基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略技术方案

本发明专利技术涉及一种基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略，锂电池管理系统由依次串联的N个半桥模块组成，通过控制各个模块半桥开关器件的开闭，控制电池电流流向与母线电压，其中锂电池均衡控制策略，运用闭环控制获得基本控制占空比，在获得基本控制占空比后，根据各电池电量状况，旁路或锁定接入电量过低或过高的模块，同时重新计算分配其余模块的控制占空比，从而在保证等效两电平输出前提下，实现快速的电池电量的均衡控制。

【技术实现步骤摘要】
基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略
本专利技术涉及锂电池
，具体涉及一种基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略。
技术介绍
锂电池具有能量密度大、使用寿命长、无污染、无记忆效应、工作温度范围宽、自放电小等优点，在航空航天、微网储能、电动汽车、以及能源互联网中都发挥着巨大的作用。由于锂电池单体电压及容量限制，往往需要用串联和并联的方式来满足使用场景对电压和电流的需求，然而由于锂电池自身材料的特性，伴随串联电池组的使用，单体电池剩余电量的不一致性会导致电池组的能量迅速下降，因此电池组的均衡手段一直是研究热点，现有的电池均衡手段，绝大部分是在锁定接入电池的基础上，并联电池管理电路，此类方法为保证串联电池的电量均衡，将不平衡的电量转移或者直接消耗掉，但是此类方法都有其相应的缺点。但是此类方法都有均衡能力有限，或者均衡电路复杂的缺点，中国专利申请号201510653845.5公开的一种简易的电池组电池均衡方法，提出了一种整体放电，再个别均衡的均衡方法，但是此种方法需要将电池单独维护，过程较为繁琐，无法在运行时动态进行；另外，中国专利申请号201210142426.1公开了一种电池的均衡系统及方法，提出一种电池均衡系统，通过变压器转移电池多余电量，控制较为简单，但是此种系统拓扑复杂，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于针对上述问题，提供一种能够提保证锂电池电量均衡且延长电池使用寿命的基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于半桥串联的锂电池管理系统，包括若干个依次串联的半桥模块，所述半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，所述功率半桥模块包括至少一个开关器件，所述电池模块包括至少一锂电池，所述功率半桥模块的正、负端与所述锂电池的正、负端连接，每个所述半桥模块包括COM端和负端，多个所述半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个所述半桥模块由最顶端的所述半桥模块的COM端和最底端的所述半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个所述半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。在本专利技术的较佳实施例中，所述功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi,其中i取1至N。在本专利技术的较佳实施例中，所述电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，所述锂电池与所述电感Lfi串联后一起并联在所述电容Cfi的两端,其中i取1至N。一种基于半桥串联的锂电池控制策略，包括上述的基于半桥串联的锂电池管理系统，包括以下步骤：1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比dm为控制目标，通过电压闭环或电流闭环调节控制各基本模块占空比，从而达到控制直流母线放电电压/充电电流的效果；3)使用传感器获取各个半桥模块中电池的电极电压及输出电流，经过均值计算后获得各模块的电量数组SOC[i]和平均电量SOCavr，并通过快速排序算法获得电量顺序数组SOCorder[i],其中i取1至N；4)当检测到各模块SOC不平衡时，启动均衡控制，通过在系统中设定SOC阈值，选定SOC过高的模块,使其在充电时旁路、放电时锁定接入；选定SOC过低的模块，使其在充电时锁定接入、放电时旁路；同时根据旁路模块数P、锁定接入模块数S及总模块数N，按照公式计算并调节其余模块的控制占空比dc，从而让不同SOC等级的模块按照不同的电流充放电，达到SOC均衡的效果；5)当调整到各模块SOC不需要继续均衡时，切换回普通移相脉冲宽度调制技术PWM控制方式，只控制直流母线放电电压或充电电流。在本专利技术的较佳实施例中，在步骤3)中，选定SOC过高的S个模块和选定SOC过低的P个模块，为防止dc大于100％或小于0，S与P应满足S＜dm×N以及P＜(1-dm)×N。在本专利技术的较佳实施例中，在步骤3)中，为调节其余模块的控制占空比dc，在旁路模块数P和锁定接入模块数S变化时，需要调节其剩余模块的移相角，使其移相角相等，以保证输出的稳定。本专利技术中的基于半桥串联的锂电池管理系统及其控制策略，具有以下优点：1)在充放电的同时，调节各模块充放电速率，从而调整电池组SOC使之趋同，从而提高电池模块和储能系统的可用率，延长电池使用寿命；2)该控制策略与输出电压控制/充电电流控制解耦，可以在与原本直流母线控制方法解耦的前提下，保证锂电池电量均衡；3)相较于通过微调模块占空比实现电量均衡的方法，本专利技术在直流母线上不会产生多于两电平的电压波形，减少了其对直流母线端输出特性的影响，改善输入输出电流质量，减少无源器件的体积。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。附图说明图1为本专利技术实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的电路图；图2为本专利技术实施例中基于半桥串联的锂电池控制策略的主控制流程图；图3为本专利技术实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的定电压放电SOC均衡变化图；图4为本专利技术实施例中基于半桥串联的锂电池管理系统的定电流充电SOC均衡变化图。具体实施方式参照图1，一种基于半桥串联的锂电池管理系统，包括若干个依次串联的半桥模块，半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi，(i取1至N),在本实施例中，N＝100,电池模块包括一锂电池Bi，电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，锂电池与电感Lfi串联后一起并联在电容Cfi的两端，功率半桥模块的正、负端与锂电池的正、负端连接，每个半桥模块包括COM端和负端，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个半桥模块由最顶端的半桥模块的COM端和最底端的半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。参照图2，具体的控制策略包括以下步骤：1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比dm为控制目标，通过电压闭环或电流闭环调节控制各基本模块占空比，从而达到控制直流母线放电电压/充电电流的效果；3)使用传感器获取各个半桥模块中电池的电极电压及输出电流，经过均值计算后获得各模块的电量数组SOC[i]和平均电量SOCavr，并通过快速排序算法获得电量顺序数组SOCorder[i],其中i取1至N；4)当检测到各模块SOC不平衡时，启动均衡控制，通过在系统中设定SOC阈值，选定SOC过高的模块,使其在充电时旁路、放电时锁定接入；选定SOC过低的模块，使其在充电时锁定接入、放电时旁路；同时根据旁路模块数P、锁定接入模块数S及总模块数N，按照公式计算并调节其余模块的控制占空比dc，从而让不同SOC等级的模块按照不同的电流充放电，达到SOC均衡的效果，选定SOC过高的S个模块和选定SOC过低的P个模块，为防止dc大于100％或小于0，S与P应满足S＜dm×N以及P＜(1-dm)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：包括若干个依次串联的半桥模块，所述半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，所述功率半桥模块包括至少一个开关器件，所述电池模块包括至少一锂电池，所述功率半桥模块的正、负端与所述锂电池的正、负端连接，每个所述半桥模块包括COM端和负端，多个所述半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个所述半桥模块由最顶端的所述半桥模块的COM端和最底端的所述半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个所述半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。

【技术特征摘要】
1.一种基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：包括若干个依次串联的半桥模块，所述半桥模块包括相互并联连接的功率半桥模块与电池模块，所述功率半桥模块包括至少一个开关器件，所述电池模块包括至少一锂电池，所述功率半桥模块的正、负端与所述锂电池的正、负端连接，每个所述半桥模块包括COM端和负端，多个所述半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联，串联后的多个所述半桥模块由最顶端的所述半桥模块的COM端和最底端的所述半桥模块的负端作为整个锂电池管理系统的充放电接口，通过控制各个所述半桥模块中的开关器件的开合从而控制每个半桥模块的输出电流流向，从而控制整个锂电池管理系统的母线电压值。2.根据权利要求1所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：所述功率半桥模块包括相互串联的两个开关器件Dui和Ddi,其中i取1至N。3.根据权利要求1所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：所述电池模块中还包括一电感Lfi和一电容Cfi，所述锂电池与所述电感Lfi串联后一起并联在所述电容Cfi的两端,其中i取1至N。4.一种基于半桥串联的锂电池控制策略，包括权利要求1-3中任意一项所述的基于半桥串联的锂电池管理系统，其特征在于：包括以下步骤：1)初始化锂电池管理系统中各个半桥模块，多个半桥模块由其COM端、负端为接口依次串联；2)使用传感器获取系统直流母线上的电压电流信息，以所有半桥模块全部运行时的基本占空比d...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟超，魏闻，张风燕，陈颖，刘成运，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35