锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略技术方案

锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略，其中，均衡控制电路包括对称多绕组变压器和DC‑DC变换器；系统包括锂电池组和与锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路；控制策略，先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制。该方法把DC‑DC变换器用于单体锂电池间均衡和改进的对称多绕组变压器用于锂电池组间的均衡，通过这两种拓扑结构优势互补以解决锂电池均衡技术中控制复杂、均衡不准确、速度慢、效率低、成本高等问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂电池组充放电
，具体涉及一种锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、标准电压高、无重金属污染等优点，非常符合当前人类可持续发展的绿色要求，尤其在电动汽车动力电池储能领域备受关注。为保证电动汽车足够的续驶里程，电动汽车往往装载大量电池组，这些电池组由很多单体电池串并联组成的，因此，由于电池生产工艺、制造及路况、温差等使用环境差异因素，不可避免造成单体及电池组之间电量不均衡，从而使电池组存在安全隐患或降低电池组使命寿命。进而，锂离子电池组间的均衡问题制约着电动汽车的发展，并成为当前研究的关键技术。均衡对于动力电池组的重要性不在赘述，在目前电动汽车BMS（电池管理系统）的均衡方案中，均衡控制技术分为被动均衡和主动均衡两种，被动均衡方法结构简单，便于控制，但电阻能耗放电，浪费能量，产生热量，以能量耗散进行均衡，不符合绿色能源发展的要求；主动均衡技术开关数量多，控制复杂且不易实现。对于DC-DC变换器，具有均衡效率高便于模块化等优点，是常用的电源设计电路，但是当串联单体数量较多时，均衡时间长；多绕组变压器均衡速度快，低磁损失，但增减电池时需改变磁芯，不适用于大量单体电池间的均衡。
技术实现思路
为了克服现有均衡技术的不足，本专利技术提供了一种锂电池组充放电的两级均衡控制电路、系统及控制策略。本专利技术为解决上述问题所采用的技术方案为：锂电池组充放电的两级均衡控制电路，均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组packn的两端，锂电池组间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC-DC变换器，一个DC-DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。其中，一个对称多绕组变压器包括一个铁芯、一个初级绕组和多个次级绕组，每个次级绕组Tpi接入一个锂电池组packn、一个第一场效应晶体管Spi、一个滤波电感Lfi、一个滤波电容Cfi和一个谐振电容Csi。其中，对称多绕组变压器设计为匝数比1：1：……：1的对称式结构。其中，每个对称多绕组变压器次级绕组的Tpi和电容Csi形成一个振荡电路，因而磁电流能够复位（此时占空比不能大于50%），保证输出信号频率和幅度的稳定，场效应晶体管在一定程度上能达到较高的效率。其中，每个锂电池组packn由多个单体锂电池组成。其中，一个DC-DC变换器包括一个储能电感Lni、一个第二场效应晶体管Sni和一个反向二极管Dni，其中，n为锂电池组的编号，n=1，2，3，…，i为一个锂电池组内的单体锂电池的编号，i=1，2，3，4。其中，串联的四个单体锂电池B11、B12、B13、B14构成一个锂电池组pack1，串联的四个单体锂电池B21、B22、B23、B24构成一个锂电池组pack2，串联的四个单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4构成一个锂电池组packn。锂电池组充放电的两级均衡控制系统，包括锂电池组，还包括如上与所述锂电池组连接的锂电池组充放电的两级均衡控制电路。其中，两级均衡控制电路包括数据采集电路、均衡电路、控制器和驱动电路，数据采集电路连接在单体锂电池的两端，用于采集单体锂电池的电压和电流；均衡电路连接锂电池组和控制器，通过控制器输出信号控制单体锂电池和锂电池组之间能量进行转移；控制器连接数据采集电路和均衡电路，通过对数据采集电路采集的电压、电流进行计算处理并作出判断，再输出信号给驱动电路，驱动电路驱动均衡电路对锂电池组进行能量均衡控制。锂电池组充放电的两级均衡控制策略，先进行锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制，再进行锂电池组与锂电池组之间的均衡控制，其中，锂电池组内的单体锂电池之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各单体锂电池采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对单体锂电池的不均衡状态进行判断，若，第二场效应晶体管Sni的栅极输入脉宽（PWM）信号，对电压差值大于的单体锂电池进行分流，并向储能电感Lni蓄电，否则，第二场效应晶体管Sni断开，储能电感Lni对串联的低能量的单体锂电池释放能量，当时完成均衡；否则，继续返回数据采集电路进行电压采集；其中，表示单体锂电池的电压，表示每个锂电池组中全部单体锂电池的平均电压，表示锂电池组中各单体锂电池参考均衡阈值。其中，锂电池组与锂电池组之间的均衡控制方法为：数据采集电路把从各锂电池组采集的电压信号传输到控制器，控制器根据电压信号对锂电池组的不均衡状态进行判断，若，控制器输出信号经驱动电路控制多绕组变压器中的第一场效应晶体管Spi的占空比D，，ton为场效应管导通时间，T为电路工作周期，若锂电池组的电压高于对应连接的次级绕组的电压，则锂电池组的能量转移到对称多绕组变压器；若锂电池组的电压低于对应连接的次级绕组的电压，则次级绕组向电池组转移能量，当时完成均衡，否则，继续返回数据采集电路进行电压采集，其中，表示锂电池组的电压，表示锂电池组之间的平均电压，表示参考均衡阈值。本专利技术的有益效果：（1）若某一单体电池电压偏离（大于或小于）参考均衡阈值，控制器输出控制信号使场效应管导通或断开，实现储能电感对单体锂电池的充放电，使所在的一个锂电池组内所有单体锂电池的能量达到一致，保证了单体锂电池的能量能够充分发挥出来；（2）若某一锂电池组packn偏离所有锂电池组的参考均衡阈值，控制器对对称多绕组变压器输出一个控制信号，即所有锂电池组pack能量实现均衡，这样不但保证了锂电池组能量充分发挥，而且保证了锂电池组的可靠性；（3）该方法结合了DC-DC变换器在单体锂电池数量较多时，均衡时间长、控制较复杂和变压器成本高、不适用于大量单体间均衡的缺点，把DC-DC变换器用于单体锂电池间均衡和改进的对称多绕组变压器用于锂电池组间的均衡，通过这两种拓扑结构优势互补以解决锂电池均衡技术中控制复杂、均衡不准确、速度慢、效率低、成本高等问题。通过该结构设计的均衡电路和系统能够延长单体电池和电池组的整体寿命，保证了电动汽车的续驶里程，适用于纯电动车及混合动力汽车等功率较大的应用场合。附图说明图1是本专利技术锂电池组两级均衡拓扑图；图2是本专利技术锂电池组两级均衡系统结构图；图3是本专利技术锂电池组均衡驱动电路图；图4是本专利技术锂电池组间pack1的均衡原理图；图5是本专利技术锂电池组间packn的均衡原理图；图6为本专利技术单体锂电池1放电；图7为本专利技术单体锂电池2、3、4充电；图8为本专利技术单体锂电池2放电；图9为本专利技术单体锂电池1充电；图10为本专利技术单体锂电池3放电；图11为本专利技术单体锂电池1、2充电；图12为本专利技术单体锂电池4放电；图13为本专利技术单体锂电池1、2、3充电；图14为本专利技术单体锂电池间的均衡流程图；图15为本专利技术锂电池组之间的均衡流程图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。锂电池组充放电的两级均衡控制电路，如图1所示，均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组pack n的两端，锂电池组间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC‑DC变换器，一个DC‑DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。

【技术特征摘要】
1.锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：均衡控制电路包括对称多绕组变压器，一个对称多绕组变压器具有多个次级绕组，每个次级绕组接入锂电池组两端，对称多绕组变压器的各个次级绕组分别对应连接一个锂电池组packn的两端，锂电池组间的均衡电路为第一级均衡电路；均衡控制电路还包括多个DC-DC变换器，一个DC-DC变换器接入锂电池组中的一个单体锂电池的两端，锂电池组中的单体锂电池之间的均衡电路为第二级均衡电路。2.根据权利要求1所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：一个对称多绕组变压器包括一个铁芯、一个初级绕组和多个次级绕组，每个次级绕组Tpi接入一个锂电池组packn、一个第一场效应晶体管Spi、一个滤波电感Lfi、一个滤波电容Cfi和一个谐振电容Csi。3.根据权利要求2所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：对称多绕组变压器设计为匝数比1：1：……：1的对称式结构。4.根据权利要求2所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：每个变压器次级绕组Tpi和谐振电容Csi形成一个振荡电路。5.根据权利要求1所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：每个锂电池组packn由多个单体锂电池组成。6.根据权利要求1、2或5所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：一个DC-DC变换器包括一个储能电感Lni、一个第二场效应晶体管Sni和一个反向二极管Dni，其中，n为锂电池组的编号，n=1，2，3，…，i为一个锂电池组内的单体锂电池的编号，i=1，2，3，4。7.根据权利要求5所述的锂电池组充放电的两级均衡控制电路，其特征在于：其中，串联的四个单体锂电池B11、B12、B13、B14构成一个锂电池组pack1，串联的四个单体锂电池B21、B22、B23、B24构成一个锂电池组pack2，串联的四个单体锂电池Bn1、Bn2、Bn3、Bn4构成一个锂电池组packn。8.锂电池组充放电的两级均衡控制系统，包括锂电池组，其特征在于：还...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨宗霄，陈伟，李根生，董冠强，宋磊，李玉斌，马超，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41