
发明内容
本发明的目的在于针对上述实际使用过程中的问题，提供了一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法。
本发明采用的技术方案实现如下：
一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法，该方法基于双向反激均衡电路，双向反激均衡电路将单向反激电路的输出侧续流二极管更换为MOSFET，结合一个高频变压器组成，MOSFET设有两个，分别定义为M1和M2，高频变压器原边侧对应电池组，副边侧对应单电池，原边侧引脚P与M1漏极相连，M1源极与电池组负极连接，变压器原边侧另一引脚与电池组正极连接，副边侧与P引脚互为同名端的引脚与M2源极相连，M2漏极与单电池正极连接，副边侧另一引脚与单电池负极连接；该双向反激均衡电路将单向反激电路的副边续流二极管更换为MOSFET，结合一个高频变压器；该双向反激均衡属于输入输出隔离的主动均衡电路，为电池组中各个单电池均配置一个双向反激均衡电路，实现在同一时间段内同时控制多个电池单体进行均衡；
该方法根据电池组中各个电池的SoC与电池组平均SoCavg之间的差值，对各个均衡电路的工作占空比进行更有针对性的独立控制，实现电池组中各个单电池SoC的均衡。
本发明进一步的改进在于，该方法具体包括如下实现步骤：
首先设置均衡开启、停止阈值ron、roff，以及均衡时间；之后计算各电池的SoC，并计算出电池组SoC平均值SoCavg；随后将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCi SoCavg|＞ron，则控制第i个均衡电路，开启对电池i的均衡；
电池开启均衡后，由于MOSFET占空比对电路效率产生影响，为增大均衡电路效率，根据占空比将双向反激均衡电路划分为不同工作模式，当电池i的SoCi与SoCavg的差值在不同的范围内时，控制相应均衡电路以不同模式进行能量转移；
当|SoCi-SoCavg|＞0.2时，进行“大步均衡”；当0.1＜|SoCi-SoCavg|＜0.2时，进行“中步均衡”；当0.05＜|SoCi-SoCavg|＜0.1时，进行“小步均衡”；当roff＜|SoCi-SoCavg|＜0.05时，进行“微步均衡”；均衡电路运行达到设置的均衡时间后，再次将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCi-SoCavg|＜roff，则停止电池i对应均衡电路的运行；若电池i的SoCi仍然满足|SoCi-SoCavg|＞roff，则继续控制电池i对应的均衡电路实现能量转移直到|SoCi-SoCavg|＜roff。
本发明进一步的改进在于，当SoCi-SoCavg＜0时，控制能量流动方向为由电池组至单体电池；
当SoCi-SoCavg＞0时，控制能量流动方向为由单体电池至电池组；
当能量由电池组向单电池转移模式下，“大步均衡”时，原边MOSFET占空比为40％，副边MOSFET占空比为50％；“中步均衡”时，原边MOSFET占空比为30％，副边MOSFET占空比为50％；“小步均衡”时，原边MOSFET占空比为20％，副边MOSFET占空比为40％；“微步均衡”时，原边MOSFET占空比为10％，副边MOSFET占空比为30％；
当能量由单电池向电池组转移模式下，原边MOSFET占空比均为0，“大步均衡”时，副边MOSFET占空比为70％；“中步均衡”时，副边MOSFET占空比为60％；“小步均衡”时，副边MOSFET占空比为50％；“微步均衡”时，副边MOSFET占空比为40％。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法，包括：双向反激均衡电路以及此基于均衡电路的均衡控制方法。双向反激电路将单向反激电路的输出侧续流二极管更换为MOSFET，结合一个高频变压器组成。高频变压器原边侧对应电池组，副边侧对应单电池，原边侧引脚P与MOSFET(M1)漏极相连，M1源极与电池组负极连接，变压器原边侧另一引脚与电池组正极连接，副边侧与P引脚互为同名端的引脚与M2源极相连，M2漏极与单电池正极连接，副边侧另一引脚与单电池负极连接，因此组成了此双向反激电路的结构。
该电路属于输入输出隔离的主动均衡电路，为电池组中各个单电池均配置一个双向反激均衡电路，可实现在同一时间段内同时控制多个电池单体进行均衡，加快均衡时间提高均衡速率，而且相比于其他隔离式的电路如正激电路、全桥电路，反激电路所需器件少、控制方法简单，易于扩展。结合高效的均衡控制策略，能实现大部分电池组的均衡；
双向反激均衡电路的控制方法，是根据电池组中各个电池的SoC与电池组平均SoCavg之间的差值，对各个均衡电路的工作占空比进行更有针对性的独立控制，进而更高效地实现电池组中各个单电池SoC的均衡。
进一步地，本发明中双向反激均衡电路可通过控制MOSFET的在一个周期中的导通顺序实现能量在电池组与任一单电池之间的互相转移。若某一电池能量过低，可控制双向反激均衡电路通过电池组向其补充能量；若某一电池能量过高，可控制双向反激均衡电路使其向电池组放出能量；其次，可通过控制MOSFET导通占空比控制能量与电流大小。通过对不同双向反激均衡电路施加不同的控制信号，可更加有针对性地对电池组中各个单电池进行不同的控制，加快电池组的均衡速率；
进一步地，本发明以电池的SoC作为均衡依据进行均衡操作，能获得更加安全、高效的均衡结果，克服由于开关器件导通压降对均衡结果的影响。
附图说明
图1是本发明的双向反激均衡电路与电池组连接电路图。
图2是本发明的针对电池3的双向反激均衡电路图。
图3是本发明双向反激均衡电路中能量由电池组向单电池转移示意图，图3中(a)是原边电流流向，图3中(b)是副边电流流向。
图4是本发明双向反激均衡电路中能量由单电池向电池组转移示意图，图4中(a)是副边电流流向，图4中(b)是原边电流流向。
图5是本发明均衡方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，为N个电池串联所成电池组与N个双向反激均衡电路的连接示意图，副边一侧分别与N个单电池正负极相连，原边一侧均与电池组正负极相连，可通过控制信号独立控制任意一个均衡电路，此连接方式能独立控制各个双向反激均衡电路，提供电池所需的均衡电流。
如图2所示，为针对电池3的一路双向反激均衡电路(图1中变压器左边侧为原边，右边侧为副边)，但是将传统单向反激电路中高频变压器副边的二极管替换为了MOSFET，目的是为了实现同步控制提升效率并且可实现对电池组的双向控制。通过调整控制信号时序可控制此均衡电路传递电流、能量的大小和方向。
如图3所示，为当计算所得电池3的SoC较低，通过电池组对电池3进行充电时电流流向示意图。控制方式如下：首先导通M1，电池组对原边电感充电储能，此时变压器副边感应电压为下正上负，控制M2关断且M2寄生二极管承受反压关断，因此副边回路不导通；在关闭M1的同时导通M2(即反激电路同步整流技术)，变压器原边能量转移至副边，副边电感通过M2导通续流至电池3，从而实现能量从电池组向能量较低单体的转移。
如图4所示，为当计算所得电池3的SoC较高，控制电池3对电池组放电时电流流向示意图。控制方式如下：首先导通M2，电池3对副边电感充电储能，此时原边电感感应电压为下正上负，M1不导通且其寄生二极管承受反压关断，因此原边回路不导通；之后关闭M2，副边能量转移至原边，原边电感感应电压变为上正下负，此时不对M1进行控制，原边电感通过M1的寄生二极管对电池组充电，从而实现能量从能量较高单体向电池组转移。
如图5所示，为针对此双向反激均衡电路的均衡方法流程图，首先设置均衡开启、停止阈值ron、roff(均为正值)，以及均衡时间。之后计算各电池的SoC，并计算出电池组SoC平均值SoCavg。随后将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCiSoCavg|＞ron，则控制第i个均衡电路，开启对电池i的均衡。电池开启均衡后，由于MOSFET占空比对电路效率产生影响，为增大均衡电路效率，根据占空比将双向反激均衡电路划分为不同工作模式，当电池i的SoCi与SoCavg的差值在不同的范围内时，控制相应均衡电路以不同模式进行能量转移。当|SoCi-SoCavg|＞0.2时，进行“大步均衡”；当0.1＜|SoCi-SoCavg|＜0.2时，进行“中步均衡”；当0.05＜|SoCi-SoCavg|＜0.1时，进行“小步均衡”；当roff＜|SoCi-SoCavg|＜0.05时，进行“微步均衡”。均衡电路运行达到设置的均衡时间后，再次将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCi-SoCavg|＜roff，则停止电池i对应均衡电路的运行；若电池i的SoCi仍然满足|SoCi-SoCavg|＞roff，则继续控制电池i对应的均衡电路实现能量转移直到|SoCi-SoCavg|＜roff。
如表1所示，为各个均衡模式的占空比设置：
表1：
Figure BDA0002499123520000061
当SoCi-SoCavg＜0时，控制能量流动方向为由电池组至单体电池，如图3所示；当SoCi-SoCavg＞0时，控制能量流动方向为由单体电池至电池组，如图4所示。当能量由电池组向单电池转移模式下，“大步均衡”时，原边MOSFET占空比为40％，副边MOSFET占空比为50％；“中步均衡”时，原边MOSFET占空比为30％，副边MOSFET占空比为50％；“小步均衡”时，原边MOSFET占空比为20％，副边MOSFET占空比为40％；“微步均衡”时，原边MOSFET占空比为10％，副边MOSFET占空比为30％；
当能量由单电池向电池组转移模式下，原边MOSFET占空比均为0，“大步均衡”时，副边MOSFET占空比为70％；“中步均衡”时，副边MOSFET占空比为60％；“小步均衡”时，副边MOSFET占空比为50％；“微步均衡”时，副边MOSFET占空比为40％。
综上所述，本发明为一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法。本发明提供了一种基于双向反激电路，以SoC为均衡依据的均衡方法，能实现更可靠有效的均衡。能量通过双向反激电路在任意电池与电池组之间实现快速高效转移，且该均衡电路可以便捷地切换转移方向，实现能量的均衡。

Claims (1)

1.一种基于双向反激均衡电路的串联电池组均衡方法，其特征在于，该方法基于双向反激均衡电路，双向反激均衡电路将单向反激电路的输出侧续流二极管更换为MOSFET，结合一个高频变压器组成，MOSFET设有两个，分别定义为M1和M2，高频变压器原边侧对应电池组，副边侧对应单电池，原边侧引脚P与M1漏极相连，M1源极与电池组负极连接，变压器原边侧另一引脚与电池组正极连接，副边侧与P引脚互为同名端的引脚与M2源极相连，M2漏极与单电池正极连接，副边侧另一引脚与单电池负极连接；该双向反激均衡电路将单向反激电路的副边续流二极管更换为MOSFET，结合一个高频变压器；该双向反激均衡属于输入输出隔离的主动均衡电路，为电池组中各个单电池均配置一个双向反激均衡电路，实现在同一时间段内同时控制多个电池单体进行均衡；
该方法根据电池组中各个电池的SoC与电池组平均SoCavg之间的差值，对各个均衡电路的工作占空比进行更有针对性的独立控制，实现电池组中各个单电池SoC的均衡；
该方法具体包括如下实现步骤：
首先设置均衡开启、停止阈值ron、roff，以及均衡时间；之后计算各电池的SoC，并计算出电池组SoC平均值SoCavg；随后将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCi SoCavg|＞ron，则控制第i个均衡电路，开启对电池i的均衡；
电池开启均衡后，由于MOSFET占空比对电路效率产生影响，为增大均衡电路效率，根据占空比将双向反激均衡电路划分为不同工作模式，当电池i的SoCi与SoCavg的差值在不同的范围内时，控制相应均衡电路以不同模式进行能量转移；
当|SoCi-SoCavg|＞0.2时，进行“大步均衡”；当0.1＜|SoCi-SoCavg|＜0.2时，进行“中步均衡”；当0.05＜|SoCi-SoCavg|＜0.1时，进行“小步均衡”；当roff＜|SoCi-SoCavg|＜0.05时，进行“微步均衡”；均衡电路运行达到设置的均衡时间后，再次将电池组中每个单电池的SoC与SoCavg进行比较，若电池i的SoCi满足|SoCi-SoCavg|＜roff，则停止电池i对应均衡电路的运行；若电池i的SoCi仍然满足|SoCi-SoCavg|＞roff，则继续控制电池i对应的均衡电路实现能量转移直到|SoCi-SoCavg|＜roff；
如表1所示，为各个均衡模式的占空比设置：
表1：
Figure FDA0003675422080000021
当SoCi-SoCavg＜0时，控制能量流动方向为由电池组至单体电池；
当SoCi-SoCavg＞0时，控制能量流动方向为由单体电池至电池组；
当能量由电池组向单电池转移模式下，“大步均衡”时，原边MOSFET占空比为40％，副边MOSFET占空比为50％；“中步均衡”时，原边MOSFET占空比为30％，副边MOSFET占空比为50％；“小步均衡”时，原边MOSFET占空比为20％，副边MOSFET占空比为40％；“微步均衡”时，原边MOSFET占空比为10％，副边MOSFET占空比为30％；
当能量由单电池向电池组转移模式下，原边MOSFET占空比均为0，“大步均衡”时，副边MOSFET占空比为70％；“中步均衡”时，副边MOSFET占空比为60％；“小步均衡”时，副边MOSFET占空比为50％；“微步均衡”时，副边MOSFET占空比为40％。
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