CN112636438B - 一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法，包括两节串联电池组、升压电感、升压电路、输出滤波电路、输出电压控制器、电池组均衡放电控制器和PWM发生器；所述两节串联电池组、升压电感、升压电路以及输出滤波电路依次电性连接进行存储、升压、滤波，并通过输出电压控制器、电池组均衡放电控制器以及PWM发生器进行控制。本发明实现了两节串联电池组的升压功能，且在放电过程保证每节电池组能够均衡放电，保证每节电池组端电压相等，从而延长了电池组的使用寿命。

Description

一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电能变换装置中的非隔离直流变换技术领域，具体涉及一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法。
背景技术
在电池供电或以电池为后备等供电系统之中，常需要利用升压变换器将较低电池电压升高到满足用电设备要求的高压。例如，在新能源发电系统中利用电池组和升压变换器来调节系统功率平衡等。现在市场上常用的电池，比如有4.2V、6V、12V、24V等一系列标准的锂电池或蓄电池模块。为了提高电池输出电压和容量，通常会将多个电池串联连接，组成串联电池组。在电池串联连接应用中，由于每节电池很难保证各项参数一致，在充放电的过程中就会出现个体差异，主要体现在每节电池端电压不一致，即在电池组充电或放电过程中都可能出现某节或几节电池先充满电（通常其端电压高于其他电池端电压）或先放完电（通常其端电压小于其他电池端电压）。因此，在充电过程中先充满电的电池将会出现过充，在放电过程中先放完电的电池将会出现过放。这都将严重缩短电池组的使用寿命。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法，实现了两节串联电池组的升压功能，且在放电过程保证每节电池组能够均衡放电，保证每节电池组端电压相等，从而延长了电池组的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：本发明的一种两节串联电池组升压型均衡放电电路，其创新点在于：包括两节串联电池组、升压电感、升压电路、输出滤波电路、输出电压控制器、电池组均衡放电控制器和PWM发生器；所述两节串联电池组、升压电感、升压电路以及输出滤波电路依次电性连接进行存储、升压、滤波，并通过输出电压控制器、电池组均衡放电控制器以及PWM发生器进行控制；所述输出电压控制器控制输出电压等于设定值，且所述电池组均衡放电控制器控制两节串联电池组均衡放电；
所述两节串联电池组包括电池Bat1和电池Bat2，且所述升压电感包括升压电感L1和升压电感L2；所述电池Bat1的负极与所述电池Bat2的正极相连接，所述电池Bat1的正极与所述升压电感L1的一端相连接，且所述电池Bat2的负极与所述升压电感L2的一端相连接；
所述升压电路包括续流二极管D1、功率开关管S1、续流二极管D2、功率开关管S2、续流二极管D3和续流二极管D4；所述升压电感L1的另一端分别与所述功率开关管S1的漏极、续流二极管D1的阳极以及续流二极管D2的阴极相连接，且所述升压电感L2的另一端分别与所述功率开关管S2的源极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极相连接，所述电池Bat1的负极分别与所述功率开关管S1的源极、续流二极管D2的阳极、功率开关管S2的漏极以及续流二极管D3的阴极相连接；
所述输出滤波电路包括滤波电容C；滤波电容C的正极与所述续流二极管D1的阴极相连接，且所述滤波电容C的负极与所述续流二极管D4的阳极相连接；
所述输出电压控制器包括电压环调节器I和电流环调节器I；所述滤波电容C的正极与所述电压环调节器I的输入端相连接，且所述电压环调节器I的输出端以及升压电感L1的电流iL1分别与所述电流环调节器I的输入端相连接；
所述电池组均衡放电控制器包括差分器I、差分器II、电压环调节器II和电流环调节器II；所述电池Bat2的正极以及所述电池Bat2的负极分别与所述差分器I的输入端相连接，且所述电池Bat1的正极以及所述电池Bat2的负极分别与所述差分器II的输入端相连接；所述差分器I的输出端以及所述差分器II的输出端分别与所述电压环调节器II的输入端相连接，且所述电压环调节器II的输出端、电压环调节器I的输出端以及升压电感L2的电流iL2分别与所述电流环调节器II的输入端相连接；
所述PWM发生器包括比较器I、比较器II和三角波Utr；所述电流环调节器I的输出端与所述比较器I的输入端相连接，且所述电流环调节器II的输出端与所述比较器II的输入端相连接，所述三角波Utr的输入端分别与所述比较器I的输入端以及所述比较器II的输入端相连接；所述比较器I的输出端与所述功率开关管S1的栅极相连接，且所述比较器II的输出端与所述功率开关管S2的栅极相连接。
本发明的一种两节串联电池组升压型均衡放电电路的控制方法，其创新点在于包括以下步骤：
步骤一：滤波电容C端输出电压Uout的参考值Uref和滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环调节器I进行输出电压调节后，输出控制信号Ue1；
步骤二：控制信号Ue1作为电流环调节器I中的升压电感L1的电流iL1反馈信号参考值和升压电感L1的电流iL1反馈信号的差值经电流环调节器I进行输出电流调节后，输出控制信号Ue2；
步骤三：电池Bat2的电压Ubat2的参考值为（Ubat2+Ubat1）/2，然后电池Bat2的电压Ubat2的参考值和电池Bat2的电压Ubat2的差值经电压环调节器II进行输出电压调节后，输出控制信号Ue3；
步骤四：控制信号Ue3和控制信号Ue1的差值Ue4作为电流环调节器II中的升压电感L2的电流iL2反馈信号参考值和升压电感L2的电流iL2反馈信号的差值经电流环调节器II进行输出电流调节后，输出控制信号Ue5；
步骤五：控制信号Ue2送入比较器I，生成驱动信号Ugs1来驱动功率开关管S1；控制信号Ue5送入比较器II，生成驱动信号Ugs2来驱动功率开关管S2。
本发明的有益效果：本发明实现了两节串联电池组的升压功能，且在放电过程保证每节电池组能够均衡放电，保证每节电池组端电压相等，从而延长了电池组的使用寿命。
附图说明
为了更清晰地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法的电气原理图。
图2为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时主要工作波形图。
图3是本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时模态1、模态5等效电路图。
图4为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时模态2、模态4等效电路图。
图5为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时模态3等效电路图。
图6为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat2的电压Ubat2大于电池Bat1的电压Ubat1时主要工作波形图。
图7为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法的仿真电路图。
图8为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时输出电压Uo、电池Bat1的电压Ubat1和电池Bat2的电压Ubat2的仿真图。
图9为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2时升压电感L1和升压电感L2的电流iL1和iL2、功率开关管S1和功率开关管S2的驱动Ugs1和Ugs2的仿真图。
图10为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat2的电压Ubat2大于电池Bat1的电压Ubat1时输出电压Uo、电池Bat1的电压Ubat1和电池Bat2的电压Ubat2的仿真图。
图11为本发明一种两节串联电池组升压型均衡放电电路及控制方法中电池Bat2的电压Ubat2大于电池Bat1的电压Ubat1时升压电感L1和升压电感L2的电流iL1和iL2、功率开关管S1和功率开关管S2的驱动Ugs1和Ugs2的仿真图。
其中，1-两节串联电池组；2-升压电感；3-升压电路；4-输出滤波电路；5-输出电压控制器；6-电池组均衡放电控制器；7-PWM发生器。
具体实施方式
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明的一种两节串联电池组升压型均衡放电电路，包括两节串联电池组1、升压电感2、升压电路3、输出滤波电路4、输出电压控制器5、电池组均衡放电控制器6和PWM发生器7；具体如图1所示，两节串联电池组1、升压电感2、升压电路3以及输出滤波电路4依次电性连接进行存储、升压、滤波，并通过输出电压控制器5、电池组均衡放电控制器6以及PWM发生器7进行控制；其中，输出电压控制器5控制输出电压等于设定值，且电池组均衡放电控制器6控制两节串联电池组1均衡放电，使端电压高的电池组放电电流大于端电压低电池组放电电流，从而使得每节电池组端电压相等。
本发明中两节串联电池组1包括电池Bat1和电池Bat2，且升压电感2包括升压电感L1和升压电感L2；如图1所示，电池Bat1的负极与电池Bat2的正极相连接，电池Bat1的正极与升压电感L1的一端相连接，且电池Bat2的负极与升压电感L2的一端相连接。
如图1所示，升压电路3包括续流二极管D1、功率开关管S1、续流二极管D2、功率开关管S2、续流二极管D3和续流二极管D4；升压电感L1的另一端分别与功率开关管S1的漏极、续流二极管D1的阳极以及续流二极管D2的阴极相连接，且升压电感L2的另一端分别与功率开关管S2的源极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极相连接，电池Bat1的负极分别与功率开关管S1的源极、续流二极管D2的阳极、功率开关管S2的漏极以及续流二极管D3的阴极相连接。
输出滤波电路4包括滤波电容C；如图1所示，滤波电容C的正极与续流二极管D1的阴极相连接，且滤波电容C的负极与续流二极管D4的阳极相连接。
输出电压控制器5包括电压环调节器I和电流环调节器I；如图1所示，滤波电容C的正极与电压环调节器I的输入端相连接，且滤波电容C端输出电压Uout的参考值Uref和滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环调节器I进行输出电压调节后，输出控制信号Ue1；电压环调节器I的输出端以及升压电感L1的电流iL1分别与电流环调节器I的输入端相连接，且控制信号Ue1作为电流环调节器I中的升压电感L1的电流iL1反馈信号参考值和升压电感L1的电流iL1反馈信号的差值经电流环调节器I进行输出电流调节后，输出控制信号Ue2。
本发明中电池组均衡放电控制器6包括差分器I、差分器II、电压环调节器II和电流环调节器II；如图1所示，电池Bat2的正极以及电池Bat2的负极分别与差分器I的输入端相连接，且电池Bat1的正极以及电池Bat2的负极分别与差分器II的输入端相连接；差分器I的输出端以及差分器II的输出端分别与电压环调节器II的输入端相连接，且电压环调节器II的输出端、电压环调节器I的输出端以及升压电感L2的电流iL2分别与电流环调节器II的输入端相连接；电池Bat2的电压Ubat2的参考值为（Ubat2+Ubat1）/2，且电池Bat2的电压Ubat2的参考值和电池Bat2的电压Ubat2的差值经电压环调节器II进行输出电压调节后，输出控制信号Ue3；控制信号Ue3和控制信号Ue1的差值Ue4作为电流环调节器II中的升压电感L2的电流iL2反馈信号参考值和升压电感L2的电流iL2反馈信号的差值经电流环调节器II进行输出电流调节后，输出控制信号Ue5。
PWM发生器7包括比较器I、比较器II和三角波Utr；如图1所示，电流环调节器I的输出端与比较器I的输入端相连接，且电流环调节器II的输出端与比较器II的输入端相连接，三角波Utr的输入端分别与比较器I的输入端以及比较器II的输入端相连接；比较器I的输出端与功率开关管S1的栅极相连接，且比较器II的输出端与功率开关管S2的栅极相连接。控制信号Ue2送入比较器I，生成驱动信号Ugs1来驱动功率开关管S1；控制信号Ue5送入比较器II，生成驱动信号Ugs2来驱动功率开关管S2。
如图2~6所示，以电池Bat1电压Ubat1大于电池Bat2电压Ubat2来详细说明本发明的工作原理；而电池Bat2电压Ubat2大于电池Bat1电压Ubat1的工作原理在此忽略。具体描述如下：
模态1: 0<t<t1（功率开关管S1、功率开关管S2同时导通）
如图2、图3所示，在该时间段内，功率开关管S1、功率开关管S2同时导通，加在升压电感L1和升压电感L2上的电压分别等于电池Bat1和电池Bat2的电压Ubat1、Ubat2，在它们作用下升压电感L1和升压电感L2的电流iL1和iL2线性增加，直到t1时刻关断功率开关管S2为止。
模态2: t1<t<t2（功率开关管S1继续导通，功率开关管S2关断）
如图2、图4所示，在t1时刻关断功率开关管S2，升压电感L1的电流iL1在电池Bat1的电压Ubat1作用下继续通过功率开关管S1继续增加；由于电感电流不能突变，所以升压电感L2的电流iL2通过续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D4续流，并在电压（Uout-Ubat2）作用线性下降。
模态3: t2<t<t3（第一功率开关管S1关断，第二功率开关管S2关断）
如图2、图5所示，在t2时刻关断功率开关管S1，由于电池Bat1的电压Ubat1大于电池Bat2的电压Ubat2，所以在t2时刻升压电感L1的电流iL1大于升压电感L2的电流iL2；由于功率开关管S1和功率开关管S2全关断，所以升压电感L1的电流iL1通过续流二极管D1和续流二极管D4继续续流，同时升压电感L1的电流iL1大于升压电感L2的电流iL2，那么多余部分电流（iL1-iL2）通过续流二极管D3续流；由于续流二极管D3导通，所以加在升压电感L2的电压等于Ubat2，在该电压作用下升压电感L2的电流iL2线性增加；而加在升压电感L1的电压等于(Uout-Ubat1)，在该电压作用下升压电感L1的电流iL1线性下降。
模态4: t3<t<t4（功率开关管S1导通，功率开关管S2关断）
如图2、图4所示，在t3时刻开通功率开关管S1，加在升压电感L1上的电压等于电池Bat1的电压Ubat1，在该电压作用下升压电感L1的电流iL1开始线性增加；升压电感L2的电流iL2开始通过续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D4续流，并在电压（Uo-Ubat2）作用线性下降。
模态5: t4<t<t5（功率开关管S1、功率开关管S2导通）
如图3所示，在t4时刻开通功率开关管S2，功率开关管S1、功率开关管S2同时导通，进入模态1状态，开始进入下一个工作周期。
如图7~11所示，对本发明进行仿真验证，且仿真实验的仿真参数如下：功率开关管S1和功率开关管S2的开关频率均为25kHz，升压电感L1的电感量和升压电感L2的电感量分别为150μH，滤波电容C为4700μF，负载Rload为2Ω；电池Bat1和电池Bat2分别用12V电源，等效内阻用Req1、Req2来表示（用内阻不同模拟电池容量大小：每节电池容量不同，即电池容量大容量小，反之电池容量大）；输出电压Uout被控制在48V。
其中，图8、图9给出了等效内阻Req1=0.01Ω，Req2=0.02Ω时仿真结果；图10、图11给出了等效内阻Req1=0.02Ω，Req2=0.015Ω时仿真结果。
如图8、图9所示，由于等效内阻Req1=0.01Ω，Req2=0.02Ω，所以如果电池Bat1和电池Bat2以相同电流放电时，那么电池Bat1端电压Ubat1必然大于电池Bat2端电压Ubat2；为了实现两节串联电池组1均衡放电，即放电过程中让电池Bat1端电压Ubat1等于电池Bat2端电压Ubat2，所以电池Bat1放电电流iL1要大于电池Bat2放电电流iL2；因此，功率开关管S1的导通时间大于功率开关管S2导通时间；在图8、图9中iL1大于iL2，Ugs1宽度大于Ugs2宽度，电池Bat1端电压Ubat1等于电池Bat2端电压Ubat2，输出电压Uout等于48V；显然仿真结果和分析是一致的。
如图10、图11所示，由于等效内阻Req1=0.02Ω，Req2=0.015Ω，所以如果电池Bat1和电池Bat2以相同电流放电时，那么电池Bat2端电压Ubat2必然大于电池Bat1端电压Ubat1；为了实现两节串联电池组1均衡放电，即放电过程中让电池Bat1端电压Ubat1等于电池Bat2端电压Ubat2，所以电池Bat2放电电流iL2要大于电池Bat1放电电流iL1。因此，功率开关管S2的导通时间大于功率开关管S1导通时间。在图10、图11中iL1小于iL2，Ugs1宽度小于Ugs2宽度，电池Bat1端电压Ubat1等于电池Bat2端电压Ubat2，输出电压Uout等于48V。显然仿真结果和分析是一致的。
上述仿真结果表明：本发明能够很好地实现升压和串联电池组中每节电池组均衡放电的目的，从而保证每节电池端电压相等。
本发明的有益效果：本发明实现了两节串联电池组1的升压功能，且在放电过程保证每节电池组能够均衡放电，保证每节电池组端电压相等，从而延长了电池组的使用寿命。
上面所述的实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进均应落入本发明的保护范围，本发明的请求保护的技术内容，已经全部记载在技术要求书中。

Claims (2)

1.一种两节串联电池组升压型均衡放电电路，其特征在于：包括两节串联电池组、升压电感、升压电路、输出滤波电路、输出电压控制器、电池组均衡放电控制器和PWM发生器；所述两节串联电池组、升压电感、升压电路以及输出滤波电路依次电性连接进行存储、升压、滤波，并通过输出电压控制器、电池组均衡放电控制器以及PWM发生器进行控制；所述输出电压控制器控制输出电压等于设定值，且所述电池组均衡放电控制器控制两节串联电池组均衡放电；
所述两节串联电池组包括电池Bat1和电池Bat2，且所述升压电感包括升压电感L1和升压电感L2；所述电池Bat1的负极与所述电池Bat2的正极相连接，所述电池Bat1的正极与所述升压电感L1的一端相连接，且所述电池Bat2的负极与所述升压电感L2的一端相连接；
所述升压电路包括续流二极管D1、功率开关管S1、续流二极管D2、功率开关管S2、续流二极管D3和续流二极管D4；所述升压电感L1的另一端分别与所述功率开关管S1的漏极、续流二极管D1的阳极以及续流二极管D2的阴极相连接，且所述升压电感L2的另一端分别与所述功率开关管S2的源极、续流二极管D3的阳极以及续流二极管D4的阴极相连接，所述电池Bat1的负极分别与所述功率开关管S1的源极、续流二极管D2的阳极、功率开关管S2的漏极以及续流二极管D3的阴极相连接；
所述输出滤波电路包括滤波电容C；滤波电容C的正极与所述续流二极管D1的阴极相连接，且所述滤波电容C的负极与所述续流二极管D4的阳极相连接；
所述输出电压控制器包括电压环调节器I和电流环调节器I；所述滤波电容C的正极与所述电压环调节器I的输入端相连接，且所述电压环调节器I的输出端以及升压电感L1的电流iL1分别与所述电流环调节器I的输入端相连接；
所述电池组均衡放电控制器包括差分器I、差分器II、电压环调节器II和电流环调节器II；所述电池Bat2的正极以及所述电池Bat2的负极分别与所述差分器I的输入端相连接，且所述电池Bat1的正极以及所述电池Bat2的负极分别与所述差分器II的输入端相连接；所述差分器I的输出端以及所述差分器II的输出端分别与所述电压环调节器II的输入端相连接，且所述电压环调节器II的输出端、电压环调节器I的输出端以及升压电感L2的电流iL2分别与所述电流环调节器II的输入端相连接；
所述PWM发生器包括比较器I、比较器II和三角波Utr；所述电流环调节器I的输出端与所述比较器I的输入端相连接，且所述电流环调节器II的输出端与所述比较器II的输入端相连接，所述三角波Utr的输入端分别与所述比较器I的输入端以及所述比较器II的输入端相连接；所述比较器I的输出端与所述功率开关管S1的栅极相连接，且所述比较器II的输出端与所述功率开关管S2的栅极相连接。
2.根据权利要求1所述的一种两节串联电池组升压型均衡放电电路的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：滤波电容C端输出电压Uout的参考值Uref和滤波电容C端输出电压Uout的差值经电压环调节器I进行输出电压调节后，输出控制信号Ue1；
步骤二：控制信号Ue1作为电流环调节器I中的升压电感L1的电流iL1反馈信号参考值和升压电感L1的电流iL1反馈信号的差值经电流环调节器I进行输出电流调节后，输出控制信号Ue2；
步骤三：电池Bat2的电压Ubat2的参考值为（Ubat2+Ubat1）/2，然后电池Bat2的电压Ubat2的参考值和电池Bat2的电压Ubat2的差值经电压环调节器II进行输出电压调节后，输出控制信号Ue3；
步骤四：控制信号Ue3和控制信号Ue1的差值Ue4作为电流环调节器II中的升压电感L2的电流iL2反馈信号参考值和升压电感L2的电流iL2反馈信号的差值经电流环调节器II进行输出电流调节后，输出控制信号Ue5；
步骤五：控制信号Ue2送入比较器I，生成驱动信号Ugs1来驱动功率开关管S1；控制信号Ue5送入比较器II，生成驱动信号Ugs2来驱动功率开关管S2。
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