一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法技术

本发明专利技术涉及一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。包括均衡方向选择电路，开关阵列，含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移支路，被动均衡电路采用电阻分流式结构以及包含由电压电流和温度组成的测控电路。无层级主被动均衡方法加入温度干扰因素，得出以电压、SOC和温度作为输入量的的动态式双阈值判据，以荷电状态(SOC)为分界标准，分别接入主、被动均衡电路，达到减少无效循环充放电次数的目的，从而提高均衡效率，延缓锂离子电池组循环使用寿命的降低速度。本发明专利技术可以减少无用循环充放电次数，缩短均衡时间，充电状态下均衡时间相较于单阈值电压均衡方法缩短了15％左右，放电状态下均衡时间缩短了19％左右。放电状态下均衡时间缩短了19％左右。放电状态下均衡时间缩短了19％左右。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法


[0001]本专利技术属于电池均衡
，具体涉及一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。

技术介绍

[0002]在新能源开发利用和储能技术需求量与日俱增的时代下，锂离子电池作为极具发展价值的环保型储能元件，被广泛应用于电动汽车、便捷式电子产品、军事、航空等各大领域。锂离子电池是一种可充电电池，具有能量密度高、自放电率小、工作电压高、寿命长等优点，在需要储能装置的工业环境下效果更加明显。为满足不同电压与功率的需求，锂离子电池常采用串并联的方式,进而暴露出不同工况下各单体电池不一致性的问题，若干次循环充放电后这一现象会加剧。不一致性产生的主要原因是电池内阻、容量和电压的参差不齐，尤其是在大数量电池组使用过程中。为提高能量利用率，减小不一致性对电池寿命和可用容量的影响，常搭配合适的电池管理系统对电池组进行控制。其中，单体电池间的均衡技术尤为重要。
[0003]锂电池组均衡的主要研究方向分为均衡系统控制策略和均衡拓扑结构设计两个方面。在均衡策略中，常采用电压或者荷电状态(SOC)作为判断电池是否需要均衡的依据，此外电池容量或者剩余容量以及开路电压等也可作为均衡判据。上述策略的缺点在于：
[0004](1)电池电压相对容易获得，但受工作条件等因素影响较大，难以提供准确的参数用于均衡系统；
[0005](2)SOC均衡控制策略受电池工作状态的影响较小，但其均衡性能与SOC估计的精度有关；
[0006](3)电池容量或者剩余容量作为均衡判据，极易在每个单体电池充入或放出相同的电量时出现单体电池电压或者荷电状态的极端变化现象；
[0007](4)依据开路电压建立均衡控制策略，各类型电池的充放电特性曲线不一致并且易受工况环境的影响，而且在测量电池开路电压的静置期间，极易产生因误差波动不稳定而导致的精度失准问题。

技术实现思路

[0008]为了满足均衡控制系统对精度和速度的要求，本专利技术提出了一种锂电池组无层级主被动均衡电路及方法。
[0009]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0010]一种锂电池组无层级主被动均衡电路，其特征在于，包括
[0011]主动均衡方向选择电路：包括四个双向MOSFET开关管K4、K5、K6、K7组成的均衡方向选择电路，K4漏极与K5源极连接，节点处串联电感L端口，电感另一端口与能量转移支路的开关管汇总线路等电位衔接，K6漏极与K7源极连接，节点处与LC谐振储能及能量转移支路的储能汇总线路等电位衔接，K4源极和K5漏极分别连接K6源极与K7漏极，构成完整的闭合回路；
[0012]开关阵列：由N+1个双向MOSFET开关管Q
n+1
组成，N为电池组数目且为奇数
[0013]LC谐振储能及能量转移支路：由若干电容、开关管以及一个总控电感组成的含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移电路；
[0014]被动均衡电路采用电阻分流式结构，将每个单体电池B
n
并联一个由电阻R
n
和开关S
n
串联组成的被动均衡器，电池组中各单体电池引出两组正负极接口，一组接口连接各自对应的被动均衡器，均衡器数量与单体电池数量相同，另一组接口分别连接开关阵列的两条总线，一条总线是由开关管Q1、Q3、
…
Qn-2、Qn的漏极等电位连接而成，另一条总线是由开关管Q2、Q4、
…
Qn-1、Qn+1的漏极等电位连接而成，电池组中的B1正极与开关管Q1的源极连接，开关管Q1的漏极与Qn的漏极连接，Bn-1负极与开关管Qn的源极连接，B2正极与开关管Q2的源极连接，开关管Q2的漏极与Qn-1的漏极连接，Bn-2负极与开关管Qn-1的源极连接，以此类推，Bn正极与开关管Qn的源极连接，Bn负极与开关管Qn+1的源极连接，开关管Qn+1的漏极与B1的负极连接，电池组中所有单体电池正负极串联，形成闭合回路，通过开断开关阵列中对应单体电池的MOSFET管，达到电池组内均衡效果。
[0015]控制模块：采集并比较电池组中各个单体电池的荷电状态SOC和电压U的大小，根据控制策略得到动态式均衡阈值曲线，在每个采样时刻进行相应数据的调整对比。若达到均衡条件，将均衡脉冲信号加在开关管上，启动均衡过程；
[0016]执行模块包括主动均衡方向选择电路、开关阵列以及LC谐振储能及能量转移支路，主控制器发送指令控制上述执行模块电路中参与工作的开关管栅极，实现导通关断，恒流源的正负极接在整个电池组的正负两端，既提供初始元器件激活电能，又可给整个电池组充电，电感和电容执行储能命令。仿真过程中用一对反向串联的MOSFET来代替双向导通开关，关断缓冲电阻用以保护均衡电路不会发生短路。
[0017]在上述的锂电池组无层级主被动均衡电路，所述LC谐振储能及能量转移装置为电感线圈和电容器。
[0018]在上述的锂电池组无层级主被动均衡电路，电池选用Simulink自带的锂离子电池模型，电池组的充放电由可调节恒流源提供。
[0019]一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，其特征在于，包括：动态式双阈值均衡判据的提取和主被动均衡电路参与工作区间，其中阈值判据提取的具体步骤如下：
[0020]S1:建立符合电池动态曲线特性规律的二阶RC电池模型，演算电池稳态特性和暂态特性，列出开路电压与端电压之间的数学表达式关系：V＝U
OCV
+iR0+U1+U2，其中U1是电化学极化内阻R1引起的电压波动值：U2是浓差极化内阻R2引起的电压波动值：通过具体的电池实测数据对电池模型的等效电阻R0，极化内阻R1和R2，极化电容C1和C2进行参数辨识；
[0021]S2:根据电池模型和测得的电池电压电流值，得出电池系统状态方程：j是序列控制数，T是控制周期，ρ
j
是在第j个时间内的充放电效率，由离散化公式状态量方向梯度和矩阵，推导出电
池SOC的估算公式；
[0022]S3:加入温度干扰因素，在恒温箱中测量并绘制出五个区间温度下的电池特性状态曲线，使用高阶拟合方法以及数据对比处理方法，得出对于锂离子电池OCV-SOC曲线的温度修正电势差ΔE(soc)，其表达式为：ΔE(soc)＝S+B1SOC
n
(t)+B2SOC
n2
(t)+
…
B9SOC
n9
(t)，S和B
n
是定量数值，SOC
n
(t)表示在t时刻的第n节单体电池的荷电状态；
[0023]S4:对度量尺度不同的关键输入信息(端电压和SOC)做归一化处理，等间距采集测量范围内，对存在自变量与因变量线性关系的区间段使用逐差法进行数据归类，建立包含有端电压和SOC两个变量和阈值的关系式：U
B
＝U
OC-I
B
×
Z
eq
+S(t)＝U
OC...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池组无层级主被动均衡电路，其特征在于，包括主动均衡方向选择电路：包括四个双向MOSFET开关管K4、K5、K6、K7组成的均衡方向选择电路，K4漏极与K5源极连接，节点处串联电感L端口，电感另一端口与能量转移支路的开关管汇总线路等电位衔接，K6漏极与K7源极连接，节点处与LC谐振储能及能量转移支路的储能汇总线路等电位衔接，K4源极和K5漏极分别连接K6源极与K7漏极，构成完整的闭合回路；开关阵列：由N+1个双向MOSFET开关管Q
n+1
组成，N为电池组数目且为奇数LC谐振储能及能量转移支路：由若干电容、开关管以及一个总控电感组成的含有三路容量差异化的LC谐振储能及能量转移电路；被动均衡电路采用电阻分流式结构，将每个单体电池B
n
并联一个由电阻R
n
和开关S
n
串联组成的被动均衡器，电池组中各单体电池引出两组正负极接口，一组接口连接各自对应的被动均衡器，均衡器数量与单体电池数量相同，另一组接口分别连接开关阵列的两条总线，一条总线是由开关管Q1、Q3、
…
Qn-2、Qn的漏极等电位连接而成，另一条总线是由开关管Q2、Q4、
…
Qn-1、Qn+1的漏极等电位连接而成，电池组中的B1正极与开关管Q1的源极连接，开关管Q1的漏极与Qn的漏极连接，Bn-1负极与开关管Qn的源极连接，B2正极与开关管Q2的源极连接，开关管Q2的漏极与Qn-1的漏极连接，Bn-2负极与开关管Qn-1的源极连接，以此类推，Bn正极与开关管Qn的源极连接，Bn负极与开关管Qn+1的源极连接，开关管Qn+1的漏极与B1的负极连接，电池组中所有单体电池正负极串联，形成闭合回路，通过开断开关阵列中对应单体电池的MOSFET管，达到电池组内均衡效果；控制模块：采集并比较电池组中各个单体电池的荷电状态SOC和电压U的大小，根据控制策略得到动态式均衡阈值曲线，在每个采样时刻进行相应数据的调整对比；若达到均衡条件，将均衡脉冲信号加在开关管上，启动均衡过程；执行模块包括主动均衡方向选择电路、开关阵列以及LC谐振储能及能量转移支路，主控制器发送指令控制上述执行模块电路中参与工作的开关管栅极，实现导通关断，恒流源的正负极接在整个电池组的正负两端，既提供初始元器件激活电能，又可给整个电池组充电，电感和电容执行储能命令；仿真过程中用一对反向串联的MOSFET来代替双向导通开关，关断缓冲电阻用以保护均衡电路不会发生短路。2.根据权利要求1所述的锂电池组无层级主被动均衡电路，其特征在于，所述LC谐振储能及能量转移装置为电感线圈和电容器。3.根据权利要求1所述的锂电池组无层级主被动均衡电路，其特征在于，电池选用Simulink自带的锂离子电池模型，电池组的充放电由可调节恒流源提供。4.一种锂电池组无层级主被动均衡的方法，其特征在于，包括：动态式双阈值均衡判据的提取和主被动均衡电路参与工作区间，其中阈值判据提取的具体步骤如下：S1:建立符合电池动态曲线特性规律的二阶RC电池模型，演算电池稳态特性和暂态特性，列出开路电压与端电压之间的数学表达式关系：V＝U
OCV
+iR0+U1+U2，其中U1是电化学极化内阻R1引起的电压波动值：U2是浓差极化内阻R2引起的电压波动值：通过具体的电池实测数据对电池模型的等效电阻R0，极化内阻R1和R2，极化电容C1和C2进行参数辨识；S2:根据电池模型和测得的电池电压电流值，得出电池系统状态方程：
j是序列控制数，T是控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹿军，单恩泽，吴铁洲，李拥军，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：