一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法

1.本发明属于电池均衡技术领域，具体涉及一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.随着大容量锂离子电池组在新能源汽车、储能系统中的应用越来越广泛。电动汽车对动力电池的性能要求也越来越高，受制于电池单体制作工艺以及在使用过程中的差异，导致电池在使用一段时间后会出现容量不一致问题，而这种不一致性问题，进一步会造成电池单体在使用过程中出现过充、过放等现象，影响电动汽车的续航里程以及电池的使用寿命等。为了解决电池单体在使用过程中的不一致性问题，需要对其进行均衡处理。在电池均衡领域，目前的均衡电路根据能量是否耗散主要分为：被动均衡和主动均衡。
4.被动均衡也称为耗散型均衡，是通过在电池单体两侧并联一个耗能电阻，将多余的能量以电阻发热的形式消耗掉；主动均衡则是通过均衡电路将能量进行重新分配，将能量较高的电池的能量转移到能量较低的电池中，实现无耗能均衡。被动均衡电路简单，成本低，但是均衡电流小，且多余能量都以热能形式完全浪费，整个系统效率低下。在主动均衡领域中，大多数均衡电路采用电感电容以及大量的开关器件实现，难以集成，也有部分采用变压器进行能量交换，但是需要搭配较多的开关器件，而且变压器在使用过程中会出现消磁不充分，磁饱和等现象，例如中国发明专利申请号(cn201910561137.7)提出了一种基于双向反激变换器的电池组均衡模块、系统及控制方法，该发明采用变压器进行能量交换，原副边导通关断时间根据电压比动态调节，均衡电流可调。但是发明人发现一组电池需要搭配一个变压器，且一节电池搭配四个开关管，电路拓扑复杂，集成度低，且电路均衡电流不恒定，均衡时间长。


技术实现要素：

5.本发明为了解决上述问题，提出了一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法，本发明通过改进均衡电路拓扑，将电池单体分为奇偶两组，相邻电池单体共用一组开关管，能量双向流动，n节电池只需要8+2
·
n个开关管，且变压器原二次侧开关管只需要一路pwm信号控制，节省了大量器件，集成度高，并且优化控制策略，动态调节pwm信号占空比，对变压器及时消磁，同时合理设置变压器以及电路参数，实现大电流均衡，提高均衡速度和效率。
6.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
7.第一个方面，本发明提供了一种动力电池高频大电流均衡电路。
8.一种动力电池高频大电流均衡电路，包括若干个电池单体，其中，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控
制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；
9.所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，在第一变压器一次侧和第二变压器一次侧均与所述一组开关管之间连接有一组一次侧开关管；在第一变压器二次侧和第二变压器二次侧均连接有二次侧开关管和蓄电池；
10.所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过pwm脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断，以进行电池单体的充放电均衡控制。
11.进一步地，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管的开关管数量之和等于8+2
·
n，其中，n为电池单体的数量。
12.进一步地，所述第一个电池单体和最后一个电池单体均通过一组开关管连接一次侧开关管。
13.进一步地，所述第一变压器二次侧和第二变压器二次侧共用一组蓄电池。
14.进一步地，所述均衡类型包括充电均衡和放电均衡。
15.进一步地，所述一组开关管和一组一次侧开关管均是包括两个开关管。
16.进一步地，所述微控制器连接电压采集模块，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值，并发送至微控制器。
17.第二个方面，本发明提供了一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法。
18.一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法，采用第一个方面所述的动力电池高频大电流均衡电路，包括：
19.获取所有电池单体电压，并计算所有电池单体电压均值；
20.计算每个电池单体电压与所有电池单体电压均值之间的差值，以确定最大正压差和最大负压差；
21.若最大正压差大于最大负压差的绝对值，则选择产生最大正压差的电池单体所对应的变压器一次侧的所有开关管导通，二次侧开关管关断，以进行放电均衡；
22.若最大负压差的绝对值大于最大正压差，则选择产生最大负压差的电池单体所对应的变压器二次侧的二次侧开关管导通，一次侧的所有开关管关断，以进行充电均衡。
23.进一步地，所述放电均衡时，满足：
[0024][0025]
其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t
2-t1为二次侧导通时间。
[0026]
进一步地，所述充电均衡时，满足：
[0027][0028]
其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t
2-t1为二次侧导通时间。
[0029]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0030]
(1)本发明将电池单体分为奇偶两组，相邻电池单体共用一组开关管，能量双向流动，通过共用mos开关阵列，本电路可均衡若干个串联电池单体，相较于传统均衡电路能减少约50％开关器件，成本低，可集成度高。
[0031]
(2)本电路拓扑设置了pwm占空比动态调节模块，最大程度上满足了变压器及时消磁，降低了mosfet承受的电压应力。
[0032]
(3)本发明控制简单，变压器原副边导通关断只需要一路pwm信号控制即可。
[0033]
(4)本发明能以高频、大电流持续均衡，可以明显缩短均衡时间，提高了工作效率。
附图说明
[0034]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0035]
图1是本发明电路拓扑示意图；
[0036]
图2(a)是电池单体b1在放电时，变压器在pwm+时原副边的工作状态和电流流动方向；
[0037]
图2(b)是电池单体b1在放电时，变压器在pwm-时原副边的工作状态和电流流动方向；
[0038]
图3是pwm控制信号以及均衡过程中一二侧对应的电流波形图。
[0039]
图4是本发明控制方法工作流程图；
[0040]
图5是本发明实施例中100khz下，进行充电均衡的电流变化仿真图；
[0041]
图6是本发明实施例中100khz下，进行放电均衡的电流变化仿真图；
[0042]
图7是本发明实施例中100khz下，全过程的电池电压变化仿真图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0044]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0045]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0046]
本发明中，术语如“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0047]
实施例一
[0048]
本实施例提供了一种动力电池高频大电流均衡电路。
[0049]
一种动力电池高频大电流均衡电路，包括若干个电池单体，其中，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控
制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；
[0050]
所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，在第一变压器一次侧和第二变压器一次侧均与所述一组开关管之间连接有一组一次侧开关管；在第一变压器二次侧和第二变压器二次侧均连接有二次侧开关管和蓄电池；
[0051]
所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过pwm脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断，以进行电池单体的充放电均衡控制。具体地，微控制器控制pwm信号，pwm信号驱动与电池相连的开关管导通关断，进一步实现电池间能量的转移。
[0052]
图1为电路拓扑图，如图1所示，以电池组共12节电池为例，分为奇偶两组，电池单体b1、b3、b5、b7、b9和b
11
为奇数组，b2、b4、b6、b8、b
10
和b
12
为偶数组，两组电池共搭配32个mosfet以及两个变压器，每相邻两节电池共用一组开关管，奇数组电池充放电均衡通过变压器t1，偶数组电池充放电均衡通过变压器t2，变压器工作在双向反激状态。假设电池单体b1电压最高，则其进行放电均衡(图2(a)-图2(b))。在一个pwm均衡周期中电路存在三种工作状态：第一阶段，一次侧导通，二次侧关断；第二阶段，一次侧关断，二次侧导通；第三阶段，一二次侧全部关断。在此过程中，pwm信号以及一二次侧电流如图3所示。现在对其工作工程进行说明：
[0053]
变压器储能阶段(0-t1)：
[0054]
在pwm正脉冲期间，开关管q1、q2、q
14
、q
15
导通，q
16
关断。变压器一次侧电路导通，一次侧电感线圈两端的感应电动势大小近似等于电池单体两端的端电压，方向为“上正下负”，二次侧产生一个“上负下正”的感应电动势，二次侧关断，电池单体的能量以磁能的形式暂时储存在变压器中，因为pwm周期非常短，我们可以认为在一次pwm周期中，电感线圈的感应电动势的大小保持不变，等于单体电池两端电压v1，一次侧电流i1线性上升，其变化率为：
[0055][0056]
其中，v1为一次侧电感线圈两端电压，l为励磁电感(忽略漏感的影响)，一次侧电流最大值为：
[0057][0058]
其中，t1为一次侧导通时间。
[0059]
在一个pwm周期中，电流的平均值为：
[0060][0061]
其中，tw为一个pwm周期时间。
[0062]
在此过程中，流通在铁芯中的磁通逐渐增加，增加的磁通为：
[0063][0064]
其中，n1为一次侧线圈匝数。
[0065]
变压器放能阶段(t
1-t2)：
[0066]
在pwm负脉冲期间，开关管q1、q2、q
14
、q
15
关断，q
16
导通。在一次侧关断时，会在一次侧产生一个“上负下正”的感应电动势，二次侧因此产生一个“上正下负”的感应电动势，变压器二次侧电路导通，二次侧电感线圈两端的感应电动势大小近似等于铅酸电池两端电压，此时二次侧有电流流通，二次侧电流i2线性下降，磁通逐渐减少，减少的磁通量为：
[0067][0068]
其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，n2为二次侧线圈匝数，t
2-t1为二次侧导通时间。
[0069]
电路静置阶段(t
2-tw)
[0070]
在此过程中，所有开关全部保持关断。电路静置，使变压器中多余的能量充分释放。q
16
保持关断，可以防止铅酸蓄电池对变压器进行反向充电，而次级侧的电流始终由开关q
16
的体二极管维持。
[0071]
实施例二
[0072]
本实施例提供了一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法(流程图如图4所示)：
[0073]
采集并计算12节电池的平均电压，记为v
aver
。
[0074]
计算每节电池跟平均电压的差值，记为v
dif
。
[0075]vdif
中的最大正压差记为v
max1
。
[0076]vdif
中的最大负压差记为v
max2
。
[0077]
如果v
max1
》v
max2
，相应mosfet导通，进行放电均衡。
[0078]
如果v
max1
《v
max2
，相应mosfet导通，进行充电均衡。
[0079]
pwm脉冲信号设置：
[0080]
根据上述控制方法确定需要均衡的电池单体，判断需要进行的均衡类型(充电/放电)，同时为了使变压器能够一直工作在线性区，需要满足δφ
+
＝δφ-，由公式(4)、(5)可得：
[0081]
放电均衡时：
[0082][0083]
进一步：
[0084][0085]
充电均衡时：
[0086]
[0087]
进一步：
[0088][0089]
为了验证模型的可行性，进行仿真实验。pwm脉冲信号设置：以幅值为1，频率为100khz的锯齿波为载波，将公式(7)或(9)得到的输出信号作为调制波，两者合成需要的pwm脉冲信号。mosfet管的开关频率等于锯齿波的频率100khz，仿真步长设置为1e-6，仿真时间设置为45。变压器励磁电感设置为2μh(忽略漏感的影响)，二次侧搭配12v铅酸电池，电压均衡阈值设置为5mv。
[0090]
示例：
[0091]
电池单体b
1-b
12
的初始电压设置为：b1＝3.41v，b2＝3.18v，b3＝3.38v，b4＝3.11v，b5＝3.34v，b6＝3.04v，b7＝3.29v，b8＝2.96v，b9＝3.28v，b
10
＝2.94v，b
11
＝3.24v，b
12
＝2.93v。12节电池的平均电压为3.175v，最大正压差为0.234v(b1)，最大负压差为0.245v(b12)，因此电池单体b
12
首先进行充电均衡，电流变化如图5所示，然后电池单体b1进行放电均衡，电流变化如图6所示，平均均衡电流2a左右。全过程中电压变化如图7所示，可以看到最终12节电池的电压均在3.2v左右，满足一致性要求。
[0092]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，包括若干个电池单体，其中，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，在第一变压器一次侧和第二变压器一次侧均与所述一组开关管之间连接有一组一次侧开关管；在第一变压器二次侧和第二变压器二次侧均连接有二次侧开关管和蓄电池；所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过pwm脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断，以进行电池单体的充放电均衡控制。2.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管的开关管数量之和等于8+2
·
n，其中，n为电池单体的数量。3.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述第一个电池单体和最后一个电池单体均通过一组开关管连接一次侧开关管。4.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述第一变压器二次侧和第二变压器二次侧共用一组蓄电池。5.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述均衡类型包括充电均衡和放电均衡。6.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述一组开关管和一组一次侧开关管均是包括两个开关管。7.根据权利要求1所述的动力电池高频大电流均衡电路，其特征在于，所述微控制器连接电压采集模块，所述电压采集模块用于采集每个电池单体的电压值，并发送至微控制器。8.一种动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的动力电池高频大电流均衡电路，包括：获取所有电池单体电压，并计算所有电池单体电压均值；计算每个电池单体电压与所有电池单体电压均值之间的差值，以确定最大正压差和最大负压差；若最大正压差大于最大负压差的绝对值，则选择产生最大正压差的电池单体所对应的变压器一次侧的所有开关管导通，二次侧开关管关断，以进行放电均衡；若最大负压差的绝对值大于最大正压差，则选择产生最大负压差的电池单体所对应的变压器二次侧的二次侧开关管导通，一次侧的所有开关管关断，以进行充电均衡。9.根据权利要求8所述动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，所述放电均衡时，满足：其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t
2-t1为二次侧导通时间。
10.根据权利要求8所述动力电池高频大电流均衡电路控制方法，其特征在于，所述充电均衡时，满足：其中，v0为二次侧电感线圈两端电压，v1为一次侧电感线圈两端电压，n1为一次侧线圈匝数，n2为二次侧线圈匝数，t1为一次侧导通时间，t
2-t1为二次侧导通时间。

技术总结
本发明属于电池均衡技术领域，提供了一种动力电池高频大电流均衡电路及控制方法。均衡电路包括若干个电池单体，奇数电池单体采用第一变压器模块进行能量均衡控制，偶数电池单体采用第二变压器模块进行能量均衡控制，相邻的两个电池单体之间通过共用一组开关管连接在第一变压器模块的原边和第二变压器模块的原边；所述第一变压器模块和第二变压器模块均包括变压器、一次侧开关管和二次侧开关管，所述一组开关管、一次侧开关管和二次侧开关管均与微控制器相连，所述微控制器通过比较各个电池单体的电压与所有电池单体电压均值来选择均衡类型，再通过PWM脉冲信号控制电池单体或蓄电池所对应的变压器相应侧的开关管导通或关断。断。断。


技术研发人员：商云龙 刘世全 陈桂成 王世玉 张承慧
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/6/27