CN110323803B - 一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器 - Google Patents

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Abstract

一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，包括n节电池；n‑1个均衡单元EC；电池Bi（i=1，2，…，n）的负极与电池Bi+1的正极相连，构成n节首尾相互连接的串联电池组；均衡单元ECi（i=1，2，…，n）中的上开关管SHi（i=1，2，…，n）的漏极连接到串联电池组的正极母线上，下开关管BLi（i=1，2，…，n）的源极连接到串联电池组的负极母线上，上开关管SHi（i=1，2，…，n）的源极、开关管SLi（i=1，2，…，n）的漏极与电感Li（i=1，2，…，n）的一端相连，电感Li（i=1，2，…，n）的另一端连接到串联电池组中电池Bi（i=1，2，…，n）负极与Bi+1（i=1，2，…，n）正极连线中。本发明一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，可避免电池重复充放电实现快速均衡，同时减少能量损失。

Description

一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器
技术领域
本发明涉及一种可实现串联锂离子电池组电量快速均衡的电路，具体是一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器。
背景技术
目前，锂离子电池被广泛应用于电动汽车、新能源发电、备用电源等领域。锂离子电池具有功率密度高、无记忆性、自放电少且重量较轻等显著优点。单体锂离子电池的电压和储电的能力均较低，一般采用多个串联的方式构成电池组，以获得所需等级的电压和容量。由于不同锂离子化学性质或其它特质的不一致，导致串联支路中各单体电池充电和放电的不一致，出现部分单体电池过充或过放的现象，严重时会引起电池组过热致燃，甚至***。因此，串联锂离子电池组电量均衡问题是关系电池安全稳定和高效运行的关键问题。
发明内容
为减小串联锂离子电池组中单体锂离子电池充放电性能不一致性的问题，本发明提供一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，可避免电池重复充放电实现快速均衡，同时减少能量损失。
本发明采取的技术方案为：
一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，包括：
n节电池；n-1个均衡单元EC；
电池Bi(i＝1，2，…，n)的负极与电池Bi+1的正极相连，构成n节首尾相互连接的串联电池组；
均衡单元ECi(i＝1，2，…，n)中的上开关管SHi(i＝1，2，…，n)的漏极连接到串联电池组的正极母线上，下开关管BLi(i＝1，2，…，n)的源极连接到串联电池组的负极母线上，上开关管SHi(i＝1，2，…，n)的源极、开关管SLi(i＝1，2，…，n)的漏极与电感Li(i＝1，2，…，n)的一端相连，电感Li(i＝1，2，…，n)的另一端连接到串联电池组中电池Bi(i＝1，2，…，n)负极与Bi+1(i＝1，2，…，n)正极连线中。
均衡单元电路EC包括：分别反并联有二极管DH、二极管DL的开关管SH、MOS管SL，电感L，两节锂离子电池BH、BL；均衡单元电路EC连接关系为：
电池BL的正极与电池BH的负极相连，开关管SH的漏极连接到开关管BH的正极，开关管SL的源极连接到开关管BL的负极，开关管SH的源极、SL的漏极、电感L一端相连接，电感L另一端、电池BH的负极、BL的正极相连接。
当多相交错变换器工作时，从电路的全局出发，将开关状态矩阵化，优化电池均衡控制，缩短均衡时间，避免均衡过程中电池重复充放电，具体是：
首选，通过***检测电路得到电池组中每个单体电池的电压，从而计算出均衡后每个单体电池的电压即求当前电池组中所有单体电池电压的平均值；
然后，当前每个单体电池的电压与均衡后每个单体电池的电压的差值构成n行1列的矩阵Q△,在一个工作周期内，假定每个均衡单元ECi的工作时间为ti，并规定当ti>0时表示ECi中上开关管SHi导通，ti<0时ECi中表示下开关管SLi导通，由此得到一个n行1列的矩阵T。然后当均衡单元在一个开关循环期间工作时，每个电池的能量变化的比值构成矩阵△qn。以均衡单元EC1为例，在矩阵△qn中，q(1,1)＝-1表示从电池B1向电感L1传递一个单位能量，q(2,1)＝q(3,1)＝…＝q(n，1)＝1/(n-1)表示从电池B2到电池Bn吸收一个单位能量的1/(n-1)。同样，在矩阵△qn中，q(2,1)＝q＝-1/2表示电池B1和电池B2将一个单位能量的一半转移到电感L2，q(3,2)＝q(4,2)＝…＝q(n,2)＝1/(n-2)表示从电池B3到电池Bn吸收单位能量的1/(n-2)。以此类推可得n行(n-1)列矩阵△qn。
最后，由能量守恒定律得到矩阵方程△qnT＝Q△，在***控制电路中由专门的信息处理单元快速求解该矩阵方程得到在一个工作周期内每个均衡单元需要工作的时间，即而达到快速均衡电池组电量的效果。
本发明一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，技术效果如下：
1：从电路的全局出发，将开关状态矩阵化，优化电池均衡控制，缩短均衡时间，避免均衡过程中电池重复充放电。
2：本发明提出了一种基于buck-boost变换器的N相交错均衡电路拓扑。该变换器的优点主要是结构简单，易于扩展，各均衡子电路独立工作，从而使变换器能够同步工作，减少了均衡过程的耗时。
3：控制中的开关状态进行矩阵处理，避免了电池在快速均衡的同时重复充放电的问题，同时减少了均衡电路运行造成的损坏，延长了电池的工作寿命。
附图说明
图1为本发明变换器的电路拓扑图。
图2为本发明变换器的均衡单元电路电路图。
图3(a)为电池Bi的电量高于其余具有相同电量电池时Bi的能量转移示意图一；
图3(b)为电池Bi的电量高于其余具有相同电量电池时Bi的能量转移示意图二。
图4为本发明的***的检测电路和控制电路示意图。
具体实施方式
一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，如图1所示，由n-1个均衡单元电路和n节电池组成。如图1所示，n节串联电池构成串联电池组Battery Pack，从上至下编号分别为B1、B2、…、Bn。n-1个均衡单元电路EC，依次编号为EC1、EC2、…、ECn-1。具体均衡单元电路EC如图2所示，由两个反并联有二极管DH、DL的MOS管SH、SL和一个电感L及两节电池BH、BL组成。
均衡单元电路的具体连接是：两节电池BH、BL串联(电池BL的正极与电池BH的负极相连)，开关管SH的漏极连接到BH的正极，开关管SL的源极连接到BL的负极，开关管SH的源极、SL的漏极和电感的一端相连接，电感L的另一端和电池BH的负极、BL的正极相连接。
多相交错变化器具体的电路连接是：均衡单元电路ECi(i＝1，2，…，n)中的上开关管SHi(i＝1，2，…，n)的漏极连接到串联电池组的正极母线上，下开关管SLi(i＝1，2，…，n)的源极连接到串联电池组的负极母线上，上开关管SHi(i＝1，2，…，n)的源极、开关管SLi(i＝1，2，…，n)的漏极与电感Li(i＝1，2，…，n)的一端相连，电感Li(i＝1，2，…，n)的另一端连接到串联电池组中电池Bi(i＝1，2，…，n)负极与Bi+1(i＝1，2，…，n)正极连线中。每个均衡单元电路均衡电感两侧电池组的电量。
1：均衡单元电路的工作原理：
对于两节电量不同的电池BH、BL，连接如图2所示，构成均衡单元电路。
当电池BH的电量高于电池BL时，导通上开关管SH，则电池BH将通过与电感L、开关管SH构成的回路进行放电，即电流从电池BH的正极流出经开关管SH、电感L，使L储能，再流回电池BH的负极，然后断开开关管SH，由于电感L电流不可突变，使得电感L和电池BL及与开关管SL反并联的二极管DL构成的回路对电池BL进行充电，即电流在电感L的方向不变，经过电感L后到达电池BL的正极，再从电池BL的负极流出，经二极管DL流回电感L。
当电池BH的电量低于电池BL时，导通下开关管SL，则电池BL将通过和电感L、开关管SH构成的回路进行放电，即电流从电池BL的正极流出经开关管SL、电感L，使电感L储能，再流回电池BL的负极，然后断开开关管SL，由于电感L电流不可突变，使得电感L和电池BH及与开关管SH反并联的二极管DH构成的回路对电池BH进行充电，即电流在电感L的方向不变，经过电感L后到达二极管DH，再流到电池BH的正极，再从BH的负极流回电感L。这样就实现了在理论上将电量高的电池的能量无损耗地转移给电量低的电池。开关管的通断及其占空比，均可由***的检测电路和控制电路来实现。
***检测电路是指对电池组中的每个单体电池的电压进行采集电路，而对于单体电池电压的采集可采用集成芯片检测法，该方法的电压采集原理简单，采集速度快且精度高，在实际工作中有广泛运用。本发明使用由Linear公式生产的LTC6803型号的电压采集芯片来采集每个单体电池Bi的电压，然后通过数模转换器A/D将采集到的数据送入***得控制电路处理单元——STM32F103系列芯片。对该芯片进行编程后，可电池组中所有单体电池的电压信息采集到后进行处理如求取平均值，并判断哪些单体电池的电压高于平均值，哪些单体电池的电压低于平均值，从而在相应的控制引脚上输出相应的PWM波来控制开关管的通断和占空比。***的控制电路中的信息处理单元采用意法半导体(ST)公司生产的单片机STM32F103RBT6。
2：由n节电池串联构成的串联电池组中，只有一节电池电量是异常的情况下，多相交错变换器的工作原理：
①：当异常电池位于电池组的两端，如图1所示，异常电池是电池B1或者电池Bn。
假设电池B1是异常电池，且该电池的电量高于余下n-1节具有相同电量的电池，导通开关管SH1，则电池B1将通过和电感L1、开关管SH1构成回路放电，即电流从电池B1的正极出发，经开关管SH1、电感L1，使电感L1储能，再流回电池B1的负极，然后断开开关管SH1，由于电感电流不可突变，使得电感L1和余下从B2到Bn串联的n-1节电池及与开关管SL1反并联的二极管DL1构成的回路，对余下从B2到Bn串联的n-1节电池进行充电，即电流在电感L1的方向不变，经过电感L1后到达电池B2的正极，再流入从电池B2到电池Bn串联的n-1节电池，再从电池Bn的负极流出，经二极管DL1流回电感L1。
现假设异常电池B1的电量低于余下n-1节具有相同电量的电池，导通开关管SL1，则从B2到Bn串联的n-1节电池通过和电感L1、开关管SL1构成回路放电，即电流从电池B2的正极出发，经开关管SL1、电感L1，使L1储能，再流回电池Bn的负极，然后断开开关管SL1，由于电感电流不可突变，使得电感L1和电池B1及与开关管SH1反并联的二极管DH1构成的回路，对余下从B2到Bn串联的n-1节电池进行充电，即电流在L1的方向不变，经过L1后到达二极管DH1，再到电池B1的正极，再从B1的负极流回电感L1。由于电路是对称的，异常电池是Bn的情况下多相交错变换器的工作原理，可类似推得。
②：当异常电池位于电池组内部，如图3(a)、图3(b)所示，异常电池是Bi(i的取值可以是2，3，…，n-1)。现假设电池Bi电量高于余下n-1节具有相同电量的电池，则需要将电池Bi的多余能量转移到电池组中的其他电池。
先导通开关管SL(i-1)，如图3(a)所示，则从电池Bi到电池Bn串联的n-i+1节电池将通过和电感L(i-1)、开关管SL(i-1)构成的回路进行放电，即电流从电池Bi出发，经开关管SL(i-1)、电感L(i-1)，使得L(i-1)储能，然后关断SL(i-1)，由于电感电流不可突变，使得电感L(i-1)和从B1到B(i-1)串联的i-1节电池及与开关管SH(i-1)反并联的二极管DH(i-1)构成的回路，对从B2到Bn串联的n-1节电池进行充电，即电流在L(i-1)的方向不变，经过L(i-1)后到达二极管DH(i-1)，再到电池B1的正极，再流入从B1到B(i-1)串联的i-1节电池，再从电池B(i-1)的负极流回电感L(i-1)。
接着导通开关管SHi，如图3(b)所示，则从电池B1到电池Bi串联的i节电池将通过和电感Li、开关管SHi构成的回路进行放电，即电流从电池B1的正极出发，经开关管SHi、电感Li，使得Li储能，再流回电池Bi的负极，然后关断SHi，由于电感电流不可突变，使得电感Li和从B(i+1)到Bn串联的n-i节电池及与开关管SLi反并联的二极管DLi构成的回路对从B(i+1)到Bn串联的n-i节电池进行充电，即电流在Li的方向不变，经过Li后到达电池B(i+1)的正极，再流入从B(i+1)到Bn串联的n-i节电池，再从电池Bn的负极流出，经二极管DLi流回电感L(i-1)。结合这两种状态，属于Bi的多余能量可以转移给剩余的电池。
具体说明如下：
假设Bi和电池组平均值之间的差值为
Figure BDA0002103648530000051
在状态stateI下，每个电池从Bi到Bn释放的能量被设置为△ε1，暂时存储在电感L(i-1)中，然后释放到电池B1到电池B(i-1)；在状态stateII下，每个电池从B1到Bi的释放的能量被设置为△ε2，暂时存储在电感Li中，然后释放到电池B(i+1)至Bn。状态I和状态II可以同时操作。均衡过程中个开/关的切换如表1所示。在一个开关周期内，电感吸收和释放的能量相等，因此，可以推导出以下公式：
Figure BDA0002103648530000052
Figure BDA0002103648530000053
Figure BDA0002103648530000054
联立方程组解得：
Figure BDA0002103648530000055
Figure BDA0002103648530000056
解得的△ε1、△ε2用于***控制电路计算开关管的通断及其占空比，即使得***控制电路可实现对电池组的电量进行控制均衡。
表1：均衡过程中中各开关管的导通/关断状态切换
Figure BDA0002103648530000061
3：n节电池中没节电池的电量是随机的情况下，多相变换器的工作原理：
先通过***检测电路，对n节串联电池构成的电池组的电量进行检测，得到每节电池的电量为QBi，定义均衡后电池的电量为
Figure BDA0002103648530000062
则有式(6)，
Figure BDA0002103648530000063
假定每个均衡单元ECi的工作时间为ti，并规定当ti>0时表示ECi中上开关管SHi导通，ti<0时ECi中表示下开关管SLi导通，得由n-1个均衡单元工作时间的矩阵T即式(7)，
T＝[t1,t2,…，tn-1]T (7)
由当前每节电池的能量QBi与均衡后每节电池的能量
Figure BDA0002103648530000065
的差值构成矩阵Q△,即得式(8)：
Figure BDA0002103648530000064
当均衡单元在一个开关循环期间工作时，每个电池的能量变化的比值构成矩阵△qn。
以均衡单元EC1为例，在矩阵△qn中，q(1,1)＝-1表示从电池B1向电感L1传递一个单位能量，q(2,1)＝q(3,1)＝…＝q(n,1)＝1/(n-1)表示从电池B2到电池Bn吸收一个单位能量的1/(n-1)。同样，在矩阵△qn中，q(2,1)＝q＝-1/2表示电池B1和电池B2将一个单位能量的一半转移到电感L2，q(3,2)＝q(4,2)＝…＝q(n,2)＝1/(n-2)表示从电池B3到电池Bn吸收单位能量的1/(n-2)。以此类推可得n行(n-1)列矩阵△qn，即得式(9)。
Figure BDA0002103648530000071
仿照上述第2部分的工作原理和能量守恒定律得式(10)。
△qnT＝Q△ (10)
根据式(10)，即可得到开关矩阵的导通时间，也就实现了***控制电路对多相交错变换器的有效控制，使得电池组的电量得到快速均衡。

Claims (2)

1.一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，其特征在于包括：
n节电池；n-1个均衡单元EC；
电池Bi(i＝1，2，…，n)的负极与电池Bi+1的正极相连，构成n节首尾相互连接的串联电池组；
均衡单元ECi(i＝1，2，…，n-1)中的上开关管SHi(i＝1，2，…，n-1)的漏极连接到串联电池组的正极母线上，下开关管SLi(i＝1，2，…，n-1)的源极连接到串联电池组的负极母线上，上开关管SHi(i＝1，2，…，n-1)的源极、下开关管SLi(i＝1，2，…，n-1)的漏极与电感Li(i＝1，2，…，n-1)的一端相连，电感Li(i＝1，2，…，n-1)的另一端连接到串联电池组中电池Bi(i＝1，2，…，n)负极与Bi+1(i＝1，2，…，n)正极连线中；
基于上述多相交错变换器的串联锂离子电池组电量均衡方法，包括以下步骤：
首先，通过***检测电路得到电池组中每个单体电池的电压，从而计算出均衡后每个单体电池的电压即求当前电池组中所有单体电池电压的平均值；
然后，当前每个单体电池的电压与均衡后，每个单体电池的电压的差值构成n行1列的矩阵QΔ,在一个工作周期内，设每个均衡单元ECi的工作时间为ti，并规定当ti>0时表示ECi中上开关管SHi导通，ti<0时ECi中表示下开关管SLi导通，由此得到一个n行1列的矩阵T；然后当均衡单元在一个开关循环期间工作时，每个电池的能量变化的比值构成矩阵Δqn；
在均衡单元EC1中，在矩阵Δqn中，q(1,1)＝-1表示从电池B1向电感L1传递一个单位能量，q(2,1)＝q(3,1)＝…＝q(n，1)＝1/(n-1)表示从电池B2到电池Bn吸收一个单位能量的1/(n-1)；同样，在矩阵Δqn中，q(2,1)＝q＝-1/2表示电池B1和电池B2将一个单位能量的一半转移到电感L2，q(3,2)＝q(4,2)＝…＝q(n,2)＝1/(n-2)表示从电池B3到电池Bn吸收单位能量的1/(n-2)，以此类推能够得n行(n-1)列矩阵Δqn；
最后，由能量守恒定律得到矩阵方程ΔqnT＝QΔ，求解该矩阵方程，得到在一个工作周期内每个均衡单元需要工作的时间，即而达到快速均衡电池组电量的效果。
2.根据权利要求1所述一种适用于串联锂离子电池组的多相交错变换器，其特征在于：
均衡单元电路EC包括：反并联有二极管DH的开关管SH，反并联有二极管DL的MOS管SL，电感L，两节锂离子电池BH、BL；均衡单元电路EC连接关系为：
电池BL的正极与电池BH的负极相连，开关管SH的漏极连接到开关管BH的正极，开关管SL的源极连接到开关管BL的负极，开关管SH的源极、SL的漏极、电感L一端相连接，电感L另一端、电池BH的负极、BL的正极相连接。
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