基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，均衡電路包括微控制器、若干個LCL諧振變換模塊和電池單體，其中，每兩個相鄰的電池單體共用一個LCL諧振變換模塊，每個LCL諧振變換模塊與電池單體連接微控制器；微控制器根據(jù)相鄰的兩個電池單體的高電壓者和低電壓者，將一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給LCL諧振變換的相應(yīng)MOS管，使其交替工作在充電和放電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的電池單體傳遞給電壓低的電池單體，當(dāng)PWM的頻率等于LCL的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。本實(shí)用新型的均衡電路效率高、均衡電流大且控制簡單，并且克服了傳統(tǒng)Cell-to-Cell均衡電路開關(guān)損耗大且不能實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡的難題。
【專利說明】基于LCL諧振變換的Adjacent-Cel 1-tO-Ce I I均衡電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路。

【背景技術(shù)】
[0002]全球正面臨著前所未有的能源和環(huán)境危機(jī)，備受世界關(guān)注。然而，機(jī)遇與挑戰(zhàn)往往并存。以可再生能源與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合為特征的能源互聯(lián)網(wǎng)將催生第三次工業(yè)革命。作為第三次工業(yè)革命的五大支柱之一，電動汽車以節(jié)能、環(huán)保而廣受人們的歡迎，已成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢。鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低和沒有記憶效應(yīng)，作為動力源廣泛應(yīng)用在電動汽車和混合電動汽車中。在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較高的電壓等級，電池組多以串聯(lián)形式使用。然而，串聯(lián)鋰電池組帶來了一個嚴(yán)峻問題:由于制作工藝的限制，電池組中電池單體的容量和內(nèi)阻存在微小差異，在電池組使用一段時間后，這種微小差異會導(dǎo)致電池單體電壓和SOC的不平衡，極大地減小了電池組的可用容量和循環(huán)壽命。因此，電池均衡就顯得十分必要。顯而易見，作為電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，串聯(lián)電池組的有效均衡已經(jīng)成為一個研宄熱點(diǎn)。目前，均衡主要分為耗散均衡、非耗散均衡和電池選擇三大類。
[0003]耗散均衡是通過給電池組中每個單體電池并聯(lián)一個電阻進(jìn)行放電分流，從而實(shí)現(xiàn)均衡。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，只將電壓高的單體電池的能量消耗，存在能量浪費(fèi)和熱管理的問題。
[0004]非耗散均衡電路的耗能比耗散均衡要小，但電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，可分為能量轉(zhuǎn)換式均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡兩種。能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過開關(guān)信號，由鋰離子電池組整體向單體電池進(jìn)行補(bǔ)充，或者由單體電池向電池組通過同軸線圈進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。從成本和均衡效率考慮，能量轉(zhuǎn)換式可應(yīng)用于中小功率場合，但不適合大電池組。能量轉(zhuǎn)移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把鋰離子電池組中容量高的單體電池中的能量轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池單體上。該電路通過切換電容開關(guān)，由電容傳遞相鄰電池的能量，將電荷從電壓高的電池單體傳送到電壓低的電池單體上，從而達(dá)到均衡的目的。這種電路的能量損耗很小，但是達(dá)到均衡必須有多次傳輸，所以速度較慢，不適于串聯(lián)較多的電池組。
[0005]電池選擇均衡是指通過實(shí)驗(yàn)選擇性能一致的電池單體構(gòu)建電池組，一般有兩步篩選過程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體；第二步，在第一步篩選的電池單體中，通過脈沖充、放電實(shí)驗(yàn)在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個生命周期內(nèi)不足以保持電池組一直均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補(bǔ)充均衡方法。
[0006]傳統(tǒng)均衡方法不適合鋰離子電池的主要原因如下:
[0007](I)鋰離子電池的開路電壓在SOC為20%-80%之間時較為平坦，即使SOC相差很大，其對應(yīng)的電壓差也很小，因此傳統(tǒng)均衡電路的均衡電流很小。
[0008](2)由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，電池單體間很難實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡。
[0009]中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01210595724.6)提出了一種電容式電池均衡電路，該電路每相鄰的兩節(jié)電池共用一個電容，當(dāng)電容與電壓較高的電池單體并聯(lián)時，電池單體給電容充電；當(dāng)電容與電壓較低的電池單體并聯(lián)時，電容給電池單體充電。經(jīng)過電容的充、放電，能量從電壓較高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池單體，從而實(shí)現(xiàn)電池組電壓均衡。但是該方法開關(guān)損耗大、效率低、均衡電流小，且不能實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]本實(shí)用新型為了解決上述問題，公開了一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cel 1-to-CelI均衡電路，均衡電路包括微控制器、若干個LCL諧振變換模塊和電池單體，其中，每兩個相鄰的電池單體共用一個LCL諧振變換模塊，每個LCL諧振變換模塊與電池單體連接微控制器；微控制器根據(jù)相鄰的兩個電池單體的高電壓者和低電壓者，將一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給LCL諧振變換的相應(yīng)MOS管，使其交替工作在充電和放電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的電池單體傳遞給電壓低的電池單體，當(dāng)PWM的頻率等于LCL的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。本實(shí)用新型的均衡電路效率高、均衡電流大且控制簡單，并且克服了傳統(tǒng)Cell-to-Cell均衡電路開關(guān)損耗大且不能實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡的難題。
[0011]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0012]一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，包括微控制器、若干個LCL諧振變換模塊和電池單體，其中，每兩個相鄰的電池單體共用一個LCL諧振變換模塊，每個LCL諧振變換模塊與電池單體連接微控制器；
[0013]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得電池組中電池單體的電壓；
[0014]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LCL諧振變換模塊，用于產(chǎn)生LCL諧振變換模塊中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號。
[0015]所述LCL諧振變換模塊，包括一個LCL電路和兩個MOS管支路，每個MOS管支路包括兩個反向串聯(lián)的MOS管，兩個支路的一端分別連接于LCL電路電容C的正極和負(fù)極，另一端同時連接于相鄰兩個電池單體的公共端；串聯(lián)LCL電路的一端連接于相鄰兩個電池單體的正極，另一端連接于相鄰兩個電池單體的負(fù)極。
[0016]所述LCL諧振變換模塊在一組狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，當(dāng)PWM信號的頻率等于LCL諧振變換的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0017]所述LCL諧振變換模塊為雙向變換器，通過控制LCL諧振變換模塊的MOS管的開閉，能夠使能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體。
[0018]所述兩個MOS管支路，當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中上端的MOS管時，能量從電勢低的電池單體傳遞給電勢高的電池單體；當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中下端的MOS管時，能量從電勢高的電池單體傳遞給電勢低的電池單體。
[0019]本實(shí)用新型的工作原理為:微控制器借助數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊獲取電池組各單體電壓，進(jìn)而對相鄰的兩節(jié)電池單體電壓進(jìn)行比較，確定需要均衡的相鄰電池單體，并判斷出高電壓者和低電壓者；然后，微控制器發(fā)送一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號控制LCL諧振變換模塊，使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而將能量從相鄰電池單體中的高電壓者轉(zhuǎn)移到低電壓者。特別地，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LCL諧振變換模塊的固有諧振頻率時，可以實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0021](I)實(shí)現(xiàn)電池組中相鄰的電池單體之間的零電流開關(guān)均衡，具有較高的均衡效率;
[0022](2)克服了傳統(tǒng)Cell-to-Cell型均衡電路均衡電流小、效率低的問題，適用于大容量動力電池組的均衡；
[0023](3)克服了傳統(tǒng)Pack-to-Cell型均衡電路均衡時充電和放電并存導(dǎo)致均衡效率低的難題；
[0024](4)有效克服了由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降造成的難以實(shí)現(xiàn)電池單體零電壓差的難題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1(a)為本實(shí)用新型包括η節(jié)電池單體的均衡電路示意圖；
[0026]圖1 (b)為本實(shí)用新型包括2節(jié)電池單體的均衡電路示意圖；
[0027]圖2 (a)為本實(shí)用新型的LCL諧振變換在VpV1時充電狀態(tài)的工作原理圖；
[0028]圖2 (b)為本實(shí)用新型的LCL諧振變換在VPV1時放電狀態(tài)的工作原理圖；
[0029]圖3 (a)為本實(shí)用新型的LCL諧振變換在V1Mtl時充電狀態(tài)的工作原理圖；
[0030]圖3 (b)為本實(shí)用新型的LCL諧振變換在V1Mtl時和放電狀態(tài)的工作原理圖；
[0031]圖4為本實(shí)用新型的LCL諧振變換處于諧振狀態(tài)下的充放電電流i和電容電壓\的波形圖；
[0032]圖5為本實(shí)用新型的LCL諧振變換對相鄰電池單體進(jìn)行均衡的電壓效果圖。【具體實(shí)施方式】:
[0033]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0034]如圖1-5所示，一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，包括微控制器和LCL諧振變換模塊，每相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個LCL諧振變換，微控制器連接LCL諧振變換和電池單體。
[0035]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，用于將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得電池組中電池單體的電壓；
[0036]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LCL諧振變換模塊，用于產(chǎn)生LCL諧振變換模塊中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0037]所述LCL諧振變換模塊包括一個串聯(lián)LCL電路和兩個MOS管支路。每個支路由兩個反向串聯(lián)的MOS管組成，兩個支路的一端分別連接于電容C的正極和負(fù)極，另一端同時連接于相鄰兩個電池單體的公共端；串聯(lián)LCL電路的一端連接于相鄰兩個電池單體的正極，另一端連接于相鄰兩個電池單體的負(fù)極。
[0038]所述LCL諧振變換模塊在一組狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，特別地，當(dāng)PWM信號的頻率等于LCL諧振變換的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0039]所述LCL諧振變換模塊為雙向變換器，通過控制所述兩個支路的MOS管可實(shí)現(xiàn)能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體。
[0040]當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中上端的MOS管時，能量從電勢低的電池單體傳遞給電勢高的電池單體；當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中下端的MOS管時，能量從電勢高的電池單體傳遞給電勢低的電池單體。
[0041]—種應(yīng)用上述基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0042](I)獲取單體電壓:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓；
[0043](2)啟動均衡:微控制器根據(jù)獲取的電池單體電壓，計(jì)算相鄰的兩個電池單體的電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動該相鄰電池單體對應(yīng)的均衡電路；
[0044](3)判斷均衡方向:若處于上端(電勢高)的電池單體電壓高于處于下端(電勢低)的電池單體電壓，則將互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給MOS管支路中下端的兩個MOS管；若處于下端(電勢低)的電池單體電壓高于處于上端(電勢高)的電池單體電壓，則將互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給MOS管支路中上端的兩個MOS管；
[0045](4)能量傳遞:微控制器控制LCL諧振變換模塊，使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，當(dāng)發(fā)出的PWM信號頻率等于LCL諧振變換的固有頻率時實(shí)現(xiàn)能量的零電流開關(guān)傳遞。
[0046]實(shí)施例:
[0047]如圖1所示，均衡電路的微控制器選用數(shù)字信號處理芯片DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采樣和PWM輸出；電壓檢測電路采用凌特公司的LTC6802專用電壓測量芯片實(shí)時測量電池組中每節(jié)電池的電壓。如圖1(a)所示，為LCL諧振模塊應(yīng)用于電池組的整體模型圖，每相鄰兩節(jié)電池單體共用一個LCL諧振模塊，對于一個η節(jié)電池單體構(gòu)成的串連電池組，共用到η-1個LCL諧振模塊。
[0048]如圖1 (b)所示，為LCL諧振模塊應(yīng)用于相鄰的兩個電池單體Btl和B LCL諧振電路由四個MOS管M1-M4、四個二極管D1-D4、兩個電感Lp L2和一個電容C組成。其中，M2、M4的源極，D2、D4的正極分別與B。的負(fù)極(B i的正極)相連；電感LgB。的正極相連，LgB1的負(fù)極相連。MOS管Mp M3*來自微控制器DSP的一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動，M 2、皿4由另一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動。在每次LCL諧振電路的充電或放電過程中，控制其中一個MOS管導(dǎo)通，剩下的MOS管保持關(guān)斷。
[0049]電路運(yùn)行后，微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓，從而確定需要進(jìn)行均衡的相鄰兩個電池單體，并判斷電壓差是否大于電池均衡閾值0.01V，若大于則啟動對應(yīng)的均衡電路。在均衡狀態(tài)下，微控制器控制LCL諧振電路使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的不斷傳遞。
[0050]如圖2所示，為在VPV1時均衡電路的工作原理圖。微控制器將互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給下端MOS管MjPM 2。如圖2(a)所示，當(dāng)M4導(dǎo)通時，M丨為和M 3關(guān)斷，B。、電感L1和電容C形成一個諧振回路，此時Btl對電容C充電，諧振電流i為正，電容C兩端的電壓V。開始上升；如圖2(b)所示，當(dāng)M2導(dǎo)通時,MpMjP M4關(guān)斷，B1、電感L2和電容C形成一個諧振回路，此時電容C對B1放電，諧振電流i變?yōu)樨?fù)值，電容C兩端的電壓V。開始下降。經(jīng)過LCL諧振電路的一個充、放電過程，將Btl的能量部分轉(zhuǎn)移到B i，從而實(shí)現(xiàn)了 Btl和B i電壓的均衡。
[0051]如圖3所示，為在Vc^V1時均衡電路的工作原理圖。微控制器將互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給上端MOS管MjPM 3。如圖3(a)所示，當(dāng)札導(dǎo)通時，M 2、M3和M 4關(guān)斷，B 1、電感L2和電容C形成一個諧振回路，此時B1對電容C充電，諧振電流i為正，電容C兩端的電壓V。開始上升;如圖3(b)所示，當(dāng)M3導(dǎo)通時,MpMjP M4關(guān)斷，B。、電感L1和電容C形成一個諧振回路，此時電容C對Btl放電，諧振電流i變?yōu)樨?fù)值，電容C兩端的電壓V。開始下降。經(jīng)過LCL諧振電路的一個充放電過程，B1的能量部分轉(zhuǎn)移到B 0,從而實(shí)現(xiàn)了 Btl和B i電壓的均衡。
[0052]如圖4所示，為LCL諧振變換處于諧振狀態(tài)下的充放電電流i和電容電壓V。的波形圖，由圖可以看出，在一組相鄰單體的均衡過程中，一組互補(bǔ)的PWM信號(PWM+、PWM-)控制MOS管的交替導(dǎo)通，電容電壓V。、均衡電流i周期性變化，電容電壓Vc滯后電流i 90°，MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷正好發(fā)生在電流i過零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)，極大地提高了均衡效率。
[0053]如圖5所示為LCL諧振變換在靜止?fàn)顟B(tài)下對相鄰電池單體進(jìn)行均衡的電壓效果圖，當(dāng)電池單體初始電壓分別為Vbq= 3.001V，VB1= 3.209V時，只需要大約12.5s的時間，均衡電路就使得相鄰電池單體的電壓差接近于O，實(shí)現(xiàn)了電池單體間的零電壓差均衡。
[0054]上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，其特征是:包括微控制器、若干個LCL諧振變換模塊和電池單體，其中，每兩個相鄰的電池單體共用一個LCL諧振變換模塊，每個LCL諧振變換模塊與電池單體連接微控制器； 所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得電池組中電池單體的電壓； 所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LCL諧振變換模塊，用于產(chǎn)生LCL諧振變換模塊中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，其特征是:所述LCL諧振變換模塊，包括一個LCL電路和兩個MOS管支路，每個MOS管支路包括兩個反向串聯(lián)的MOS管，兩個支路的一端分別連接于LCL電路的電容C的正極和負(fù)極，另一端同時連接于相鄰兩個電池單體的公共端；串聯(lián)LCL電路的一端連接于相鄰兩個電池單體的正極，另一端連接于相鄰兩個電池單體的負(fù)極。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，其特征是:所述LCL諧振變換模塊在一組狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電狀態(tài)和放電狀態(tài)，當(dāng)PWM信號的頻率等于LCL諧振變換的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，其特征是:所述LCL諧振變換模塊為雙向變換器，通過控制LCL諧振變換模塊的MOS管的開閉，能夠使能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于LCL諧振變換的Adjacent-Cell-to-Cell均衡電路，其特征是:所述兩個MOS管支路，當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中上端的MOS管時，能量從電勢低的電池單體傳遞給電勢高的電池單體；當(dāng)狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號發(fā)送給兩個MOS管支路中下端的MOS管時，能量從電勢高的電池單體傳遞給電勢低的電池單體。
【文檔編號】H02J7/00GK204205675SQ201420731517
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】張承慧, 商云龍, 王通, 崔納新, 李澤元, 于廣 申請人:山東大學(xué)