CN107733007B - 一种电池组双目标直接均衡电路及均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池组双目标直接均衡电路。串联电池组包含至少三个单体电池，分为上下两个部分，每个单体电池与一个均衡子电路相连接，均衡子电路由两个MOSFET和一个储能电感组成，串联电池组及均衡子电路跨接在VCC与GND之间，每一个均衡子电路又与控制电路相连接，实现对均衡目标的直接均衡。控制电路同时以单体电池的端电压和SOC作为均衡指标，并在一个均衡周期内，分阶段对单体电池的端电压和SOC进行均衡，通过控制均衡子电路的两个MOSFET的通断，利用储能电感的储能作用，实现单体电池端电压和SOC的双目标均衡。该均衡电路及均衡策略适用于混合动力汽车、纯电动汽车或蓄能电站中蓄能装置的均衡管理系统。

Description

一种电池组双目标直接均衡电路及均衡方法

技术领域

本发明涉及一种串联电池组双目标直接均衡技术及均衡方法，适用于混合动力电动汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。

背景技术

由于单体电池容量有限，而且单体电压较低，所以动力电池组一般由多个单体电池串并联组成以满足使用要求。由于同一型号的单体电池间存在不可避免的不一致性问题，将严重影响电池组使用寿命，并且容易导致出现过充和过放现象。串联电池组在经过多个充放电循环后，各单体电池剩余容量的分布大致会出现三种情况：个别单体电池的剩余容量偏高；个别单体电池的剩余容量偏低；个别单体电池的剩余容量偏高和个别单体电池的剩余容量偏低。

针对上述情况，国内外学者均提出了自己的解决方案。如针对个别单体电池的剩余容量偏高的情况，有研究者提出了并联电阻分流法，它通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池模块的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理负荷。也有研究者提出了双向DC-DC均衡法、同轴变压器均衡法等均衡电路，这些电路都采用了变压器，增加了均衡电路的成本。

目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；按照均衡功能分类，可分为充电均衡、放电均衡和动态均衡。充电均衡是指在充电过程中的均衡，一般是在电池组单体电压达到设定值时开始均衡，通过减小充电电流防止过充电；放电均衡是指在放电过程中的均衡，通过向剩余能量低的单体电池补充能量来防止过放电；动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，是指在整个充放电过程中对电池组进行的均衡。如今已有大量的均衡拓扑和控制策略被提出。对于均衡电路控制策略的研究，Kobzev、Tae-hoon Kim等均是以电池端电压作为均衡指标来对电池组均衡，然而电池性能的好坏不能只凭电压的高低来衡量，电池组中容量低的电池在充电时或充电以后，其端电压可能比其他电池高，如果采用这种均衡方法，那么均衡的结果是容量低的电池给容量高的电池补充能量，加大了电池组中各电池容量的差距。Danielson、Huang W等人认为采用SOC作为均衡变量优点在于当不同工况下电流突然变化时不会导致电池荷电状态波动，使得均衡目标变化比较稳定，有利于减少均衡震荡对电池的影响，但是这种均衡方法只能解决电池组中容量较大的电池因长期充电不足而性能下降问题，并不能减小或消除各电池实际容量的差距。总体而言，目前均衡控制策略的研究多以单一的端电压或者单一的SOC作为均衡指标。

发明内容

本发明的目的是在串联电池组的电池管理系统中采用一种均衡电路来保证电池组中的单体电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，改善串联电池组的不均衡现象，提高电池组的可用容量，减小串联电池组的维修和更换周期，延长电池组的使用寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和蓄能电站的运行成本。在充电过程中，当电池组中任何一个单体能量过高时，可以将此单体的能量均衡给电池组其它所有剩余单体；在放电过程中，当电池组中任何一个单体能量过低时，可以将电池组其它所有剩余单体的能量均衡给这个能量过低的单体。并且以SOC、端电压同时作为均衡指标制定均衡控制策略，通过分阶段对SOC、端电压进行均衡，从本质上提高动力电池组单体电池的一致性。

为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现。

该电池组双目标直接均衡电路由串联电池组和均衡子电路构成。其中，串联电池组均分为上、下两部分，上部分单体电池为上电池，下部分单体电池为下电池；当单体电池总数n为偶数时，上下部分单体电池数均为(n/2)，当单体电池总数n为奇数时，上单体电池数为[(n+1)/2]，下单体电池数为[(n-1)/2]；单体电池由上至下分别命名为B₁、B₂、B₃、……B_n，B₁的正极接VCC，B_n的负极接GND。每个单体电池均与一个均衡子电路相连接。

单体电池可以是铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器等二次电池。

作为优选方案，每个均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感L构成，上桥臂MOSFET为Q_u，下桥臂MOSFET为Q_d，Q_u的源极与Q_d的漏极和储能电感L的一端相连；Q_u的漏极作为输出端a，Q_u的栅极作为输出端b，Q_d的栅极作为输出端c，Q_d的源极作为输出端d，L的另一端作为输出端e；输出端b、c与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制；与上单体电池连接的均衡子电路，a端与对应单体电池正极相连，e端与对应单体电池负极相连，d端接GND；与下单体电池连接的均衡子电路，e端与对应单体电池正极相连，d端与对应单体电池负极相连，a端接VCC；总均衡子电路a端接VCC，d端接GND，e端接上电池与下电池的公共点k。

均衡子电路的工作原理如下。

在充放电过程中，如果位于k点以上的单体B_i需要进行放电均衡，通过控制S_i的上桥臂开关管Q_ui导通，B_i放电为L_i储存能量；Q_ui开通一定时间后使其关断，此时电流通过B_i对应的均衡子电路下桥臂开关管Q_di的续流二极管、L_i及B_i+1、B_i+2……B_n，L_i释放能量至B_i+1、B_i+2……B_n，实现了能量从B_i到B_i+1、B_i+2……B_n的转移。如果位于k点以下的单体B_j需要进行放电均衡，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路下桥臂MOSFET Q_dj导通，则电流通过Q_dj、B_j对应的均衡子电路储能电感L_j以及B_j，B_j放电为L_j储存能量；Q_dj开通一定时间后使其关断，此时电流通过B_j对应的均衡子电路上桥臂MOSFET Q_uj的续流二极管、L_j及B₁、B₂……B_i-1，L_j释放能量至B₁、B₂……B_i-1，实现了能量从B_j到B₁、B₂……B_i-1的转移。

如果位于k点以上的单体B_i需要进行充电均衡，通过控制S_i的下桥臂开关管Q_di导通，B_i+1、B_i+2……B_n放电为L_i储存能量；Q_di开通一定时间后使其关断，此时电流通过B_i对应的均衡子电路上桥臂开关管Q_ui的续流二极管、L_i及B_i+1、B_i+2……B_n，L_i释放能量至B_i，实现了能量从B_i+1、B_i+2……B_n到B_i的转移。如果位于k点以下的单体B_i需要进行充电均衡，在一个PWM周期内，使B_j对应的均衡子电路上桥臂MOSFET Q_uj导通，则电流通过Q_uj、B_j对应的均衡子电路储能电感L_j以及B₁、B₂……B_j-1，B₁、B₂……B_j-1放电为L_j储存能量；Q_uj开通一定时间后使其关断，此时电流通过B_j对应的均衡子电路下桥臂MOSFET Q_dj的续流二极管、L_j及B_j，L_j释放能量至B_j，实现了能量从B₁、B₂……B_j-1到B_j的转移。

基于SOC、端电压建立均衡指标，一个均衡周期内分阶段对其进行均衡，最终实现电池组内各单体电池SOC、端电压的一致性满足设计要求。

具体的均衡控制策略包含以下内容：

S1、设定均衡指标：由检测电路判断各电池SOC、端电压的不一致性是否满足均衡电路工作条件；如满足均衡条件，均衡电路开始工作；如不满足均衡条件，均衡电路不工作。

S2、均衡过程包含若干个均衡周期，每个均衡周期T/2时间用于电压均衡，T/2时间用于SOC均衡。

S3、每个均衡周期结束，检测电路重新检测并判断各电池SOC、端电压是否满足均衡条件；

S4、重复步骤S2，直至单体电池不一致性不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。

进一步的，所述控制电路通过输出控制信号对均衡子电路进行控制，所述控制信号的频率大小是根据均衡子电路的储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、单体电池的电池端电压、单体电池的单体容量而定。

进一步的，所述控制电路输出的控制信号的占空比能够使储能电感在每个信号周期内复位，即储能电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。

进一步的，步骤S2中，均衡电路工作过程中，通过减小SOC最大值对应的单体电池的开路电压，增大端电压最小值对应的单体电池的端电压，使得减小，逐渐满足电池组一致性指标。当电池组内各单体电池趋于一致的时候，即可实现单体电池动态性能的一致。

本发明提供的锂离子电池的均衡方法可适用于各种能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路。

也适用于电容型均衡电路、变换器型均衡电路和变压器型均衡电路。

本发明由于在串联电池组电池管理系统中采用上述均衡技术，能保证每个电池在充电和放电过程中不出现过充电和过放电，同时以电池端电压、SOC作为不一致性指标，能够从本质上提高电池组内单体电池的一致性；通过分阶段均衡，在不增加程序运算量和控制复杂度的前提下，同时实现端电压和SOC双目标均衡。此控制策略方法可靠、在线运算量小，可显著提高电池安全可靠性、提高电池能量利用率、延长电池寿命，降低混合动力汽车、电动汽车和电站中蓄电池储能系统的成本。

附图说明

图1是本发明中的均衡电路原理图。

图2是本发明中的均衡子电路原理图。

图3是本发明中的均衡策略原理图。

图4是四单体串联电池组充电过程中均衡电路的工作过程原理图。

图5是四单体串联电池组放电过程中均衡电路的工作过程原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

图1是均衡电路原理图。其中，串联电池组均分为上、下两部分，上半部分单体电池为上电池，下半部分单体电池为下电池；当单体电池总数n为偶数时，上下部分单体电池数均为(n/2)，当单体电池总数n为奇数时，上单体电池数为[(n+1)/2]，下单体电池数为[(n-1)/2]；单体电池由上至下分别命名为B₁、B₂、B₃、……B_n，B₁的正极接VCC，B_n的负极接GND。每个单体电池均与一个均衡子电路相连接。

图2是均衡子电路原理图。每个均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感L构成，上桥臂MOSFET为Q_u，下桥臂MOSFET为Q_d，Q_u的源极与Q_d的漏极和储能电感L的一端相连；Q_u的漏极作为输出端a，Q_u的栅极作为输出端b，Q_d的栅极作为输出端c，Q_d的源极作为输出端d，L的另一端作为输出端e；输出端b、c与控制电路相连接，使MOSFET的开通和关断由控制电路控制；与上单体电池连接的均衡子电路，a端与对应单体电池正极相连，e端与对应单体电池负极相连，d端接GND；与下单体电池连接的均衡子电路，e端与对应单体电池正极相连，d端与对应单体电池负极相连，a端接VCC。

图3是双目标分阶段均衡策略原理图。双目标是指以SOC、端电压同时作为均衡指标，通过实现的均衡，来保证电池组各单体电池本质上的工作状态的一致性。分阶段是指在每一个均衡周期，有半个周期用来实现端电压均衡，此过程通过对端电压最低的单体电池进行充电均衡实现；有半个周期用来实现SOC均衡，即开路电压均衡，此过程通过对开路电压最高的单体电池进行放电均衡实现。由检测电路判断各电池SOC、端电压的不一致性是否满足均衡电路工作条件；如满足均衡条件，均衡电路开始工作；如不满足均衡条件，均衡电路不工作。

每个均衡周期结束，检测电路重新检测并判断各电池SOC、端电压是否满足均衡电路工作条件。一个均衡周期结束，若各单体电池SOC、端电压满足均衡电路工作条件，均衡电路继续工作，若不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作，均衡过程结束。

图4、图5是充放电过程均衡电路工作原理示意图，以单体电池数n=4为例，

图4是对B₁进行放电均衡的过程，在一个PWM周期内，使B₁对应的均衡子电路上桥臂MOSFET Q_u1导通，则电流i_u1通过Q_u1、B₁对应的均衡子电路储能电感L₁以及B₁，B₁放电为L₁储存能量；Q_u1开通一定时间后使其关断，此时电流通过B₁对应的均衡子电路下桥臂MOSFET Q_d1的续流二极管、L₁及B₂、B₃、B₄，L₁释放能量至B₂、B₃、B₄，实现了能量从B₁到B₂、B₃、B₄的转移。

图5是对B₃进行充电均衡的过程，在一个PWM周期内，使B₃对应的均衡子电路上桥臂MOSFET Q_u3导通，则电流通过Q_u3、B₃对应的均衡子电路储能电感L₃以及B₁、B₂，B₁、B₂放电为L₃储存能量；Q_u3开通一定时间后使其关断，此时电流通过B₃对应的均衡子电路下桥臂MOSFETQ_d3的续流二极管、L₃及B₃，L₃释放能量至B₃，实现了能量从B₁、B₂到B₃的转移。

Claims (5)

1.一种锂离子电池组的均衡方法，其特征在于：是根据电池组双目标直接均衡电路对锂离子电池组进行均衡，

所述电池组双目标直接均衡电路，包括由多个单体电池串联而成的串联电池组、均衡子电路和控制电路，所述单体电池的数量不少于3个，每个单体电池均与一个均衡子电路连接，每个均衡子电路均与控制电路连接；所述串联电池组分为上部分和下部分，上部分的单体电池的数量比下部分单体电池的数量相同或者多1个；上部分的单体电池所连接的均衡子电路再与串联电池组的GND端连接，下部分的单体电池所连接的均衡子电路再与串联电池组的VCC端连接；所述均衡子电路由两个带续流二极管的MOSFET以及储能电感连接而成，控制电路与两个MOSFET的栅极连接；单体电池的正负两端分别与其中一个MOSFET的漏极、储能电感的第二端连接；另一个MOSFET的源极与串联电池组的GND端或VCC端连接；所述单体电池为二次电池；

所述均衡方法包括以下步骤：

S1、将均衡电路与检测电路连接，设定均衡指标：由检测电路判断各电池SOC、端电压的不一致性是否满足均衡电路工作条件；如满足均衡条件，均衡电路开始工作；如不满足均衡条件，均衡电路不工作，

设定电池组各单体电池平均开路电压为U_{oc_are}，各单体电池平均端电压为U_{L_aw}，令：

D_i＝U_{oc_j}-U_{L_i} (1)

U_{oc_i}＝f(soc_i) (2)

D_max＝U_{oc_max}-U_{L_min}| (3)

D_ave＝U_{oc_aw}-U_{L_aw} (4)

均衡电路工作判断条件为：D_max-D_ave＞v_ref，v_ref为均衡电路基准电压值；

S2、均衡过程包含若干个均衡周期T，所述电池端电压是在均衡周期T内的前半个周期T/2进行均衡，所述电池SOC是在均衡周期T内的后半个周期T/2进行均衡，

充放电过程中，若D_max-D_ave≤v_ref，均衡电路不工作，若D_max-D_ave＞v_ref，均衡电路开始工作，每个均衡周期的前半周期对U_{oc_max}对应的单体电池进行放电均衡，使得U_{oc_max}减小，每个均衡周期的后半周期对U_{I_min}对应的单体电池进行充电均衡，使得U_{L_min}增大，导致D_max减小，最终使得D_max-D_aw≤v_ref成立；

S3、每个均衡周期结束，检测电路重新检测并判断各单体电池的电池端电压、电池SOC的不一致性是否满足均衡条件；

S4、如此往复，直至单体电池的不一致性不满足均衡电路工作条件，均衡电路停止工作。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池组的均衡方法，其特征在于：所述控制电路通过输出控制信号对均衡子电路进行控制，所述控制信号的频率大小是根据均衡子电路的储能电感的电感值、MOSFET的开关损耗、单体电池的电池端电压、单体电池的单体容量而定。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池组的均衡方法，其特征在于：所述控制电路输出的控制信号的占空比能够使储能电感在每个信号周期内复位。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池组的均衡方法，其特征在于：所述的均衡方法应用于能量耗散型均衡电路和能量非耗散型均衡电路。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池组的均衡方法，其特征在于：所述的均衡方法应用于电容型均衡电路、变换器型均衡电路和变压器型均衡电路。