CN113746174B - 一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法 - Google Patents

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CN113746174B CN202111057453.4A CN202111057453A CN113746174B CN 113746174 B CN113746174 B CN 113746174B CN 202111057453 A CN202111057453 A CN 202111057453A CN 113746174 B CN113746174 B CN 113746174B
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Abstract

本发明公开了一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，串联电池组由n个单体电池串联组成；串联电池组的均衡拓扑包括2n+2个MOS管、2n‑1个二极管、一个电感电容串联电路；电感电容串联电路包括串联在一起的电感L与电容C；均衡方法为：利用电感L实现高电量单体电池的放电均衡；利用电感电容串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。串联电池组左右两边的开关阵列具有较强的对称性，且仅利用一个电感电容串联电路就能够实现高电量单体电池的放电均衡和低电量单体电池的充电均衡，电路结构简单；在保证电路安全工作的前提下，单体电池数量变化只需增减相应的MOS管，均衡电路易于扩展。

Description

一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法
技术领域
本发明属电池均衡技术领域，涉及一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法。
背景技术
锂离子电池组广泛应用于新能源汽车动力系统和微电网储能系统。由于制造工艺、材料等方面不可能完全一致，这就造成了单体电池在容量、阻抗等方面具有微弱差异，这些差异会随着电池组运行时间而增加，进而减少电池组的可用容量及循环寿命，甚至造成过充过放，带来安全隐患。为提高电池组的能量利用率及延长其循环寿命，必须引入有效的均衡来降低电池组的不一致性。串联电池组的可靠性相比于并联电池组更容易受到单体电池不一致性的影响，本发明内容针对串联电池组的均衡展开。
电池均衡方法的研究主要集中在均衡拓扑的研究，均衡拓扑主要分为被动均衡和主动均衡。被动均衡的典型拓扑为电阻放电式均衡，当某个单体电池具有较高能量时，旁路电阻消耗掉多余的能量，旁路电阻的能量损耗会大大降低电池组的能量利用率，同时散热问题也不容忽视，并且该均衡拓扑不能对容量低的单体电池进行充电均衡。相比之下，主动均衡具有能量损耗低、均衡速度快等优点，是近年来均衡研究的热点。主动均衡拓扑一般采用开关电容、电感和变压器等储能器件将能量从高能量单体电池转移至低能量单体电池来实现均衡。基于电容的均衡拓扑均衡速度快、均衡效率高，但是当电容电压与均衡目标电压差异不大时，均衡速度下降显著，导致其不适合高精度的均衡。基于电感的均衡拓扑具有均衡电流可控性强，均衡精度高等特点，但其开关器件的冲击电流往往较大，容易对电池产生不利影响。基于电感电容储能的均衡拓扑是在传统的基于开关电容的均衡拓扑上改进得来的，同时具备电容均衡速度快、电感均衡精度高的特点，逐渐成为近年串联电池组主动均衡方法的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有均衡方法的缺点与不足，提供一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，改善串联电池组不一致性问题，延长串联电池组循环寿命。
本发明采用如下技术方案：
一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，
串联电池组由n个单体电池串联组成；串联电池组的均衡拓扑包括2n+2个MOS管、2n-1个二极管、一个电感电容串联电路；电感电容串联电路包括串联在一起的电感L与电容C；2n-1个二极管中有一个二极管D；
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；与单体电池连接的MOS管依次标记为S0，S1，…，S2n+1；
单体电池B2，B3，…，Bn正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1，B2，…，Bn-1负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1正极的左桥臂与MOS管S1连接，单体电池B1正极的右桥臂与MOS管S0连接；单体电池Bn负极的左桥臂与MOS管S2n+1连接，单体电池Bn负极的右桥臂与MOS管S2n连接；MOS管S0的源极与编号为偶数的MOS管的漏极连接，MOS管S2n+1的漏极与编号为奇数的MOS管的源极连接；
电感电容串联电路中，电感L的顶部与MOS管S0的源极连接，电容C的底部与MOS管S2n+1的漏极连接；二极管D与电容C并联，二极管D的阳极与电容C的底部连接，二极管D的阴极与电容C的顶部连接；
均衡方法为：利用电感L实现高电量单体电池的放电均衡；利用电感电容串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。
优选的，均衡方法如下：
均衡拓扑工作前后，电池组差异变化趋势不变，为防止电池组均衡完成后再次快速满足均衡拓扑启动条件，设定均衡启动阈值
Figure BDA0003255256100000021
和均衡停止阈值/>
Figure BDA0003255256100000022
其中/>
Figure BDA0003255256100000031
设最高单体电池电压和平均单体电池电压的差值为△1，平均单体电池电压和最低单体电池电压的差异为△2，每个采样周期自适应均衡控制策略为：
当△1或△2大于均衡启动阈值时，如果△1≥△2，则对最高电圧对应的单体电池放电均衡；如果△1＜△2，则对最低电压对应的单体电池充电均衡；
当△1、△2均小于均衡停止阈值时，均衡拓扑停止工作。
当最高电压对应的单体电池数或最低电压对应的单体电池数不为1时，通过制定相应的选取规则，可实现所有单体电池在不同均衡阶段被依次选中。
本发明控制策略制定的规则为：
当最高电压单体电池数量不为1时，选择序号最小的单体电池放电均衡，当最低电压单体电池数量不为1时，选择序号最大的单体电池充电均衡。
均衡拓扑若想要顺利工作，需要对电路核心元器件的参数进行分析计算，设定合适的电路参数。
最高电压单体电池放电均衡参数设计：
假设串联电池组中单体电池Bi电压最高，控制其对应左右桥的MOS管S2i-1和S2i导通，对单体电池Bi进行放电均衡，单体电池Bi的电压为Vi，串联电池组电压为V，二极管导通压降为VD，MOS管控制信号周期为T，控制MOS管S2i-1和S2i导通的PWM波占空比为D1，电感放电时间的占空比为D2。
第一阶段，MOS管S2i-1和S2i导通，单体电池Bi对电感L充电，二极管将电容短路，电流经过二极管D流向电感L，流过电感L的电流线性上升。电感电流iL为：
Figure BDA0003255256100000032
第一阶段的时间为D1T，则电感最大电流ILmax为：
Figure BDA0003255256100000033
根据所需的最大均衡电流与选定的开关频率可得电感L：
Figure BDA0003255256100000041
一个开关周期内，电感电流的表达式iL为：
Figure BDA0003255256100000042
电感必须工作在电流断续模式以避免磁滞饱和，则t＝T时，t>(D1+D2)T，进而：
Figure BDA0003255256100000043
推导可得占空比D1的设定公式：
Figure BDA0003255256100000044
第二阶段，在断开MOS管S2i-1和S2i时刻，电感L与MOS管S0、S2n+1的续流二极管构成回路，电感L向串联电池组充电。根据基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003255256100000045
代入初始条件可得：
Figure BDA0003255256100000046
联立(2)式，为使得电感电流在一个周期内能够复位，可得：
Figure BDA0003255256100000047
最低电压单体电池充电均衡参数设计：
假设串联电池组中单体电池Bj的电压最低，单体电池Bj的电压为Vj，均衡回路的等效阻抗为R，其包含MOS管的导通电阻及电感、电容的阻抗，MOS管控制信号周期为T，第一阶段控制MOS管S0和S2n+1导通的PWM波占空比为D3，第二阶段控制MOS管S2j-2和S2j+1导通的PWM波占空比为D4，电容的电压为uC，通过电感的电流为iL。
由基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0003255256100000051
在电感电容串联电路中，
Figure BDA0003255256100000052
则(10)式可整理得：
Figure BDA0003255256100000053
对(11)式进行求解，令其特征方程为：
LCλ2+RCλ+1＝0 (12)
由于回路等效电阻R较小，且电感和电容处于同一数量级，因此判别式Δ＝b2-4ac＝R2C2-4LC<0，则微分方程的通解为：
uC＝C1eαt cosβt+C2eαt sinβt+V (13)
其中，
Figure BDA0003255256100000054
将(10)式和(13)式代入初始条件，可得第一阶段和第二阶段电容电压为：
Figure BDA0003255256100000055
其中，VCmax为电容电压最大值，VCmin为电容电压最小值。
将
Figure BDA0003255256100000056
代入方程组(14)，可得第一阶段和第二阶段电感电流为：
Figure BDA0003255256100000057
联立方程组(14)，代入边界条件可得：
Figure BDA0003255256100000061
其中，
Figure BDA0003255256100000062
代入已知数据，依据回路等效电阻趋近于0，且电感和电容处于同一数量级，易得k<1。对方程组(16)进行求解可得：
Figure BDA0003255256100000063
将方程组(17)分别代入方程组(14)和(15)可得：
Figure BDA0003255256100000064
Figure BDA0003255256100000065
根据方程组(19)可得，一个开关周期内电感的最大电流和最小电流，即iL1max和iL2min的表达式为：
Figure BDA0003255256100000066
另外，由于电感必须工作在电流断续模式，为使得电感电流在一个开关周期内能够复位，则必须满足：
D3+D4<1 (21)
在上述均衡计算中，首先需要设定最大均衡电流；其次，在此基础上设置电感、电容值和开关频率。此部分未列出具体的均衡效率值，是因为均衡效率还和均衡对象有关，而均衡对象的电压具有较强的不确定性，而且两种均衡状态随着初始条件不同会产生变化。综上，即可完成均衡拓扑参数的设计。
优选的，串联电池组的均衡拓扑连接有控制电路；所述控制电路控制信号的频率大小根据均衡拓扑的参数、串联电池组及单体电池的电压和均衡电流而定；所述控制电路输出驱动信号的占空比应使储能器件的电流在每个开关周期内复位，即每个开关周期内，通过电感L或电感电容串联电路的电流先从零开始上升，最终又下降到零。
优选的，串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
本发明达到了以下有益效果：
与现有技术相比，本发明是基于单电感单电容储能的自适应主动均衡方法。
该方法的第一个特点是，串联电池组左右两边的开关阵列具有较强的对称性，仅利用一个电感电容串联电路就能够实现高电量单体电池的放电均衡和低电量单体电池的充电均衡，电路结构简单；
第二个特点是，在保证电路安全工作的前提下，单体电池数量变化只需增减相应的MOS管，均衡电路易于扩展；
第三个特点是，该方法在均衡速度及效率方面均具有良好表现。
首先，利用电感L对高电量单体电池放电均衡时：①电感放电过程不需要控制任何MOS管，有利于提高均衡效率。②由于单体电池与串联电池组电压差异较大，一个开关周期内可以尽可能的提高高电压单体电池放电控制信号占空比，进而提高均衡速度。
其次，利用电感电容串联电路对低电压单体电池充电均衡时：①相比于电感续流均衡，均衡电流从零开始增加，而不是从峰值电流开始降低，减小了开关损耗，提高了均衡效率；通过引入电容与电感共同储能，相同开关周期及占空比条件下，提高了均衡速度。②相比于电容均衡，由于引入电感与电容串联，克服了电容均衡过程，当电容电压与均衡对象电压相差不大时，均衡速度及均衡精度下降的问题。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
图1为本发明实施例1的均衡拓扑结构图；
图2为本发明实施例1主动均衡方法自适应均衡控制策略流程图；
图3为本发明实施例2的均衡拓扑结构图；
图4为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡第一阶段工作原理；
图5为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡第二阶段工作原理；
图6为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡过程的电感电流波形图；
图7为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡第一阶段工作原理；
图8为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡第二阶段工作原理；
图9为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡过程电感电容串联电路电感电流波形图；
图10为在MATLAB/Simulink中搭建的本发明实施例2的均衡电路仿真模型；
图11为本发明实施例2的均衡仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以此发明的示意性实施例解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，为本发明实施例1的均衡拓扑结构图。
一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，
串联电池组由n个单体电池串联组成；串联电池组的均衡拓扑包括2n+2个MOS管、2n-1个二极管、一个电感电容串联电路；电感电容串联电路包括串联在一起的电感L与电容C；2n-1个二极管中有一个二极管D；
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；与单体电池连接的MOS管依次标记为S0，S1，…，S2n+1；
单体电池B2，B3，…，Bn正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1，B2，…，Bn-1负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1正极的左桥臂与MOS管S1连接，单体电池B1正极的右桥臂与MOS管S0连接；单体电池Bn负极的左桥臂与MOS管S2n+1连接，单体电池Bn负极的右桥臂与MOS管S2n连接；MOS管S0的源极与编号为偶数的MOS管的漏极连接，MOS管S2n+1的漏极与编号为奇数的MOS管的源极连接；
电感电容串联电路中，电感L的顶部与MOS管S0的源极连接，电容C的底部与MOS管S2n+1的漏极连接；二极管D与电容C并联，二极管D的阳极与电容C的底部连接，二极管D的阴极与电容C的顶部连接；
均衡方法为：利用电感L实现高电量单体电池的放电均衡；利用电感电容串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。
如图2所示，为本发明实施例1主动均衡方法自适应均衡控制策略流程图。
均衡方法的过程如下：
均衡拓扑工作前后，电池组差异变化趋势不变，为防止电池组均衡完成后再次快速满足均衡拓扑启动条件，设定均衡启动阈值
Figure BDA0003255256100000091
和均衡停止阈值/>
Figure BDA0003255256100000092
其中/>
Figure BDA0003255256100000093
设最高单体电池电压和平均单体电池电压的差值为△1，平均单体电池电压和最小单体电池电压的差异为△2，每个采样周期自适应均衡控制策略为：
当△1或△2大于均衡启动阈值时，如果△1≥△2，则对最高电圧(Vmax)对应的序号最小的单体电池放电均衡；如果△1＜△2，则对最低电压(Vmin)对应的序号最大的单体电池充电均衡；
当△1、△2均小于均衡停止阈值时，均衡拓扑停止工作。
需要说明的是，随着组内单体电池数量的增加，同时具备最高电压的单体电池数量和同时具备最低电压的单体电池数量大于1的概率逐渐增加，如何有效地选择均衡对象成为均衡控制的核心问题。当最高电压对应的单体电池数量或最低电压对应的单体电池数量不为1时，通过制定相应的选取规则，可实现所有单体电池在不同均衡阶段被依次选中。本发明制定的规则为：当最高电压单体电池数量不为1时，选择序号最小的单体电池放电均衡，当最低电压单体电池数量不为1时，选择序号最大的单体电池充电均衡。
实施例2
如图3所示，为本发明实施例2的均衡拓扑结构图。
一种单电感单电容储能的串联电池组自适应主动均衡方法，串联电池组由4个单体电池串联组成；均衡拓扑包括10个MOS管、7个二极管、一个电感电容串联电路；电感电容串联电路包括串联在一起的电感L、电容C；电容C上并联有一个二极管D；
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，B3，B4；与单体电池连接的MOS管依次标记为S0，S1，S2，…，S9。
单体电池B2，B3，B4正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1，B2，B3负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1正极的左桥臂与MOS管S1漏极连接，单体电池B1正极的右桥臂与MOS管S0漏极连接；单体电池B4负极的左桥臂与MOS管S9源极连接，单体电池B4负极的右桥臂与MOS管S8源极连接；
电感电容串联电路中，电感L的顶部与MOS管S0源极连接，电容C的底部与MOS管S2n+1漏极连接；二极管D与电容C并联，二极管D的阳极与电容C的底部连接，阴极与电容C的顶部连接。
具体均衡原理如下所述：
对最高电压单体电池放电均衡的工作原理：
假设单体电池B2电压最高，一个开关周期的均衡过程可以分成两个阶段。
第一阶段是最高电压单体对电感L充电。初始时刻通过电感L的电流为零，此时控制MOS管S3和S4导通，单体B2向电感L充电，二极管将电容C短路，电流经过二极管D流向电感L。流过电感L的电流逐渐增加，当均衡电流达到设定值时，断开MOS管S3和S4，第一阶段结束。如图4所示，为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡第一阶段工作原理，展示了此阶段均衡电流路径。
第二阶段是电感L对串联电池组充电。断开MOS管S3和S4时刻，电感L与MOS管S0、S9的续流二极管构成回路，电感L向串联电池组充电，电感电流逐渐下降至0。至此，一个开关周期的能量转移过程完成。如图5所示，为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡第二阶段工作原理，展示了此阶段均衡电流路径。如图6所示，为本发明实施例2对单体电池B2放电均衡过程的电感电流波形图，展示了电感L上的电流波形。
对最低电压单体电池充电均衡的工作原理：
假设单体电池B2电压最低。一个周期的均衡过程同样可以分成两个阶段。
第一阶段是串联电池组对电感电容串联电路充电。初始时刻通过电感电容串联电路的电流为零，此时控制MOS管S0、S9导通，二极管D反向截止，串联电池组向电感电容串联电路充电，电感电容串联电路电流增加，当均衡电流达到设定值时，断开MOS管S0和S9，电感电容串联电路通过MOS管S1、S8续流，电流逐渐降为0，第一阶段结束。如图7所示，为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡第一阶段工作原理，展示了此阶段均衡电流路径，虚线部分为电感电容串联电路通过MOS管S1、S8续流时的电流路径。
第二阶段是电感电容串联电路为低电压单体充电。当电感电容串联电路电流为0时，导通MOS管S2、S5，此时电感电容串联电路、单体B2和导通的MOS管S2、S5构成回路，电感电容串联电路向单体电池B2充电，充电电流增加，当充电电流达到设定值时，断开MOS管S2、S5，电感电容串联电路通过MOS管S0、S9续流，电流逐渐降为0，第二阶段结束。如图8所示，为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡第二阶段工作原理；展示了此阶段均衡电流路径，虚线部分为电感电容串联电路通过MOS管S0、S9续流时的电流路径。如图9所示，为本发明实施例2对单体电池B2充电均衡过程电感电容串联电路电感电流波形图；展示了电感电容串联电路的电感电流波形。
上述两种情况，整个开关周期均衡过程电感必须工作在电流断续模式，才能避免出现电感磁滞饱和。为保证均衡控制的可靠性，一个开关周期内，均衡结束后仍需留有一段死区时间，才能开始下一周期的均衡。
图10为在MATLAB/Simulink中搭建的本发明实施例2的均衡拓扑仿真模型。单体锂离子电池额定容量为3.2Ah，额定电压为3.7V。仿真模型具体参数设置如表1所示。
表1均衡方法仿真参数
Figure BDA0003255256100000121
图11是本发明实施例2的均衡仿真结果。图11中，a图为串联电池组在搁置状态下的仿真结果，b图为串联电池组在充电状态下的仿真结果，c图为串联电池组在放电状态下的仿真结果，电池组充、放电电流为0.5A。
由图11可知，最大端电压与平均端电压的差值、平均端电压与最小端电压的差值都在不断减小，当各单体电池端电压最大差值等于0.001V时，均衡结束，因为仿真时长只有20s，均衡结束后电压差异变化趋势不变。

Claims (4)

1.一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，其特征在于：
串联电池组由n个单体电池串联组成；串联电池组的均衡拓扑包括2n+2个MOS管、2n-1个二极管、一个电感电容串联电路；电感电容串联电路包括串联在一起的电感L与电容C；2n-1个二极管中有一个二极管D；
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；与单体电池连接的MOS管依次标记为S0，S1，…，S2n+1；
单体电池B2，B3，…，Bn正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1，B2，…，Bn-1负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接；单体电池B1正极的左桥臂与MOS管S1连接，单体电池B1正极的右桥臂与MOS管S0连接；单体电池Bn负极的左桥臂与MOS管S2n+1连接，单体电池Bn负极的右桥臂与MOS管S2n连接；MOS管S0的源极与编号为偶数的MOS管的漏极连接，MOS管S2n+1的漏极与编号为奇数的MOS管的源极连接；
电感电容串联电路中，电感L的顶部与MOS管S0的源极连接，电容C的底部与MOS管S2n+1的漏极连接；二极管D与电容C并联，二极管D的阳极与电容C的底部连接，二极管D的阴极与电容C的顶部连接；
均衡方法为：利用电感L实现高电量单体电池的放电均衡；利用电感电容串联电路实现低电量单体电池的充电均衡；
均衡方法如下：
设定均衡启动阈值
Figure FDA0004230151620000011
和均衡停止阈值/>
Figure FDA0004230151620000012
其中/>
Figure FDA0004230151620000013
设最高单体电池电压和平均单体电池电压的差值为△1，平均单体电池电压和最低单体电池电压的差异为△2，每个采样周期自适应均衡控制策略为：
当△1或△2大于均衡启动阈值时，如果△1≥△2，则对最高电圧对应的单体电池放电均衡；如果△1＜△2，则对最低电压对应的单体电池充电均衡；
当△1、△2均小于均衡停止阈值时，均衡拓扑停止工作。
2.根据权利要求1所述的一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，其特征在于：
当最高电压单体电池数量不为1时，选择序号最小的单体电池放电均衡，当最低电压单体电池数量不为1时，选择序号最大的单体电池充电均衡。
3.根据权利要求2所述的一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，其特征在于：
串联电池组的均衡拓扑连接有控制电路；所述控制电路控制信号的频率大小根据均衡拓扑的参数、串联电池组及单体电池的电压和均衡电流而定；所述控制电路输出驱动信号的占空比应使储能器件的电流在每个开关周期内复位，即每个开关周期内，通过电感L或电感电容串联电路的电流先从零开始上升，最终又下降到零。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种单电感单电容串联电池组自适应主动均衡方法，其特征在于：
串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
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