CN113612292A - 一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组能量均衡方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于电池能量均衡技术,具体涉及一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组能量均衡方法。
背景技术
在实际工程应用中,将多个单体电池串联成为电池组来获得所期望的电压等级和容量是十分普遍的做法。在串联电池组中,各单体电池之间会由于生产过程不可避免的误差而存在不一致性,这种不一致性体现在电池的电压、内阻、容量等方面,进而导致各单体电池之间充放电情况不一致。为了避免电量高的电池过充电,电池组的容量将受到限制;为了避免电量低的电池过放电,电池组的输出功率将受到限制,即“木桶效应”,因此保持各单体电池能量的一致性是十分重要的。
发明内容
本发明提供一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组能量均衡方法,通过双向Buck-Boost变换器为组内任意两节电池都提供了能量通道,且具有结构简单,高度模块化,易于拓展,适用电压等级较广的优点。
为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组的能量均衡方法,所述锂电池组由编号依次为1~N的N节锂电池依次串联组成,使用编号依次为1~N-1的N-1个均衡模块控制电池组的能量均衡;
第i(1≤i<N)个均衡模块Ei包括:两个开关管SA,i和SB,i,两个分别与开关管反向并联的二极管DA,i和DB,i,以及储能电感Li;二极管DA,i的阴极与开关管SA,i的第一端极连接,阳极与SA,i的第二端极连接;二极管DB,i的阴极与开关管SB,i的的第一端极连接,阳极与SB,i的第一端极连接;开关管SA,i的第二端极与开关管SB,i的第一端极以及电感Li的第一端连接;
定义开关管SA,i的第一端极为均衡模块Ei的A端,定义开关管SB,i的第二端极为均衡模块Ei的B端,定义电感Li的第二端为均衡模块Ei的C端;
所有均衡模块的A端与锂电池组的正极连接,所有均衡模块的B端与锂电池组的负极连接,第i个均衡模块Ei的C端与第i节锂电池Bi的负极及第(i+1)节锂电池Bi+1的正极连接;
定义第1节锂电池B1至第i节Bi锂电池为第i个均衡模块Ei的上侧电池,第(i+1)节锂电池Bi+1至第N节BN锂电池为第i个均衡模块Ei的下侧电池;则所述能量均衡方法为:通过控制均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比,使均衡模块上下两侧电池的电量之比等于上下两侧电池数量之比。
在更优的技术方案中,定期调整各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比。
在更优的技术方案中,各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比在初始采样周期τ=0的设置方法为:
(a3)创建:均衡模块的能量转移矩阵K和初始SOC差异列向量ΔSOC(0):
K=A|B
式中,i为均衡模块的编号,n为电池的编号,ani为矩阵A第n行第i列的元素,bni为矩阵B第n行第i列的元素;
(a4)创建并求解能量转移方程:
ΔSOC(0)=KT(0)
(a5)产生均衡模块初始控制信号:
在得到所有均衡模块的初始导通时间向量T(0),并根据可行解T(0)各非零元素数值之比:
在更优的技术方案中,各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比的定期调整方法为:
(b3)判断均衡目标是否完成:若大于波动阈值上限值,说明前i节电池B1至Bi需释放电量,则第i个均衡模块内部开关管SA,i按占空比导通;若小于波动下限值,则说明前i节电池B1至Bi需吸收电量,则第i个均衡模块内部开关管SB,i按占空比导通;否则,认为均衡模块Ei上下侧电池电量分布已经满足均衡目标,则均衡模块Ei内部开关管全部关断;
在更优的技术方案中,波动阈值上限值和下限值分别为0.05、-0.05。
在更优的技术方案中,各均衡模块的控制信号采样PWM调制法产生,共用一个载波信号。
在更优的技术方案中,所有开关管均采用N沟道MOSFET,开关管的第一端极和第二端极分别为漏极和源极;或者,所有开关管均采用P沟道MOSFET,开关管的第一端极和第二端极分别为源极和漏极。
本发明的有益效果为:
本发明通过双向Buck-Boost变换器为组内任意两节电池都提供了能量通道,且具有结构简单,高度模块化,易于拓展,适用电压等级较广的优点。本发明充分利用了均衡电路的模块化特点,每个均衡模块的控制程序具备同均衡电路结构同样的模块化特征,原理简单且易于实现,其总体思路是:通过检测串联电池组各单体电池的荷电状态,制订电池组内部的电量转移方案,利用基于双向Buck-Boost变换器的均衡模块实施能量转移,最终使电池组内各单体电池电量趋于一致。
附图说明
图1是本申请所述方法所采用的均衡模块电路拓扑图;
图2是本申请均衡模块将电量从上侧电池转移至下侧电池的示意图;
图3是本申请中电池B1至Bi中仅有部分电池为均衡模块Ei的上侧电池的示意图;
图4是本申请中电池B1至电池Bn全部为均衡模块Ei的上侧电池的示意图;
图5是本申请实施所述方法在电池组静置状态下各节电池的电量变化示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例以本发明的技术方案为依据开展,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本实施例提供一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组的能量均衡方法,所应用的锂电池组由编号依次为1~N的N节锂电池依次串联组成,使用编号依次为1~N-1的N-1个均衡模块控制电池组的能量均衡。
参见图1所示,本实施例中的锂电池的连接方式为串联连接。以由N节电池串联组成的电池组为例:第1节电池的正极作为整个电池组的正极,第i节电池(i为正整数且1≤i<N)的负极与第(i+1)节电池正极连接,以此类推;第N节电池的负极作为串联电池组的负极;
参见图1所示,均衡模块的结构为双向Buck-Boost变换器中由两个开关管和电感组成的三端结构,以第i个均衡模块Ei为例:其内部包括两个开关管SA,i和SB,i,两个与开关管反向并联的二极管DA,i和DB,i,以及储能电感Li;均衡模块Ei内部器件的连接情况为(以开关管为N沟道MOSFET的情况为例):二极管DA,i的阴极与开关管SA,i的漏极连接,阳极与SA,i的源极连接;二极管DB,i的阴极与开关管SB,i的漏极连接,阳极与SB,i的源极连接;开关管SA,i的源极与开关管SB,i的漏极,以及电感Li的一端连接;
定义开关管SA,i的漏极为均衡模块Ei的A端,定义开关管SB,i的源极为均衡模块Ei的B端,定义电感Li未与开关管SA,i、SB,i连接的一端为均衡模块Ei的C端;
均衡模块与串联电池组的连接方式为:所有均衡模块的A端与电池组的正极连接;所有均衡模块的B端与电池组的负极连接;第1个均衡模块E1的C端与第1节电池B1的负极和第2节电池B2的正极连接;第i个均衡模块Ei的C端与第i节电池Bi的负极和第(i+1)节电池Bi+1的正极连接,以此类推;
定义第1节电池B1为第1个均衡模块E1的上侧电池,第2节电池B2至第N节电池BN为第1个均衡模块E1的下侧电池,第i节电池Bi为第i个均衡模块Ei的上侧电池,第(i+1)节电池Bi+1至第N节BN电池为第i个均衡模块Ei的下侧电池;
基于上述锂电池组和均衡模块的结构以及各端口定义,本实施例的均衡思路是:通过控制均衡模块内部开关管驱动信号的占空比,使每个均衡模块上下两侧电池的电量之比等于其上下两侧电池数量之比,从而使串联电池组内每节电池的SOC趋于一致。
主要步骤包括设置各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比初始值,和定期调整各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比,直到达到串联电池组内每节电池的SOC趋于一致。
其中,均衡模块实现电量转移的工作原理如下:
均衡模块Ei将电量从上侧电池转移至下侧电池的示意图如附图2所示,具体过程为:
开关管SA,i导通,开关管SA,i、电感Li以及均衡模块Ei上侧电池B1至Bi构成放电回路,电池B1至电池Bi向电感Li放电,电感Li将来自其上侧电池释放的电能转化为磁能储存;开关管SA,i关断,二极管DB,i、电感Li以及均衡模块Ei下侧电池Bi+1至BN构成充电回路,电感Li存储的磁能转化为电能释放,向电池Bi+1至电池BN放电,由此均衡模块Ei完成一个开关周期内从上侧电池B1至Bi向下侧电池Bi+1至BN的电量转移;
均衡模块Ei将电量从下侧电池转移至上侧电池的过程为:
开关管SB,i导通,开关管SB,i、电感Li以及均衡模块Ei下侧电池Bi+1至BN构成放电回路,电池Bi+1至电池BN向电感Li放电,电感Li将来自其上侧电池释放的电能转化为磁能储存;开关管SB,i关断,二极管DA,i、电感Li以及均衡模块Ei上侧电池B1至Bi构成充电回路,电感Li存储的磁能转化为电能释放,向电池B1至电池Bi放电,由此均衡模块Ei完成一个开关周期内从下侧电池Bi+1至BN向上侧电池B1至Bi的电量转移;
本发明提出的均衡策略充分利用了上述电路模块化的特点,将均衡目标设定为每个均衡模块上下侧电池电量之比等与该均衡模块上下两侧电池数量之比,定义 SOCn表示第n节电池的电量,目标的数学描述即对SOCA,i/SOCB,i=i/(N-i)都成立。该目标等价于使电池组每节电池的电量一致,即:对 都成立。
为完成电量转移,均衡模块开关管控制信号的占空比应合理设置,否则电池组各节电池的电量将无法在均衡策略实施过程中向电池电量均值趋近。
本发明提出一种用开关管导通时间来近似描述电路中各均衡模块所转移电量的方法,其基本原理是根据安时积分法计算电池放电所释放的电量。以电池Bn为例,在一个开关周期内,放电所造成的电量变化为:
假设电池组内各节电池放电电流相同,且在一个开关周期内为定值I,则令k=ηI/C,td=t1-t0,式(2)可写为:
ΔSOC_Bn=-ktd (3)
定义由均衡模块Ei开关管导通所引起的前n节电池B1至Bn的电量变化量为ΔSOCAn,i,ΔSOCAn,i的表达式与均衡模块Ei与电池B1至Bn的相对位置有关,因此分两种情况讨论:
情况(1):i≤n,即电池B1至Bi中仅有部分电池为均衡模块Ei的上侧电池,示意图如附图3:
情况(1.1):均衡模块Ei的开关管SA,i动作:
开关管SA,i关断后,电池Bi+1至电池BN,二极管DB,i,以及电感Li组成充电回路,由于电池B1至Bn中的Bi+1至Bn部分电池在充电回路中,这部分电池会分配到电感释放电量的(n-i)/(N-i)。则电池B1至Bn在一个开关周期内,开关管关断后的电量变化为
情况(1.2):均衡模块Ei的开关管SB,i动作:
在一个开关周期内,开关管SB,i导通时间为tBi。开关管SB,i,电池Bi+1至电池BN,以及电感Li组成放电回路,电池B1至Bn中的部分电池Bi+1至Bn在放电回路中并参与放电,则电池B1至Bn的电量变化为
情况(2)i>n,即电池B1至电池Bn全部为均衡模块Ei的上侧电池,示意图如附图4所示:
情况(2.1):均衡模块Ei的开关管SA,i动作:
开关管SA,i关断后,电池Bi+1至电池BN,二极管DB,i,以及电感Li组成充电回路,由于电池B1至Bn不在充电回路中,因此电量不变。
情况(2.2):均衡模块Ei的开关管SB,i动作
在一个开关周期内,开关管SB,i导通时间为tBi。开关管SB,i,电池Bi+1至电池BN,以及电感Li组成放电回路,电池B1至Bn不在放电回路中,不参与放电,因此电量不变,此过程电感存储的电量SOCL为:
SOCL=(N-i)×k×tBi (9)
开关管SB,i关断后,电池B1至Bi,二极管DA,i,以及电感Li组成充电回路。电池B1至Bn在充电回路中,会吸收来自电感释放电量的n/i。则电池B1至Bn在一个开关周期内,开关管SB,i关断后的电量变化为
综上,由均衡模块Ei开关管导通所引起的前n节电池B1至Bn的电量变化量为ΔSOCAn,i的一般表达式为:
根据式(10)可用均衡模块Ei开关管导通时间近似计算电池组前n节电池B1至Bn的电量变化。式(10)中,开关管导通时间tAi及tBi为可控变量,k被假设为常数,均衡模块编号i和电池编号n为电路自身参数,为了便于编程计算,将式(10)写为矩阵形式:
ΔSOCAn,i=KT (11)
式(11)中:
K=A|B
称式(11)中的矩阵K为能量转移矩阵,向量T为均衡模块开关管导通时间向量。矩阵K中元素的值仅与电路自身相关,如附表1所示。tm表示向量T第m行的元素,向量T前i个元素对应均衡模块Ei中开关管SA,i的导通时间,后i个元素对于开关管SB,i的导通时间。利用式(11),可建立方程组:
求解出满足条件式(1)的均衡模块开关管导通时间向量T(0),为均衡模块开关管控制信号的初始设置提供依据。
上述电量转移矩阵K的秩为(N-1),增广矩阵K|ΔSOC(0)的秩也为(N-1),方程的解T含有2(N-1)个未知数,因此方程有无穷多解为:
T(0)=c1β1+c2β2+…cN-1βN-1+β0
为获得可作为控制信号占空比设定参考的解,遍历特解β0各个元素,若β0(i)<0,则令方程解T表达式中系数ci=-β0(i)/βi(i);否则令ci=0;得到各元素全部非负的可行解T(0)。为完成电量转移方案,各均衡模块的上侧电池不可能同时需要释放电量和吸收电量,因此解集中对应某个均衡模块Ei的上下开关管导通时间的元素和即tAi和tBi必有一个为0。根据可行解T(0)各非零元素数值之比分配各均衡模块控制信号的初始占空比作为控制信号占空比的初始值。
在按上述方法得到均衡模块控制信号的占空比初始值后,再定期调整各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比:
(b3)判断均衡目标是否完成:若大于波动阈值上限值,说明前i节电池B1至Bi需释放电量,则第i个均衡模块内部开关管SA,i按占空比导通;若小于波动下限值,则说明前i节电池B1至Bi需吸收电量,则第i个均衡模块内部开关管SB,i按占空比导通;否则,认为均衡模块Ei上下侧电池电量分布已经满足均衡目标,则均衡模块Ei内部开关管全部关断;
本实施例中设置波动阈值上限值和下限值分别为0.05、-0.05。
以在Simulink中搭建的8节锂电池串联而成的电池组为例,采用本发明所提出的均衡电路,实施本发明所提出的均衡策略,在电池组静置状态下各节电池的电量变化如附图5所示。
附表1
以上实施例为本申请的优选实施例,本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进,在不脱离本申请总的构思的前提下,这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。
Claims (7)
1.一种基于双向Buck-Boost变换器的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,所述锂电池组由编号依次为1~N的N节锂电池依次串联组成,使用编号依次为1~N-1的N-1个均衡模块控制电池组的能量均衡;
第i(1≤i<N)个均衡模块Ei包括:两个开关管SA,i和SB,i,两个分别与开关管反向并联的二极管DA,i和DB,i,以及储能电感Li;二极管DA,i的阴极与开关管SA,i的第一端极连接,阳极与SA,i的第二端极连接;二极管DB,i的阴极与开关管SB,i的的第一端极连接,阳极与SB,i的第一端极连接;开关管SA,i的第二端极与开关管SB,i的第一端极以及电感Li的第一端连接;
定义开关管SA,i的第一端极为均衡模块Ei的A端,定义开关管SB,i的第二端极为均衡模块Ei的B端,定义电感Li的第二端为均衡模块Ei的C端;
所有均衡模块的A端与锂电池组的正极连接,所有均衡模块的B端与锂电池组的负极连接,第i个均衡模块Ei的C端与第i节锂电池Bi的负极及第(i+1)节锂电池Bi+1的正极连接;
定义第1节锂电池B1至第i节Bi锂电池为第i个均衡模块Ei的上侧电池,第(i+1)节锂电池Bi+1至第N节BN锂电池为第i个均衡模块Ei的下侧电池;则所述能量均衡方法为:通过控制均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比,使均衡模块上下两侧电池的电量之比等于上下两侧电池数量之比。
2.根据权利要求1所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,定期调整各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比。
3.根据权利要求1所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比在初始采样周期τ=0的设置方法为:
(a3)创建:均衡模块的能量转移矩阵K和初始SOC差异列向量ΔSOC(0):
K=A|B
式中,i为均衡模块的编号,n为电池的编号,ani为矩阵A第n行第i列的元素,bni为矩阵B第n行第i列的元素;
(a4)创建并求解能量转移方程:
ΔSOC(0)=KT(0)
式中,向量T(0)为所有均衡模块开关管初始的导通时间向量,表示向量T(0)第m行的元素,将前i个元素表示为对应均衡模块Ei中开关管SA,i的初始导通时间,后i个元素表示为对应开关管SB,i的初始导通时间;
(a5)产生均衡模块控制信号:
在得到所有均衡模块的导通时间向量T,并根据可行解T各非零元素数值之比:
4.根据权利要求3所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,各均衡模块内部两个开关管的控制信号占空比的定期调整方法为:
(b3)判断均衡目标是否完成:若d_SOCi (τ)大于波动阈值上限值,说明前i节电池B1至Bi需释放电量,则第i个均衡模块内部开关管SA,i按占空比导通;若d_SOCi (τ)小于波动下限值,则说明前i节电池B1至Bi需吸收电量,则第i个均衡模块内部开关管SB,i按占空比导通;否则,认为均衡模块Ei上下侧电池电量分布已经满足均衡目标,则均衡模块Ei内部开关管全部关断;
5.根据权利要求4所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,波动阈值上限值和下限值分别为0.05、-0.05。
6.根据权利要求3所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,各均衡模块的控制信号采样PWM调制法产生,共用一个载波信号。
7.根据权利要求1所述的串联锂电池组的能量均衡方法,其特征在于,所有开关管均采用N沟道MOSFET,开关管的第一端极和第二端极分别为漏极和源极;或者,所有开关管均采用P沟道MOSFET,开关管的第一端极和第二端极分别为源极和漏极。
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2021
- 2021-09-10 CN CN202111059609.2A patent/CN113612292B/zh active Active
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CN113612292B (zh) | 2023-11-28 |
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