CN113690988A - 基于lc谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法 - Google Patents

基于lc谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法，该均衡电路包括串联电池组、两组开关选择模块、n个LC谐振模块、微控制器、开关驱动电路。本发明利用LC谐振模块实现了能量在串联电池组内的相邻电池间和首末单体电池之间的传输，从而实现了对串联电池组的均衡，提升了电池组的可用容量和使用寿命。本发明具有以下优点：增加连接首末单体电池的LC谐振模块的同时减少了额外增加的开关数量；利用LC谐振模块实现了零电流开关，有效地降低了开关损耗；有效提高开关频率，加快均衡速度，减小电路体积；均衡电路的控制方式简单，只需要一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号即可实现对两组开关模块的自动控制。

Description

基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法
技术领域
本发明涉及串联锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法。
背景技术
随着工业和交通运输业的发展，全球资源紧缺问题变得愈加严重。为了顺应可持续发展理念，以锂电池为代表的储能技术正得到广泛研究和发展。但是锂电池单体电压一般较低，需要大量锂电池串并联组成电池组才能满足高电压的需求。由于制造工艺和工作环境的差异，串联锂电池组的各单体电池无法保持电压、容量、荷电状态(SOC)的一致性，且单体电池间的不一致问题会随着电池组充放电次数的增加而加重，使得某些单体电池过充或过放，这将对电池组的寿命和可用容量产生不利的影响。因此，对串联锂电池组均衡方法的研究具有重大意义。
现有技术1的中国发明专利(申请号CN201410698450.2)公开一种基于LCL谐振变换的Adjacent-Cell-to-Cell均衡电路及实现方法，可在能量运输过程中实现软开关，但是能量只能在相邻两节电池间传输，均衡速度较慢。
现有技术2的中国发明专利(申请号CN202110370453.3)公开一种基于LC谐振电路改进的Cell-to-Cell电池均衡电路及实现方法，在实现软开关的同时还可实现能量在相邻、首末两节电池单体间的传输。相较于只能在相邻电池间进行能量传输的均衡电路，其有较快的均衡速度，但是该技术在增加LC串联谐振支路的同时需要增加8个MOSFET，额外增加的开关数量较多。
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LC谐振电路改进的自动电池均衡电路及实现方法。本发明通过一个LC谐振模块连接相邻两节电池单体，同时使用4个MOSFET和一个LC谐振模块连接首末两节电池单体，微控制器通过产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号控制开关选择模块的通断使均衡电路在两个模态中反复工作，在实现能量在相邻电池和首末电池之传输的同时，减少了MOSFET的使用数量，并实现了零电流开关，减小了开关损耗，提高了均衡速率。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，所述电池均衡电路包括：串联电池组、两组开关选择模块、n个LC谐振模块、微控制器、开关驱动电路；
所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次命名为B1、B2、...、Bi、...、Bn，i＝1、2、...、n；
所述两组开关选择模块分别为A组开关选择模块和B组开关选择模块；A组开关选择模块由n个选通开关组成，分别为SA1、SA2、...、SAi、...、SAn，SAi的两端分别与串联电池组中的电池单体Bi的正负极相连；B组开关选择模块由2对选通开关组成，分别为SB1和SB2；
其中，SA1、SA2、...、SAi、...、SAn分别由两个正向串联的N沟道MOSFET组成；SB1和SB2分别由两个N沟道MOSFET组成，SB1中的两个开关分别命名为Q1和Q2，SB2中的两个开关分别命名为Q3和Q4，其中Q1的漏极和Q3的源极分别连接到A组开关选择模块的首末两端，Q2的漏极和Q4的源极分别连接到A组开关选择模块中的SA1和SAn的中点；
所述LC谐振模块一共有n个，分别为LC1、LC2、...、LCi、...、LCn，每个LC谐振模块由一个电感L和一个电容C串联组成，分别为L1、L2、...、Li、...、Ln和C1、C2、...、Ci、...、Cn；
LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp两端分别和A组开关选择模块中的SAp的中点和SAp+1的中点相连，p＝1、2、...、n-1；LC谐振模块LCn的一端同时和Q1的源极和Q4的漏极相连，另一端同时和Q2的源极和Q3的漏极相连；
所述微控制器输出一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断。
进一步地，所述微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断；
所述微控制器的每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的上开关导通，B组选择开关模块中的SB2的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp和电池单体Bp并联，LC谐振模块LCn和电池单体Bn并联；当处于模态B时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的下开关导通，B组选择开关模块中的SB1的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的的LCp和电池单体Bp+1并联，LC谐振模块LCn和电池单体B1并联。
进一步地，控制A组开关选通模块和B组开关选通模块的信号频率为固定频率、固定占空比，当PWM信号的频率等与LC串联谐振电路谐振频率的整数倍时，可实现零电流开关。
本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路的实现方法，所述实现方法包括以下步骤：
S1、通过外部电压采样电路采集串联电池组中所有电池单体的电压，并且将采集到的电压信息传输给微控制器；
S2、微控制器将采集到的电压信息进行处理，得到串联电池组的最大电池电压和最小电池电压，并判断两者之间的电压差是否大于相应的均衡阈值电压，若大于均衡阈值电压，则开启均衡电路，若小于等于均衡阈值电压，则不启动均衡电路；
S3、微控制器产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号控制两组开关模块，实现能量在相邻电池单体以及首末电池单体之间的传输，提升了均衡速度，并在后续的均衡过程中微控制器仅需维持所产生PWM信号，控制简单，实现了对串联电池组的自动均衡；
S4、微控制器产生的PWM信号为固定频率、固定占空比，且其频率为LC串联谐振电路谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关，减小了开关损耗，有利于提高PWM信号频率以减小均衡电路的体积。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明实现了在只增加4个MOSFET的情况下能量在相邻两节和首末两节电池单体间的传输，提高了均衡速度；
(2)本发明利用LC谐振模块实现了零电流开关，降低了开关损耗，有利于提高开关频率以减小电路体积；
(3)本发明公开的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路中微控制器不需要考虑初始电压分布情况，只需产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路的放大，控制两组开关选择模块，便可实现对串联电池组的自动均衡。
附图说明
图1是本发明中基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路的原理图；
图2是适用于4节串联电池组的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路图；
图3是适用于4节串联电池组的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路两个模态对应的导通图，其中图3(a)是模态A对应的电路导通图，图3(b)是模态B对应的电路导通图；
图4是基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路在电池组静置状态下工作时电容C1的电压UC1和电流IC1的波形图；
图5是电池组在电压分布为VB1>VB2>VB3>VB4情况下，利用本发明提出的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路在PSIM仿真软件中仿真时得到的电池电压变化轨迹图。
具体实施方式
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
如图1所示，本实施例公开了一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，该电池均衡电路包括：串联电池组、两组开关选择模块、n个LC谐振模块、微控制器、开关驱动电路；
所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次命名为B1、B2、...、Bi、...、Bn，i＝1、2、...、n；
所述两组开关选择模块分别为A组开关选择模块和B组开关选择模块；A组开关选择模块由n个选通开关组成，分别为SA1、SA2、...、SAi、...、SAn，SAi的两端分别与串联电池组中的电池单体Bi的正负极相连；B组开关选择模块由2对选通开关组成，分别为SB1和SB2；
其中，SA1、SA2、...、SAi、...、SAn分别由两个正向串联的N沟道MOSFET组成；SB1和SB2分别由两个N沟道MOSFET组成，SB1中的两个开关分别命名为Q1和Q2，SB2中的两个开关分别命名为Q3和Q4，其中Q1的漏极和Q3的源极分别连接到A组开关选择模块的首末两端，Q2的漏极和Q4的源极分别连接到A组开关选择模块中的SA1和SAn的中点；
所述LC谐振模块一共有n个，分别为LC1、LC2、...、LCi、...、LCn，每个LC谐振模块由一个电感L和一个电容C串联组成，分别为L1、L2、...、Li、...、Ln和C1、C2、...、Ci、...、Cn；
LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp两端分别和A组开关选择模块中的SAp的中点和SAp+1的中点相连，p＝1、2、...、n-1；LC谐振模块LCn的一端同时和Q1的源极和Q4的漏极相连，另一端同时和Q2的源极和Q3的漏极相连；
所述微控制器输出一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断。
本实施例中，所述微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断；
所述微控制器的每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的上开关导通，B组选择开关模块中的SB2的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp和电池单体Bp并联，LC谐振模块LCn和电池单体Bn并联；当处于模态B时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的下开关导通，B组选择开关模块中的SB1的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的的LCp和电池单体Bp+1并联，LC谐振模块LCn和电池单体B1并联。
本实施例中，为了实现能量在电池组首末两节单体电池间的传输，以加快均衡速度，均衡电路通过B组开关选择模块和LC谐振模块中的LCn来连接电池组中的首末两节单体电池，所述B组开关选择模块共包含4个MOSFET，相较于现有技术2的中国发明专利公开的一种基于LC谐振电路改进的Cell-to-Cell电池均衡电路及实现方法，减少了4个MOSFET的使用，控制A组开关选通模块和B组开关选通模块的信号频率为固定频率、固定占空比，当PWM信号的频率等与LC串联谐振电路谐振频率的整数倍时，在均衡电路工作模态的切换时刻所有LC谐振模块的电流达到零值，从而流经开关的电流也达到零值，可实现零电流开关，减少了开关损耗，可解决在硬开关状态下因PWM信号频率的提高而带来的开关损耗大的问题，有利于提高PWM信号的频率，以减小LC谐振模块的体积，进一步减小电路体积。
实施例二
本实施例基于实施例一公开的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，以实施例一中公开的自动均衡电路为实施对象，进一步公开基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路的实现方法包括以下步骤：
S1、通过外部电压采样电路采集串联电池组中所有电池单体的电压，并且将采集到的电压信息传输给微控制器；
S2、微控制器将采集到的电压信息进行处理，得到串联电池组的最大电池电压和最小电池电压，并判断两者之间的电压差是否大于相应的均衡阈值电压，若大于均衡阈值电压，则开启均衡电路，若小于等于均衡阈值电压，则不启动均衡电路；
S3、微控制器产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号控制两组开关模块，实现能量在相邻电池单体以及首末电池单体之间的传输，提升了均衡速度，并在后续的均衡过程中微控制器仅需维持所产生PWM信号，控制简单，实现了对串联电池组的自动均衡；
S4、微控制器产生的PWM信号为固定频率、固定占空比，且其频率为LC串联谐振电路谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关，减小了开关损耗，有利于提高PWM信号频率以减小均衡电路的体积。
实施例三
图1是本实施例中基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路的原理图，其中，图2是适用于4节串联电池组的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路图，包括由4节串联电池单体组成的电池组、两组开关选择模块、4个LC谐振模块、微控制器、开关驱动电路。
两组开关选择模块分别为A组开关选择模块和B组开关选择模块；A组开关选择模块中的SA1、SA2、SA3、SA4的两端分别和电池单体B1、B2、B3、B4的正负极相连；B组开关选择模块中的SB1由开关Q1和Q2组成，SB2由开关Q3和Q4组成，其中Q1的漏极和Q3的源极分别连接到A组开关选择模块的首末两端，Q2的漏极和Q4的源极分别连接到A组开关选择模块中的SA1和SA4的中点。
LC谐振模块LC1两端分别和A组开关选择模块中的SA1的中点和SA2的中点相连，LC谐振模块LC2两端分别和A组开关选择模块中的SA2的中点和SA3的中点相连，LC谐振模块LC3两端分别和A组开关选择模块中的SA3的中点和SA4的中点相连；LC谐振模块LC4的一端同时和Q1的源极和Q4的漏极相连，另一端同时和Q2的源极和Q3的漏极相连。
微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断；
每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，A组开关选择模块SA1、SA2、SA3、SA4的上开关导通，B组选择开关模块SB2的两个MOSFET都导通，LC谐振模块LC1、LC2、LC3分别和电池单体B1、B2、B3并联，LC谐振模块LC4和电池单体B4并联；当处于模态B时，A组开关选择模块SA1、SA2、SA3、SA4的下开关导通，B组选择开关模块SB1的两个MOSFET都导通，LC谐振模块LC1、LC2、LC3分别和电池单体B2、B3、B4并联，LC谐振模块LC4和电池单体B1并联。
假设串联电池组的单体电池电压分布为VB1>VB2>VB3>VB4，电压采样电路将采集到的4节单体电池的电压送入微控制器，微控制器将采集到的电压信息进行处理，得到串联电池组的最大电池电压和最小电池电压，并判断两者之间的电压差是否大于相应的均衡阈值电压，若大于均衡阈值电压则进入均衡状态，微控制器产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断，使均衡电路在模态A和模态B之间反复切换，从而实现串联电池组的自动均衡，同时将开关频率设置为LC谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关，图4所示为均衡电路在电池组静置状态下工作时的电容C1的电压UC1和电流IC1的波形图，其他LC谐振模块也存在相似的电压电流波形，由图可知，在开关切换的时候LC串联谐振支路的电流达到零值，实现了零电流开关，图5所示为本发明提出的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路在PSIM仿真软件仿真得到的4节单体电池电压变化轨迹图，仿真结果验证了本发明的有效性、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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，其特征在于，所述电池均衡电路包括：串联电池组、两组开关选择模块、n个LC谐振模块、微控制器、开关驱动电路；
所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次命名为B1、B2、...、Bi、...、Bn，i＝1、2、...、n；
所述两组开关选择模块分别为A组开关选择模块和B组开关选择模块；A组开关选择模块由n个选通开关组成，分别为SA1、SA2、...、SAi、...、SAn，SAi的两端分别与串联电池组中的电池单体Bi的正负极相连；B组开关选择模块由2对选通开关组成，分别为SB1和SB2；
其中，SA1、SA2、...、SAi、...、SAn分别由两个正向串联的N沟道MOSFET组成；SB1和SB2分别由两个N沟道MOSFET组成，SB1中的两个开关分别命名为Q1和Q2，SB2中的两个开关分别命名为Q3和Q4，其中Q1的漏极和Q3的源极分别连接到A组开关选择模块的首末两端，Q2的漏极和Q4的源极分别连接到A组开关选择模块中的SA1和SAn的中点；
所述LC谐振模块一共有n个，分别为LC1、LC2、...、LCi、...、LCn，每个LC谐振模块由一个电感L和一个电容C串联组成，分别为L1、L2、...、Li、...、Ln和C1、C2、...、Ci、...、Cn；
LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp两端分别和A组开关选择模块中的SAp的中点和SAp+1的中点相连，p＝1、2、...、n-1；LC谐振模块LCn的一端同时和Q1的源极和Q4的漏极相连，另一端同时和Q2的源极和Q3的漏极相连；
所述微控制器输出一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断。
2.根据权利要求1所述的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，其特征在于，所述微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号，经过开关驱动电路放大信号，控制A组开关选择模块和B组开关选择模块的通断；
所述微控制器的每个开关周期分为两个模态，当处于模态A时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的上开关导通，B组选择开关模块中的SB2的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的LCp和电池单体Bp并联，LC谐振模块LCn和电池单体Bn并联；当处于模态B时，A组开关选择模块中的SA1、SA2、...、SAi、...、SAn的下开关导通，B组选择开关模块中的SB1的开关导通，LC谐振模块LC1、LC2、...、LCp、...、LCn-1中的的LCp和电池单体Bp+1并联，LC谐振模块LCn和电池单体B1并联。
3.根据权利要求2所述的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路，其特征在于，控制A组开关选通模块和B组开关选通模块的信号频率为固定频率、固定占空比，当PWM信号的频率等与LC串联谐振电路谐振频率的整数倍时，可实现零电流开关。
4.一种基于权利要求1至3所述的基于LC谐振电路改进的自动电池均衡电路的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
S1、通过外部电压采样电路采集串联电池组中所有电池单体的电压，并且将采集到的电压信息传输给微控制器；
S2、微控制器将采集到的电压信息进行处理，得到串联电池组的最大电池电压和最小电池电压，并判断两者之间的电压差是否大于相应的均衡阈值电压，若大于均衡阈值电压，则开启均衡电路，若小于等于均衡阈值电压，则不启动均衡电路；
S3、当需要开启均衡电路时，微控制器产生一对互补、固定频率、固定占空比的PWM信号控制两组开关模块，实现能量在相邻电池单体以及首末电池单体之间的传输；
S4、微控制器产生的PWM信号为固定频率、固定占空比，且其频率为LC串联谐振电路谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关。
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