CN110758179B - 基于lc-l的串联电池组均衡电路及均衡方法 - Google Patents

基于lc-l的串联电池组均衡电路及均衡方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于LC‑L的串联电池组均衡电路及均衡方法，串联电池组由n个单体电池组成；均衡电路包括2n+2个MOS管、2n+2个二极管、一个LC‑L储能电路；LC‑L储能电路包括电感L、电容C、二极管VD、di/dt抑制电路；di/dt抑制电路包括缓冲电感Lb、电阻Rb、二极管VDb。该均衡电路的第一个特点是，整个均衡电路只需要一个LC‑L储能电路用于能量转移，可以大大缩小均衡电路的体积；第二个特点是，易于扩展，当串联电池组的单体电池数量变化时，只需要增加或者减少相应的MOS管数量；第三个特点是，均衡速度快，充放电过程中均衡能量可以直接从高能量单体转移到低能量单体。

Description

基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法
技术领域
本发明属电池均衡技术领域，涉及一种基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，适用于新能源汽车中电池管理***。
背景技术
随着经济快速发展，能源危机和环境污染问题日益突出。新能源汽车作为一种可持续发展的交通方式，在未来将获得越来越大的发展势头。在新能源汽车中，由于单体电池电压、电流较低，为了达到所需的电压或功率要求，单体电池必须进行相应的串并联才可以满足不同的需求。在各种不同类型的动力电池中，由于锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，被广泛应用在新能源汽车的动力电池***中。另外，单体电池在制造和使用过程中，受到内阻变化、电池老化等自身因素，以及工作温度等外部因素影响，普遍存在不一致性问题，进而导致电池组可能出现过充、过放的现象，降低电池组能量利用率、循环寿命，甚至危及电池组的安全性。为了消除电池组的不一致问题，延长电池组循环寿命，必须对电池组进行有效的均衡。
均衡技术的研究，主要集中在高效、可靠的均衡拓扑研究。电池组的均衡拓扑按能量的耗散和转移形式可以分为能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路。基于电阻的均衡电路属于能量耗散型均衡电路，一方面降低了能量利用率，一方面产生了散热问题，且均衡电流小，但由于其结构简单，成本低，仍然被广泛使用。基于电感的均衡电路的均衡电流可控性强，均衡效率较高，但是MOS管的冲击电流较大，容易对电池产生不利影响。基于电容的均衡电路具有均衡速度快、均衡效率高的优点，但是均衡过程依靠单体电池的电压差，而单体电池的电压并不能有效反应电池的不一致性，难以有效实现均衡。采用LC谐振电路进行均衡，可以实现单体到单体的均衡，均衡速度快，均衡效率高，但MOS管多、成本高、控制复杂。基于变压器的均衡电路利用了单绕组或多绕组变压器将电能与磁能进行相互转换，实现能量在单体之间双向传输，这种均衡电路优点是均衡速度快，但是结构复杂，成本高，不易扩展，且存在绕组变压器饱和等问题，一般应用在单体电池数量较少的场景。采用Cuk、Buck-Boost等变换器构成双向反激DC-DC功率变换器，其能量传输更为灵活，可以实现能量的双向流动，均衡速度快，容易实现模块化，但其电路构成比较复杂，且控制信号复杂，存在绕组的磁损耗问题，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术问题，提出了基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，改善串联电池组不均衡现象，延长电池组使用寿命。
为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实施：
基于LC-L的串联电池组均衡电路：
串联电池组由n个单体电池组成；所述均衡电路包括2n+2个MOS管、2n+2个二极管、一个LC-L储能电路；所述LC-L储能电路包括电感L、电容C、二极管VD、di/dt抑制电路；所述di/dt抑制电路包括缓冲电感Lb、电阻Rb、二极管VDb；
每个所述单体电池的正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，每个所述单体电池的负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，然后将MOS管和二极管串联电路的尾端与LC-L储能电路串联连接；
在LC-L储能电路中，电感L和二极管VD串联后与电容C并联，再与di/dt抑制电路进行串联；在di/dt抑制电路中，电阻Rb和二极管VDb串联后与缓冲电感Lb进行并联。
LC-L储能电路的作用是完成均衡能量的转移，并减小冲击电流对电池的影响。di/dt抑制电路用于减小MOS管断开、开通时的电流突变，消除电流尖峰对单体电池的不利影响。
本发明还包括基于LC-L的串联电池组均衡电路的均衡方法：
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；均衡电路中每个MOS管依次标记为S0，S1，S2，…，S2n，S2n+1；均衡电路的目标为，充放电过程中使电池组各单体电池的SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当SOC最高的单体电池Bi和SOC最低的单体电池Bj的差值满足均衡电路工作的阈值条件时，均衡电路开始工作；
均衡过程分为三个阶段：第一阶段，打开单体电池Bi对应的MOS管S2i-1和S2i，单体电池Bi向LC-L储能电路储存能量；第二阶段，MOS管S2i-1和S2i关闭，电感通过L-VD-C回路进行续流，缓冲电感经Lb-VDb-Rb回路进行续流，经过MOS管的切换间隔时间，打开单体电池Bj对应的MOS管S2j-2和S2j+1；第三阶段，LC-L储能电路向单体电池Bj储存能量。
整个均衡电路只需要一个LC-L储能电路用于能量转移，可以大大缩小均衡电路的体积；易于扩展，当串联电池组内的单体电池数量变化时，只需要增加或者减少相应的MOS管数量；均衡速度快，可以实现均衡能量从SOC最高的单体直接向SOC最低的单体转移。
上述三个阶段想要顺利实施，需要对电路核心元器件的参数进行计算分析，设定合适的电路参数。下面为了便于表示，将各单体电池Bn的电压表示为Un，其中n是大于1的整数，代表电池组第n节电池；时间表示为t；均衡周期表示为T；两路PWM波占空比分别α和α′；电感表示为L；电容表示为C。因为在均衡过程中，其能量转移主要依靠电感，均衡能量的大小是由电感决定的，故首先需确定电感峰值电流。
在第一阶段，当MOS管S2i-1和S2i导通时，单体电池Bi为LC-L储能电路充电，流过电感的电流开始上升，电感进行储能。确定第一阶段的时间t为0～αT，忽略闭合回路的总电阻R，电感电流近似满足斜坡函数，这一阶段电感最大值电流近似为电感峰值电流，其值为：
Figure BDA0002267228110000041
式中：ILmax为电感峰值电流；Lb为缓冲电感。因为di/dt抑制电路会与电感进行分压，故(1)式采用电压的修正值
Figure BDA0002267228110000042
近似考虑。
在第二阶段开始时，MOS管S2i-1和S2i关闭，LC-L储能电路中电感能量经过电容进行续流，同时di/dt抑制电路中缓冲电感能量经过电阻Rb和二极管VDb进行续流。因为在正常工作时均衡单体电池电压相差不大，此阶段的时间近似和LC无阻尼振荡电路的振荡周期一半相等。因为MOS管需要留有死区时间，所以这一阶段需保证
Figure BDA0002267228110000043
对于di/dt抑制电路构成的回路，根据基尔霍夫定律可得：
Figure BDA0002267228110000044
式中：Ib为流过Rb的电流。对上述微分方程求解，并代入初始条件得：
Figure BDA0002267228110000045
为确保di/dt抑制电路正常工作，Rb不能过小，否则将使缓冲电感短路；Rb也不能过大，否则缓冲电感将和电容产生较大的谐振电流，影响均衡效果。通过限定在t2时刻Ib的值，即可确定出Rb的取值。
在第三阶段，当MOS管S2j-2和S2j+1导通时，LC-L储能电路为单体电池Bj充电，流过电感的电流开始下降，单体电池Bj进行储能。设这一阶段经历的时间为Δt，忽略闭合回路的总电阻R且不考虑能量的损耗，电感电流也近似满足斜坡函数，这一阶段经历的时间近似为：
Δt≈αT (5)
此时驱动MOS管S2j-2和S2j+1关闭，考虑这一阶段留有的死区时间td，为了保证该均衡电路运行在电流断续模式，并由(2)和(5)式代入下式可得
Figure BDA0002267228110000051
根据上述分析，可得出第二均衡路径MOS管保证均衡效率最高的占空比最小值α′min为
Figure BDA0002267228110000052
其占空比最大值α′max为
Figure BDA0002267228110000053
如图6所示，为PWM信号占空比在一个周期的时序分布图，α′的取值为α′min≤α′≤α′max。
根据选择合适的开关频率f和占空比，即可确定相应的电感、电容、缓冲电感和电阻的大小。在实际应用中，希望均衡能量转化效率越高越好，为了减少di/dt抑制电路储存能量的损失，均衡第二阶段的时间应取最小值tb，故第二均衡路径的占空比选取α′max。
综上，通过根据实际需求设定合适的均衡电流，即可求出均衡拓扑剩余参数。
优选的，串联电池组均衡电路连接有控制电路；所述控制电路控制信号的频率大小根据LC-L储能电路的参数、MOS管的开关损耗、整组及单体电池电压、均衡电流而定。如图1所示，为连接有控制电路的均衡电路原理图。
优选的，所述控制电路输出驱动信号的占空比使LC-L储能电路储存的能量在每个信号周期内复位，即电感和缓冲电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
优选的，所述串联电池组的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
本发明达到了以下有益效果：
与现有技术相比，本发明基于LC-L的串联电池组建立主动均衡电路。该均衡电路的第一个特点是，整个均衡电路只需要一个LC-L储能电路用于能量转移，可以大大缩小均衡电路的体积；第二个特点是，易于扩展，当电池组单体数量变化时，只需要增加或者减少相应的MOS管数量；第三个特点是，均衡速度快，充放电过程中均衡能量可以直接从高能量单体转移到低能量单体。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
图1是本发明连接有控制电路的均衡电路原理图；
图2是本发明的均衡电路原理图；
图3是本发明均衡过程第一阶段工作原理；
图4是本发明均衡过程第二阶段工作原理；
图5是本发明均衡过程第三阶段工作原理；
图6是控制信号占空比时序图；
图7是本发明均衡拓扑仿真模型输入工况电流；
图8是本发明串联电池组均衡控制策略；
图9是在MATLAB/Simulink中搭建的5个单体串联的电池组仿真模型；
图10是仿真模型各单体SOC变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示，串联电池组由n个单体电池组成；所述均衡电路包括2n+2个MOS管、2n+2个二极管、一个LC-L储能电路；所述LC-L储能电路包括电感L、电容C、二极管VD、di/dt抑制电路；所述di/dt抑制电路包括缓冲电感Lb、电阻Rb、二极管VDb；
每个所述单体电池的正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，每个所述单体电池的负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，然后将MOS管和二极管串联电路的尾端与LC-L储能电路串联连接；
在LC-L储能电路中，电感L和二极管VD串联后与电容C并联，再与di/dt抑制电路进行串联；在di/dt抑制电路中，电阻Rb和二极管VDb串联后与缓冲电感Lb进行并联。
基于LC-L的串联电池组均衡电路的均衡方法：
串联电池组中有n个单体电池，每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；均衡电路中每个MOS管依次标记为S0，S1，S2，…，S2n，S2n+1；均衡电路的目标为，充放电过程中使电池组各单体电池的SOC趋于一致；实现上述目标包括以下步骤：
当SOC最高的单体电池Bi和SOC最低的单体电池Bj的差值满足均衡电路工作的阈值条件时，均衡电路开始工作；均衡过程分为三个阶段：
如图3所示，第一阶段，打开单体电池Bi对应的MOS管S2i-1和S2i，单体电池Bi向LC-L储能电路储存能量；
如图4所示，第二阶段，MOS管S2i-1和S2i关闭，电感通过L-VD-C回路进行续流，缓冲电感经Lb-VDb-Rb回路进行续流，经过MOS管的切换间隔时间，打开单体电池Bj对应的MOS管S2j-2和S2j+1；
如图5所示，第三阶段，LC-L储能电路向单体电池Bj储存能量。
如图7所示，为本发明均衡拓扑仿真模型输入工况电流。电池组在实际工作中，由于环境和人为等因素影响，其电池组的充放电状态不是固定不变的，为了模拟实际的工作状态，即考虑正常的工况，参考UDDS(Urban Dynamometer Driving Schedule)工况设置负载一个周期内，电流输出的平均值为0.94A，最大值为2.64A，仿真总时长为800s，整个工况包含了充放电、加减速过程。
图8是本发明串联电池组均衡控制策略，以SOC作为单体电池不一致性指标，以各单体SOC的最大差值作为均衡电路是否工作的阈值条件。
图9是在MATLAB/Simulink中搭建的五个单体电池的串联电池组仿真模型。五个单体电池的串联的电池组在MATLAB/Simulink中搭建的均衡电路仿真模型，包含开关模块，控制策略模块，以及检测模块等。选用的单体锂离子电池的额定容量为2.6Ah，额定电压为3.7V。仿真模型具体参数设置如表1所示。
表1均衡电路的仿真参数表
Figure BDA0002267228110000091
如下表2所示为均衡仿真结果。
表2均衡仿真结果
Figure BDA0002267228110000092
图10仿真模型各单体SOC变化曲线。均衡仿真过程中各单体SOC的变化曲线，从表2和图10看出，均衡开始时，电池组各单体初始SOC的最大值和最小值之差为7.00％。经过701s后，电池组的SOCmax和SOCmin之差降低为2％，此时不满足均衡电路工作的阈值条件，均衡电路不工作。此后各单体电池的SOC变化基本一致，SOCmax和SOCmin的差值一直维持在2％，实现了既定均衡目标。

Claims (4)

1.基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，其特征在于：
串联电池组由n个单体电池组成；所述均衡电路包括2n+2个MOS管、2n+2个二极管、一个LC-L储能电路；所述LC-L储能电路包括电感L、电容C、二极管VD、di/dt抑制电路；所述di/dt抑制电路包括缓冲电感Lb、电阻Rb、二极管VDb；
每个所述单体电池的正极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，每个所述单体电池的负极的左右桥臂与串联的MOS管和二极管相连接，然后将MOS管和二极管串联电路的尾端与LC-L储能电路串联连接；
在LC-L储能电路中，电感L和二极管VD串联后与电容C并联，再与di/dt抑制电路进行串联；在di/dt抑制电路中，电阻Rb和二极管VDb串联后与缓冲电感Lb进行并联；
串联电池组中每个单体电池依次标记为B1，B2，…，Bn；均衡电路中每个MOS管依次标记为S0，S1，S2，…，S2n，S2n+1；均衡电路的目标为，充放电过程中使电池组各单体电池的SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当SOC最高的单体电池Bi和SOC最低的单体电池Bj的差值满足均衡电路工作的阈值条件时，均衡电路开始工作；
均衡过程分为三个阶段：第一阶段，打开单体电池Bi对应的MOS管S2i-1和S2i，单体电池Bi向LC-L储能电路储存能量；第二阶段，MOS管S2i-1和S2i关闭，电感通过L-VD-C回路进行续流，缓冲电感经Lb-VDb-Rb回路进行续流，经过MOS管的切换间隔时间，打开单体电池Bj对应的MOS管S2j-2和S2j+1；第三阶段，LC-L储能电路向单体电池Bj储存能量。
2.根据权利要求1所述的基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，其特征在于：
串联电池组均衡电路连接有控制电路；所述控制电路控制信号的频率大小根据LC-L储能电路的参数、MOS管的开关损耗、整组及单体电池电压、均衡电流而定。
3.根据权利要求2所述的基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，其特征在于：所述控制电路输出驱动信号的占空比使LC-L储能电路储存的能量在每个信号周期内复位，即电感和缓冲电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
4.权利要求1-3任一项所述的基于LC-L的串联电池组均衡电路及均衡方法，其特征在于：所述串联电池组的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
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