CN103532189A - 基于动态均衡点的电池组均衡控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态均衡点的电池组均衡控制***及控制方法，其中***包括：电池组、电压采样电路、均衡主电路和均衡控制电路，均衡控制电路用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率。其中，动态均衡状态为电池组的每节电池在每个开关周期内释放与吸收的能量相等时的状态，均衡频率为动态均衡状态下功率开关管的频率。本发明可使电池组中所有电池单体几乎同时达到均衡，提高了均衡速度及效率，防止了单体电池的不一致性带来的过充过放危害，延长了电池组的使用寿命。

Description

基于动态均衡点的电池组均衡控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及电池电压均衡技术领域，尤其涉及一种基于动态均衡点的电池组均衡控制***及控制方法。

背景技术

由于能源危机和环境污染问题的日趋严重，新能源技术的发展空间越来越广泛，全世界对新能源技术的需求也更加迫切。如锂电池拥有能量密度高、功率密度高、使用寿命长和性价比高等优势，在新能源应用领域具备极强的发展潜力。锂电池单体的额定电压约为3.65V，为了满足纯电动汽车的电压需求，通常将大量的单体电池串联起来以提供足够的动力。但是，电池串联的同时也引发了一些问题，特别是单体电池的不一致性问题。这些问题直接导致电池在充放电循环过程中出现过充电现象或者过放电现象，从而显著降低整个电池组的性能并且缩短其使用寿命，甚至引起电池的自燃。因为串联锂电池组中单体电池间的不平衡问题直接延缓了其在大容量应用领域高速发展的进程，所以采取一种必要的技术手段来实现有效地均衡控制是锂电池进一步发展的关键。

目前，常见的电池均衡技术可分为耗散型均衡（被动均衡）及非耗散型均衡（主动均衡）两个方向。

其中耗散型均衡，可通过消耗电量高的电池单体的能量以达到整体均衡的目的，虽然可靠有效的实现了锂电池组的均衡，但浪费了能量，不符合节能环保的要求。

然而非耗散型均衡的电路结构相对复杂，导致电池组的均衡难以兼顾快速性、稳定性及高效性，于是需要一套实用高效的控制***来改善其性能。大部分均衡控制策略都是基于电池电压差异的PFM控制模式，但是由于没有给出一个确定的频率值，所以很难设计电路中的磁性元件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效对电池组进行均衡控制的缺陷，提供一种可提高电池组均衡速度及效率的电池组均衡控制***及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于动态均衡点的电池组均衡控制***，包括：

电池组，包括多个串联的单体电池；

电压采样电路，与电池组连接，采集每个单体电池的电压值；

均衡主电路，与电池组连接，用于单体电池间的能量转移，包括与单体电池对应的功率开关管和电感；

均衡控制电路，与电压采集电路和均衡主电路连接，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，停止均衡控制；

其中，动态均衡状态为电池组的每节电池在每个开关周期内释放与吸收的能量相等时的状态，均衡频率为动态均衡状态下功率开关管的频率。

本发明所述的***中，所述均衡控制电路包括微处理器和驱动电路，微处理器与电压采集电路连接，驱动电路与均衡主电路的功率开关管连接。

本发明所述的***中，该均衡控制电路还包括FPGA模块，连接在微处理器和驱动电路之间，微处理器通过该FPGA模块向驱动电路发送PFM控制信号，该PFM控制信号的占空比为根据均衡主电路预先设定。

本发明所述的***中，该***包括多个所述电池组，电池组之间串联，均衡主电路在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组进行均衡调节。

本发明所述的***中，所述均衡主电路中每个电感对应一个单体电池，各个电感的值之间的关系为预先设定，具体根据动态均衡状态下，单体电池吸收与释放能量之间的关系和功率开关管之间的频率关系推导出来。

本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：

提供一种基于动态均衡点的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

S1、采集电池组中单体电池的电压值，单体电池之间串接；

S2、比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；该均衡频率为电池组的每节电池在每个开关周期内释放的能量与吸收的能量相等时相应功率开关管的频率；

S3、当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，停止均衡控制。

本发明所述的方法中，步骤S2中，若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，以提高均衡速度。

本发明所述的方法中，若有多个电池组，则在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组间进行均衡调节。

本发明产生的有益效果是：本发明通过高精度电压采集电路实时采集电池组中单体电池的电压值，当某节电池电压值与单体电池电压最低值的差超过阀值时开启均衡，控制电路根据所述电压差值的大小调节相应功率开关管的频率，使差值较大的单体电池获得较大的均衡电流，并最后令电池组中所有电池单体几乎同时达到均衡。本发明可有效降低均衡过程中能量传递的次数，从而降低能耗，提高均衡速度及效率，防止了单体电池的不一致性带来的过充过放危害，延长了电池组的使用寿命。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于动态均衡点的电池组均衡控制***的结构示意图；

图2是本发明另一实施例基于动态均衡点的电池组均衡控制***的结构示意图；

图3是本发明实施例电压均衡主电路原理图；

图4是本发明实施例采样电路原理图；

图5是本发明实施例追踪动态均衡点的电池组均衡控制方法流程图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的电池组均衡控制***，如图1所示，包括电池组10、电压采样电路20、均衡主电路30和均衡控制电路40。电池组10中的电池为同一种类的电池。电池组10可为比如锂电池组或者铅蓄电池组。本发明实施例的电池组10以包括四个串联的锂电池为例。其中：

电池组10，包括多个串联的单体电池B1、B2、B3和B4；

电压采样电路20，与电池组10连接，采集每个单体电池的电压值；

均衡主电路30，与电池组10连接，用于单体电池间的能量转移，如图3所示，包括与单体电池对应的功率开关管Q1、Q2、Q3、Q4，电感L1、L2、L3、L4；电池组单体电池数与所需功率开关管、储能电感数量的比例为1:1:1。

均衡控制电路40，与电压采集电路20和均衡主电路30连接，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，停止均衡控制；可在均衡控制电路中预先设置启动均衡控制的条件及均衡过程中的控制策略。

其中，动态均衡状态（即动态均衡点）为电池组的每节电池在每个开关周期内释放与吸收的能量相等时的状态，可认为该动态均衡状态下各个单体电池的电压值相等，所对应的功率开关管的频率相等，均衡频率为动态均衡状态下功率开关管的频率。

本发明实施例中，所述均衡主电路中每个电感对应一个单体电池，各个电感的值之间的关系为预先设定，具体根据动态均衡状态下，单体电池吸收与释放能量之间的关系和功率开关管之间的频率关系推导出来，详见下文。

图3所示的均衡主电路30的工作原理如下：

当开关管Q1导通时，电池B1的能量经由B1-Q1-L1-B1回路存储在电感L1中，当Q1关断时，存储于L1中的能量经由L1-B2-B3-B4-D1-L1回路释放到电池B2、B3和B4中；当开关管Q2导通时，电池B2的能量经由B2-L2-Q2-B2回路存储在电感L2中，当Q2关断时，存储于L2中的能量经由L2-D2-B1-L2回路释放到电池B1中；当开关管Q3导通时，电池B3的能量经由B3-L3-Q3-B3回路存储在电感L3中，当Q3关断时，存储于L3中的能量经由L3-D3-B1-B2-L3回路释放到电池B1和B2中；当开关管Q4导通时，电池B4的能量经由B4-L4-Q4-B4回路存储在电感L4中，当Q4关断时，存储于L4中的能量经由L4-D4-B1-B2-B3-L4回路释放到电池B1、B2和B3中。

可见，本发明实施例中采用的均衡主电路30的结构有以下特点，即当电池单体处于电池组中不同的位置时，其相对应的储能电感放电回路各不相同，均衡电流的大小也各不相同，根据电路原理可以推导出均衡电流I_n,av的关系式：

$I_{n,\mathrm{av}}=I_{n,\mathrm{on}}+I_{n,\mathrm{off}}=\left\{\begin{array}{c}\frac{V_{B_n}{D}^2{T}_n}{2L_n}*(1+\frac{1}{3}),n=1\\ \frac{V_{B_n}{D}^2{T}_n}{2L_n}*(1+\frac{1}{n-1}),n\≠1\end{array}\right..---\left(1\right)$

其中

为第n节电池两端的电压值，D为占空比，T_n为开关周期，L_n为电感值，I_n,on和I_n,off分别表示开关管通断过程中的平均电流大小。

所述均衡主电路中，由于均衡电流的大小与电池所处位置相关，为了令每节电池均衡过程中可达到的最大均衡电流相同，本实施例中对每个电感的值进行了单独的设计。

当开关管开通时，电感L_n的电压表达式为：

$V_{B_n}=L_n\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}},---\left(2\right)$

由于开关周期很短，记

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{di}=\mathrm{\Δ}{I}_n\\ \mathrm{dt}=D{T}_n\end{array}\right.,---\left(3\right)$

则电感的峰值电流ΔI_n的表达式为：

$\mathrm{\Δ}{I}_n=\frac{V_{B_n}D{T}_n}{L_n}=\frac{V_{B_n}D}{L_n{f}_n},---\left(4\right)$

其中，f_n是开关管Q_n的开关频率。

一个周期内电池B_n释放的能量计为W_n，根据公式W=UIt,W_n的表达式为：

$W_n=\frac{1}{2}{V}_{B_n}\mathrm{\Δ}{I}_n\mathrm{DT},---\left(5\right)$

将（4）代入（5）中，可得

$W_n=\frac{{V_{B_n}}^2{D}^2}{2L_n{f_n}^2}.---\left(6\right)$

当所有单体电池在动态均衡点工作时，每个单体电池吸收的能量V,,'表达式如下，

$\left\{\begin{array}{c}{W_1}^{\text{'}}=W_2+\frac{1}{2}{W}_3+\frac{1}{3}{W}_4\\ {W_2}^{\text{'}}=\frac{1}{3}{W}_1+\frac{1}{2}{W}_3+\frac{1}{3}{W}_4\\ {W_3}^{\text{'}}=\frac{1}{3}{W}_1+\frac{1}{3}{W}_4\\ {W_4}^{\text{'}}=\frac{1}{3}{W}_1\end{array}\right.,---\left(7\right)$

当处于动态均衡点时，每个电池吸收的能量与释放的能量相等，即W'_n=W_n，推出

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{V_{B_1}}^2{D}^2}{2L_1{f_1}^2}=\frac{{V_{B_2}}^2{D}^2}{2L_2{f_2}^2}+\frac{1}{2}\frac{{V_{B_3}}^2{D}^2}{2L_3{f_3}^2}+\frac{1}{3}\frac{{V_{B_4}}^2{D}^2}{2L_4{f_4}^2}\\ \frac{V_{B_2}{D}^2}{2L_2{f_2}^2}=\frac{1}{3}\frac{{V_{B_1}}^2{D}^2}{2L_1{f_1}^2}+\frac{1}{2}\frac{{V_{B_3}}^2{D}^2}{2L_3{f_3}^2}+\frac{1}{3}\frac{{V_{B_4}}^2{D}^2}{2L_4{f_4}^2}\\ \frac{{V_{B_3}}^2{D}^2}{2L_3{f_3}^2}=\frac{1}{3}\frac{{V_{B_1}}^2{D}^2}{2L_1{f_1}^2}+\frac{1}{3}\frac{{V_{B_4}}^2{D}^2}{2L_4{f_4}^2}\\ \frac{{V_{B_4}}^2{D}^2}{2L_4{f_4}^2}=\frac{1}{3}\frac{{V_{B_1}}^2{D}^2}{2L_1{f_1}^2}\end{array}\right..---\left(8\right)$

当所有电池工作于动态均衡点时，f₁=f₂=f₃=f₄，公式（8）可以化简为：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_2=\frac{3}{2}{L}_1\\ L_3=\frac{9}{4}{L}_1\\ L_4=3L_1\end{array}\right.,---\left(9\right)$

在本实施例中，假定均衡电流大小为3A,占空比为0.38，电感值L₁=4μH则f_l=29.281kHz,f₂=29.281kHz,f₃=14.641hHz,f₄=9.760kHz。

从公式（1）可以看出，平均均衡电流与开关频率成反比。均衡电流越大，均衡速度越快，但是过大的均衡电流可能导致在一个开关周期内电池释放或者吸收过多的能量，则需要更多的开关周期以完成均衡。将导致过多的能量传递次数，从而降低均衡效率及均衡速度。综合考虑，本实施例取其平均值f₀=(f₁+f₂+f₃+f₄)/4=20.741kHz作为动态均衡点的频率值，可以有效降低能量传递的次数，从而降低能耗，提高均衡效率。

图4为本发明实施例采用的高精度采样电路原理图，其中差分电路使用的高精度运算放大器及精密电阻可以将电压采样精度提高到10mV以内。

占空比D的具体推导过程如下：

本发明实施例的均衡主电路30是基于DC-DC变换器设计的。DC-DC变换器有两种工作模式：电流连续模式（CCM）和电流断续模式（DCM）。为了防止磁滞饱和，DC-DC变换器必须工作在电流断续模式下。在电流断续模式下，电感可以在开关管断开时完全释放所吸收的能量。DC-DC变换器工作于断续模式下，占空比需满足一定的条件，推导过程如下。

以开关管Q_n(n=1…，N，)L_n两端的电压记为当开关管关断时，电感L_n两端的电压记为

对第一个开关管来说，

等于以下所有电池的电压之和；对其他的开关管来说，等于以上所有电池电压之和。T_n和T_cr分别指开关管Q_n的开关周期和电感电流降为零的时刻。

电感电流的表达式如下：

$i_{L_n}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{V_{B_n}}{L_n}t,& 0\&le;t<D{T}_n\\ \frac{V_{B_n}}{L_n}D{T}_n-\frac{V_{O_n}}{L_n}(t-D{T}_n),& D{T}_n\&le;t<T_{\mathrm{cr}}\\ 0,& T_{\mathrm{cr}}\&le;t\&le;T_n\end{array}\right.,---\left(10\right)$

由于，当t=T_Cr时，电感电流

t=T_n时，

$\frac{V_{B_n}}{L_n}D{T}_n-\frac{V_{O_n}}{L_n}(T_n-D{T}_n)<0,---\left(11\right)$

进一步推导可得

$D<\frac{V_{O_n}}{V_{B_n}+V_{O_n}}=\frac{1}{\frac{V_{B_n}}{V_{O_n}}+1}.---\left(12\right)$

为确保开关管工作于DCM模式下，无论的值是多少，不等式（12）必须成立。根据主电路，不等式（12）可以分为以下四种情况讨论。

$n=1,D<\frac{1}{\frac{V_{B_1}}{V_{B_2}+V_{B_3}+V_{B_4}}},---\left(13\right)$

$n=2,D<\frac{1}{\frac{V_{B_n}}{V_{B_1}}+1},---\left(14\right)$

$n=3,D<\frac{1}{\frac{V_{B_3}}{V_{B_1}+V_{B_2}}+1}---\left(15\right)$

$n=4,D<\frac{1}{\frac{V_{B_4}}{V_{B_1}+V_{B_2}+V_{B_3}}+1}.---\left(16\right)$

显然，当占空比满足不等式（14）时，也必然满足不等式（13）、（15）、（16）。由于锂电池的工作电压范围是2.5V-3.65V，设定

就可以得到占空比的临界值D<0.4065所以为确保变换器工作于电流断续模式下，占空比必须小于0.4056。本发明实施例取占空比D的值为0.38。

如图1所示，本发明实施例的均衡控制电路40包括微处理器41和驱动电路42，微处理器41与电压采集电路20连接，驱动电路42与均衡主电路30的功率开关管连接。每个功率开关管可对应一个驱动电路。

本发明的一个实施例中，若该***包括多个电池组，电池组之间串联，则均衡主电路30在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组进行均衡调节。在本发明的一个较佳实施例中每个电池组对应一个均衡电路，多个电池组间也连接有一个均衡电路，用于电池组间的均衡调节。可以理解的是，当有多个均衡电路时，这些均衡电路可以集成在一个模块中。

当需要对大量的串联电池组进行均衡控制时，需对上百路驱动电路发送控制信号，实现大量串联电池组的均衡控制。如图2所示，本发明的另一实施例中，利用FPGA输出接口多、运行速度快的优势，在均衡控制电路40中增加FPGA模块43，连接在微处理器41和驱动电路42之间，微处理器通过该FPGA模块向驱动电路发送PFM（脉冲频率调制Pulse Frequency Modulation）控制信号。该PFM控制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。

本发明实施例追踪动态均衡点的电池组均衡控制方法，如图5所示，包括以下步骤：

S501、采集电池组中单体电池的电压值，单体电池之间串接；

S502、比较各个单体电池的电压值；

S503、判断不同单体电池的电压差是够超过预设阀值；

S504、若不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；该均衡频率为电池组的每节电池在每个开关周期内释放的能量与吸收的能量相等时相应功率开关管的频率；

当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，则停止均衡控制。

步骤S502中，若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，以提高均衡速度。

若有多个电池组，则在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组进行均衡调节。

本发明实施例的追踪动态均衡点的电池组均衡控制方法通过高精度电压采集电路实时采集电池组中单体电池的电压值，当某节电池电压值与单体电池电压最低值的差超过阀值时开启均衡，控制电路根据所述电压差值的大小调节相应功率开关管的频率，使差值较大的单体电池获得较大的均衡电流，可使电池组中所有电池单体几乎同时达到均衡，提高了均衡速度及效率，防止了单体电池的不一致性带来的过充过放危害，延长了电池组的使用寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于动态均衡点的电池组均衡控制***，其特征在于，包括：

电池组，包括多个串联的单体电池；

电压采样电路，与电池组连接，采集每个单体电池的电压值；

均衡主电路，与电池组连接，用于单体电池间的能量转移，包括与单体电池对应的功率开关管和电感；

均衡控制电路，与电压采集电路和均衡主电路连接，用于比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，停止均衡控制；

其中，动态均衡状态为电池组的每节电池在每个开关周期内释放与吸收的能量相等时的状态，均衡频率为动态均衡状态下功率开关管的频率。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述均衡控制电路包括微处理器和驱动电路，微处理器与电压采集电路连接，驱动电路与均衡主电路的功率开关管连接。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，该均衡控制电路还包括FPGA模块，连接在微处理器和驱动电路之间，微处理器通过该FPGA模块向驱动电路发送PFM控制信号，该PFM控制信号的占空比为根据均衡主电路预先设定。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，该***包括多个所述电池组，电池组之间串联，均衡主电路在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组进行均衡调节。

5.根据权利要求4所述的***，其特征在于，所述均衡主电路中每个电感对应一个单体电池，各个电感的值之间的关系为预先设定，具体根据动态均衡状态下，单体电池吸收与释放能量之间的关系和功率开关管之间的频率关系推导出来。

6.一种基于动态均衡点的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采集电池组中单体电池的电压值，单体电池之间串接；

S2、比较各个单体电池的电压值，当不同单体电池的电压差超过预设阀值时，分别调节与单体电池对应的功率开关管的频率，控制功率开关管的频率追踪电池组处于动态均衡状态下的均衡频率；该均衡频率为电池组的每节电池在每个开关周期内释放的能量与吸收的能量相等时相应功率开关管的频率；

S3、当电池组中的各个单体电池的电压值趋于一致时，停止均衡控制。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S2中，若一单体电池电压值与电池组中电压最低值之差越大，则控制该单体电池的功率开关管的频率越低；若一单体电池电压值与电压最低值之差越小，则控制该单体电池的功率开关管的频率越高，以提高均衡速度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，若有多个电池组，则在对每个电池组中的单体电池进行均衡调节的过程中，也同时对多个电池组间进行均衡调节。

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