CN112054575A - 一种基于lc储能的串并联电池组一体化均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、2m*n个二极管、一个电感、一个电容。本发明达到了以下有益效果：与现有技术相比，本发明基于LC储能，建立串并联电池组一体化主动均衡方法。可以同时实现串并联均衡，均衡能量可以直接由高电量单体转移至低电量单体，均衡速度快；电池组左右两边的MOS管阵列具有较强的对称性，结构简单、体积小、且控制简单；均衡拓扑易扩展，在满足器件极限值的前提下，串联电池组内单体数量或并联电池组数量发生变化时，只需增减相应的MOS管。

Description

一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法
技术领域
本发明属动力电池均衡技术领域，涉及一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，适用于新能源汽车电池管理系统。
背景技术
锂电池因具有能量密度高、循环寿命长的优点，逐渐成为新能源汽车的主要动力源。由于单体电压及容量较低，应用中需要将单体串并联构成电池组的形式。单体受生产工艺等因素影响，在循环充放电一段时间后会出现不一致现象，从而降低电池组的能量利用率及循环寿命，并且容易导致出现过充或过放。均衡技术对于改善电池组的不一致性具有重要意义。
目前，均衡技术主要分为两类：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要采用电阻作为每个单体的分流器，把高能量单体多余的能量转换为热能消耗掉。该方法优点是体积小，成本低，但能量耗散和散热问题是其关键缺点。主动均衡是近年均衡技术研究的热点，通过电容、电感、变换器等储能器件从高能量单体中转移能量到低能量的单体，从而实现电池组的均衡，也称非能耗型均衡或无损均衡。基于开关电容器的均衡拓扑具有体积小，易于控制的优点，但其均衡效率不高，电容均衡时间较长，当单体之间电压相差不大时此问题尤其明显。基于电感的均衡拓扑具有较高的均衡效率，但其电路结构复杂，需要MOS管及电感数量较多，控制复杂且不利于均衡系统体积的缩小。基于LC谐振电路的串联电池组均衡拓扑，LC谐振电路在谐振频率附近进行切换，使得均衡拓扑中的阻抗最小，具有均衡效率高，均衡速度快等优点，但开关器件多，控制复杂。基于变压器的均衡拓扑具有均衡效率高，控制简单，易于隔离的优点，但变压器设计较为复杂且存在磁饱和问题，导致均衡拓扑体积较大，不易模块化，成本较高且不易扩展。基于Buck、Boost等变换器的均衡拓扑，可以实现能量的双向流动，均衡效率高，均衡速度快，但仍具有控制复杂、成本高等不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有均衡方法的不足，提出了一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，改善串并联电池组不均衡现象，延长串并联电池组使用寿命。为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实施。
一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法：
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、2m*n个二极管、一个电感、一个电容；
在每组串联电池组中，电位最高点的左桥臂与一个MOS管连接，电位最高点的右桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接；电位最低点的左桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接，电位最低点的右桥臂与一个MOS管连接；其余各单体连接点的左右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；
串联电池组左桥臂的末端、串联电池组右桥臂的末端，分别与电感的两端连接；
电容的一端与串联电池组左桥臂的末端连接，电容的另一端与串并联电池组的接地端相连；
串并联电池组一体化均衡方法如下：通过电感储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；通过电容储能，实现电容充放电回路切换前后，回路中所包含的单体或串联电池组之间的能量之差为电感充电，提高电感均衡电流。
优选的，串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2，…，Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的右桥臂连接的MOS管、单体的左桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，其中x为串联电池组的组号；
储能电感标记为L，储能电容标记为C；
均衡方法的目标为，使串并联电池组内各单体SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当单体Bxi的SOC最高，Byj的SOC最低，二者的差值超过设定的启动阈值时，均衡拓扑启动，其中x、y为串联电池组的组号，大小相同或不同；i、j为串联电池组内单体的序号，大小相同或不同；x、y、i、j满足以下条件，当x＝y时i≠j，当i＝j时x≠y；
i≤j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，由单体Bxi、B2(i+1)、…、B2n串联的串联电池组给电容C储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电容C给电感L充电，电感L给单体Byj充电；实现均衡能量在任意单体间转移；
i>j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，电容C给电感L储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电感L给单体Byj充电，由单体By(j+1)、By(j+2)、…、Byn串联的串联电池组向电容充电；实现均衡能量在任意单体间转移。
上述各个阶段想要顺利实施，需要对电路核心元器件的参数进行计算分析，设定合适的电路参数。假设均衡过程Bxi的SOC最大，Byj的SOC最低；Bxi的电压表示为Vxi；Byj的电压表示为Vyj；电容电压为VC；二极管的导通压降为VD；开关频率为f，均衡周期为T；电感为L，电容为C，电感充放电控制信号占空比分别为α和α'，高SOC单体对电感的充电电流为iB，电容对电感的充电电流为iC。
iB表达式如下：
Figure BDA0002669274060000041
选取单体序号i小于j的情况进行分析计算。在第一阶段，当MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通时，单体Bxi为电感充电。第一阶段的时间为0～αT，在αT时刻，Bxi为电感充电的峰值电流IB为：
Figure BDA0002669274060000042
根据选定的IB和开关频率可得电感L：
Figure BDA0002669274060000043
第一阶段，电容电压大小为：
VC(αT)＝Vxi+Vx(i+1)+…+Vxn-2VD (4)
在第二阶段开始时，MOS管Sy(2j+1)和Sy(2j-2)导通，设经历了Δt时，电容的电压大小为：
VC(αT+Δt)＝Vyj+Vy(j+1)+…+Vyn-2VD (5)
根据基尔霍夫定律对电容放电回路列写方程：
Figure BDA0002669274060000044
代入初始条件，可解得：
Figure BDA0002669274060000051
将(5)式代入上式可求得：
Figure BDA0002669274060000052
根据叠加定理得这一阶段流过电感的电流iL为：
Figure BDA0002669274060000053
通过上式求解，可解得当t如(10)式取值时，流过电感的电流iL最大。
Figure BDA0002669274060000054
将此刻的时间代入(7)和(9)式即可得流过电感的最大均衡电流ILmax：
Figure BDA0002669274060000055
电感的放电时间可由下式决定：
Figure BDA0002669274060000056
为保证该均衡拓扑运行于电流断续模式下，均衡周期需满足T>αT+α′T，即满足下式：
α+α′<1 (13)
单体序号i大于j时，情况和上述类似，仅仅是第一个周期电容的电压到达高电位，不进行能量的释放，从第二个周期开始，和高电位的单体一起对电感进行能量的转移。
在设置完均衡拓扑功能性参数后，需要对拓扑的安全性参数进行分析，新型均衡拓扑随着单体数量的增加，MOS管及二极管上的反向电压增加，将对拓扑的安全性造成影响。对于二极管，当单体Bx1放电时，MOS管Sx(2n+1)对应的二极管承受反向电压最大，或单体Bxn放电时，MOS管Sx0对应的二极管承受反向电压最大，其最大反向电压相等，均近似为电池组电压，设二极管的反向击穿电压为VDBR，则在扩展均衡拓扑时，必须保证：
Vx1+Vx2+…+Vxn＜VDBR (14)
MOS管的漏源击穿电压设为VMBR，均衡拓扑中，Bx1充电时，MOS管Sx0导通，导致Sx(2n)承受最大反向电压，或Bx(n)充电时，MOS管Sx(2n+1)承受导通，导致Sx1承受最大反向电压，其最大反向电压相等，均近似为电池组电压，所以为保证MOS管安全工作，必须满足：
Vx1+Vx2+…+Vxn＜VMBR (15)
综上，即可完成均衡拓扑的参数设计。
优选的，均衡拓扑由控制电路进行控制；控制电路输出控制信号的频率大小根据电感的参数、MOS管的开关损耗、单体电池电压而定。
优选的，所述控制电路输出控制信号的占空比使电感储存的能量在每个信号周期内复位，即电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
优选的，串并联电池组内的单体均为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
本发明达到了以下有益效果：
与现有技术相比，本发明基于LC储能，建立串并联电池组一体化主动均衡方法。该均衡方法的第一个特点是，可以同时实现串并联均衡，均衡能量可以直接由高电量单体转移至低电量单体，均衡速度快；第二个特点是，电池组左右两边的MOS管阵列具有较强的对称性，结构简单、体积小、且控制简单；第三个特点是，均衡拓扑易扩展，在满足器件极限值的前提下，串联电池组内单体数量或并联电池组数量发生变化时，只需增减相应的MOS管。
附图说明
为更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
图1是本发明的均衡拓扑原理图；
图2是本发明串并联电池组均衡控制策略；
图3是实施例2四串两并-串并联电池组的均衡拓扑原理图；
图4是实施例2单体序号i≤j时，均衡过程第一阶段工作原理示例；
图5是实施例2单体序号i≤j时，均衡过程第二阶段工作原理示例；
图6是实施例2单体序号i>j时，均衡过程第一阶段工作原理示例；
图7是实施例2单体序号i>j时，均衡过程第二阶段工作原理示例；
图8是在MATLAB/Simulink中搭建的实施例2四串两并-串并联电池组的均衡仿真模型；
图9是实施例2四串两并-串并联电池组的均衡拓扑仿真模型输入工况电流；
图10是实施例2四串两并-串并联电池组中各单体SOC均衡仿真曲线；
图11是实施例2四串两并-串并联电池组中各单体SOC最大差值变化曲线；
图12是实施例2搭建的电池充放电测试实验平台；
图13是实施例2电池充放电测试实验平台标定的不同倍率恒流间歇放电OCV-SOC曲线；
图14是实施例2搭建的四串两并-串并联电池组均衡实验平台；
图15是实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B12最高SOC，B13最低SOC对应的控制信号及均衡电流波形；
图16是实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B12最高SOC，B13最低SOC对应的均衡对象电压波形；
图17是实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B14最高SOC，B12最低SOC对应的控制信号及均衡电流波形；
图18是实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B14最高SOC，B12最低SOC对应的均衡对象电压波形。
图19是实施例2四串两并-串并联电池组的充电均衡过程各单体SOC曲线；
图20是实施例2四串两并-串并联电池组的放电均衡过程各单体SOC曲线；
图21是实施例2四串两并-串并联电池组的充放电动态均衡过程各单体SOC曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法：
如图1所示，串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体。串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、2m*n个二极管、一个电感、一个电容。
在每组串联电池组中，电位最高点的左桥臂与一个MOS管连接，电位最高点的右桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接；电位最低点的左桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接，电位最低点的右桥臂与一个MOS管连接；其余各单体连接点的左右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管。
串联电池组左桥臂的末端、串联电池组右桥臂的末端，分别与电感的两端连接；电容的一端与串联电池组左桥臂的末端连接，电容的另一端与串并联电池组的接地端相连。
串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2，…，Pm；每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的右桥臂连接的MOS管、单体的左桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，其中x为串联电池组的组号；储能电感标记为L，储能电容标记为C。
均衡方法的目标为，使串并联电池组的各单体SOC趋于一致。
实现上述目标包括以下步骤：
当单体Bxi的SOC最高，Byj的SOC最低，二者的差值超过设定的启动阈值时，均衡拓扑启动，其中x、y为串联电池组的组号，大小相同或不同；i、j为串联电池组内单体的序号，大小相同或不同；x、y、i、j满足以下条件，当x＝y时i≠j，当i＝j时x≠y。
i≤j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，由单体Bxi、B2(i+1)、…、B2n串联的串联电池组给电容C储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电容C给电感L充电，电感L给单体Byj充电；实现均衡能量在任意单体间转移。
i>j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，电容C给电感L储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电感L给单体Byj充电，由单体By(j+1)、By(j+2)、…、Byn串联的串联电池组向电容充电；实现均衡能量在任意单体间转移。
如图2所示，是本发明串并联电池组均衡控制策略。
以SOC作为串并联均衡的一致性指标，分别设定均衡拓扑的启动工作阈值εs和停止工作阈值εe，其中εs>εe。当串并联电池组中各单体SOC的最大差值大于εs时，均衡拓扑启动工作；当串并联电池组中各单体SOC最大差值小于εe时，均衡拓扑停止工作。
当最大SOC单体和最小SOC单体个数均为1时，对最大SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡，实现均衡能量直接从最大SOC单体到最小SOC单体的转移。当最大SOC单体个数不为1，最小SOC单体个数为1时，对组号最小的串联电池组中序号最小的最大SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡。当最大SOC单体个数为1，最小SOC单体个数不为1时，对组号最大的串联电池组中序号最大的最小SOC单体充电均衡，最大SOC单体放电均衡。当最大SOC单体和最小SOC单体个数均不为1时，对组号最接近的两个串联电池组中序号最小的最大SOC单体放电均衡，序号最大的最小SOC单体充电均衡。通过上述过程，最终实现串并联电池组的快速均衡。
实施例2
一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法：
如图3所示，为实施例2四串两并-串并联电池组的均衡拓扑原理图。
四串两并-串并联电池组，共由2组串联电池组并联，每组串联电池组包含4个单体；四串两并-串并联电池组的均衡拓扑包括20个MOS管、16个二极管、一个电感、一个电容。
在每组串联电池组中，电位最高点的左桥臂与一个MOS管连接，电位最高点的右桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接；电位最低点的左桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接，电位最低点的右桥臂与一个MOS管连接；其余各单体连接点的左右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管。
串联电池组左桥臂的末端、串联电池组右桥臂的末端，分别与电感的两端连接；电容的一端与串联电池组左桥臂的末端连接，电容的另一端与串并联电池组的接地端相连。
四串两并-串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2；
P1串联电池组中，每个单体依次标记为B11，B12，B13，B14，单体的右桥臂连接的MOS管、单体的左桥臂连接的MOS管依次标记为S10，S11，…，S19。P2串联电池组中，每个单体依次标记为B21，B22，B23，B24，单体的右桥臂连接的MOS管、单体的左桥臂连接的MOS管依次标记为S20，S11，…，S29。
储能电感标记为L，储能电容标记为C。
如图4、图5所示，为单体序号i≤j时的均衡过程示例。假设单体B11的SOC最高、B23的SOC最低且满足均衡拓扑工作条件时，均衡过程包含二个阶段。
如图4所示，为实施例2单体序号i≤j时，均衡过程第一阶段工作原理示例。第一阶段，单体B11对应的MOS管S11和S12导通，由单体B11、B12、B13、B14串联的串联电池组经过回路②给电容C储存能量，单体B11经过回路①给电感L储存能量。
如图5所示，为实施例2单体序号i≤j时，均衡过程第二阶段工作原理示例。第二阶段，MOS管S11和S12断开，单体B23对应的MOS管S24和S27导通。电容C经过回路④向电感充电。电感L经过回路③给单体B23充电，整个过程实现了均衡能量从SOC最高单体到SOC最低单体的直接转移。
图6、图7为实施例2单体序号i>j时的均衡过程。假设单体B13的SOC最高、B21的SOC最低且满足均衡电路工作条件时，均衡过程包含二个阶段。
如图6所示，为实施例2单体序号i>j时，均衡过程第一阶段工作原理示例。第一阶段，单体B13对应的MOS管S15和S16导通，电容C通过回路②给电感L储存能量，单体B13通过回路①给电感L储存能量。
如图7所示，实施例2单体序号i>j时，均衡过程第二阶段工作原理示例。第二阶段，MOS管S15和S16断开，单体B21对应的MOS管S20、S21导通，由单体B22、B23、B24串联的串联电池组通过回路④向电容C充电，电感L经过回路③给单体B21充电。
如图8所示，是在MATLAB/Simulink中搭建的实施例2四串两并-串并联电池组的均衡仿真模型。四串两并-串并联电池组表示每组串联电池组包含4个单体，共有2组串联电池组并联。搭建的均衡仿真模型包含开关模块、控制模块、检测模块等。如表1所示，为均衡仿真模型的仿真参数设置。
表1均衡仿真模型的仿真参数表
Figure BDA0002669274060000121
如图9所示，是实施例2四串两并-串并联电池组的均衡拓扑仿真模型输入工况电流。串并联电池组在实际工作中，由于环境和人为等因素影响，其充放电状态不是固定不变的，为了模拟实际的工作状态，即考虑正常的工况，参考UDDS(Urban Dynamometer DrivingSchedule)工况设置负载。一个周期内，电流输出的平均值为0.84A，最大值为2.64A，仿真总时长为700s，整个工况包含了串并联电池组充放电过程。
如图10所示，是实施例2四串两并-串并联电池组中各单体SOC均衡仿真曲线。从图10看出，仿真开始时，各单体SOC差值满足均衡拓扑工作条件，均衡拓扑工作，各单体SOC最大差值逐渐减小。经过一段时间后，均衡拓扑停止工作，此后串并联电池组内各单体SOC最大差值满足精度要求。
如图11所示，是实施例2四串两并-串并联电池组中各单体SOC最大差值变化曲线。由图11可知，在621s时刻，各单体SOC最大差值趋于1％，满足均衡精度要求，此后，最大差值保持在1％。
四串两并-串并联电池组均衡实验
以SOC作为均衡指标，顺利开展均衡实验的前提是获取精确的SOC，本发明以开路电压法获取SOC，开路电压法的核心技术的建立可靠的OCV-SOC曲线。如图12所示，是实施例2搭建的电池充放电测试实验平台，该实验平台用于获取OCV-SOC曲线。该电池充放电测试平台主要由上位机、电子负载、示波器、实验电池组成，实验电池的正负极分别与电子负载的正负极连接，并且实验电池的正负极与示波器连接，电子负载通过数据线与上位机连接。实验电池为索尼公司生产的额定容量为3200mAh的18650型三元锂电池，标称电压为3.7V。
分别标定0.2C、0.3C、0.4C、0.5C、0.6C、0.75C、1C恒流间歇放电条件下的OCV-SOC曲线。思路为：电池充放电结束后，让其搁置45分钟以消除极化效应，此时读取电池端电压，即近似为OCV(Open circuit voltage，开路电压)，再利用OCV-SOC曲线获取SOC。每组标定步骤如下：
①采用先恒流(0.2C)后恒压(截止电压4.2V)的方式对电池进行充电；
②对电池进行恒流、恒容量(320mAh)放电；
③放电结束，静置45分钟，记录静置结束后电池端电压，即为OCV；
④重复步骤②③，至电池电量全部放出。
如图13所示，是实施例2电池充放电测试实验平台标定的不同倍率恒流间歇放电OCV-SOC曲线。由图13可知，在SOC大于10％的情况下，各条曲线几乎重合，故可以用其中任意一条曲线代表。
如图14所示，是实施例2搭建的四串两并-串并联电池组均衡实验平台。该实验平台主要包含电源、采样电路、控制器、均衡电路、示波器、电子负载、上位机、电池组。
电池组及其均衡电路为主电路，按照实施例2中的四串两并-串并联电池组的均衡拓扑原理图进行设置，包括四串两并-串并联电池组，以及对应的开关列阵，四串两并-串并联电池组由两个串联电池组并联而成，每个串联电池组包括四个串联在一起的实验电池。主电路和驱动电路集成在一个PCB板上。将两组串联电池组的两桥臂末端分别与储能电感相连接，并在电感旁串联一个采样电阻，将两组串联电池组的左桥臂与电容的一端连接，电容另一端接地。主电路引出各单体的电压信号，分别接入采样电路，并由采样电路处理后接入STM32控制器中，并由STM32控制器产生控制信号，将控制信号接入到对应MOS管的驱动电路中。将采样电阻得到的电压信号，以及STM32控制器生成的两路PWM波分别接入示波器显示。采样电路接入电源。电子负载与串并联电池组的正负极连接，并通过数据线与上位机连接，示波器各信号端与各单体电池的正负极连接。
实验电池为索尼公司生产的额定容量为3200mAh的18650型三元锂电池，标称电压为3.7V。具体的均衡实验参数如表2所示。
表2均衡实验参数
Figure BDA0002669274060000151
初始条件分两种情况。第一种情况是最高SOC单体的序号小于最低SOC单体的序号，设定单体B12的SOC最高，需要放电；单体B13的SOC最低，需要充电。第二种情况是最高SOC单体的序号大于最低SOC单体的序号，设定单体B14的SOC最高，需要放电；单体B12的SOC最低，需要充电。
首先对LC储能转移能量的功能性进行验证。
如图15所示，为实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B12最高SOC，B13最低SOC对应的控制信号及均衡电流波形；如图16所示，为实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B12最高SOC，B13最低SOC对应的均衡对象电压波形。由图15可知，电感电流增加过程对应于单体B12放电过程，单体B12电压下降过程如图16第①阶段所示，第①阶段开始时，单体B12、B13、B14串联的电池组迅速向电容充电，因为锂电池的极化效应，其对应电压会有一个快速上升的阶段；电感电流减小过程对应于单体B13充电过程，单体B13电压上升过程如图16第②阶段所示。需要说明的是，在第①阶段结束时刻，单体B12电压升高，第②阶段结束时刻，单体B23电压升高后又下降，这是由锂电池特有的极化效应造成的。
如图17所示，为实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B14最高SOC，B12最低SOC对应的控制信号及均衡电流波形；如图18所示，为实施例2四串两并-串并联电池组均衡实验平台内，B14最高SOC，B12最低SOC对应的均衡对象电压波形。由图17可知，电感电流增加过程对应于单体B14放电过程，单体B14电压下降过程如图18第①阶段所示，第①阶段开始时的一段时间，单体B14电压是不变化的，这是由于电容对电感充电且电容电压变化迅速，当电容电压和B14正极电压相等时，电容不再给电感充电，只剩下B14给电感充电，整个第一阶段，电感电流上升的速度先快后慢；电感电流减小过程对应于单体B12充电过程，单体B12电压上升过程如图18第②阶段所示，第②阶段开始时，单体B13、B14串联的串联电池组迅速向电容充电，因为锂电池的极化效应，其对应电压会有一个快速上升的阶段。需要说明的是，在两个阶段结束时刻，单体B12电压升高，及单体B13、B14电压下降后又上升，这是锂电池特有的极化效应造成的。
其次对LC储能的均衡效果进行验证。
如图19所示，为实施例2四串两并-串并联电池组的充电均衡过程各单体SOC曲线。两组串联电池组各单体初始SOC分别为49.64％、43.51％、40.09％、38.38％和41.8％、34.96％、46.76％、43.51％，最大极差满足均衡电路启动条件。由图19可知，充电时间150min，充电结束后，各组单体SOC分别为77.39％、77.39％、77.39％、77.39％和75.23％、73.41％、77.39％、77.39％，最大极差为3.98％，说明均衡过程已经结束，尚未重新满足均衡电路启动工作条件。
如图20所示，为实施例2四串两并-串并联电池组的放电均衡过程各单体SOC曲线。两组串联电池组各单体初始SOC分别为79.12％、78.04％、72.81％、80.29％和79.12％、88.04％、78.0％、75.88％，最大极差满足均衡电路启动条件。由图20可知，放电时间为120min，放电结束后各组单体的SOC分别为43.08％、41.37％、39.22％、43.08％和43.08％、43.08％、43.08％、41.37％，最大极差为3.86％，满足均衡电路停止工作阈值条件。
如图21所示，为实施例2四串两并-串并联电池组的充放电动态均衡过程各单体SOC曲线，两组串联电池组各单体初始SOC分别为33.42％、29.1％、38.38％、52.34％和43.51％、43.51％、52.34％、25.41％，最大极差满足均衡电路启动条件。由图21可知，动态均衡实验包含充电过程、放电过程和搁置状态的均衡，充电时间为60min，放电时间为60min，搁置时间为120min，均衡结束时，各单体电池的SOC分别为31.89％、30.45％、31.89％、33.42％和31.89％、31.89％、33.42％、30.45％，最大SOC极差为2.97％，满足均衡结束阈值条件。

Claims (5)

1.一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，其特征在于：
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、2m*n个二极管、一个电感、一个电容；
在每组串联电池组中，电位最高点的左桥臂与一个MOS管连接，电位最高点的右桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接；电位最低点的左桥臂与MOS管和二极管的串联电路连接，电位最低点的右桥臂与一个MOS管连接；其余各单体连接点的左右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；
串联电池组左桥臂的末端、串联电池组右桥臂的末端，分别与电感的两端连接；
电容的一端与串联电池组左桥臂的末端连接，电容的另一端与串并联电池组的接地端相连；
串并联电池组一体化均衡方法如下：通过电感储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；通过电容储能，实现电容充放电回路切换前后，回路中所包含的单体或串联电池组之间的能量之差为电感充电，提高电感均衡电流。
2.根据权利要求1所述的一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，其特征在于：
串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2，…，Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的右桥臂连接的MOS管、单体的左桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，其中x为串联电池组的组号；
储能电感标记为L，储能电容标记为C；
均衡方法的目标为，使串并联电池组内各单体SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当单体Bxi的SOC最高，Byj的SOC最低，二者的差值超过设定的启动阈值时，均衡拓扑启动，其中x、y为串联电池组的组号，大小相同或不同；i、j为串联电池组内单体的序号，大小相同或不同；x、y、i、j满足以下条件，当x＝y时i≠j，当i＝j时x≠y；
i≤j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，由单体Bxi、B2(i+1)、…、B2n串联的串联电池组给电容C储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电容C给电感L充电，电感L给单体Byj充电；实现均衡能量在任意单体间转移；
i>j时，均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感L储存能量，电容C给电感L储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Byj对应的MOS管Sy(2j-2)、Sy(2j+1)导通，电感L给单体Byj充电，由单体By(j+1)、By(j+2)、…、Byn串联的串联电池组向电容充电；实现均衡能量在任意单体间转移。
3.根据权利要求2所述的一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，其特征在于：均衡拓扑由控制电路进行控制；控制电路输出控制信号的频率大小根据电感的参数、MOS管的开关损耗、单体电池电压而定。
4.根据权利要求3所述的一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，其特征在于：所述控制电路输出控制信号的占空比使电感储存的能量在每个信号周期内复位，即电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于LC储能的串并联电池组一体化均衡方法，其特征在于：串并联电池组内的单体均为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113746174A (zh) * 2021-09-09 2021-12-03 河南理工大学 一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102074989A (zh) * 2010-12-31 2011-05-25 东莞市海拓伟电子科技有限公司 一种锂离子电池组均衡电路
US20130093248A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 Texas Instruments Incorporated Inductor-based active balancing for batteries and other power supplies
CN111555407A (zh) * 2020-05-29 2020-08-18 河南理工大学 一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102074989A (zh) * 2010-12-31 2011-05-25 东莞市海拓伟电子科技有限公司 一种锂离子电池组均衡电路
US20130093248A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 Texas Instruments Incorporated Inductor-based active balancing for batteries and other power supplies
CN111555407A (zh) * 2020-05-29 2020-08-18 河南理工大学 一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113746174A (zh) * 2021-09-09 2021-12-03 河南理工大学 一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法
CN113746174B (zh) * 2021-09-09 2023-06-27 河南理工大学 一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法

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