CN114172250B - 一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法 - Google Patents

一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法，它包括整流斩波电路输出所需的直流电压到独立充电控制电路；独立充电控制电路包括n个半桥电路，每个半桥电路连接一个电池，通过PWM周期性设置每个半桥电路的驱动信号的电平高低对半桥电路的通断状态进行控制，实现对每个电池充放电的独立控制；PI控制电路控制连接整流斩波电路，用于当整流斩波电路输出的电压不为设定值时，通过调节占空比使得整流斩波电路输出的电压满足设定值。本发明通过半桥模块实现电池组电池分布接入充电电路，通过一个电压传感器，测出三种情况下每两块电池的电压总量，测得每块电池的电压，既节约了成本，又使成品的体积缩小，可以适合更多种电动车电池组。

Description

一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电池充放电控制技术领域，尤其涉及一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法。
背景技术
由于锂离子电池在生产制造过程中会因设备、工艺和用料的各个环节不同而造成电池容量的不一致。此外，锂离子电池在电动汽车的实际使用过程中，经过复杂的运行工况以及恶劣的运行环境，电池间会产生不一致。电池的不一致性问题严重影响电池组的工作性能，在电池充放电过程中会产生木桶效应：电池组整体进行充电时，容量高的率先达到满充状态，为防止电池过充需要停止充电，未充满的电池经过恶性循环后降低电池组的充电能力；电池组整体进行放电时，容量低的电池率先达到过放状态，容量高的电池由于不能充分放空电量从而会降低电池组的转换效率。电动汽车在实际行驶时电流变化较为复杂，不规则的电压电流变化加剧了电池的不一致性，且由于电池内阻变大、可用容量降低等因素，电池使用寿命缩短，续航里程也同样受到限制，在极端工况下易发生电动汽车的安全事故；因此，如何对电池组中每个电池进行独立的充放电控制是现阶段需要考虑的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法，解决了现有技术中存在的不足。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种电动车电池组充放电控制电路，它包括整流斩波电路、独立充电控制电路和所述PI控制电路；所述整流斩波电路用于将交流电依次经过降压、整流、滤波处理后输出所需的直流电压到所述独立充电控制电路；所述独立充电控制电路包括n个半桥电路，其中n≥2，且为整数，每个半桥电路连接一个电池，通过PWM周期性设置每个半桥电路的驱动信号的电平高低对半桥电路的通断状态进行控制，进而实现对每个电池充放电的独立控制；所述PI控制电路控制连接所述整流斩波电路，用于当整流斩波电路输出的电压不为设定值时，通过调节占空比使得整流斩波电路输出的电压满足设定值。
n个半桥电路和直流电源之间组成串联回路；每个半桥电路包括两个串联的第一三极管和第二三极管，第一三极管连接在电池的正极，第二三极管连接在电池的负极；当某个半桥电路的驱动信号为高电平时，该半桥电路中的第一三极管导通，使得电池接入电路中进行充电，当驱动信号为低电平时，第二三极管导通，使得电池不接入电路中。
PWM驱动信号设置差为360°/n相位角。
所述整流斩波电路包括变压器、整流电路、滤波电路和Buck电路；所述变压器的输入端连接交流电源，对电压进行降压，输出端连接整流电路；整流电路将降压后的正弦电压信号变为在Y轴正向的周期半波信号后输入到滤波电路；滤波电路对电压波形进行稳定后输入到Buck电路；在滤波电路与Buck电路之间连接有一MOS管，MOS管的栅极与所述PI控制电路连接；所述PI控制电路产生相应占空比的触发信号驱动MOS管，使得MOS管输出的信号增大或减小，使得Buck电路输出的电压符合要求。
一种电动车电池组充放电控制电路的控制方法，所述控制方法包括：
PI控制电路发送经过周期设置的PWM驱动信号到整流斩波电路，使其输出满足设定要求的直流电压给独立充电控制电路供电；
判断独立充电控制电路中每个半桥电路驱动信号的电平高低，来判断是否接通或断开半桥电路上连接的电池，并通过设置的PWM驱动信号控制一个周期内接通的电池个数，保证接通电池的串联电压小于或等于电压设定值；
测量一个触发周期内，不同时刻接通的电池的总电压，通过数据计算得到接通的每个电池的电压，进而得到每个电池的SOC；
判断每个电池的SOC是否饱和，当饱和时，则达到饱和电池所接通的半桥电路施加高电平信号，使得饱和的电池与半桥电路的连接断开，如果没有饱和，则继续充电直到饱和。
所述控制方法还包括：
PI控制电路实时监测整流斩波电路输出的电压值，当输出的电压值不满足设定值时，PI控制电路产生相应占空比的触发信号驱动MOS管，使得MOS管输出的信号增大或减小，使得整流斩波电路输出的电压符合要求。
所述PWM驱动信号的周期设置包括：以独立充电控制电路上半桥电路的个量n均分360°相位角，即360°/n，两个半桥电路的驱动信号相位角之差为360°/n的整数倍；则通过控制每个半桥电路驱动信号相位角范围内的驱动信号电平的高低来控制一个周期内每个半桥电路上的电池是否接入或不接入电路。
本发明具有以下优点：一种电动车电池组充放电控制电路及控制方法，通过半桥模块实现电池组电池分布接入充电电路，通过一个电压传感器，测出三种情况下每两块电池的电压总量，测得每块电池的电压，既节约了成本，又使成品的体积缩小，可以适合更多种电动车电池组。
附图说明
图1 为本发明的整流斩波电路图；
图2 为本发明的独立充电控制电路图；
图3 为PWM驱动波形图；
图4 为本发明的PI控制电路图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
本发明具体涉及一种电动车电池组充放电控制电路，它包括整流斩波电路、独立充电控制电路和所述PI控制电路；所述整流斩波电路用于将交流电依次经过降压、整流、滤波处理后输出所需的直流电压到所述独立充电控制电路；所述独立充电控制电路包括n个半桥电路，其中n≥2，且为整数，每个半桥电路连接一个电池，通过PWM周期性设置每个半桥电路的驱动信号的电平高低对半桥电路的通断状态进行控制，进而实现对每个电池充放电的独立控制；所述PI控制电路控制连接所述整流斩波电路，用于当整流斩波电路输出的电压不为设定值时，通过调节占空比使得整流斩波电路输出的电压满足设定值。
如图1所示，主要作用是降压和整流。本发明将220V的交流电源接入变比为10：1的变压器，将电压下降为22V，再通过四个无控制功能的整流二极管组成的不可控整流电路，使得有效值为22V的正弦电压信号变为同在Y轴正向的周期半波信号。电路此处并联一个电容，目的是来消除纹波，使得到电压波形稳定。到了Buck电路部分，由于控制开关的通断和电感的平波作用，得到了输出为U0的直流电压。
U0=DE
D为触发信号的占空比，E为整流后的电压。为减小输出电压的脉动，本发明在Buck电路输出端并联了一个电容，与电路中的电感组成LC滤波电路。使最后得到一个较为平直稳定的直流电压。
如图2所示，本发明巧妙地将常做整流电路的半桥电路视作一种可通过时间自动调节的开关，在半桥电路的驱动信号为高电平时，半桥电路上方的三极管导通，使得这块电池接入充电电路中进行充电，当驱动信号为低电平时，半桥模块的下方三极管导通，使得这块电池断路不接入充电电路中。为了简化，本发明中，用三块串联电池代替电池组。
如图3所示，本发明通过PWM调制，给定一个常值为2/3，当幅值为1的三角波低于常值2/3时，驱动信号为高电平，当三角波高于常值2/3时，驱动信号为低电平。可以得到半桥电路的驱动信号为2/3的高电平，1/3的时间为低电平。本发明将每个半桥模块PWM驱动信号设置差120°的相位角（第一个半桥模块的驱动信号为0°，第二个半桥模块的驱动信号120°，第三个半桥模块驱动信号240°），使得在t1：0至1/3T时，一号和三号电池接入充电电路，二号电池断路；在t2：1/3T至2/3T时，一号和二号电池接入充电电路，三号电池断路；在2/3T至T时，二号和三号电池接入充电电路，一号电池断路。可以通过测量三种时刻电池组的电压总值来进行三块电池的电压测量。
U1=V1+V3，U2=V1+V2 ，U3=V2+V3 ；
其中，V1、V2、V3分别是三个电池的电压，U1、U2、U3分别是一个周期内三个时段分别的总电压；
得到每一个电池的电压，进而估算出每一个电池的SOC，判断出是否饱和。若未饱和，保持电路不变；若饱和，则对该电池的半桥电路的阻断端施加高电平信号，实现对该电池的短路，避免了其过充。
如图4所示，当本发明测得Buck电路输出的电压高或低于两个电池串联电压（10V）时，通过设定值为10的减法器算得误差信号，将其接入PI控制器中，PI控制器的算法如下方公式所示：
控制器输出是比例、积分和导数动作的总和，三者分别用P，I和D独立进行加权。
设置合适的P、I、D就可以实现合适的反馈，计算出结果后PI控制器给PWM一个信号，PWM产生合适占空比的触发信号驱动MOS管，使得MOSFET输出的信号减小或增大，通过PI控制器的控制作用，使得buck电路的输出电压稳定在10V。
本发明可以应用于电动车的电池组主动均衡控制，电池的检测中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种电动车电池组充放电控制电路，其特征在于：它包括整流斩波电路、独立充电控制电路和PI控制电路；所述整流斩波电路用于将交流电依次经过降压、整流、滤波处理后输出所需的直流电压到所述独立充电控制电路；所述独立充电控制电路包括n个半桥电路，其中n≥2，且为整数，每个半桥电路连接一个电池，通过PWM周期性设置每个半桥电路的驱动信号的电平高低对半桥电路的通断状态进行控制，进而实现对每个电池充放电的独立控制；所述PI控制电路控制连接所述整流斩波电路，用于当整流斩波电路输出的电压不为设定值时，通过调节占空比使得整流斩波电路输出的电压满足设定值；
n个半桥电路和直流电源之间组成串联回路；每个半桥电路包括两个串联的第一三极管和第二三极管，第一三极管连接在电池的正极，第二三极管连接在电池的负极；当某个半桥电路的驱动信号为高电平时，该半桥电路中的第一三极管导通，使得电池接入电路中进行充电，当驱动信号为低电平时，第二三极管导通，使得电池不接入电路中；
PWM驱动信号设置差为360°/n相位角。
2.根据权利要求1所述的一种电动车电池组充放电控制电路，其特征在于：所述整流斩波电路包括变压器、整流电路、滤波电路和Buck电路；所述变压器的输入端连接交流电源，对电压进行降压，输出端连接整流电路；整流电路将降压后的正弦电压信号变为在Y轴正向的周期半波信号后输入到滤波电路；滤波电路对电压波形进行稳定后输入到Buck电路；在滤波电路与Buck电路之间连接有一MOS管，MOS管的栅极与所述PI控制电路连接；所述PI控制电路产生相应占空比的触发信号驱动MOS管，使得MOS管输出的信号增大或减小，使得Buck电路输出的电压符合要求。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的一种电动车电池组充放电控制电路的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括：
PI控制电路发送经过周期设置的PWM驱动信号到整流斩波电路，使其输出满足设定要求的直流电压给独立充电控制电路供电；
判断独立充电控制电路中每个半桥电路驱动信号的电平高低，来判断是否接通或断开半桥电路上连接的电池，并通过设置的PWM驱动信号控制一个周期内接通的电池个数，保证接通电池的串联电压小于或等于电压设定值；
测量一个触发周期内，不同时刻接通的电池的总电压，通过数据计算得到接通的每个电池的电压，进而得到每个电池的SOC；
判断每个电池的SOC是否饱和，当饱和时，则达到饱和电池所接通的半桥电路施加高电平信号，使得饱和的电池与半桥电路的连接断开，如果没有饱和，则继续充电直到饱和；
所述控制方法还包括：
PI控制电路实时监测整流斩波电路输出的电压值，当输出的电压值不满足设定值时，PI控制电路产生相应占空比的触发信号驱动MOS管，使得MOS管输出的信号增大或减小，使得整流斩波电路输出的电压符合要求；
所述PWM驱动信号的周期设置包括：以独立充电控制电路上半桥电路的个量n均分360°相位角，即360°/n，两个半桥电路的驱动信号相位角之差为360°/n的整数倍；则通过控制每个半桥电路驱动信号相位角范围内的驱动信号电平的高低来控制一个周期内每个半桥电路上的电池是否接入或不接入电路。
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