專利名稱：基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器，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：
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行說明。單體鋰離子電池的標稱電壓最高為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。為了提高電池組的儲能和有效使用的容量以及延長電池的使用壽命，必須對串聯(lián)單體蓄電池采取積極有效的均衡措施。
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，通過開關器件使能量在單體電池之間或單體電池與電池組之間進行轉(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，且電路復雜。發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術，為解決非能耗均衡方案均衡效率低的問題，本發(fā)明提供了一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)電路簡單，對均衡電流的控制能力強，均衡效高。
為了解決上述技術問題，本發(fā)明一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器予以實現(xiàn)的技術方案是:該均衡器包括設置在上橋臂的A組功率開關和設置在下橋臂的B組功率開關及一電感L組成的橋式電路；電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關由功率開關Al、功率開關A2、功率開關A3、功率開關A4、......、功率開關AN、功率開關AN+1構(gòu)成，所述B組功率開關由功率開關B1、功率開關B2、功率開關B3、功率開關B4、......、功率開關BN、功率開關BN+1構(gòu)成；所述功率開關Al、功率開關A2、功率開關A3、功率開關A4、......、功率開關AN和功率開關B2、功率開關B3、功率開關B4、......、功率開關BN、功率開關BN+1均采全控型單向功率開關器件。
進一步講，所述全控型單向功率開關器件選自于如電力晶體管GTR、電力場效應晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT中的任一種。
實現(xiàn)上述基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器的控制方法包括:
均衡期間使能量從電池組中具有最聞荷電狀態(tài)或最聞端電壓的第i個電池Celli向電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第j個電池Cellj轉(zhuǎn)移，其中i古j，i < N，j ( N，從而使兩電池的充放電電流為可控的斜坡電流；當均衡期間的能量從電池Celli向電池Cellj轉(zhuǎn)移過程中，如果i〈j，則對功率開關Bi進行PWM控制，同時使功率開關Ai+1、Aj、B j+1始終處于導通狀態(tài)；如果i>j，則對功率開關Ai+Ι進行PWM控制，同時使功率開關B1、Aj、Bj+l始終處于導通狀態(tài)；可控的斜坡電流包括:電池Celli的放電電流為從零上升的斜坡電流和電池Cellj的充電電流為下降到零的斜坡電流，通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)斜坡電流的大小，以實現(xiàn)斜坡電流的可控。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明系統(tǒng)的原理電路簡單，功率開關選擇靈活，均衡電流為斜坡電流，且均衡電流值可靈活調(diào)整，均衡效率高。使用時，只需設定PWM的頻率和合適的占空比，均衡過程中只有與被均衡的兩單體電池相關的四個功率開關器件中的一個開關器件需要PWM驅(qū)動脈沖，其余三個功率開關器件一直處于導通狀態(tài)，這樣既降低了開關損耗又使功率開關器件的控制電路簡單化。


圖1是本發(fā)明基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡系統(tǒng)原理圖2是采用MOSFET時的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡原理圖3是采用MOSFET時6個單體電池串聯(lián)的一均衡電路原理圖4是圖3所示均衡電路均衡過程中的主要波形圖5是圖3所示均衡電路均衡過程中兩單體電池的荷電狀態(tài)SOC曲線。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細地描述。
如圖1所示，本發(fā)明一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器，包括設置在上橋臂的A組功率開關和設置在下橋臂的B組功率開關及一電感L組成的橋式電路；電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關由功率開關Al、功率開關A2、功率開關A3、功率開關A4、......、功率開關AN、功率開關AN+1構(gòu)成，所述B組功率開關由功率開關B1、功率開關B2、功率開關B3、功率開關B4、......、功率開關BN、功率開關BN+1構(gòu)成；所述A組功率開關和B組功率中的所有開關器件均可以采用全控型單向功率器件，比如電力晶體管GTR、電力場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等，如何根據(jù)實際使用的電池類型和每組中的電池數(shù)目來選擇合適的開關器件，是本技術領域內(nèi)的公知常識，在此不再贅述。圖1中開關器件上所標箭頭方向即為導通時的電流方向。
實現(xiàn)本發(fā)明一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器的控制方法包括:均衡期間使能量從電池組中具有最高荷電狀態(tài)或最高端電壓的第i個電池Celli向電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第j個電池Cellj轉(zhuǎn)移，其中i古j，i < N，j < N，從而使兩電池的充放電電流為可控的斜坡電流；當均衡期間的能量從電池Celli向電池Cellj轉(zhuǎn)移過程中，如果i〈j，則對功率開關Bi進行PWM控制，同時使功率開關Ai+1、Aj、B j+1始終處于導通狀態(tài)；如果i> j，則對功率開關Ai+Ι進行PWM控制，同時使功率開關B1、Aj、Bj+1始終處于導通狀態(tài)；其中，可控的斜坡電流是指:電池Celli的放電電流為從零上升的斜坡電流和電池Cellj的充電電流為下降到零的斜坡電流，通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)斜坡電流的大小，以實現(xiàn)斜坡電流的可控。
本發(fā)明中以電感L作為儲能元件，通過功率開關切換使能量從電池組中具有最高荷電狀態(tài)或最高端電壓的單體電池向電池組中具有最低荷電狀態(tài)或者最低端電壓的單體電池轉(zhuǎn)移。均衡時，與被均衡的兩單體電池相關的四個功率開關器件，只需對其中一個開關器件進行PWM控制，其余三個功率開關器件一直處于導通狀態(tài)。當電池組中的高電壓單體電池的兩開關導通時,高電壓單體電池放電，電感L儲能；當電池組中的低電壓單體電池的兩開關導通時，低電壓單體電池充電，電感L釋放能量。通過開關控制均衡電流在高電壓單體電池的放電回路與低電壓單體電池的充電回路之間進行切換，其充放電回路中的電流均為可控的斜坡電流，最終實現(xiàn)能量從電池組中的高電壓單體電池向電池組中的低電壓單體電池轉(zhuǎn)移。在實際應用時，可以根據(jù)所用各單體電池的荷電狀態(tài)不一致程度，通過選擇占空比來選擇合適的斜坡電流的最大值。
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1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，CelIi即為單體鋰離子電池。均衡電路模塊如圖1中的虛線框所示，由分別設置在上橋臂和下橋臂的兩組功率開關A和B以及電感L組 成，k為電感電流，同時也是均衡電流，其方向在圖1中箭頭標出，當然，使用時可靈活地選擇串聯(lián)單體電池的數(shù)目。
如圖2所示，采用電力場效應晶體管MOSFET作為兩組功率開關器件的均衡電路原理圖。為了便于驅(qū)動，A組功率開關采用P溝道型增強型電力場效應晶體管M0SFET，B組功率開關采用N溝道增強型型電力場效應晶體管M0SFET。由于MOSFET本身存在寄生的體二極管，為了防止電池通過其體二極管發(fā)生短路，除了 AN+1和BI之外的MOS管均都分別串聯(lián)了二極管，如圖 2 中的 DP1、DP2、DP3、......、DPN 和 DN2、DN3、DN4、......、DNN+1 所示，考慮到肖特基二極管的導通壓降低、開關速度快，故選用肖特基二極管作為MOS管的串聯(lián)二極管。當然如果采用無反向并聯(lián)體二極管的全控型器件，就不需要再額外串聯(lián)二極管。
為了方便描述本發(fā)明中均衡器的工作原理，選6個(即N=6)單體電池串聯(lián)組成電池組，電路如圖3所示。假設單體鋰離子電池Celll的SOC值最大，而電池Cel 13的SOC值最小，g卩i=l，j=3，均衡時能量由單體電池Celll向單體電池Cell3轉(zhuǎn)移，由于i〈j，則需對功率開關BI進行PWM控制，同時使功率開關A2、A3、B4始終處于導通狀態(tài)。圖3中帶有一箭頭的實線為單體電池Celll的放電回路，按照箭頭指示方向順次經(jīng)過單體電池Celll、下橋臂的MOS管B1、電感L、上橋臂的MOS管B2和肖特基二極管DP2、，此時電感L儲能；圖3中帶有一個箭頭的虛線代表對單體電池Cell3的充電回路,按照箭頭指示方向依次經(jīng)過下橋臂的二極管DN4和MOS管B4、電感L、上橋臂的MOS管A3和肖特基二極管DP3、單體電池Cell3，此時能量由電感L向單體電池Cell3轉(zhuǎn)移。
由于i=l，j=3，則均衡時能量由單體電池Celll向單體電池Cell3轉(zhuǎn)移，又因為由于i〈j，則需對功率開關Bi (即BI)進行PWM控制，同時使功率開關Ai+Ι (即A2)、Aj (即A3)、Bj+l (即B4)始終處于導通狀態(tài)。在圖4中，！^、!^、!^、!^分別表示皿^管則^〗、A3和B4的電壓驅(qū)動信號，故MOS管BI的電壓驅(qū)動信號為PWM信號，而MOS管A2、A3和B4一直處于導通狀態(tài)，故其驅(qū)動信號為一常值電壓，其中，“on”與“off ”表示開關的狀態(tài)即開通和關斷。L為電感電流波形。I1為電池Celll的放電電流波形，從圖3中可看出它為從零上升到imax的斜坡電流。i2為電池Cell3的充電電流波形，同樣從圖3中可看出它從imax下降到零的斜坡電流。imax為斜坡電流的最大值，可通過PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)imax的大小，即通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)斜坡電流的大小，以實現(xiàn)斜坡電流的可控。
單體電池Cel 11和單體電池Cel 13的初始SOC值分別為82%和80%，設定好PWM驅(qū)動信號的頻率和合適的占空比，在MATLAB環(huán)境下進行了均衡實驗，均衡過程中兩單體電池的SOC變化曲線如圖5所示，SOCK S0C3分別代表電池Celll和單體電池Cell3的荷電狀態(tài)SOC的變化曲線。均衡過程中，單體電池Celll的荷電狀態(tài)SOC下降，單體電池Cel 13的荷電狀態(tài)SOC上升，經(jīng)過一段均衡時間，兩單體電池的SOC基本相等，此時完成電池組中的單體電池Celll和單體電池Cell3的均衡。這樣對電池組中的其它成對的高電壓單體和低電壓單體電池進行均衡，最終實現(xiàn)電池組中的各單體電池的SOC值或端電壓趨于一致。
圖3中，如果單體鋰離子電池Cel 13的SOC值最大，而電池Celll的SOC值最小，此時i=3，j=l，其控制方法按照i>j的情況實施，即均衡時能量由單體電池Celli (即Cell3)向單體電池Cellj (即Celll)轉(zhuǎn)移，此時需對功率開關Ai+1 (S卩A4)進行PWM控制，同時使功率開關Bi (即B3)、Aj (即Al)、Bj+l (即B2)始終處于導通狀態(tài)，則MOS管B3、Al和B2的電壓驅(qū)動信號、MOS管A4的電壓驅(qū)動信號、電感電流ip單體電池Cel 13的放電電流波形、單體電池Celll的充電電流波形分別與圖4各波形從上到下依次對應。圖4中單體電池Cell3的放電電流h為從零上升的斜坡電流,而單體電池Celll的充電電流i2為下降到零的斜坡電流，通過改變PWM信號(即A4的驅(qū)動信號)的占空比來調(diào)節(jié)斜坡電流的大小，以實現(xiàn)斜坡電流的可控。
盡管上面結(jié)合圖對本發(fā)明進行了描述，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，本領域的普通技術人員在本發(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
1.一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器，其特征在于， 包括設置在上橋臂的A組功率開關和設置在下橋臂的B組功率開關及一電感L組成的橋式電路； 電池組包括N個單體電池，所述A組功率開關由功率開關Al、功率開關A2、功率開關A3、功率開關A4、......、功率開關AN、功率開關AN+1構(gòu)成，所述B組功率開關由功率開關B1、功率開關B2、功率開關B3、功率開關B4、......、功率開關BN、功率開關BN+1構(gòu)成； 所述功率開關Al、功率開關A2、功率開關A3、功率開關A4、......、功率開關AN和功率開關B2、功率開關B3、功率開關B4、......、功率開關BN、功率開關BN+1均采全控型單向功率開關器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器，其特征在于，所述全控型單向功率開關器件選自于如電力晶體管GTR、電力場效應晶體管MOSFET和絕緣柵雙極晶體管IGBT中的任一種。
3.一種基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器的控制方法，其特征在于， 實現(xiàn)如權(quán)利要求1所述基于橋式電路的串聯(lián)蓄電池斜坡電流均衡器串的控制包括: 均衡期間使能量從電池組中具有最高荷電狀態(tài)或最高端電壓的第i個電池Celli向電池組中具有最低荷電狀態(tài)或最低端電壓的第j個電池Cellj轉(zhuǎn)移，其中i古j，i < N，j < N，從而使兩電池的充放電電流為可控的斜坡電流； 當均衡期間的能量從電池Celli向電池Cellj轉(zhuǎn)移過程中， 如果i〈 j，則對功率開關Bi進行PWM控制，同時使功率開關Ai+1、Aj、Bj+1始終處于導通狀態(tài)； 如果i>j，則對功率開關Ai+1進行PWM控制，同時使功率開關B1、Aj、Bj+l始終處于導通狀態(tài)； 可控的斜坡電流包括:電池Celli的放電電流為從零上升的斜坡電流和電池Cellj的充電電流為下降到零的斜坡電流，通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)斜坡電流的大小，以實現(xiàn)斜坡電流的可控。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高時效的電池組斜坡電流均衡系統(tǒng)，包括設置在上橋臂的A組功率開關和設置在下橋臂的B組功率開關及一電感L組成的橋式電路；A組和B組開關器件均采用全控型單向功率開關器件；以電感L為儲能元件，通過開關控制使均衡電流在在電池組中的高電壓單體組電池的放電回路與低電壓的單體電池的充電回路之間進行切換，從而實現(xiàn)能量從高電壓單體電池向低電壓單體電池轉(zhuǎn)移。均衡期間，兩個回路中的四個功率開關器件，只對其中一個進行PWM控制，其余三個功率器件一直處于導通狀態(tài)，兩回路中的電流均為可控的斜坡電流。本發(fā)明原理電路簡單，對均衡電流的控制能力強，均衡效率高?？蓮V泛應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H02J7/00GK103199588SQ20131011955
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月8日
發(fā)明者夏超英, 劉紅銳 申請人:天津大學