CN114530637B - 一种串联锂电池包电压平衡装置及控制方法 - Google Patents

一种串联锂电池包电压平衡装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种串联锂电池包电压平衡装置及控制方法，用于串联的电池包Pack1和电池包Pack2中，电容C1的两端连接在串联的电池包Pack1和电池包Pack2的两端，第一开关S1的一端与电容C1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阳极连接，第一电感L1的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2的连接处，第二开关S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阴极连接，第二开关S2的另一端与电容C1的另一端连接，第二二极管D2的阳极与电容C1的一端连接，第二电感L2的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2中的连接处，第一开关S1和第二开关S2均通过控制器控制占空比。本发明可以实现串联电池包内部的能量转换，达到串联电池包均衡的目的。

Description

一种串联锂电池包电压平衡装置及控制方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，更具体地说，特别涉及一种串联锂电池包电压平衡装置及控制方法。
背景技术
随着动力电池及储能电池的广泛应用，封装成模组（Pack）的电池包往往需要通过串联的方式来提高电压以及***容量。由于电芯的不一致性，串联后的电池包在使用一段时间后通常会出现电池包不一致的情况出现。由于电池包由BMS管理，考虑到保护电池，BMS会进行电池包放电低压保护，充电的高压保护。当电池包出现不一致情况后，在充电时，BMS会根据相对高压的电池包作为保护对象；而在放电时，BMS会根据相对低压的电池包作为保护对象。在此情况下，串联后的电池包出现相对低压的电池包无法得到充分的充电，而相对高压的电池包无法得到充分的放电，所以整个串联后的电池无法得到充分利用。同时，当不一致的情况继续扩散后，电池包最终会变为不可用或损坏的状态。
现有的技术主要由电阻器构成的被动均衡电路，考虑到散热问题，该电路不适合设计成大功率装置，所以该类型装置只适合在电池不均衡量较小的条件下使用。但实际使用中，动力电池或储能电池往往在大功率充放电条件下使用，由于BMS本身关系或电芯的不一致，电池的不一致状态需要相对较大功率的装置来均衡。另外，电阻器本身会持续损耗电池的能量，对于电池本身不属于最优解。
另外，现有技术也有使用电感以及开关来做能量过渡，但由于电路的设计需要开关处于比较大占用比（如50%）的基础再做调整。该调整方法会使电感上的电流纹波较大，考虑到开关也有损耗，在电流大的情况下开关的损耗也会变大。而均衡电路的设计应当尽量减少损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种串联锂电池包电压平衡装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种串联锂电池包电压平衡装置，用于串联的电池包Pack1和电池包Pack2中，包括电容C1、第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，所述电容C1的两端连接在串联的电池包Pack1和电池包Pack2的两端，所述第一开关S1的一端与电容C1的一端连接，所述第一开关S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阳极连接，所述第一电感L1的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2的连接处，所述第二开关S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阴极连接，所述第二开关S2的另一端与电容C1的另一端连接，所述第二二极管D2的阳极与电容C1的一端连接，所述第二电感L2的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2中的连接处，所述第一开关S1和第二开关S2均通过控制器控制占空比。
进一步地，所述第一开关S1、第二开关S2均为MOSFET管，所述第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关S1的源极与第一电感L1的一端连接，所述第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端连接，第二开关S2的源极与电容C1的另一端连接。
本发明提供一种根据上述的串联锂电池包电压平衡装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤，
首先、判断在同时满足Vhigh>Vpack1>Vlow，Vhigh>Vpack2>Vlow时，装置被允许启动；
然后、判断满足Vdelta>Von，装置开启；
其次、判断满足Vpack1>Vpack2时，启动控制器控制第一开关S1的占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2的占空比；
最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff时，装置关闭；
其中，Vpack1为电池包Pack1的电压，Vpack2为电池包Pack2的电压，Vlow为串联电池包正常的最低电压，Vhigh为串联电池包正常的最高电压，Ibat为电池包间均衡电感电流，Vdelta= |Vpack1-Vpack2|，Von为装置开启的电池包间电压差值的电压，Voff为装置关闭的电池包间电压差值的电压，Ioff为装置关闭的电感电流。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过简单的主要由储能元件组成的电路，实现串联电池包内部的能量转换，达到串联电池包均衡的目的，同时储能元件的使用可以较大程度上减少自损耗，本发明在实施电池包内部的能量转换，通过开关的占空比由0开始控制，减少电感、电容上的电流纹波，达到更低的元件损耗的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明串联锂电池包电压平衡装置的电路图。
图2是本发明串联锂电池包电压平衡装置中第一BUCK电路的电路图。
图3是本发明串联锂电池包电压平衡装置中第二BUCK电路的电路图。
图4是本发明中第一开关S1导通的回路图。
图5是本发明中第一开关S1关断的回路图。
图6是本发明中第二开关S2导通的回路图。
图7是本发明中第二开关S2关断的回路图。
图8是本发明中电池包Pack1比电池包Pack2电压高时的控制框图。
图9是本发明中电池包Pack2比电池包Pack1电压高时的控制框图。
图10是本发明串联锂电池包电压平衡装置控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1所示，本发明公开了一种串联锂电池包电压平衡装置，用于串联的电池包Pack1和电池包Pack2中，包括电容C1、第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，电容C1的两端连接在串联的电池包Pack1和电池包Pack2的两端，第一开关S1的一端与电容C1的一端连接，第一开关S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阳极连接，第一电感L1的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2的连接处，第二开关S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阴极连接，第二开关S2的另一端与电容C1的另一端连接，第二二极管D2的阳极与电容C1的一端连接，第二电感L2的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2中的连接处，第一开关S1和第二开关S2均通过控制器控制占空比。
其中，所述的第一开关S1、第二开关S2均为MOSFET管，第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关S1的源极与第一电感L1的一端连接，第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端连接，第二开关S2的源极与电容C1的另一端连接。
如图2所示，电容C1与第一开关S1、第一电感L1、电池包Pack2、第一二极管D1构成BUCK电路，通过该电路可实现电容C1对电池包Pack2充电。
如图3所示，电容C1与电池包Pack1、第二开关S2、第二电感L2、第二二极管D2构成BUCK电路，通过该电路可实现电容C1对电池包Pack1充电。
因此，本发明的串联锂电池包电压平衡装置可以通过判断电池包Pack1与电池包Pack2的不平衡度来开启对应的电路来进行充电平衡。
由电容C1、第一开关S1、第一二极管D1、第一电感L1与电池包Pack2构成的第一BUCK电路中，因电容C1与串联电池包Pack1和电池包Pack2并联，所以电容C1的电压会一直维持在电池包Pack1和电池包Pack2串联的总电压上；所以实际上，当第一开关S1导通，电池包Pack1给第一电感L1输送能量，电路回路见图4所示；当第一开关S1关断后，电池包Pack1停止输送能量，第一电感L1保持原来的电流方向与电池包Pack2和第一二极管D1形成续流回路，把第一电感L1上的能量给电池包Pack2充电，电路回路见图5所示。整个过程形成电池包Pack1给电池包Pack2充电。
由电容C1、第二开关S2、第二二极管D2、第二电感L2与电池包Pack1构成的第二BUCK电路中：因电容C1与串联电池包Pack1和电池包Pack2并联，所以电容C1的电压会一直维持在电池包Pack1和电池包Pack2串联的总电压上；所以实际上，当第二开关S2导通，电池包Pack2给第二电感L2输送能量，电路回路见图6所示；当第二开关S2关断后，电池包Pack2停止输送能量，第二电感L2保持原来的电流方向与电池包Pack1和第二二极管D2形成续流回路，把第二电感L2上的能量给电池包Pack1充电，电路回路见图7所示。整个过程形成电池包Pack2给电池包Pack1充电。
本发明是在串联的电池包两端并上电容，同时分对两电池包各设计一个BUCK电路，通过电容及对应的BUCK电路给低压的电池包充电。
当电池包Pack1和电池包Pack2电压发生不平衡时，主要有两种不同实际应用情况：一是当电池包Pack1比电池包Pack2电压高时，第二开关S2处于关断状态，调节第一开关S1的占空比，控制第一电感L1的电流，进行对电池包Pack2充电电流的调节。电路回路参考图4和图5。为了让控制效果更智能，引入电压外环、电流内环的双环控制，控制框图如图8所示，其中，Vpack1为电池包Pack1的电压，Vpack2为电池包Pack2的电压，Il1为第一电感L1的电流，S1pwm是开关S1的占空比。二是当电池包Pack2比电池包Pack1电压高时，第一开关S1处于关断状态，调节第二开关S2的占空比，控制第二电感L2的电流，进行对电池包Pack1充电电流的调节。电路回路参考图6、图7。为了让控制效果更智能，引入电压外环、电流内环的双环控制，控制框图如图9，其中，Vpack1为电池包Pack1的电压，Vpack2为电池包Pack2的电压，Il2为第二电感L2的电流，S2pwm是第二开关S2的占空比。
综合以上两种不同应用情况所述，通过判断电池包Pack1和电池包Pack2的电压状态，从而选择对应的开关电路及控制策略进行调整电池包的电压，最终使得电池包Pack1和电池包Pack2处于合理的平衡状态。
参阅图10所示，为了减少电路工作所带来的损耗，本发明提供一种根据上述的串联锂电池包电压平衡装置的控制方法，该控制方法包括以下步骤：
首先、判断在同时满足Vhigh>Vpack1>Vlow，Vhigh>Vpack2>Vlow时，装置被允许启动；
然后、判断满足Vdelta>Von，装置开启；
其次、判断满足Vpack1>Vpack2时，启动控制器控制第一开关S1的占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2的占空比；
最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff时，装置关闭；
其中，Vpack1为电池包Pack1的电压，Vpack2为电池包Pack2的电压，Vlow为串联电池包正常的最低电压，Vhigh为串联电池包正常的最高电压，Ibat为电池包间均衡电感电流，Vdelta= |Vpack1-Vpack2|，Von为装置开启的电池包间电压差值的电压，Voff为装置关闭的电池包间电压差值的电压，Ioff为装置关闭的电感电流。
本发明可以解决串联电池包间的不平衡问题，同时，本发明使用由电容、电感、二极管以及开关克服现有电池均衡装置损耗高的问题，通过装置可以实现串联电池包之间能量转换，实现均衡。而采用公知电容、电感为储能元件，所以在实施能量转换期间，损耗低。另外，能量转换时开关的占空比从0开始变化，电感、电容等元件上的电流纹波低，相应地，开关上的损耗也会更低。本发明的电路简单，接线简单，易实现。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种串联锂电池包电压平衡装置的控制方法，所述串联锂电池包电压平衡装置用于串联的电池包Pack1和电池包Pack2中，其特征在于，所述串联锂电池包电压平衡装置包括电容C1、第一开关S1、第二开关S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，所述电容C1的两端连接在串联的电池包Pack1和电池包Pack2的两端，所述第一开关S1的一端与电容C1的一端连接，所述第一开关S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阴极连接，所述第一电感L1的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2的连接处，所述第二开关S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，所述第二开关S2的另一端与电容C1的另一端连接，所述第二二极管D2的阴极与电容C1的一端连接，所述第二电感L2的另一端连接在电池包Pack1与电池包Pack2中的连接处，所述第一开关S1和第二开关S2均通过控制器控制占空比；
所述第一开关S1、第二开关S2均为MOSFET管，所述第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关S1的源极与第一电感L1的一端连接，所述第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端连接，第二开关S2的源极与电容C1的另一端连接；
所述串联锂电池包电压平衡装置的控制方法，包括以下步骤，
首先、判断在同时满足Vhigh>Vpack1>Vlow，Vhigh>Vpack2>Vlow时，装置被允许启动；
然后、判断满足Vdelta>Von，装置开启；
其次、判断满足Vpack1>Vpack2时，启动控制器控制第一开关S1的占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2的占空比；
最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff时，装置关闭；
其中，Vpack1为电池包Pack1的电压，Vpack2为电池包Pack2的电压，Vlow为串联电池包正常的最低电压，Vhigh为串联电池包正常的最高电压，Ibat为电池包间均衡电感电流，Vdelta= |Vpack1-Vpack2|，Von为装置开启的电池包间电压差值的电压，Voff为装置关闭的电池包间电压差值的电压，Ioff为装置关闭的电感电流。
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Address after: 510000, No. 2, 4, 6, 8, 10, and 12 Donghua Huaye Road, Renhe Town, Baiyun District, Guangzhou City, Guangdong Province (Airport Baiyun)

Patentee after: GUANGZHOU FELICITY SOLAR TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Patentee before: GUANGZHOU FELICITY SOLAR TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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