CN109216804A - 一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法 - Google Patents

一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法，涉及电池管理技术领域，均衡电路包括双向反激变换器、信息采样电路和控制电路，双向反激变换器用于将高电量的电池组的电量转移到低电量的电池组，信息采样电路采集两电池组的电压值和均衡过程中两电池组的电压值以及电流峰值，控制电路用于估计和计算电池组的电量，控制双向反激电路实施均衡，通过通信接口与上位机通信。本发明以电池的SOC为均衡对象，相对于基于电池的电压为均衡对象，有效地减小因电池组电量不等造成的电池模块整体容量的下降，适用于电池模块电量均衡。

Description

一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法
技术领域
本发明涉及电池管理技术，具体涉及一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法。
背景技术
由于单体电池的低电压和低容量，在实际使用中往往将单体电池串并联构成电池组来满足使用的要求。在实际的生产中，由于工艺的差异会导致单体电池容量、库伦效率、内阻、自放电率等参数的不一致。在使用过程中，电池组会由于环境的差异，导致其不一致情况加深。上述的不一致性会导致电池电量间的差异,进而影响电池组的容量，降低了电池组的寿命。针对于串联电池组也会因为电池组之间电量的不一致而降低电池模块的寿命。利用电池模块均衡电路可以使各电池组电量趋于一致,延长电池寿命。
目前的电池组均衡电路主要分为能量消耗型和能量转移型两类。能量消耗型均衡是一种将高电量单体的电能消耗掉,以实现各单体间电量均衡的方法。能量转移型均衡是通过控制电池间的能量流动,来实现各单体间电量均衡的方法。因此能量转移型均衡电路具有效率高、发热少的优点。
目前的均衡策略主要以电池电压作为判据，当电池组中各单体电压不一致性达到一定程度时启动均衡，当电池组中各单体电压变得一致时停止均衡。然而由于电池在充放电过程中电池的端电压存在着滞回特性，因此以电压作为均衡目标，并不能保证电量相等，并没有实际改善各电池的一致性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联电池模块的双向均衡电路及均衡方法，解决两个电池组串联***的电量不均衡问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种串联电池模块的双向均衡电路，包括：
双向反激变换器，用于将高电量电池组的电量转移到低电量的电池组；
信息采集电路，用于采集均衡前两电池组的电压值和均衡过程中两电池组的电压值、电流峰值；
控制电路，根据电池组开路电压来估计电池组的起始SOC，以此判断是否需要均衡；根据均衡过程中电池组电压以及电流峰值的采样值用来计算电池组的当前SOC，用以判断是否达到均衡；控制双向反激变换器实施均衡以及均衡电流的大小。
一种串联电池模块的均衡方法，包括以下步骤：
步骤1、采用相同的单体电池以串联的方式构成电池组，测得电池组的OCV-SOC曲线；
步骤2、两组电池组接入电池模块均衡***，信息采集电路将实时监测两电池组的电压值，通过开路电压法得出每组电池组的电量，并计算两组电池组电量差值的绝对值；
步骤3、判断步骤2中电量差值的绝对值是否超过设定的第一阈值，如果判断结果为否，则电池模块不需要均衡，结束本次电池模块均衡；如果判断结果为是，则电池模块需要均衡，执行步骤4；
步骤4、均衡开始，控制电路判断放电电池组均衡电流峰值是否达到第二阈值，如果小于第二阈值，则增大输出PWM信号的占空比，否则减小输出PWM信号的占空比；
步骤5、当两电池组的电量相等时结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明方法采用的变换器是双向变换器，因此输入和输出电池无需考虑接入方向，简便实用；(2)本发明是基于电池的SOC为均衡对象，相对于基于电池的电压为均衡对象，更加有效地减小因电池组电量不等造成的电池模块整体容量的下降；(3)本发明中没有用到开关网络，因此节约了成本。
附图说明
图1为本发明的均衡电路结构示意图。
图2为信息采样电路结构示意图。
图3为本发明双向反激变换器的主电路和变换器控制电路结构示意图。
图4为本发明的控制电路结构示意图。
图5为双向反激变换器及其工作波形图。
图6为本发明的均衡方法流程图。
具体实施方式
如图1所示，一种串联电池模块的双向均衡电路，包括：
双向反激变换器1，用于将高电量电池组的电量转移到低电量的电池组；
信息采集电路2，用于采集均衡前两电池组的电压值和均衡过程中两电池组的电压值、电流峰值；
控制电路3，根据电池组开路电压来估计电池组的起始SOC，以此判断是否需要均衡；根据均衡过程中电池组电压以及电流峰值的采样值用来计算电池组的当前SOC，用以判断是否达到均衡；控制双向反激变换器实施均衡以及均衡电流的大小；还通过通信接口与上位机通信。
所述双向反激变换器由主电路和变换器控制电路组成；
主电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、变压器T、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2；
第一二极管D1与第一开关管Q1反向并联，第二二极管D2与第二开关管Q2反向并联；
第一滤波电容C1并联在第一电池组的两个电压信号端之间；变压器左侧电感L1、第一开关管Q1和第一电流采样电阻R1串联在第一电池组的两个电压信号端之间；
第二滤波电容C2并联在第二电池组的两个电压信号端之间；变压器右侧电感L2、第二开关管Q2和第二电流采样电阻R2串联在电池组的两个电压信号端之间；
变换器控制电路包括第一开关管驱动电路和第二开关管驱动电路，第一开关管驱动电路的驱动信号输出端与第一开关管Q1控制信号输入端连接，第二开关管驱动电路的驱动信号输出端与第二开关管Q2控制信号输入端连接。
所述信息采集电路包含电压采集电路和电流采集电路；
电压采集电路用于采集电池组两端电压，其包括依次连接的分压电路、电压跟随电路、隔离电路；分压电路将电池组的电压按比例降低到可进行AD转换的电压范围内，电压跟随电路用于增大电路的输入阻抗、减小电路的输出阻抗；隔离电路的输出接微处理器的AD接口，用于隔离采集电压与微处理器；
电流采样电路用于采集均衡电流的峰值，包括依次连接的差分电路、峰值采样电路、隔离电路；差分电路按比例放大第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2上的电压；峰值采样电路用于确定输入电压的峰值，隔离电路的输出接微处理器的AD接口，用于隔离采集电压与微处理器。
一种串联电池模块的双向均衡电路的均衡方法，包括以下步骤：
步骤1、采用相同的单体电池以串联的方式构成电池组，测得电池组的OCV-SOC曲线；
步骤2、两组电池组接入电池模块均衡***，信息采集电路将实时监测两电池组的电压值，通过开路电压法得出每组电池组的电量，并计算两组电池组电量差值的绝对值；
步骤3、判断步骤2中电量差值的绝对值是否超过设定的第一阈值，如果判断结果为否，则电池模块不需要均衡，结束本次电池模块均衡；如果判断结果为是，则电池模块需要均衡，执行步骤4；
步骤4、均衡开始，控制电路判断放电电池组均衡电流峰值是否达到第二阈值，如果小于第二阈值，则增大输出PWM信号的占空比，否则减小输出PWM信号的占空比；PWM信号的占空比不大于0.5，这是为了保持双向反激电路处于断续工作模式。
步骤5、当两电池组的电量相等时结束。
进一步的，均衡起始的标志δ＝|Q10-Q20|≥第一阈值，其中Q10和Q20是根据开路电压法估算出每组电池组的起始电量；
均衡结束的标志是Q1＝Q2，Q1和Q2分别为放电电池组和充电电池组当前的电量。
进一步的，电池组的当前电量计算如下：
Q＝Q0+ΔQ
其中Q0为电池组的起始电量，ΔQ是电池组电量的变化值，ΔQ的计算如下：
其中tk为第k段时间段的时间，为第k段时间均衡电流的平均值；
对于放电电池组的计算如下
其中I1k是第k段时间放电电池组均衡电流的峰值；为第k段时间PWM信号的占空比；
对于充电电池组的计算如下：
其中I2k是第k段时间充电电池组均衡电流的峰值；L2是变压器充电电池组侧的电感值；T是PWM信号的周期；V2是第k段时间充电电池组的电压值。
计算公式的推导过程如下：
双向反激电路，当功率流动方向为从左往右时，电路工作在断续模式下。
初级电流的平均值Iav1：
其中T为PWM信号的周期。
根据工作波形中初级电流的变化曲线可得出
其中I1是初级电流的峰值；t1是PWM信号一个周期内处于高电平的时间。
结合公式(1)和公式(2)可得
在t1到t2时刻，次级电流i2的大小：
其中I2是次级电流的峰值；L2是变压器次级绕组的电感值；V2是右侧负载的电压值。
根据工作波形中次级电流的变化曲线可得出次级电流的平均值Iav2如下
其中Δt是次级电流从峰值降为0的时间。
综合公式(4)和公式(5)可得出是
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
结合图1，一种串联电池模块的双向均衡电路它包含了双向反激变换器1、信息采样电路2和控制电路3。
双向反激变换器1：用于将高电量电池组的电量转移到低电量的电池组。
信息采样电路2：采集两电池组的电压值和均衡过程中两电池组的电压值以及电流峰值。
控制电路3：根据电池组开路电压来估计电池组的起始SOC，以此判断是否需要均衡；根据均衡过程中电池组电压以及电流峰值的采样值用来计算电池组的当前SOC，用以判断是否达到均衡；控制双向反激变换器2实施均衡以及均衡电流的大小；还通过通信接口与上位机通信。
如图3所示，双向反激变换器1由主电路和变换器控制电路组成；
所述主电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第一二极管D1、第二二极管D2、变压器T、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一电流采样电阻R1和第二电流采样电阻R2；
第一二极管D1与第一开关管Q1反向并联；第二二极管D2与第二开关管Q2反向并联；
第一滤波电容C1并联在第一电池组的两个电压信号端之间；
第一开关管Q1、变压器左侧电感L1和第一电流采样电阻R1串联在第一电池组的两个电压信号端之间；
第二滤波电容C2并联在第二电池组的两个电压信号端之间；
第二开关管Q2、变压器右侧电感L2和第二电流采样电阻R2串联在电池组的两个电压信号端之间；
变换器控制电路包括第一开关管驱动电路和第二开关管驱动电路；
第一开关管驱动电路的驱动信号输出端与第一开关管Q1控制信号输入端连接；
第二开关管驱动电路的驱动信号输出端与第二开关管Q2控制信号输入端连接。
如图2所示，信息采集电路包含了电压采集电路21和电流采集电路22；
所述电压采集电路21包括分压电路211、电压跟随电路212、隔离电路213，分压电路211的输入为两电池组电压，输出接电压跟随器212的输入，电压跟随器212的输出接隔离电路213的输入，隔离电路213的输出接微处理器的AD接口。
分压电路的作用是将电池组的电压按比例降低到可进行AD转换的电压范围内；电压跟随电路的作用是增大电路的输入阻抗、减小电路的输出阻抗；隔离电路的作用是隔离采集电压与微处理器。
所述电流采集电路22包括差分电路221、峰值采集电路222、隔离电路223，电压跟随电路221的输入为电流采集电阻R1和R2两端电压，输出接峰值采集电路222的输入，峰值采集电路222的输出接隔离电路223的输入，隔离电路223的输出接微处理器的AD接口。
差分电路的作用是按比例放大反馈电阻R1和R2上的电压；峰值采样电路的作用是得出输入电压的峰值；隔离电路的作用是隔离采集电压与微处理器。
如图4所示，控制电路3包括了微处理器32、信号调理电路31、均衡启用和停止接口35、PWM信号输出端口34、上位机通信接口33；信号调理电路31的单体电压信号输出端与微控制器32的AD信号输入口连接；微处理器32的一号接口信号输出端与均衡启停控制接口35连接；微处理器32的二号接口是PWM信号输出接口34；微处理器32通过串行通信端口与上位机通信接口33连接。
如图5所示，双向反激变换器工作于能量从左向右流动和能量从右向左流动两种模式：
能量从左向右流动模式时，第一开关管Q1的驱动电路处于工作状态，开关管控制左侧电池组向变压器T左侧绕组L1传递能量，第二二极管D2为变压器T的右侧绕组L2向右侧电池组释放能量提供通路。
能量从右向左流动模式时，第二开关管Q2的驱动电路处于工作状态，开关管控制右侧电池组向变压器T右侧绕组L2传递能量，第一二极管D1为变压器T的左侧绕组L1向左侧电池组释放能量提供通路。
两种工作模式的PWM信号都小于50％。PWM信号的占空比是根据设定的放电侧电池组的电流的峰值确定的，如果放电侧电池组的电流的峰值小于设定值则增大PWM信号的占空比，反之则减小PWM信号的占空比。
对于双向反激变换器工作模式的选择是通过电池组起始电量判断的，如果左侧电池组起始电量高于右侧，则双向反激变换器工作在能量从左向右流动模式，反之则工作在能量从右向左流动模式。
所述电压采样电路的作用是采集两电池组的电压，其采样的过程是通过电阻的分压得到一个采样电压，再经过电压跟随电路和隔离电路将采样电压接入微处理器的AD转换接口，也可以外界AD转换芯片。
所述电流采样电路的作用是采集均衡电流的峰值，其采样的过程是通过在变换器电路中串入采样电阻R1和R2，利用差分电路取得采样电阻两端的电压，再通过峰值采样电路得到电压的峰值，经过隔离后接入微处理器的AD转换接口，也可以外界AD转换芯片。
所述电路中对两电池组初始电量的估计是通过开路电压法。
均衡起始的标志δ＝|Q10-Q20|≥设定值，其中Q10和Q20是根据开路电压法估算出每组电池组的起始电量。
均衡结束的标志是Q1＝Q2，Q1和Q2分别为放电电池组和充电电池组当前的电量。
所述电路中对两电池组当前电量计算如下：
Q＝Q0+ΔQ
其中Q0为电池组的起始电量；ΔQ是电池组电量的变化值。
所述ΔQ的计算如下：
其中tk为第k段时间段的时间；为第k段时间均衡电流的平均值；
所述的对于放电电池组的计算如下
其中I1k是第k段时间放电电池组均衡电流的峰值；为第k段时间PWM信号的占空比。
对于放电电池组的计算如下
其中I2k是第k段时间充电电池组均衡电流的峰值；L2是变压器充电电池组侧的电感值；T是PWM信号的周期；V2是第k段时间充电电池组的电压值。
计算公式的推导过程如下：
双向反激电路，当功率流动方向为从左往右时，电路工作在断续模式下。
初级电流的平均值Iav1如下：
其中T为PWM信号的周期。
根据工作波形中初级电流的变化曲线可得出
其中I1是初级电流的峰值；t1是PWM信号一个周期内处于高电平的时间。
结合公式(1)和公式(2)可得
在t1到t2时刻，次级电流i2的大小：
其中I2是次级电流的峰值；L2是变压器次级绕组的电感值；V2是右侧负载的电压值。
根据工作波形中次级电流的变化曲线可得出次级电流的平均值Iav2如下
其中Δt是次级电流从峰值降为0的时间。
综合公式(4)和公式(5)可得出是
基于上述的串联电池模块的双向均衡电路，如图6所示，均衡方法的步骤为：
步骤一：采用相同类型，相同批次的单体电池以串联的方式构成电池组，测得电池组的OCV-SOC曲线，用以估计电池组的起始电量SOC。
步骤二：两组电池组接入电池模块均衡***，信息采集电路将实时监测两电池组的电压值，估算出每组电池组的电量，并计算两组电池组电量差值的绝对值。
微处理器发出信号，开始采集电池组的电量，微处理器的AD转换接口接受来自信号采集电路的采样电压，根据采样电压值估计两电池组的起始电量并计算两者差值。
步骤三：判断步骤二中电量差值的绝对值是否超过设定的阈值，如果判断结果为否，则电池模块不需要均衡，结束本次电池模块均衡；如果判断结果为是，则电池模块需要均衡，执行步骤四；
步骤四：均衡开始，控制电路根据放电电池组的均衡电流的峰值输出相应的PWM信号。
微处理器接受信号采集电路中对放电电池组均衡电流峰值的采样电压值，根据采样值计算出实际值并与设定值进行比较，如果实际值小于设定值则增大PWM信号占空比，反之则减小PWM信号占空比。
步骤五：当两电池组的电量相等时结束。
具体为：每过一段时间就对电池组当前的电量进行一次更新，不断的对两个电池组的电量进行比较，直到两者的电量相等或者小于一定值。

Claims (8)

1.一种串联电池模块的双向均衡电路，其特征在于，包括：
双向反激变换器，用于将高电量电池组的电量转移到低电量的电池组；
信息采集电路，用于采集均衡前两电池组的电压值和均衡过程中两电池组的电压值、电流峰值；
控制电路，根据电池组开路电压来估计电池组的起始SOC，以此判断是否需要均衡；根据均衡过程中电池组电压以及电流峰值的采样值用来计算电池组的当前SOC，用以判断是否达到均衡；控制双向反激变换器实施均衡以及均衡电流的大小。
2.根据权利要求1所述的串联电池模块的双向均衡电路，其特征在于，所述双向反激变换器由主电路和变换器控制电路组成；
所述主电路包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、变压器(T)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)、第一电流采样电阻(R1)和第二电流采样电阻(R2)；
第一二极管(D1)与第一开关管(Q1)反向并联，第二二极管(D2)与第二开关管(Q2)反向并联；
第一滤波电容(C1)并联在第一电池组的两个电压信号端之间；变压器左侧电感(L1)、第一开关管(Q1)和第一电流采样电阻(R1)串联在第一电池组的两个电压信号端之间；
第二滤波电容(C2)并联在第二电池组的两个电压信号端之间；变压器右侧电感(L2)、第二开关管(Q2)和第二电流采样电阻(R2)串联在电池组的两个电压信号端之间；
所述变换器控制电路包括第一开关管驱动电路和第二开关管驱动电路，第一开关管驱动电路的驱动信号输出端与第一开关管(Q1)控制信号输入端连接，第二开关管驱动电路的驱动信号输出端与第二开关管(Q2)控制信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的串联电池模块的双向均衡电路，其特征在于，所述信息采集电路包含电压采集电路和电流采集电路；
所述电压采集电路用于采集电池组两端电压，包括依次连接的分压电路、电压跟随电路、隔离电路；分压电路将电池组的电压按比例降低到可进行AD转换的电压范围内，电压跟随电路用于增大电路的输入阻抗、减小电路的输出阻抗；隔离电路的输出接微处理器的AD接口；
所述电流采集电路用于采集均衡电流的峰值，包括依次连接的差分电路、峰值采集电路、隔离电路；差分电路按比例放大第一电流采样电阻(R1)和第二电流采样电阻(R2)上的电压；峰值采集电路用于确定输入电压的峰值，隔离电路的输出接微处理器的AD接口。
4.一种基于权利要求1所述串联电池模块的双向均衡电路的均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用相同的单体电池以串联的方式构成电池组，测得电池组的OCV-SOC曲线；
步骤2、两组电池组接入电池模块均衡***，信息采集电路将实时监测两电池组的电压值，通过开路电压法得出每组电池组的电量，并计算两组电池组电量差值的绝对值；
步骤3、判断步骤2中电量差值的绝对值是否超过设定的第一阈值，如果判断结果为否，则电池模块不需要均衡，结束本次电池模块均衡；如果判断结果为是，则电池模块需要均衡，执行步骤4；
步骤4、均衡开始，控制电路判断放电电池组均衡电流峰值是否达到第二阈值，如果小于第二阈值，则增大输出PWM信号的占空比，否则减小输出PWM信号的占空比；
步骤5、当两电池组的电量相等时结束。
5.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于，PWM信号的占空比不大于0.5。
6.根据权利要求4所述的均衡方法，其特征在于，均衡起始的标志δ＝|Q10-Q20|≥第一阈值，其中Q10和Q20是根据开路电压法估算出每组电池组的起始电量；均衡结束的标志是Q1＝Q2，Q1和Q2分别为放电电池组和充电电池组当前的电量。
7.根据权利要求6所述的均衡方法，其特征在于，电池组的当前电量计算如下：
Q＝Q0+ΔQ
其中Q0为电池组的起始电量，ΔQ是电池组电量的变化值，ΔQ的计算如下：
其中tk为第k段时间段的时间；为第k段时间均衡电流的平均值；
对于放电电池组的计算如下
其中I1k是第k段时间放电电池组均衡电流的峰值；为第k段时间PWM信号的占空比；
对于充电电池组的计算如下：
其中I2k是第k段时间充电电池组均衡电流的峰值；L2是变压器充电电池组侧的电感值；T是PWM信号的周期；V2是第k段时间充电电池组的电压值。
8.根据权利要求7所述的串联电池模块的均衡方法，其特征在于，Ik计算公式的推导过程如下：
双向反激变换器，当功率流动方向为从左往右时，电路工作在断续模式下。
初级电流的平均值Iav1为：
其中T为PWM信号的周期；
根据工作波形中初级电流的变化曲线可得出
其中I1是初级电流的峰值；t1是PWM信号一个周期内处于高电平的时间；
结合公式(1)和公式(2)可得
在t1到t2时刻，次级电流i2的大小：
其中I2是次级电流的峰值，L2是变压器次级绕组的电感值，V2是右侧负载的电压值；
根据工作波形中次级电流的变化曲线可得出次级电流的平均值Iav2如下：
其中Δt是次级电流从峰值降为0的时间；
综合公式(4)和公式(5)可得出是
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