CN108429308A - 单电容集中式均衡器拓扑及其均衡方法 - Google Patents

单电容集中式均衡器拓扑及其均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池均衡技术领域，尤其是单电容集中式均衡器拓扑及其均衡方法，N个电池单体依次串联成电池组，每个电池单体分别连接一个能量变换器；各能量变换器在输出端相互并联，共同与储能电容相连；储能电容两端分别连接放电控制开关和后极二极管，放电控制开关和后极二极管分别连接电池组的正端和负端。该拓扑对每个电池单体分配一个相对独立的能量变换器，采用一个电容临时存储能量，通过周期性地将电容存储的能量反馈回电池组，实现对电池组的整体均衡。该发明单体电池放电回路经过整组电池，不同位置的电池均衡速度保持一致，避免了因为均衡速度差异造成的电压交错现象，具有均衡速度快，能量损耗小等优点。

Description

单电容集中式均衡器拓扑及其均衡方法
技术领域
本发明属于电池均衡技术领域，尤其是单电容集中式均衡器拓扑及其均衡方法。
背景技术
锂离子电池以其能量密度大、自放电小、使用寿命长等优点在生活中被广泛采用。常见锂离子电池单体电压较低，往往需要多个单元串联成组才能实现高压输出。由于制造过程中很难保证各单体内阻、自放电率等因素的一致性，使用过程中串联单元不均衡现象极易发生，而单体电池过充和过放现象都会大幅度降低电池的使用寿命，影响电池组的整体性能。因此，研究性能更加优异的电池均衡电路对提高串联电池组性能和续航能力具有重要意义。
均衡器拓扑整体上可分为无源均衡拓扑和有源均衡拓扑。有源均衡拓扑结构属于储能式均衡电路，由于其具有能量损耗低、均衡精度高等特点，已成为国内外研究热点。从结构类型上，有源均衡拓扑可分为集中式均衡拓扑和分布式均衡拓扑，根据拓扑工作原理，集中式均衡拓扑又可分为多绕组变压器型、Buck-Boost型和DC-DC变换器型。多绕组变压器型均衡电路受变压器体积及加工工艺的影响，难以满足高精度、大数量电压均衡的实际需要。Buck-Boost型均衡电路，通过对分流电感周期性的充放电，从而实现电池组中能量的转移。采用反激变换器回馈能量的Buck-Boost型集中式拓扑结构，体积大、均衡速度慢。而采用双向变换器的Buck-Boost集中式均衡结构，虽然实现能量在多个电池与电池单体之间的双向传递，均衡速度有了很大提高，但有源开关数量增多，电路复杂性加大，且其均衡速度与上/下游串联电池单体数量直接相关，不同位置的单体电池均衡速率不一致，极大的限制了其在实际中的应用。
发明内容
针对传统Buck-Boost型均衡电路复杂、均衡损耗大、均衡速度与电池单***置相关等缺点，本发明的目的是提供一种控制难度小、电路简单、单体均衡速度一致的新型拓扑结构，使之克服现有Buck-Boost型均衡拓扑的部分缺点。
本发明采用的技术方案是：
单电容集中式均衡器拓扑，包括N个电池单体、N个能量变换器、一个储能电容、一个放电控制开关以及后极二极管；N个电池单体依次串联成电池组，每个电池单体分别连接一个能量变换器；
各能量变换器在输出端相互并联，共同与储能电容相连；储能电容两端分别连接放电控制开关和后极二极管，放电控制开关和后极二极管分别连接电池组的正端和负端；
每个所述的能量变换器包括一个开关管、一个储能电感以及三个二极管；开关管和其中一个二极管依次连接在电池单体的负极电路上，另外两个二极管依次连接在电池单体的正极电路上，储能电感一端连接在负极电路的开关管和二极管之间，另一端连接在正极电路上的两个二极管之间。
该单电容集中式均衡器拓扑的均衡方法，包括以下过程：通过对电池组中高能量的电池单体进行放电，完成对电池组的电池均衡；具体过程为，通过将待放电的某一个电池单体对应的开关管导通，该电池单体对对应的储能电感充能；待所述的开关管关断后，所述的储能电感与储能电容发生谐振，能量由电感转移至储能电容，由于能量变换器中二极管的限流作用，待谐振电流为零时，不再谐振；此时导通放电控制开关，储能电容上存储的能量将流经放电控制开关和后极二极管对电池组充电，从而完成了由电池单体到电池组的放电过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、本发明放电回路流经整组电池组，不同位置的电池单体具有相同的均衡速度，避免了由于电池单体均衡速度不一致造成的电压交错现象，减小了能量损耗；从均衡开始至均衡结束所需要的时间与各电池单体所处的位置无关。
二、本发明各均衡支路之间相互独立，可以实现多个电池同时放电，电池单体通过能量变换器各自独立把能量转移到储能电容中，再在放电控制开关的控制下集中放入电池组，加快了电池均衡速度。
三、本发明能量变换器在Buck-Boost变换器结构上增加了两个二极管，用以限制电流路径，避免变换器之间的交叉影响。
四、本发明在对能够进行单独控制所必需的N个开关管的基础上，仅增加了一个放电控制开关，放电回路由放电控制开关控制，从而使各电池单体的能量变换器控制相互独立，可以对多个电池单体同时进行均衡操作，加快均衡速度，均衡器开关管数量少，控制简便。
附图说明
图1为本发明的单电容集中式均衡器拓扑及其控制方法的电路结构图。
图2为本发明第i(i＝1,2,3…)个支路中能量变换器的电路结构图。
图3为实施例以电池B2放电为例的电路工作时序图。
图4a为图3实施例在一个周期内的工作模态1电路图。
图4b为图3实施例在一个周期内的工作模态2电路图。
图4c为图3实施例在一个周期内的工作模态3电路图。
图4d为图3实施例在一个周期内的工作模态4电路图。
图4e为图3实施例在一个周期内的工作模态5电路图。
图4f为图3实施例在一个周期内的工作模态6电路图。
图5a为实施例电池Bi放电时，模态1状态下的等效电路图。
图5b为实施例电池Bi放电时，模态2状态下的等效电路图。
图5c为实施例电池Bi放电时，模态4状态下的等效电路图。
图6为图5实施例在一个周期内电容C1及电感Li波形图。
图7为实施例在模态4下的电容放电波形图。
图8为实施例在静置模式下的仿真波形图。
图9为实施例在充电模式下的仿真波形图。
图10为实施例在放电模式下的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，单电容集中式均衡器拓扑，包括：N个电池单体B1、B2、……Bn；N个能量变换器、一个储能电容C1、一个放电控制开关SQ以及二极管DQ；N个电池单体依次串联成电池组，每个电池单体分别连接一个能量变换器；
各能量变换器在输出端相互并联，共同与储能电容C1相连；储能电容C1两端分别连接放电控制开关SQ和后极二极管DQ，放电控制开关SQ和后极二极管DQ分别连接电池组的正端和负端；
如图2所示，每个所述的能量变换器包括一个开关管、一个储能电感以及三个二极管；开关管和其中一个二极管依次连接在电池单体的负极电路上，另外两个二极管依次连接在电池单体的正极电路上，储能电感一端连接在负极电路的开关管和二极管之间，另一端连接在正极电路上的两个二极管之间。
该单电容集中式均衡器拓扑的均衡方法，包括以下过程：通过对电池组中高能量的电池单体进行放电，完成对电池组的电池均衡；具体过程为，通过将待放电的第i个电池单体对应的开关管Si导通，该电池单体对对应的储能电感Li充能；待所述的开关管Si关断后，所述的储能电感Li与储能电容C1发生谐振，能量由电感Li转移至储能电容C1，由于二极管D3i、D3i-1的限流作用，待谐振电流为零时，不再谐振；此时导通放电控制开关SQ，储能电容C1上存储的能量将流经放电控制开关SQ和后极二极管DQ对电池组充电，从而完成了由电池单体到电池组的放电过程。
进一步的举例，如图3所示，以电池B2放电为例的。在一个工作周期内，根据控制信号及电路中电流路径的不同，可以分为6个模态。
图4a至图4f分别列出了本发明在各个模态下的电流路径。
Mode 1[T0-T1]：模态1时，电流路径如图4a所示。此时电池单体B2直接对储能电感L2进行充电，短时间内vB2波动很小，可以视为常数，则电感电流iL2呈线性上升，直至开关管S2关断，而开关管S2上的电流iS2在该模态下与iL2相等。
Mode 2[T1-T2]：当开关管S2关断，电路就进入模态2，如图4b所示。此时储能电感L2上储存的能量经过二极管D5、二极管D6对储能电容C1充电，储能电感L2与储能电容C1之间发生谐振，储能电感L2上的电流iL2沿正弦变化下至零，储能电容C1上的电压vC1沿正弦变化至最大值。
Mode 3[T2-T3]：当iL2下降到零时，电路就进入模态3,如图4c所示。此时由于vC1反向压降的作用，二极管D5、二极管D6关断，电路中没有电流流动。
Mode 4[T3-T4]：在模态4时，开关管SQ导通,电流路径如图4d所示。在稳态时，经过一次对储能电容C1的充电，储能电容C1上的电压vC1高于组电池组的电压Vall，由于二极管D3i-1(i＝1,2,3…)反向截止，电流只能流经后极二极管DQ对组电池组进行放电，vC1、iC1沿指数方式下降，当vC1下降至组电池组电压Vall时，iC1下降至零。
Mode 5[T4-T5]：在模态5时，如图4e所示，放电控制开关SQ保持导通，但由于vC1已下降至Vall，回路中没有电流流通。
Mode 6[T5-T6]：在模态6时，如图4f所示，放电控制开关SQ保持关断，回路中没有电流流通。
通过分析得知，当电路工作在稳定状态时，每一个周期都会有能量反馈回电池组。忽略不发生电流变化的模态3、模态5和模态6，电路中还有三种工作状态，其中图5a、图5b和图5c分别等效模态1、模态2和模态4这三种工作状态下的等效电路图。设开关管Si导通时间占空比为α1i，周期TS，则一个周期内转移的电荷量满足Q＝VBi(α1iTS)2/2Li，模态2中，储能电感L2与储能电容C1之间发生谐振，初始电感电流ILimax＝VBiα1iTS/Li,初始电容电压VC1＝ΣVBi＝Vall，待电感电压为零时，由于二极管的反向截止作用，不再继续谐振。图6给出了Bi放电时在一个周期内储能电容C1及储能电感Li波形图。模态4中，储能电容C1对电池组放电，如图7所示。电池组内阻记为Σr，则时间常数τ＝C1Σr，通常情况，换路时间经过4～5个τ后，可以认为已经到达稳态，则放电控制开关SQ导通时间占空比为α2i满足α2iTS>5τ。
仿真结果分析：
图8为本发明在四个电池静置状态下的的仿真波形，其仿真参数为：储能电感L＝100uH，后级电容C＝100uF，开关频率f＝5kHz，开关Si(i＝1,2,3…)占空比D＝0.2，电池初始电压VB1＝3000mV，VB2＝4700mV，VB3＝5000mV，VB4＝3500mV。由图8可知，虽然各电池初始电压不同，但在本发明及其相应的控制策略下，各电池能够以相同的速度均衡，电压最终达到一致而没有交错现象，实现了电压均衡的功能。
图9为图8所示拓扑工作在充电模式下的仿真波形，充电电流0.15A，由图中可知，当电池工作在充电状态时，本文所提出的单电感双向电池均衡电路能够快速实现各电池单体电压均衡。
图10为图8所示拓扑工作在放电模式下的仿真波形，放电电阻为100Ω，由图中可知，当电池工作在放电状态时，本文所提出的单电感双向电池均衡电路仍然能够快速实现各电池单体电压均衡。
综上，本发明所提出的单电容集中式均衡器拓扑，具有均衡速度快、各电池单体均衡速度一致、能量损耗小等特点，不论工作在充电、放电还是静置状态，均能快速实现电池单体电压均衡。

Claims (2)

1.单电容集中式均衡器拓扑，其特征在于，包括N个电池单体、N个能量变换器、一个储能电容、一个放电控制开关以及后极二极管；N个电池单体依次串联成电池组，每个电池单体分别连接一个能量变换器；
各能量变换器在输出端相互并联，共同与储能电容相连；储能电容两端分别连接放电控制开关和后极二极管，放电控制开关和后极二极管分别连接电池组的正端和负端；
每个所述的能量变换器包括一个开关管、一个储能电感以及三个二极管；开关管和其中一个二极管依次连接在电池单体的负极电路上，另外两个二极管依次连接在电池单体的正极电路上，储能电感一端连接在负极电路的开关管和二极管之间，另一端连接在正极电路上的两个二极管之间。
2.根据权利要求1所示的单电容集中式均衡器拓扑的均衡方法，其特征在于，包括以下过程：通过对电池组中高能量的电池单体进行放电，完成对电池组的电池均衡；具体过程为，通过将待放电的某一个电池单体对应的开关管导通，该电池单体对对应的储能电感充能；待所述的开关管关断后，所述的储能电感与储能电容发生谐振，能量由电感转移至储能电容，由于后极二极管的限流作用，待谐振电流为零时，不再谐振；此时导通放电控制开关，储能电容上存储的能量将流经放电控制开关和后极二极管对电池组充电，从而完成了由电池单体到电池组的放电过程。
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