CN114243818A - 基于双向lc谐振的动力电池均衡与加热复合电路 - Google Patents

基于双向lc谐振的动力电池均衡与加热复合电路 Download PDF

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Abstract

基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路，其通过对LC谐振单元进行双向切换实现动力电池的均衡和加热，创新地设计出主动均衡和加热的复合电路，在不增加外部设备的情况下，解决了现有技术中均衡电流衰减与加热效率低下等技术问题，将均衡电路和加热电路融合，既能均衡电量又能利用同一个电路对低温环境中的动力电池进行加热，提高动力电池的性能，保证动力电池正常工作。均衡和加热过程中谐振频率相对于传统方式减半为
Figure DDA0003383790460000011
减弱了对开关组件精确控制的严苛要求，并有效提高了器件可靠性。系统只需要获取电池单体的电量以及动力电池的温度信息，合理选择电路的功能，就能实现均衡和加热功能之间的协调，不仅成本低，而且实现方式简单可靠。

Description

基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路
技术领域
本发明属于动力电池电量均衡与加热技术领域，尤其涉及一种基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热一体化电路。
背景技术
现有针对动力电池组的充电系统中，主要采用均衡电路来保证电池组内各单体电量的一致性，所基于的原理是将电能从高电量单体向低电量单体传递，但某些情况下使用的LC谐振单元会使回路中压差和电流逐渐减小，因此存在均衡速度及效率不尽人意的问题。
均衡电路有主动均衡和被动均衡两种方式，目前这两种方式的设计除了考虑单体电量均衡这一基本目的以外，均忽略了电量均衡过程中产生的热量。在主动均衡电路中，形成的电流较大，电池内部产生的热量较多，但是这些热量并没有被合理利用。被动均衡电路中主要通过耗能电阻对高电量电池进行放电，耗能电阻产生的热量直接散发到空气中，也存在热能浪费的问题。动力电池在低温环境中会发生性能衰退、易发生爆炸等问题，因此具有低温环境加热的需求，现有解决手段主要是设置加热电路，利用电池内部短路或外部加热部件来使电池升温，然而本领域中尚缺乏将上述均衡过程中产热有效利用于动力电池组低温加热的技术方案。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路，包括：电池组、LC谐振单元、LC方向切换单元、正极母线A+和B+、负极母线A-和B-、温度传感单元；
其中，所述电池组由若干电池单体串联组成；
所述LC方向切换单元包括8个电力电子开关Q1～Q8，以及针对各电池单体设置的单体开关组；所述LC谐振单元正极分别与Q1、Q2、Q5、Q6的一端连接，负极分别与Q3、Q4、Q7、Q8的一端连接；Q1和Q3的另一端与电极母线A+连接，Q2和Q4的另一端与电极母线B+连接，Q5和Q7的另一端与电极母线A-连接，Q6和Q8的另一端与电极母线B-连接；所述单体开关组包括4个开关元件，各电池单体通过各开关元件分别连接所述电极母线A+、B+、A-、B-；
所述温度传感单元用于对每个电池单体的温度进行检测；
均衡时，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①高电量电池单体与LC谐振单元正向连接；②低电量电池单体与LC谐振单元正向连接；③高电量电池单体与LC谐振单元反向连接；④低电量电池单体与LC谐振单元反向连接。
进行上述四种回路连接状态切换实现均衡的原理具体为：当电池组中出现电压较高和较低的单体即具有均衡需求时，首先将高电量电池单体与LC谐振单元正向连接，进入状态①，此时高电量电池单体放电并向LC谐振单元充电，LC谐振单元开始发生衰减振荡，在流经的正弦交流电电流达到第一个过零点时，断开高电量电池单体与LC谐振单元的连接并使其与低电量电池单体正向连接，进入状态②，此时LC谐振单元在压差的作用下将能量传递给低电量电池单体，在第二个电流过零点切换进入状态③，使高电量电池单体与LC谐振单元反向连接，LC谐振单元再次被充电，在第三个电流过零点切换至状态④，使LC谐振单元与低电量电池单体反向连接，从而再次将能量传递至低电量电池。
在经历一次完整的上述循环过程后，LC谐振单元电容没有积攒能量，因此在进入下一循环时电流不会随着电池压差的减小而减小，四个状态中回路电流只与状态①和③的发生第一次衰减振荡时高电量电池单体的电压有关，从而能够在一定程度上克服LC振荡电流逐渐变小的问题，提高了均衡速度和效率。
进一步地，针对电池单体总数为奇数的电池组加热时，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦电流每周期的最后一个过零点，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。
进一步地，针对电池单体总数为偶数的电池组加热时，首先将电池单体分为2组，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①第一组电池单体与LC谐振单元正向连接；②第二电池单体与LC谐振单元正向连接；④第二组电池单体与LC谐振单元反向连接；③第一组电池单体与LC谐振单元反向连接。
进行上述四种回路连接状态切换实现加热的原理具体为：当电池组处于低温环境具有加热需求时，首先将第一组电池单体与LC谐振单元正向连接，进入状态①，此时第一组电池单体放电并向LC谐振单元充电，LC谐振单元开始发生衰减振荡，在流经的正弦交流电电流达到第一个过零点时，断开第一组电池单体与LC谐振单元的连接并使其与第二组电池单体正向连接，进入状态②，此时LC谐振单元在压差的作用下将能量传递给第二组电池单体，在第二个电流过零点切换进入状态④，使LC谐振单元与第二组电池单体反向连接，从而再次将能量传递至低电量电池，第二组电池单体与LC谐振单元反向连接，LC谐振单元再次被充电，在第三个电流过零点切换至状态③。通过该循环过程，使能量通过LC谐振单元在两个电池之间相互流动传递，并由于内阻的作用使两组电池生热。
在经历一次完整的上述循环过程后，两组电池单体交替被充电从而产生热量，LC谐振单元电容没有积攒能量，电流始终保持在一个较高的水平，使得加热速率得到提升。
进一步的，所述电力电子开关采用一对背靠背连接的双向开关MOS管、一对背靠背连接的IGBT或者双向晶闸管。
进一步地，所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
上述本发明所提供的基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路，通过对LC谐振单元进行双向切换来对动力电池进行加热和均衡，创新的设计出主动均衡和加热的复合电路，在不增加外部设备的情况下，解决了现有技术中均衡电流衰减与加热效率低下等技术问题，将均衡电路和加热电路融合，既能均衡电量又能利用同一个电路对低温环境中的动力电池进行加热，提高动力电池的性能，保证动力电池正常工作。均衡和加热过程中谐振频率相对于传统方式减半为
Figure BDA0003383790440000031
工作中四组MOS管的开关状态需要用到四路同步、相位相差90度的控制信号，仍具有一定的精密系要求，但MOS管的开关频率降低后，能够使器件可靠性得到显著提高。系统只需要获取电池单体的电量以及动力电池的温度信息，合理选择电路的功能，就能实现均衡和加热功能之间的协调，不仅成本低，而且实现方式简单可靠。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明中电池和双向LC谐振单元连接的四个状态循环；
图3至为电池单体数为奇数的电池组加热过程中回路状态的循环；
图4至图7为奇数单体加热循环中LC谐振单元的连接关系变化；
图8电池单体数为奇数的电池组加热过程中回路状态的循环；
图9为双向电力电子开关的一种可选形式。
图中，S1-S4n为电池单体开关元件，Q1-Q8为电力电子开关。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供的一种基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路，如图1所示，包括：电池组、LC谐振单元、LC方向切换单元、正极母线A+和B+、负极母线A-和B-、温度传感单元；
其中，所述电池组由若干电池单体串联组成；
所述LC方向切换单元包括8个电力电子开关Q1～Q8，以及针对各电池单体设置的单体开关组；所述LC谐振单元正极分别与Q1、Q2、Q5、Q6的一端连接，负极分别与Q3、Q4、Q7、Q8的一端连接；Q1和Q3的另一端与电极母线A+连接，Q2和Q4的另一端与电极母线B+连接，Q5和Q7的另一端与电极母线A-连接，Q6和Q8的另一端与电极母线B-连接；所述单体开关组包括4个开关元件，各电池单体通过各开关元件分别连接所述电极母线A+、B+、A-、B-；LC谐振单元包括一个可以过大电流的电感，高耐压的无极性电容；
所述温度传感单元用于对每个电池单体的温度进行检测；
需要均衡时，如当两个或多个电池单体之间的SOC差值大于3％时，开启系统的主动均衡模式。所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，把LC谐振单元中靠近电感的位置定义为正，靠近电容的位置定义为负，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①高电量电池单体与LC谐振单元正向连接；②低电量电池单体与LC谐振单元正向连接；③高电量电池单体与LC谐振单元反向连接；④低电量电池单体与LC谐振单元反向连接。完整循环状态变化如图2所示。
进行上述四种回路连接状态切换实现均衡的原理具体为：当电池组中出现电压较高和较低的单体即具有均衡需求时，首先将高电量电池单体与LC谐振单元正向连接，进入状态①，此时高电量电池单体放电并向LC谐振单元充电，LC谐振单元开始发生衰减振荡，在流经的正弦交流电电流达到第一个过零点时，断开高电量电池单体与LC谐振单元的连接并使其与低电量电池单体正向连接，进入状态②，此时LC谐振单元在压差的作用下将能量传递给低电量电池单体，在第二个电流过零点切换进入状态③，使高电量电池单体与LC谐振单元反向连接，LC谐振单元再次被充电，在第三个电流过零点切换至状态④，使LC谐振单元与低电量电池单体反向连接，从而再次将能量传递至低电量电池。每个状态所经历的时间均为
Figure BDA0003383790440000041
因此开关频率为
Figure BDA0003383790440000042
相对于现有技术减半。
在经历一次完整的上述循环过程后，LC谐振单元电容没有积攒能量，因此在进入下一循环时电流不会随着电池压差的减小而减小，四个状态中回路电流只与状态①和③的发生第一次衰减振荡时高电量电池单体的电压有关，从而能够在一定程度上克服LC振荡电流逐渐变小的问题，提高了均衡速度和效率。
在本发明的一个优选实施方式中，针对电池单体总数为奇数的电池组加热时，如图3所示，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦电流每周期的最后一个过零点，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。回路的连接状态如图4-图7所示，图中箭头为回路中电流流向。
在本发明的一个优选实施方式中，针对电池单体总数为偶数的电池组加热时，如图8，首先将电池单体分为2组，如将串联电池组分为上下两个部分，每个部分中串联的电池数量各占综述的一半，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①第一组电池单体与LC谐振单元正向连接；②第二电池单体与LC谐振单元正向连接；④第二组电池单体与LC谐振单元反向连接；③第一组电池单体与LC谐振单元反向连接。
进行上述四种回路连接状态切换实现加热的原理具体为：当电池组处于低温环境具有加热需求时，首先将第一组电池单体与LC谐振单元正向连接，进入状态①，此时第一组电池单体放电并向LC谐振单元充电，LC谐振单元开始发生衰减振荡，在流经的正弦交流电电流达到第一个过零点时，断开第一组电池单体与LC谐振单元的连接并使其与第二组电池单体正向连接，进入状态②，此时LC谐振单元在压差的作用下将能量传递给第二组电池单体，在第二个电流过零点切换进入状态④，使LC谐振单元与第二组电池单体反向连接，从而再次将能量传递至低电量电池，第二组电池单体与LC谐振单元反向连接，LC谐振单元再次被充电，在第三个电流过零点切换至状态③。通过该循环过程，使能量通过LC谐振单元在两个电池之间相互流动传递，并由于内阻的作用使两组电池生热。在经历一次完整的上述循环过程后，两组电池单体交替被充电从而产生热量，LC谐振单元电容没有积攒能量，电流始终保持在一个较高的水平，使得加热速率得到提升。
在本发明的一个优选实施方式中，所述电力电子开关采用一对源极相互连接的MOS管、一对背靠背连接的IGBT或者双向晶闸管。图9示出了由两个N型MOS管源极背靠背连接组成的双向电力电子开关看，两个MOS管的漏极作为输出，图中二极管为MOS管的体内二极管。
图1同时示出了基于本发明的一个针对四单体串联电池组的均衡与加热复合系统。
应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.基于双向LC谐振的动力电池均衡与加热复合电路，其特征在于，所述电路包括：电池组、LC谐振单元、LC方向切换单元、正极母线A+和B+、负极母线A-和B-、温度传感单元；
其中，所述电池组由若干电池单体串联组成；
所述LC方向切换单元包括8个电力电子开关Q1～Q8，以及针对各电池单体设置的单体开关组；所述LC谐振单元正极分别与Q1、Q2、Q5、Q6的一端连接，负极分别与Q3、Q4、Q7、Q8的一端连接；Q1和Q3的另一端与电极母线A+连接，Q2和Q4的另一端与电极母线B+连接，Q5和Q7的另一端与电极母线A-连接，Q6和Q8的另一端与电极母线B-连接；所述单体开关组包括4个开关元件，各电池单体通过各开关元件分别连接所述电极母线A+、B+、A-、B-；
所述温度传感单元用于对每个电池单体的温度进行检测；
均衡时，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①高电量电池单体与LC谐振单元正向连接；②低电量电池单体与LC谐振单元正向连接；③高电量电池单体与LC谐振单元反向连接；④低电量电池单体与LC谐振单元反向连接。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：针对电池单体总数为奇数的电池组加热时，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦电流每周期的最后一个过零点，将所述LC谐振单元与电池组连接方向反向，从而使电池组件内阻产热。
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：针对电池单体总数为偶数的电池组加热时，首先将电池单体分为2组，所述LC方向切换单元通过电力电子开关以及单体开关组件配合动作，在流经LC谐振单元的正弦交流电的每个电流过零点，依次循环切换四种回路连接状态：①第一组电池单体与LC谐振单元正向连接；②第二电池单体与LC谐振单元正向连接；④第二组电池单体与LC谐振单元反向连接；③第一组电池单体与LC谐振单元反向连接。
4.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述电力电子开关采用一对背靠背连接的双向MOS管、一对背靠背连接的IGBT或者双向晶闸管。
5.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述LC谐振单元的谐振频率大于1000Hz。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116722237A (zh) * 2023-06-09 2023-09-08 武汉理工大学 一种动力电池的低温预热电路结构及控制方法

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CN116722237A (zh) * 2023-06-09 2023-09-08 武汉理工大学 一种动力电池的低温预热电路结构及控制方法

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