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CN111555407A - 一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法 - Google Patents

一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法 Download PDF

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CN111555407A CN202010474797.4A CN202010474797A CN111555407A CN 111555407 A CN111555407 A CN 111555407A CN 202010474797 A CN202010474797 A CN 202010474797A CN 111555407 A CN111555407 A CN 111555407A
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Abstract

本发明公开了一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp。该均衡方法的特点是：①可以同时实现串并联电池组均衡；串联电池组内的各单体均衡时，能量可以直接从高能量单体转移到低能量单体；并联在一起的串联电池组之间均衡时，能量可以直接从高能量串联电池组转移到低能量串联电池组。②均衡拓扑储能单元结构简单、体积小，且控制简单。③均衡拓扑易于扩展，串联电池组内单体数量或串联电池组数量发生变化时，只需增减相应的MOS管数量。

Description

一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法
技术领域
本发明属动力电池均衡技术领域，涉及一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，适用于新能源汽车中电池管理系统。
背景技术
近年，随着环境污染越来越严重以及石油资源的日渐匮乏，新能源汽车也越来越受欢迎。锂电池因具有能量密度高、循环寿命长的优点，逐渐成为新能源汽车的主要动力源。由于单体电压及容量较低，应用中需要将电池串并联构成电池组的形式。单体电池受生产工艺等因素影响，在循环充放电一段时间后会出现不一致现象，从而降低电池组的能量利用率及循环寿命，并且容易导致出现过充和过放现象。均衡技术对于改善电池组的不一致性具有重要意义。
目前，均衡技术主要分为两类：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要采用电阻作为每个电池的分流器，把高能量单体多余的能量转换为热能消耗掉。该方法优点是体积小，成本低，但能量损耗和散热问题是其关键缺点。主动均衡是近年均衡技术研究的热点，通过电容、电感、变换器等储能器件从高能量单体电池中转移能量到低能量的单体，从而实现电池组的均衡，也称非能耗型均衡或无损均衡。基于开关电容的均衡方法具有均衡电路体积小，易于控制的优点，但其均衡效率不高，电容均衡时间较长，当电池单体之间电压相差不大时此问题尤其明显。基于电感的均衡方法具有较高的均衡效率，但其电路结构复杂，需要MOS管及电感数量较多，控制复杂且不利于均衡系统体积的缩小。基于单电感谐振电路的均衡方法，其采用的单电感谐振电路在谐振频率附近进行切换，使得均衡回路中的阻抗最小，具有均衡效率高，均衡速度快等优点，但开关器件多，控制复杂。基于变压器的均衡方法具有均衡效率高，控制简单，易于隔离的优点，但变压器设计较为复杂且存在磁饱和问题，导致均衡拓扑体积较大，不易模块化，成本较高且不易扩展。基于Buck、Boost等变换器的均衡方法可以实现能量的双向流动，均衡效率较高，均衡速率快，但是仍具有体积大、控制复杂、成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有均衡方法的缺点与不足，提出了一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，改善串并联电池组不均衡现象，延长串并联电池组使用寿命。为达到上述目的，本发明按照以下技术方案实施。
一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp；
在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；
电感Ls与一个二极管、一个MOS管串联，电感Lp与一个二极管、一个MOS管串联，得到两个电感—二极管—MOS管串联电路；两个电感—二极管—MOS管串联电路并联连接；
串联电池组的左桥臂的末端、右桥臂的末端，均与并联在一起的两个电感—二极管—MOS管串联电路的两端连接；
串联电池组内均衡时，电感Ls储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，电感Lp储能，实现均衡能量直接从平均SOC最高的串联电池组转移到平均SOC最低的串联电池组。
优选的，串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2…Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的左、右桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，x为并联在一起的各串联电池组的序号；
电感分别标记为Ls和Lp，与电感串联的MOS管对应标记为Ss和Sp；
均衡方法的目标为，使串联电池组的各单体SOC趋于一致，使串并联电池组的各串联电池组平均SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当串联电池组内各单体SOC和串并联电池组间各串联电池组平均SOC的不一致性超过给定阈值时，均衡拓扑启动；
串联电池组内各单体均衡时，负责串联电池组内均衡的MOS管Ss保持导通；单体Bxi的SOC最高，Bxj的SOC最低，其中i、j为串联电池组单体的序号；
均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感Ls储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Bxj对应的MOS管Sx(2j-2)、Sx(2j+1)导通，电感Ls给单体Bxj充电；最终实现均衡能量在任意单体间转移；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，负责并联在一起的串联电池组间均衡的MOS管Sp保持导通；
串并联电池组内的串联电池组Pi的平均SOC最高，Pj的平均SOC最低，其中i、j为并联在一起的串联电池组的序号；均衡过程分为两个阶段：第一阶段，MOS管Si1、Si(2n)导通，串联电池组Pi对电感Lp充电；第二阶段，MOS管Si1、Si(2n)断开，MOS管Sj0、Sj(2n+1)导通，电感Lp对串联电池组Pj充电；最终实现均衡能量在任意并联电池组间转移。
上述各个阶段想要顺利实施，需要对电路核心元器件的参数进行计算分析，设定合适的电路参数。首先对串联电池组组内均衡进行参数设计。假设串联电池组中单体Bxi的电压最大且值为Ui，单体Bxj的电压最小且值为Uj，其中i、j为串联电池组单体的序号；回路所有开关器件的总导通压降为ΔU；时间表示为t；组内均衡周期表示为T；电感充电和放电的PWM波占空比分别为α和α′；对应电感表示为Ls；为保证均衡速度和可靠性，需要首先确定串联电池组单体均衡的最大均衡电流Is。
在第一阶段，当MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通时，单体Bxi为电感Ls充电，流过Ls的电流线性上升，Ls储能。第一阶段的时间t为αT，忽略闭合回路的阻抗，最大均衡电流即电感峰值电流Is为：
Figure BDA0002515511770000041
根据所需的最大均衡电流与选定的开关频率f可得电感Ls：
Figure BDA0002515511770000042
电感电流is的表达式如下：
Figure BDA0002515511770000043
当t＝T时，由于t>(α+α′)T，则：
Figure BDA0002515511770000051
进一步推导可得：
Figure BDA0002515511770000052
在第二阶段开始时，MOS管Sx(2j-2)和Sx(2j+1)导通，电感电流近似线性下降，根据基尔霍夫定律可得：
Figure BDA0002515511770000053
代入上述初始条件，可得：
Figure BDA0002515511770000054
将上式与(1)联立可得:
Figure BDA0002515511770000055
串并联电池组内各串联电池组间的均衡和串联电池组内各单体均衡的参数计算是类似的，由于两者均衡对象的电压不同，导致最优储能电感的参数不同。综合考虑并联在一起的串联电池组间均衡速度和可靠性，设定最大均衡电流Ip。假设并联电池组Pi的电压最大且为UPi，电池组Pj的电压最小且为UPj，其中i、j为并联在一起的串联电池组的序号；对应电感表示为Lp。参照串联电池组内单体均衡的参数计算，得出电感Lp为：
Figure BDA0002515511770000056
综上，根据选择合适的最大均衡电流和对应的均衡周期，通过上式即可求出均衡拓扑剩余参数。
优选的，均衡拓扑由控制电路进行控制；控制电路控制信号的频率大小根据电感的参数、MOS管的开关损耗、串并联电池组整组的电池电压、单体的电池电压而定。
优选的，所述控制电路输出驱动信号的占空比使电感储存的能量在每个信号周期内复位，即电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
优选的，串并联电池组内的单体均为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
本发明达到了以下有益效果：
与现有技术相比，本发明基于电感储能，建立串并联电池组一体化主动均衡方法。该均衡方法的第一个特点是，可以同时实现串并联电池组均衡；第二个特点是，均衡拓扑储能单元结构简单、体积小，且控制简单；第三个特点是，均衡拓扑易于扩展，串联电池组内单体数量或串联电池组数量发生变化时，只需增减相应的MOS管数量。
附图说明
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
图1是本发明的均衡拓扑原理图；
图2是串联电池组内各单体均衡过程第一阶段工作原理；
图3是串联电池组内各单体均衡过程第二阶段工作原理；
图4是串并联电池组内各串联电池组间的均衡过程第一阶段工作原理；
图5是串并联电池组内各串联电池组间的均衡过程第二阶段工作原理；
图6是本发明控制信号占空比时序图；
图7是本发明串并联电池组均衡控制策略；
图8是在MATLAB/Simulink中搭建的四串两并-串并联电池组仿真模型；
图9是四串两并-串并联电池组的均衡拓扑仿真模型输入工况电流；
图10是四串两并-串并联电池组中P1内各单体SOC均衡仿真曲线；
图11是四串两并-串并联电池组中P2内各单体SOC均衡仿真曲线；
图12是四串两并-串并联电池组中P1和P2内各单体SOC最大差值变化曲线；
图13是四串两并-串并联电池组中P1和P2平均SOC均衡仿真曲线；
图14是四串两并-串并联电池组中P1和P2平均SOC最大差值变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法：
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp；
在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管。
电感Ls与一个二极管、一个MOS管串联，电感Lp与一个二极管、一个MOS管串联，得到两个电感—二极管—MOS管串联电路；两个电感—二极管—MOS管串联电路并联连接；
串联电池组的左桥臂的末端、右桥臂的末端，均与并联在一起的两个电感—二极管—MOS管串联电路的两端连接。
串联电池组内均衡时，电感Ls储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，电感Lp储能，实现均衡能量直接从平均SOC最高的串联电池组转移到平均SOC最低的串联电池组。
串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2…Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的左、右桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，x为并联在一起的各串联电池组的序号；
电感分别标记为Ls和Lp，与电感串联的MOS管对应标记为Ss和Sp。
均衡方法的目标为，使串联电池组的各单体SOC趋于一致，使串并联电池组的各串联电池组平均SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当串联电池组内各单体SOC和串并联电池组间各串联电池组平均SOC的不一致性超过给定阈值时，均衡拓扑启动；
串联电池组内各单体均衡时，负责串联电池组内均衡的MOS管Ss保持导通；单体Bxi的SOC最高，Bxj的SOC最低，其中i、j为串联电池组单体的序号。
串联电池组内各单体均衡过程分为二个阶段：
如图2所示，第一阶段，单体电池Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，流过电感Ls的电流线性上升，单体Bxi给电感Ls充电，Ls储存能量。
如图3所示，第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Bxj对应的MOS管Sx(2j-2)和Sx(2j+1)导通，流过电感Ls的电流线性下降，电感Ls给单体Bxj充电。整个过程实现了均衡能量从SOC最高单体到SOC最低单体的直接转移。
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，负责并联在一起的串联电池组间均衡的MOS管Sp保持导通。串并联电池组内的串联电池组Pi的平均SOC最高，Pj的平均SOC最低，其中i、j为串联电池组的序号。
并联在一起的串联电池组间的均衡过程分为二个阶段：
如图4所示，第一阶段，MOS管Si1、Si(2n)导通，串联电池组Pi对电感Lp充电；
如图5所示，第二阶段，MOS管Si1、Si(2n)断开，MOS管Sj0、Sj(2n+1)导通，电感Lp对串联电池组Pj充电。整个过程实现了均衡能量从平均SOC最高串联电池组到平均SOC最低串联电池组的直接转移。
如图6所示，是本发明控制信号占空比时序图。Vx(2i-1)/Vx(2i)表示MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)的驱动信号，Vx(2j-2)/Vx(2j+1)表示MOS管Sx(2j-2)和Sx(2j+1)的驱动信号，Vi1/Vi(2n)表示MOS管Si1和Si(2n)的驱动信号，Vj0/Vj(2n+1)表示MOS管Sj0和Sj(2n+1)的驱动信号，均衡周期为T，MOS管对应的PWM波占空比分别为α和α′。
如图7所示，是本发明串并联电池组均衡控制策略。以SOC作为串并联均衡的一致性指标，对于串并联电池组的均衡，分别设定串联电池组均衡阈值
Figure BDA0002515511770000091
和串并联电池组均衡阈值
Figure BDA0002515511770000092
当串联电池组内各单体的SOC最大差值大于
Figure BDA0002515511770000093
时，均衡拓扑启动工作，当SOC最大差值小于
Figure BDA0002515511770000094
时，均衡拓扑停止工作。当并联在一起的串联电池组之间的平均SOC最大差值大于
Figure BDA0002515511770000095
时，均衡拓扑启动工作，当最大差值小于
Figure BDA0002515511770000096
时，均衡拓扑停止工作。
如图8所示，是在MATLAB/Simulink中搭建的四串两并-串并联电池组仿真模型。四串两并表示每组串联电池组包含4个单体，共有2组串联电池组并联。搭建的均衡仿真模型包含开关模块、控制模块、检测模块等。仿真模型具体参数设置如表1所示。
表1仿真模型的仿真参数表
Figure BDA0002515511770000101
如图9所示，是四串两并-串并联电池组的均衡拓扑仿真模型输入工况电流。串并联电池组在实际工作中，由于环境和人为等因素影响，其充放电状态不是固定不变的，为了模拟实际的工作状态，即考虑正常的工况，参考UDDS(Urban Dynamometer DrivingSchedule)工况设置负载。一个周期内，电流输出的平均值为1.07A，最大值为2.64A，仿真总时长为520s，整个工况包含了串并联电池组充放电过程。
如图10所示，是四串两并-串并联电池组中P1内各单体SOC均衡仿真曲线。从图10看出，仿真开始时，各单体SOC差值满足均衡拓扑工作条件，均衡拓扑工作，各单体SOC最大差值逐渐减小。经过一段时间后，均衡拓扑停止工作，此后串联电池组P1内各单体SOC最大差值满足精度要求。
如图11所示，是四串两并-串并联电池组中P2内各单体SOC均衡仿真曲线。从图11看出，仿真经过一段时间后，串联电池组P2内各单体SOC差值满足均衡拓扑工作条件，均衡拓扑工作，各单体SOC最大差值逐渐减小，经过一段时间后，均衡拓扑停止工作，此后串联电池组P2内各单体SOC最大差值满足精度要求。
如图12所示，是四串两并-串并联电池组中P1和P2内各单体SOC最大差值变化曲线。从图12可以看出，当串联电池组P1内各单体串联均衡结束时，串联电池组P2内各单体开始均衡，在79s和107s之后，串联电池组P1和P2内各串联单体的SOC最大差值分别达到串联电池组均衡阈值，此后组内各单体SOC最大差值保持不变。
如图13所示，是四串两并-串并联电池组中P1和P2平均SOC均衡仿真曲线。从图13看出，均衡结束后，串联电池组P1和P2的平均SOC差值满足均衡精度要求。
如图14所示，是四串两并-串并联电池组中P1和P2平均SOC最大差值变化曲线。由图14可知，在497s时刻，串联电池组P1和P2平均SOC差值满足均衡精度要求。
综上所述，满足既定均衡目标。

Claims (5)

1.一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp；
在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；
电感Ls与一个二极管、一个MOS管串联，电感Lp与一个二极管、一个MOS管串联，得到两个电感—二极管—MOS管串联电路；两个电感—二极管—MOS管串联电路并联连接；
串联电池组的左桥臂的末端、右桥臂的末端，均与并联在一起的两个电感—二极管—MOS管串联电路的两端连接；
串联电池组内均衡时，电感Ls储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，电感Lp储能，实现均衡能量直接从平均SOC最高的串联电池组转移到平均SOC最低的串联电池组。
2.根据权利要求1所述的一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：
串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2…Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的左、右桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，x为并联在一起的各串联电池组的序号；
电感分别标记为Ls和Lp，与电感串联的MOS管对应标记为Ss和Sp；
均衡方法的目标为，使串联电池组的各单体SOC趋于一致，使串并联电池组的各串联电池组平均SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当串联电池组内各单体SOC和串并联电池组间各串联电池组平均SOC的不一致性超过给定阈值时，均衡拓扑启动；
串联电池组内各单体均衡时，负责串联电池组内均衡的MOS管Ss保持导通；单体Bxi的SOC最高，Bxj的SOC最低，其中i、j为串联电池组单体的序号；
均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感Ls储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Bxj对应的MOS管Sx(2j-2)、Sx(2j+1)导通，电感Ls给单体Bxj充电；最终实现均衡能量在任意单体间转移；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，负责并联在一起的串联电池组间均衡的MOS管Sp保持导通；
串并联电池组内的串联电池组Pi的平均SOC最高，Pj的平均SOC最低，其中i、j为并联在一起的串联电池组的序号；均衡过程分为两个阶段：第一阶段，MOS管Si1、Si(2n)导通，串联电池组Pi对电感Lp充电；第二阶段，MOS管Si1、Si(2n)断开，MOS管Sj0、Sj(2n+1)导通，电感Lp对串联电池组Pj充电；最终实现均衡能量在任意并联电池组间转移。
3.根据权利要求2所述的一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：均衡拓扑由控制电路进行控制；控制电路控制信号的频率大小根据电感的参数、MOS管的开关损耗、串并联电池组整组的电池电压、单体的电池电压而定。
4.根据权利要求3所述的一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：所述控制电路输出驱动信号的占空比使电感储存的能量在每个信号周期内复位，即电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：串并联电池组内的单体均为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
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