專利名稱：一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高時效的電池組非能耗恒流均衡方案，適合于各種電動車輛包括混合動力車輛、純電動車輛、電動自行車，以及儲能裝置中的電池組的均衡系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境污染和能源危機的加劇，以蓄電池為動力源或輔助能源的各種電動車的發(fā)展成為必然。下面以鋰電池為例進(jìn)行說明。單體鋰離子電池的標(biāo)稱電壓最高為3. 6v，使用中需要多個單體電池串聯(lián)。單體電池的過充電或過放電都將影響電池單體及電池組的使用壽命，甚至發(fā)生爆炸事故，因此在多個單體電池串聯(lián)使用時，不允許任何單體電池出現(xiàn)過放電和過充電的狀態(tài)。由于各個單體電池性能的差異，在使用過程中就會出現(xiàn)單體端電壓或單體電池的荷電狀態(tài)(SOC)的不一致，在很大程度上影響到了電池組的性能和使用壽命。為了使電池組的容量得到有效、安全、健康的使用，對串聯(lián)使用的單體電池采取積極有效的均衡措施是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。均衡的時效性體現(xiàn)在均衡速度和均衡效率兩方面。均衡速度描述了電池組各單體電池達(dá)到均衡所用的時間；均衡效率則描述了均衡過程中能量的有效利用率。目前，電池組均衡有多種設(shè)計方案，從能量轉(zhuǎn)移時的能量消耗特性區(qū)分為能耗型均衡和非能耗型均衡兩種。非能耗均衡方案以電容或電感作為儲能元件，通過開關(guān)器件使能量在單體電池之間或單體電池與電池組之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。由于電池單體電壓只有幾伏,對電池組中的低壓單體電池充電時功率開關(guān)器件壓降帶來的損耗相對所占比例明顯?，F(xiàn)階段均衡方案對均衡電流的控制能力弱，在均衡過程中大部分能量被開關(guān)器件損耗掉，均衡效率普遍較低，與電阻能耗型均衡方案相比優(yōu)勢不明顯，且電路復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)，為解決非能耗均衡方案均衡效率低的問題，本發(fā)明提供了一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)電路簡單，利用該系統(tǒng)對均衡電流的控制能力強，均衡效率達(dá)80%以上。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)予以實現(xiàn)的技術(shù)方案是包括設(shè)置在上橋臂的A組功率開關(guān)和設(shè)置在下橋臂的B組功率開關(guān)及一 電感L組成的橋式電路；電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關(guān)由功率開關(guān)Al、功率
開關(guān)A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1構(gòu)成，所述B組功率
開關(guān)由功率開關(guān)BI、功率開關(guān)B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、......、功率開關(guān)BN、功率開關(guān)
BN+1構(gòu)成；所述功率開關(guān)A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1
和功率開關(guān)BI、功率開關(guān)B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、......、功率開關(guān)BN均分別串聯(lián)有
一肖特基二極管；所述功率開關(guān)采用電力場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明一種高時效的電池組非能耗恒流均衡方法是采用PI調(diào)節(jié)器對均衡電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的PWM驅(qū)動信號驅(qū)動電池組放電回路的功率開關(guān)Al和功率開關(guān)BN+1，而使電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第i個電池的充電回路中的功率開關(guān)Ai+1和功率開關(guān)Bi —直處于開通的狀態(tài)，其中i < N，通過PI調(diào)節(jié)器設(shè)定均衡電流的大小，實現(xiàn)均衡電流恒定且可控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明系統(tǒng)的原理電路簡單，采用電流閉環(huán)控制，均衡電流恒定，且均衡電流值可靈活調(diào)整，均衡效率高。使用時，只需設(shè)定PWM的頻率和合適的均衡電流值，而在均衡過程中不需要PWM驅(qū)動脈沖的分配，只有電池組的兩個固定的電力場效應(yīng)晶體管(M0S管)需要此PWM驅(qū)動脈沖，被均衡的低壓單體電池的兩MOS管采用電平控制，這樣既降低了開關(guān)損耗又使功率開關(guān)器件的控制電路簡單化。恒流控制策略及器件的選型使該方案的均衡效率得到了大幅度提聞。
圖I是本發(fā)明高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)原理圖；圖2是本發(fā)明均衡系統(tǒng)均衡電流控制策略框圖；圖3是6個單體電池串聯(lián)的一均衡電路原理圖；圖4是圖3所示均衡電路均衡過程中的主要波形圖；圖5是圖3所示均衡電路均衡過程中各單體電池的荷電狀態(tài)SOC曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述。如圖I所示，本發(fā)明一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)，包括設(shè)置在上橋臂的A組功率開關(guān)和設(shè)置在下橋臂的B組功率開關(guān)及一電感L組成的橋式電路；電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關(guān)由功率開關(guān)Al、功率開關(guān)A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)
A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1構(gòu)成，所述B組功率開關(guān)由功率開關(guān)BI、功率開關(guān)
B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、......、功率開關(guān)BN、功率開關(guān)BN+1構(gòu)成；所述功率開關(guān)采用
電力場效應(yīng)晶體管(M0S管)，為了防止電池通過電力場效應(yīng)晶體管發(fā)生短路，所述功率開關(guān)
A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1和功率開關(guān)BI、功率開關(guān)
B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、……、功率開關(guān)BN均分別串聯(lián)有二極管，考慮到肖特基二極管的導(dǎo)通壓降低、開關(guān)速度快，故選用肖特基二極管作為MOS管的串聯(lián)二極管。本發(fā)明系統(tǒng)以電感L作為儲能元件，通過功率開關(guān)切換使能量從整個電池組向低壓單體電池轉(zhuǎn)移。均衡時，只需對與電池組相連的上下兩個MOS管進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制，而電池組中具有最低端電壓或者最小荷電狀態(tài)SOC的單體電池的上下兩個MOS管一直處于開通狀態(tài)。當(dāng)電池組的兩開關(guān)導(dǎo)通時，電感L儲能；當(dāng)電池組的兩開關(guān)斷開時，低壓單體電池的兩開關(guān)導(dǎo)通，此時能量由電感L向低壓單體電池轉(zhuǎn)移。通過開關(guān)控制均衡電流在電池組的放電回路與單體電池的充電回路之間進(jìn)行切換，從而實現(xiàn)能量從整個電池組向被均衡的低壓單體電池轉(zhuǎn)移。本發(fā)明系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器對均衡電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的PWM驅(qū)動f目號驅(qū)動電池組放電回路的功率開關(guān)Al和功率開關(guān)BN+1,而使電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第i個電池的充電回路中的功率開關(guān)Ai+1和功率開關(guān)Bi —直處于開通的狀態(tài)，其中i ( N，通過PI調(diào)節(jié)器設(shè)定均衡電流的大小，實現(xiàn)均衡電流恒定且可控。在實際應(yīng)用時，可以根據(jù)所用電池的額定容量以及電池的工作狀態(tài)(充電，放電，靜止)設(shè)置合適的均衡電流值。下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖I所示，N表示單體電池的數(shù)目，即電池組由N個單體電池串聯(lián)組成，Ce 11即為單體鋰離子電池。均衡電路如圖I中的虛線框所示，由分別設(shè)置在上橋臂和下橋臂的兩組電力場效應(yīng)晶體管(M0S管)開關(guān)A和B以及電感L組成，除了 Al和BN+1之外的MOS管均都分別串聯(lián)了肖特基二極管，如圖I中的DN2、DN3、DN4、……、DNN+1和DSU DS2、DS2、
DS3、......、DSN所示，k為電感電流，同時也是均衡電流，其方向在圖I中箭頭標(biāo)出，當(dāng)然，
使用時可靈活地選擇串聯(lián)單體電池的數(shù)目。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)均衡電流的閉環(huán)控制策略框圖，其中，為給定均衡電流，PI為比例積分調(diào)節(jié)器，其輸出與等腰三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生驅(qū)動電池組的兩個功率開關(guān)Al和BN+1的PWM信號，PWM驅(qū)動信號的頻率即等腰三角波的頻率(提前設(shè)置)。這樣調(diào)節(jié)就可實現(xiàn)均衡電流的大小可控，通過電流閉環(huán)就可使if 從而通過圖2可實現(xiàn)均衡電流恒定且可控。 為了方便描述本發(fā)明中均衡電路的工作原理,選6個單體電池串聯(lián)組成電池組，電路如圖3所示。假設(shè)單體鋰離子電池Cell6的SOC值最小，則能量將在整個電池組與單體鋰離子電池Celie間轉(zhuǎn)移，圖中帶有一箭頭的實線為整個電池組的放電回路，按照箭頭指示方向順次經(jīng)過整個電池組、上橋臂的MOS管Al、電感L、下橋臂的MOS管B7，此時電感L儲能；圖中帶有一個箭頭的虛線代表對單體鋰離子電池Cell6的充電回路，依次經(jīng)過電感L、下橋臂的二極管DS6和MOS管B6、單體鋰離子電池Cell6、上橋臂的肖特基二極管DN7和MOS管A7，此時能量由電感L向單體鋰離子電池Cell6轉(zhuǎn)移。在圖4中，A7B6表示MOS管A7與MOS管B6的驅(qū)動信號，由于單體鋰離子電池Cel 16具有最小的荷電狀態(tài)S0C，因此處在單體鋰離子電池Cell6充電回路中的開關(guān)A7和開關(guān)B6一直處在開通(on)狀態(tài)，而處在電池組放電回路中的MOS管Al和MOS管B7的驅(qū)動信號為PWM波，如圖4中的A1B7曲線即為PWM波形，其中，“on”與“off”表示開關(guān)的狀態(tài)即開通和關(guān)斷。k為電感電流波形，其平均值即為給定電流ire116為單體鋰離子電池Cell6的電流，大于零的部分代表單體鋰離子電池Cell6即整個電池組的放電電流，小于零的部分代表單體鋰離子電池Cell6的充電電流。在圖5中，S0C1、S0C2、S0C3、S0C4、S0C5、S0C6分別代表6個單體鋰離子電池的荷電狀態(tài)S0C，均衡過程中，單體鋰離子電池Cell6的荷電狀態(tài)SOC上升，其他單體鋰離子電池的荷電狀態(tài)SOC減小，這樣電池組各單體鋰離子電池荷電狀態(tài)SOC的差異減小，并且單體鋰離子電池Cel 16的荷電狀態(tài)SOC上升幅度比較明顯，可見其均衡效率高。盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以作出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)，其特征在于， 包括設(shè)置在上橋臂的A組功率開關(guān)和設(shè)置在下橋臂的B組功率開關(guān)及一電感L組成的橋式電路； 電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關(guān)由功率開關(guān)Al、功率開關(guān)A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1構(gòu)成，所述B組功率開關(guān)由功率開關(guān)BI、功率開關(guān)B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、......、功率開關(guān)BN、功率開關(guān)BN+1構(gòu)成； 所述功率開關(guān)A2、功率開關(guān)A3、功率開關(guān)A4、......、功率開關(guān)AN、功率開關(guān)AN+1和功率開關(guān)BI、功率開關(guān)B2、功率開關(guān)B3、功率開關(guān)B4、......、功率開關(guān)BN均分別串聯(lián)有一肖特基~■極管； 所述功率開關(guān)采用電力場效應(yīng)晶體管。
2.一種高時效的電池組非能耗恒流均衡方法，其特征在于，實現(xiàn)如權(quán)利要求I所述高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)的方法是采用PI調(diào)節(jié)器對均衡電流進(jìn)行閉環(huán)控制，使PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的PWM驅(qū)動信號驅(qū)動電池組放電回路的功率開關(guān)Al和功率開關(guān)BN+1，而使電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第i個電池的充電回路中的功率開關(guān)Ai+1和功率開關(guān)Bi—直處于開通的狀態(tài)，其中i < N，通過PI調(diào)節(jié)器設(shè)定均衡電流的大小，實現(xiàn)均衡電流恒定且可控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高時效的電池組非能耗恒流均衡系統(tǒng)，包括設(shè)置在上橋臂的A組功率開關(guān)和設(shè)置在下橋臂的B組功率開關(guān)及一電感L組成的橋式電路；以電感L為儲能元件，通過開關(guān)控制使均衡電流在電池組的放電回路與單體電池的充電回路之間進(jìn)行切換，從而實現(xiàn)能量從整個電池組向被均衡的低壓單體電池轉(zhuǎn)移。對均衡電流進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)，通過對電池組的上下兩固定開關(guān)的PWM控制，實現(xiàn)均衡電流恒定且可控的控制策略。本發(fā)明系統(tǒng)的原理電路簡單，利用該系統(tǒng)對均衡電流的控制能力強，均衡效率達(dá)80%以上。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于電動車輛和儲能裝置中的電池組均衡系統(tǒng)中。
文檔編號H02J7/00GK102684259SQ20121013718
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者劉紅銳, 夏超英 申請人:天津大學(xué)