基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路及实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路及实现方法，包括微控制器、Buck-Boost变换、双向LC谐振变换、选择开关模块、均衡母线、动力电池组和滤波电容。本发明专利技术电路通过控制Buck-Boost变换的输出电压，并借助于双向LC谐振变换，可实现电池组对电池单体(Pack to Cell)或电池单体对电池组(Cell to Pack)的软开关均衡。本发明专利技术具有效率高、控制简单、电路体积小、无开关损耗和易于模块化等优点，并且克服了传统Pack to Cell均衡电路难以处理电池组中某节电池单体电压较高而其他节电池单体处于平衡的情况。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路及实现方法。
技术介绍
全球正面临着前所未有的能源和环境危机，备受世界关注。电动汽车具有节能环保的特点，是解决这一重大危机的关键途径，已成为未来汽车工业发展的必然趋势。大规模电动车作为移动储能装备将是第三次工业革命(能源互联网)的重要支柱。而锂离子电池因其高能量密度、低放电率和没有记忆效应，作为动力源广泛应用在电动汽车和混合电动汽车中。但是受到电池制造技术和电源管理系统的技术制约，动力电池使用过程中需要大量单体多级串并联才能够提供足够的供电电压和驱动功率。但是这类电池串联使用时，容易由于容量的不均衡问题造成部分电池单体过充电与过放电，极大地影响了动力电池组的使用寿命和安全性。因此，必须对电池组进行均衡管理。显而易见，作为电池管理系统的关键技术之一，串联电池组的有效均衡已经成为一个研究热点。均衡电路不同于其他领域的电力电子拓扑，对电路的体积、效率、管压降和隔离性等提出了更高的要求。均衡电路最终要应用到电动汽车中，因此均衡电路的体积不能太大；均衡电路的目的是通过一个变换器实现电池组中电池单体电压的均衡，变换器的效率不能太低，否则不但不会起到均衡的作用，反而会将电池组的能量消耗殆尽；电池组是由电池单体串联组成的，对均衡电路的隔离性提出了很高的要求，如果均衡电路的隔离性不好，会发生电池短路、爆炸、起火等安全性事故；电动汽车动力电池组是由若干个电池模块组成的，因此要求均衡电路也能够模块化；均衡控制算法应具有收敛性，能够使得电池单体电压收敛到平均值，否则不但不会达到均衡效果，还会造成能量的浪费。目前，均衡方法主要有耗散型均衡、非耗散型均衡和电池选择三大类。耗散型均衡通过给电池组中每个电池单体并联一个耗散器件进行放电分流，从而实现电池电压的均衡。耗散均衡进一步又被分为两类：被动均衡和主动均衡。耗散均衡结构和控制简单、成本低，但是存在能量浪费和热管理的问题。非耗散均衡采用电容、电感等作为储能元件，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础，采取分散或集中的结构，实现单向或双向的均衡方案。非耗散均衡电路存在电路结构复杂、体积大、成本高、均衡时间长、高开关损耗等问题。根据能量流，非耗散均衡能够分为以下五种：(1)Cell to Cell；(2)Cell to Pack；(3)Pack to Cell；(4)Pack to Cell to Pack；(5)Any Cells to Any Cells。对于Pack to Cell的均衡方法，能量能够直接从整个电池组转移到电压最低的电池单体，能够实现较大的均衡电流，但是这种方法只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压低于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况；不适合于某一或若干节电池单体电压高于其他节电池单体电压，而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。对于Pack to Cell to Pack的均衡方法，既能够实现电池组对电池单体的均衡，又能够实现电池单体对电池组的均衡，均衡方式比较灵活，具有较高的均衡效率，适合于大容量的动力电池。电池选择均衡是指通过实验选择性能一致的电池单体构建电池组，一般有两步筛选过程。第一步，在不同的放电电流下，选择电池平均容量相近的电池单体；第二步，在第一步筛选的电池单体中，通过脉冲充、放电实验在不同SOC下选择具有相近电池电压变化量的电池单体。由于电池单体的自放电率不尽相同，电池选择均衡在电池整个生命周期内不足以保持电池组一直均衡。它只能作为其他均衡方法的一种补充均衡方法。中国专利技术专利(专利号ZL201420264864.X和申请号201410218975.1)公开了一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，每次均衡都是针对电池组中电压最低的电池单体进行，提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。但是，在该均衡电路中，当某一节电池单体电压较低，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，这时需要一次切换就可以完成均衡；当某一节电池单体电压较高，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，需要n-1次切换循环才能完成均衡。因此，对于Pack to Cell型均衡电路平均需要n/2次切换循环，均衡速度较慢，效率较低，只适合于电池组中某一或若干节电池单体电压较低而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况，不适合于某一或若干节电池单体电压较高而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。而对于Cell to Pack型均衡电路，当某一节电池单体电压较高，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，需要1次切换就可以完成均衡；当某一节电池单体电压较低，而其他节电池单体电压处于平衡状态时，需要n-1次切换循环才能完成均衡，因此，Cell to Pack型均衡电路平均需要n/2次切换循环，均衡速度慢，效率较低，该方法只适合于电池组某一或若干节电池单体电压较高而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况，不适合于某一或若干节电池单体电压较低而其他节电池单体电压处于平衡状态的情况。
技术实现思路
为解决现有技术存在的不足，本专利技术公开了一种基于双向LC谐振变换和Buck-Boost变换的均衡电路及实现方法，包括微控制器、Buck-Boost变换、双向LC谐振变换、选择开关模块、均衡母线、动力电池组和滤波电容。本专利技术电路通过控制Buck-Boost变换的输出电压，并借助于双向LC谐振变换，可实现电池组对电池单体(Pack to Cell)或电池单体对电池组(Cell to Pack)的软开关均衡。本专利技术具有效率高、控制简单、电路体积小、无开关损耗和易于模块化等优点，并且克服了传统Pack to Cell均衡电路和Cell to Pack均衡电路难以处理电池组中某节电池单体电压较高或某节电池单体较低而其他节电池单体平衡的情况。为实现上述目的，本专利技术的具体方案如下：基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，包括微控制器、均衡母线、Buck-Boost变换电路、双向LC谐振变换电路、选择开关模块及动力电池组，其中，微控制器通过电压检测电路连接电池组的各个单体，电池单体通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接双向LC谐振变换的输出端，微控制器通过驱动电路依次连接控制Buck-Boost变换电路和双向LC谐振变换电路，并且通过多路选通开关连接选择开关模块；所述均衡电路有两种均衡模式：电池组对电池单体即Pack to Cell的均衡模式和电池单体<本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于Buck‑Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是包括微控制器、均衡母线、Buck‑Boost变换电路、双向LC谐振变换电路、选择开关模块、动力电池组，其中，微控制器通过电压检测电路连接电池组的各个单体，电池单体通过选择开关模块连接均衡母线，均衡母线连接双向LC谐振变换的输出端，微控制器通过驱动电路依次连接控制Buck‑Boost变换电路和双向LC谐振变换电路，并且通过多路选通开关连接选择开关模块；所述均衡电路有两种均衡模式：电池组对电池单体即Pack to Cell的均衡模式和电池单体对电池组即Cell to Pack的均衡模式；所述电池组对电池单体的均衡模式即微控制器控制选择开关模块将电压最低的电池单体选通至均衡母线，并控制Buck‑Boost变换工作在Buck模式，Buck‑Boost变换的输出电压高于电池单体最低电压，均衡能量通过双向LC谐振变换，从Buck‑Boost变换转移到电压最低的电池单体，实现了能量从电池组流向电压最低的电池单体；所述电池单体对电池组的均衡模式即微控制器控制选择开关模块将电压最高的电池单体选通至均衡母线，并控制Buck‑Boost变换工作在Boost模式，Buck‑Boost变换的输出电压低于电池单体最高电压，均衡能量通过双向LC谐振变换，从电压最高的电池单体转移到Buck‑Boost变换，实现了均衡能量从电压最高的电池单体流向电池组。...

【技术特征摘要】
1.基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是包括微控制器、均衡
母线、Buck-Boost变换电路、双向LC谐振变换电路、选择开关模块、动力电池组，其中，
微控制器通过电压检测电路连接电池组的各个单体，电池单体通过选择开关模块连接均衡母
线，均衡母线连接双向LC谐振变换的输出端，微控制器通过驱动电路依次连接控制
Buck-Boost变换电路和双向LC谐振变换电路，并且通过多路选通开关连接选择开关模块；
所述均衡电路有两种均衡模式：电池组对电池单体即Pack to Cell的均衡模式和电池单体
对电池组即Cell to Pack的均衡模式；
所述电池组对电池单体的均衡模式即微控制器控制选择开关模块将电压最低的电池单体
选通至均衡母线，并控制Buck-Boost变换工作在Buck模式，Buck-Boost变换的输出电压高
于电池单体最低电压，均衡能量通过双向LC谐振变换，从Buck-Boost变换转移到电压最低
的电池单体，实现了能量从电池组流向电压最低的电池单体；
所述电池单体对电池组的均衡模式即微控制器控制选择开关模块将电压最高的电池单体
选通至均衡母线，并控制Buck-Boost变换工作在Boost模式，Buck-Boost变换的输出电压低
于电池单体最高电压，均衡能量通过双向LC谐振变换，从电压最高的电池单体转移到
Buck-Boost变换，实现了均衡能量从电压最高的电池单体流向电池组。
2.如权利要求1所述的基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是，
所述微控制器包括脉冲宽度调制PWM信号输出端和通用IO端，其中通用IO端包括两个部
分；
所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路依次连接Buck-Boost变换电路和双向
LC谐振变换电路，用于产生MOS管开关的控制驱动信号；
所述通用IO端的一部分端口通过电压检测芯片与电池单体连接，用于将各个电池单体电
压转换成数字信号，从而确定电压最低和最高的电池单体；
所述通用IO端的另一部分端口通过一个多路选通开关与选择开关模块连接，用于译码微
控制器确定的最低或最高电压对应的电池编号，控制选择开关模块将电池组中任意位置的电
压最低或最高的电池单体选通至均衡母线上进行均衡。
3.如权利要求1所述的基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是，
所述Buck-Boost变换电路由两个MOS管Qb1和Qb2、一个电感和四个电容组成，MOS管Qb1和Qb2以串联的方式连接，并且MOS管Qb1并联电容Cb1、二极管Db1，MOS管Qb2并联电容
Cb2、二极管Db2，MOS管Qb1漏极连接电容C1的正极，MOS管Qb1源极连接两条支路，一条
支路连接MOS管Qb2的漏极，另一条支路连接电感L1，电感L1另一端连接电容C0的正极，

\t电容C0正极与双向LC谐振变换电路的一端相连，MOS管Qb2的源极连接电容C0的负极，二
极管Db1和Db2起续流作用。
4.如权利要求3所述的基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是，
Buck-Boost变换电路有两种工作模式：Buck和Boost模式；
所述Buck模式即能量从电池组流向电池单体；所述Boost模式即能量从电池单体流向电
池组；
所述Buck-Boost变换工作在零电压开关模式。
5.如权利要求3所述的基于Buck-Boost变换和双向LC谐振变换的均衡电路，其特征是，
所述双向LC谐振变换电路包括四个桥臂八个MO...

【专利技术属性】
技术研发人员：张承慧，商云龙，李泽元，崔纳新，王通，韩尧，于广，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37