CN114784898A - 一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，当不同并联电池簇之间出现电流或者荷电状态不均衡时，根据上级控制指令控制并联电池簇均衡电路的电流流向，控制部分并联回路的功率通过并联电池簇均衡电路传递给其他并联回路，从而实现各个电池簇之间的环流抑制和荷电状态的均衡控制；均衡控制后根据电感电流纹波率以及电容电压纹波率，得出并联电池簇双向变换器输出电感以及串联电容的参数；同时根据双向变换器开关管电压电流应力对开关管进行选型。本发明方法降低输出电感电流以及串联电容电压纹波率，从而更好地实现并联电池簇环流抑制和荷电状态均衡。

Description

一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法

技术领域

本发明属于汽车动力电池技术领域，具体涉及一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法。

背景技术

目前电动汽车技术以及混合动力汽车技术发展迅速，其动力源采用的是将多个电池簇并联在一起从而为汽车供电，因此再此系统中电池的状态检测就会显得尤为重要。因为电池在充放电过程中会由于物理特性的变化导致各电池簇的一致性降低，造成电池簇性能的恶劣甚至损坏，大大降低电池簇的使用寿命。

同时由于电池在生产过程中电压的差异、物理外特性的差异回给后续电池系统的控制带来诸多问题，以及由于长时间电池系统工作在不相等的电流模式下导致后期电池系统的能量差异逐渐变大，以致电池系统能量使用率急速下降，因此开发电池均衡系统并且对电池均衡系统设计非常有必要。

电池内部自身进行电池均衡过程缓慢，而且会收到电池外输出特性的影响。而人工采用均衡设备进行均衡会耗费大量人力、财力而且效率低下，整体均衡时间较长。主动均衡采用芯片设计要求高，管理系统成本高昂，因此均不太适合高效率的电池均衡。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，降低输出电感电流以及串联电容电压纹波率，从而更好地实现并联电池簇环流抑制和荷电状态均衡。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，并联电池簇均衡电路拓扑由电池簇、串联电容、双向变换器和双向DC/DC变换器构成；控制方法为，当不同并联电池簇之间出现电流或者荷电状态不均衡时，根据上级控制指令控制并联电池簇均衡电路的电流流向，控制部分并联回路的功率通过并联电池簇均衡电路传递给其他并联回路，从而实现各个电池簇之间的环流抑制和荷电状态的均衡控制；

均衡控制后根据电感电流纹波率以及电容电压纹波率，得出并联电池簇双向变换器输出电感以及串联电容的参数；同时根据双向变换器开关管电压电流应力对开关管进行选型。

进一步的，双向变换器为带有负载短路开关的复合斩波电路。

进一步的，环流抑制和荷电状态的均衡控制具体为：

并联电池簇均衡电路则会根据上级指令得知每一电池簇的参考值电流，之后根据电流参考值与该电池簇实际输出电流值的大小关系控制对应串联电容输出电压的极性，从而控制并联回路之间功率的流动方向，将部分并联回路的功率通过双向变换器和中间母线传递给其他并联回路，实现各个电池簇的环流抑制或荷电状态均衡。

进一步的，串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为正极性时，将该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值进行比较，所得差值经过PI调节器后与三角载波比较，最终得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第三开关S_i3在此过程中持续关断，第四开关S_i4在此过程中持续导通，第一开关S_i1、第二开关S_i2根据调制结果互补导通，占空比为第一占空比D₁，从而控制串联电压源U_C1、U_C2、……、U_CN在一周期内的电压平均值为正极性。

进一步的，当串联电容输出电压为正极性时，双向变换器的参数设计包括以下步骤：

根据电池输出电流参考值计算串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n电压平均值U_C1＝I_ref1·R_eq-U_Boc+U_o；

根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比

根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值：

根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型。

进一步的，串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为负极性时，将该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值进行比较，所的差值经过PI调节器后与三角载波比较，最终得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第一开关S_i1在此过程中持续关断，第二开关S_i2在此过程中持续导通，第三开关S_i3、第四开关S_i4根据调制结果互补导通，占空比为第二占空比D₂，从而控制串联电容C₁、C₂、……、C_N在一周期内的电压平均值为负极性。

进一步的，当串联电容输出电压为负极性时，双向变换器的参数设计包括以下步骤：

根据电池输出电流参考值计算串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n电压平均值U_C2＝I_ref2·R_eq-U_Boc+U_o；

根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比

根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值：

根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

最后根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型。

进一步的，当串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n输出电压为零时，相应电池簇的电流或者荷电状态不需要均衡的状况，相应的负载短路开关开通。

进一步的，将中间母线电容电压参考值与采样得到的实际中间电容电压值进行比较，所得结果经由PI调节器后得到中间母线电容电压平衡所需电流参考值，然后给到双向DC/DC变换器稳定中间母线电容电压稳定所需电流值，最后与双向DC/DC变换器实际电流值比较经由PI调节器得到双向DC/DC变换器的驱动信号，从而维持在系统运行过程中满足中间母线电容电压波动幅值为零，满足等式

进一步的，比较第一双向变换器、第二双向变换器、……、第n双向变换器对应串联电容为正极性与负极性时的电感与电容设计最小值，选择较大的作为电感以及电容设计的最小标准：

L_0min＝max(L_+min,L_-min),C_0min＝max(C_+min,C_-min)。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明方法通过对双向变换器的输出电感电流纹波、串联电容电压纹波率以及双向变换器开关管的电压电流应力的限制，对双向变换器输出电感、串联电容以及开关管进行设计与选型，有利于减小相应输出电感电流纹波以及串联电容电压纹波，降低损耗。

附图说明

图1是本发明方法的并联电池簇环流抑制控制框图；

图2是本发明方法的并联电池簇荷电状态均衡控制框图；

图3是本发明一种集成环流抑制和荷电状态均衡电路的并联电池簇拓扑结构图；

图4是本发明实施例的拓扑结构图；

图5是本发明实施例的正极性串联电容电压输出驱动信号及相关波形图；

图6是本发明实施例的负极性串联电容电压输出驱动信号及相关波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明，一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，包括：

并联电池簇均衡电路拓扑由电池簇、串联电容、双向变换器和双向DC/DC变换器构成；控制方法为，当不同并联电池簇之间出现电流或者荷电状态不均衡时，均衡电路则会根据上级指令得知每一电池簇的参考值电流，之后根据电流参考值与该电池簇实际输出电流值的大小关系控制对应串联电容输出电压的极性，从而控制并联回路之间功率的流动方向，将部分并联回路的功率通过双向变换器和中间母线传递给其他并联回路，实现各个电池簇的环流抑制或者是荷电状态均衡。

均衡控制后根据电感电流纹波率以及电容电压纹波率，得出并联电池簇双向变换器输出电感以及串联电容的参数；同时根据双向变换器开关管电压电流应力对开关管进行选型。

在本实施例中，如图1所示，当电池簇之间出现荷电状态不均衡或者是电流不均衡的情况，通过控制各个双向变换器以及双向DC/DC变换器中开关管的切换，可将部分并联回路的功率通过并联电池簇公共输出母线传递给其他并联回路，从而实现各个电池簇之间环流的抑制和荷电状态的均衡控制，而对于不需要进行电流或者是荷电状态均衡的电路，只需要开通该模块的双向变换器的负载短路开关以及相关开关管的通断即可实现该电池簇的闭锁。

如图1所示，将中间母线电容电压参考值与采样得到的实际电压值进行比较，所得结果经由PI调节器后得到中间母线电容电压平衡所需电流参考值，然后给到双向DC/DC变换器稳定中间母线电容电压稳定所需电流值，而后与实际电流值比较得到双向DC/DC变换器的驱动信号，从而维持在系统运行过程中满足中间母线电容电压波动幅值为零。

如图1所示，当串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为正时，只需将该电池簇该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值与每一并联电池簇维持中间母线电压平衡所需的额外电流参考值之和进行比较，所的差值经过PI调节器后与三角载波比较，得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第三开关S_i3在此过程中持续关断，第四开关S_i4在此过程中持续导通，第一开关S_i1、第二开关S_i2根据调制结果互补导通，其中第一开关S_i1的占空比为D₁，从而控制串联电容C₁、C₂、……、C_N在一周期内的电压平均值为正极性。

如图1所示，所诉双向变换器为带有负载短路开关的复合斩波电路。当串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为负极性时，只需将该电池簇该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值与每一并联电池簇维持中间母线电压平衡所需的额外电流参考值之和进行比较，所的差值经过PI调节器后与三角载波比较，最终得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第一开关S_i1在此过程中持续关断，第二开关S_i2在此过程中持续导通，第三开关S_i3、第四开关S_i4根据调制结果互补导通，占空比为D₂，从而控制串联电容C₁、C₂、……、C_N在一周期内的电压平均值为负极性。

当串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为零电压时，即该电池簇不需要进行电流或者是荷电状态均衡控制时，只需控制复合斩波电路第五开关M_i开通即可实现相连双向变换器的闭锁，使串联电容C₁、C₂、……、C_N输出电压为零，从而控制该并联回路不进行功率均衡。

如图1和图2所示，将中间母线电容电压参考值与采样得到的实际电压值进行比较，所得结果经由PI调节器后得到中间母线电容电压平衡所需电流参考值，然后给到双向DC/DC变换器稳定中间母线电容电压稳定所需电流值，而后与实际电流值比较得到双向DC/DC变换器的驱动信号，从而保证在系统运行过程中满足中间母线电容电压波动幅值为零，满足等式

如图3所示，是本发明一种并联电池簇的自适应电流控制电路的拓扑结构图。并联电池簇均衡电路拓扑，由电池簇、串联电容、双向变换器和双向DC/DC变换器构成，其中双向变换器为带有负载短路开关的复合斩波电路。

如图4所示，是本发明的一种实施例的具体电路拓扑结构图。

如图3、图4、图5以及图6所示，该并联电池簇均衡电路实施例拓扑的设计步骤如下所示：

设并联电池簇的调节前输出电压为U_o，调节后的输出电压为U_o ^*。第i个电池簇的额定空载电压为U_{Boc_i}，等效内阻为R_{eq_i}，工作状态下第i个电池簇的输出电压为U_{B_i}，输出电流为I_i，第i个串联电容的电压为U_Ci，中间母线电容电压为U_C0；假设电流均衡前第一电池簇、第二电池簇的放电电流分别为I₁,I₂，若I₁＜I₂，则电流均衡后第一电池簇、第二电池簇的放电电流分别为I_ref1＝I₁+ΔI,I_ref2＝I₂-ΔI，双向变换器的工作占空比分别为：D₁,D₂。

若n个电池簇的参数性质均一致，则可设电池簇的额定空载电压为U_Boc，等效内阻为R_eq；

对于电压源电压为正极性：

第一步：根据电池输出电流参考值计算第一串联电容C₁、第二串联电容C₂、……、第n串联电容C_n电压平均值。

在第一电池簇电流均衡过程中：

解得

U_C1＝I_ref1·R_eq-U_Boc+U_o＞0 (2)

第二步：根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

双向变换器的实际功率为：

P₁＝U_C1·I_ref1＝I_ref1 ²·R_eq-U_Boc·I_ref1+U_o·I_ref1＞0 (3)

由于稳定过后，为了维持串联电容上电压稳定，串联电容上的电流平均值为0，所以双向变换器上输出电感上的电感电流平均值为I_ref1；

第三步：根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比；

假设在稳定过后一个周期中串联电容电压值保持不变，则双向变换器的占空比为：

第四步：根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值；

稳态时，电感电流波动峰峰值为：

代入式(2)得：

若以40％电感电流纹波率来计算：

得串联电容电压为正极性时的电感最小值：

第五步：根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

i_C＝i_L-I_ref1 (9)

则其电容电压波动峰峰值为图中积分面积：

若按15％电容电压纹波率来计算：

可得电压源电压为正极性时的串联电容最小值：

第六步：根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型；

开关管流过的最大电流为：

I_s＝1.2I_ref1 (13)

开关管承受的电压为：

U_s＝U_C0 (14)

固所选取的开关管额定电压、额定电流应满足的条件为：

U_N≈2U_s＝2U_C0 (15)

I_N＝2I_s＝2.4I_ref1 (16)

对于电压源电压为负极性：

第一步：根据电池输出电流参考值计算第一串联电容C₁、第二串联电容C₂、……、第n串联电容C_n电压平均值。

在第一电池簇电流均衡过程中：

解得

U_C2＝I_ref2·R_eq-U_Boc+U_o＜0 (18)

第二步：根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

双向变换器的实际功率为：

P₂＝U_C2·I_ref2＝I_ref2 ²·R_eq-U_Boc·I_ref2+U_o·I_ref2＜0 (19)

由于稳定过后，为了维持串联电容上电压稳定，串联电容上的电流平均值为0，所以双向变换器上输出电感上的电感电流平均值为I_ref2；

第三步：根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比；

假设在一个周期中串联电容电压值保持不变，则双向变换器的占空比为：

第四步：根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值；

稳态时，电感电流波动峰峰值为：

代入公式(2)得：

若以40％电感电流纹波率来计算：

得串联电容电压为正极性时的电感最小值：

第五步：根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

i_C＝i_L-I_ref2 (25)

则其电容电压波动峰峰值为图中积分面积：

若按15％电容电压纹波率来计算：

可得串联电容电压为正极性时的串联电容最小值：

第六步：根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型；

开关管流过的最大电流为：

I_s＝1.2I_ref2 (29)

开关管承受的电压为：

U_s＝U_C0 (30)

所选取的开关管额定电压、额定电流应满足的条件为：

U_N≈2U_s＝2U_C0 (31)

I_N＝2I_s＝2.4I_ref2 (32)

最后，令

L₀＝max(L₊,L_-),C₀＝max(C₊,C_-) (33)

则实际电感以及串联电容的参数应满足：

L≥L₀,C≥C₀ (34)

还需要说明的是，在本说明书中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，并联电池簇均衡电路拓扑由电池簇、串联电容、双向变换器和双向DC/DC变换器构成；控制方法为，当不同并联电池簇之间出现电流或者荷电状态不均衡时，根据上级控制指令控制并联电池簇均衡电路的电流流向，控制部分并联回路的功率通过并联电池簇均衡电路传递给其他并联回路，从而实现各个电池簇之间的环流抑制和荷电状态的均衡控制；

均衡控制后根据电感电流纹波率以及电容电压纹波率，得出并联电池簇双向变换器输出电感以及串联电容的参数；同时根据双向变换器开关管电压电流应力对开关管进行选型。

2.根据权利要求1所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，双向变换器为带有负载短路开关的复合斩波电路。

3.根据权利要求1所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，环流抑制和荷电状态的均衡控制具体为：

并联电池簇均衡电路则会根据上级指令得知每一电池簇的参考值电流，之后根据电流参考值与该电池簇实际输出电流值的大小关系控制对应串联电容输出电压的极性，从而控制并联回路之间功率的流动方向，将部分并联回路的功率通过双向变换器和中间母线传递给其他并联回路，实现各个电池簇的环流抑制或荷电状态均衡。

4.根据权利要求3所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为正极性时，将该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值进行比较，所得差值经过PI调节器后与三角载波比较，最终得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第三开关S_i3在此过程中持续关断，第四开关S_i4在此过程中持续导通，第一开关S_i1、第二开关S_i2根据调制结果互补导通，占空比为第一占空比D₁，从而控制串联电压源U_C1、U_C2、……、U_CN在一周期内的电压平均值为正极性。

5.根据权利要求4所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，当串联电容输出电压为正极性时，双向变换器的参数设计包括以下步骤：

根据电池输出电流参考值计算串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n电压平均值U_C1＝I_ref1·R_eq-U_Boc+U_o；

根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比

根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值：

根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型。

6.根据权利要求2所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，串联电容C₁、C₂、……、C_N所需输出电压为负极性时，将该电池簇的电流参考值与采样得到的电流值进行比较，所的差值经过PI调节器后与三角载波比较，最终得到复合斩波电路第一开关S_i1、第二开关S_i2、第三开关S_i3、第四开关S_i4驱动信号，其中第一开关S_i1在此过程中持续关断，第二开关S_i2在此过程中持续导通，第三开关S_i3、第四开关S_i4根据调制结果互补导通，占空比为第二占空比D₂，从而控制串联电容C₁、C₂、……、C_N在一周期内的电压平均值为负极性。

7.根据权利要求2所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，当串联电容输出电压为负极性时，双向变换器的参数设计包括以下步骤：

根据电池输出电流参考值计算串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n电压平均值U_C2＝I_ref2·R_eq-U_Boc+U_o；

根据串联电容电压值以及对应电池簇输出电流参考值得出相应双向变换器的输出功率；

根据中间母线电容电压以及串联电容电压值得出双向变换器的工作占空比

根据电感电流安秒平衡原则得出电感电流波动峰峰值以及电感感值最小值：

根据电容电流计算电容电压波动峰峰值，得出串联电容容值最小值：

最后根据电感电流以及中间母线电压对开关管进行选型。

8.根据权利要求1所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，当串联电容C₁、串联电容C₂、……、串联电容C_n输出电压为零时，相应电池簇的电流或者荷电状态不需要均衡的状况，相应的负载短路开关开通。

9.根据权利要求1所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，将中间母线电容电压参考值与采样得到的实际中间电容电压值进行比较，所得结果经由PI调节器后得到中间母线电容电压平衡所需电流参考值，然后给到双向DC/DC变换器稳定中间母线电容电压稳定所需电流值，最后与双向DC/DC变换器实际电流值比较经由PI调节器得到双向DC/DC变换器的驱动信号，从而维持在系统运行过程中满足中间母线电容电压波动幅值为零，满足等式

10.根据权利要求1所述的一种并联电池簇的自适应电流控制电路的控制与设计方法，其特征在于，比较第一双向变换器、第二双向变换器、……、第n双向变换器对应串联电容为正极性与负极性时的电感与电容设计最小值，选择较大的作为电感以及电容设计的最小标准：

L_0min＝max(L_+min,L_-min),C_0min＝max(C_+min,C_-min)。

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