CN104917239B - 一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多线圈变压器的电池组均衡控制方法，该方法指在串联电池充放电过程中，建立一个公共能量存储库，相对较高容量的电池往能量存储库中投入能量，而容量相对较低的电池从能量存储库中吸取能量。投入或吸取的能量多少与电池的容量或电压与参考值的差来衡量，与参考值相差大，投入或吸取的能量多，反之则少。能量存储库是多入多出的多端口能量库，能同时吸收多个来自相对较高容量的电池能量，也能同时给多个较低能量的电池输出能量。在串联电池组中的电池单体通过能量转换调配的方式，实现在组内单体间能量的均衡。

Description

一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法

技术领域

本发明属于锂电池充放电技术领域，涉及一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法。

背景技术

串联电池组的充电均衡控制方式很多，各有各的特点和处理方式，适合的对象也不尽相同，大多适合于中小规模的串联电池组。从以上典型的控制方式来看，显然，非能耗式的均衡控制技术是今后的发展方向；能量变换式比能量转移式的均衡效率会更高，平衡控制时间也更短；双向式的均衡比单向的快。参与均衡的能量有以相邻电池间转移或交换方式，如利用“飞渡电容”或电感来转移相邻电池间能量，或用Cúk能量变换器转换相邻电池能量等；也有电池与充电母线间的能量转换方式，如利用多次级单开关变压器方式，实现一对多的能量转换；或利用单独变压器实现多电池与母线间转换。

但是，这些非能耗式的均衡控制方法，不管是转移式的还是转换式的，控制开关数量多，电流和电压应力大，控制逻辑复杂。对于相邻电池间均衡，当电池数量多时，均衡时间长；使用多次级线圈变压器或单独变压器，能实现一对多的均衡，提高均衡速度，但只能实现单向的均衡控制，无法实现多对多电池间的直接均衡控制，均衡能量无法按各自的需要实现多对多的交换。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于多线圈变压器的串联电池组充电均衡控制方法，该方法基于多线圈变压器的充电均衡能量变换技术，简化控制逻辑，实现串联电池组的多对多的能量均衡控制。

其技术方案如下：

一种基于多线圈变压器的电池组均衡控制方法，包括以下步骤：

1)本发明提供一种均衡充电方法，该方法包括一个多线圈的变压器，该变压器为能量存储器，该变压器的所有线圈的极性绕法都相同，该变压器每个线圈通过一个能量变换器对应一个串联电池组中的一个电池单体，连接方式如图1所示。

2)能量变换器原理上由一个场效应开关管(MOSFET管)与多线圈变换器的相应一个线圈组成，MOSFET管的开关状态由其栅极的控制信号决定，并决定能量变换的方向；当MOSFET管的栅极输入脉冲宽度可调信号(PWM)时，能量变换器向多线圈变压器输入存储能量；当MOSFET管的栅极接低电平时，则线圈变压器向能量变换器输出能量；MOSFET管栅级的控制信号来自对电池单体电量的判断，由串联电池组电池的电压或电池荷电状态决定。其中，MOSFET管开关元件内含体内反向二极管；

3)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较高(高于平均值)的串联电池组单体实施分流转换，如图2所示，相应的线圈被定义为输入电能线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入PWM信号，PWM信号中占空比的大小由串联电池组单体的电压或荷电量决定；分流能量的大小与单体电池的电量成正比，电量越多，分流能量也越多；

3)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较低(低于平均值)的串联电池组单体实施汇流转换，如图3所示，相应的线圈被定义为电能输出线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入低电平信号，开关元件断开，开关元件内的反向二极管作整流管使用，变压器中的能量输出给串联电池组低电量单体，汇流能量的大小与单体电池的电量成反比，电量越少，汇流的能量越多；

4)基本的均衡充电单元由一个串联电池组单体和一个能量变换器组成，能量变换器的线圈组合多线圈变压器，即为一个能量公共池，如图4所示；串联电池组每个电池单体对应一个均衡充放电单元，由一个多线圈变压器带中间抽头的线圈、一个带体二极管的开关MOSFET管、一个电感、一个二极管组成。电路是对称的，线圈的匝比是相同的。电感的值与线圈的匝数、线圈电感值有关。开关管Q由PWM脉冲信号驱动，而PWM信号则由电池的智能控制器输出。如图4所示，图中B1、B2…Bn为串联电池组，TR为多线圈变压器，l1,l2…ln为电感，该电感一端连电池单体的正极，另一端连接多线圈变压器同名端。D11，D12…D1n为变压器复位二极管，Q1，Q2…Qn为开关MOSFER管，该管内带体二极管，MOSFET开关管的栅极连接智能控制器，串联电池组的电压由智能控制器检测，由智能控制器计算出每个电池单体的实时电量，根据电池单体电量的大小来决定其是否为分流电池单体，还是汇流电池单体，并由此来判定是否提供PWM信号给开关MOSFET管，因此，其功能上是一个既能分流又能汇流的电路，而且要求电路具有对称性，能实现双向控制，变压器的自然复位，电路稳定工作；

5)由多个基本单元组成的均衡充电电路组成串联电池组的充电电路，在统一的时序下工作，高电量电池单体，经能量变换器，向多线圈变压器输送能量，相当于能量存储其能量公共池中，在另一个时序，集中的能量经能量变换器向低电量的电池单体输送能量。从而实现多对多的电池单体间的能量转换，以实现串联电池组电池单体间的均衡充电。

6)在基本均衡单元中，基于一个二级智能闭环控制方法，通过控制PWM信号的频率与占空比来实现更加精确的均衡智能控制，如图5所示。应用多线圈变压器的电池自动均衡智能控制采用二级闭环控制。其中一级为电流源控制，另一级为模糊智能均衡控制。

电流源的控制，适用于充电均衡。其控制策略如下：应用查表法或应用模糊推理方法，根据电池组充电状态的数据如电压或电池SOC的综合值，对电池组的充电电流加以优化控制，以获得最佳的充电电流值，本级的设置主要为了让充电电流更加适合电池的充电特性；

单体电池的模糊智能均衡控制，适用于充放电过程中，如图6。其控制策略是根据实测电池状态数据与参考电压的比较，模糊推理出开关管驱动信号的最佳频率与占空比，以获得最佳的分流电流与汇流电流，从而以最快的速度实现电池充放电的均衡一致。

进一步优选，以基本均衡充电单元为基础的多对多的均衡充电，还可进行模块化。例如一串含有M×N个电池的电池组，可以分成M个模块，每个模块由N个电池组成，甚至模块中还可再分，进行模块方式的级联，如图7所示。由此，一个大数量串联成的动力锂电池就分成了小数量的模块，从而降低设计的风险和难度，有利于提高均衡电路的速度与效率，简化控制，减小电压与电流的应力。

图7为串联电池组均衡控制模块化的示意图。图中以三个基本均衡单元作为一个模块，实施均衡方案；然后每个模块又可看成一个电压更大的电池，再施加相应的均衡方式，构成更大的模块，进行均衡控制。由此组成模块化的均衡控制策略。这里的模块数量是一个示意，实际模块内的数量由设计需要而定。

本发明的有益效果为：本发明基于高频电源能量变换理论，把高于参考值的能量转换到多线圈变压器，以磁能的方式存储，然后为能量较低的电池提供能量。在统一驱动信号控制下，该技术还允许多个电池单体同时提供电能，并转换为磁能存储，再提供给其它多个需要附加能量的电池，从而实现多对多的均衡控制。最后构建了智能控制二级控制模式，实现大数量串联电池组的级联均衡控制。

附图说明

图1为能量公共池结构示意图；

图2为电池分流转换；

图3为电池汇流转换；

图4为均衡充放单元电路拓扑；

图5为电池充电控制框图；

图6为单体电池控制模式示意图；

图7为均衡控制模块单元级联图；

图8为均衡方法的模块化实验示意图；

图9为E_j≥U_m时的电池体电流分流大小图；

图10为E_j≤U_m时的电池体电流汇流大小图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

根据本发明技术方案和控制方法，构建了图8所示的电路拓扑，串联电池组选用TS-LFP40AHA锂电池；电池管理***芯片选用AVG单片机，可编程输出PWM或控制信号；MOSFET开关管选用低电压大电流的IRLL2705管，变压器根据优化后得到的参数自制而成，磁芯选用适用高频的环形铁氧体3C81磁芯，大小为TL42/26/13，线圈选用AWG25，共16匝。开关频率选为10kHz-50kHz。均衡充电的策略电压U_m选择是从3.9V开始，根据均衡情况动态再逐步提高到4.2V。串联电池组各电池单体的充电状态由电压检测装置检测并传送给电池管理***，并给出相应的PWM脉冲驱动或关闭开关管，从而使相应的电池单体选择进行分流还是汇流。实验初始数据如下：

表1

电池	BAT1	BAT2	BAT3	BAT4	BAT5	BAT6	BAT7
								初始电压(v)	4.2	4.1	4.0	3.9	3.3	3.2	3.0
恒流充电电流(A)	1	1	1	1	1	1	1

实验用串联电池组的各电压如表1所示，假设进入电池的电流为正，流出电池的电流为负。图9是E_j≥U_m时分流电流的图。

从图10可见，在开关导通时间内，电流随时间线性增长，E_j较大的电池体的电流的斜率较大，说明它分流电流较多。图10是E_j≤U_m时汇流电流图。

图10中，开关导通时间内，从分流电池中分出的能量完全传递给较低电压的电池体。而不同电压的电池体，随E_j的增大，电流的斜率较小了。这说明与均衡充电策略的参考电量相比，需要量相对减少了，所以需要汇流的电流也小。实验表明，均衡充电的方案是有效的。

通过多线圈变压器的高频能量转换的方式，实现了能量从较高单体转换到较低的单体，从而达到整个电池组的均衡充电。实验表明：在动态设定参考电压后，相对较高电压单体分流贡献较大，而相对较低的单体吸收的电流较大，同时还可较灵活地通过调节开关频率调整转移的电流的大小，最终达到动态均衡的目的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于多线圈变压器的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)包括一个多线圈的变压器，该变压器为多端口的能量存储器，该变压器的所有线圈的极性绕法都相同，该变压器每个线圈通过一个能量变换器对应一个串联电池组中的一个电池单体；

2)能量变换器原理上由一个场效应开关管与多线圈变换器的相应一个线圈组成，MOSFET管的开关状态由其栅极的控制信号决定，并决定能量变换的方向；当MOSFET管的栅极输入脉冲宽度可调信号时，能量变换器向多线圈变压器输入存储能量；当MOSFET管的栅极接低电平时，则线圈变压器向能量变换器输出能量；MOSFET管栅级的控制信号来自对电池单体电量的判断，由串联电池组电池的电压或电池荷电状态决定；其中，MOSFET管开关元件内含体内反向二极管；

3)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较高(高于平均值)的串联电池组单体实施分流转换，相应的线圈被定义为输入电能线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入PWM信号，PWM信号中占空比的大小由串联电池组单体的电压或荷电量决定；分流能量的大小与单体电池的电量成正比，电量越多，分流能量也越多；

4)根据串联电池组每个电池的电压或电池荷电状态，按控制逻辑，对相对较低的串联电池组单体实施汇流转换，相应的线圈被定义为电能输出线圈，能量变换器中开关元件的栅极输入低电平信号，开关元件断开，开关元件内的反向二极管作整流管使用，变压器中的能量输出给串联电池组低电量单体，汇流能量的大小与单体电池的电量成反比，电量越少，汇流的能量越多；

均衡单元的均衡方法包括：

1)基本的均衡充电单元由一个串联电池组单体和一个能量变换器组成，能量变换器的线圈组合多线圈变压器，即为一个能量公共池，串联电池组每个电池单体对应一个均衡充放电单元，由一个多线圈变压器带中间抽头的线圈、一个带体二极管的开关MOSFET管、一个电感、一个二极管组成；电路是对称的，线圈的匝比是相同的；电感的值与线圈的匝数、线圈电感值有关；开关管Q由PWM脉冲信号驱动，而PWM信号则由电池的智能控制器输出，B1、B2…Bn为串联电池组，TR为多线圈变压器，l1,l2…ln为电感，该电感一端连电池单体的正极，另一端连接多线圈变压器同名端；D11，D12…D1n为变压器复位二极管，Q1，Q2…Qn为开关MOSFET管，该管内带体二极管，MOSFET开关管的栅极连接智能控制器，串联电池组的电压由智能控制器检测，由智能控制器计算出每个电池单体的实时电量，根据电池单体电量的大小来决定其是否为分流电池单体，还是汇流电池单体，并由此来判定是否提供PWM信号给开关MOSFET管，因此，其功能上是一个既能分流又能汇流的电路，而且要求电路具有对称性，能实现双向控制，变压器的自然复位，电路稳定工作；

2)由多个基本单元组成的均衡充电电路组成串联电池组的充电电路，在统一的时序下工作，高电量电池单体，经能量变换器，向多线圈变压器输送能量，相当于能量存储其能量公共池中，在另一个时序，集中的能量经能量变换器向低电量的电池单体输送能量；从而实现多对多的电池单体间的能量转换，以实现串联电池组电池单体间的均衡充电；

3)在基本均衡单元中，基于一个二级智能闭环控制方法，通过控制PWM信号的频率与占空比来实现更加精确的均衡智能控制，应用多线圈变压器的电池自动均衡智能控制采用二级闭环控制；其中一级为电流源控制，另一级为模糊智能均衡控制；

电流源的控制，适用于充电均衡；其控制策略如下：应用查表法或应用模糊推理方法，根据电池组充电状态的数据如电压或电池SOC的综合值，对电池组的充电电流加以优化控制，以获得最佳的充电电流值，本级的设置主要为了让充电电流更加适合电池的充电特性；

单体电池的模糊智能均衡控制，适用于充放电过程中，其控制策略是根据实测电池状态数据与参考电压的比较，模糊推理出开关管驱动信号的最佳频率与占空比，以获得最佳的分流电流与汇流电流，从而以最快的速度实现电池充放电的均衡一致。

2.根据权利要求1所述的基于多线圈变压器的电池组均衡控制方法，其特征在于，包括如下：

以基本均衡充电单元为基础的多对多的均衡充电，进行模块化；一串含有M×N个电池的电池组，分成M个模块，每个模块由N个电池组成，甚至模块中还再分，进行模块方式的级联；由此，一个大数量串联成的动力锂电池就分成了小数量的模块，从而降低设计的风险和难度，有利于提高均衡电路的速度与效率，简化控制，减小电压与电流的应力；

以三个基本均衡单元作为一个模块，实施均衡方案；然后每个模块又能看成一个电压更大的电池，再施加相应的均衡方式，构成更大的模块，进行均衡控制；由此组成模块化的均衡控制策略；这里的模块数量是一个示意，实际模块内的数量由设计需要而定。