CN112290619A - 一种带有自动功率限制功能的电池均衡器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，所述电池均衡器基于一个多绕组变压器实现能量传输，电池组中需进行均衡功能每个电池与一个均衡电路连接，各个均衡电路的电路结构和参数完全一致；每个均衡电路包括两个谐振电容、两个钳位二极管、两个NMOS管、一个电感、以及一个变压器绕组，且每个均衡电路通过带一定死区的互补驱动信号PWM+和PWM‑进行控制。本发明的电池均衡器无需使用传感器，且不需增加额外电阻来限制电路最大电流，大大降低了导通损耗，并在在一段电压差范围内均能实现最大传输电流，从而使得均衡速度得到有效提高。

Description

一种带有自动功率限制功能的电池均衡器
技术领域
本发明属于电池均衡器技术领域，更具体地，涉及一种带有自动功率限制功能的电池均衡器。
背景技术
近年来，随着电动汽车行业的发展，大量的锂离子电池组投入市场。锂离子电池有着许多优点，然而受目前工艺和技术限制，电池单体的端电压和容量较低，无法满足大功率应用的需求。为了提高电池的容量和端电压，通常将大量锂离子电池单体串并联来组成电池组使用。然而，由于各个电池单体的性能间存在着一定差异，串联的单体间必然会出现能量失配的现象，会影响电池组整体的容量和寿命，而且重复的充放电会放大这种能量失配现象。因此，高效可靠地电池均衡器对于电池组必不可少。
目前，已有的电池均衡器方案可以分成两大类：被动均衡方案和主动均衡方案。
被动均衡方案是利用能量耗散原理，将失配电池中多余的能量通过电阻和开关耗散掉，但是这类方法的传输效率为零，均衡速度较低，此外，耗散的能量产生的热还会进一步加速电池的老化。
主动均衡方案是利用能量转移原理，将失配的能量从不需要的电池中转移到需要的电池中，这类方法的传输效率，均衡速度都有很大优势。
对于传统的电池均衡器，无论是能量耗散还是转移，都需要大量的电流或电压传感器来观测电池状态，当串联的电池组数量很多时，传感器数量也随之增加，系统的成本，体积和复杂度都将大大增加。基于此，一些学者提出了一些无需传感器的均衡器方案，这类均衡方案通过固定的运行状态也能实现电池单体间的电压均衡。
如图1所示，以图1中现有的两种无传感器的均衡器方案为例进行分析，例1-2分别出自于以下论文：
[例1]Y.Shang,B.Xia,C.Zhang,N.Cui,J.Yang and C.C.Mi,"An AutomaticEqualizer Based on Forward–Flyback Converter for Series-Connected BatteryStrings,"IEEE Trans.Ind.Electron.,vol.64,no.7,pp.5380-5391,July 2017.
[例2]F.Liu et al.,"Single-magnetic equaliser without any sensors forseries-connected battery strings,"IET Power Electron.,vol.12,no.9,pp.2312-2320,78 2019.
经过发明人分析和实验可知，例1是一种基于正反激变换器的电池均衡器，这种均衡器利用一组占空比固定50％的互补驱动信号驱动MOSFET，利用变压器励磁电感来实现能量传输。但是漏感电流会在开关关断时强制降为零，这就使得开关应力上升，而且漏感中的能量无法得到利用，对能量传输效率有影响。
例2是一种基于绕组优化的电池均衡器，这种均衡器两个相邻绕组间共享一个变压器绕组，使得均衡器绕组数量降低，而且漏感电流时刻存在续流回路，相对来说损耗更低。其工作原理与例1类似，也是利用一组占空比固定50％的互补驱动信号驱动MOSFET，利用变压器励磁电感来实现能量传输。但是，例2的电池均衡器对参数一致性依赖较高，变压器设计困难度较高，电压应力为电池电压的2倍，开关损耗较高。
这两种都是无传感器的均衡器方案，这类现有的均衡器有着一个共同的缺点，就是均衡速度较慢。如下图2，一方面，由于器件本身的限制，在设计时就需要设定一个均衡电流的上限，以免损坏装置，这个电流上限值应该对应着电池间电压差最大的情况下(一般通过串联额外地电阻来限制最大电流，会增加导通损耗)；另一方面，由于没有传感器，均衡电流不受控，只取决于当前电池间的电压差(均衡电流随电压差降低而降低，无法时刻保持最大传输速度，导致均衡速度慢)。总的来说，就是均衡速度慢和均衡效率低。
因此，亟需设计一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，在实现自动均压功能的同时能够实现自动功率限制功能，以提高能量传输效率和传输速度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述背景技术提及的缺陷，本发明设计了一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，其基于改进后的LLC谐振变换器结构和多绕组变压器来完成电池均衡功能，并通过钳位二极管自动限制传输功率，间接实现最大电流限制，无需增加额外电阻来限制最大电流，降低了导通损耗，并在在一段电压差范围内(处于功率限制的情况下)均能保持最大传输电流，通过优化电流和电压差的关系曲线使得均衡速度得到有效提高。此外，该电路设计为拓扑结构，每个端口的电路结构完全一致，其结合多绕组变压器后能实现多端口的能量交互和端口的自由拓展，特别适合于三端口以上情况的电池均衡器领域。
(二)技术方案
本发明公开了一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，所述电池均衡器基于一个多绕组变压器实现能量传输，电池组中需进行均衡功能每个电池与一个均衡电路连接，各个均衡电路的电路结构和参数完全一致；每个均衡电路包括两个谐振电容Ci1和Ci2、两个钳位二极管Di1和Di2、两个NMOS管Si1和Si2、一个电感Li、以及一个变压器绕组，电池的正极分别连接到Di1的阴极、Ci1的一端以及Si1的漏极，电池的负极分别连接到Di2的阳极、Ci2的一端以及Si2的源极，Di1与Ci1相互并联，Di2与Ci2相互并联，Ci1的另一端与变压器绕组的一端以及Ci2的另一端连接，Si1的源极与Si2的漏极以及电感Li的一端连接，电感Li的另一端与变压器绕组的另一端连接。其中，各个均衡电路中变压器绕组的同名端方向一致且线圈匝数相同，且每个均衡电路的两个NMOS管Si1和Si2的栅极都分别采用一对占空比固定为40％～50％的互补驱动信号PWM+和PWM-进行驱动，驱动信号PWM+和PWM-之外的其余部分为死区。
进一步的，所述的NMOS管的类型都为增强型NMOS管，所述死区的总占空比在2％以上。
进一步的，电池组中电池的数量为三个，三个电池电压从高到低对应的变压器绕组为T1～T3，其中T1为多绕组变压器的原边，T2～T3为多绕组变压器的副边。
进一步的，电池组中电池的数量为三个，三个电池电压从高到低对应的变压器绕组为T1～T3，其中T1～T2为多绕组变压器的原边，T3为多绕组变压器的副边。
进一步的，互补驱动信号具体为一对带有固定死区7.5％，占空比都为42.5％的互补驱动信号PWM+和PWM-。
进一步的，所述电池均衡器为三端口以上的网络结构。
进一步的，所述电池的类型为动力电池，电池组中电池的数量在2个以上。
(三)有益效果
1.软开关：部分开关可以实现零电流开关，部分开关可以实现零电压开关，大大降低了开关损耗，第一次提高了传输效率。
2.自动电流限制：通过钳位二极管自动限制传输功率，间接实现最大电流限制，不需要增加额外电阻来限制最大电流，降低了导通损耗，第二次提高了传输效率。
3.优化电流曲线：该均衡器在一段电压差范围内均能实现最大传输电流，意味着均衡速度得到有效提高，如图3所示，串联电池的能量均衡是一个长期过程，会从电池间电压差较高慢慢收敛到电压差基本为零，本发明所提出的方案无论在哪种电压差情况下(尤其是在功率限制情况下该优点更明显)，均衡电流都高于传统无传感器均衡器，所以可以实现更快速的均衡。
4.可拓展性强：由于电池均衡器领域是往往为三端口以上的情况，本发明的电池均衡器为拓扑结构，通过漏感和谐振电容实现能量传输，通过电容并联的二极管实现自动功率限制，每个端口的电路结构完全一致，能通过根据需求自由选择绕组是原边还是副边，从而能很好地实现多端口之间的能量交互，且还能够根据电池串联个数的实际情况对系统进行自由拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图进行简单地介绍：
图1为现有技术中的两种无传感器的均衡器方案电路结构图，图1中的左图为例1中的电路结构，右图为例2中的电路结构。
图2为现有技术中的无传感器均衡器电压差与传输功率的关系曲线图。
图3为本发明中电池均衡器的电压差与传输功率的关系曲线图。
图4为本发明所提出的带有自动功率限制功能的电池均衡器的拓扑结构图。
图5为本发明中电池均衡器的正常运行模式的波形图。
图6为本发明中电池均衡器的正常运行模式的模态图，其中包含模态1-4的运行图。
图7为本发明中电池均衡器的功率限制模式的波形图
图8为本发明中电池均衡器的功率限制模式的模态图，其中包含模态1-4的运行图。
图9为本发明电池均衡器面向包含三个电池的电池组的电路图。
图10为应用实施例中的样机实例图。
图11为应用实施例中的三个端口的谐振电流波形图。
图12为应用实施例中的正常运行模式下电池B1对应的部分波形图。
图13为应用实施例中的功率限制模式下电池B1对应的部分波形图。
图14为应用实施例中的开关器件的电压应力情况波形图。
图15为本发明电池均衡器在电池组静置情况下的一种验证波形图。
图16为本发明电池均衡器在电池组充电情况下的一种验证波形图。
具体实施方式
为使本发明的目的、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的一部分实施例，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的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。
如图4所示，本发明提供一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，其基于一个多绕组变压器实现能量传输，以三组为例，图4中的绕组T1～T3根据实际情况自动定义为原边或者副边，同名端方向一致，如果如本发明的图6、8、11中设置T1为原边，T2～T3为副边的话，则表示电池B1向电池B2和B3充电。此外，也可选择T1～T2为原边，T3为副边，此时则表示电池B1和B2向电池B3充电，以实现能量均衡效果；当然，不同电池间电压关系组合有很多，本领域技术人员可根据不同电压关系自动定义原副边。
对每个电池来说，需要两个MOSFET构成的半桥结构，以与电池B1连接的均衡电路为例，该均衡电路包括两个谐振电容C11和C12，两个钳位二极管D11和D12，两个NMOS管S11和S12，一个电感L1，以及一个变压器绕组T1，电池B1的正极分别连接到D11的阴极、C11的一端以及S11的漏极，电池B1的负极分别连接到D12的阳极、C12的一端以及S12的源极，D11与C11相互并联，D12与C12相互并联，C11的另一端与变压器绕组T1的一端以及C12的另一端连接，S11的源极与S12的漏极以及电感L1的一端连接，电感L1的另一端与变压器绕组T1的另一端连接；其中，每个均衡电路的绕组T1～Tn是同名端方向一致且线圈匝数相同，且每个均衡电路的两个NMOS管S11和S12的栅极都分别采用一对占空比固定为40％～50％的互补驱动信号PWM+和PWM-进行驱动，PWM+和PWM-之外的其余部分为死区。
需要指出的是，上述所有的NMOS管中，上桥臂由PWM+驱动，下桥臂由PWM-驱动，两个驱动信号互补开通，开通时间各自基本为谐振腔谐振周期的一半，同时，需带有一定时间的死区。谐振频率为
Figure BDA0002727498430000091
谐振腔的电感L和电容C实际是变压器绕组的漏感Lm的电感和两个谐振电容C11和C12等效为的一个并联电容。通过设计好绕组后，能量能够自动从电压较高的电池传输至电压较低的电池。此外，零电流开关是通过谐振腔实现，零电压开关是通过励磁电流在死区内给MOSFET的体二极管续流实现的。
优选地，所述NMOS管都为增强型NMOS管。
优选地，串联的电池的数量为三个，即B1～B3，电池电压从高到低对应的变压器绕组为T1～T3，其中T1为原边，T2～T3为副边；当然，也可选择T1～T2为原边，T3为副边，此外，死区总的占空比至少为2％以上(即PWM+/PWM-的死区占空比各自为1％以上)，以使得电路具备充分的时间进行复位和功率限制。
需要指出的是，各个均衡电路的电路结构和元器件的参数是完全一致的，由于动力电池组中电池的个数一般为几十上百个，故本领域技术人员也完全可以根据电池串联个数的实际情况，选择将三绕组变压器拓展为具备更多绕组的变压器，使得每个电池都因连接均衡电路而具备均衡功能，从而实现更多电池的能量均衡。此外，该电池也可以是储能电池。
为充分阐释本发明电池均衡器的优点，以下将以三个串联电池为例，进行电池均衡器正常运行模式和功率限制模式的运行模态分析：
具体运行如下：
1.正常运行模式，其波形如图5所示，模态图如图6所示；
模态1[t0-t1]，PWM+为正，桥臂上管开通，每一路的谐振电流从零或接近零开始上升，实现零电流开通。该过程中，因为有励磁电流存在，一般是电压最高的电池对应的谐振电流从零开始上升，其他电池的谐振电流从接近零开始上升。
模态2～3[t1-t3]，此时PWM+和PWM-都不工作，处于所有NMOS管关断的死区，此时由于励磁电流存在，部分开关的体二极管会自动续流，为下管的零电压开通做准备，这个阶段的模态3的时间t2-t3内，NMOS管的结电容会与谐振电感发生轻微谐振。
模态4[t3-t4]，PWM-为正，桥臂下管开通，谐振腔重新开始谐振，此模态内的电流电压变化与模态1类似，方向相反。
图5中，i1～i3分别为流过电感L1～L3的电流，iM为原边漏感Lm的电流，iB1为电池B1处的电流，us11～us32分别为NMOS管S11～S32的电压。
2.功率限制模式，其波形如图7所示，模态图如图8所示；
该模式下触发信号与正常模式下是一样的，但是因为电池B1本身触发了功率限制，所以该电路此时的一个周期内需分为六个模态进行分析：即模态1[t0-t1]、模态2[t1-t2]、模态3[t2-t3]、模态4[t3-t4]、模态5[t4-t5]、模态6[t5-t6]，其中模态1-2的PWM+为正，模态5-6的PWM-为正，模态2-3为死区。
其中，功率限制模式下的模态1[t0-t1]、模态4[t3-t5]、模态5[t4-t5]，的电流电压变化分别与正常模式的模态1[t0-t1]、模态3[t2-t5]、模态4[t3-t4]分析类似，都是谐振腔自由谐振和死区内自由续流，故此处不赘，且考虑到功率限制模式下的模态6与模态2状态相似(模态6也是电池B1超限但是触发信号更换为PWM-)，因此图8中只给出了模态1-4，没有附上多余的模态5-6的运行图。以下针对发生功率超限情况下的模态2-3进行重点分析。
模态2[t1-t2]，这个模态是自动功率限制的关键，假设电池B1触发功率限制，当谐振电容C11电压降至零后，并联的二极管导通。此时，电池B1被二极管D11旁路不再接入均衡器，不再有能量从电池B1流出。即自动功率限制就实现了，波形如图7[t1-t2]所示。
模态3[t2-t3]，在此模态内，所有开关都关断，但是由于模态2中功率限制的原因，在t2时刻谐振电流i1未降为零，因此相比于正常运行模式会存在此模态3，未归零的电流i1会自动通过NMOS管的体二极管续流，不影响均衡器正常运行和功能。
此模式下，电池B1被限制的最大功率Pmax_disc等于谐振电容C放出的功率。
Figure BDA0002727498430000111
其中，Ts为开关周期，U1为电池B1的电压。
对无传感器均衡器来说，电压最高电池的放电电流可近似表示为
Figure BDA0002727498430000121
其中，K为功率传输系数，与具体电路结构有关，Ud表示电压最高电池与低电压电池的电压差，R为电路电阻。本发明的正常运行模式也一样，可用本式近似表示。对于没有功率限制能力的无传感器均衡器而言，其电流和电压差关系为一条直线(可通过改变R值改变斜率)，如图2，直线末端电流值需小于设计最大电流。而存在功率限制功能后，可以将R值改小，增大直线的斜率，同时设计合理的谐振电容值
Figure BDA0002727498430000122
来限制最大功率限制值，可以看到，这个约束与电压差无关(水平线)，优化后的关系曲线变为图3所示。此时，无论哪种电压差关系，本发明的均衡电流都大于传统无传感器均衡器，即对相同电池而言从任何不平衡的电压情况开始均衡时，本发明所提出方案在相同时间内能转移更多的能量，实现更快速的均衡。
针对上述设计，本发明在另外一个实施例中还进行了硬件实验测试，本发明的一种面向包含三个电池单体的电池组的样机电路图如图9所示，该样机为三个电池单体的能量均衡而设计，主要用于验证电路拓扑的可行性。
该样机由控制器产生一对带有固定死区7.5％，占空比为42.5％的互补驱动信号PWM+和PWM-，MOSFET Si1(i＝1,2,3)由PWM+驱动，MOSFET Si2由PWM+驱动。基于此开关频率，谐振腔谐振频率设置为106kHz。
研制的均衡器样机及实验平台如图10所示，通过示波器查看均衡器性能指标与均衡过程。
图11是三个端口对应谐振腔的谐振电流，可以看到，在开关开通与关断时，电流都接近零，且能量自动由高压电池向低压电池传输。
图12是正常运行模式下电池B1对应的部分波形，此时钳位二极管不导通，电池B1保持接入电路，此时，均衡电流有效值随着电池间电压差变化而变化。
图13是功率限制模式下电池B1对应的部分波形，此时钳位二极管会在功率限制触发后导通，此时电池B1被旁路，注入电池B1的能量被钳位于
Figure BDA0002727498430000131
不会随电压差扩大而继续增加。
图14是开关器件的电压应力情况，可以看到，电池B2和B3对应的MOSFET能实现零电压开关，而电池B1对应的MOSFET的电压应力在开通前也有所下降，开关损耗大大降低。
图15是本发明的一种验证波形图(电池组静置时，电压差随着均衡器的运行逐渐收敛到零)。
图16是本发明的一种验证波形图(电池组充电时，电压差随着均衡器的运行逐渐收敛到零)。
由此可知，本发明中能进行功率限制的电路结构和带死区的开环控制方式能使得该均衡器在一段电压差范围内均能实现最大传输电流，意味着均衡速度能得到有效的提高，串联电池的能量均衡是一个长期过程，会从电池间电压差较高慢慢收敛到电压差基本为零，本发明所提出的方案无论在哪种电池电压差情况下均衡电流都高于传统无传感器均衡器，所以可以实现更快速的自动均衡，故该电路特别适用于电池均衡器领域。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，所述电池均衡器基于一个多绕组变压器实现能量传输，电池组中需进行均衡功能每个电池与一个均衡电路连接，各个均衡电路的电路结构和参数完全一致；每个均衡电路包括两个谐振电容Ci1和Ci2、两个钳位二极管Di1和Di2、两个NMOS管Si1和Si2、一个电感Li、以及一个变压器绕组，电池的正极分别连接到Di1的阴极、Ci1的一端以及Si1的漏极，所述电池的负极分别连接到Di2的阳极、Ci2的一端以及Si2的源极，Di1与Ci1相互并联，Di2与Ci2相互并联，Ci1的另一端与变压器绕组的一端以及Ci2的另一端连接，Si1的源极与Si2的漏极以及电感Li的一端连接，电感Li的另一端与变压器绕组的另一端连接。其中，各个均衡电路中变压器绕组的同名端方向一致且线圈匝数相同，且每个均衡电路的两个NMOS管Si1和Si2的栅极都分别采用一对占空比固定为40％～50％的互补驱动信号PWM+和PWM-进行驱动，驱动信号PWM+和PWM-之外的其余部分为死区。
2.根据权利要求1所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，所述的NMOS管的类型都为增强型NMOS管，所述死区的总占空比在2％以上。
3.根据权利要求1所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，电池组中电池的数量为三个，三个电池电压从高到低对应的变压器绕组依次为T1～T3，其中T1为多绕组变压器的原边，T2～T3为多绕组变压器的副边。
4.根据权利要求1所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，电池组中电池的数量为三个，三个电池电压从高到低对应的变压器绕组依次为T1～T3，其中T1～T2为多绕组变压器的原边，T3为多绕组变压器的副边。
5.根据权利要求3或4所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，互补驱动信号具体为一对带有固定死区7.5％，占空比都为42.5％的互补驱动信号PWM+和PWM-。
6.根据权利要求1所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，所述电池均衡器具体三端口以上的网络结构。
7.根据权利要求1所述的带有自动功率限制功能的电池均衡器，其特征在于，所述电池的类型为动力电池，电池组中电池的数量在2个以上。
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