CN113659682B - 一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法。所述自定义符号连接矩阵回路识别方法包括以下步骤：根据电池均衡电路拓扑画出有向图；通过自定义符号方法得到相应的广义连接矩阵；根据计算广义连接矩阵的代数余子式，获得均衡器所有均衡路径；根据所获的所有均衡路径，与正常的工作路径进行对比分析，依次剔除虚假路径和重复路径。本发明能够根据自定义符号方法所得的广义连接矩阵确定虚假和重复路径，进而利用一种开关管寄生参数的抑制方法降低潜在路径对均衡器的影响。本发明解决了电池均衡器中由于潜在路径引起的效率低、速度慢的问题，最大化均衡器的能量利用率，延长了电池寿命。
Description
技术领域
本发明涉及均衡电路技术领域，具体涉及一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法。
背景技术
锂离子电池具有高比能量、无记忆效应、无污染、低自放电率等优点，广泛地应用在不间断电源、电动汽车以及分布式发电等相关领域。锂离子电池的单体电压一般较低，为了满足电动汽车电压和功率的需求，实际应用中通常需要几十节甚至上百节串联起来构成合适电压等级的串联电池组使用，但由于锂离子电池受制造工艺、环境温度等影响，单体电池的容量、等效串联内阻、自放电率等诸多参数都存在差异，这种差异会使得串联电池组在实际的工作过程中出现单体电压失衡，而由于在充电和放电两种工作条件下，串联电池组的有效容量取决定于电池组内容量最小单体，因此单体电压的失衡会导致整个电池组的有效容量降低。此外，电池组在充放电时容易出现单体的过充和过放，会加剧电池组参数的不一致性，导致电池组容量下降、效率降低、寿命缩短，更有甚者会引发起火***。因此，对于串联电池组来说，电池均衡器是均衡电池电压以最大化电池组的可用工作范围并延长电池循环寿命所必需的。此外，均衡器对于电池组的成本降低也是有益的，引入均衡器后，电池一致性的严格要求可以降低，进而降低电池采购成本。
目前存在的均衡拓扑种类繁多，按照均衡拓扑中是否存在有源器件可以分为无源均衡拓扑结构和有源均衡拓扑结构。无源均衡拓扑结构是指均衡电路中仅含有无源器件，多余的能量通过无源器件转移或者消耗，从而实现电池组能量一致的均衡拓扑，具体为将电池单体多余的能量通过电阻放电消耗掉，因此存在效率低和热管理等问题。有源均衡拓扑结构是指均衡电路中包含有源器件，多余能量通过有源器件构成的回路在单体电池间转移，进而实现能量一致的均衡拓扑结构，即通过使用电容、电感或变压器以实现能量的存储于释放，该方法克服了无源均衡过程中的热能损失，因此损耗较低、效率较高。
但无论是无源均衡拓扑结构还是有源均衡拓扑结构，现有的均衡器普遍使用大量的开关管，而开关管具有的寄生参数会导致均衡器在应用过程中发生不可避免的影响，这种现象的存在会导致电路的工作效率降低，电路容易出现不稳定的情况，严重时甚至会出现电路故障问题，降低了用户的使用体验。
因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法。
具体地，所述方法包括以下步骤：
S1、通过自定义符号连接矩阵回路识别方法识别潜在电路路径；
S2、发现潜在电路路径并找出对应的模态；
S3、建立潜在电路路径模型对均衡器在均衡效率、均衡速度等方面产生的影响；
S4、利用一种电池均衡电路中开关管寄生参数的抑制方法降低潜在电路路径模型对均衡器产生的影响。
优选地，S1包括以下步骤：
S1.1、根据不同的均衡电路拓扑画出与之对应的有向图；
S1.2、通过自定义符号的方法得到相应的广义连接矩阵；
S1.3、计算广义连接矩阵的代数余子式，获得所有均衡路径；
S1.4、根据所获所有均衡路径，与正常的工作路径进行对比，依次剔除虚假路径和重复路径。
优选地，S1.1具体为：
将电路图中所有元器件的连接节点都画作有向图的端点，将串联电池组中第一个电池的正极作为有向图的顶点，最后一个电池的负极作为有向图的最后一个端点，将电路图中所有元器件按照导通方向画成带有方向的箭头的有向图的边。
优选地，S1.2具体为：
根据有向图形成广义连接矩阵：广义连接矩阵对角线上的元素，表示各个顶点到自身的路径，定义为1；广义连接矩阵非对角线上的元素Pij，定义为顶点i和j之间对应的元器件符号；若顶点i和j之间为一条路径，且存在多个器件，则用乘法表示；若顶点i和j之间存在多条路径，则用加法表示。
优选地，S1.4具体为：
考虑开关管寄生电容后的所有均衡路径与不考虑开关管寄生电容时的正常工作路径对比；
剔除虚假路径和重复路径：搜索不符合电气规则的路径，将其视为虚假路径并剔除；搜索对比所有潜在路径，找出包含了其他路径的路径，将其视为重复路径并剔除。其中，虚假路径的特点是不符合电气规则的路径或是重复了已有路径并包含其他路径，这类路径会干扰找到潜在模态的准确性。
优选地，S3具体为：
考虑开关管寄生电容参数前后对均衡效率、均衡速度等方面产生的影响。
优选地，S4具体为：
针对电感作为能量转移器件所构成的串联电池组均衡，如Buck-Boost均衡电路，其考虑MOSFET寄生电容后电感为
其中，为电感电流纹波；V Ceq1为MOSFET的等效寄生电容电压值；VB1为第一电池单体电压；D为占空比；T s 为周期；
由于MOSFET的等效寄生电容电压值V Ceq1为变量，那么电感相应地存在一个最小值有：
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于Buck-Boost电池均衡拓扑结构的电路原理图。
图2为本发明一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法流程图。
图3为基于图1画出的有向图。
图4为考虑MOSFET寄生电容后的Buck-Boost电池均衡拓扑结构的电路原理图。
图5为基于图4画出的有向图。
图6 (a)-(c)为基于考虑MOSFET寄生电容后利用自定义符号矩阵回路识别方法找到的模态图。
图7 (a)-(b)为基于考虑MOSFET寄生电容前后的Buck-Boost电池均衡拓扑电压均衡结果图。
图8为基于考虑MOSFET寄生电容后的电感电流波形图。
图9为基于考虑MOSFET寄生电容后的Buck-Boost电池均衡拓扑利用一种电池均衡电路中开关管寄生参数的抑制方法后的电压均衡结果图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法，用于解决串联电池组均衡电路中由于开关管寄生参数产生的均衡速度及均衡效率降低的问题。
作为本发明的一种典型实施例，以两节电池单体为例，B1为第一电池单体，B2为第二电池单体，并假设VB1>VB2。
如图1所示，为具体阐述本发明所适用的两节电池单体的Buck-Boost结构均衡电路的示意图。每个电池单体与一个串联连接的MOS管连接，每相邻的两个电池需要一个电感器。在一个具体的实施例中，如图2所示，一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法，包括以下步骤：
S1.1、将电路图中所有元器件的连接节点都画作有向图的端点，将串联电池组中第一个电池的正极作为有向图的顶点，最后一个电池的负极作为有向图的最后一个端点，将电路图中所有元器件按照导通方向画成带有方向的箭头的有向图的边。由图1所示的电路可画出如图3所示的有向图。
S1.2、通过自定义符号方法得到相应的广义连接矩阵：广义连接矩阵对角线上的元素，表示各个顶点到自身的路径，定义为1；广义连接矩阵非对角线上的元素Pij，定义为顶点i和j之间对应的元器件符号。若顶点i和j之间为一条路径，且存在多个器件，则用乘法表示。若顶点i和j之间存在多条路径，则用加法表示。例如，图3所示的有向图的广义连接矩阵如下：
S1.3、计算广义连接矩阵的代数余子式，获得所有均衡路径。
S1.4、根据所获所有均衡路径，与正常的工作路径进行对比，依次剔除虚假路径和重复路径。
虚假路径的特点是指包含其他已有路径以及不符合电气规则的路径，例如表1中不符合电气规则的虚假路径B1 2、B2 2、L1 2、D1S1、D2S2、B1 2 D2S2、B2 2 D1S1、B1B2S1S2。
表1路径分类表
如图4所示，为应用于两节电池单体的考虑MOSFET寄生电容的Buck-Boost均衡电路示意图。
S1.1、将电路图中所有元器件的连接节点都画作有向图的端点，将串联电池组中第一个电池的正极作为有向图的顶点，最后一个电池的负极作为有向图的最后一个端点，将电路图中所有元器件按照导通方向画成有方向的箭头作为有向图的边。由图4所示的电路可画出如图5所示的有向图。
S1.2、根据有向图形成广义连接矩阵：广义连接矩阵对角线上的元素，表示各个顶点到自身的路径，定义为1；广义连接矩阵非对角线上的元素Pij，定义为顶点i和j之间对应的元器件符号。若顶点i和j之间为一条路径，且存在多个器件，则用乘法表示。若顶点i和j之间存在多条路径，则用加法表示。例如，图5所示的有向图的广义连接矩阵如下：
S1.3、计算广义连接矩阵的代数余子式，获得所有均衡路径。
S1.4、根据所获所有均衡路径，与正常的工作路径进行对比，依次剔除虚假路径和重复路径。
虚假路径的特点是指包含其他已有路径以及不符合电气规则的路径。
不符合电气规则的路径：
a.由于VB1>VB2，则开关管S1的寄生电容电压恒为上正下负，因此S1的体二极管D1不会与寄生电容Cds1、Cgs1Cgd1形成通路；开关管S2同理。
b.开关管导通时，由于正向压降的存在，其体二极管不会导通，则S1与D1不会形成通路。即D1S1、D2S2为不符合电气规则的虚假路径。
在按上述顺序依次逐步剔除虚假路径后，在将路径分为均衡路径与回流路径。以图5电路的路径为例，可获得路径分类如表2所示。
表2路径分类表
S2、发现潜在电路路径为：Cds1S1、Cds2S2、Cds1Cgd1Cgs1、Cds2Cgd2Cgs2、Cgd1Cgs1S1、Cgd2Cgs2S2、B1L1Cds1、B2Cds2L1、B1B2Cds1Cds2、B1B2Cds1D2、B1B2Cds2D1、B1Cgd1Cgs1L1、B2Cgd2Cgs2L1、B1B2Cds1S2、B1B2Cds2S1、B1B2Cds2Cgd1Cgs1、B1B2Cds1Cgd2Cgs2、B1B2Cgd2Cgs2S1、B1B2Cgd1Cgs1Cgd2Cgs2。
由上述发现潜在电路路径找出如图6 (a)-图6 (c)所示的三个均衡模态图。
模态一：MOS管S1导通，S2关断，第一电池单体B1的电量流向电感L1，即是第一电池单体B1为电感L1充电。由于MOS管S2寄生电容的存在，整个电池组的电能流向MOS管S2寄生电容中。
模态二：MOS管S1关断，S2关断的死区时间中，第一电池单体B1的电量通过S1的寄生电容流向电感L1，继续为电感L1充电。S2寄生电容的电能流向电感L1与第二电池单体B2。
模态三：MOS管S1关断，S2导通，电感L1两端的电压等于第二电池单体B2两端的电压，电感L1为第二电池单体B2充电。由于MOS管S1寄生电容的存在，整个电池组的电能流向MOS管S1寄生电容中。
S3、由潜在电路路径可以画出考虑开关管MOSFET寄生电容后均衡模态如图6所示，分析潜在电路路径对均衡电路在均衡效率、均衡速度等方面产生的影响。
如图7 (a)所示，为考虑MOSFET寄生电容前电压均衡结果图。最终均衡电压为2.6V。
如图7 (b)所示，为考虑MOSFET寄生电容后电压均衡结果图。最终均衡电压为2.555V，小于考虑寄生电容前的2.6V，均衡电路的均衡效率大幅降低。
S4、解决潜在电路路径产生的影响提出了一种电池均衡电路中开关管寄生参数的抑制方法。
由图8的电感电流波形可知，电感电流的峰值：
根据图6 (b)给出的考虑MOSFET寄生电容后的Buck-Boost均衡电路，其微分方程为：
由于死区时间占一个周期很小的部分，在取初始值时可忽略不计，可将初始值代入（2）微分方程中，再由（1）得出电感值：
其中，为电感电流纹波；L为电感量；C eq1为MOSFET的等效寄生电容值；VB1为第一电池单体电压。
将上述所得电感值应用于考虑MOSFET寄生电容后的Buck-Boost均衡拓扑结构中，可得如图9所示均衡结果图。最终均衡电压为2.575V，大于考虑寄生电容后的2.555V，均衡电路的均衡效率有所提升。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电池均衡电路中开关管寄生参数回路识别与抑制方法，通过符号连接矩阵实现回路识别，所述方法适用于利用电感作为能量转移器件所构成的串联电池组均衡器，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过自定义符号连接矩阵回路识别方法识别潜在电路路径，其特征在于，包括以下步骤：
S1.1、根据不同的均衡电路拓扑画出与之对应的有向图，具体为，电池均衡电路中所有元器件的连接节点都画作有向图的端点，将串联电池组中第一个电池的正极作为有向图的顶点，最后一个电池的负极作为有向图的最后一个端点，将电池均衡电路中所有元器件按照导通方向画成带有方向的箭头的有向图的边；
S1.2、通过自定义符号的方法得到相应的广义连接矩阵，具体为，根据有向图形成广义连接矩阵：广义连接矩阵对角线上的元素，表示各个顶点到自身的路径，定义为1；广义连接矩阵非对角线上的元素Pij，定义为顶点i和j之间对应的元器件符号；若顶点i和j之间为一条路径，且存在多个器件，则用乘法表示；若顶点i和j之间存在多条路径，则用加法表示；
S1.3、计算广义连接矩阵的代数余子式，获得所有均衡路径；
S1.4、根据所获所有均衡路径，与正常的工作路径进行对比，依次剔除虚假路径和重复路径，具体为，考虑开关管寄生电容后的所有均衡路径与不考虑开关管寄生电容时的正常工作路径对比；剔除虚假路径和重复路径：搜索不符合电气规则的路径，将其视为虚假路径并剔除；搜索对比所有潜在路径，找出包含了其他路径的路径，将其视为重复路径并剔除；其中，虚假路径的特点是不符合电气规则的路径或是重复了已有路径并包含其他路径，这类路径会干扰找到潜在模态的准确性；
S2、发现潜在电路路径并找出对应的模态；
S3、建立潜在电路路径模型，分析潜在电路路径对均衡器的均衡效率和均衡速度的影响情况；
S4、针对电感作为能量转移器件所构成的Buck-Boost均衡电路，其考虑MOSFET寄生电容后电感为
其中，i L-pp 为电感电流的峰值；
为电感电流纹波；V Ceq1为MOSFET的等效寄生电容电压
值；VB1为第一电池单体电压；D为占空比；T s 为周期；
由于MOSFET的等效寄生电容电压值V Ceq1为变量，那么电感相应地存在一个最小值；将所得电感值最小值应用于考虑MOSFET寄生电容后的Buck-Boost均衡拓扑结构中，从而提升均衡电路的均衡效率。
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