CN205355881U - 基于三谐振状态LC变换的Adjacent Cell-to-Cell均衡电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于三谐振状态LC变换的Adjacent Cell-to-Cell均衡电路，均衡电路主要包括微控制器、N节电池单体和N-1个三谐振状态LC变换模块，每相邻的两节电池单体共用一个三谐振状态LC变换模块；微控制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号控制三谐振状态LC谐振变换交替工作在充电、放电和释放状态。本实用新型由于释放状态的引入，将电容C进一步放电并反向充电，一方面增大了均衡电流；另一方面也获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条件。

Description

基于三谐振状态LC变换的Adjacent Cell-to-Cell均衡电路
技术领域
本实用新型涉及一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路。
背景技术
锂离子动力电池具有能量密度高、自放电率低和没有记忆效应等优点，是电动汽车和混合动力电动汽车的主要用动力电池。然而，由于电池单体的电压较低，为了获得较高的电压等级在实际应用中多以串联形式使用。不幸的是，串联锂电池组带来了一个更加严峻的问题：电池单体间内阻或容量存在的微小差异，可能导致电池单体间电压或SOC的极度不均衡。此外，在数次充放电循环后，这种不均衡现象会越来越严重，极大地减小了电池组的可用容量和循环寿命。甚至，会引起爆炸、起火等安全事故。因此，必须对串联电池组进行均衡管理。
中国实用新型专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而实现电池组电压的均衡。但是该方法开关损耗高、均衡电流小，且不能实现电池单体间零电压差均衡。
中国发明专利(专利号ZL201310278475.2)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。为此，中国实用新型(专利号ZL201320660950.8)和中国发明专利(专利号ZL201310507016.7)提出一种基于升压变换和软开关的CelltoCell电池均衡电路，该实用新型使用一个Boost升压变换将电池组中电压最高的电池单体升压至一个较高的电压，以实现大电流、零电压差均衡；使用一个LC谐振变换模块以实现零电流开关均衡，减少了能量浪费、提高了均衡效率。但是，该实用新型存在的主要问题是：均衡效率与电池单体间电压差成反比，电压差越大，均衡效率越低。
实用新型内容
本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，本实用新型通过相邻的两节电池单体共用一个三谐振状态LC变换模块，微控制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号控制三谐振状态LC谐振变换交替工作在充电、放电和释放状态，可实现电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡，获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条件，并且可通过选择不同的L、C参数来调节电路的均衡时间和提高均衡效率。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，包括多个电池单体、微控制器和三谐振状态LC变换模块，其中：
所述多个电池单体一一串联，每两个相邻的电池单体之间连接有三谐振状态LC变换模块；
所述微控制器，包括模数转换模块和脉冲宽度调制信号输出端，其中，所述模数转换模块通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；
所述脉冲宽度调制信号输出端通过驱动电路产生控制驱动信号，控制每个三谐振状态LC变换模块的工作；
所述三谐振状态LC变换模块，包括并联在每个电池单体上的MOS管组、LC串联谐振电路和并联在LC串联谐振电路上的MOS管支路，其中，所述MOS管组包括两个串联的MOS管，LC串联谐振电路的两个端点分别连接在两个相邻的MOS管组的中点。
所述脉冲宽度调制信号输出端的信号由三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号组成。
进一步的，所述三谐振状态LC变换模块包括一个由四个MOS管串联组成的支路、一个LC串联谐振电路和一个MOS管支路，其中，四个MOS管串联支路有五个端，第一端连接于两个相邻串联电池模块的正极；第二端连接于LC串联谐振电路的一端；第三端连接于两个相邻串联电池模块的公共端；第四端连接于LC串联谐振电路的另一端；第五端连接于两个相邻串联电池模块的负极；MOS管支路与LC串联谐振电路并联。
所述三谐振状态LC变换模块在三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号的控制下，交替工作在充电状态、放电状态和释放状态。
当三路方波信号频率等于LC串联谐振电路的固有谐振频率的三分之二时，电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡。
进一步的，所述充电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路与电压高的电池单体并联，实现电压高的电池单体给LC串联谐振电路充电。
所述放电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路与电压低的电池单体并联，实现LC串联谐振电路给电压低的电池单体充电。
所述释放状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路短路，实现电容C的进一步放电并反向充电，以提高下一状态的均衡电流。另一方面，也获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条件。
所述三谐振状态LC变换模块为双向变换器，通过改变三路方波信号的相序，获得相邻电池单体间能量的任意流动。
一种基于上述均衡电路的控制方法，包括以下步骤：
(1)微控制器将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；
(2)微控制器根据每个电池单体的电压，计算每两个相邻的电池单体的电压差，若差值超过电池均衡阈值，根据两个电池单体的高电压和低电压，确定脉冲宽度调制信号的相序，发送给对应的三谐振状态LC变换模块；
(3)微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使其交替工作在充电、放电和释放三个状态，实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体，直至两个相邻电池单体的电压差低于电池均衡阈值。
所述方法中，通过选择三谐振状态LC变换模块中不同的L、C参数调节均衡电路的均衡时间和均衡效率，打破了均衡效率与电池单体间电压差成反比的耦合关系。
所述步骤(2)中，当三路脉冲宽度调制信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率的三分之二时，实现能量的零电流开关传递。
本实用新型的工作原理为：
微控制器借助模数转换模块获取电池组各单体电压，进而对相邻的两节电池单体电压进行比较，确定需要均衡的相邻电池单体，并判断出高电压者和低电压者；然后，微控制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号控制三谐振状态LC变换模块，使其交替工作在充电、放电和释放三个状态，从而将能量从相邻电池单体中的高电压者转移到低电压者。释放状态的引入为大电流、零电压差均衡提供了条件。特别地，当微控制器发出的三路PWM信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率的三分之二时，可以实现零电流开关均衡。
本实用新型的有益效果为：
(1)由于电路工作在三谐振状态，能够实现电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡，极大地减小了开关损耗，可使均衡电路工作在更高频率下，有利于减小均衡电路体积；
(2)由于释放状态的引入，解决了传统Cell-to-Cell型均衡电路均衡电流小、均衡时间长的问题，适用于大容量的动力电池组；
(3)由于释放状态的引入，有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体间零电压差的难题。
(4)通过选择不同的L、C参数可调节均衡电路的均衡时间并提高均衡效率，打破了均衡效率与电压差成反比的耦合关系，可满足不同的应用需求，实用性广。
附图说明
图1(a)为本实用新型基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的n节电池单体的均衡示意图；
图1(b)为本实用新型基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的2节电池单体的均衡电路图；
图2(a)为本实用新型的三谐振状态LC变换在VB0>VB1时充电状态工作原理图；
图2(b)为本实用新型的三谐振状态LC变换在VB0>VB1时放电状态工作原理图；
图2(c)为本实用新型的三谐振状态LC变换在VB0>VB1时释放状态工作原理图；
图3为本实用新型的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的理论波形图；
图4(a)为本实用新型的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压VC的实验波形图，其中，开关顺序是(Q0,Q2),(Q1,Q3),Q4，能量从B0传递到B1；
图4(b)为本实用新型的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压VC的实验波形图，其中，为开关顺序是(Q1,Q3),(Q0,Q2),Q4，能量从B1传递到B0；
图5为本实用新型对4节相邻电池单体进行均衡实验图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，包括微控制器、N节电池单体和N-1个三谐振状态LC变换模块，其中每相邻的两节电池单体共用一个三谐振状态LC变换模块，微控制器连接各个三谐振状态LC变换模块和所有电池单体。
微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而获得电池组中电池单体的电压；
脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接三谐振状态LC变换模块，用于产生三谐振状态LC变换中MOS管开关的控制驱动信号；
脉冲宽度调制PWM信号由三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号组成。
三谐振状态LC变换模块包括一个由四个MOS管串联组成的支路、一个LC串联谐振电路和一个MOS管支路。其中四个MOS管串联支路有五个端，第一端连接于两个相邻串联电池模块的正极；第二端连接于LC串联谐振电路的一端；第三端连接于两个相邻串联电池模块的公共端；第四端连接于LC串联谐振电路的另一端；第五端连接于两个相邻串联电池模块的负极。一个MOS管支路与LC串联谐振电路并联。
三谐振状态LC变换模块在三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号的控制下，交替工作在充电状态、放电状态和释放状态，特别地，当三路PWM信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率的三分之二时，可实现电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡。
充电状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路与电压高的电池单体并联，实现电压高的电池单体给LC串联谐振电路充电。
放电状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路与电压低的电池单体并联，实现LC串联谐振电路给电压低的电池单体充电。
释放状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路短路，实现电容C的进一步放电并反向充电，以提高下一状态的均衡电流。另一方面，也获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条件。
三谐振状态LC变换模块为双向变换器，通过改变所述三路PWM信号的相序，实现相邻电池单体间能量的任意流动。
通过选择不同的L、C参数可调节均衡电路的均衡时间并提高均衡效率，打破了均衡效率与电池单体间电压差成反比的耦合关系。
一种应用上述基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的控制方法，包括以下步骤：
(1)获取单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压；
(2)启动均衡：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动该组对应的均衡电路；
(3)判断均衡方向：微控制器根据获取的电池单体电压，判断出相邻的两个电池单体的高电压和低电压，确定三路PWM信号的相序，以保证能量流从电压高的电池单体流向电压低的电池单体；
(4)能量传递：微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使其交替工作在充电、放电和释放三个状态，实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体，直至两个相邻电池单体的电压差低于电池均衡阈值。特别地，当三路PWM信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率的三分之二时，实现能量的零电流开关传递。
实施例一：
如图1所示，均衡电路的微控制器选用数字信号处理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采样和PWM输出；电压检测电路采用凌特公司的LTC6802专用电压测量芯片实时测量电池组中每节电池的电压；电池模块为磷酸铁锂动力电池，容量为6.2Ah。如图1(a)所示，为三谐振状态LC变换模块应用于电池组的整体模型图，每相邻两节电池单体共用一个三谐振状态LC变换模块，对于一个N节电池单体构成的串连电池组，共用到(N-1)个三谐振状态LC变换模块。
如图1(b)所示，为三谐振状态LC变换模块应用于相邻的两个电池单体B0和B1。三谐振状态LC变换模块由四个MOS管Q0-Q3串联支路、LC串联谐振电路和一个MOS管支路Q4组成。其中，MOS管Q0的漏极与电池单体B0的正极相连；MOS管Q0的源极与MOS管Q1的漏极相连并与电感L0相连；MOS管Q1的源极与MOS管Q2的漏极相连并与电池单体B0和B1的公共端(B0的负极与B1的正极相连处)相连；MOS管Q2的源极与MOS管Q1的漏极相连并与电容C0相连；MOS管Q4与LC串联谐振电路相并联。
MOS管Q0、Q2由同一路PWM1信号驱动；MOS管Q1、Q3由同一路PWM2信号驱动；MOS管Q4由一路PWM3信号驱动。
电路运行后，微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定需要进行均衡的相邻两个电池单体，并判断电压差是否大于电池均衡阈值0.005V，若大于则启动对应的均衡电路。在均衡状态下，微控制器控制三谐振状态LC变换使其交替工作在充电、放电和释放三个状态，从而实现能量从电压高的电池单体B0到电压低的电池单体B1的传递。
如图2所示，为在VB0>VB1条件下均衡电路的工作原理图。图3为其对应的理论波形图。开关顺序依次为(Q0,Q2),(Q1,Q3),Q4。
充电状态S1(如图2(a)所示)，在t0时刻，Q0,Q2导通，B0、电感L0和电容C0形成一个谐振回路，此时B0对电容C0充电，谐振电流i为正，电容C0两端的电压Vc开始上升，如图3S1状态所示；
放电状态S2(如图2(b)所示)，在t1时刻电流过零点，Q0,Q2关断，Q1,Q3导通，B1、电感L0和电容C0形成一个谐振回路，此时电容C0对B1充电，谐振电流i变为负值，电容C0两端的电压Vc开始下降，如图3S2状态所示。
释放状态S3(如图2(c)所示)，在t2时刻电流过零点，Q1,Q3关断，Q4导通，将LC串联谐振电路短路，电感电流i给电容C0放电，并反向给C0充电，如图3S3状态所示。
经过三谐振状态LC变换电路的一个充、放和释放过程，将B0的能量部分转移到B1，从而实现了B0和B1电压的均衡。
如图4所示，为实验获得的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压VC的波形图。(a)为开关顺序是(Q0,Q2),(Q1,Q3),Q4，能量从B0传递到B1；(b)为开关顺序是(Q1,Q3),(Q0,Q2),Q4，能量从B1传递到B0。由图可以看出，电容电压VC、均衡电流i周期性变化，MOS管的导通和关断正好发生在电流i过零点，实现了零电流开关，减小了开关损耗，提高了均衡效率。开关序列的改变能够控制能量流的方向，可实现从高往低的流动，也可实现从低往高的流动，为实现单体电池间的零电压差均衡提供了条件。
如图5所示为本实用新型对4节串联电池模块进行均衡实验的电压效果图。其中，电池单体初始电压和初始SOC分别为VB0＝3.216V,VB1＝2.783V,VB2＝3.233V,andVB3＝3.023V。大约在3.6小时后，电池模块电压获得了完全平衡，最终平衡电压为3.096V。
上述实验结果验证了本实用新型均衡电路的有效性：零电流开关、零电压差均衡和高效率。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：包括多个电池单体、微控制器和三谐振状态LC变换模块，其中：
所述多个电池单体一一串联，每两个相邻的电池单体之间连接有三谐振状态LC变换模块；
所述微控制器，包括模数转换模块和脉冲宽度调制信号输出端，其中，所述模数转换模块通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；
所述脉冲宽度调制信号输出端通过驱动电路产生控制驱动信号，控制每个三谐振状态LC变换模块的工作；
所述三谐振状态LC变换模块，包括并联在每个电池单体上的MOS管组、LC串联谐振电路和并联在LC串联谐振电路上的MOS管支路，其中，所述MOS管组包括两个串联的MOS管，LC串联谐振电路的两个端点分别连接在两个相邻的MOS管组的中点。
2.如权利要求1所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述脉冲宽度调制信号输出端的信号由三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号组成。
3.如权利要求1所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述三谐振状态LC变换模块包括一个由四个MOS管串联组成的支路、一个LC串联谐振电路和一个MOS管支路，其中，四个MOS管串联支路有五个端，第一端连接于两个相邻串联电池模块的正极；第二端连接于LC串联谐振电路的一端；第三端连接于两个相邻串联电池模块的公共端；第四端连接于LC串联谐振电路的另一端；第五端连接于两个相邻串联电池模块的负极；MOS管支路与LC串联谐振电路并联。
4.如权利要求1所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述三谐振状态LC变换模块在三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号的控制下，交替工作在充电状态、放电状态和释放状态。
5.如权利要求1所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：当三路方波信号频率等于LC串联谐振电路的固有谐振频率的三分之二时，电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡。
6.如权利要求4所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述充电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路与电压高的电池单体并联，电压高的电池单体给LC串联谐振电路充电。
7.如权利要求4所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述放电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路与电压低的电池单体并联，LC串联谐振电路给电压低的电池单体充电。
8.如权利要求4所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述释放状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路短路，电容C的进一步放电并反向充电。
9.如权利要求1所述的一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，其特征是：所述三谐振状态LC变换模块为双向变换器，通过改变三路方波信号的相序，获得相邻电池单体间能量的任意流动。
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