一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为L

【技术实现步骤摘要】
一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法
本专利技术属动力电池均衡
，涉及一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，适用于新能源汽车中电池管理系统。
技术介绍
近年，随着环境污染越来越严重以及石油资源的日渐匮乏，新能源汽车也越来越受欢迎。锂电池因具有能量密度高、循环寿命长的优点，逐渐成为新能源汽车的主要动力源。由于单体电压及容量较低，应用中需要将电池串并联构成电池组的形式。单体电池受生产工艺等因素影响，在循环充放电一段时间后会出现不一致现象，从而降低电池组的能量利用率及循环寿命，并且容易导致出现过充和过放现象。均衡技术对于改善电池组的不一致性具有重要意义。目前，均衡技术主要分为两类：被动均衡和主动均衡。被动均衡主要采用电阻作为每个电池的分流器，把高能量单体多余的能量转换为热能消耗掉。该方法优点是体积小，成本低，但能量损耗和散热问题是其关键缺点。主动均衡是近年均衡技术研究的热点，通过电容、电感、变换器等储能器件从高能量单体电池中转移能量到低能量的单体，从而实现电池组的均衡，也称非能耗型均衡或无损均衡。基于开关电容的均衡方法具有均衡电路体积小，易于控制的优点，但其均衡效率不高，电容均衡时间较长，当电池单体之间电压相差不大时此问题尤其明显。基于电感的均衡方法具有较高的均衡效率，但其电路结构复杂，需要MOS管及电感数量较多，控制复杂且不利于均衡系统体积的缩小。基于单电感谐振电路的均衡方法，其采用的单电感谐振电路在谐振频率附近进行切换，使得均衡回路中的阻抗最小，具有均衡效率高，均衡速度快等优点，但开关器件多，控制复杂。基于变压器的均衡方法具有均衡效率高，控制简单，易于隔离的优点，但变压器设计较为复杂且存在磁饱和问题，导致均衡拓扑体积较大，不易模块化，成本较高且不易扩展。基于Buck、Boost等变换器的均衡方法可以实现能量的双向流动，均衡效率较高，均衡速率快，但是仍具有体积大、控制复杂、成本高等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有均衡方法的缺点与不足，提出了一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，改善串并联电池组不均衡现象，延长串并联电池组使用寿命。为达到上述目的，本专利技术按照以下技术方案实施。一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp；在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；电感Ls与一个二极管、一个MOS管串联，电感Lp与一个二极管、一个MOS管串联，得到两个电感—二极管—MOS管串联电路；两个电感—二极管—MOS管串联电路并联连接；串联电池组的左桥臂的末端、右桥臂的末端，均与并联在一起的两个电感—二极管—MOS管串联电路的两端连接；串联电池组内均衡时，电感Ls储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，电感Lp储能，实现均衡能量直接从平均SOC最高的串联电池组转移到平均SOC最低的串联电池组。优选的，串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2…Pm；每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的左、右桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，x为并联在一起的各串联电池组的序号；电感分别标记为Ls和Lp，与电感串联的MOS管对应标记为Ss和Sp；均衡方法的目标为，使串联电池组的各单体SOC趋于一致，使串并联电池组的各串联电池组平均SOC趋于一致；实现上述目标包括以下步骤：当串联电池组内各单体SOC和串并联电池组间各串联电池组平均SOC的不一致性超过给定阈值时，均衡拓扑启动；串联电池组内各单体均衡时，负责串联电池组内均衡的MOS管Ss保持导通；单体Bxi的SOC最高，Bxj的SOC最低，其中i、j为串联电池组单体的序号；均衡过程分为两个阶段：第一阶段，单体Bxi对应的MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通，单体Bxi给电感Ls储存能量；第二阶段，MOS管Sx(2i-1)、Sx(2i)断开，单体Bxj对应的MOS管Sx(2j-2)、Sx(2j+1)导通，电感Ls给单体Bxj充电；最终实现均衡能量在任意单体间转移；串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，负责并联在一起的串联电池组间均衡的MOS管Sp保持导通；串并联电池组内的串联电池组Pi的平均SOC最高，Pj的平均SOC最低，其中i、j为并联在一起的串联电池组的序号；均衡过程分为两个阶段：第一阶段，MOS管Si1、Si(2n)导通，串联电池组Pi对电感Lp充电；第二阶段，MOS管Si1、Si(2n)断开，MOS管Sj0、Sj(2n+1)导通，电感Lp对串联电池组Pj充电；最终实现均衡能量在任意并联电池组间转移。上述各个阶段想要顺利实施，需要对电路核心元器件的参数进行计算分析，设定合适的电路参数。首先对串联电池组组内均衡进行参数设计。假设串联电池组中单体Bxi的电压最大且值为Ui，单体Bxj的电压最小且值为Uj，其中i、j为串联电池组单体的序号；回路所有开关器件的总导通压降为ΔU；时间表示为t；组内均衡周期表示为T；电感充电和放电的PWM波占空比分别为α和α′；对应电感表示为Ls；为保证均衡速度和可靠性，需要首先确定串联电池组单体均衡的最大均衡电流Is。在第一阶段，当MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通时，单体Bxi为电感Ls充电，流过Ls的电流线性上升，Ls储能。第一阶段的时间t为αT，忽略闭合回路的阻抗，最大均衡电流即电感峰值电流Is为：根据所需的最大均衡电流与选定的开关频率f可得电感Ls：电感电流is的表达式如下：当t＝T时，由于t>(α+α′)T，则：进一步推导可得：在第二阶段开始时，MOS管Sx(2j-2)和Sx(2j+1)导通，电感电流近似线性下降，根据基尔霍夫定律可得：代入上述初始条件，可得：将上式与(1)联立可得:串并联电池组内各串联电池组间的均衡和串联电池组内各单体均衡的参数计算是类似的，由于两者均衡对象的电压不同，导致最优储能电感的参数不同。综合考虑并联在一起的串联电池组间均衡速度和可靠性，设定最大均衡电流Ip。假设并联电池组Pi的电压最大且为UPi，电池组Pj的电压最小且为UPj，其中i、j为并联在一起的串联电池组的序号；对应电感表示为Lp。参照串联电池组内单体均衡的参数计算，得出电感Lp为：综上，根据选择合适的最大均衡电流和对应的均衡周期，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：/n串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；/n串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为L

【技术特征摘要】
1.一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：
串并联电池组共有m组串联电池组并联，每组串联电池组包含n个单体；
串并联电池组的均衡拓扑包括(2m*n+2m+2)个MOS管、(2m*n+2m+2)个二极管、两个电感；两个电感分别标记为Ls和Lp；
在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管和二极管的串联电路连接；所述MOS管和二极管的串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管；
电感Ls与一个二极管、一个MOS管串联，电感Lp与一个二极管、一个MOS管串联，得到两个电感—二极管—MOS管串联电路；两个电感—二极管—MOS管串联电路并联连接；
串联电池组的左桥臂的末端、右桥臂的末端，均与并联在一起的两个电感—二极管—MOS管串联电路的两端连接；
串联电池组内均衡时，电感Ls储能，实现均衡能量直接从SOC最高的单体转移到SOC最低的单体；
串并联电池组内的各串联电池组间均衡时，电感Lp储能，实现均衡能量直接从平均SOC最高的串联电池组转移到平均SOC最低的串联电池组。


2.根据权利要求1所述的一种基于电感储能的串并联电池组一体化主动均衡方法，其特征在于：
串并联电池组中的串联电池组分别标记为P1，P2…Pm；
每组串联电池组中，每个单体依次标记为Bx1，Bx2，…，Bxn，单体的左、右桥臂连接的MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，x为并联在一起的各串联电池组的序号；
电感分别标记为Ls和Lp，与电感串联的MOS管对应标记为Ss和Sp；
均衡方法的目标为，使串联电池组的各单体SOC趋于一致，使串并联电池组的各串联电池组平均SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
当串联电池组内各单体SOC和串并联电池组间各串联电池组平均SOC...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭向伟，刘震，朱军，张伟，刘鹏辉，许孝卓，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41