基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于LC双极性谐振的Cells‑to‑Cells均衡电路，均衡过程中，微控制器输出四路频率等于LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波驱动信号使均衡源单元和均衡目标单元通过开关网络双极性、循环地连接至LC谐振支路，使LC谐振支路循环地工作在正极性充电、正极性放电、反极性充电和反极性放电状态，实现能量从源单元传输至均衡目标单元的零电流开关均衡。本实用新型专利技术实现了均衡过程中谐振电容C残余电压的等效释放，且均衡源单元和均衡目标单元均可为任意节相邻的电池单体(Cells)，具有功率密度高、均衡效率高、控制灵活、易于模块化制造的优点。

Cells to cells equalization circuit based on LC bipolar resonance

【技术实现步骤摘要】
基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路
本技术涉及电池组均衡
，具体涉及一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路。
技术介绍
随着传统能源的逐渐枯竭和人们环保意识的逐渐增强，“零排放”电动汽车的发展得到了各国政府和各大汽车制造公司的大力推动，新能源发电的规模也快速攀升。在电动汽车上通常采用锂离子电池来组成电池组，这是因为锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长等优点，能够满足电动汽车高功率及长续航的需求。新能源发电系统同样需要大量的锂离子电池，这是由于风能、太阳能等以自然资源为基础的可再生能源发电具有波动性、间歇性和不可准确预测性，需要大规模的储能电站来防止并网时对电网产生冲击，而锂离子电池储能系统是现阶段较适合工程应用的技术。为了达到所需的高电压，在电动汽车的动力电池组与新能源发电的储能电站中，通常需要将大量的锂离子电池串联构成电池组。但是，锂离子电池在制造时存在制造公差，各电池单体在容量、内阻、自放电率上存在差异，并且在组成电池组后各自的工作环境(如温度)及劣化程度有所不同。因此，串联电池组内电池单体间的电压、荷电状态(SOC)具有不一致性，这将导致电池组整体的可用容量降低，并容易引发充放电过程中电池单体的过充电或过放电。这种不一致性还会随着电池循环次数的增长而增长，最终严重影响电池组的可用容量，导致电池组寿命早衰，甚至引发起火爆炸等安全问题。针对上述问题，为了预防或消除电池单元间的不一致性，需要采用均衡技术来减少电压较高(SOC较高)电池单体的能量，或增加电压较低(SOC较低)电池单体的能量，从而使得串联电池组内电池单体间能量、电压、SOC保持一致。目前，均衡技术主要分为两大类：被动均衡技术及主动均衡技术。被动均衡技术也称为能量耗散型均衡，主动均衡技术也称为能量非耗散型均衡。被动均衡技术通常采用将电压较高电池单元的能量通过耗散电阻转化为热能耗散掉的技术路线，均衡效率为零，且会加重电池热管理的负荷。主动均衡技术在电池组静置或充放电时，将电压较高(SOC较高)的电池单体能量传输给电压较低(SOC较低)的电池单体，避免电池单体提前达到充电截止电压或放电截止电压，使电池组能充分充放电，最大化利用电池组容量。目前，主动均衡技术结构和控制较复杂，但在均衡效率上相较被动均衡技术具有绝对优势。中国技术专利(申请号CN201310278475.2)公开了一种零电流开关主动均衡电路，利用LC准谐振电路对电池组中电压差最大的两个电池单体进行零电流开关均衡，提高了均衡的效率，有效改善了电池单体间的不一致性。但是由于其使用的开关器件存在导通压降，因此不能够将两个电池单体的电压均衡至完全一样，并且均衡电流较小，均衡耗时长，还存在均衡效率与电池单体间电压差成负相关的问题。中国技术专利(申请号CN201410219756.5)通过开关矩阵实现了电池组中任意节相邻的电池单体组合(Cells)到任意节相邻的电池单体组合(Cells)的均衡，增大了均衡电流，并通过控制最优充、放电组合的电池单体节数之差实现了零电压差均衡，但是其最优放电组合与最优充电组合中包含的电池单体节数之差必须大于等于1，使得其控制不够灵活。中国技术专利(申请号CN201610068511.6)公开了一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell主动均衡电路，其通过引入三谐振状态LC变换模块，即在原有的LC谐振充电、放电两个状态的基础上，加入第三个释放状态，从而提升了均衡电流，实现了均衡效率与电池单体间电压差的解耦，并且能够使电池组内电池单体的电压均衡至完全一样。但是正是由于释放状态的引入，LC变换模块在该释放状态内没有与任何一电池单元相连接，即其有1/3的时间没有进行能量传输，这降低了均衡的速度，也导致均衡效率有少许下降。该技术的AdjacentCell-to-Cell结构还使其不能实现能量在不相临接电池单元间的传输，如果压差最大的电池单元恰好处在串联电池组的首尾两端，则该电路需要将能量经电池组内所有电池单体进行传递，使无需均衡的电池单体进行了多余的充电、放电过程，消耗了电池的使用寿命，也使得均衡效率变得低下。此外，在该技术中，一旦LC变换模块的参数确定好后，均衡过程中微控制器便无法控制均衡电流的大小，使得实际应用中难以根据实际需要切换大电流均衡还是小电流均衡，控制不够灵活。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路。本技术将每个电池单体的正、负极都通过双向开关连接至LC谐振支路的正端(均衡母线a)、反端(均衡母线b)，由微控制器发送四路频率为LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波驱动信号控制LC谐振支路循环工作在正向充电、正向放电、反向充电和反向放电状态，通过正向、反向充放电的过程实现谐振电容C中剩余电荷的等效释放，从而实现电池组内任意两节电池单体之间的零电流开关高效率均衡，也可实现任意节相邻电池单体到任意节相邻电池单体(Cells-to-Cells)的零电流开关快速均衡，提高了均衡电流的均衡电流，特别地还具有快速削峰模式和快速填谷模式。均衡的源单元和均衡目标单元和能量流动的方向仅取决于微控制器驱动信号的输送至开关网络的位置和时序，因此可以通过改变源单元和均衡目标单元来调节电路的均衡电流。本技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，所述的均衡电路包括N个串联电池单体、1个LC谐振支路、1个开关网络、1个续流网络、1个微控制器、以及电压采样电路与驱动电路，所述的N个串联电池单体通过开关网络连接LC谐振支路，微控制器通过驱动电路驱动开关网络。所述的N个串联电池单体由N个电池单体依次串联组成，每个电池单体的正负极通过开关网络连接至LC谐振支路；所述的LC谐振支路包括1个谐振电感L和1个谐振电容C，其中，谐振电感L与谐振电容C串联组成电感电容串联谐振单元，串联等效电阻为Rs，电感电容串联谐振单元两端分别与开关网络的均衡母线a和均衡母线b连接；所述的开关网络由2N+2个双向可控开关和均衡母线a、b组成，双向可控开关分为上下两组，即S0a、S1a、...、Sia、...、SNa与S0b、S1b、...、Sib、...、SNb，其中Sia与Sib一一对应且公共连接点为电池单元Bi正极，i＝1,2,...,N，Sia两端分别与均衡母线a和电池单元Bi正极连接，Sib两端分别与均衡母线b和电池单元Bi正极连接，S0a两端分别与均衡母线a和电池单元B1负极连接，S0b两端分别与均衡母线b和电池单元B1负极连接；所述的续流网络由4个二极管Dj，j＝1,2,3,4组成，其中D1、D2阳极与电池单元B1负极相连，D3、D4阴极与电池单元BN正极相连，D1阴极、D3阳极与均衡母线b相连，D2阴极、D4阳极与均衡母线a相连；所述的微控制器包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的均衡电路包括N个串联电池单体、1个LC谐振支路、1个开关网络、1个续流网络、1个微控制器、以及电压采样电路与驱动电路，所述的N个串联电池单体通过开关网络连接LC谐振支路，微控制器通过驱动电路驱动开关网络；/n所述的N个串联电池单体由N个电池单体依次串联组成，每个电池单体的正负极通过开关网络连接至LC谐振支路；/n所述的LC谐振支路包括1个谐振电感L和1个谐振电容C，其中，谐振电感L与谐振电容C串联组成电感电容串联谐振单元，串联等效电阻为Rs，电感电容串联谐振单元两端分别与开关网络的均衡母线a和均衡母线b连接；/n所述的开关网络由2N+2个双向可控开关和均衡母线a、b组成，双向可控开关分为上下两组，即S

【技术特征摘要】
1.一种基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的均衡电路包括N个串联电池单体、1个LC谐振支路、1个开关网络、1个续流网络、1个微控制器、以及电压采样电路与驱动电路，所述的N个串联电池单体通过开关网络连接LC谐振支路，微控制器通过驱动电路驱动开关网络；
所述的N个串联电池单体由N个电池单体依次串联组成，每个电池单体的正负极通过开关网络连接至LC谐振支路；
所述的LC谐振支路包括1个谐振电感L和1个谐振电容C，其中，谐振电感L与谐振电容C串联组成电感电容串联谐振单元，串联等效电阻为Rs，电感电容串联谐振单元两端分别与开关网络的均衡母线a和均衡母线b连接；
所述的开关网络由2N+2个双向可控开关和均衡母线a、b组成，双向可控开关分为上下两组，即S0a、S1a、...、Sia、...、SNa与S0b、S1b、...、Sib、...、SNb，其中Sia与Sib一一对应且公共连接点为电池单元Bi正极，i＝1,2,...,N，Sia两端分别与均衡母线a和电池单元Bi正极连接，Sib两端分别与均衡母线b和电池单元Bi正极连接，S0a两端分别与均衡母线a和电池单元B1负极连接，S0b两端分别与均衡母线b和电池单元B1负极连接；
所述的续流网络由4个二极管Dj，j＝1,2,3,4组成，其中D1、D2阳极与电池单元B1负极相连，D3、D4阴极与电池单元BN正极相连，D1阴极、D3阳极与均衡母线b相连，D2阴极、D4阳极与均衡母线a相连；
所述的微控制器包括数模转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，所述的数模转换模块将来自电压采样电路的模拟信号转换为数字信号，所述的PWM信号输出端输出至驱动电路，发出驱动信号，用于控制开关网络中2N+2个双向可控开关的导通与关断，将均衡源单元或均衡目标单元正极性或反极性连接至LC谐振支路。


2.根据权利要求1所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的驱动信号由四路频率为LC谐振频率一半、相位互差90度、占空比为25％的矩形波信号组成。


3.根据权利要求1所述的基于LC双极性谐振的Cells-to-Cells均衡电路，其特征在于，所述的开关网...

【专利技术属性】
技术研发人员：康龙云，罗璇，林鸿业，杨青帆，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东;44