非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法技术

本发明专利技术提出一种非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法，均衡电路基于双向斩波电路，可实现能量双向转移；添加辅助开关、电容及电感，实现软开关，降低开关损耗；并将此均衡电路应用于电池电化学阻抗谱检测。该均衡电路用于电池电化学阻抗谱检测的方法包括：向均衡控制回路中注入多频率周期性信号；由输出电流激励待测电池，采集电池电压、电流数据；利用快速傅里叶变换处理数据，获得多个频率的阻抗信息，进而得到电池电化学阻抗谱。本发明专利技术的方案提供了一种均衡电路，并可实现主动均衡与电池电化学阻抗谱检测的功能集成，采用了均衡电路且无需额外电源；集成在电池管理系统中，还可应用于电池故障诊断等。还可应用于电池故障诊断等。还可应用于电池故障诊断等。

【技术实现步骤摘要】
非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法


[0001]本专利技术属于电池管理
，尤其涉及一种非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池被广泛应用于储能、新能源车辆、电子设备中，当前对锂离子电池的应用日渐丰富，但电池管理仍面临许多问题。电池的电化学阻抗谱EIS(Electrochemical impedance spectroscopy)是电池监测的重要手段之一，能够提供关于电池性能的相关信息，反映电池单体的容量；在锂离子电池正常使用中，阻抗变化幅度较小，但在多次充放电循环达到一定次数后，阻抗将产生明显变化，故可用EIS来预测电池寿命；而对锂离子电池组来说，选取阻抗相对一致的锂离子电池进行组合可延长电池组的使用寿命；另外，还可通过电池EIS的变化对电池进行故障诊断。当前诸多检测电池电化学阻抗谱的方法依赖昂贵的仪器设备，需要在实验室环境进行离线测量，其测量结果主要用于电化学领域的精确研究，更加注重测量的准确度，但在测量速度与方便程度上有很大的限制及不足。
[0003]主动均衡是利用各类均衡拓扑确保电池间SOC(State ofCharge)状态一致性的技术。而改进均衡拓扑是电池主动均衡技术中一个重要的研究方向，改进均衡拓扑能够有效提高电池均衡的速度和效率，减少电路损耗，降低均衡成本。
[0004]上述两种技术均通过向电池提供电能实现各自的功能，因此考虑在新型的均衡电路中结合扰动注入法，在线检测电池EIS。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的缺陷和不足的问题，本专利技术提出一种非隔离双向软开关均衡电路及其用于电池EIS检测的方法，其提供了一种均衡拓扑电路，并应用于一种基于主动均衡的电池EIS在线检测系统，可实现主动均衡与电池电化学阻抗谱检测的功能集成，创新地利用均衡电路完成对电池的激励，拓展了均衡拓扑电路的功能与应用；充分利用电池管理系统原有的软硬件，降低了EIS检测系统的成本；电池无需脱离工作状态，即可便捷地在线检测电池EIS。
[0006]该均衡电路基于双向斩波电路，可实现能量双向转移；添加辅助开关、电容及电感，实现软开关，降低开关损耗；并将此均衡电路应用于电池电化学阻抗谱检测。该均衡电路用于电池电化学阻抗谱检测的方法包括：向均衡控制回路中注入多频率周期性信号；由输出电流激励待测电池，采集电池电压、电流数据；利用快速傅里叶变换处理数据，获得多个频率的阻抗信息，进而得到电池电化学阻抗谱。本专利技术的方案提供了一种均衡电路，可实现主动均衡与电池电化学阻抗谱检测的功能集成，采用了均衡电路且无需额外电源；集成在电池管理系统中，还可应用于电池故障诊断等。
[0007]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：
[0008]本专利技术首先提供一种非隔离双向软开关均衡电路，其基于非隔离双向斩波电路，
包括两个含反并联二极管的开关管V1和V2、含反并联二极管的辅助开关管Va1与Va2、谐振电容Cr1与Cr2、电容C1、谐振电感Lr、电感L1、L2与L3，均衡器两端分别连接两个电池单体；
[0009]其中，所述开关管V1两端并联谐振电容Cr1，分别经电感L1和L2连接电池B1，经电容C1后，并联相串联的辅助开关管Va1、谐振电感Lr与辅助开关管Va2，以及并联电感L3，以及并联相串联的开关管V2和电池B2；所述开关管V2的两端并联谐振电容Cr2；
[0010]该均衡电路用于实现两端电池间能量的双向转移，应用为主动均衡器ICE(Individual Cell Equalizer)时，进行电池间SOC的均衡，并通过辅助开关实现软开关，使主开关V1、V2与辅助开关Va1、Va2以给定开关时序通断，确保均衡过程中主开关实现零电压开关，辅助开关实现零电流开关，降低均衡过程中的开关损耗。
[0011]通过SOC估计的相关方法获得单体电池的SOC信息，当均衡电路中一端所连电池的SOC高于另一端电池的SOC，将SOC差值作为均衡判据，当差值高于设定的阈值时开启均衡；SOC较高的一端作为输入端，SOC较低的一端作为负载端，通过均衡控制电路输出的PWM信号控制开关管通断，使输入端电池放电，均衡电流向处于输出端的电池进行充电；待SOC差值收敛至均衡阈值内时，结束电池间的SOC均衡。
[0012]该型均衡电路可应用于电池电化学阻抗谱的检测，作为功率电路向电池提供激励。
[0013]均衡电路中能量转移的方向不同时，其两端连接的电池可能处于输入端，也可能处于负载端。其中处于输入端的放电电池供电，向处于负载端的待测电池提供激励，故应用于电池电化学阻抗谱检测时，均衡电路无需额外的电源。
[0014]均衡电流的控制可采用模糊控制、PID控制、自适应控制等均衡相关的控制方法，此处主要介绍均衡拓扑结构，对相关均衡控制方法及均衡策略不再赘述。
[0015]检测EIS的相关方案多采用直流变换器，而主动均衡功能由均衡电路实现，其均可向电池提供激励，故考虑改造主动均衡电路，以实现电池EIS的检测。则均衡电路不仅可以均衡电池SOC，还可以为待测电池提供激励能量，实现功能集成，硬件电路共享，拓展均衡电路的应用范围。
[0016]基于以上电路设计，本专利技术提供一种应用非隔离双向软开关均衡电路进行电池EIS检测的方法，根据如上所述的非隔离双向软开关均衡电路，基于信号调理电路、电池串组合、电池管理系统采样模块、PWM(Pulse Width Modulation)驱动电路、数字控制器以及电池管理系统；
[0017]所述非隔离双向软开关均衡电路连接电池串组合；所述电池串的电压、电流信号端与信号调理电路连接；所述信号调理电路的输出端与电池管理系统采样模块的ADC(Analog to DigitalConverter)引脚连接；所述数字控制器的PWM输出端连接PWM驱动电路的输入端；所述PWM驱动电路的输出端连接至非隔离双向软开关均衡电路中开关管的栅极。
[0018]作为替换，该EIS检测方法中的均衡电路除了所述的非隔离双向软开关均衡电路外，还可以是其他类型的均衡电路。包括：相邻单体间可双向或单向转移能量的均衡电路；任意两单体间可双向或单向转移能量的均衡电路；单体与电池组间可双向或单向转移能量的均衡电路。
[0019]该应用方法可检测的电池数量由均衡电路中连接的电池数量决定，包含X个单体，其中X≥2；均衡电路中的多个电池可同时处于被激励的状态，获得被激励电池的电压、电流
数据即可检测EIS，故该检测方法可同时检测多个电池的EIS。
[0020]信号调理电路对电池的电压、电流进行交直流信号分离，去除直流和高频噪声干扰的影响，并放大交流信号。
[0021]采集电池电压、电流信号的功能由电池管理系统中的采样模块实现，无需额外的硬件电路。考虑到采样精度和扰动信号的频率范围，电池管理系统采样模块宜选用采样频率较高的模拟前端芯片。其中检测功能实现还包括电池管理系统必要的其他各类软硬件。
[0022]PWM驱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非隔离双向软开关均衡电路，其特征在于，基于非隔离双向斩波电路，包括两个含反并联二极管的开关管V1和V2、含反并联二极管的辅助开关管Va1与Va2、谐振电容Cr1与Cr2、电容C1、谐振电感Lr、电感L1、L2与L3，均衡器两端分别连接两个电池单体；其中，所述开关管V1两端并联谐振电容Cr1，分别经电感L1和L2连接电池B1，经电容C1后，并联相串联的辅助开关管Va1、谐振电感Lr与辅助开关管Va2，以及并联电感L3，以及并联相串联的开关管V2和电池B2；所述开关管V2的两端并联谐振电容Cr2；该均衡电路用于实现两端电池间能量的双向转移，应用为主动均衡器时，进行电池间SOC的均衡，并通过辅助开关实现软开关，使主开关V1、V2与辅助开关Va1、Va2以给定开关时序通断，确保均衡过程中主开关实现零电压开关，辅助开关实现零电流开关，降低均衡过程中的开关损耗。2.根据权利要求1所述的非隔离双向软开关均衡电路，其特征在于：通过SOC估计的相关方法获得单体电池的SOC信息，当均衡电路中一端所连电池的SOC高于另一端电池的SOC，将SOC差值作为均衡判据，当差值高于设定的阈值时开启均衡；SOC较高的一端作为输入端，SOC较低的一端作为负载端，通过均衡控制电路输出的PWM信号控制开关管通断，使输入端电池放电，均衡电流向处于输出端的电池进行充电；待SOC差值收敛至均衡阈值内时，结束电池间的SOC均衡。3.一种应用非隔离双向软开关均衡电路进行电池EIS检测的方法，其特征在于：根据如权利要求1所述的非隔离双向软开关均衡电路，基于信号调理电路、电池串组合、电池管理系统采样模块、PWM驱动电路、数字控制器以及电池管理系统；所述非隔离双向软开关均衡电路连接电池串组合；所述电池串的电压、电流信号端与信号调理电路连接；所述信号调理电路的输出端与电池管理系统采样模块的ADC引脚连接；所述数字控制器的PWM输出端连接PWM驱动电路的输入端；所述PWM驱动电路的输出端连接至非隔离双向软开关均衡电路中开关管的栅极。4.根据权利要求3所述的应用非隔离双向软开关均衡电路进行电池EIS检测的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：建立主动均衡电路，将当前处于均衡器输入端的单体作为供电直流源，将处于负载端的单体作为待测电池；步骤S2：控制均衡器中的开关管向负载端输出电流，待均衡电流达到稳态后，向电流控制回路的电流参考值中注入多频率周期性信号，然后由此叠加电流对负载端连接的待测电池进行激励；步骤S3：注入叠加信号后，在信号调理电路中对电池两端电压、电池电流进行交直流分离，去除直流和高频噪声干扰的影响，放大交流信号；同时由电池管理系统的采样模块以频率f
S
同步采集调理后的电池电压与电流信号，所述采样频率f
S
至少为最高扰动频率f
n
的5到10倍；步骤S4：在电池管理系统的数字控制器或微电脑中对获得的电压、电流信息进行快速傅里叶变换，由算法计算出每个扰动频率下的电池阻抗信息，进一步即获得一定频率范围内的电池EIS。5.根据权利要求4所述的应用非隔离双向软开关均衡电路进行电池EIS检测的方法，其
特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：建立所述非隔离双向软开关均衡电路，作为主动均衡器ICE，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚雄，鄂林，欧凯，杨庆伟，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：