CN112994142B - 一种电池均衡-交流加热一体化拓扑及控制方法 - Google Patents

一种电池均衡-交流加热一体化拓扑及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池管理技术领域，提供了一种电池均衡‑交流加热一体化拓扑及控制方法。其中，电池均衡‑交流加热一体化拓扑包括若干个串联的电池模组，每个电池模组并联一个开关管，相邻开关管串联连接；电池模组根据串接顺序分成奇数组和偶数组，开关管也根据串接顺序分成奇数组和偶数组；偶数组的电池模组正极及与该电池模组并联的开关管之间串联有电感；偶数组中相邻的开关管之间通过电容相连。其能够在低开关频率下实现对电池组的低温交流加热，在高开关频率下实现对电池模组间的均衡，而不需要附加另外的均衡电路，有效提高电池管理系统的功率密度并降低成本。

Description

一种电池均衡-交流加热一体化拓扑及控制方法
技术领域
本发明属于电池管理技术领域，尤其涉及一种电池均衡-交流加热一体化拓扑及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
锂离子电池由于充电效率高及能量密度大而得到广泛应用。一个锂离子电池组是由许多锂离子电池单体串并联组成的，但是由于电池单体之间存在着不一致性，导致了这些单体在容量、内部阻抗和老化程度等方面的不同。这些不一致性又会加速整个电池的老化，降低整个电池的可用容量和使用寿命，因此需要对电池进行均衡。
目前的基于升降压变换和软开关的动力电池组均衡电路只能对电池模组进行均衡而无法同时实现对电池模组的低温加热。在低温环境下，锂离子动力电池的内阻急剧变大，其充、放电性能变差，极大地降低了电动汽车的续驶里程，特别是会对电池造成永久性伤害，降低电池的有效容量和使用寿命。发明人发现，现有的在充电模式下对电池进行加热控制的方法只能对电池模组进行加热，无法同时实现对整个电池组的均衡。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种电池均衡-交流加热一体化拓扑及控制方法，其能够在低开关频率下(例如，10～20kHz)实现对电池组的低温交流加热，在高开关频率下(例如，100～200kHz)实现对电池模组间的均衡，而不需要附加另外的均衡电路，有效提高电池管理系统的功率密度并降低成本。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种电池均衡-交流加热一体化拓扑，其包括：
若干个串联的电池模组，每个电池模组并联一个开关管，相邻开关管串联连接；电池模组根据串接顺序分成奇数组和偶数组，开关管也根据串接顺序分成奇数组和偶数组；偶数组的电池模组正极及与该电池模组并联的开关管之间串联有电感；偶数组中相邻的开关管之间通过电容相连。
本发明的第二个方面提供一种电池均衡-交流加热一体化拓扑的控制方法，其包括：
产生状态互补的PWM信号并施加于奇数组和偶数组的开关管，使得两组开关管交替导通；
获取电池实时温度，并与设定温度阈值比较，根据温度比较结果来调节PWM信号的频率，以实现电池交流加热和均衡一体化。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的拓扑包括若干个串联的电池模组，每个电池模组并联一个开关管，相邻开关管串联连接，偶数组的电池模组正极及与该电池模组并联的开关管之间串联有电感；偶数组中相邻的开关管之间通过电容相连，同时解决了由电池不一致性导致的电池不均衡以及低温降低电池性能的问题，在对低温电池预加热，使电池内芯达到正常工作温度范围的同时，兼顾均衡功能，在低频下可实现电池组的低温加热；高频下可实现电池单体或模块间的自动均衡，提高了电池组的能量利用率和功率密度。
(2)本发明体积小，成本低：对于基本的加热拓扑，只需要两个MOS开关和一个电感就可以实现对整个电池组的加热；对于每两个电池模组，只需两个MOSFET开关和一个电感、电容。
(3)本发明的控制简单：只需要一对状态互补的PWM信号驱动MOSFET开关，不需要额外的电流、电压检测电路。
(4)本发明不需任何外接电源或者装置就能实现低温电池的自加热，容易集成到电池组中，在无需改变电池结构或电解质的前提下，可保障电池组在全温度和全电压范围内高效运行。
(5)本发明通过控制数组的开关管和偶数组的开关管的开关频率，即可在线调整加热速度，适合于不同的环境温度和应用场合。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一中电池均衡-交流加热一体化拓扑示意图；
图2是本发明实施例一中电池均衡-交流加热一体化拓扑的基本加热拓扑示意图；
图3是本发明实施例一中电池均衡-交流加热一体化拓扑的相邻两个电池模组间的基本均衡拓扑示意图；
图4是本发明实施例一中电池均衡-交流加热一体化拓扑的两两电池模组间的基本均衡拓扑示意图；
图5是本发明实施例二中10kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电池电压波形图；
图6是本发明实施例二中10kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电感电流波形图；
图7是本发明实施例二中10kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电容电流波形图；
图8是本发明实施例二中100kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电池电压波形图；
图9是本发明实施例二中100kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电容电流波形图；
图10是本发明实施例二中100kHz下电池均衡-交流加热一体化拓扑的电容电流波形图。
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。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，本实施例的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其包括：
若干个串联的电池模组，每个电池模组并联一个开关管，相邻开关管串联连接；电池模组根据串接顺序分成奇数组和偶数组，开关管也根据串接顺序分成奇数组和偶数组；偶数组的电池模组正极及与该电池模组并联的开关管之间串联有电感；偶数组中相邻的开关管之间通过电容相连。
本实施例的电池均衡-交流加热一体化拓扑形成Buck-Boost变换器和开关电容变换器。
本实施例将开关管通过下标分为奇数组和偶数组，对奇、偶两组开关管施加状态互补的PWM信号。设计Buck-Boost变换器的电感，需要进行加热时，调节开关频率为低频，Buck-Boost变换器在电池中能够产生较大幅值的交流电流，借助于欧姆产热和电化学产热实现低温电池的自加热。需要进行均衡时，调节开关频率为高频，Buck-Boost变换器能够产生较小幅值的交流电流，实现相邻两个电池模组间的均衡，但不会对电池温度产生较大影响。同时，设计开关电容变换器，当开关频率为高频时能够实现相邻两两电池模组间的自动均衡，从而实现所有电池模组间的均衡。
本实施例的拓扑结构基于Buck-Boost电路和开关电容构建，通过施加控制信号使得电路实现高频均衡和低频加热。
其中，开关管为MOSFET开关管为例来说明：
此处需要说明的是，在其他实施例中，开关管也可采用其他现有的开关管结构来实现。
以n个电池模组为例对本实施例的拓扑结构进行说明，参照图1，具体包括：
电池模组M1、M2、M3、M4…Mn-1、Mn串联。
每个电池模组并联一个MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4…Qn-1、Qn。其中，Q1与M1并联，Q2与M2并联，…，Qn与Mn并联。开关管依次串联，其中，Q2漏极与Q1源极串联，Q3漏极与Q2源极串联，…，Qn漏极与Qn-1源极串联。
偶数下标的电池模组正极和与之并联的MOSFET开关管的漏极之间串联电感L1、L2…Ln/2。其中，电池模组M2正极与开关管Q2漏极之间串联电感L1，…，电池模组Mn正极与开关管Qn漏极串联电感Ln/2。
相邻偶数下标MOSFET开关管漏极之间通过电容C1、C2…Cn/2-1相连。其中，开关管Q2、Q4通过C1相连，…，开关管Qn-2、Qn通过Cn/2-1相连。
对奇数组和偶数组开关管施加状态互补的PWM控制信号，使得两组开关管交替导通。检测电池模组温度，当检测电池模组温度低于所需温度时，调节PWM信号的频率为低频信号。
在低频时，两个电池模组之间等效的基本加热拓扑如图2所示。开关管交替工作，Buck-Boost变换器在电池中能够产生较大幅值的交流电流，借助于欧姆产热和电化学产热实现低温电池的自加热。检测电池模组温度达到所需温度时，调节PWM信号的频率为高频信号。
在高频时，电感可以实现相邻两个模组之间的均衡。同时，开关电容可以实现相邻两两模组之间的均衡，从而实现整个电池组的均衡。
本实施例同时解决了由电池不一致性导致的电池不均衡以及低温降低电池性能的问题，在对低温电池预加热，使电池内芯达到正常工作温度范围的同时，兼顾均衡功能，在低频下可实现电池组的低温加热；高频下可实现电池单体或模块间的自动均衡，提高了电池组的能量利用率和功率密度。
实施例二
在一个或多个实施方式中，本实施例的电池均衡-交流加热一体化拓扑控制方法，包括：
产生状态互补的PWM信号并施加于奇数组和偶数组的开关管，使得两组开关管交替导通；
获取电池实时温度，并与设定温度阈值比较，根据温度比较结果来调节PWM信号的频率，以实现电池交流加热和均衡一体化。
具体地，设计Buck-Boost变换器的电感，当开关频率为10～20kHz时，Buck-Boost变换器在电池中能够产生较大幅值的交流电流；当开关频率为100～200kHz时，Buck-Boost变换器能够产生较小幅值的交流电流。同时，设计开关电容变换器，当开关频率为100～200kHz时能够实现相邻两两电池模组间的自动均衡，从而实现所有电池模组间的均衡。
例如：
将MOSFET开关管分为奇、偶两组，对两组开关管施加占空比为50％、相位差为180°的PWM互补控制信号。检测电池组温度，当温度低于阈值时，调节PWM信号的频率为10kHz，Buck-Boost变换器在电池中能够产生较大幅值的交流电流，借助于欧姆产热和电化学产热实现低温电池的自加热。
基本加热拓扑如图2所示，以两个电池模组为例，加热状态分为4个工作模态。
工作模态1：Q1导通，Q2关断。电感L1给电池模组M1充电。
工作模态2：Q1保持导通，Q2保持关断。电感L1电流降为0并反向增大。
工作模态3：Q2导通，Q1关断。电感L1给电池模组M2充电。
工作模态4：Q2保持导通，Q1保持关断。电感L1电流降为0并反向增大。
模态1和模态2实现了对电池模组M1的交流充放电，模态3和模态4实现了对电池模组M2的交流充放电。在模态2和模态3期间，能量从电池模组M1传递到电池模组M2；在模态4和模态1期间，能量从电池模组M2传递到电池模组M1。由于占空比为50％，在加热的同时确保了两组电池的能量平衡。
检测电池模组温度，当温度达到工作温度时，调节PWM信号的频率为100kHz，Buck-Boost变换器能够产生较小幅值的交流电流，实现相邻两个电池模组间的均衡，但不会对电池模组温度产生较大影响。
相邻两个电池模组间的基本均衡拓扑如图3所示。以四个电池模组为例，相邻电池模组间均衡工作原理与加热工作原理类似，为4个工作模态。
工作模态1：Q1导通，Q2关断。电感L1放电，电池模组M1充电。
工作模态2：Q1保持导通，Q2保持关断。电池模组M1放电，电感L1充电。
工作模态3：Q2导通，Q1关断。电感L1放电，电池模组M2充电。
工作模态4：Q2保持导通，Q1保持关断。电池模组M2放电，电感L1充电。
由于占空比为50％，因此可以实现相邻两组电池模组之间的均衡。
同时，开关频率为100kHz时，开关电容的存在能够实现相邻两两电池模组间的自动均衡。两两电池模组间的基本均衡拓扑如图4所示，分为2个工作模态。
工作模态1：Q1与Q3导通，Q2与Q4关断。若电池模组M1与M2电压低于电容C1电压，电容C1放电，电池模组M1与M2充电；若电池模组M1与M2电压高于电容C1电压，电池模组M1与M2放电，电容C1充电。
工作模态2：Q2与Q4导通，Q1与Q3关断。若电池模组M3与M4电压低于电容C1电压，电容C1放电，电池模组M3与M4充电；若电池模组M3与M4电压高于电容C1电压，电池模组M3与M4放电，电容C1充电。
由于占空比为50％，因此可以实现相邻两两电池模组之间的均衡。
最终，通过上述方式可以实现整个电池组的能量均衡。
以4个电池为例，选择电池电压为3.5V、3.45V、3.4V、3.35V，选择电感为8.75μH，电容为25μF。
当开关频率为10kHz，相邻两个电池之间进行均衡，电压波形为图5所示。流进电感的电流的波形如图6所示。当开关频率为低频即10kHz时，电容可以看作断路，其电流波形如图7所示。
当开关频率为100kHz，所有电池模组都可以得到均衡，电压波形为图8所示。流进电感的电流波形如图9所示。当开关频率为高频即100kHz时，流经电容的电流波形如图10所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，包括：
若干个串联的电池模组，每个电池模组并联一个开关管，相邻开关管串联连接；电池模组根据串接顺序分成奇数组和偶数组，开关管也根据串接顺序分成奇数组和偶数组；偶数组的电池模组正极及与该电池模组并联的开关管之间串联有电感；偶数组中相邻的开关管之间通过电容相连；
拓扑结构中各元件的连接关系为：
电池模组M1、M2、M3、M4…Mn-1、Mn串联；
每个电池模组并联一个MOSFET开关管Q1、Q2、Q3、Q4…Qn-1、Qn，其中，Q1与M1并联，Q2与M2并联，…，Qn与Mn并联；开关管依次串联，其中，Q2漏极与Q1源极串联，Q3漏极与Q2源极串联，…，Qn漏极与Qn-1源极串联；
偶数下标的电池模组正极和与之并联的MOSFET开关管的漏极之间串联电感L1、L2…Ln/2，其中，电池模组M2正极与开关管Q2漏极之间串联电感L1，…，电池模组Mn正极与开关管Qn漏极串联电感Ln/2；
相邻偶数下标MOSFET开关管漏极之间通过电容C1、C2…Cn/2-1相连，其中，开关管Q2、Q4通过C1相连，…，开关管Qn-2、Qn通过Cn/2-1相连。
2.如权利要求1所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，奇数组的开关管和偶数组的开关管与信号控制器连接，所述信号控制器用于施加状态互补的PWM信号，使得两组开关管交替导通。
3.如权利要求2所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，所述信号控制器对奇数组的开关管和偶数组的开关管施加的PWM信号占空比均为50％。
4.如权利要求2所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，当电池模组温度低于设定温度阈值时，所述信号控制器用于调节PWM信号的频率为低频信号，以实现低温电池的自加热。
5.如权利要求2所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，当电池模组温度等于设定温度阈值时，所述信号控制器用于调节PWM信号的频率为高频信号，以利用电感实现相邻两个模组之间的均衡，利用电容实现相邻两两模组之间的均衡。
6.如权利要求1所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑，其特征在于，所述开关管为MOSFET开关管。
7.一种基于如权利要求1-6中任一项所述的电池均衡-交流加热一体化拓扑的控制方法，其特征在于，包括：
产生状态互补的PWM信号并施加于奇数组和偶数组的开关管，使得两组开关管交替导通；
获取电池实时温度，并与设定温度阈值比较，根据温度比较结果来调节PWM信号的频率，以实现电池交流加热和均衡一体化。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当电池模组温度低于设定温度阈值时，调节PWM信号的频率为低频信号，以实现低温电池的自加热。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，当电池模组温度等于设定温度阈值时，调节PWM信号的频率为高频信号，以利用电感实现相邻两个模组之间的均衡，利用电容实现相邻两两模组之间的均衡。
10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，PWM信号占空比均为50％。
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Title
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