CN112952974B - 基于正反激变换器的混合储能均衡电路及控制方法 - Google Patents

基于正反激变换器的混合储能均衡电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正反激变换器的锂离子电池‑超级电容混合储能系统的均衡电路，包括串联电池组、正激二极管D0、反激消磁二极管网络、N‑MOSFET组成的开关S、超级电容组、多绕组变压器、控制器、开关驱动电路。本发明只需要一个驱动信号用于控制N‑MOSFET开关S，减少了驱动电路的数量；利用变压器与正激二极管D0构成的正激变换器，实现了能量从串联电池组向超级电容组的传递；利用变压器与反激消磁二极管网络构成的反激变换器，同时实现了变压器的消磁和串联电池组的能量均衡。本发明具有控制简单，成本低，易于实现的优点，利用超级电容组作为锂离子电池组与负载之间的缓冲，减少负载突变对锂离子电池组的冲击，有利于延长锂离子电池使用寿命。

Description

基于正反激变换器的混合储能均衡电路及控制方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能均衡电路及控制方法。
背景技术
电动汽车是一种以电能驱动、环保高效的绿色交通工具。锂离子电池组是电动汽车的优秀供能装置。为了满足负载功率、电压的需求，电动汽车的电池组通常需要串并联使用，由此带来了电池组能量不一致问题。此外，电动汽车行驶过程中，由于路面状况复杂，电机作为负载通常在剧烈变化的下运行，频繁变动的负载会增加传统锂离子电池储能系统的负担，缩短锂离子电池的使用寿命，如电动汽车起步或加速时，需要电池提供大电流，而瞬间较大的电流将会减少锂电池的寿命。超级电容的优点是功率密度大、循环寿命长、能够承受多达几十万次的频繁充放电，但其缺点是不能长时间储能。结合该两者的优点有人提出了锂离子电池-超级电容混合储能方案，有效缓解了瞬时大电流对锂离子电池的冲击。利用均衡电路对锂离子电池组的能量进行管理，既能实现锂离子电池为超级电容充电，又能解决锂离子电池组的不一致性，可以有效提高电池组的可用容量以及使用寿命。
中国发明专利(CN201210144266.4)公开一种基于对称多绕组变压器结构的串联电池组均衡电路及应用于该电路的控制方法，利用多绕组变压器实现能量从高电压电池单元向低电压单元的能量直接流动，结构和控制简单，但是需要配置滤波器与限流电阻和磁复位电路，导致电路成本高。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能均衡电路及控制方法。本发明利用正激变换器，实现了能量从锂离子电池组直接向超级电容组传递；利用反激变换器，将励磁电流根据锂离子电池电压高低回收回锂离子电池，实现了变压器磁芯复位的同时，还实现了锂离子电池组能量均衡。
为了实现上述发明的第一个目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统的均衡电路，所述均衡电路包括一个串联电池组、一个多绕组变压器、一个正激二极管D0、一个反激消磁二极管网络、N-MOSFET组成的开关S、一个超级电容组、一个控制器，一个开关驱动电路；
所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次为B1、B2、…、Bi、…、Bn，i＝1、2、…、n；
所述超级电容组由任意数量的超级电容串并联组成；
所述多绕组变压器由n+2个绕组组成，依次为绕组W0、W1、…、Wi、…、Wn、Wn+1；
所述反激消磁二极管网络由n个二极管组成，依次为D1、D2、…、Di、…、Dn；
所述控制器根据用户设定开始均衡信号，输出开关信号至开关驱动电路；
所述开关驱动电路接收来自控制器的开关信号，并放大开关信号，输出至N-MOSFET组成的开关S；
所述N-MOSFET组成的开关S接收来自开关驱动电路的信号，根据信号控制开关S的导通与关断；
所述串联电池组通过反激消磁二极管网络和N-MOSFET组成的开关S与多绕组变压器连接，多绕组变压器通过正激二极管D0与超级电容组连接。
进一步地，所述反激消磁二极管网络由n个二极管组成，依次D1、D2、…、Di、…、Dn；其中，二极管Di的阳极与多绕组变压器的绕组Wi的同名端连接，阴极与电池Bi的正极连接。
进一步地，所述正激二极管D0的阳极与多绕组变压器的绕组W0的异名端连接，所述正激二极管D0的阴极与超级电容组的正极性端连接。
进一步地，所述N-MOSFET组成的开关S包括一个N-MOSFET，其中，N-MOSFET的源极与电池Bn的负极连接，漏极与多绕组变压器的绕组Wn+1的同名端连接。
进一步地，所述多绕组变压器由n+2个绕组组成，依次为绕组W0、W1、…、Wi、…、Wn、Wn+1；其中，绕组W0的同名端与超级电容组负极性端连接，异名端与正激二极管D0阳极连接；绕组Wi的同名端与二极管Di的阳极连接，异名端与电池Bi的负极连接；绕组Wn+1的同名端与开关S的漏极连接，异名端与电池B1的正极连接。
进一步地，所述N-MOSFET组成的开关S导通时，串联电池组通过多绕组变压器的绕组Wn+1放电，正激二极管D0导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W0构成正激变换器，实现能量从串联电池组到超级电容组的传递。
进一步地，所述N-MOSFET组成的开关S关断时，变压器励磁电流通过反激消磁二极管网络续流，二极管D1、D2、…、Di、…、Dn导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn构成反激变换器；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流根据电池B1、B2、…、Bi、…、Bn的电压高低自动分配，电池Bi电压越高，绕组Wi电流越小；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流逐渐减小到0，实现变压器磁芯消磁。
为了实现上述发明的另一个目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能均衡电路的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
S1、当负载需要供电时，由锂离子电池-超级电容混合储能系统的超级电容组直接为负载供电；
S2、当超级电容组的电压下降到阈值电压Vthreshold时，用户输入开始均衡信号，控制器输出开关信号至N-MOSFET组成的开关S，所述N-MOSFET组成的开关S开始周期性的导通与关断，其中，Vthreshold＝VB1+VB2+VB3+VB4；
S3、当超级电容组的电压高于阈值电压Vthreshold时，用户停止输入开始均衡信号，停止控制开关S。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明利用正激变换器可以实现能量直接从锂离子电池组直接向超级电容组传递，损耗小；
(2)利用反激变换器将励磁电流根据锂离子电池电压高低回收回锂离子电池，实现了变压器磁芯复位的同时，还实现了锂离子电池组能量均衡，有效提高了锂离子电池组的有效容量，电路结构简单，成本低；
(3)只需要控制一个开关MOSFET，控制简单。
附图说明
图1是本发明中基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统的均衡电路图；
图2是本发明中基于正反激变换器的适用于4节串联锂离子电池的锂离子电池-超级电容混合储能系统的均衡电路图；
图3是本发明中控制方法的流程图；
图4是电池电压分布为VB1＝4.0V，VB2＝3.97V，VB3＝3.93V，VB4＝3.9V时的电流流动方向，图4(a)为开关S导通时的电流流动方向示意图，图4(b)为开关S关断时的电流流动方向示意图；
图5是对电路进行仿真的电池电压轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
为使本发明实施例的目的、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，对本发明实施例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。
实施例一
图1是一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统的均衡电路，该均衡电路包括一个串联电池组、一个多绕组变压器、一个正激二极管D0、一个反激消磁二极管网络、N-MOSFET组成的开关S、一个超级电容组、一个控制器和一个开关驱动电路；
其中，串联电池组由n个电池单体串联组成，依次为B1、B2、…、Bi、…、Bn，i＝1、2、…、n；。
其中，超级电容组可由任意数量的超级电容串并联组成；
其中，多绕组变压器由n+2个绕组组成，依次为绕组W0、W1、…、Wi、…、Wn、Wn+1；
其中，反激消磁二极管网络由n个二极管组成，依次为D1、D2、…、Di、…、Dn；
其中，控制器根据用户设定开始均衡信号，输出开关信号至开关驱动电路；
其中，开关驱动电路接收来自控制器的开关信号，并放大开关信号，输出至N-MOSFET开关S。
其中，N-MOSFET组成的开关S接收来自开关驱动电路的信号，根据信号控制开关S的导通与关断；
其中，串联电池组通过反激消磁二极管网络和N-MOSFET组成的开关S与多绕组变压器连接，多绕组变压器通过正激二极管D0与超级电容组连接。
其中，反激消磁二极管网络由n个二极管组成，依次D1、D2、…、Di、…、Dn；其中，二极管Di的阳极与多绕组变压器的绕组Wi的同名端连接，阴极与电池Bi的正极连接。反激消磁二极管网络可以实现多绕组变压器的磁芯消磁，防止多绕组变压器的磁芯磁饱和，减少能量损耗。反激消磁二极管网络的各二极管电流大小与串联电池组各电池单体电压大小成反比关系，电池单体电压越高，与该电池单体连接的二极管电流越小，电池单体接收的多绕组变压器磁芯回馈的能量越少，进而实现串联电池组的能量均衡。
其中，正激二极管D0阳极与多绕组变压器的绕组W0的异名端连接，阴极与超级电容组的正极性端连接。正激二极管可以实现能量从多绕组变压器传递到超级电容组，超级电容组储存能量。超级电容组根据外部负载的需要输出能量，实现能量从串联电池组通过超级电容组间接输出，可以减少负载突变对锂离子电池组的冲击，有利于延长锂离子电池的使用寿命。
其中，N-MOSFET组成的开关S包括一个N-MOSFET，其中，N-MOSFET的源极与电池Bn的负极连接，漏极与多绕组变压器的绕组Wn+1的同名端连接。N-MOSFET组成的开关S可以实现能量从串联电池组传递到多绕组变压器。
其中，多绕组变压器由n+2个绕组组成，依次为绕组W0、W1、…、Wi、…、Wn、Wn+1；其中，绕组W0的同名端与超级电容组负极性端连接，异名端与正激二极管D0阳极连接；绕组Wi的同名端与二极管Di的阳极连接，异名端与电池Bi的负极连接；绕组Wn+1的同名端与开关S的漏极连接，异名端与电池B1的正极连接。多绕组变压器接收来自串联电池组的能量，再将能量传递给超级电容组，实现串联电池组与超级电容组之间的能量传递。
其中，开关S导通时，串联电池组通过多绕组变压器的绕组Wn+1放电，正激二极管D0导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W0构成正激变换器，实现能量从串联电池组到超级电容组的传递。
其中，开关S关断时，变压器励磁电流通过反激消磁二极管网络续流，二极管D1、D2、…、Di、…、Dn导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn构成反激变换器；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流根据电池B1、B2、…、Bi、…、Bn的电压高低自动分配，电池Bi电压越高，绕组Wi电流越小；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流逐渐减小到0，实现变压器磁芯消磁。
上述基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统的均衡电路的控制方法包括以下步骤：
S1、当负载需要供电时，由锂离子电池-超级电容混合储能系统的超级电容组直接为负载供电；
S2、当超级电容组的电压下降到阈值电压Vthreshold时，用户输入开始均衡信号，控制器输出开关信号至开关S，开关S开始周期性的导通与关断，其中，Vthreshold＝VB1+VB2+VB3+VB4；
S3、当超级电容组的电压高于阈值电压Vthreshold时，用户停止输入开始均衡信号，停止控制开关S。
实施例二
图2是一种基于正反激变换器的适用于4节串联锂离子电池的锂离子电池-超级电容混合储能均衡电路，1个由4节锂离子电池单体串联组成得到串联电池组，一个6绕组变压器，一个正激二极管D0，一个由4个二极管组成的反激消磁二极管网络，由一个N-MOSFET组成的开关S，一个超级电容组，一个控制器，一个开关驱动电路；
其中，串联电池组由4个电池单体串联组成，依次为B1、B2、B3、B4；
其中，多绕组变压器由6个绕组组成，依次为绕组W0、W1、W2、W3、W4、W5；
其中，反激消磁二极管网络由4个二极管组成，依次为D1、D2、D3、D4；其中，二极管Di的阳极与多绕组变压器的绕组Wi的同名端连接，阴极与电池Bi的正极连接，i＝1、2、3、4。
其中，控制器根据用户设定开始均衡信号，输出开关信号至开关驱动电路；
其中，开关驱动电路接收来自控制器的开关信号，并放大开关信号，输出至N-MOSFET开关S。
其中，正激二极管D0阳极与多绕组变压器的绕组W0的异名端连接，阴极与超级电容组的正极性端连接。
其中，N-MOSFET组成的开关S包括一个N-MOSFET，其中，N-MOSFET的源极与电池Bn的负极连接，漏极与多绕组变压器的绕组Wn+1的同名端连接。
其中，多绕组变压器由6个绕组组成，依次为绕组W0、W1、W2、W3、W4、W5；其中，绕组W0的同名端与超级电容组负极性端连接，异名端与正激二极管D0阳极连接；绕组Wi的同名端与二极管Di的阳极连接，异名端与电池Bi的负极连接；绕组W5的同名端与开关S的漏极连接，异名端与电池B1的正极连接。
其中，开关S导通时，串联电池组通过多绕组变压器的绕组W5放电，正激二极管D0导通，多绕组变压器的绕组W5和绕组W0构成正激变换器，实现能量从串联电池组到超级电容组的传递。
其中，开关S关断时，变压器励磁电流通过反激消磁二极管网络续流，二极管D1、D2、D3、D4导通，多绕组变压器的绕组W5和绕组W1、W2、W3、W4构成反激变换器；多绕组变压器的绕组W1、W2、W3、W4的电流根据电池B1、B2、B3、B4的电压高低自动分配，电池Bi电压越高，绕组Wi电流越小；多绕组变压器的绕组W1、W2、W3、W4的电流逐渐减小到0，实现变压器磁芯消磁。
假设电池电压VB1＝4.0V，VB2＝3.97V，VB3＝3.93V，VB4＝3.9V，当负载需要供电时，由锂离子电池-超级电容混合储能系统的超级电容组直接为负载供电，当超级电容组的电压VC下降到阈值电压Vthreshold时，开关S开始周期性的导通与关断，其中，Vthreshold＝VB1+VB2+VB3+VB4。
图3是控制方法的流程图，图4是电路工作时的电流流动方向。
如图4(a)所示，当开关S导通时，串联电池组通过绕组W5放电，电流从绕组W5的异名端流入，同名端流出；正激二极管D0导通，电流从绕组W0的同名端流入，异名端流出，为超级电容组充电。
如图4(b)所示，当开关S关断后，二极管D1、D2、D3、D4导通，电流从绕组W1、W2、W3、W4的异名端流入，同名端流出，电流大小关系为iB4>iB3>iB2>iB1，并逐渐下降到0，实现了磁芯消磁和锂离子电池组能量均衡。
图5是在PSIM9.0软件上对基于正反激变换器的适用于4节串联锂离子电池的锂离子电池-超级电容混合储能均衡电路及控制方法进行仿真的电池电压轨迹，经过约0.3s的均衡，锂离子电池组的最大电压差从0.1V下降到0.001V，且超级电容组的电压上升，表面能量从锂离子电池组传递到超级电容组，验证了本发明电路及控制方法的有效性，快速性和高效率性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包括在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统均衡电路，其特征在于，所述均衡电路包括一个串联电池组、一个多绕组变压器、一个正激二极管D0、一个反激消磁二极管网络、N-MOSFET组成的开关S、一个超级电容组、一个控制器，一个开关驱动电路；
所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次为B1、B2、…、Bi、…、Bn，i=1、2、…、n；
所述超级电容组由任意数量的超级电容串并联组成；
所述多绕组变压器由n+2个绕组组成，依次为绕组W0、W1、…、Wi、…、Wn、Wn+1；其中，绕组W0的同名端与超级电容组负极性端连接，异名端与正激二极管D0阳极连接；正激二极管D0的阴极与超级电容组的正极性端连接；绕组Wi的同名端与二极管Di的阳极连接，异名端与电池Bi的负极连接；二极管Di的阴极与电池Bi的正极连接；绕组Wn+1的同名端与开关S的漏极连接，异名端与电池B1的正极连接；开关S的源极与电池Bn的负极连接；
所述反激消磁二极管网络由n个二极管组成，依次为D1、D2、…、Di、…、Dn；
所述控制器根据用户设定开始均衡信号，输出开关信号至开关驱动电路；
所述开关驱动电路接收来自控制器的开关信号，并放大开关信号，输出至N-MOSFET组成的开关S；
所述N-MOSFET组成的开关S接收来自开关驱动电路的信号，根据信号控制开关S的导通与关断；
所述N-MOSFET组成的开关S导通时，串联电池组通过多绕组变压器的绕组Wn+1放电，正激二极管D0导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W0构成正激变换器，实现能量从串联电池组到超级电容组的传递；
所述N-MOSFET组成的开关S关断时，变压器励磁电流通过反激消磁二极管网络续流，二极管D1、D2、…、Di、…、Dn导通，多绕组变压器的绕组Wn+1和绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn构成反激变换器；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流根据电池B1、B2、…、Bi、…、Bn的电压高低自动分配，电池Bi电压越高，绕组Wi电流越小；多绕组变压器的绕组W1、W2、…、Wi、…、Wn的电流逐渐减小到0，实现变压器磁芯消磁；
所述串联电池组通过反激消磁二极管网络和N-MOSFET组成的开关S与多绕组变压器连接，多绕组变压器通过正激二极管D0与超级电容组连接。
2.根据权利要求1所述的基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统 均衡电路，其特征在于，所述N-MOSFET组成的开关S包括一个N-MOSFET，其中，N-MOSFET的源极与电池Bn的负极连接，漏极与多绕组变压器的绕组Wn+1的同名端连接。
3.一种根据权利要求1或2所述的基于正反激变换器的锂离子电池-超级电容混合储能系统 均衡电路的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
S1、当负载需要供电时，由锂离子电池-超级电容混合储能系统均衡电路的超级电容组直接为负载供电；
S2、当超级电容组的电压下降到阈值电压Vthreshold时，用户输入开始均衡信号，控制器输出开关信号至N-MOSFET组成的开关S，所述N-MOSFET组成的开关S开始周期性的导通与关断，其中，Vthreshold=VB1+VB2+VB3+VB4；
S3、当超级电容组的电压高于阈值电压Vthreshold时，用户停止输入开始均衡信号，停止控制开关S。
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