一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法技术

本发明专利技术涉及一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，包括：桥式LC谐振电路，由两个桥式电路以及串联LC单元构成，用于电池单体间能量回收转移；开关阵列，为电池能量转移提供路径；采用预测电流的SOC估算方法，实现对组内电池的能量平衡。本发明专利技术具有以下优点：零电流开关，降低开关功率损耗以及EMI水平；两种工作模式，能够分别满足对均衡速度和效率的需求；控制简单，通过两组互补、定频、定占空比的PWM信号即可实现控制；基于预测电流的SOC估算方法，无需外加电流传感器，通过电池电压及电路参数预测电流值实现SOC估算，解决了直接进行电流采样增加控制器负担的问题，降低了对系统硬件的要求。

A Bridge LC Resonant Lithium Battery Equalization Circuit and Its SOC Estimation Method

The present invention relates to a bridge LC resonant lithium battery equalization circuit and its SOC estimation method, including: a bridge LC resonant circuit consisting of two bridge circuits and a series LC unit for energy recovery and transfer between cells; a switch array to provide a path for energy transfer of batteries; and a SOC estimation method for predicting current to achieve energy balance of batteries in a group. The invention has the following advantages: zero-current switch, reducing switching power loss and EMI level; two working modes can meet the requirements of equalization speed and efficiency respectively; simple control can be achieved by two complementary, fixed-frequency and fixed duty-cycle PWM signals; SOC estimation method based on predicted current, without additional current sensors, through battery voltage and electricity. The predicted current value of circuit parameters realizes SOC estimation, solves the problem of directly sampling current to increase the burden of controller, and reduces the requirement of system hardware.

【技术实现步骤摘要】
一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法
本专利技术涉及用于锂电池的电池均衡技术及SOC估算方法。具体涉及使用桥式LC串联谐振电路和基于预测电流的SOC估算方法实现对锂电池的均衡。
技术介绍
锂离子电池具有高能量密度、体积小、安全性高等优点，成为目前使用最多的动力电池，牢牢占据着市场上的主导地位。在实际使用中，电动汽车的工作电压大约为300V左右，这就要求数量较多的电池串联使用。由于生产、使用和储存过程导致的不一致性，各单体电池的行为会表现出差异性，且在数次充放电循环后，这种不均衡现象会越来越严重。由于电池组内电池单体之间的不一致性，会造成电池组使用性能下降，使用寿命减少，进而降低了电动汽车的续驶里程。因此对电池组进行高效、可靠的均衡具有重要的实际应用意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决传统非耗散式均衡均衡速度慢，控制复杂，开关损耗大等问题，由此提出一种桥式LC谐振锂电池均衡电路，采用预测电流的SOC估算方法进一步降低对系统硬件资源的要求，并且该专利技术具有两种均衡模式。本专利技术电路包括微控制器、桥式LC谐振电路、开关阵列以及基于预测电流SOC估算方法。桥式LC谐振电路由两个全桥电路构成，一个全桥电路包含四个MOSFET管，每一个桥臂连接一个MOSFET管，在第一个全桥电路桥臂中点处连接第二个全桥电路，在第二个全桥电路桥臂中点处串联有电感L和电容C。桥式LC谐振电路在四路PWM信号驱动下，交替工作在充电和放电两个状态。其中，桥式LC谐振电路根据PWM信号的不同可实现两种工作模式。工作模式一：外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路使用另一组状态互补的PWM信号，外层开关频率是内层开关频率的两倍。此时，桥式LC电路工作于谐振状态，实现了零电流开关，降低了开关损耗，且桥式LC电路定期调换电容电压极性以提高电池与电容电压差的幅值，增大了均衡电流，提升了均衡速度。工作模式二：外层桥式电路使用一组状态互补的PWM信号，内层桥式电路一组常闭，另一组常开。此时，桥式LC电路工作于谐振状态，实现了零电流开关，降低了开关损耗，电路控制更简单，均衡效率更高；电容极性不发生改变，相较于工作模式一均衡电流小，均衡速度慢。SOC估算方法在不增加电流传感器的情况下，通过对电路各状态的分析，利用电池电压及电路参数值预测出均衡电流值，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)估算出电池SOC值。本专利技术的优点为：(1)实现零电流开关，能够降低开关功率损耗以及EMI水平；(2)可实现两种工作模式，能够分别满足对均衡速度及均衡效率的需求；(3)控制简单，通过两组互补、定频、定占空比的PWM信号即可控制均衡电路；(4)基于预测电流的SOC估算方法，无需外加电流传感器，通过电池电压及电路参数预测电流值实现SOC估算，解决直接进行电流采样造成控制器负担加重的问题，降低了对系统硬件的要求。附图说明图1为本专利技术桥式LC谐振锂电池均衡电路结构示意图；图2为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式一时充电工作原理图；图3为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式一时放电工作原理图；图4为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式一时的波形原理图；图5为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式二时充电工作原理图；图6为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式二时放电工作原理图；图7为本专利技术桥式LC谐振电路工作模式二时的波形原理图；图8为本专利技术SOC估算方法的流程图；图9为本专利技术扩展卡尔曼滤波的算法流程图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。如图1所示，一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，硬件部分主要包括微控制器、桥式LC谐振电路、开关阵列。所述微控制器包括模数转换模块、驱动电路和通用I/O端口。其中，模数转换模块用于采集电池单体的电压，将其转换成数字信号用于SOC估算，从而确定SOC最高和最低的电池单体编号；驱动电路用于放大PWM脉冲以驱动功率开关器件；通用I/O端与开关阵列连接，用于译码微控制器确定的最高SOC和最低SOC对应的单体电池编号，控制开关阵列将电池组中任意位置的SOC最高和最低的电池单体选通至桥式LC谐振电路。所述桥式LC谐振电路包括一个LC电路和8个MOSFET管，其中MOSFET管S1和S3由一路PWM1+信号驱动，S2和S4由另一路状态互补的PWM1-信号驱动；S5和S8由一路PWM2+信号驱动，S6和S7由另一路状态互补的PWM2-信号驱动。桥式LC谐振电路在四路PWM信号驱动下，交替工作在充电和放电两个状态。并且桥式LC谐振电路在PWM信号控制下具有两种工作模式。所述开关阵列由继电器和均衡母线构成，其中Q1,1+、Q2,1+、Q1,n-和Q2,n-为单刀单掷继电器，其余开关均为单刀双掷继电器。同一时刻只能将一个高SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的高压侧，并将一个低SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的低压侧，提供电能流通的路径。所述均衡过程为开关阵列先将两节待均衡的单体电池与LC谐振电路稳定连接，之后电量高的电池将能量转移至LC谐振电路内，最后LC谐振电路将其存储的能量转移到低电量电池中，实现能量传递，在该过程中，能量总是从电量高的一侧流向电量低的一侧。重复上述过程，直至实现两电池电量均衡。所述充电状态为LC谐振电路通过开关阵列与高SOC值单体电池并联；放电状态为LC谐振电路通过开关阵列与低SOC值单体电池并联。所述SOC估算方法在不增加电流传感器的情况下，通过对电路各状态的分析，利用电池电压及电路参数值预测出均衡电流值，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)估算出电池SOC值。实施例一本专利技术实施例描述了均衡电路工作在模式一下的实现流程，详述如下:以6节单体电池为例，假设单体电池B1为电量最高的电池单体，B4为电量最低的电池单体。均衡电路的微控制器对电池组内的电池单体进行电压采集，根据SOC估算算法确定各单体电池的SOC值及其对应的电池编号，并判断是否满足均衡开启条件。若满足，则进行均衡。此时，微控制器通过I/O端口控制开关继电Q1,1+、Q1,1-、Q2,4+和Q2,4-，将SOC最高的单体电池B1和SOC最低的单体电池B4接入桥式LC谐振电路。如图2～4所示，控制器共有两组互补信号PWM1、PWM2，其中PWM1包括PWM1+、PWM1-，PWM2包括PWM2+、PWM2-。当PWM2+为高电平，PWM2-为低电平时，MOSFET管S5和S8导通。此时微控制器发出另一组驱动信号PWM1：当PWM1+为高电平，PWM1-为低电平时，MOSFET管S1和S3导通，单体电池B1接入谐振电路，工作在充电状态；当PWM1-为高电平，PWM1+为低电平时，MOSFET管S2和S4导通，单体电池B4接入谐振电路，工作于放电状态。当PWM2-为高电平而PWM2+为低电平时，MOSFET管S6和S7导通，电容电压极性实现反转。此时微控制器发出另一组驱动信号PWM1：当PWM1+为高电平，PWM1-为低电平时，MOSFET管S1和S3导通，单体电池B1接入谐振电路，工作在充电状态；当PWM1-为高电平，PWM1+为低电平时，MOSFET管S2和S4导通，单体电池B4接入谐振电路，工作于放电状态。特别的，当外桥PWM频率等于LC谐振电路固有谐振频率，内桥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，包括：微控制器，包括数模转换模块、驱动电路和通用I/O端口；桥式LC谐振电路,包括两个全桥电路，一个全桥电路包含四个MOSFET管，每一个桥臂连接一个MOSFET管，在第一个全桥电路桥臂中点处连接第二个全桥电路，在第二个全桥电路桥臂中点处串联有电感L和电容C；开关阵列由继电器和均衡母线构成，同一时刻只能将一个高SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的高压侧，并将一个低SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的低压侧，提供电能回收和电能供给的路径；SOC估算方法是基于预测电流与扩展卡尔曼滤波法(EKF)。

【技术特征摘要】
1.一种桥式LC谐振锂电池均衡电路及其SOC估算方法，包括：微控制器，包括数模转换模块、驱动电路和通用I/O端口；桥式LC谐振电路,包括两个全桥电路，一个全桥电路包含四个MOSFET管，每一个桥臂连接一个MOSFET管，在第一个全桥电路桥臂中点处连接第二个全桥电路，在第二个全桥电路桥臂中点处串联有电感L和电容C；开关阵列由继电器和均衡母线构成，同一时刻只能将一个高SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的高压侧，并将一个低SOC值的单体电池接入桥式LC谐振电路的低压侧，提供电能回收和电能供给的路径；SOC估算方法是基于预测电流与扩展卡尔曼滤波法(EKF)。2.如权利要求1所述的微控制器，其中所述的数模转换模块用于采集电池的单体电压，并将其转换为数字信号，用于SOC估算；驱动电路用于放大PWM脉冲以驱动功率开关器件；通用I/O端口，用于译码微控制器确定的最高SOC和最低SOC对应的单体电池编号，控制开关阵列将电池组中任意位置的SOC最高和最低的电池单体选通至桥式LC谐振电路。3.如权利要求1所述的桥式LC谐振电路包括一个LC电路和8个MOSFET管，其中MOSFET管S1和S3由一路PWM1+信号驱动，S2和S4由另一路状态互补的PWM1-信号驱动；S5和S8由一路PWM2+信号驱动，S6和S7由另一路状态互补的PWM2-信号驱动；在这两对状态互补的PWM信号驱动下，...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴鹏，常文宇，李景杰，郑曦，公铮，王江彬，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32