基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及方法技术

本发明专利技术公开的基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；其中串联电池组为n个单体储能电池串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，单体储能电池的正极、负极分别通过双向可控开关连接于均衡母线的正极、负极；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池、升降压单元的电压信号并传输至控制器。本发明专利技术的均衡电路及方法，对电池组进行主动快速，高效的均衡，防止电池出现过充过放现象，提高电池的一致性。

Battery balancing circuit and method based on quasi resonance of external energy storage unit and LC

The invention discloses a storage battery equalization circuit based on external unit and LC quasi resonant, including series battery, strobe switch, balanced busbar, LC series of quasi resonant unit, pressure lifting unit, external storage unit, voltage detection circuit and the controller; the series battery for n single energy storage battery in series; gated switch 2n contains a bidirectional controllable switch, single battery cathode and anode respectively through the bidirectional controllable switch is connected to the cathode and anode balanced bus; balanced bus connected in series with a LC series of quasi resonant unit, unit pressure lifting unit and the external storage; the controller is respectively connected with the switch and LC series resonant unit is connected, the voltage detection circuit were used to detect the monomer battery energy storage unit, Buck voltage signal and transmitted to the controller. The equalization circuit and the method of the invention carry out active, fast and efficient equalization to the battery pack, and prevent the battery from overcharging and over discharging, thereby improving the consistency of the battery.

【技术实现步骤摘要】
基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及方法
本专利技术涉及串联电池组的均衡领域，特别涉及基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路及方法。
技术介绍
近年来，随着空气质量的日益恶化以及石油资源的渐趋匮乏，新能源汽车，尤其是纯电动汽车成为当今世界各大汽车公司的开发热点。动力电池组作为电动汽车的关键部件，对整车动力性、经济性和安全性都有重大影响。动力电池组在经过多个充放电循环后，各电池单体的剩余容量的分布大致将会出现高低不一的情况，若不加以均衡将容易出现过充和过放现象。如此一来，在实际使用中，将严重影响电池组使用寿命，甚至存在过热起火的安全隐患。针对上述情况，为了改善电池组的不一致性问题，提高电池组的整体性能，则需要采用均衡控制。目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类；耗散型即为在每节单体电池外并联分流电阻，通过控制相应的开关器件将剩余容量偏高的电池单元的能量通过电阻消耗掉，该方法将能量白白浪费掉，并且在均衡过程中产生了大量的热，增加了电池热管理的负荷。非耗散型通过电池外部DC-DC电路实现能量的转移。按照均衡器件不同可分为开关电容型，开关电感型，变压器型，DC-DC变化器型等拓扑。传统开关电容类型的均衡电路均衡电流受限制于电池压差，随着电池压差的减小，均衡电流迅速衰减，所以均衡速度较慢。并且均衡过程中开关均为硬开关，损耗大，均衡效率较低，且因为开关管与二极管存在导通压降，导致均衡时无法做到零电压差。中国专利技术专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容型电池均衡电路，该电路每相邻的两节电池共用一个电容，当电容与电压较高的电池单体并联时，电池给电容充电；当电容与电压较低的电池单体并联时，电容给电池充电。经过电容的充、放电，能量从电压较高的电池单体转移到电压较低的电池单体，从而使得其电压相等。但是当串联电池单体数量较多，所需要的均衡电容和场效应管及其驱动电路较多，导致电路体积庞大，并且当电压最高和最低的电池相邻多个单体时，使得均衡效率会大大降低。中国专利技术专利(授权公告号CN103296731B)提出了一种动力电池零电流开关主动均衡电路及实现方法，其能够实时判断电池组中电压最高和最低的电池单体，并对其进行零电流开关均衡，并且每次均衡都是针对电池组中电压差最大的两个电池单体进行削峰填谷，提高了均衡效率。但是，由于所使用的电力电子器件存在导通压降，使得电池单体间很难达到零电压差，并且均衡电流很小，均衡时间较长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，适用于混合动力电动汽车、纯电动汽车或蓄能电站中的蓄能装置的电池管理系统。本专利技术的另一目的在于提供基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡方法。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；其中，所述串联电池组为n个单体储能电池Bi串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，分为a、b两组其中a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna，b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb，双向可控开关Sia与双向可控开关Sib一一对应，双向可控开关Sia的一端连接于单体储能电池Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极，双向可控开关Sib一端连接于单体储能电池Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极，其中i＝1,2，…，n；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；所述控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池Bi、升降压单元的电压信号并传输至控制器。所述控制器用于采集单体储能电池Bi与升降压单元的电压信号，确定需要均衡的单体储能电池Bi及其均衡方式，通过控制选通开关，选通需要均衡的单体电池至均衡母线上；通过控制LC串联准谐振单元与升降压单元的接通与否，使LC串联准谐振单元交替工作在充电与放电的状态且充放电过程均为准谐振状态，实现单体储能电池Bi与外部储能单元之间双向能量交换。所述LC串联准谐振单元包括电感Lr、电容Cr，以及双向可控开关S1、S2；其中电容Cr的一端与电感Lr的一端连接，电感Lr的另一端为均衡母线的正极，电容Cr的另一端为均衡母线的负极；双向可控开关S1一端连接于均衡母线的正极，另一端连接于升降压单元，双向可控开关S2一端连接于均衡母线负极，另一端也连接于升降压单元。所述升降压单元为buck-boost电路，buck-boost电路包括滤波电容C0、DC-DC电路，其中滤波电容C0与DC-DC电路并联连接，滤波电容C0的正极与双向可控开关S1连接，滤波电容C0的负极与双向可控开关S2连接；DC-DC电路与外部储能单元连接。Buck-boost电路根据选通电池电压等级及其均衡方式决定滤波电容C0电压等级。所述双向可控开关由两个串联的N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2反向串联组成，N沟道金属氧化物场效应管M1与N沟道金属氧化物场效应管M2的门极驱动信号相同。所述单体储能电池Bi的选通开关Sia、Sib与双向可控开关S1、S2的驱动信号是一对单极性的互补的PWM信号，其占空比均为50％，其开关频率fs由等效RLC电路的准谐振频率fr确定，fr由均衡电路的集总参数R、Lr、Cr确定。Sia、Sib与S1、S2的交替切换，使LC串联电路工作在准谐振状态下，实现选通开关Sia、Sib与双向可控开关S1、S2零电流切换，降低开关损耗。所述单体储能电池Bi包括锂离子电池、铅酸电池、超级电容器、镍氢电池。本专利技术的另一目的通过以下的技术方案实现：基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡方法，包含以下顺序的步骤：(1)获取单体储能电池电压，计算电池平均电压Vavr；(2)判断均衡方式：在电池组充电状态下，给电压最高的电池进行放电，减小其充电电流；在电池组放电状态下，给电压最低的电池进行充电，减小其放电电流；在电池搁置状态下，对低于平均值的电池充电，对高于平均值的电池进行放电；(3)判断能量传递方向：若对单体电池充电，能量从外部储能单元依次经过升降压单元、串联准谐振单元，传递给单体电池；若对单体电池进行放电，能量从单体电池经过LC与buck-boost电路传递给外部储能单元；(4)选通电池、启动均衡：选通需要均衡的电池，根据能量传递方向，控制相应开关，使LC电路交替工作在充电、放电状态，实现电池与外部储能单元的能量交换，直至达到控制器设定的均衡条件，均衡结束。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术所述的基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，能够在电池组充电、放电，搁置状态下，对电池组进行主动快速，高效的均衡，防止电池出现过充过放现象，提高电池的一致性。2、本专利技术实现了开关器件的零电流切换，降低了开关器件的开关损耗，提高了均衡效率；实现了单体电池零电压差均衡，增大了均衡电流，缩短了均衡时间且易于单元化实现。附图说明图1为本专利技术所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；其中，所述串联电池组为n个单体储能电池Bi串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，分为a、b两组其中a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna，b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb，双向可控开关Sia与双向可控开关Sib一一对应，双向可控开关Sia的一端连接于单体储能电池Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极，双向可控开关Sib一端连接于单体储能电池Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极，其中i＝1,2，…，n；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；所述控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池Bi、升降压单元的电压信号并传输至控制器。

【技术特征摘要】
1.基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：包括串联电池组、选通开关、均衡母线、LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元、电压检测电路和控制器；其中，所述串联电池组为n个单体储能电池Bi串联而成；选通开关包含2n个双向可控开关，分为a、b两组其中a组开关包括双向可控开关S1a，S2a，…，Sna，b组开关包括双向可控开关S1b，S2b，…，Snb，双向可控开关Sia与双向可控开关Sib一一对应，双向可控开关Sia的一端连接于单体储能电池Bi的正极，另一端连接于均衡母线的正极，双向可控开关Sib一端连接于单体储能电池Bi的负极，另一端连接于均衡母线的负极，其中i＝1,2，…，n；均衡母线依次串接LC串联准谐振单元、升降压单元、外部储能单元；所述控制器分别与选通开关、LC串联准谐振单元连接，电压检测电路分别检测单体储能电池Bi、升降压单元的电压信号并传输至控制器。2.根据权利要求1所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：所述LC串联准谐振单元包括电感Lr、电容Cr，以及双向可控开关S1、S2；其中电容Cr的一端与电感Lr的一端连接，电感Lr的另一端为均衡母线的正极，电容Cr的另一端为均衡母线的负极；双向可控开关S1一端连接于均衡母线的正极，另一端连接于升降压单元，双向可控开关S2一端连接于均衡母线负极，另一端也连接于升降压单元。3.根据权利要求2所述基于外部储能单元与LC准谐振的电池组均衡电路，其特征在于：所述升降压单元为buck-boost电路，buck-boost电路包括滤波电容C0、DC-DC电路，其中滤波电容C0与DC-DC电路并联连接，滤波电容C0的正极与双向可控开关S1连接，滤波电容C0的负极与双向可控开关S2连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：康龙云，王书彪，卢楚生，令狐金卿，王则沣，冯元彬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44