CN103532197B - 基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路及其实现方法，均衡电路主要包括微控制器、开关模块、BOOST升压变换模块和LC谐振电路，微控制器根据最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体编号，将电池组中任意位置的电压最高和最低的电池单体选通至均衡母线上；同时微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制LC谐振电路，使其交替工作在充电和放电状态。本发明有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体零电压差的问题；增大了均衡电流，减少了均衡时间；实现了零电流开关均衡，减少了能量浪费；有效改善了电池单体间的不一致性，提高了均衡效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种新能源汽车电力控制技术，尤其涉及一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路及实现方法。
背景技术
目前，锂离子电池由于其较高的能量密度和低的自放电率，广泛应用在纯电动汽车、混合动力电动汽车、电动摩托车和UPS不间断电源中。由于锂离子电池单体电压只有2.5-3.6V，为满足电动汽车功率驱动需求，一般需要将电池单体串联使用以提高电压等级。然而，电池单体在制作过程中，由于工艺等原因，同批次电池的容量、内阻等存在差异；在使用过程中，电池自放电率的不同，使用环境如温度、电路板的差异，也会导致电池容量的不平衡。因此动力电池在充放电过程中，有的单体电压会偏高，有的单体电压会偏低。如果动力电池长期处于这种不一致状态，除了会影响电池的使用寿命之外，还容易引起电池损坏，甚至发生爆炸。为了消除电池单体的不均匀性，需要对电池进行均衡。目前，均衡主要有能量耗散型和能量非耗散型两大类。
能量耗散型通过给电池组中每个单体电池并联一个电阻来进行放电分流，从而实现均衡。能量非耗散型电路采用电容、电感作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的充电方案。
能量耗散型电路结构简单，通过给电池组中每个单体电池并联一个电阻来进行放电分流，从而实现均衡，存在能量浪费和热管理的问题。能量非耗散型电路采用电容、电感作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的充电方案，存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等缺点。
中国发明专利申请（申请号201010572115.X）公开了一种利用均衡电阻对电池组中电池单体进行均衡的电路，主要包括控制器、电阻切换电路和均衡电阻。该发明首先根据采集的电压值确定每个电池单体的剩余电量，然后控制电阻切换电路将均衡电阻与电量较高的电池单体并联，给该电池单体放电，从而实现电池单体电量均衡。实质上该电路是通过能量消耗的方式限制电池单体电压过高，只适合于静态均衡中，存在能量浪费和热管理的问题。
中国发明专利申请（申请号201210595724.6）提出了一种电容式电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和场效应管及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，这种“击鼓传花”的均衡方式，使得均衡效率会大大降低。
中国发明专利申请（申请号201310278475.2）提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。
锂离子电池的开路电压在SOC为30％-70％之间时较为平坦（SOC为电池的荷电状态，SOC＝100％时，表示电池为满电状态），即使SOC相差很大，其对应的电压差也很小，因此传统的均衡方法均衡电流较小，而且由于电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且由于电力电子器件工作在硬开关状态，开关损耗较高。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路及实现方法，该均衡电路能够实现零电流开关均衡电流，克服电池单体之间存在电压差的问题，减少能量浪费、提高均衡效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，包括微控制器、开关模块、BOOST升压变换模块和LC谐振电路，微控制器连接开关模块、LC谐振电路和BOOST升压变换模块，BOOST升压变换模块连接LC谐振电路，LC谐振电路通过均衡母线连接开关模块；其中，
所述微控制器包括模数转换模块、驱动电路和通用IO端；
所述模数转换模块，与电池单体和BOOST升压变换模块连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；
所述驱动电路的脉冲宽度调制PWM信号输出端连接BOOST升压变换模块，用于产生控制驱动信号；
所述通用IO端与开关模块连接，用于译码微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号，控制开关模块将电池组中任意位置的电压最高和最低的电池单体选通至均衡母线上。
所述BOOST升压变换模块包括一个电感Lb、一个MOS管Mb、一个二极管Db和一个大电容Cb。
所述LC谐振电路包括四个MOS管、四个二极管和一个LC电路，其中MOS管M1和M2由一路PWM+信号驱动，MOS管M3和M4由另一路状态反向的PWM-信号驱动，二极管D1-D4起反向限流的作用。
所述均衡母线包括均衡母线I和均衡母线II，所述开关模块包括开关模块I和开关模块II，均衡母线I连接BOOST升压变换模块和开关模块I；均衡母线II连接开关模块II与LC谐振电路。
所述LC谐振电路在两个状态互补的PWM信号驱动下，在充电和放电两个状态之间交替变更。
所述充电状态为LC谐振电路与BOOST升压变换模块并联。
所述放电状态为LC谐振电路与电压最低的电池单体并联。
所述PWM信号的频率等于LC谐振电路的固有谐振频率时，均衡电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡。
一种应用上述基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
（1）获取单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号；
（2）判断电压：微控制器根据获取的最高与最低电池单体电压，计算最大单体电压差，若差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；
（3）选通电池：微控制器通过译码电路将最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体编号译码，控制开关模块将最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体选通至均衡母线上；
（4）能量传递：微控制器控制BOOST升压变换模块将电压最高的电池单体升压至一个较高的电压，同时控制LC谐振电路使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。
所述步骤（4）中，当LC谐振电路与BOOST升压变换模块并联时，BOOST升压变换模块给LC谐振电路充电，当LC谐振电路与电压最低的电池单体并联时，LC谐振电路给电池单体充电，随着LC谐振电路的充、放电，实现了能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体。
本发明的工作原理为：
微控制器根据最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体编号，经过通用IO端译码控制开关模块，将电池组中任意位置的电压最高和最低的电池单体选通至均衡母线上；然后，微控制器控制BOOST升压变换模块将电压最高的电池单体升压至一个更高的电压，克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体零电压差的问题；同时微控制器发送一对状态互补的PWM信号控制LC谐振电路，使其交替工作在充电和放电两个状态。特别地，当微控制器发出的PWM频率等于LC谐振电路的固有谐振频率时，可以实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，极大提高了均衡效率。
本发明的有益效果为：
（1）有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难以实现电池单体零电压差的问题；
（2）增大了均衡电流，减少了均衡时间；
（3）实现零电流开关均衡，减少能量浪费；
（4）有效改善了电池单体间的不一致性，提高了均衡效率。
附图说明
图1为本发明的组成示意图；
图2为本发明的LC谐振电路充电工作原理图；
图3为本发明的LC谐振电路放电工作原理图；
图4为本发明的充放电电流波形图；
图5为本发明动力电池静止状态下的均衡效果图；
图6为本发明动力电池静止状态下的均衡效率图。
其中，1、开关模块I；2、均衡母线II；3、电池单体；4、均衡母线I；5、微控制器；6、BOOST升压变换模块；7、LC谐振电路；8、驱动电路；9、多路选通开关；10、电压检测电路；11、开关模块II。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，包括微控制器5、开关模块、BOOST升压变换模块6和LC谐振电路7，微控制器5连接开关模块、LC谐振电路7和BOOST升压变换模块6，BOOST升压变换模块6连接LC谐振电路7，LC谐振电路7通过均衡母线连接开关模块II11；其中，
微控制器5包括模数转换模块、驱动电路8和通用IO端；
模数转换模块用于将电池单体3的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体3；
驱动电路8的脉冲宽度调制PWM信号输出端连接BOOST升压变换模块6，用于产生控制驱动信号；
通用IO端与开关模块连接，用于译码微控制器5确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体3编号，控制开关模块将电池组中任意位置的电压最高和最低的电池单体3选通至均衡母线上。
BOOST升压变换模块6包括一个电感Lb、一个MOS管Mb、一个二极管Db和一个大电容Cb。BOOST升压变换模块6用于输出一个较高的电压以实现大电流均衡和电池单体3间的零电压差，具体地，微控制器5发送一路PWM信号驱动BOOST升压变换模块6中的MOS管，并采用闭环PID的控制方式调节所述PWM的占空比，使BOOST升压变换模块6输出一个稳定且更高的电压。
均衡母线包括均衡母线I4和均衡母线II2，开关模块包括开关模块I1和开关模块II11均衡母线I4连接BOOST升压变换模块6和开关模块I1；均衡母线II2连接开关模块II11与LC谐振电路7。
LC谐振电路7包括四个MOS管、四个二极管和一个LC电路，其中MOS管M1和M2由一路PWM+信号驱动，M3和M4由另一路状态反向的PWM-信号驱动，二极管D1-D4起反向限流的作用。在这对状态互补的PWM信号驱动下，LC谐振电路7交替工作在充电和放电两个状态，充电即与连接与均衡母线I4的BOOST升压变换模块6并联，放电即与连接与均衡母线II2连接的电压最低的电池单体3并联。特别地，当微控制器5发出的PWM信号频率等于LC谐振电路7的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体3进行，极大提高了均衡效率，同时借助于BOOST升压变换模块6有效改善了电池单体3间的不一致性。
一种应用上述基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路的实现方法，包括以下步骤：
（1）获取电池单体3电压：微控制器5借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体3编号；
（2）判断电压：微控制器5根据获取的最高与最低电池单体电压，计算最大单体电压差，若差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；
（3）选通电池：微控制器5通过译码电路确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体3编号，控制开关模块将最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体选通至均衡母线上；
（4）能量传递：微控制器5控制BOOST升压变换模块6将电压最高的电池单体3升压至一个较高的电压，同时控制LC谐振电路7使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。
步骤（4）中，当LC谐振电路7与BOOST升压变换模块6并联时，BOOST升压变换模块6给LC谐振电路充电7，当LC谐振电路7与电压最低的电池单体3并联时，LC谐振电路7给电池单体3充电，随着LC谐振电路7的充、放电，实现了能量从电压较高的电池单体3转移到电压较低的电池单体3。
实施例一：
以6节电池单体3为例，并假设B1为电压最高的电池单体3，B4为电压最低的电池单体3。
均衡电路的微控制器5选用数字信号处理DSP（TMS320F28335），具有高精度AD采样和PWM输出；多路选通开关9选用CD4051，是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流；电压检测电路10采用凌特公司的LTC6802专用电压测量芯片实时测量电池组中每节电池的电压。
开关模块I1、开关模块II11选用带有一对常开触点的继电器，其型号为HJR1-2CL-05V，图1中（Sx，Qx）或（S′x，Q′x）为一对常开开关。微控制器5通过一个多路选通开关9CD4051控制其导通或闭合。
BOOST升压变换模块6由一个电感Lb、一个MOS管Mb、一个二极管Db和一个大电容Cb组成。BOOST升压变换模块6主要工作在充电和放电两个状态：当MOS管导通时，电池单体3开始对电感Lb充电，随着电感电流的增加，电感里存储的能量增加；当MOS管Mb断开时，电池和电感Lb开始经过二极管Db对电容放电，电容两端电压升高，此时电压高于输入电压。总之，升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。通过控制MOS管导通的占空比可以调节BOOST升压变换模块6输出电压的大小，本发明采用闭环PID控制器控制MOS管导通的占空比使BOOST升压变换模块6输出电压保持在7.5V左右。
LC谐振电路7由四个MOS管M1-M4、四个二极管D1-D4和一个电感L、一个电容C电路组成。其中，M1、M2、D1、D2与L、C构成充电回路；M3、M4、D3、D4与L、C构成放电回路。M1的源极、D2的负极分别与BOOST升压变换模块6中电容Cb的正、负极相连；D3的负极、M4的源极分别与均衡母线II2正、负极相连。二极管D1-D4起隔离的作用。MOS管M1-M4由来自微控制器5DSP的一对状态互补的PWM信号驱动，其中M1和M2由一路PWM+信号驱动，M3和M4由另一路状态互补的PWM-信号驱动。当M1和M2导通，M3和M4关断时，LC谐振电路与7工作在充电状态；当M3和M4导通，M1和M2关断时，LC谐振电路7工作在放电状态。如此，通过LC谐振电路7不断的充、放电可实现能量从电压最高的电池单体3转移至电压最低的电池单体3，特别地，当微控制器5发出的PWM频率等于LC准谐振电路7的固有谐振频率时，实现零电流开关均衡。
首先，微控制器5借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体3编号，并判断最大电压差是否大于电池均衡阈值，若大于则启动均衡电路，并通过译码芯片CD4051选通开关模块I1的（S′2、Q′2）和开关模块II11的（S5、Q5）并保持其导通状态直至本次均衡结束，分别将电压最高的电池单体B1和电压最低的电池单体B4选通至均衡母线I4和均衡母线II2上。
在均衡状态下，微控制器5采用PID控制器控制，BOOST升压变换模块6将电压最高的电池单体B1升压至7.5V左右。
同时，控制LC谐振电路7使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。
如图2所示，当M1和M2导通时，M3和M4关断，LC谐振电路7与BOOST升压变换模块6并联。Cb、电感L和电容C形成一个谐振回路，此时充电，谐振电流i为正，电容C两端的电压Vc开始上升直至谐振电流i变为负值，由图3可以看出，Vc滞后谐振电流i四分之一个周期，且波形均为正弦波。该时刻，由于M3和M4处于关断状态，电池单体B4开路，所以流入B4的电流iB4为零；又因为微控制器5控制BOOST升压变换模块6输出电压稳定在7.5V左右，所以流入LC的谐振电流i即为流出电池单体B1的电流，并且规定电流流出电池单体时为正，因此可得到如图4所示状态Ⅰ所示的B1和B4电流波形。
如图3所示，当M3和M4导通时，M1和M2关断，LC谐振电路7通过开关模块I1、开关模块II11与电压最低的电池单体B4并联。B4、L和C形成一个谐振回路，此时放电，谐振电流i为负，电容C两端的电压Vc开始下降直至谐振电流变为正值。因为BOOST升压变换模块6处于开路状态，因此流出电池单体B1的电流iB1为零；同时该时刻谐振电流i就是B4的充电电流，因此可得到如图4状态Ⅱ所示的B1和B4电流波形。
如图5、图6所示，当电池单体初始电压分别为B0＝3.098V，B1＝3.112V，B2＝3.079V，B3＝2.975V，B4＝3.036V，B5＝3.083V，B6＝3.1V，B7＝2.853V时，只需要大约3000s的时间，均衡电路就使得电池组中电池单体的最大电压差接近于0，并且测量的均衡效率高达98.6%。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，其特征在于：包括微控制器、开关模块、BOOST升压变换模块和LC谐振电路，微控制器连接开关模块、LC谐振电路和BOOST升压变换模块，BOOST升压变换模块连接LC谐振电路，LC谐振电路通过均衡母线连接开关模块；其中，
所述微控制器包括模数转换模块、驱动电路和通用IO端；
所述模数转换模块，与电池单体和BOOST升压变换模块连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号，从而确定电压最高和最低的电池单体；
所述驱动电路的脉冲宽度调制PWM信号输出端连接BOOST升压变换模块，用于产生控制驱动信号；
所述通用IO端与开关模块连接，用于译码微控制器确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池编号，控制开关模块将电池组中任意位置的电压最高和最低的电池单体选通至均衡母线上；
所述均衡母线包括均衡母线I和均衡母线II，开关模块包括开关模块I和开关模块II，均衡母线I连接BOOST升压变换模块和开关模块I；均衡母线II连接开关模块II与LC谐振电路；
LC谐振电路包括四个MOS管M1、M2、M3和M4，四个二极管D1、D2、D3和D4，一个电感L和一个电容C，M1、M2、D1、D2与L、C构成充电回路；M3、M4、D3、D4与L、C构成放电回路；M1的源极连接D1的阳极，D1的阴极分别连接L一端和M3漏极，L另一端连接C正极，C负极分别连接D4阴极和M2漏极，M2源极连接D2正极，D2负极连接BOOST升压变换模块电容的负极，M1的漏极与BOOST升压变换模块电容的正极相连，M3源极连接D3正极，D4正极连接M4源极，M4漏极与均衡母线Ⅱ负极相连，D3负极与均衡母线Ⅱ正极相连，M1、M2、M3、M4的栅极连接驱动电路；其中MOS管M1和M2由一路PWM+信号驱动，M3和M4由另一路状态反向的PWM-信号驱动，四个二极管D1、D2、D3和D4起反向限流的作用。
2.如权利要求1所述的一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，其特征在于：所述LC谐振电路在两个状态互补的PWM信号驱动下，在充电和放电两个状态之间交替变更。
3.如权利要求2所述的一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，其特征在于：所述充电状态为LC谐振电路与BOOST升压变换模块并联。
4.如权利要求2所述的一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，其特征在于：所述放电状态为LC谐振电路与电压最低的电池单体并联。
5.如权利要求1所述的一种基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路，其特征在于：所述PWM信号的频率等于LC谐振电路的固有谐振频率时，均衡电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于升压变换和软开关的动力电池组均衡电路的实现方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)获取单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定最高单体电压和最低单体电压以及对应的电池单体编号；
(2)判断电压：微控制器根据获取的最高与最低电池单体电压，计算最大单体电压差，若差值大于电池均衡阈值，则启动均衡电路；
(3)选通电池：微控制器通过译码电路确定的最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体编号，控制开关模块将最高单体电压和最低单体电压对应的电池单体选通至均衡母线上；
(4)能量传递：微控制器控制BOOST升压变换模块将电压最高的电池单体升压至一个较高的电压，同时控制LC谐振电路使其交替工作在充电和放电两个状态，从而实现能量的不断传递。
7.如权利要求6所述的一种实现方法，其特征在于：所述步骤(4)中，当LC谐振电路与BOOST升压变换模块并联时，所述BOOST升压变换的控制方式为PID闭环控制，BOOST升压变换模块给LC谐振电路充电，当LC谐振电路与电压最低的电池单体并联时，LC谐振电路给电池单体充电，随着LC谐振电路的充、放电，实现了能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体。
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