本發(fā)明涉及電池組均衡的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路。

背景技術(shù)：

近年來，隨著空氣質(zhì)量的日益惡化以及石油資源的漸趨匱乏，新能源汽車，尤其是純電動(dòng)汽車成為當(dāng)今世界各大汽車公司的開發(fā)熱點(diǎn)。動(dòng)力電池組作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，對(duì)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性都有重大影響。動(dòng)力電池組在經(jīng)過多個(gè)充放電循環(huán)后，各電池單體的剩余容量的分布大致將會(huì)出現(xiàn)高低不一的情況，若不加以均衡將容易出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。如此一來，在實(shí)際使用中，將嚴(yán)重影響電池組使用壽命，甚至存在過熱起火的安全隱患。

針對(duì)上述情況，為了改善電池組的不一致性問題，提高電池組的整體性能，則需要采用均衡控制。目前鋰離子電池組均衡控制的方法，根據(jù)均衡過程中電路對(duì)能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類；耗散型即為在每節(jié)單體電池外并聯(lián)分流電阻，通過控制相應(yīng)的開關(guān)器件將剩余容量偏高的電池模塊的能量通過電阻消耗掉，該方法將能量白白浪費(fèi)掉，并且在均衡過程中產(chǎn)生了大量的熱，增加了電池?zé)峁芾淼呢?fù)荷。非耗散型通過電池外部DC-DC電路實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。按照均衡功能分類，可分為充電均衡、放電均衡和動(dòng)態(tài)均衡。充電均衡是指在充電過程中的均衡，一般是在電池組單體電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)開始均衡，通過減小充電電流防止過充電；放電均衡是指在放電過程中的均衡，通過向剩余能量低的電池單體補(bǔ)充能量來防止過放電；動(dòng)態(tài)均衡方式結(jié)合了充電均衡和放電均衡的優(yōu)點(diǎn)，是指在整個(gè)充放電過程中對(duì)電池組進(jìn)行的均衡。按照均衡器件不同可分為開關(guān)電容型，開關(guān)電感型，變壓器型，DC-DC變化器型等拓?fù)洹?/p>

傳統(tǒng)開關(guān)電容均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方法簡(jiǎn)單。但是存在開關(guān)均為硬開關(guān)，損耗大，均衡效率較低，均衡速度慢等問題。且均衡器件多，均衡電路體積較大，成本高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路，所述均衡電路包括：1個(gè)電池組、2n個(gè)雙向可控開關(guān)、1個(gè)LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元和一個(gè)開關(guān)控制器，

其中，所述電池組為n個(gè)儲(chǔ)能電池Bi(i＝1,2，…，n)串聯(lián)而成；所述LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元由一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)而成，其一端為直流母線的正極，另一端為直流母線的負(fù)極；

所述2n個(gè)雙向可控開關(guān)分為左、右兩組，分別是左開關(guān)組和右開關(guān)組，所述左開關(guān)組包括雙向可控開關(guān)S1a、S2a、…、Sia、…、Sna，所述右開關(guān)組包括雙向可控開關(guān)S1b、S2b、…、Sib、…、Snb，所述雙向可控開關(guān)Sia與所述雙向可控開關(guān)Sib(i＝1,2，…，n)一一對(duì)應(yīng)，所述雙向可控開關(guān)Sia的一端連接于儲(chǔ)能電池Bi的正極，另一端連接于所述LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元的直流母線的正極，所述雙向可控開關(guān)Sib的一端連接于儲(chǔ)能電池Bi的負(fù)極，另一端連接于所述LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元的直流母線的負(fù)極；

所述開關(guān)控制器發(fā)出的開關(guān)控制信號(hào)連接到所述2n個(gè)雙向可控開關(guān)，用來控制雙向可控開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

進(jìn)一步地，所述雙向可控開關(guān)由兩個(gè)n溝道MOSFET反向串聯(lián)組成或者由一個(gè)n溝道MOSFET與一個(gè)p溝道MOSTET正向串聯(lián)組成。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)控制器發(fā)出的開關(guān)控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路連接到所述2n個(gè)雙向可控開關(guān)。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)控制信號(hào)為一單極性方波，或者一對(duì)互補(bǔ)的單極性方波信號(hào)。

進(jìn)一步地，所述開關(guān)控制信號(hào)的占空比為50％。

進(jìn)一步地，所述LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元由一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)而成的LC串聯(lián)電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)下，所述均衡電路的開關(guān)頻率fs根據(jù)均衡電路中的集總參數(shù)R、L、C確定，確保LC串聯(lián)電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)，在每個(gè)開關(guān)時(shí)刻LC串聯(lián)電路的電流降低為0值附近，減小開關(guān)損耗，提高均衡效率。

進(jìn)一步地，所述電池組中電池是二次電池，包括鋰離子電池、鉛酸電池、超級(jí)電容器或鎳氫電池中任意一種或多種。

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明公開了一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路為每一個(gè)單體電池或任意串聯(lián)電池小組提供與LC進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移的均衡路徑，可直接將能量從能量較高的電池轉(zhuǎn)移到能量較低的電池中去。另外通過控制開關(guān)頻率與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比，使LC串聯(lián)電路工作在準(zhǔn)諧振狀態(tài)下，保證每次開關(guān)導(dǎo)通或關(guān)閉時(shí)，LC串聯(lián)電路的電流都為零，實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)流切換，大大減小均衡電路的開關(guān)損耗。另外均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，均衡電路體積小成本低的技術(shù)效果。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路的電路原理圖；

圖2(a)是兩個(gè)N溝道MOSFET構(gòu)成的雙向可控開關(guān)的原理圖；

圖2(b)是一個(gè)N溝道與一個(gè)P溝道MOSFET構(gòu)成的雙向可控開關(guān)的原理圖；

圖3是本發(fā)明提供的LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元原理圖；

圖4(a)是能量較高的電池給LC電路充電過程示意圖；

圖4(b)是LC電路給能量較低的電池充電過程示意圖；

圖5(a)是能量較高的電池組給LC電路充電過程示意圖；

圖5(b)是LC電路給能量較低的電池組充電過程示意圖；

圖6是四節(jié)串聯(lián)電池在仿真實(shí)驗(yàn)中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)(V_g1、V_g2)與電容電壓V_c電感電流i_L的波形；

圖7是四節(jié)串聯(lián)電池在仿真實(shí)驗(yàn)中的電壓波形。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

本實(shí)施例公開了一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路，適用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、純電動(dòng)汽車或蓄能電站中的蓄能裝置的電池管理系統(tǒng)。

下面結(jié)合附圖實(shí)例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作具體實(shí)施方式的詳細(xì)說明。圖1是一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路原理圖，電池組為n個(gè)儲(chǔ)能電池Bi(i＝1,2，…，n)串聯(lián)而成。所述均衡電路包括2n個(gè)雙向可控開關(guān)，1個(gè)LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103，一個(gè)開關(guān)控制器104。

所述2n個(gè)雙向可控開關(guān)分為左、右兩組，分別是左開關(guān)組101，右開關(guān)組102。左開關(guān)組101包括雙向可控開關(guān)S1a、S2a、…、Sia、…、Sna。右開關(guān)組102包括雙向可控開關(guān)S1b、S2b、…、Sib、…、Snb。雙向可控開關(guān)Sia與雙向可控開關(guān)Sib(i＝1,2，…，n)一一對(duì)應(yīng)，雙向可控開關(guān)Sia的一端連接于電池Bi的正極，另一端連接于LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的直流母線的正極。雙向可控開關(guān)Sib一端連接于電池Bi的負(fù)極，另一端連接于LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的直流母線的負(fù)極。

所述LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103由一個(gè)電感和一個(gè)電容串聯(lián)而成。所述儲(chǔ)能單元的一端為直流母線的正極，分別與左開關(guān)組101中雙向可控開關(guān)S1a、S2a、…、Sia、…、Sna，相連，所述儲(chǔ)能單元的另一端為直流母線的負(fù)極，分別與右開關(guān)組102中雙向可控開關(guān)S1b、S2b、…、Sib、…、Snb相連。

開關(guān)控制器104發(fā)出的開關(guān)控制信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路連接到2n個(gè)雙向可控開關(guān)，用來控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖2(a)和圖2(b)是本發(fā)明提供的雙向可控開關(guān)的兩個(gè)實(shí)施實(shí)例。

圖2(a)是兩個(gè)n溝道MOSFET反向串聯(lián)，即M1的源極與M2的源極相連，M1的漏極與M2的漏極為開關(guān)的兩個(gè)連接點(diǎn)。M1的門極與M2的門極相連接，并用同一單極性驅(qū)動(dòng)信號(hào)。M1，M2同時(shí)導(dǎo)通或者同時(shí)關(guān)斷。當(dāng)M1,M2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?。?dāng)M1，M2同時(shí)關(guān)閉時(shí)，雙向均不導(dǎo)通。

圖2(b)是一個(gè)n溝道MOSFET與一個(gè)p溝道MOSTET正向串聯(lián)，即M1(n溝道)的源極與M2(p溝道)的漏極相連。M1的漏極，M2的源極作為雙向開關(guān)的兩個(gè)連接點(diǎn)。M1的門極采用單極性正電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，M2的門極采用單極性負(fù)電壓開通。M1，M2同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)雙向可控。

均衡原理與控制方法結(jié)合圖4(a)、圖4(b)與圖5(a)、圖5(b)闡述。

通過同時(shí)控制左開關(guān)組101中的Sia與右開關(guān)組102中的Sib的導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)電池Bi與LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。該控制方法為任意一節(jié)單體電池與LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移提供了均衡路徑，可直接將能量從能量較高的電池轉(zhuǎn)移到能量較低的電池中去，有針對(duì)性的轉(zhuǎn)移電荷，提高了均衡效率。

通過同時(shí)控制Sia與Sjb導(dǎo)通，n≥i＞j≥1，可實(shí)現(xiàn)電池小組Bj～Bi與LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。該控制方法為任意電池小組與LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的LC串聯(lián)電路進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移提供了均衡路徑，同時(shí)對(duì)多節(jié)電池進(jìn)行均衡。提供了更加自由直接的均衡路徑。

如圖4(a)，串聯(lián)電池組B1-B4中，B1的能量最高，B4能量最低時(shí)，控制雙向可控開關(guān)S1a與S1b同時(shí)導(dǎo)通，B1向LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的LC串聯(lián)電路轉(zhuǎn)移電荷，電容C儲(chǔ)能，圖中回路Q表示電流回路，箭頭代表電流方向。如圖4(b)，半個(gè)準(zhǔn)諧振周期后雙向可控開關(guān)S1a與S1b同時(shí)關(guān)閉，然后雙向可控開關(guān)S4a與S4b同時(shí)導(dǎo)通。LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的LC串聯(lián)電路向B4轉(zhuǎn)移電荷，電容C釋放能量。循環(huán)往復(fù)，電池B1的能量直接快速的傳遞給B4，直至B1與B4能量差小于控制邏輯的設(shè)定值，均衡結(jié)束。

如圖5(a)，串聯(lián)電池組中電池B1與B2電池小組能量高于電池B3與B4電池小組時(shí)。雙向可控開關(guān)S2a與S1b同時(shí)導(dǎo)通，B1與B2電池組向LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的LC串聯(lián)電路轉(zhuǎn)移電荷，電容C儲(chǔ)能。如圖5(b)，半個(gè)準(zhǔn)諧振周期后雙向可控開關(guān)S2a與S1b同時(shí)關(guān)閉，隨后雙向可控開關(guān)S4a與S3b同時(shí)導(dǎo)通。LC串聯(lián)儲(chǔ)能單元103的LC串聯(lián)電路向B3與B4電池組轉(zhuǎn)移電荷，電容C釋放能量。循環(huán)往復(fù)，電池組B1與B2的能量傳遞給B3與B4電池組，直至能量差小于控制邏輯的設(shè)定值，均衡結(jié)束。

圖6與圖7是四節(jié)電池不同電壓情況下的均衡仿真實(shí)驗(yàn)波形圖。

圖6是雙向可控開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形與LC串聯(lián)電路的電流波形以及電容C的電壓波形。從電流i_L波形圖可以看出，每個(gè)開關(guān)導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)刻，LC串聯(lián)電路電流為0，這大大降低了開關(guān)管的導(dǎo)通損耗，提高了均衡效率。

圖7是四節(jié)電池的電壓波形圖。四節(jié)電池中B1電壓最低，B4電壓最高，經(jīng)過一定時(shí)間的均衡，各單體電池的電壓趨于一致達(dá)到控制器設(shè)定的均衡目標(biāo)。

如上即可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明說敘述的技術(shù)效果。

綜上所述，本發(fā)明通過提供一種基于LC串聯(lián)儲(chǔ)能的電池組均衡電路，改善了現(xiàn)有串聯(lián)電池組均衡電路復(fù)雜，儲(chǔ)能元件繁多，均衡電路體積大，均衡過程功率損耗多的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了串聯(lián)電池組雙向主動(dòng)均衡，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，儲(chǔ)能元件少，均衡電路體積小，且可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)零點(diǎn)流狀態(tài)切換，大大減小了均衡過程中的能量損耗，提高了均衡效率。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。