一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，串并联电池组由m组串联电池组并联而成，每组串联电池组包含n个单体；均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、(2m*n+2m)个二极管、一个电感；主动均衡方法为，通过均衡拓扑，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致。本发明专利技术的特点是：①基于电感储能，均衡能量可以在串并联电池组中任意单体间直接转移，同时实现串并联电池组中所有单体的均衡。②均衡拓扑储能单元结构简单、体积小，且控制简单。③均衡拓扑易于扩展，串联电池组内单体数量或串联电池组数量发生变化时，只需增减相应的MOS管及二极管数量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法
本专利技术属电池均衡领域，涉及一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，适用于新能源汽车中电池管理系统。
技术介绍
近年来，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。均衡对于改善电池组的不一致性具有重要意义。目前，均衡方法主要分为两类：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，但能量耗散和散热问题是其关键缺点。主动均衡是近年均衡研究的热点，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拓扑体积小，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，需要开关管及电感数量较多，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，提出了一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，同时改善串联电池组和串并联电池组的不均衡现象，延长电池组使用寿命。为达到上述目的，本专利技术按照以下方案实施：一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，串并联电池组由m组串联电池组并联而成，每组串联电池组包含n个单体；均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、(2m*n+2m)个二极管、一个电感；在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接；所述MOS管二极管串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管，二极管和MOS管中的续流二极管导通方向相反；每组串联电池组的左、右桥臂的末端分别与电感的两端连接；主动均衡方法为，通过均衡拓扑，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致。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，每个MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，其中x为并联在一起的各串联电池组的序号；电感标记为L；均衡拓扑的目标为，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致；实现上述目标包括以下步骤：分别设定均衡拓扑的启动工作阈值εs和停止工作阈值εe，当串并联电池组中各单体SOC的最大差值大于εs时，均衡拓扑启动工作；当串并联电池组中各单体SOC最大差值小于εe时，均衡拓扑停止工作；均衡拓扑具体工作过程如下：当最大SOC单体和最小SOC单体个数均为1时：通过电感储能，对最大SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡，实现均衡能量直接从最大SOC单体到最小SOC单体的转移；当最大SOC单体个数不为1，最小SOC单体个数为1时：若包含最大SOC单体的所有串联电池组中，平均SOC最高的串联电池组个数为1，对处于平均SOC最高的串联电池组中的最大SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡；若包含最大SOC单体的所有串联电池组中平均SOC最高的串联电池组个数为不1，对和最小SOC单体序号最接近的最高SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡；当最大SOC单体个数为1，最小SOC单体个数不为1时：若包含最小SOC单体的所有串联电池组中，平均SOC最低的串联电池组个数为1，对处于平均SOC最低的串联电池组中的最小SOC单体充电均衡，最大SOC单体放电均衡；若包含最小SOC单体的所有串联电池组中，平均SOC最低的串联电池组个数为不1，对和最大SOC单体序号最接近的最小SOC单体充电均衡，最大SOC单体放电均衡；当最大SOC单体和最小SOC单体个数均不为1时，对序号最接近的一对最大SOC单体和最小SOC单体进行相应的充放电均衡；通过上述过程，最终实现串并联电池组的快速均衡。优选的，均衡拓扑由控制电路进行控制，控制电路控制信号的频率大小根据电感的参数、MOS管的开关损耗、串联电池组整组的电池电压、单体的电池电压而定。优选的，所述控制电路输出驱动信号的占空比使电感储存的能量在每个信号周期内复位，即电感的电流先从零开始上升，最后又下降到零。优选的，串并联电池组的单体均为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。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。假设串并联电池组中单体Bxi的电压最大且值为Ui，单体Byj的电压最小且值为Uj，其中x、y为并联在一起的串联电池组的序号，i、j为串联电池组内单体的序号；回路所有开关器件的总导通压降设为ΔU；时间表示为t；均衡周期表示为T；控制电感充电和放电的PWM波占空比分别为α和α′；电感表示为L；为保证均衡速度和可靠性，首先需要确定最大均衡电流IL。在第一阶段，当MOS管Sx(2i-1)和Sx(2i)导通时，单体Bxi为储能电感L充电，流过电感的电流线性上升，电感进行储能。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IL为：根据所需的最大均衡电流与选定的组内开关频率f可得电感L：电感电流iL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Sy(2j-2)和Sy(2j+1)打开，流过电感电流近似直线下降：代入上述初始条件，可得：将上式与(1)联立可得:综上，根据选择合适的最大均衡电流和对应的均衡周期，通过上式即可求出均衡拓扑剩余的参数。本专利技术达到了以下有益效果：与现有技术相比，本专利技术基于单电感建立串并联电池组主动均衡方法，该方法的第一个特点是，可以同时实现串并联电池组中所有单体的均衡；第二个特点是，均衡拓扑储能单元结构简单、体积小，且控制简单；第三个特点是，均衡拓扑易于扩展，串联电池组内单体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，其特征在于：串并联电池组由m组串联电池组并联而成，每组串联电池组包含n个单体；/n均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、(2m*n+2m)个二极管、一个电感；/n在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接；所述MOS管二极管串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管，二极管和MOS管中的续流二极管导通方向相反；/n每组串联电池组的左、右桥臂的末端分别与电感的两端连接；/n主动均衡方法为，通过均衡拓扑，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，其特征在于：串并联电池组由m组串联电池组并联而成，每组串联电池组包含n个单体；
均衡拓扑包括(2m*n+2m)个MOS管、(2m*n+2m)个二极管、一个电感；
在每组串联电池组中，单体正极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接，单体负极的左、右桥臂分别与MOS管二极管串联电路连接；所述MOS管二极管串联电路，包括串联在一起的一个MOS管和一个二极管，二极管和MOS管中的续流二极管导通方向相反；
每组串联电池组的左、右桥臂的末端分别与电感的两端连接；
主动均衡方法为，通过均衡拓扑，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致。


2.根据权利要求1所述的一种基于单电感的串并联电池组主动均衡方法，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，每个MOS管依次标记为Sx0，Sx1，…，Sx(2n+1)，其中x为并联在一起的各串联电池组的序号；电感标记为L；
均衡拓扑的目标为，使串并联电池组中所有单体的SOC趋于一致；
实现上述目标包括以下步骤：
分别设定均衡拓扑的启动工作阈值εs和停止工作阈值εe，当串并联电池组中各单体SOC的最大差值大于εs时，均衡拓扑启动工作；当串并联电池组中各单体SOC最大差值小于εe时，均衡拓扑停止工作；
均衡拓扑具体工作过程如下：
当最大SOC单体和最小SOC单体个数均为1时：通过电感储能，对最大SOC单体放电均衡，最小SOC单体充电均衡，实现均衡能量直接从最大SOC单体到最小SOC单体的转移；
当最大SOC单体个数不为1，最小SOC单体个数为1时：若包含...

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