CN113910983A - 一种光伏供能的可重构电池均衡系统及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，包括光伏板、dc/dc变换器、切换保障器和可重构电池包。本发明的另一个技术方案是提高了一种上述的光伏供能的可重构电池均衡系统的应用。本发明提供的一种电池自动均衡系统由光伏板供能，能长期待机同时保持电池电量；通过提出的切换保障器对可重构电池进行均衡切换控制，具有转换能耗少、元件数量少、重构过渡过程简单平稳、均衡控制简单、电路可扩展性好等特点。通过本发明，能够较好地均衡电池组中各单体的电量，提高一致性，延长电池组的使用寿命同时降低均衡所需能耗，提升电池组的续航能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种低电池能耗的在线电池均衡系统以及该在线电池均衡系统的应用。
背景技术
在电动汽车和储能系统等应用中，通常需要将低压电池串联以满足其电压和功率需求。然而，由于生产工艺问题导致电池单体之间一致性较差，经过反复充放电后，电池的不一致性会越加严重。这造成电池组内部电池单体的电压不均衡，导致部分单体的过充或耗尽，使得电池包不能够继续对外输出功率，这严重限制了电池组的能量释放能力。因此，需要电池均衡电路来缓解电池单体的不一致，从而提高旧电池组的能量释放能力，提升电动汽车续航的目的。
目前，现有方案对电池组内各单体电池进行均衡主要采用以下做法：
1.被动均衡：在电池包内加均衡电阻，通过电阻来耗散过充电池的能量；
2.包内能量均衡：使用电池包内过充电池的能量给其余电池充电，这种方案会在均衡充放电回路中损耗电池包内的能量；
3.包外能量均衡：使用电网侧的充电机在充电时进行均衡，这种方案对于长久静置后由于电池包内部损耗导致单体间不平衡的均衡效果较差；
综上，现有的电池均衡方案在达成电池均衡的同时：1)耗散了电池包内部的能量；2)没有电池包静置一段时间后的复均衡能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：电池单体的不一致性严重限制了串联电池组的性能及在高压高功率应用中的使用时间。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，包括光伏板、dc/dc变换器、切换保障器和可重构电池包，其中：
光伏板可实现最大功率点追踪；
dc/dc变换器工作在电流控制模式，其传递功率由光伏板最大功率输出点决定；
切换保障器连接dc/dc变换器和可重构动力电池包；
可重构动力电池包具有正极电池端口TBat,H以及负极电池端口TBat,L，用于和传统的串联型电池包兼容，外部电路和/或光伏板经由切换保障器通过正极电池端口TBat,H以及负极电池端口TBat,L对可重构动力电池包充放电；
可重构动力电池包由n组元胞组成而成，n≥2，第i组元胞的电路拓扑包含串联的开关Q1,i和开关Q2,i，单体电池Bi与电容C1,i并联后与串联的开关Q1,i和开关Q2,i并联，第i组元胞的负极由开关Q1,i与开关Q2,i之间的中点引出，第i组元胞的正极连接单体电池Bi的正极；
当可重构动力电池包中各单体电池达到均衡时，每组元胞的开关Q2,i开通、开关Q1,i断开，n组元胞串联，光伏板及dc/dc变换器不工作；
当可重构动力电池包中至少一个单体电池不均衡时，则出现不均衡现象的单体电池对应的元胞组的开关Q2,i断开、开关Q1,i开通，此时，当前元胞组通过开通的开关Q1,i将其自身从可重构动力电池包的主回路中断开，实现可重构动力电池包端电压的切换；
可重构动力电池包切换前，将切换保障器切换至第一状态，切换保障器内形成旁路，则流向可重构动力电池包的充电电流或自可重构动力电池包流出的放电电流流经该旁路实现续流，使得可重构动力电池包在切换时实现零电流切换；可重构动力电池包切换后，将切换保障器切换至第二状态，将切换保障器内的旁路断开。
优选地，第i组元胞内的开关Q1,i与开关Q2,i的电压应力为单体电池Bi最高电压。
优选地，所述切换保障器的电路拓扑包括并联的电感Ls和开关K1，电感Ls串联在所述dc/dc变换器与所述可重构动力电池包的正极电池端口TBat,H之间；当开关K1闭合后，所述切换保障器切换至所述第一状态，大部分所述充电电流或所述放电电流流从开关K1进行续流，电感Ls上的电压为0；当开关K1断开后，所述切换保障器切换至所述第二状态，电感Ls上电流通过所述可重构动力电池包续流。
优选地，所述开关Q1,i、所述开关Q2,i及所述开关K1在稳态时均为常通常断模式。
优选地，所述开关K1使用背靠背开关。
优选地，所述dc/dc变换器的输出电容Cb的电压不会突变。
优选地，在所述可重构动力电池包充电过程中，若有过充现象，则所述可重构动力电池包进行切换，将出现过充的单体电池对应的元胞组从主回路中断开；所述可重构动力电池包切换后的电压低于切换前的电压，则所述电感Ls上有正偏压，所述电感Ls上的电流is上升，而所述dc/dc变换器处于恒流模式工作，使得所述dc/dc变换器的输出电容Cb上的电压缓慢下降，达成输出电容Cb上的电压和所述可重构动力电池包的电压相等；
在所述可重构动力电池包放电过程中，若有过放现象，则所述可重构动力电池包进行切换，将出现过放的单体电池对应的元胞组从主回路中断开，所述可重构动力电池包切换后的电压高于切换前的电压，则所述电感Ls上有负偏压，所述电感Ls上的电流is下降，而所述dc/dc变换器处于恒流模式工作，使得所述dc/dc变换器的输出电容Cb上的电压缓慢上升，达成输出电容Cb上的电压和所述可重构动力电池包的电压相等。
本发明的另一个技术方案是提高了一种上述的光伏供能的可重构电池均衡系统的应用，其特征在于，将上述的光伏供能的可重构电池均衡系统应用在电动汽车上，所述光伏板安装在电动汽车顶部；上述的光伏供能的可重构电池均衡系统可以在电动汽车运行时工作，也可以在电动汽车停车时工作；
在电动汽车运行时工作时，所述dc/dc变换器补偿所述可重构动力电池包输出的纹波电流使其更接近恒流放电状态；通过所述可重构动力电池包的优化切换过程，并且使用光伏进行供能，综合大幅降低了均衡时的电池能量耗散。
本发明提供的一种电池自动均衡系统由光伏板供能，能长期待机同时保持电池电量；通过提出的切换保障器对可重构电池进行均衡切换控制，具有转换能耗少、元件数量少、重构过渡过程简单平稳、均衡控制简单、电路可扩展性好等特点。通过本发明，能够较好地均衡电池组中各单体的电量，提高一致性，延长电池组的使用寿命同时降低均衡所需能耗，提升电池组的续航能力。
本发明提供的一种光伏供能的可重构电池均衡系统在提高电池组的一致性能力的同时不消耗电池包内部的能量，并具有电池包静置后复均衡的功能，同时，本发明可以在车辆运行时进行均衡。
附图说明
图1为本发明提出的系统结构；
图2为优选的DC/DC变换器；
图3为切换保障器；
图4为可重构动力电池包；
图5为元胞拓扑；
图6为三元胞拓扑；
图7为三元胞拓扑：单体间达成均衡时的等效电路；
图8为三元胞拓扑：单体间不均衡时的稳态等效电路(元胞n-1不均衡)；
图9为三元胞拓扑：单体间不均衡时的过渡等效电路，K1闭合(元胞n-1不均衡)；
图10为三元胞拓扑：单体间不均衡时的过渡等效电路，K1断开(元胞n-1不均衡)；
图11为可重构电池包均衡算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供的一种光伏供能的可重构自动均衡系统的结构，如图1所示，由光伏板、dc/dc变换器、切换保障器和可重构动力电池包组成。
dc/dc变换器可以使用如图2所示的Boost升压变换器。
切换保障器连接如图3所示的dc/dc变换器和如图4所示的可重构动力电池包。
如图3所示，切换保障器包含电感Ls和开关K1。开关K1可以使用继电器，也可使用两个共漏极连接的MOSFET。本实施例中，开关K1以两个共漏极连接的MOSFET为例。开关K1并联在电感Ls两端。
如图4所示，本发明所提出的可重构动力电池包由多组元胞组成。每个元胞如图5所示，第i组元胞的电路拓扑包含串联的开关Q1,i和开关Q2,i，单体电池Bi与电容C1,i并联后与串联的开关Q1,i和开关Q2,i并联，第i组元胞的负极由开关Q1,i与开关Q2,i之间的中点引出，第i组元胞的正极连接单体电池Bi的正极。多组元胞串联组成可重构动力电池包，通过正极电池端口TBat,H以及负极电池端口TBat,L，可以和传统的串联型电池包兼容。
本实施例以一个如图6所示的三元胞系统图为例说明本发明的均衡工作原理：
1)光伏板可以实现最大功率点追踪。dc/dc变换器工作在恒流模式，其传递功率由光伏板最大功率输出点决定。在可重构动力电池包切换的过程中可以视为一个不变的常数。在可重构动力电池包切换的瞬间，dc/dc变换器工作在恒流输出模式以保证切换的平滑。即，通过调节dc/dc级输出电压来达成光伏板的最大功率点追踪。
2)可重构动力电池包中各单体电池达到均衡时：每个元胞的开关Q2,i开通，可重构动力电池包为所有元胞的串联结构。此时，可重构动力电池包的工作状态和传统动力电池包一致，光伏板和dc/dc变换器不工作，没有电流流过，如图7所示。
3)电池单体间均衡实现和特点：
若可重构动力电池包中某一个元胞不均衡，假设n-1号元胞中单体电池过充，则开关Q2,n-1断开，此时n-1号元胞可以通过开关Q1,n-1开通将其单体电池从主回路中断开。与此同时，可重构动力电池包的端电压会变化，如图8所示。
下面描述切换过渡过程：
切换前，切换保障器中闭合开关K1给可重构动力电池包充电电流进行续流，如图9所示。闭合开关K1前，由于充电(放电)电流变化并不剧烈，因此开关K1上的电压很小，闭合产生的损耗很小。开关K1闭合后，电感Ls上的电压为0，大部分电流从开关K1进行续流，可重构动力电池包中的电流大大减小，使得可重构动力电池包内可以实现零电流切换。可重构动力电池包切换完成后，开关K1断开，电感Ls上电流通过可重构动力电池包续流，如图10所示。
在充电过程中，如有过充现象，切换后的电压低于切换前的电压，则电感Ls上有正偏压，电感Ls上的电流is上升，而dc/dc变换器是恒流模式工作，使得dc/dc变换器内的输出电容Cb上的电压缓慢下降，达成输出电容Cb的电压和可重构动力电池包的电压相等。
在放电过程中，如有过放现象，则：切换后的电压高于切换前的电压，电感Ls上有负偏压，电感Ls上的电流is下降，而dc/dc变换器是恒流模式工作，使得输出电容Cb上的电压缓慢上升达成输出电容Cb电压和可重构动力电池包的电压相等。因此，本发明可以实现切换过程中的平稳过渡。
如果多个元胞不均衡，例如第i组元胞和第j组元胞均不均衡，则可以在切除第i组元胞的同时切除第j组元胞，不需要对开关K1进行反复开关操作。
本发明的均衡程序流程图如图11所示。在全部元胞的开关Q2,i开通(串联时)由电池监控芯片测量3节单体电池的端电压，通过安秒方法得到每节单体电池的SOC，判断每节单体电池的SOC是否超出平均SOC的阈值范围。若某元胞的单体电池的SOC超出该范围，则控制器将其计入需要断开的元胞序列集合，在遍历所有元胞情况后对切换保障器进行动作，使得过充/过放电池从回路中断开。光伏板在整个过程中对电池损失的能量进行补充，并保证切换过程中切换保障器的零电流切换，从而完成整个过程的平稳低能耗切换。
本发明开关Q1,i和开关Q2,i的电压应力为单体电池最高电压，因此可以使用小面积的MOSFET实现，系统增加这些开关管带来的体积增加并不多。在本发明所公开的技术方案中，除了dc/dc变换器内的所有开关在稳态时均为常通常断模式，对系统整体的电磁干扰较小。dc/dc变换器中的输出电容Cb电压不会突变。切换瞬间，元胞内开关关断时的反向恢复可以通过零电流关断进行缓解。
本发明可以应用在电动汽车上，前述光伏板可以安装在电动汽车顶部。所提出的系统可以在汽车运行时工作，也可以在汽车停车时工作。在汽车运行时工作时，dc/dc变换器补偿可重构动力电池包输出的纹波电流，使其更接近恒流放电状态。通过上述的优化切换过程，并且所提出的系统使用光伏进行供能，综合大幅降低了均衡时的电池能量耗散。
Claims (8)
1.一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，包括光伏板、dc/dc变换器、切换保障器和可重构动力电池包，其中：
光伏板可实现最大功率点追踪；
dc/dc变换器工作在电流控制模式，其传递功率由光伏板最大功率输出点决定；
切换保障器连接dc/dc变换器和可重构动力电池包；
可重构动力电池包具有正极电池端口TBat，H以及负极电池端口TBat，L，用于和传统的串联型电池包兼容，外部电路和/或光伏板经由切换保障器通过正极电池端口TBat，H以及负极电池端口TBat，L对可重构动力电池包充放电；
可重构动力电池包由n组元胞组成而成，n≥2，第i组元胞的电路拓扑包含串联的开关Q1，i和开关Q2，i，单体电池Bi与电容C1，i并联后与串联的开关Q1，i和开关Q2，i并联，第i组元胞的负极由开关Q1，i与开关Q2，i之间的中点引出，第i组元胞的正极连接单体电池Bi的正极；
当可重构动力电池包中各单体电池达到均衡时，每组元胞的开关Q2，i开通、开关Q1，i断开，n组元胞串联，光伏板及dc/dc变换器不工作；
当可重构动力电池包中至少一个单体电池不均衡时，则出现不均衡现象的单体电池对应的元胞组的开关Q2，i断开、开关Q1，i开通，此时，当前元胞组通过开通的开关Q1，i将其自身从可重构动力电池包的主回路中断开，实现可重构动力电池包端电压的切换；
可重构动力电池包切换前，将切换保障器切换至第一状态，切换保障器内形成旁路，则流向可重构动力电池包的充电电流或自可重构动力电池包流出的放电电流流经该旁路实现续流，使得可重构动力电池包在切换时实现零电流切换；可重构动力电池包切换后，将切换保障器切换至第二状态，将切换保障器内的旁路断开。
2.如权利要求1所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，第i组元胞内的开关Q1，i与开关Q2，i的电压应力为单体电池Bi最高电压。
3.如权利要求1所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，所述切换保障器的电路拓扑包括并联的电感Ls和开关K1，电感Ls串联在所述dc/dc变换器与所述可重构动力电池包的正极电池端口TBat，H之间；当开关K1闭合后，所述切换保障器切换至所述第一状态，大部分所述充电电流或所述放电电流流从开关K1进行续流，电感Ls上的电压为0；当开关K1断开后，所述切换保障器切换至所述第二状态，电感Ls上电流通过所述可重构动力电池包续流。
4.如权利要求3所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，所述开关Q1，i、所述开关Q2，i及所述开关K1在稳态时均为常通常断模式。
5.如权利要求3所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，所述开关K1使用背靠背开关。
6.如权利要求3所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，所述dc/dc变换器的输出电容Cb的电压不会突变。
7.如权利要求6所述的一种光伏供能的可重构电池均衡系统，其特征在于，在所述可重构动力电池包充电过程中，若有过充现象，则所述可重构动力电池包进行切换，将出现过充的单体电池对应的元胞组从主回路中断开；所述可重构动力电池包切换后的电压低于切换前的电压，则所述电感Ls上有正偏压，所述电感Ls上的电流is上升，而所述dc/dc变换器处于恒流模式工作，使得所述dc/dc变换器的输出电容Cb上的电压缓慢下降，达成输出电容Cb上的电压和所述可重构动力电池包的电压相等；
在所述可重构动力电池包放电过程中，若有过放现象，则所述可重构动力电池包进行切换，将出现过放的单体电池对应的元胞组从主回路中断开，所述可重构动力电池包切换后的电压高于切换前的电压，则所述电感Ls上有负偏压，所述电感Ls上的电流is下降，而所述dc/dc变换器处于恒流模式工作，使得所述dc/dc变换器的输出电容Cb上的电压缓慢上升，达成输出电容Cb上的电压和所述可重构动力电池包的电压相等。
8.一种如权利要求1所述的光伏供能的可重构电池均衡系统的应用，其特征在于，将权利要求1所述的光伏供能的可重构电池均衡系统应用在电动汽车上，所述光伏板安装在电动汽车顶部；权利要求1所述的光伏供能的可重构电池均衡系统可以在电动汽车运行时工作，也可以在电动汽车停车时工作；
在电动汽车运行时工作时，所述dc/dc变换器补偿所述可重构动力电池包输出的纹波电流使其更接近恒流放电状态；通过所述可重构动力电池包的优化切换过程，并且使用光伏进行供能，综合大幅降低了均衡时的电池能量耗散。
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- 2021-09-18 CN CN202111096861.0A patent/CN113910983B/zh active Active
Patent Citations (5)
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