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CN112736999A - 具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置 - Google Patents

具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置 Download PDF

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CN112736999A CN202011370515.2A CN202011370515A CN112736999A CN 112736999 A CN112736999 A CN 112736999A CN 202011370515 A CN202011370515 A CN 202011370515A CN 112736999 A CN112736999 A CN 112736999A
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吴靖
郑伟彦
陈佩军
苏斌
蒋燕萍
苏芳
金明
王志明
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Zhejiang Dayou Industrial Co ltd Hangzhou Science And Technology Development Branch
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Abstract

本发明涉及串联单体电池的电池均衡领域，尤其涉及具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，包括n个串联连接的电池组、4n个继电器、n个反激式变换器以及1个控制器。单体电池两端分别通过继电器连接对应反激式变换器的初级侧，反激式变换器的次级侧连接下一电池组的正负极，最后一个反激式变换器的次级侧则与第一对电池组的正负极连接；控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡。本发明使用反激式变换器控制均衡方向和速度，可以方便地根据采集的单体电池电压数据，并依此计算其SOC，控制反激式变换器的输入/输出电流的方向和大小，进而控制均衡方向和速度。

Description

具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置
技术领域
本发明涉及串联单体电池的电池均衡领域，尤其涉及具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置。
背景技术
为了满足储能配置的要求，可充电电池已在诸如可再生能源存储系统、电动汽车和电信行业的各个领域中被广泛采用。由于单体电池的端电压较低，在大多数应用中，通常需要多个单体串联电池连接形成电池模块，以达到所需的电压水平。
然而，电池模块中各个单体电池之间的不均衡是普遍现象，如电池之间的端电压、荷电状态(SOC)等的差异。这种不平衡是由单体电池之间的内在固有差异和外在工况差异共同引起的。内在固有差异往往受制造工艺限制，只能通过优化制造和筛选工艺尽可能减小。外在工况差异包括温度差异和外部辅助电路差异。电池模块中不均匀的温度分布会影响电池特性并导致性能变化，较高的工作温度可提高容量和功率，但会加速单体电池的老化。较低的工作温度会降低性能。外部辅助电路用于检测、控制和保护电池，但这些电路从每个单体电池消耗的功率不同，加剧了单体电池之间的不均衡。
电池不平衡的最大影响是电池模块中的能量损失。通常，具有最低和最高端SOC的电池将限制整个电池模块的性能。高可靠性、高效率的电池管理系统(BMS)对于由可充电电池供电的应用至关重要，而单体电池均衡是BMS最重要的功能之一。单体电池均衡技术有助于在单体电池之间平均分配能量。若没有单体电池均衡，电池模块中的一部分容量或能量将被浪费，尤其针对在频繁充放电条件下工作的长串串联电池模块。
为了维持电池模块内单体电池的均衡，已有众多均衡电路、装置及方法被提出。目前来看，这些电路、装置及方法，通常可以归为三类，第一类是通过释放SOC较高的单体电池的能量，使整体参数向SOC较低的单体电池靠拢，第二种方法是将能量从SOC较高的单体电池转移至SOC较低的单体电池，第三种方法是对充放电过程进行控制，以保证电池之间的均衡。
对于串联电池模块而言，所有电池的充、放电电流是相等的，所以第三类均衡方案并不适用于串联电池模块。而第一类方案中释放掉的SOC较高的单体电池的能量通常在电阻等耗能元件上被耗散掉，这使得整个装置的效率极低。综合以上论述，第二类是普遍认为较优的解决方案。
但目前已有的属于第二类解决方案的均衡装置及方法，往往不能兼顾装置的成本和均衡速度。例如，为每个单体电池添加一套均衡电路的方案可以实现最快的均衡速度，但相应的装置成本将会上升，并且使装置的复杂度上升、可靠性下降。但简单的共享式的均衡电路往往很难实现快速的均衡，这在对均衡速度要求较高的场景下将不再适用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置。
具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，包括由n个串联连接的电池组、4n个继电器、n个用于充放电的反激式变换器以及1个对继电器和反激式变换器进行控制的控制器，其中，n为大于等于3的正整数；
所述电池组包括2个串联连接的单体电池；
所述单体电池两端分别通过可控开关连接对应反激式变换器的初级侧，所述反激式变换器的次级侧连接下一电池组的正负极，最后一个反激式变换器的次级侧则与第一对电池组的正负极连接；
所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡。
优选的，所述继电器包括正极继电器及负极继电器，所述正极继电器的第一触点连接单体电池的正极，第二触点连接反激式变换器的初级侧，所述负极继电器的第一触点连接单体电池的负极，第二触点连接反激式变换器的初级侧。
优选的，所述正极继电器及负极继电器均属于常开型电磁继电器。
所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡，包括：
若单体电池的SOC值高于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行放电，将多余的电量转移至下一对电池中，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡，包括：
若单体电池的SOC值低于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行充电，将下一对电池作为电荷源补充缺失的电荷，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)相邻的两个单体电池可以共享一个反激式变换器，减少了装置的成本和复杂度，提高了装置的可靠性；
(2)本发明使用反激式变换器控制均衡方向和速度，可以很方便地根据采集的单体电池电压数据，并依此计算其SOC，控制反激式变换器的输入/输出电流的方向和大小，进而控制均衡方向和速度；
(3)本发明中反激式变换器次级侧仅跨接在一对串联电池两端，其次级侧的可控功率开关电压应力低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是传统开关电容式单体电池均衡电路示意图；
图2是传统基于多反激式变换器单体电池均衡电路的示意图；
图3是本发明具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的结构示意图；
图4是本发明的具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的具有6节单体电池特例示意图；
图5a是本发明具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的状态1示意图；
图5b是本发明具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的状态2示意图；
图5c是本发明具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的状态3示意图；
图5d是本发明是具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的状态4示意图；
图6是具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置的典型电信号波形图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
传统的电池均衡电路无法兼顾装置成本和均衡速度。如图1所示，传统的开关电容式单体电池均衡电路，具有简单、可靠的特点，但其缺点是均衡速度不稳定，且不可控，如图2所示的传统的基于多反激式变换器单体电池均衡电路克服了均衡速度不可控的缺点，但需要每个单体电池配置一个反激式变换器，装置整体成本和可靠性大大降低。有鉴于此，本申请提出了一种具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，兼顾了装置成本和均衡速度，同时还可以使用应力更小的可控开关器件。
本发明提出一种具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，包括具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，包括由n个串联连接的电池组、4n个继电器、n个用于充放电的反激式变换器以及1个对继电器和反激式变换器进行控制的控制器，其中，n为大于等于3的正整数；所述电池组包括两个串联连接的单体电池；所述单体电池两端分别通过继电器连接对应反激式变换器的初级侧，所述反激式变换器的次级侧连接下一电池组的正负极，最后一个反激式变换器的次级侧则与第一对电池组的正负极连接；所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡。
继电器包括正极继电器及负极继电器，所述正极继电器的第一触点连接单体电池的正极，第二触点连接反激式变换器的初级侧，所述负极继电器的第一触点连接单体电池的负极，第二触点连接反激式变换器的初级侧。正极继电器及负极继电器均属于常开型电磁继电器。
反激式变换器均属于双向直流-直流变换器，每个变换器由1个变压器与2个可控功率开关组成，变压器原边的非同名端与一个可控功率开关的漏极(集电极)连接，构成变换器的初级侧，变压器副边的同名端与另一个可控功率开关的漏极(集电极)连接，构成变换器的次级侧，变换器次级侧变压器的非同名端与下一对电池中第一个电池的正极连接，变换器次级侧可控功率开关的源极(发射极)与下一对电池中第二个电池的负极连接。
若单体电池的SOC值高于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行放电，将多余的电量转移至下一对电池中，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
若单体电池的SOC值低于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行充电，将下一对电池作为电荷源补充缺失的电荷，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
本发明的一种典型的实施方式中，如图3所示，提供了一种具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置。为了简化对该装置核心功能的描述，取n＝3，如图4所示，提供了一种具有3个反激式变换器、6个串联单体电池均衡装置，该装置由6个单体电池、6个正极继电器、6个负极继电器、3个反激式变换器构成，每个反激式变换器包括1个变压器和2个可控功率开关。
6个单体电池是该电池均衡装置的被均衡对象，并以串联的形式组成电池组；6个正极继电器均属于常开型电磁继电器，其输出回路的一端分别与所述6个串联连接的单体电池的正极连接，其输出回路的另一端按编号顺序成对连接(第一个正极继电器与第二个正极继电器连接、第三个正极继电器与第四个正极继电器连接、第五个正极继电器与第六个正极继电器连接)后，再分别与3个变压器的原边的同名端连接，这些正极继电器受由控制器发出的电池正极选择信号的控制。
6个负极继电器均属于常开型电磁继电器，其输出回路的一端分别与所述6个串联连接的单体电池的负极连接，其输出回路的另一端按编号顺序成对连接(第一个负极继电器与第二个负极继电器连接、第三个负极继电器与第四个负极继电器连接、第五个负极继电器与第六个负极继电器连接)后，再分别与3个反激式变换器初级侧可控功率开关的源极(发射极)连接，这些负极继电器受由控制器发出的电池负极选择信号的控制。
3个反激式变换器均属于双向直流-直流变换器，每个变换器由1个变压器与2个可控功率开关组成，变压器原边的非同名端与一个可控功率开关的漏极(集电极)连接，构成变换器的初级侧，变压器副边的同名端与另一个可控功率开关的漏极(集电极)连接，构成变换器的次级侧，变换器次级侧变压器的非同名端与下一对电池中第一个电池的正极连接(第一个变压器副边的非同名端与第二对电池中的第一个电池，即第三个电池的正极连接，第二个变压器副边的非同名端与第三对电池中的第一个电池，即第五个电池的正极连接，而第三个变压器副边的非同名端与第一对电池中的第一个电池，即第一个电池的正极连接)，变换器次级侧可控功率开关的源极(发射极)与下一对电池中第二个电池的负极连接(第一个变换器次级侧可控功率开关的源极与第二对电池中的第二个电池，即第四个电池的负极连接，第二个变换器次级侧可控功率开关的源极与第三对电池中的第二个电池，即第六个电池的负极连接，第三个变换器次级侧可控功率开关的源极与第一对电池中的第二个电池，即第二个电池的负极连接)。
下面以单体电池B1的SOC偏高和单体电池B2的SOC偏低为例，对装置进行模态分析。
采集所有单体电池电压Vi(i＝1,2,3,4,5,6)，并计算各自SOCi及其平均值SOCave后，若单体电池B1的SOC1偏高，则向正极继电器K1+和负极继电器K1-发出动作指令，此时对应图6中的t0时刻；
t0—t1：延时以保证继电器K1+、K1-稳定闭合，在此区间变压器T1原副边均无电流通过；
t1—t2：t1时刻，反激式变换器初级侧的可控功率开关S1a受控导通，而后，如图5a所示，变压器原边承受电压V1，励磁电流开始上升，上升速率恒定，如下式：
dim/dt＝V1/Lm
其中im为变压器励磁电流，Lm为变压器励磁电感。在此区间中，反激式变换器次级侧电流始终为0。
t2—t3：t2时刻，反激式变换器初级侧电流上升至设定的电流阈值，初级侧的可控功率开关S1a受控关断，而后，如图5b所示，变换器次级侧可控功率开关S1b的反并联二极管导通续流，励磁电流下降，下降速率恒定，如下式：
dim/dt＝-(V1+V2)/Lm
反激式变换器初级侧电流在此区间始终为0。
t3—t4：t3时刻，反激式变换器次级侧电流下降至0，次级侧可控功率开关S1b的反并联二极管停止续流，并因承受反压而关断。在此区间内，变压器T1原副边均无电流通过；
t4—t5：在此区间内，电路模态重复t1—t2；
t5—t6：在此区间内，电路模态重复t2—t3；
t6—t7：t6时刻，单体电池B1的SOC1＝SOCave，达到了均衡过程终止的条件，可控功率开关不再受控导通或关断，t7时刻，取消正极继电器K1+和负极继电器K1-的动作指令。
采集所有单体电池电压Vi(i＝1,2,3,4,5,6)，并计算各自SOCi及其平均值SOCave后，若单体电池B2的SOC2偏低，则向正极继电器K2+和负极继电器K2-发出动作指令，此时对应图6中的t0时刻；
t0—t1：延时以保证继电器K2+、K2-稳定闭合，在此区间变压器T1原副边均无电流通过；
t1—t2：t1时刻，反激式变换器次级侧的可控功率开关S1b受控导通，而后，如图5c所示，变压器副边承受电压(V1+V2)，励磁电流开始上升，上升速率恒定，如下式：
dim/dt＝(V1+V2)/Lm
在此区间中，反激式变换器初级侧电流始终为0。
t2—t3：t2时刻，反激式变换器次级侧电流上升至设定的电流阈值，次级侧的可控功率开关S1b受控关断，而后，如图5d所示，变换器初级侧可控功率开关S1a的反并联二极管导通续流，励磁电流开始下降，下降速率恒定，如下式：
dim/dt＝-V2/Lm
反激式变换器次级侧电流在此区间始终为0。
t3—t4：t3时刻，反激式变换器初级侧电流下降至0，初级侧可控功率开关S1b的反并联二极管停止续流，并因承受反压而关断。在此区间内，变压器T1原副边均无电流通过；
t4—t5：在此区间内，电路模态重复t1—t2；
t5—t6：在此区间内，电路模态重复t2—t3；
t6—t7：t6时刻，单体电池B2的SOC2＝SOCave，达到了均衡过程终止的条件，可控功率开关不再受控导通或关断，t7时刻，取消正极继电器K2+和负极继电器K2-的动作指令。
本发明实施例提供了一种具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，该装置使用多个反激式变换器对串联电池组中的不均衡电池进行均衡，并可以对均衡电流的大小、均衡电荷转移方向、均衡判别标准进行灵活配置；此外，该装置兼顾了装置的成本和均衡速度，在不牺牲均衡速度的前提下，用最少的可控功率开关实现了所有单体电池的主动均衡；由于所使用的可控功率开关数量较少，所以该装置在可靠性上也明显优于传统方案。
本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，其特征在于，包括n个串联连接的电池组、4n个继电器、n个用于充放电的反激式变换器以及对可控开关进行控制的控制器，其中，n为大于等于3的正整数；
所述电池组包括两个串联连接的单体电池；
所述单体电池两端分别通过继电器连接对应反激式变换器的初级侧，所述反激式变换器的次级侧连接下一电池组的正负极，最后一个反激式变换器的次级侧则与第一对电池组的正负极连接；
所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡。
2.根据权利要求1所述的具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，其特征在于，所述继电器包括正极继电器及负极继电器，所述正极继电器的第一触点连接单体电池的正极，第二触点连接反激式变换器的初级侧，所述负极继电器的第一触点连接单体电池的负极，第二触点连接反激式变换器的初级侧。
3.根据权利要求2所述的具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，其特征在于，所述正极继电器及负极继电器均属于常开型电磁继电器。
4.根据权利要求1所述的具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，其特征在于，所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡，包括：
若单体电池的SOC值高于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行放电，将多余的电量转移至下一对电池组中，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
5.根据权利要求1所述的具有多个反激式变换器的串联电池均衡装置，其特征在于，所述控制器将单体电池的SOC值与所有单体电池SOC的平均值比较，控制对应继电器将需要均衡的单体电池接入反激式变换器的初级侧，而后通过反激式变换器对该单体电池进行充电或放电，以实现单体SOC均衡，包括：
若单体电池的SOC值低于SOC平均值，则控制相应反激式变换器对该单体电池进行充电，将下一对电池作为电荷源补充缺失的电荷，以使该单体电池的SOC值与SOC平均值相等。
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