CN116707076A - 一种电池组间的主动均衡电路及均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组间的主动均衡电路及均衡控制方法，电路包括多个双向DC/DC变换器及其内部控制电路、多个并联电池组及直流母线。变换器用于对电池组进行充电和放电控制，可以实现能量的双向流通。在充电工况下，控制对象为电流，通过判断每组电池的SOC进行分段恒流限压控制；在放电工况下，控制对象为电压，通过对每组电池计算出的加权平均电流与给定电流相比较，调整母线给定电压，实现对电池组输出电流的调整，从而达成电池组之间的SOC平衡。主动均衡电路通过均衡控制方法进行控制，实现电池组之间的SOC均衡的目的。本发明可以在有效减少能量损耗的情况下实现电池组间的SOC值均衡；实现了能量的双向流通及电池组间的高精度均衡。

Description

一种电池组间的主动均衡电路及均衡控制方法

技术领域

本发明属于电池控制技术领域，特别是涉及一种电池组间的主动均衡电路及均衡控制方法。

背景技术

随着国家“双碳”目标的不断推进及动力电池技术的不断发展，新能源船舶如纯电动船舶及混合动力船舶应用越来越广泛。由于电池制造工艺的影响，加上使用过程中随着充放电程度的加深及使用频次的增多，电池之间会产生不一致性，形成“木桶效应”，极大地影响电池的充放电能力和使用性能。故电池的均衡技术成为电池领域一大热点问题。

当前均衡技术主要应用于单体电池之间，即单组电池内部均衡，而对电池成组后组间均衡技术研究较少。均衡技术分为主动均衡和被动均衡，当前以被动均衡居多，该种方式虽然结构简单，但能量损耗大，对***散热要求高，对电池的能量利用率较低。

为了在船舶上使用，动力电池往往采用串并混联方式以提升电压和容量，因此船舶电池组容量较大，电池分组较多。随着长期使用电池组间不可避免的会产生电压差，导致电池组间性能差异不断扩大，故需要对电池组间进行均衡控制，以实现各电池组的SOC相对平衡。

因此，需要提供一种应用于电池组间能够有效均衡电池SOC的主动均衡电路及均衡控制方法。

发明内容

本发明目的在于解决上述背景技术中提出的问题，提供一种用于电池组间的主动均衡电路及均衡控制方法，解决被动均衡能量损耗大、散热较难及电池组间SOC不平衡的问题。

为了实现本发明目的，本发明公开了一种电池组间的主动均衡电路，其特征在于，包括多个双向DC/DC变换器、多个并联电池组及直流母线；每组电池正极通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，多组电池依次并联至直流母线；双向DC/DC变换器用于采集电池组和直流母线参数，同时为直流母线提供稳压和短路保护功能；所述双向DC/DC变换器用于实现能量的双向流通；所述双向DC/DC变换器之间通过CAN总线通讯，对***总电流、直流母线电压、各电池组加权平均电流进行计算和处理，实现对电池组间电压和电流的协调控制，并且能够根据各个电池组的SOC进行主动均衡。

进一步地，在放电过程中，双向DC/DC变换器充当稳压装置，控制对象为输出电压，输出电流采用恒压限流方式；首先检测电池组电压，然后根据分配的负荷功率计算电压补偿值用来调整电池组的输出电压，升压至直流母线所需电压，同时计算***总的负荷电流以及根据各个电池组当前的SOC值计算加权平均电流值，用来调整电池组的输出电流；在该过程中，双向DC/DC变换器不是单纯地平均分配负荷功率，而是根据各个电池组SOC进行综合计算，实现SOC高的电池组多放电，SOC低的电池组少放电，最终达到电池组间SOC平衡。

进一步地，在充电过程中，双向DC/DC变换器充当充电机，控制对象为输出电流，输出电流采用分段恒流限压方式；首先接收电池管理***的控制信号，然后根据各组电池的SOC、温度状态计算充电电流的需求值，再以分段恒流限压模式输出对应的电流到各组电池。

进一步地，所述双向DC/DC变换器为双向半桥DC/DC变换器，内部控制电路分为Buck和Boost模式，能够对电池组的充电和放电进行控制，实现能量双向流通。

进一步地，计算***总电流、采集直流母线电压、结合各电池组SOC计算加权平均电流，达到各电池组SOC均衡的具体方法为：采用下垂均流进行快速调节与平均电流进行慢速调节相结合的综合控制方法。

进一步地，所述下垂均流控制策略为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I

式中，U_Ref表示补偿后的直流母线电压，U_Given表示电池组并网后电压给定值，Kp表示下垂系数，I为电池组输出电流；当电流I增大时，降低U_Given起到下垂均流作用，以实现多组双向DC/DC变换器之间输出电流的大致均衡。

进一步地，所述平均电流协调控制策略为：

首先，实时计算直流母线总电流，再计算多组双向DC/DC变换器的平均电流；双向DC/DC变换器根据***实时计算的平均电流及自身输出的电流对电池组电压进行微调：

I_avg＝(I₁+I₂+.....+I_n)/n

Delta_{U Re f}＝Kp₁·(I-I_avg)

式中，Iavg表示电池组平均电流，In为每组电池输出电流，Kp₁表示均流系数，Delta_URef(公式下标再调整下)表示直流母线补偿电压，经过调整后的直流母线电压为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I+Kp₁·(I-I_avg)

综合下垂均流和平均电流协调控制策略，实现多组双向DC/DC变换器输出电流的精准控制；在此基础上，再根据各组电池SOC的不同情况进行综合计算，对电池组平均电流根据SOC进行加权处理，即将SOC高的电池组给定电流值调高，用来增大输出电流；将SOC低的电池组给定电流值调低，用来减小输出电流，进一步地实现各个电池组间的SOC均衡控制，

U_Ref*＝U_Given+Kp·I+Kp₁·(I-I_avg*)

式中，Iavg*表示根据电池组SOC加权计算的平均电流，SOCn表示每组电池剩余电量；URef*表示经过SOC加权计算补偿后的直流母线电压；

为避免长时积分偏移问题，当加权处理后的平均电流与电池组给定电流差值小于一定阈值时，将误差值置为0，视为***达到均衡要求。

进一步地，所述的双向半桥DC/DC变换器，是在单向DC/DC变换器基础上，为电路中开关元件和二极管分别串联反向二极管和开关元件，从而实现电路的双向工作；该变换器在放电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第一MOS管、第一二极管元件进入Boost升压模式，将电池组电压升至直流母线所需电压，同时对放电电流进行均衡控制；在充电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第二MOS管、第二二极管元件进入Buck降压模式，此时双向DC/DC变换器处于恒流限压输出模式，对电池组进行充电。

为了实现本发明的问题，本发明还公开了一种用于电池组间的主动均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1、首先判断***的状态，确定是充电、放电还是停机；

步骤2、当为充电工况时，经过***延时后，计算各组电池SOC，再根据SOC进行分段恒流限压充电；当SOC小于等于70％时，将充电电流设定为第一档I1；当SOC处于70％与90％之间时，将充电电流设定为第二档I2；当SOC大于90％时，将充电电流设定为第三档I3，直至充满为止，依次判定各个电池组；

步骤3、当为放电工况时，经过***延时后，采集各组电池电池侧电压Vn和电流In，计算电池组平均电压Vavg和平均电流Iavg；如果Vn大于Vavg，同时In大于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上降低一定比例；如果Vn小于Vavg，同时In小于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上增大一定比例；除了以上两种情况外，该电池组给定电流保持不变；依次判定各个电池组。

与现有技术相比，本发明的显著进步在于：1)该均衡电路与利用储能器件实现电池组间能量转移方式不同，可以在有效减少能量损耗的情况下实现电池组间的SOC值均衡；2)该均衡电路的双向DC/DC变换器不仅可以起到稳压器的作用，还可以起到充电机的作用，减少了电路器件，实现了能量的双向流通；3)该均衡电路的均衡策略可以实现均衡电流的快速调节和慢速调节相结合，还可根据电池组SOC进行加权处理，实现了电池组间的高精度均衡。

为更清楚说明本发明的功能特性以及结构参数，下面结合附图及具体实施方式进一步说明。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例多电池组与双向DC/DC变换器单线图；

图2为本申请实施例双向半桥DC/DC变换器内部局部电路图；

图3为本申请实施例双向DC/DC变换器基本控制策略图；

图4为本申请实施例双向DC/DC变换器用于电池组间均衡流程图。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；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。

一种用于电池组间的主动均衡电路，包括：多个并联电池组、多个双向DC/DC变换器和共用直流母线。电池组为多组电池并联(数量为n，且n≥2)，每组电池由多块单体电池串联而成(数量为m，且m≥2)且受对应双向DC/DC变换器控制(数量为n，且n≥2)，所有电池组正极通过双向DC/DC变换器并联到直流母线。双向DC/DC变换器为母线提供短路保护等功能，同时在充、放电过程中起到稳压作用。

在放电过程中，双向DC/DC变换器充当稳压装置，控制对象为输出电压。首先检测电池组电压，然后升压至直流母线所需电压，根据负荷情况进行综合计算分配功率，同时结合每组电池SOC进行加权平均电流计算，以实现电池组间的SOC平衡。

在充电过程中，双向DC/DC变换器充当充电机角色，控制对象为输出电流。首先接收电池管理***的控制信号，然后根据各组电池的SOC、温度状态等计算充电电流的需求值，再以分段恒流限压模式输出对应的电流到各组电池。在充电和放电过程中，双向DC/DC变换器均能对电池组进行均衡控制，并且能够根据各个电池组的SOC进行主动均衡。

多个电池组、多个双向DC/DC变换器和直流母线连接方式为：每组电池组为多个电池包/单体电池按照正负极串联连接，最后电池包/单体电池正极连接到双向DC/DC变换器上，双向DC/DC变换器另一侧连接至直流母线。多组电池按照同样的连接方式依次并联至直流母线，所有电池组同时工作，双向DC/DC变换器之间设有CAN通讯协议。

双向DC/DC变换器内部控制电路原理为：基于单向DC/DC变换器，为电路中开关元件和二极管分别串联反向二极管和开关元件，从而实现电路的双向工作。

优选地，本文采用双向半桥DC/DC变换器，该变换器在放电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第一MOS管、第一二极管等元件进入Boost升压模式，将电池组电压升至直流母线所需电压，同时对放电电流进行均衡控制；在充电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第二MOS管、第二二极管等元件进入Buck降压模式，此时双向DC/DC变换器处于恒流限压输出模式，对电池组进行充电。

双向DC/DC变换器在充电和放电过程中的主动均衡控制策略为：在放电过程中，输出电流采用恒压限流方式，即根据分配的负荷功率计算母线电压补偿值用来调整电池组的输出电压。同时计算***总的负荷电流以及根据各个电池组当前的SOC值计算加权平均电流值，用来调整电池组的输出电流。在该过程中，双向DC/DC变换器不是单纯地平均分配负荷功率，而是根据各个电池组SOC进行综合计算，实现SOC高的电池组多放电，SOC低的电池组少放电，最终达到电池组间SOC平衡。在充电过程中，DC/DC变换器则充当充电器，输出电流采用分段恒流限压方式，即根据各组电池的SOC和温度状态等计算充电所需电流值，实现SOC高的电池组充电电流降低，SOC低的电池组充电电流增大。根据电池组SOC情况对充电电流采取分段恒流限压控制。

优选地，在多组双向DC/DC变换器之间设置CAN通讯协调机制，采用下垂均流(快速调节)与平均电流(慢速调节)相结合的综合控制方法，以实现各组电池电流均衡控制。

具体地，下垂均流控制策略为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I

式中，URef表示补偿后的直流母线电压，UGiven表示电池组并网后电压给定值，Kp表示下垂系数，I为电池组输出电流。当电流I增大时，降低UGiven起到下垂均流作用，以实现多组双向DC/DC变换器之间输出电流的大致均衡。

具体地，平均电流协调控制策略为：

首先，实时计算直流母线总电流，再计算多组双向DC/DC变换器的平均电流。双向DC/DC变换器根据***实时计算的平均电流及自身输出的电流进行电池组电压微调：

I_avg＝(I₁+I₂+.....+I_n)/n

Delta_{U Re f}＝Kp1·(I-I_avg)

Kp1表示均流系数，经过调整后的直流母线电压为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I+Kp₁·(I-I_avg)

综合下垂均流和平均电流协调控制策略，实现多组双向DC/DC变换器输出电流的精准控制。在此基础上，再根据各组电池SOC的不同情况进行综合计算，对电池组平均电流根据SOC值进行加权处理，即将SOC高的电池组给定电流值调高，用来增大输出电流；将SOC低的电池组给定电流值调低，用来减小输出电流，进一步地实现各个电池组间的SOC均衡控制。

U_Ref*＝U_Given+Kp·I+Kp₁·(I-I_avg*)

优选地，为避免长时积分偏移问题，当加权处理后的平均电流与电池组给定电流差值小于一定阈值时，可将误差值置为0，视为***达到均衡要求。

一种主动均衡控制方法，所述方法是基于上述电池组主动均衡电路实现的，包括：首先判断***的状态，在充电工况下，计算各组电池SOC，再根据SOC进行分段恒流限压充电。当SOC小于等于70％时，将充电电流设定为第一档I1；当SOC处于70％与90％之间时，将充电电流设定为第二档I2；当SOC大于90％时，将充电电流设定为第三档I3，直至充满为止。依次判定各个电池组。在放电工况下，采集各组电池电池侧电压Vn和电流In，计算电池组平均电压Vavg和平均电流Iavg。如果Vn大于Vavg，同时In大于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上降低一定比例；如果Vn小于Vavg，同时In小于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上增大一定比例。除了以上两种情况外，该电池组给定电流保持不变。依次判定各个电池组。

实施例

参照图1，本申请用于电池组间的均衡电路包括多个电池组、多个对应的双向DC/DC变换器及直流母线。每个电池组由多个电池包/单体电池按照正负极串联，最终由电池包/单体电池正极连接至双向DC/DC变换器，再由双向DC/DC变换器连接至直流母线。多个电池组(n≥2)按照相同的方式并联至直流母线，第一支路一直到第n支路依次连接。双向DC/DC变换器可实现能量的双向流通，即可控制电池组的充电和放电工况。

在充电工况下，双向DC/DC变换器充当充电器，根据各组电池的SOC和温度状态等计算充电所需电流值，实现SOC高的电池组充电电流降低，SOC低的电池组充电电流增大。

在放电工况下，双向DC/DC变换器之间通过CAN通讯，计算***总的负荷电流，结合各电池组SOC计算各电池组加权平均电流，最终调整电池组的输出电流，实现SOC高的电池组多放电，SOC低的电池组少放电，最终达到电池组间SOC平衡。

参照图2，在充电工况下，控制第二MOS管S2关断，对第一MOS管S1进行PWM控制，使其处于打开状态。此时，第一MOS管S1与第二反向二极管D2以及电感L形成Buck降压电路，双向DC/DC变换器此时处于分段恒流限压输出模式，从而对电池组进行充电。在放电工况下，控制第一MOS管S1关断，对第二MOS管S2进行PWM控制，使其处于打开状态。此时，第二MOS管S2与第一反向二极管D1以及电感L形成Boost升压电路，将电池组电压抬升至母线所需电压，起到稳压作用，同时对电池组放电控制，总体上实现恒压限流。

参照图3，双向DC/DC变换器基本控制策略为：在充电工况下，控制对象为充电电流，采用分段恒流限压方式。基于***给定的电流值，与计算的电流值进行比较，根据差值进一步调整电流输出值，送至电流比例积分调节器，再利用PWM信号发生器控制相关MOS管的开启和关断，最终实现输出电流值符合预期要求。在放电工况下，控制对象为母线电压，采用恒压限流方式。首先比较电池组并网后直流母线电压给定值和直流母线电压实际值，该差值经电压比例积分调节器作为输入值与计算好的SOC加权平均电流及电池组电流综合处理，输出值经电流比例积分调节器、PWM信号发生器后作为补偿参数再反馈至直流母线电压给定值，用来进一步调整直流母线电压。

参照图4，本实施例提供一种具体的电池组间主动均衡方法，包括：

在均衡开启前，首先判断电池组为充电还是放电；若为充电，经过延时1min后，计算各组电池SOC，根据SOC进行分段恒流限压充电。具体为当SOC小于等于70％时，将充电电流设定为第一档I1；当SOC处于70％与90％之间时，将充电电流设定为第二档I2；当SOC大于90％时，将充电电流设定为第三档I3，直至充满为止。实施例为从第1组到第6组电池组，依次判定。

若为放电，经过延时1min后，采集各组电池电池侧电压Vn和电流In，计算电池组平均电压Vavg和平均电流Iavg。如果Vn大于Vavg，同时In大于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上降低1％；如果Vn小于Vavg，同时In小于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上增大1％；除了以上两种情况外，该电池组给定电流保持不变。实施例为从第1组到第6组电池组，依次判定。

停机状态下，双向DC/DC变换器处于恒压模式。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种电池组间的主动均衡电路，其特征在于，包括多个双向DC/DC变换器、多个并联电池组及直流母线；每组电池正极通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，多组电池依次并联至直流母线；双向DC/DC变换器用于采集电池组和直流母线参数，同时为直流母线提供稳压和短路保护功能；所述双向DC/DC变换器用于实现能量的双向流通；所述双向DC/DC变换器之间通过CAN总线通讯，对***总电流、直流母线电压、各电池组加权平均电流进行计算和处理，实现对电池组间电压和电流的协调控制，并且能够根据各个电池组的SOC进行主动均衡。

2.根据权利要求1所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，在放电过程中，双向DC/DC变换器充当稳压装置，控制对象为输出电压，输出电流采用恒压限流方式；首先检测电池组电压，然后根据分配的负荷功率计算电压补偿值用来调整电池组的输出电压，升压至直流母线所需电压，同时计算***总的负荷电流以及根据各个电池组当前的SOC值计算加权平均电流值，用来调整电池组的输出电流；在该过程中，双向DC/DC变换器不是单纯地平均分配负荷功率，而是根据各个电池组SOC进行综合计算，实现SOC高的电池组多放电，SOC低的电池组少放电，最终达到电池组间SOC平衡。

3.根据权利要求1所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，在充电过程中，双向DC/DC变换器充当充电机，控制对象为输出电流，输出电流采用分段恒流限压方式；首先接收电池管理***的控制信号，然后根据各组电池的SOC、温度状态计算充电电流的需求值，再以分段恒流限压模式输出对应的电流到各组电池。

4.根据权利要求1所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，所述双向DC/DC变换器为双向半桥DC/DC变换器，内部控制电路分为Buck和Boost模式，能够对电池组的充电和放电进行控制，实现能量双向流通。

5.根据权利要求1所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，计算***总电流、采集直流母线电压、结合各电池组SOC计算加权平均电流，达到各电池组SOC均衡的具体方法为：采用下垂均流进行快速调节与平均电流进行慢速调节相结合的综合控制方法。

6.根据权利要求5所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于,所述下垂均流控制策略为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I

式中，U_Ref表示补偿后的直流母线电压，U_Given表示电池组并网后电压给定值，Kp表示下垂系数，I为电池组输出电流；当电流I增大时，降低U_Given起到下垂均流作用，以实现多组双向DC/DC变换器之间输出电流的大致均衡。

7.根据权利要求5所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于,所述平均电流协调控制策略为：

首先，实时计算直流母线总电流，再计算多组双向DC/DC变换器的平均电流；双向DC/DC变换器根据***实时计算的平均电流及自身输出的电流对电池组电压进行微调：

I_avg＝(I₁+I₂+......+I_n)/n

Delta_{U Re f}＝Kp₁·(I-I_avg)

式中，Iavg表示电池组平均电流，In为每组电池输出电流，Kp₁表示均流系数，Delta_URef(公式下标再调整下)表示直流母线补偿电压，经过调整后的直流母线电压为：

U_Ref＝U_Given+Kp·I+Kp₁·(I-I_avg)

综合下垂均流和平均电流协调控制策略，实现多组双向DC/DC变换器输出电流的精准控制；在此基础上，再根据各组电池SOC的不同情况进行综合计算，对电池组平均电流根据SOC进行加权处理，即将SOC高的电池组给定电流值调高，用来增大输出电流；将SOC低的电池组给定电流值调低，用来减小输出电流，进一步地实现各个电池组间的SOC均衡控制，

U_Ref*＝U_Given+Kp·I+Kp1·(I-I_avg*)

式中，Iavg*表示根据电池组SOC加权计算的平均电流，SOCn表示每组电池剩余电量；URef*表示经过SOC加权计算补偿后的直流母线电压；

为避免长时积分偏移问题，当加权处理后的平均电流与电池组给定电流差值小于一定阈值时，将误差值置为0，视为***达到均衡要求。

8.根据权利要求2所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，所述的双向半桥DC/DC变换器，是在单向DC/DC变换器基础上，为电路中开关元件和二极管分别串联反向二极管和开关元件，从而实现电路的双向工作；该变换器在放电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第一MOS管、第一二极管元件进入Boost升压模式，将电池组电压升至直流母线所需电压，同时对放电电流进行均衡控制；在充电过程中，通过PWM控制，利用第一电感、第二MOS管、第二二极管元件进入Buck降压模式，此时双向DC/DC变换器处于恒流限压输出模式，对电池组进行充电。

9.一种用于电池组间的主动均衡控制方法，所述方法基于权利要求1-8任一项所述的一种用于电池组间的主动均衡电路，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先判断***的状态，确定是充电、放电还是停机；

步骤2、当为充电工况时，经过***延时后，计算各组电池SOC，再根据SOC进行分段恒流限压充电；当SOC小于等于70％时，将充电电流设定为第一档I1；当SOC处于70％与90％之间时，将充电电流设定为第二档I2；当SOC大于90％时，将充电电流设定为第三档I3，直至充满为止，依次判定各个电池组；

步骤3、当为放电工况时，经过***延时后，采集各组电池电池侧电压Vn和电流In，计算电池组平均电压Vavg和平均电流Iavg；如果Vn大于Vavg，同时In大于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上降低一定比例；如果Vn小于Vavg，同时In小于Iavg，将该电池组给定电流值在现有基础上增大一定比例；除了以上两种情况外，该电池组给定电流保持不变；依次判定各个电池组。