一种多极双向DC‑DC的锂电池组无损平衡方法技术

本发明专利技术涉及到一种使用多极双向DC‑DC电路实现锂电池组无损平衡的技术，对于由n个电池串联构成的电池组，基本的多极双向DC‑DC电路由n个MOS管、n个滤波电容和n‑1个电感构成，n个MOS管由多相位PWM控制器依照特定逻辑驱动，正常工作时，一个工作周期T内，多相位PWM控制器顺次关闭从第n到第1个MOS管各T/n时间周期，其它时间保持开启，此时，n‑1个电感和n个MOS管将构成n‑1个双向DC‑DC的Buck‑Boost电路，并相互嵌套串联在一起。多极双向DC‑DC电路的每两个相邻输电极之间的电压和与之对应的MOS管关闭周期成正比，由此构成的多极双向DC‑DC电路可以用于串联电池组充放电过程的无损平衡。通过调整各个MOS管的关闭周期，可以改变多极双向DC‑DC电路相邻输电极之间的电压，用以控制均衡电流。

Non destructive balance technique for lithium ion battery pack with multipolar bidirectional DC-DC

The invention relates to a bidirectional DC-DC circuit using multipolar lithium battery technology for nondestructive balance, the battery of the N batteries connected in series, multipole bidirectional DC-DC basic circuits by n MOS switch, n n-1 filter capacitor and inductor, n MOS pipe driven by multi phase PWM according to the specific logical controller, normal work, a work period T multi phase PWM controller sequentially closed from n to first MOS T/n tube each time period, the other time remains open at this time, a n-1 inductor and N MOS tubes will constitute Buck-Boost circuit n-1 bidirectional DC-DC, and are mutually connected in series together. The voltage between the two adjacent transmission electrodes of the multilevel DC-DC circuit is in direct proportion to the corresponding MOS tube closing period, thus the multi-level DC-DC circuit can be used for the lossless balance of the charging and discharging process of the series battery pack. By adjusting the closed cycle of each MOS tube, can change the adjacent multilevel DC-DC circuit output voltage between the electrodes, used to control the equilibrium current, or for a single battery working voltage of battery lossless balance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源领域，尤其针对锂电池组的无损平衡有特殊的作用。
技术介绍
锂电池由于其自身充放电特性的原因，过充电或者过放电都可能给电池造成永久性的损坏，尤其是在串联锂电池组中，各个电池的容量及充放电参数难以做到完全一致，实际应用中，往往需要有专门的电路进行电池之间的平衡和充放电保护。锂电池组的平衡技术分作有损平衡和无损平衡两种，有损平衡是通过控制放电电路消耗掉电压过高或者容量较大的电池的能量达到整体平衡的；无损平衡是通过电路将电压过高或者容量较大的电池的能量转移到电压较低或者容量较小的电池来实现各电池之间平衡的。大多数有损平衡技术只能应用于充电过程，而放电过程则受到容量最小电池的制约，当电池组任意一个电池放电结束的时候，整个电池组将停止对外放电，电池组的容量不能得到充分的使用，而且平衡过程中有能量的损耗。无损平衡技术则多数可以在充电和放电过程都进行平衡，做到对电池组容量的最大应用，平衡过程并没有能量的损耗，仅仅是电路自身工作产生的少量损耗。在目前的无损平衡中，有使用电容储能方式的，有使用双向DC-DC方式的，但大多数电路结构复杂，控制逻辑复杂，甚至对元器件的工艺要求较高。本专利技术所采用的技术是通过多极双向DC-DC电路完成电池组的无损平衡，具有结构简单，控制逻辑简单，易于模块化扩展，成本低而效率高的特点。
技术实现思路
本专利技术所指的双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术主要由多极DC-DC电路和多相位PWM控制器构成，典型的双向DC-DC电路是Buck-Boost结构，除此之外，类似结构的双向DC-DC电路亦可完成本专利技术所述的功能，如CUK电路或者是Fly-Back电路。对于由n个电池串联构成的电池组，典型的Buck-Boost多极双向DC-DC电路由n个MOS开关管、n个滤波电容和n-1个电感构成。第一个MOS管源极同电池组负极相连，漏极同第二个MOS管的源极相连，依此类推，第n个MOS管的源极与第n-1个MOS管的漏极相连，漏极与电池组正极相连；第一个电感的左端与第一个MOS管的漏极相连，依此类推，第n-1个电感的左端与第n-1个MOS管的漏极相连；n-1个电感的右端与电池组的正负极共同构成多极双向DC-DC的n+1的输电极，n个电容分别连接在相邻的两个输电极之间用作滤波，n个电池串联的节点和多极双向DC-DC的各个输电极相连接。正常工作时，任何时刻，只有一个MOS处于关闭状态，其它MOS处于导通状态，多相位PWM控制器顺次地控制从第n至第1个MOS处于关闭状态，也即：一个工作周期T内，多相PWM控制器顺次关闭从第n到第1个MOS管各T/n时间周期，其它时间保持开启，此时，n-1个电感和n个MOS管将构成n-1个双向DC-DC的Buck-Boost电路，并相互串联在一起。单向Buck-Boost电路可将输出端的MOS管使用续流二极管替代，其工作模式有连续电流模式和断续电流模式的区分。连续电流模式是电感中始终有电流流过，电流在一个最大值和最小值之间线性上升和下降。而断续电流模式则是电感的电流从零开始增加到一个最大值，然后开始下降到零，之后有一段时间内无电流流过。在使用二极管续流的DC-DC电路中，工作在断流模式时，一旦电流下降到零，则二极管不会再有电流流过，在输出端也使用MOS管的电路中，如果工作在断续模式，则当电感的电流下降到零时，必须及时关闭输出端MOS管，此时电路中的两个MOS管均处于关闭状态。当Buck-Boost电路工作在断续电流模式时，如果电感中的电流降到零时不关闭输出端的MOS管，则在电感中会有反向电流流过，其下降斜率和正向时的斜率相同，一直保持到下个PWM周期，而第二个PWM周期内，电感的电流则不是从零开始上升，而是从反向电流的最大值开始减小反向电流，并到达零电流，然后继续上升到正向最大值，如此周而复始。此时电路工作在正反向电流交替模式。电感中流过的平均电流称作工作点，理想状态下，零工作点时，电路输电极没有电流的流入和流出。工作点可以是正也可以是负，其决定了DC-DC电路能量的传递方向，由于电感中的电流始终是连续的，这个工作模式可以称作连续电流模式的双向DC-DC电路。连续电流模式的双向DC-DC电路这种特性，可以让PWM脉宽固定的情况下，输出电压和输入电压维持在固定的比例，根据Buck-Boost电路的特点，其输入和输出电压的关系为：（1）其中Vo是输出电压，VB是输入电压，D为输入端MOS导通的占空比。对于双向DC-DC转换的Buck-Boost电路，输入端和输出端没有严格的定义，电路两端同时连接电池的时候，输入和输出端的区分取决于平均电流的流向，而电流的流向则根据基尔霍夫方程和欧姆定理可以计算出来，当电池电压高于自身连接DC-DC电路端电压的时候，电池净流出电流，电池放电，反之净流入电流，电池处于充电状态，净流出的电流大小由电压差及电路分布的等效电阻决定，并符合欧姆定理。本专利技术中构成的多极双向DC-DC，通过多相位PWM控制器对n个MOS按照一定逻辑的控制开启与关闭，可以等效成n-1个Buck-Boost双向DC-DC电路的串联，并且每两个相邻输电极之间的电压和与之对应的MOS管关闭周期成正比。本专利技术中的多极双向DC-DC电路的相邻输电极之间连接可充电二次电池时，每个电池所连接的输电极之间的电压，被牵制在固定值上，当多相位PWM对每个MOS管的关闭占空比相同，均为T/n时，相邻两个输电极之间电压为UG/n，其中UG为电池组的输出电压。此时，电压高于UG/n的电池为放电状态，电压低于UG/n的电池为充电状态，从而构成对整个电池组的无损平衡。这种机制不但可以应用于电池组的充电过程，也可以应用在电池组的放电过程。多相位PWM控制器对MOS管的控制设置有死区的时候，双向DC-DC电路的工作点会根据电流的流向会发生一定的偏移。当电路中平均电流的流向确定时，输入端MOS关闭，而输出端MOS尚未导通的时（或者输出端MOS关闭而输入端MOS尚未导通时），称作PWM控制的死区，此时输出端MOS管的体二极管会强迫导通，暂时接替MOS续流，进而导致输出端的导通的占空比增加，输入端导通占空比减小，从而输出端的电压下降，净流出的电流也会因为输出端电压下降而减小，最终电路达到一个稳定态。死区的存在可以避免电池电压和输出电压偏差过大时，电路的净流出电流无限制增长，适当设计死区的比例，可以提高电池组平衡的电压范围，并可以控制平衡电流不会无限制增长。本专利技术中多极双向DC-DC电路的特征决定了，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多极双向DC‑DC的锂电池组无损平衡技术，其特征在于：对于由n个电池串联构成的电池组，系统由n‑1个双向DC‑DC电路串联而成，并由多相位PWM控制器根据特定的逻辑驱动DC‑DC电路的MOS开关管。

【技术特征摘要】
1.一种多极双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术，其特征在于：
对于由n个电池串联构成的电池组，系统由n-1个双向DC-DC电路串联而成，并由多相位
PWM控制器根据特定的逻辑驱动DC-DC电路的MOS开关管。
2.根据权利要求1一种多极双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术，其特征在于：
双向DC-DC电路的基本拓扑结构可以是Buck-Boost，也可以是CUK，也可以是基本拓扑
的其它变化形式。
3.根据权利要求1一种多极双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术，其特征在于：
Buck-Boost结构的多极双向DC-DC电路由n个MOS开关管、n个滤波电容和n-1个电感构
成；第一个MOS管源极同电池组负极相连，漏极同第二个MOS管的源极相连，依此类推，第n个
MOS管的漏极与电池正极相连，第一个电感的左端与第一个MOS管的漏极相连，依此类推，第
n-1个电感的左端与第n-1个MOS管的漏极相连，n-1个电感的右端与电池组的正负极共同构
成多极双向DC-DC的n+1的输电极，n个电容分别连接在相邻的两个输电极之间用作滤波。
4.根据权利要求1一种多极双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术，其特征在于：
正常工作时，一个工作周期T内，多相PWM控制器顺次关闭从第n到1个MOS管各T/n时间
周期，其它时间保持开启。
5.相...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永利，
申请(专利权)人：陈永利，
类型：发明
国别省市：陕西;61