基于双向升降压变换器的总线式电池组均衡方法

摘要

基于双向升降压变换器的总线式电池组均衡方法，它涉及一种电池组的电压均衡方法。它解决了现有能量转移型的电池组均衡器均衡速度慢、均衡效率低、结构复杂以及成本高等缺点。本发明的方法基于双向升降压变换器、开关阵列、一号滤波电路、二号滤波电路、单体电池电压检测电路和控制器实现；双向升降压变换器主要是控制均衡电流的大小和流动方向，滤波电路是消除均衡电流的脉动性，避免大幅度脉动的均衡电流对被均衡电池的脉动冲击，开关阵列选择控制被均衡的电池接入相应端的均衡总线。均衡电流可不受电池组单体间压差限制且可控、平稳，改善了现有的均衡器的快速性，提高了能量效率，从而避免容量小的电池单体过充或过放，用于电池组电压均衡。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池组的电压均衡方法。

背景技术

目前基于典型的双向buck/boost变换器均衡结构的均衡方法和基于带有升降压变换器的飞渡电容式均衡方法，分别如图1和图2所示。典型的双向buck/boost变换器均衡结构在每相邻的电池单体之间都需要接入一个双向buck/boost变换器，对于N节电池单体组成的电池组就需要N+1个开关管，N+1个二极管和N-1个电感，使用的电器元件比较多；典型的双向buck/boost变换器均衡结构均衡时，若压差最大的两节单体间有较多电池单体，由最高电压单体转移电量到最低电压单体时就需要经过它们间这些电池单体相连的变换器，极大地降低了能量效率和均衡速率；

如图2所示，给出了一种带有升降压变换器的飞渡电容式均衡结构示意图，该种均衡结构很好地解决了上述双向buck/boost变换器均衡结构的不足，但是所使用的飞渡电容一般是万法拉级的超级电容或超级电容组，其体积很大，而且作为飞渡电容的超级电容或超级电容组一般自放电率比较大，因而使用时间稍长以后其电压就很容易降到一个很低的水平，不利于均衡器的正常工作，这时需要在均衡启动前预先对飞渡电容补充一定的电量，这给带有升降压变换器的飞渡电容式均衡方案具体实施增加了不少麻烦，给均衡器的实用和推广带来较大不便。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于双向升降压变换器的总线式电池组均衡方法，以解决现有能量转移型的电池组均衡器均衡速度慢、均衡效率低、结构复杂以及成本高等缺点。

本发明的方法基于双向升降压变换器Ⅰ、开关阵列Ⅱ、一号滤波电路Ⅲ、二号滤波电路Ⅳ、单体电池电压检测电路Ⅴ和控制器Ⅵ实现；

串联的n个电池单体B₁～B_n构成电池组，从电池组的正极到负极，电池单体编号依次为1，2，3，…，n；开关阵列Ⅱ由A端总线和B端总线构成，n只单刀单掷开关K₁～K_n、单刀双掷开关KK₁和单刀双掷开关KK₂构成A端总线；n只单刀单掷开关S₁～S_n、单刀双掷开关SS₁和SS₂构成B端总线；单刀单掷开关K₁～K_n的动端分别依次连接在电池单体B₁～B_n的阳极上，单刀单掷开关K₁～K_n中的奇数号开关的静端都连接在一起形成A端奇数开关总线Ⅱ-1，单刀单掷开关K₁～K_n中的偶数号开关的静端都连接在一起形成A端偶数开关总线Ⅱ-2，单刀双掷开关KK₁的动端连接在A端奇数开关总线Ⅱ-1上，单刀双掷开关KK₂的动端连接在A端偶数开关总线Ⅱ-2上；

单刀单掷开关S₁～S_n的动端分别依次连接在电池单体B₁～B_n的阴极上，单刀单掷开关S₁～S_n中的奇数号开关的静端都连接在一起形成B端奇数开关总线Ⅱ-3，单刀单掷开关S₁～S_n中的偶数号开关的静端都连接在一起形成B端偶数开关总线Ⅱ-4，单刀双掷开关SS₁的动端连接在B端奇数开关总线Ⅱ-3上，单刀双掷开关SS₂的动端连接在B端偶数开关总线Ⅱ-4上；

一号滤波电路Ⅲ由电感L₁和电容C₁组成，二号滤波电路Ⅳ由电感L₂和电容C₂组成；

双向升降压变换器Ⅰ由开关管Q₁、开关管Q₂、开关管QQ₁、开关管QQ₂、二极管D₁、二极管D₂、二极管DD₁、二极管DD₂和功率电感L组成，单刀双掷开关KK₁的一个静端连接单刀双掷开关KK₂的一个静端和电感L₁的一端，单刀双掷开关KK₁的另一个静端连接单刀双掷开关KK₂的另一个静端、电容C₁的负极、开关管QQ₁的一极和二极管DD₁的阴极，电感L₁的另一端连接电容C₁的正极、开关管Q₁的一极和二极管D₁的阴极，开关管QQ₁的另一极连接二极管DD₁的阳极、开关管QQ₂的一极和二极管DD₂的阴极、功率电感L的一端，功率电感L的另一端连接开关管Q₁的另一极、二极管D₁的阳极、开关管Q₂的一极和二极管D₂的阴极，二极管D₂的阳极连接开关管Q₂的另一极、电容C₂的负极、单刀双掷开关SS₂的一个静端和单刀双掷开关SS₁的一个静端，开关管QQ₂的另一极连接二极管DD₂的阳极、电容C₂的正极和电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接单刀双掷开关SS₁的另一个动端和单刀双掷开关SS₂的另一个动端；

检测每个电池单体电压的单体电池电压检测电路Ⅴ的信号输出端连接控制器Ⅵ的信号输入端，控制器Ⅵ的每个信号输出端分别连接n只单刀单掷开关K₁～K_n、单刀双掷开关KK₁、单刀双掷开关KK₂、n只单刀单掷开关S₁～S_n、单刀双掷开关SS₁、单刀双掷开关SS₂、开关管Q₁、开关管Q₂、开关管QQ₁和开关管QQ₂的控制信号输入端；

所述均衡方法包括下述步骤：一、开始；二、控制器Ⅵ检测电池组的充放电电流大小，并通过充放电电流值确定开关管工作频率进而确定均衡电流值；三、巡检电池组各单体电池电压V_i；四、比较得出最高电压单体电压V_max和最低电压单体电压V_min，以及与之相对应的单体电池编号i和j，五、判断最高电压单体电压与最低电压单体电压的压差是否超过设定值Δ，即判断V_max-V_min＞Δ，若为“否”，则返回执行步骤三；若步骤五的结论为“是”；则执行步骤六、判断最高电压单体的编号i是否小于最低电压单体的编号j，若判断结论为“是”，则单刀单掷开关K_i和单刀单掷开关K_i+1闭合，单刀单掷开关S_j-1和单刀单掷开关S_j闭合，单刀双掷开关KK₁、单刀双掷开关KK₂、单刀双掷开关SS₁和单刀双掷开关SS₂置位到相应端，功率管Q₁和功率管QQ₂工作，功率管Q₂和功率管QQ₁关断，电荷量由单体电池B_i向单体电池B_j转移；若步骤六的结论为“否”，则执行步骤七、单刀单掷开关K_j和单刀单掷开关K_j+1闭合，单刀单掷开关S_i-1和单刀单掷开关S_i闭合，单刀双掷开关KK₁和单刀双掷开关KK₂、单刀双掷开关SS₁和单刀双掷开关SS₂置位到相应端，功率管Q₂和功率管QQ₁工作，功率管Q₁和功率管QQ₂关断，电荷量由单体电池B_i向单体电池B_j转移；步骤九、经过均衡周期T的时间，完成一次电荷量的转移过程；然后返回步骤三。

本发明的均衡方法所使用的装置明显减少了电感、开关管等功率器件，以及与开关管配套的驱动电路，大大降低了均衡系统成本；同时本发明均衡方法明显改善了均衡速率，电流由最高电压单体直接流向最低电压单体，不再经过飞渡电容这个中间媒介，提高了均衡系统的快速性；本均衡方法不需要飞渡电容，减小了均衡系统体积，均衡系统只由控制元件构成，免去了额外增加的飞渡电容。本均衡方法提高了均衡速率；本发明均衡方法极大地改善了能量效率，提高了能量利用率。

另外，本发明不仅能对各种电池组进行动静态均衡，而且均衡电流可不受电池组单体间压差限制且可控、平稳，消除了加入均衡电路后脉动的均衡电流对动力电池带来的负面影响，同时也改善了现有的均衡器的快速性，提高了能量效率，从而避免容量小的电池单体过充或过放，最终达到保护电池，延长其使用寿命的目的。

附图说明

图1是现有的双向buck/boost变换器均衡结构示意图，图2是现有的带有升降压变换器的飞渡电容式均衡结构示意图，图3是本发明方法所使用的装置结构示意图，图4是本发明方法的流程图。图5是工作时电池组输入给本发明所基于的均衡装置的输入端电流波形示意图，图6是工作时本发明所基于的均衡装置输出给电池组的输出端电流波形示意图，图7是本发明所基于的均衡装置在工作时功率电感L上的电流波形示意图。图7中矩形波是开关管的驱动电压的波形，三角波是功率电感L的电流波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3和4具体说明本实施方式。本实施方式的方法基于双向升降压变换器Ⅰ、开关阵列Ⅱ、一号滤波电路Ⅲ、二号滤波电路Ⅳ、单体电池电压检测电路Ⅴ和控制器Ⅵ实现，其中双向升降压变换器主要是控制均衡电流的大小和流动方向，开关阵列选择控制被均衡的电池接入相应端的均衡总线。

串联的n个电池单体B₁～B_n构成电池组(n为电池编号)，从电池组的正极到负极，电池单体编号依次为1，2，3，…，n；开关阵列Ⅱ由A端总线和B端总线构成，n只单刀单掷开关K₁～K_n、单刀双掷开关KK₁和单刀双掷开关KK₂构成A端总线；n只单刀单掷开关S₁～S_n、单刀双掷开关SS₁和SS₂构成B端总线；单刀单掷开关K₁～K_n的动端分别依次连接在电池单体B₁～B_n的阳极上，单刀单掷开关K₁～K_n中的奇数号开关的静端都连接在一起形成A端奇数开关总线Ⅱ-1，单刀单掷开关K₁～K_n中的偶数号开关的静端都连接在一起形成A端偶数开关总线Ⅱ-2，单刀双掷开关KK₁的动端连接在A端奇数开关总线Ⅱ-1上，单刀双掷开关KK₂的动端连接在A端偶数开关总线Ⅱ-2上；

单刀单掷开关S₁～S_n的动端分别依次连接在电池单体B₁～B_n的阴极上，单刀单掷开关S₁～S_n中的奇数号开关的静端都连接在一起形成B端奇数开关总线Ⅱ-3，单刀单掷开关S₁～S_n中的偶数号开关的静端都连接在一起形成B端偶数开关总线Ⅱ-4，单刀双掷开关SS₁的动端连接在B端奇数开关总线Ⅱ-3上，单刀双掷开关SS₂的动端连接在B端偶数开关总线Ⅱ-4上；

一号滤波电路Ⅲ由电感L₁和电容C₁组成，二号滤波电路Ⅳ由电感L₂和电容C₂组成；

双向升降压变换器Ⅰ由开关管Q₁、开关管Q₂、开关管QQ₁、开关管QQ₂、二极管D₁、二极管D₂、二极管DD₁、二极管DD₂和功率电感L组成，单刀双掷开关KK₁的一个静端连接单刀双掷开关KK₂的一个静端和电感L₁的一端，单刀双掷开关KK₁的另一个静端连接单刀双掷开关KK₂的另一个静端、电容C₁的负极、开关管QQ₁的一极和二极管DD₁的阴极，电感L₁的另一端连接电容C₁的正极、开关管Q₁的一极和二极管D₁的阴极，开关管QQ₁的另一极连接二极管DD₁的阳极、开关管QQ₂的一极和二极管DD₂的阴极、功率电感L的一端，功率电感L的另一端连接开关管Q₁的另一极、二极管D₁的阳极、开关管Q₂的阴极和二极管D₂的阴极，二极管D₂的阳极连接开关管Q₂的另一极、电容C₂的负极、单刀双掷开关SS₂的一个静端和单刀双掷开关SS₁的一个静端，开关管QQ₂的另一极连接二极管DD₂的阳极、电容C₂的正极和电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接单刀双掷开关SS₁的另一个动端和单刀双掷开关SS₂的另一个动端；

检测每个电池单体电压的单体电池电压检测电路Ⅴ的信号输出端连接控制器Ⅵ的信号输入端，控制器Ⅵ的每个信号输出端分别连接n只单刀单掷开关K₁～K_n、单刀双掷开关KK₁和单刀双掷开关KK₂、n只单刀单掷开关S₁～S_n、单刀双掷开关SS₁、单刀双掷开关SS₂、开关管Q₁、开关管Q₂、开关管QQ₁和开关管QQ₂的控制信号输入端；

所述均衡方法包括下述步骤：一、开始；二、控制器Ⅵ检测电池组的充放电电流大小，并通过充放电电流值确定开关管工作频率进而确定均衡电流值；三、巡检电池组各单体电池电压V_i；四、比较得出最高电压单体电压V_max和最低电压单体电压V_min，以及与之相对应的单体电池编号i和j，五、判断最高电压单体电压与最低电压单体电压的压差是否超过设定值Δ，即判断V_max-V_min＞Δ，若为“否”，则返回执行步骤三；若步骤五的结论为“是”；则执行步骤六、判断最高电压单体的编号i是否小于最低电压单体的编号j，若判断结论为“是”，则单刀单掷开关K_i和单刀单掷开关K_i+1闭合，单刀单掷开关S_j-1和单刀单掷开关S_j闭合，单刀双掷开关KK₁、单刀双掷开关KK₂、单刀双掷开关SS₁和单刀双掷开关SS₂置位到相应端，功率管Q₁和功率管QQ₂工作，功率管Q₂和功率管QQ₁关断，电荷量由单体电池B_i向单体电池B_j转移；若步骤六的结论为“否”，则执行步骤七、单刀单掷开关K_j和单刀单掷开关K_j+1闭合，单刀单掷开关S_i-1和单刀单掷开关S_i闭合，单刀双掷开关KK₁和单刀双掷开关KK₂、单刀双掷开关SS₁和单刀双掷开关SS₂置位到相应端，功率管Q₂和功率管QQ₁工作，功率管Q₁和功率管QQ₂关断，电荷量由单体电池B_i向单体电池B_j转移；步骤九、经过均衡周期T的时间，完成一次电荷量的转移过程；然后返回步骤三。经过若干个均衡周期T后，达到整组电池单体电压一致，从而实现电池组电压均衡的目的。

均衡工作时，在同一时刻接入A端总线的被均衡电池单体编号大于接入B端总线的被均衡电池单体编号。本方法中的双向升降压变换器输入、输出端分别加入一级滤波电路，消除均衡电流的脉动性，避免大幅度脉动的均衡电流对被均衡电池的脉动冲击，虽没有完全消除电流脉动，但脉动很小，在电池对电流平稳性要求不太高的情况下，完全可以满足要求，简化了滤波电路结构，从而也减小了消耗在变换电路上的能量，提高了能量效率。

设单体电池B_i为最高单体电压电池，单体电池B_j为最低单体电压电池。设开关管Q₁，Q₂，QQ₁和QQ₂的PWM驱动信号周期为T，设定PWM驱动信号的占空比D为50％或略大于50％，则有T1＝D·T，T2＝(1-D)·T。根据均衡主电路的特性、双向升降压变换器的A端和B端开关阵列的不同组合以及电荷量的转移方向的不同主要有以下8中工作状态。

1)当单体电池编号i小于单体电池编号j，同时i为奇数，j为偶数，电池B_i两端的开关K_i、K_i+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到上端触点；电池B_j两端的开关S_j-1、S_j闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到上端触点。Q₂、QQ₁关断，Q₁，QQ₂在互补的驱动信号下工作，A端总线为功率输入端，B总线端为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

2)当单体电池编号i小于单体电池编号j，同时i为奇数，j为奇数，电池B_i两端的开关K_i、K_i+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到上端触点；电池B_j两端的开关S_j-1、S_j闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到下端触点。Q₂、QQ₁关断，Q₁，QQ₂在互补的驱动信号下工作，A端总线为功率输入端，B端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

3)当单体电池编号i小于单体电池编号j，同时i为偶数，j为奇数，电池B_i两端的开关K_i、K_i+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到下端触点；电池B_j两端的开关S_j-1、S_j闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到下端触点。Q₂、QQ₁关断，Q₁，QQ₂在互补的驱动信号下工作，A端总线为功率输入端，B总线端为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

4)当单体电池编号i小于单体电池编号j，同时i为偶数，j为偶数，电池B_i两端的开关K_i、K_i+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到下端触点；电池B_j两端的开关S_j-1、S_j闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到上端触点。Q₂、QQ₁关断，Q₁，QQ₂在互补的驱动信号下工作，A端总线为功率输入端，B端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

5)当单体电池编号i大于单体电池编号j，同时i为奇数，j为偶数，电池B_i两端的开关S_i-1、S_i闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到下端触点；电池B_j两端的开关K_j、K_j+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到下端触点。Q₁，QQ₂关断，Q₂、QQ₁在互补的驱动信号下工作，B端总线为功率输入端，A端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

6)当单体电池编号i大于单体电池编号j，同时i为奇数，j为奇数，电池B_i两端的开关S_i-1、S_i闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到下端触点；电池B_j两端的开关K_j、K_j+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到上端触点。Q₁，QQ₂关断，Q₂、QQ₁在互补的驱动信号下工作，B端总线为功率输入端，A端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

7)当单体电池编号i大于单体电池编号j，同时i为偶数，j为奇数，电池B_i两端的开关S_i-1、S_i闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到上端触点；电池B_j两端的开关K_j、K_j+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到上端触点。Q₁，QQ₂关断，Q₂、QQ₁在互补的驱动信号下工作，B端总线为功率输入端，A端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

8)当单体电池编号i大于单体电池编号j，同时i为偶数，j为偶数，电池B_i两端的开关S_i-1、S_i闭合使之与B端总线连接，SS₁、SS₂均置位到上端触点；电池B_j两端的开关K_j、K_j+1闭合使之与A端总线连接，KK₁、KK₂均置位到下端触点。Q₁，QQ₂关断，Q₂、QQ₁在互补的驱动信号下工作，B端总线为功率输入端，A端总线为功率输出端，电池B_i向电池B_j转移电量。

由于以上8种工作状态是由不同开关状态和不同能量流动方向的搭配实现的，对于其工作原理本质主要是能量流动方向的控制过程，因而下面只对工作状态1)和工作状态5)的电路工作过程做详细介绍。

工作状态1)是A端总线为功率输入端，B端总线为功率输出端，均衡主电路工作时，Q₂、QQ₁一直处于关断状态，Q₁，QQ₂在互补的驱动信号下工作，也即在T1时间段，Q₁开通、QQ₂关断，电容C₁经由电容C₁、开关管Q₁、二极管DD₁和电感L所形成的环路给电感L充电，由于电容C₁上电荷量减少，电压降低，迫使电池B_i经电感L₁给电容C₁补充电量，从而实现在T1时间段电池B_i存储电量到电感L上；在T2时间段，Q₁关断、QQ₂开通，电感L经开关QQ₂，电容C₂、二极管D₂和电感L形成的环路，放电到电容C₂上，同时电容C₂上多余的电量经由电容C₂、电感L₂和电池B_j形成的环路释放到电池B_j中，最终完成一个开关周期T内电荷量由电池B_i向电池B_j转移的过程。

工作状态5)是B端总线为功率输入端，A端总线为功率输出端，均衡主电路工作时，Q₁，QQ₂一直处于关断状态，Q₂、QQ₁在互补的驱动信号下工作，也即在T1时间段Q₂开通、QQ₁关断，电容C₂经由电容C₂、开关管Q₂，二极管DD₂和电感L形成的环路给电感L充电，由于电容C₂上电荷量减少，迫使电池B_i经电感L₂给电容C₂补充电量，从而完成T1时间段由电池B_i存储电量到电感L上；在T2时间段，Q₂关断、QQ₁开通，电感L上的能量经开关管QQ₁，电容C₁、二极管D₁和电感L形成的环路，放电到电容C₁上，同时电容C₁上多余的电量经由电容C₁、电感L₁和电池B_j形成的环路释放到电池B_j中，从而完成一个开关周期T内电荷量由电池B_i向电池B_j转移的过程。

具体实施方式二：下面结合图3和4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同是又限定了：为了使被均衡单体电池在均衡时不出现均衡过度，即由于均衡周期T的选择不当，均衡前的高电压单体电压在均衡后的电压值低于均衡前的低电压单体均衡后的电压值。均衡周期T应该是最高电压偏差或最低电压偏差中的较小者的函数。电池组的平均单体电压V_av，由式(1-1)计算得到。

$V_{\mathrm{av}}=\frac{V_T-V_{\max }-V_{\min }}{n-2}---(1-1)$

其中，V_T——电池组总电压，V_T＝V₁+V₂+…+V₁₂；

V_max——电池组中最高电压单体的电压值；

V_min——电池组中最低电压单体的电压值；

n——电池组的单体电池数。

同时设最高电压单体电压偏差Δ₁＝V_max-V_av，最高低压单体电压偏差Δ₂＝V_av-V_min。比较Δ₁和Δ₂的大小，若Δ₁＞Δ₂，则T按式(1-2)所给的函数关系确定

T＝f(Δ₂)            (1-2)

若Δ₁＜Δ₂，则T按式(1-3)所给的函数关系确定

T＝f(Δ₁)            (1-3)