CN114614550A - 一种电池管理系统的电路拓扑和控制方法 - Google Patents

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CN114614550A CN202210462393.2A CN202210462393A CN114614550A CN 114614550 A CN114614550 A CN 114614550A CN 202210462393 A CN202210462393 A CN 202210462393A CN 114614550 A CN114614550 A CN 114614550A
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Abstract

本发明公开了一种电池管理系统的电路拓扑和控制方法，电路拓扑包括n+1个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+1个LC串联谐振腔和n+1绕组变压器；其中n+1个桥式均压电路的交流侧分别与n+1个LC串联谐振腔串联后连接到n+1绕组变压器的每个绕组上；前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1个桥式均压电路的直流侧与桥式调压电路的直流侧并联；桥式调压电路的交流输出端经LC滤波后与电池组串联形成电池管理系统的总直流端口。本发明可以解决电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题，电路功率低，体积小，开关器件损耗低，单体电池或电池包电压均衡控制简单。

Description

一种电池管理系统的电路拓扑和控制方法
技术领域
本发明属于电池管理系统领域，涉及一种电池管理系统的电路拓扑和控制方法。
背景技术
随着化石能源的日趋枯竭以及气候环境的恶化，全球正在积极发展以太阳能、风能、水能为代表的分布式发电系统。分布式发电系统受外界环境的影响较大，往往具有间歇性和随机性，储能系统作为分布式发电系统中削峰填谷的重要装置，得到了社会各界广泛的关注。单体电池或电池包作为一种重要的储能装置，常常将其进行串联使用。由于生产条件的限制和工作环境的差异，电池组中的单体电池或电池包往往具有不一致性，这种差异会导致单体电池或电池包的电压不均衡，最后对电池组的寿命以及性能造成极大的影响。因此如何实现单体电池或电池包电压均衡是电池管理系统领域研究中的一大难题。
针对电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题，目前存在着两种电压均衡方案：被动均衡和主动均衡。被动均衡利用电阻放电，对电池组中电压较高的单体电池或电池包进行放电，多余的能量以热量形式释放。这种均衡方式不仅效率低而且造成了极大的浪费。主动均衡通过电量转移的方式对电池组中单体电池或电池包电压进行均衡，常见的主动均衡方案有开关电容法、开关电感法、DC-DC变压器法以及谐振变换器法。开关电容法通过对电容元件进行结构上的重组并通过开关器件与电池组相连接，通过将高电压的单体电池或电池包能量转移到电容上，并补充给低电压的单体电池或电池包从而实现电压均衡，虽然其控制简单，但是能量转移效率较低。开关电感法通过对电感元件进行结构上的重组并通过开关器件与电池组相连接，通过将高电压的单体电池或电池包能量转移到电感上，并补充给低电压的单体电池或电池包从而实现电压均衡，该方案在单体电池或电池包过多的时候可能出现能量损失过大的现象。DC-DC变压器法通过将电池组与常见的隔离型DC-DC变换器如反激式电路、正激式电路等相连接；反激式电路是当电压差异过大时，电流通过原边绕组进行储能，而后原边积累的能量通过变换器的二极管对电池进行充电。正激式电路是当电压差异过大时，高电压的单体电池或电池包对应的开关导通，并通过变压器将多余的电能传递给其他单体电池或电池包，由于这两种拓扑都是硬开关，因此管子开关损耗较大，不利于频率的提高。谐振变换器法利用谐振变换器与电池组相连，尽管实现了软开关，降低了开关损耗，但是仅仅降低了开通或者关断损耗中的其中之一开关损耗，另一个开关损耗较高，而且为了实现电压均衡增加了复杂的控制。
综上所述，现有方案存在着低效率、低功率密度及需要电压传感器去检测单体电池或电池包电压完成主动均衡控制，控制较为复杂等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电池管理系统的电路拓扑和控制方法，旨在解决电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题，本发明电路拓扑具有高功率密度、高效率、具有短路保护功能且可以实现双向充电的宽电压范围。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电池管理系统的电路拓扑，包括n+1个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+1个LC串联谐振腔和n+1绕组变压器，n≥1；
其中，n+1个桥式均压电路的交流侧分别与n+1个LC串联谐振腔串联后连接到n+1绕组变压器的每个绕组上；前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1个桥式均压电路的直流侧与桥式调压电路的直流侧并联；桥式调压电路的交流输出端经LC滤波后与电池组串联形成电池管理系统的总直流端口；
所述桥式调压电路为全桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，开关管S3、开关管S4串联组成一个桥臂，两个桥臂并联，两端作为桥式调压电路的直流侧；两个桥臂中点作为桥式调压电路的交流侧。
一种电池管理系统的电路拓扑，包括n+2个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+2个LC串联谐振腔和n+2绕组变压器，n≥1；
其中，n+2个桥式均压电路的交流侧分别与n+2个LC串联谐振腔串联后连接到n+2绕组变压器的每个绕组上；前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1、n+2个桥式均压电路的直流侧串联后与桥式调压电路的直流侧并联；桥式调压电路的交流输出端经LC滤波后与电池组串联形成电池管理系统的总直流端口；
所述桥式调压电路为半桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，桥臂两端作为桥式调压电路的直流侧；桥臂中点以及第n+1、n+2个桥式均压电路串联组成的中点作为桥式调压电路的交流侧。
作为本发明的进一步改进，当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，桥臂两端与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧；桥臂的中点以及开关管Q2的源极作为桥式均压电路的交流侧；
当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，开关管Q3、开关管Q4串联组成一个桥臂，两个桥臂与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧；两个桥臂中点作为桥式均压电路的交流侧。
作为本发明的进一步改进，与桥式调压电路的交流侧连接的滤波电路是L型滤波电路，其中滤波电容C与电池管理系统的总直流端口并联。
作为本发明的进一步改进，电路在电池管理系统的总直流端口以及单体电池或电池组与桥式均压电路之间分别串联保险丝。
作为本发明的进一步改进，还可以包括一个桥式均压电路、一个LC串联谐振腔、一个变压器绕组以及一个负电压补偿电路；桥式均压电路的交流侧与LC串联谐振腔串联后连接到变压器绕组上，桥式均压电路的直流侧与电力电子器件S5、开关管S6串联组成的负电压补偿电路并联，开关管S6的源极以及电力电子器件S5、开关管S6的串联中点作为负电压补偿电路的输出端口，该输出端口与电池组及桥式调压电路经滤波电路的输出端口串联作为电池管理系统的总直流端口；其中电力电子器件S5既可为二极管也可为开关管，且二极管方向与开关管的体二极管方向一致。
一种电池管理系统的电路拓扑的桥式均压电路的控制方法，包括以下步骤：当桥式均压电路为半桥电路时，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给每一个半桥电路的上管Q1和下管Q2，开关管Q1、开关管Q2互补导通；当桥式均压电路为全桥电路时，选用频率与谐振频率相同的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，同一个半桥的上下管互补导通，且不同半桥的上管也互补导通；谐振直流端口电容电压自平衡，从而电池组内各个单体电池或电池包电压主动均衡。
一种电池管理系统的电路拓扑的负电压补偿电路的控制方法，包括以下步骤：当电池组正常放电时，保持下管S6导通，上管S5关断，负电压补偿电路输出电压为0，不影响电路正常工作；当电池管理系统的总直流端口出现短路时，保持下管S6关断，上管S5导通，负电压补偿电路输出负的电容电压。
一种电池管理系统的电路拓扑的控制方法，包括以下步骤：电池组充放电均采用电压电流双闭环的控制策略，将参考电压与电压传感器采集实际电压相减得到电压误差，该电压误差经调节器输出电流参考值，与实际电流相减得到电流误差，该电流误差经调节器输出占空比d，与三角载波比较得到桥式调压电路的开关信号；当电池组放电时，电压传感器采集电池管理系统的总直流端口电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组输出恒定参考电压，若输出电流超过限幅值时，只有电流内环起作用，电池组输出恒定限幅电流，若采集到电池管理系统的总直流端口短路时，将参考电压设为0，从而使电池管理系统的总直流端口输出电压为0；当电池组充电时，采用先恒流后恒压的充电模式，恒流阶段只有电流内环起作用，电池组以恒定电流进行充电，恒压阶段电池组电压接近于满电电压，电压传感器采集单体电池或电池包B1正极与电感L和桥式调压电路串联处之间的电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组以恒压模式进行充电。
作为本发明的进一步改进，电池组充放电时，电池管理系统的总直流端口电压Vin与单体电池或电池包电压Vb、单体电池或电池包个数n、占空比d和变压器匝比k之间的表达式为：
Vin＝(2d-1)kVb+nVb (1)
其中，Vin表示电池管理系统的总直流端口电压，d表示开关管S2、开关管S3的占空比，k表示变压器变比，n表示单体电池或电池包个数，n≥1，Vb表示一个单体电池或电池包电压。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种高功率密度、高效率的电池管理系统电路拓扑，可以解决电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题。具体是电池组充放电过程中大部分功率不流经开关器件，只有桥式调压电路的一小部分功率流经开关器件，电路功率低，体积小，开关器件损耗低，具有高效率和高功率密度特性；并且由于LC串联谐振腔的存在，开关器件开关频率与谐振频率相等，同时减小了开通损耗和关断损耗，进一步提高了效率；除此之外，电路控制简单，只需给桥式均压电路开关器件施加同步的占空比为50％的互补方波，该方波频率与开关频率相等，即可实现电池组中单体电池或电池包电压的主动均衡。
附图说明
图1为本发明所提一种电池管理系统的电路拓扑；
图2为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图3为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图4为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图5为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图6为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图7为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图8为本发明所提另一种电池管理系统的电路拓扑；
图9为本发明所提电池管理系统的控制框图；
图10为本发明实施例3中电池管理系统的电路拓扑；
图11为本发明实施例3中电池组主动均衡仿真波形图；
图12为本发明实施例3中电池组放电稳态输出波形图；
图13为本发明实施例3中电池组放电动态输出波形图；
图14为本发明实施例3中电池组放电限流输出波形图；
图15为本发明实施例3中电池组放电宽范围输出波形图；
图16为本发明实施例3中电池组放电短路保护波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。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。
本发明提供了一种高功率密度、高效率的电池管理系统电路拓扑和控制方法，可以解决电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题，电路功率低，体积小，开关器件损耗低，单体电池或电池包电压均衡控制简单。
本发明提出的拓扑具有如下显著优势：电池组充放电过程中大部分功率不流经开关器件，只有桥式调压电路的一小部分功率流经开关器件，电路功率低，体积小，开关器件损耗低，具有高效率和高功率密度特性；并且由于LC串联谐振腔的存在，开关器件开关频率与谐振频率相等，同时减小了开通损耗和关断损耗，进一步提高了效率；除此之外，电路控制简单，只需给桥式均压电路开关器件施加同步的占空比为50％的互补方波，该方波频率与开关频率相等，即可实现电池组中单体电池或电池包电压的主动均衡。
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
图1所示为本发明一种电池管理系统的电路拓扑，包括n+1个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+1个LC串联谐振腔和n+1绕组变压器，n≥1。
当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，桥臂两端与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧，桥臂的中点以及开关管Q2的源极作为桥式均压电路的交流侧；
当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，开关管Q3、开关管Q4串联组成一个桥臂，两个桥臂与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧，两个桥臂中点作为桥式均压电路的交流侧。
每个桥式均压电路交流侧的一个端子先与谐振电容Cr串联，再与谐振电感Lr串联，谐振电容Lr和谐振电感Cr串联组成LC串联谐振腔，谐振电感Lr的另一端连接变压器绕组的一端，变压器绕组的另一端与桥式均压电路交流侧的另一端相连。
前n个桥式均压电路的直流侧与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1个桥式均压电路的直流侧与桥式调压电路的直流侧并联。
桥式调压电路为全桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，开关管S3、开关管S4串联组成一个桥臂，两个桥臂并联，两端作为桥式调压电路的直流侧，两个桥臂中点作为桥式调压电路的交流侧；开关管S3、开关管S4串联组成桥臂的中点与滤波电感L串联，滤波电感L与一个滤波电容C串联，滤波电容C接到开关管S1、开关管S2串联组成桥臂的中点，电容C的两端是桥式调压电路的输出端。
n个单体电池或电池包和桥式调压电路输出端串联形成电池管理系统的总直流端口。桥式调压电路的交流侧连接的滤波电路还可以是L型滤波电路，其中滤波电容C与电池管理系统的总直流端口并联，其结构如图3所示。
作为优选实施例，为了增加电路的短路保护功能，电路可以在电池管理系统的总直流端口以及单体电池或电池组与桥式均压电路之间分别串联保险丝实现短路保护。
作为优选实施例，电路在单体电池或电池组与桥式调压电路之间串联保险丝可以防止桥式均压电路上下管直通故障时电池燃烧；在电池管理系统的总直流端口串联保险丝可以实现输出短路保护。
作为优选实施例，电路输出短路保护也可以在电路中增加一个桥式均压电路、一个LC串联谐振腔、一个变压器绕组以及一个负电压补偿电路实现短路保护，桥式均压电路交流侧与LC串联谐振腔串联后连接到变压器绕组上，直流侧与电力电子器件S5、开关管S6串联组成的负电压补偿电路并联，开关管S6的源极以及电力电子器件S5、开关管S6的串联中点作为负电压补偿电路的输出端口，该输出端口与电池组及桥式调压电路经滤波电路的输出端口串联作为电池管理系统的总直流端口，其结构如图5及图7所示。其中电力电子器件S5既可为二极管也可为开关管，且二极管方向与开关管的体二极管方向一致。
对于桥式均压电路的控制方法，包括以下步骤:
当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2互补导通，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给开关管Q1和Q2；当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q4同步导通，开关管Q2、开关管Q3同步导通，开关管Q1、开关管Q4与开关管Q2、开关管Q3互补导通，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给开关管Q1、开关管Q4和开关管Q2、开关管Q3；上述控制利用变压器磁路均衡的机理，实现了谐振直流端口电容电压自平衡，从而实现了电池组内各个单体电池或电池包电压的主动均衡。
对于负电压补偿电路的控制方法，当电池组正常放电时，保持下管S6导通，上管S5关断，负电压补偿电路输出电压为0，不影响电路正常工作；当电池管理系统总直流端口出现短路时，保持下管S6关断，上管S5导通，负电压补偿电路输出负的电容电压。
n个单体电池或电池包串联并与桥式调压电路输出端串联作为输出在结构上可以使绝大部分功率不流经开关电路而直接在电池组和输出端之间流动，降低了开关电路功率，减小了损耗。桥式调压电路开关管S1、开关管S4同步导通并与开关管S2、开关管S3互补，当开关管S2、开关管S3导通时，桥式调压电路输出电压等于电容电压Vc，当开关管S1、开关管S4导通时，桥式调压电路输出电压等于负的电容电压-Vc。桥式调压电路采用PWM控制，给定一个输出指定电压，指定电压范围在电容电压Vc和负的电容电压-Vc之间，通过将指令电压与三角载波进行比较得到PWM波去控制电路中的开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4，从而输出对应指定电压的PWM波；改变变压器变比可以改变桥式调压电路直流侧电压Vc，即可实现对桥式调压电路输出电压范围的改变。
电池组充放电均采用电压电流双闭环的控制策略，其控制框图如图9所示，将参考电压与电压传感器采集实际电压相减得到电压误差，该电压误差经调节器输出电流参考值，与实际电流相减得到电流误差，该电流误差经调节器输出占空比d，与三角载波比较得到桥式调压电路的开关信号；当电池组放电时，电压传感器采集电池管理系统的总直流端口电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组输出恒定参考电压，若输出电流超过限幅值时，只有电流内环起作用，电池组输出恒定限幅电流，若采集到电池管理系统的总直流端口短路时，将参考电压设为0，从而使电池管理系统的总直流端口输出电压为0；当电池组充电时，采用先恒流后恒压的充电模式，恒流阶段只有电流内环起作用，电池组以恒定电流进行充电，恒压阶段电池组电压接近于满电电压，电压传感器采集单体电池或电池包B1正极与电感L和桥式调压电路串联处之间的电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组以恒压模式进行充电。
电池组充放电时，电池管理系统的总直流端口电压Vin与单体电池或电池包电压Vb、单体电池或电池包个数n、占空比d和变压器匝比k之间的表达式为：
Vin＝(2d-1)kVb+nVb (1)
其中Vin表示电池管理系统的总直流端口电压，d表示开关管S2、开关管S3的占空比，k表示变压器变比，n表示单体电池或电池包个数，n≥1，Vb表示一个单体电池或电池包电压。根据上述关系，由于调压电路输出电压可正可负，从而实现了电池组电压和电池管理系统的总直流端口电压均可实现宽范围调节的能力，具体调节范围由单体电池或电池包的充电截至电压和放电截至电压以及变压器变比共同决定。
实施例2
本发明还提出如图2所示的另一种电池管理系统的电路拓扑，包括n+2个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+2个LC串联谐振腔和n+2绕组变压器，n≥1。
当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，桥臂两端与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧，桥臂的中点以及开关管Q2的源极作为桥式均压电路的交流侧；
当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，开关管Q3、开关管Q4串联组成一个桥臂，两个桥臂与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧，两个桥臂中点作为桥式均压电路的交流侧。
每个桥式均压电路交流侧的一个端子先与谐振电容Cr串联，再与谐振电感Lr串联，谐振电容Lr和谐振电感Cr串联组成LC串联谐振腔，谐振电感Lr的另一端连接变压器绕组的一端，变压器绕组的另一端与桥式均压电路交流侧的另一端相连。
前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1、n+2个桥式均压电路的直流侧串联后与桥式调压电路的直流侧并联。桥式调压电路为半桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，两端作为桥式调压电路的直流侧，桥臂中点以及第n+1个桥式均压电路的直流侧与第n+2个桥式均压电路的直流侧串联后组成桥臂的中点作为桥式调压电路的交流侧；开关管S1、开关管S2串联组成桥臂的中点与滤波电感L串联，滤波电感L与一个滤波电容C串联，滤波电容C接到第n+1个桥式均压电路的直流侧与第n+2个桥式均压电路的直流侧串联后组成桥臂的中点，电容C的两端是桥式调压电路的输出端。n个单体电池或电池包和桥式调压电路输出端串联形成电池管理系统的总直流端口。
桥式调压电路的交流侧连接的滤波电路还可以是L型滤波电路，此时滤波电容C与电池管理系统的总直流端口并联，其结构如图4所示。
作为优选实施例，为了增加电路的短路保护功能，电路可以在电池管理系统的总直流端口以及单体电池或电池组与桥式均压电路之间分别串联保险丝实现短路保护。电路在单体电池或电池组与桥式调压电路之间串联保险丝可以防止桥式均压电路上下管直通故障时电池燃烧；在电池管理系统的总直流端口串联保险丝可以实现输出短路保护。
作为优选实施例，电路输出短路保护也可以在电路中增加一个桥式均压电路、一个LC串联谐振腔、一个变压器绕组以及一个负电压补偿电路实现短路保护，桥式均压电路交流侧与LC串联谐振腔串联后连接到变压器绕组上，直流侧与电力电子器件S5、开关管S6串联组成的负电压补偿电路并联，开关管S6的源极以及电力电子器件S5、开关管S6的串联中点作为负电压补偿电路的输出端口，该输出端口与电池组及桥式调压电路经滤波电路的输出端口串联作为电池管理系统的总直流端口，其结构如图6及图8所示。其中电力电子器件S5既可为二极管也可为开关管，且二极管方向与开关管的体二极管方向一致。
对于桥式均压电路的控制方法，具体包括：
当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2互补导通，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给开关管Q1和Q2；当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q4同步导通，开关管Q2、开关管Q3同步导通，开关管Q1、开关管Q4与开关管Q2、开关管Q3互补导通，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给开关管Q1、开关管Q4和开关管Q2、开关管Q3；上述控制利用变压器磁路均衡的机理，实现了谐振直流端口电容电压自平衡，从而实现了电池组内各个单体电池或电池包电压的主动均衡。
对于负电压补偿电路的控制方法，当电池组正常放电时，保持下管S6导通，上管S5关断，负电压补偿电路输出电压为0，不影响电路正常工作；当电池管理系统总直流端口出现短路时，保持下管S6关断，上管S5导通，负电压补偿电路输出负的电容电压。
n个单体电池或电池包串联并与桥式调压电路输出端串联作为输出在结构上可以使绝大部分功率不流经开关电路而直接在电池组和输出端之间流动，降低了开关电路功率，减小了损耗。桥式调压电路开关管S1、开关管S2互补导通，当开关管S1导通时，调压电路输出电压等于电容电压Vc，当开关管S2导通时，调压电路输出电压等于负的电容电压-Vc。桥式调压电路采用PWM控制，给定一个输出指定电压，指定电压范围在电容电压Vc和负的电容电压-Vc之间，通过将指令电压与三角载波进行比较得到PWM波去控制电路中的开关管S1、开关管S2，从而输出对应指定电压的PWM波；改变变压器变比可以改变桥式调压电路直流侧电压Vc，即可实现对桥式调压电路输出电压范围的改变。
电池组充放电均采用电压电流双闭环的控制策略，其控制框图如图9所示，将参考电压与电压传感器采集实际电压相减得到电压误差，该电压误差经调节器输出电流参考值，与实际电流相减得到电流误差，该电流误差经调节器输出占空比d，与三角载波比较得到桥式调压电路的开关信号；当电池组放电时，电压传感器采集电池管理系统的总直流端口电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组输出恒定参考电压，若输出电流超过限幅值时，只有电流内环起作用，电池组输出恒定限幅电流，若采集到电池管理系统的总直流端口短路时，将参考电压设为0，从而使电池管理系统的总直流端口输出电压为0；当电池组充电时，采用先恒流后恒压的充电模式，恒流阶段只有电流内环起作用，电池组以恒定电流进行充电，恒压阶段电池组电压接近于满电电压，电压传感器采集单体电池或电池包B1正极与电感L和桥式调压电路串联处之间的电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组以恒压模式进行充电。
电池组充放电电压表达式与发明1中公式(1)一致。
本发明实施例及图中开关并联二极管的符号指代所有类型的开关管，实际应用中开关管可以是硅基MOSFET、硅基IGBT、碳化硅基MOSFET、碳化硅基IGBT、氮化镓基FET等的其中一种。
以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。以下实施例以4个单体电池或电池包串联组成一个电池组为例。
实施例3
在本实施例中，桥式均压电路使用半桥电路，电池管理系统的电路拓扑如图10所示，电路具体参数如表1所示，通过MATLAB/Simulink对电路进行仿真。
表1变换器具体参数
Figure BDA0003622563710000141
为了验证该电路具有主动均衡单体电池或电池包电压的能力，将四个单体电池或电池包初始电压分别设置为10V、8V、10V、12V，在不加负载的情况下，开环控制桥式均压电路的开关管Q1、开关管Q2以50％占空比互补导通，结果如图11所示，可以看出，在0.02s内四个单体电池或电池包电压趋向一致。
将单体电池或电池包电压设置为12V，输出电压给定值设置为50V，经过闭环控制，电路稳态波形如图12所示，其中Vb1表示单体电池或电池包B1两端电压，ib1表示流过单体电池或电池包B1的电流，Vlc表示半桥交流侧电压为50％占空比的方波，ilc表示谐振电流为正弦波，Vo表示输出电压，io表示输出电流。为了验证其稳压输出功能，在0.05s时将负载由3.33kW投入到5kW，电路的动态波形如图13所示，可以看出输出电流由66.67A变为100A，输出电压跌落后在1ms内回升到50V。
为了验证限流输出功能，电路的动态波形如图14所示，在0.05s时负载突变，输出电流超出限流值，被限制到120A，此时电池组恒流输出。
为了验证宽范围输出功能，将单体电池或电池包电压设置为12V，输出电压给定值在6ms内由40V变化到60V，电路的动态波形如图15所示，可以看出输出电压跟随电压给定值从40V变化到60V。
为了验证短路保护功能，将单体电池或电池包电压设置为12V，在0.05s时将开关S5闭合，开关S6断开，同时将参考电压设为0，电路的动态波形如图16所示，可以看出输出电压和输出电流在0.01s内下降为0，实现了对电路的短路保护。
本发明应用于电池管理系统的电池组充放电，可以解决电池组中单体电池或电池包电压不均衡的问题，电路功率低，体积小，开关器件损耗低，单体电池或电池包电压均衡控制简单。在电池管理系统领域，提供了高功率密度、高效率的电路拓扑和控制方法，解决电压不均衡的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，包括n+1个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+1个LC串联谐振腔和n+1绕组变压器，n≥1；
其中，n+1个桥式均压电路的交流侧分别与n+1个LC串联谐振腔串联后连接到n+1绕组变压器的每个绕组上；前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1个桥式均压电路的直流侧与桥式调压电路的直流侧并联；桥式调压电路的交流输出端经LC滤波后与电池组串联形成电池管理系统的总直流端口；
所述桥式调压电路为全桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，开关管S3、开关管S4串联组成一个桥臂，两个桥臂并联，两端作为桥式调压电路的直流侧；两个桥臂中点作为桥式调压电路的交流侧。
2.一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，包括n+2个桥式均压电路、1个桥式调压电路、n+2个LC串联谐振腔和n+2绕组变压器，n≥1；
其中，n+2个桥式均压电路的交流侧分别与n+2个LC串联谐振腔串联后连接到n+2绕组变压器的每个绕组上；前n个桥式均压电路的直流侧分别与串联连接的n个单体电池或电池包并联，第n+1、n+2个桥式均压电路的直流侧串联后与桥式调压电路的直流侧并联；桥式调压电路的交流输出端经LC滤波后与电池组串联形成电池管理系统的总直流端口；
所述桥式调压电路为半桥电路，开关管S1、开关管S2串联组成一个桥臂，桥臂两端作为桥式调压电路的直流侧；桥臂中点以及第n+1、n+2个桥式均压电路串联组成的中点作为桥式调压电路的交流侧。
3.根据权利要求1或2所述的一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，当桥式均压电路为半桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，桥臂两端与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧；桥臂的中点以及开关管Q2的源极作为桥式均压电路的交流侧；
当桥式均压电路为全桥电路时，开关管Q1、开关管Q2串联组成一个桥臂，开关管Q3、开关管Q4串联组成一个桥臂，两个桥臂与一个电容C1并联作为桥式均压电路的直流侧；两个桥臂中点作为桥式均压电路的交流侧。
4.根据权利要求1或2所述的一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，与桥式调压电路的交流侧连接的滤波电路是L型滤波电路，其中滤波电容C与电池管理系统的总直流端口并联。
5.根据权利要求1或2所述的一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，电路在电池管理系统的总直流端口以及单体电池或电池组与桥式均压电路之间分别串联保险丝。
6.根据权利要求1或2所述的一种电池管理系统的电路拓扑，其特征在于，还可以包括一个桥式均压电路、一个LC串联谐振腔、一个变压器绕组以及一个负电压补偿电路；桥式均压电路的交流侧与LC串联谐振腔串联后连接到变压器绕组上，桥式均压电路的直流侧与电力电子器件S5、开关管S6串联组成的负电压补偿电路并联，开关管S6的源极以及电力电子器件S5、开关管S6的串联中点作为负电压补偿电路的输出端口，该输出端口与电池组及桥式调压电路经滤波电路的输出端口串联作为电池管理系统的总直流端口；其中电力电子器件S5既可为二极管也可为开关管，且二极管方向与开关管的体二极管方向一致。
7.如权利要求1或2所述的一种电池管理系统的电路拓扑的控制方法，其特征在于，桥式均压电路的控制方法包括以下步骤：
当桥式均压电路为半桥电路时，选用同步的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，该方波信号频率与谐振频率相同，分别施加给每一个半桥电路的开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1、开关管Q2互补导通；
当桥式均压电路为全桥电路时，选用频率与谐振频率相同的占空比为50％的方波信号作为驱动信号，同一个半桥的上下管互补导通，且不同半桥的上管互补导通；谐振直流端口电容电压自平衡，从而电池组内各个单体电池或电池包电压主动均衡。
8.如权利要求6所述的一种电池管理系统的电路拓扑的控制方法，其特征在于，负电压补偿电路的控制方法包括以下步骤：
当电池组正常放电时，保持下管S6导通，上管S5关断，负电压补偿电路输出电压为0，不影响电路正常工作；当电池管理系统的总直流端口出现短路时，保持下管S6关断，上管S5导通，负电压补偿电路输出负的电容电压。
9.如权利要求1、2或6所述的一种电池管理系统的电路拓扑的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
电池组充放电均采用电压电流双闭环的控制策略，将参考电压与电压传感器采集实际电压相减得到电压误差，该电压误差经调节器输出电流参考值，与实际电流相减得到电流误差，该电流误差经调节器输出占空比d，与三角载波比较得到桥式调压电路的开关信号；
当电池组放电时，电压传感器采集电池管理系统的总直流端口电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组输出恒定参考电压，若输出电流超过限幅值时，只有电流内环起作用，电池组输出恒定限幅电流；若采集到电池管理系统的总直流端口短路时，将参考电压设为0，从而使电池管理系统的总直流端口输出电压为0；
当电池组充电时，采用先恒流后恒压的充电模式，恒流阶段只有电流内环起作用，电池组以恒定电流进行充电，恒压阶段电池组电压接近于满电电压，电压传感器采集单体电池或电池包B1正极与电感L和桥式调压电路串联处之间的电压，电压外环与电流内环一起控制使电池组以恒压模式进行充电。
10.根据权利要求9所述的一种电池管理系统的电路拓扑的控制方法，其特征在于，
电池组充放电时，电池管理系统的总直流端口电压Vin与单体电池或电池包电压Vb、单体电池或电池包个数n、占空比d和变压器匝比k之间的表达式为：
Vin＝(2d-1)kVb+nVb (1)
其中，Vin表示电池管理系统的总直流端口电压，d表示开关管S2、开关管S3的占空比，k表示变压器变比，n表示单体电池或电池包个数，n≥1，Vb表示一个单体电池或电池包电压。
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