CN113964916A - 一种并联电池簇均衡电路的拓扑、控制及均衡方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种并联电池簇均衡电路的拓扑、控制及均衡方法，所述电路拓扑由电池簇、母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容构成，各个电池簇的正端相互连接；各个电池簇的负端与母线电容相连；各个母线电容的负端与公共电容的负端相互连接；各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连；各个母线电容的正端与公共电容的正端之间均设有一只旁路开关。本发明引入母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容，通过各个母线电容和公共电容之间的功率传递，实现了并联电池簇充放电过程中的动态均衡和荷电状态的均衡，电路简洁，效率高。该均衡电路拓扑适用于电动汽车、电池储能和电池梯次利用等场合。

Description

一种并联电池簇均衡电路的拓扑、控制及均衡方法
技术领域
本发明涉及电动汽车、电池储能和电池梯次利用等领域，尤其是一种并联电池簇均衡电路的拓扑、控制及均衡方法。
背景技术
由于电池在生产制造、工作环境、老化程度上的不一致性，各个电池芯的开路电压和等效串联电阻均有不同程度的差异，导致在电池储能系统运行时，并联电池簇的荷电状态不一致。对于并联的电池簇，在充电过程中，会存在某一电池簇已充满，而其他电池簇未充满的情况，为了避免对该电池簇的过充电，其余电池簇将无法进一步充满；同样，在放电过程中，会存在某一电池簇已达到最小容许荷电状态，而其余电池簇仍可进一步放电的情况，为避免该电池簇过放电导致的损坏，所有并联串联的电池芯都将停止继续放电。由此可见，并联电池簇可用容量只能达到最弱电池簇的容量，导致严重的并联失配问题，使其他并联电池簇容量无法被充分使用，系统可用容量降低。
经检索，公开号为CN113193615A的中国发明专利，其公开了一种储能系统，储能系统包括多个储能支路、至少一个开关单元和控制电路；每个储能支路包括依次串联连接的第一母线、簇级变换电路和电池簇，以及多个均衡变换电路和均衡母线；电池簇包括多个串联连接的电池单元，每个电池单元包括一个电池包；电池包与对应的一个均衡变换电路的输入侧连接，多个均衡变换电路的输出侧分别与均衡母线连接；电池簇的正极端与簇级变换电路连接，电池簇的负极端与地线连接；相邻的两个储能支路之间设置有开关单元，若开关单元处于第一状态，则两个储能支路中的均衡母线之间连通。该专利中，簇级变换电路的输入侧与电池簇的输出为并联关系，簇级变换电路作为电池簇和外部母线电压的中间变换电路，需要承担电池簇充电和放电的全额功率。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种并联电池簇均衡电路的拓扑、控制及均衡方法，通过引入母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容实现并联电池簇充放电过程中的动态均衡和各个电池簇荷电状态的均衡控制。
本发明的第一方面，提供一种并联电池簇均衡电路拓扑，所述电路拓扑由电池簇、母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容构成，其中：
各个电池簇的正端相互连接，作为并联电池簇的正端；各个电池簇的负端与母线电容相连；
各个母线电容的负端与公共电容的负端相互连接；公共电容的正端作为并联电池簇的负端；各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，实现双向的能量传递；
各个母线电容的正端与公共电容的正端之间均设有一只旁路开关，能在双向直流变换器不工作时使其保持旁路。
可选地，所述各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，其中，通过调整各个双向变换器中开关管的占空比，实现各个母线电容电压的控制，进而控制流经各个电池簇的电流，实现各个电池簇电流和荷电状态的均衡控制。
可选地，所述各个母线电容的正端与公共电容的正端之间均设有一只旁路开关，其中，通过闭合任意几个旁路开关，实现对应双向直流变换器的旁路，进而电池簇中的任意几个电池簇通过双向变换器进行电流和荷电状态的均衡控制。
本发明的第二方面，提供一种并联电池簇均衡电路拓扑的控制方法，包括：
对公共电容电压实际值UC0和其给定值UC0 *作差，再经过比例积分环节，得到电流给定值的公共电容电压部分IC；
电流给定值的公共电容电压部分IC *与各个电流给定值的电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *相加，得到各个电流给定值；
通过各个电池电流的实际值IBat1、IBat2、……、IBatn与各个电流给定值作差，再经过比例积分环节，得到各个双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn；
通过双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn计算得到各个双向变换器中开关管的占空比。
可选地，将各个双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分IC与电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *，使得并联电池簇均衡电路拓扑能同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制。
可选地，各个双向变换器独立控制，当双向直流变换器处于旁路状态时，闭锁其对应的开关管，即开关管的占空比均为零。
本发明的第三方面，提供一种并联电池簇均衡电路拓扑的均衡方法，包括：
采集电池簇的荷电状态和电池电流实际值，对电池簇的荷电状态进行排序，得到荷电状态最高和最低的电池簇，记为Bata和Batb；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC之内，则不进行均衡控制，所有旁路开关处于闭合状态，双向直流变换器处于旁路状态；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC以外，则电池簇Bata、Batb进行均衡控制，除了电池簇Bata、Batb对应的旁路开关Sa、Sb处于断开状态，其余旁路开关处于闭合状态，对应于电池簇Bata、Batb的双向直流变换器#a、#b进行均衡控制。
可选地，双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *，由电池簇Bata、Batb对应的荷电状态SOCa、SOCb和电池电流实际值IBata、IBatb计算，其关系式表示为：
IBata *＝IBata+δ*λ*(SOCa-SOCb)，
IBatb *＝IBatb+δ*λ*(SOCb–SOCa)；
其中δ为充放电状态系数，放电为正，充电为负；λ为荷电状态与电池电量变换系数。
可选地，双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *受到最大电池电流Imax、电池电流调节范围ΔI因素的限制。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：
本发明上述的电路拓扑，通过引入母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容实现并联电池簇充放电过程中的动态均衡和各个电池簇荷电状态的均衡控制，减少开关管数量，电路简洁，效率高；同时，采用在电池簇中串联双向变换器的电路架构，使得该双向变换器不需要承担电池簇充电和放电的全额功率，但可以实现电池簇之间的电流和荷电状态均衡，从而降低了该变化电路的电压功率等级，提升了系统效率。
本发明上述的电路拓扑，双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分与电池电流部分，使得并联电池簇均衡电路拓扑可以同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制，实现了并联电池簇充放电过程中的动态均衡。
本发明上述的电路拓扑的控制方法，可以通过闭合旁边开关中的任意几个旁路开关，实现对应双向直流变换器的旁路，进而可以对少数电池簇通过双向变换器进行电流和荷电状态的均衡控制。
本发明上述电路拓扑的均衡方法，当电池簇之间出现荷电状态不均衡的情况，选取荷电状态最高和最低的电池簇进行均衡控制，实现各个电池簇荷电状态的均衡控制。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一实施例中并联电池簇均衡电路拓扑的拓扑结构图；
图2是本发明一较优实施例的拓扑结构图；
图3是本发明一较优实施例并联电池簇均衡电路拓扑控制方法的控制框图；
图4是本发明一较优实施例并联电池簇均衡电路拓扑均衡方法的流程图；
图5是本发明一实施例提供的隔离型直流变换器的电力电子化智能电池单元。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1是本发明一种并联电池簇均衡电路拓扑的拓扑结构图。参照图1所示，并联电池簇均衡电路拓扑，由电池簇、母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容构成。各个电池簇的正端相互连接，作为并联电池簇的正端；各个电池簇的负端与母线电容相连；各个母线电容的负端与公共电容的负端相互连接；公共电容的正端作为并联电池簇的负端。各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，可以实现双向的能量传递；同时各个母线电容的正端与公共电容的正端之间存在一只旁路开关，可以在双向直流变换器不工作时使其保持旁路。
具体的，参照图1所示，电池簇总数为n(n为正整数)，所述电池簇包括第一电池簇Bat1、第二电池簇Bat2、……、第n电池簇Batn，各个电池簇的正端相互连接，作为并联电池簇的正端；所述公共电容包括公共电容C0，公共电容C0的正端作为并联电池簇的负端；所述母线电容包括第一母线电容C1、第二母线电容C2、……、第n母线电容Cn，电池簇Bat1、Bat2、……、Batn的负端分别与母线电容C1、C2、……、Cn的正端相连，母线电容C1、C2、……、Cn的负端与公共电容C0的负端相互连接；所述双向变换器包括第一双向变换器#1、第二双向变换器#2、……、第n双向变换器#n，母线电容C1、C2、……、Cn分别通过双向变换器#1、#2、……、#n与公共电容C0相连；所述旁路开关包括第一旁路开关S1、第二旁路开关S2、……、第n旁路开关Sn，旁路开关S1、S2、……、Sn分别连接在母线电容C1、C2、……、Cn的正端与公共电容C0的正端之间。
具体的，参照图1所示，当电池簇之间存在电流不均衡或者荷电状态不均衡的情况时，可以通过调整各个双向变换器中开关管的占空比，实现各个母线电容电压的控制，进而控制流经各个电池簇的电流，从而实现各个电池簇电流和荷电状态的均衡控制。
具体的，参照图1所示，可以通过闭合旁边开关S1、S2、……、Sn中的任意几个旁路开关，实现对应双向直流变换器的旁路，进而电池簇Bat1、Bat2、……、Batn中的任意几个电池簇通过双向变换器进行电流和荷电状态的均衡控制。
具体的，参照图1所示，双向变换器可以是一种双向非隔离型直流变换器或者一种双向隔离型直流变换器。
参照图1所示，控制电路检测电池簇的荷电状态，并将各个电池簇的荷电状态进行比较；当发现电池簇之间荷电状态不均衡时，通过同时控制各个双向变换器中开关管的切换，将部分并联回路的功率通过双向变换器和公共母线传递给其他并联回路，从而实现各个电池簇电流和荷电状态的均衡控制。
具体的，参照图1所示，通过控制任意多个双向变换器中开关管的切换，仅需要传递并联回路的部分功率，就可以实现对应电池簇的电流和荷电状态均衡；对于不需要进行均衡控制的电池簇，控制电路可以实现相连双向变换器的闭锁，该并联回路不进行功率均衡。
图2是本发明第一种实施例的拓扑结构图。参照图2所示，第一种实施例中，双向变换器配置为由一个电感和四个开关管构成的四开关双向直流变换电路。
图3是本发明一种并联电池簇均衡电路拓扑控制方法的控制框图。参照图3所示，所述控制方法包括以下步骤：
通过公共电容电压实际值UC0和其给定值UC0 *作差，再经过比例积分环节，得到电流给定值的公共电容电压部分IC；
电流给定值的公共电容电压部分IC *与各个电流给定值的电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *相加，得到各个电流给定值；
通过各个电池电流的实际值IBat1、IBat2、……、IBatn与各个电流给定值作差，再经过比例积分环节，得到各个双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn；
通过双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn计算得到各个双向变换器中开关管的占空比。
具体的，参照图3所示，将各个双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分IC与电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *，使得并联电池簇均衡电路拓扑可以同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制。
具体的，参照图3所示，各个双向变换器独立控制，当双向直流变换器处于旁路状态时，需要闭锁其对应的开关管，即开关管的占空比均为零。
具体的，参照图3所示。对于不同类型的双向变换器，通过电压比D1、D2、……、Dn计算得到开关管占空比的过程需根据电路拓扑得到。
图4是本发明一种并联电池簇均衡电路拓扑均衡方法的流程图。参照图4所示，所述均衡方法包括以下步骤：
采集电池簇Bat1、Bat2、……、Batn的荷电状态SOC1、SOC2、……、SOCn和电池电流实际值IBat1、IBat2、……、IBatn，对电池簇的荷电状态进行排序，得到荷电状态最高和最低的电池簇，记为Bata和Batb；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC之内，则不进行均衡控制，所有旁路开关处于闭合状态，双向直流变换器处于旁路状态；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC以外，则电池簇Bata、Batb进行均衡控制，除了旁路开关Sa、Sb处于断开状态，其余旁路开关处于闭合状态，仅双向直流变换器#a、#b进行均衡控制；
具体的，参照图4所示，只有荷电状态最高和最低的电池簇Bata和Batb所对应的双向变换器#a、#b进行均衡控制，其余双向直流变换器处于旁路状态，可以减小电路损耗。
具体的，参照图4所示，双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *，由荷电状态SOCa、SOCb和电池电流实际值IBata、IBatb，其关系式表示为IBata *＝IBata+δ*λ*(SOCa-SOCb)，IBatb *＝IBatb+δ*λ*(SOCb–SOCb)，其中δ为充放电状态系数(放电为正，充电为负)，λ为荷电状态与电池电量变换系数。
具体的，参照图4所示，双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *受到最大电池电流Imax、电池电流调节范围ΔI等实际因素的限制。
下面结合一具体应用实例，对本发明上述实施例提供的技术方案进一步详细描述。在该具体应用实例中，本发明上述实施例提供的隔离型直流变换器可以应用于电力电子化智能电池单元。
图5示出了包含本发明上述实施例提供的隔离型直流变换器的电力电子化智能电池单元。电力电子化智能电池单元700可以包括电池模块701、处理器702、多种传感器703-707、调理电路708、隔离型直流变换器(即图中所示功率变换器)709、保护装置710、均衡电路711、散热装置712与通讯接口713。
电池模块701由多个电池芯单体经串并联后组成，是电力电子化智能电池单元的硬件基础。
处理器702可以实现模拟-数字转换、计算、控制等功能，连接调理电路708，将控制信号输出到隔离型直流变换器709、保护装置710、均衡电路711和散热装置712，并与通讯接口713间进行数据交互。
传感器可包括电压传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器等。电压传感器703布置在各个电池芯的两端。电压传感器707布置在整个电池模块的两端，用于采集电压信号。电流传感器705、706布置在各个电池芯组成的组串，以及隔离型直流变换器两端，用于采集电流信号。温度传感器704与压力传感器(未示出)围绕电池模块各处进行布置，用于采集电池模块各个位置的温度和压力信号，同时，温度传感器(未示出)也布置在隔离型直流变换器和散热装置的关键位置，用于采集隔离型直流变换器和散热装置的温度信号。本领域的技术人员应该理解，图中仅示意性示出个多个传感器的示例，该示例仅用于解释本发明而非限制本发明，本发明的电子化智能电池单元可包括更多或更少的传感器，传感器的数量和布置方式不限于所示的示例。
调理电路708连接在上述各个传感器的输出端，将上述传感器输出的电信号进行调理，形成处理器能够读取的电信号。隔离型直流变换器709连接在电池模块两端。
基于上述实施例，本发明通过引入母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容实现并联电池簇充放电过程中的动态均衡和各个电池簇荷电状态的均衡控制，减少开关管数量，电路简洁，效率高；双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分与电池电流部分，使得并联电池簇均衡电路拓扑可以同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制，实现了并联电池簇充放电过程中的动态均衡；可以通过闭合旁边开关中的任意几个旁路开关，实现对应双向直流变换器的旁路，进而可以对少数电池簇通过双向变换器进行电流和荷电状态的均衡控制。当电池簇之间出现荷电状态不均衡的情况，选取荷电状态最高和最低的电池簇进行均衡控制，实现各个电池簇荷电状态的均衡控制。
综上实施例可见，本发明提出的并联电池簇均衡电路，引入母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容，各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，可以实现双向的能量传递；结合提出的控制方法，双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分与电池电流部分，使得并联电池簇均衡电路拓扑可以同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制，实现了并联电池簇充放电过程中的动态均衡；结合提出的均衡方法，当电池簇之间出现荷电状态不均衡的情况，选取荷电状态最高和最低的电池簇进行均衡控制，实现各个电池簇荷电状态的均衡控制。电路简洁，效率高。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种并联电池簇均衡电路拓扑，其特征在于：所述电路拓扑由电池簇、母线电容、双向变换器、旁路开关和公共电容构成，其中：
各个电池簇的正端相互连接，作为并联电池簇的正端；各个电池簇的负端与母线电容相连；
各个母线电容的负端与公共电容的负端相互连接；公共电容的正端作为并联电池簇的负端；各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，实现双向的能量传递；
各个母线电容的正端与公共电容的正端之间均设有一只旁路开关，能在双向直流变换器不工作时使其保持旁路。
2.根据权利要求1所述的一种并联电池簇均衡电路拓扑，其特征在于：所述各个母线电容通过独立的双向变换器与公共电容相连，其中，通过调整各个双向变换器中开关管的占空比，实现各个母线电容电压的控制，进而控制流经各个电池簇的电流，实现各个电池簇电流和荷电状态的均衡控制。
3.根据权利要求1所述的一种并联电池簇均衡电路拓扑，其特征在于：所述各个母线电容的正端与公共电容的正端之间均设有一只旁路开关，其中，通过闭合任意几个旁路开关，实现对应双向直流变换器的旁路，进而电池簇中的任意几个电池簇通过双向变换器进行电流和荷电状态的均衡控制。
4.根据权利要求1所述的一种并联电池簇均衡电路拓扑，其特征在于：所述双向变换器是一种双向非隔离型直流变换器或者一种双向隔离型直流变换器。
5.一种如权利要求1-4任一项所述并联电池簇均衡电路拓扑的控制方法，其特征在于，包括：
对公共电容电压实际值UC0和其给定值UC0 *作差，再经过比例积分环节，得到电流给定值的公共电容电压部分IC；
电流给定值的公共电容电压部分IC *与各个电流给定值的电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *相加，得到各个电流给定值；
通过各个电池电流的实际值IBat1、IBat2、……、IBatn与各个电流给定值作差，再经过比例积分环节，得到各个双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn；
通过双向变换器#1、#2、……、#n的电压比D1、D2、……、Dn计算得到各个双向变换器中开关管的占空比。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：将各个双向变换器的电流给定值分为公共电容电压部分IC与电池电流部分IBat1 *、IBat2 *、……、IBatn *，使得并联电池簇均衡电路拓扑能同时实现公共电容电压的稳定和各个电池簇的电流控制。
7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：各个双向变换器独立控制，当双向直流变换器处于旁路状态时，闭锁其对应的开关管，即开关管的占空比均为零。
8.一种如权利要求1-4任一项所述并联电池簇均衡电路拓扑的均衡方法，其特征在于，包括：
采集电池簇的荷电状态和电池电流实际值，对电池簇的荷电状态进行排序，得到荷电状态最高和最低的电池簇，记为Bata和Batb；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC之内，则不进行均衡控制，所有旁路开关处于闭合状态，双向直流变换器处于旁路状态；
若电池簇Bata、Batb的荷电状态之差在容许范围ΔSOC以外，则电池簇Bata、Batb进行均衡控制，除了电池簇Bata、Batb对应的旁路开关Sa、Sb处于断开状态，其余旁路开关处于闭合状态，对应于电池簇Bata、Batb的双向直流变换器#a、#b进行均衡控制。
9.根据权利要求8所述的均衡方法，其特征在于：双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *，由电池簇Bata、Batb对应的荷电状态SOCa、SOCb和电池电流实际值IBata、IBatb计算，其关系式表示为：
IBata *＝IBata+δ*λ*(SOCa-SOCb)，
IBatb *＝IBatb+δ*λ*(SOCb–SOCa)；
其中δ为充放电状态系数，放电为正，充电为负；λ为荷电状态与电池电量变换系数。
10.根据权利要求9所述的均衡方法，其特征在于：双向变换器#a、#b均衡控制的电池电流给定值IBata *、IBatb *受到最大电池电流Imax、电池电流调节范围ΔI因素的限制。
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