基于三谐振状态LC变换的Adjacent Cell-to-Cell均衡电路及控制方法

摘要

本发明公开了一种基于三谐振状态LC变换的Adjacent？Cell-to-Cell均衡电路及控制方法，均衡电路主要包括微控制器、N节电池单体和N-1个三谐振状态LC变换模块，每相邻的两节电池单体共用一个三谐振状态LC变换模块；微控制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号控制三谐振状态LC谐振变换交替工作在充电、放电和释放状态。本发明由于释放状态的引入，将电容C进一步放电并反向充电，一方面增大了均衡电流；另一方面也获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路及控 制方法。

背景技术

锂离子动力电池具有能量密度高、自放电率低和没有记忆效应等优点，是电动汽 车和混合动力电动汽车的主要用动力电池。然而，由于电池单体的电压较低，为了获得较高 的电压等级在实际应用中多以串联形式使用。不幸的是，串联锂电池组带来了一个更加严 峻的问题：电池单体间内阻或容量存在的微小差异，可能导致电池单体间电压或SOC的极度 不均衡。此外，在数次充放电循环后，这种不均衡现象会越来越严重，极大地减小了电池组 的可用容量和循环寿命。甚至，会引起爆炸、起火等安全事故。因此，必须对串联电池组进行 均衡管理。

中国发明专利申请(申请号201210595724.6)提出了一种电容式电池均衡电路，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，从而实现电池组电压的均衡。但是该方 法开关损耗高、均衡电流小，且不能实现电池单体间零电压差均衡。

中国发明专利(专利号ZL201310278475.2)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，极大提高了均衡效率，有效减少了电池单体之间的不一致性。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。为此，中国实用新型(专利号ZL201320660950.8)和中国发明专利(专利号ZL 201310507016.7)提出一种基于升压变换和软开关的CelltoCell电池均衡电路，该发明 使用一个Boost升压变换将电池组中电压最高的电池单体升压至一个较高的电压，以实现 大电流、零电压差均衡；使用一个LC谐振变换模块以实现零电流开关均衡，减少了能量浪 费、提高了均衡效率。但是，该发明存在的主要问题是：均衡效率与电池单体间电压差成反 比，电压差越大，均衡效率越低。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell- to-Cell均衡电路及控制方法，本发明通过相邻的两节电池单体共用一个三谐振状态LC变 换模块，微控制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号控制三谐振状态LC 谐振变换交替工作在充电、放电和释放状态，可实现电池组中相邻电池单体之间的零电流 开关均衡，获得了能量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的 零电压差均衡提供了条件，并且可通过选择不同的L、C参数来调节电路的均衡时间和提高 均衡效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，包括多个电池 单体、微控制器和三谐振状态LC变换模块，其中：

所述多个电池单体一一串联，每两个相邻的电池单体之间连接有三谐振状态LC变 换模块；

所述微控制器，包括模数转换模块和脉冲宽度调制信号输出端，其中，所述模数转 换模块通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号， 获取每个电池单体的电压；

所述脉冲宽度调制信号输出端通过驱动电路产生控制驱动信号，控制每个三谐振 状态LC变换模块的工作；

所述三谐振状态LC变换模块，包括并联在每个电池单体上的MOS管组、LC串联谐振 电路和并联在LC串联谐振电路上的MOS管支路，其中，所述MOS管组包括两个串联的MOS管， LC串联谐振电路的两个端点分别连接在两个相邻的MOS管组的中点。

所述脉冲宽度调制信号输出端的信号由三路相位互差120度、占空比为33.3％的 方波信号组成。

进一步的，所述三谐振状态LC变换模块包括一个由四个MOS管串联组成的支路、一 个LC串联谐振电路和一个MOS管支路，其中，四个MOS管串联支路有五个端，第一端连接于两 个相邻串联电池模块的正极；第二端连接于LC串联谐振电路的一端；第三端连接于两个相 邻串联电池模块的公共端；第四端连接于LC串联谐振电路的另一端；第五端连接于两个相 邻串联电池模块的负极；MOS管支路与LC串联谐振电路并联。

所述三谐振状态LC变换模块在三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号 的控制下，交替工作在充电状态、放电状态和释放状态。

当三路方波信号频率等于LC串联谐振电路的固有谐振频率的三分之二时，电池组 中相邻电池单体之间的零电流开关均衡。

进一步的，所述充电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振 电路与电压高的电池单体并联，实现电压高的电池单体给LC串联谐振电路充电。

所述放电状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路与电压 低的电池单体并联，实现LC串联谐振电路给电压低的电池单体充电。

所述释放状态为微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使LC串联谐振电路短路， 实现电容C的进一步放电并反向充电，以提高下一状态的均衡电流。另一方面，也获得了能 量在小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了 条件。

所述三谐振状态LC变换模块为双向变换器，通过改变三路方波信号的相序，获得 相邻电池单体间能量的任意流动。

一种基于上述均衡电路的控制方法，包括以下步骤：

(1)微控制器将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；

(2)微控制器根据每个电池单体的电压，计算每两个相邻的电池单体的电压差，若 差值超过电池均衡阈值，根据两个电池单体的高电压和低电压，确定脉冲宽度调制信号的 相序，发送给对应的三谐振状态LC变换模块；

(3)微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使其交替工作在充电、放电和释放三个 状态，实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体，直至两个相邻电池单体的电 压差低于电池均衡阈值。

所述方法中，通过选择三谐振状态LC变换模块中不同的L、C参数调节均衡电路的 均衡时间和均衡效率，打破了均衡效率与电池单体间电压差成反比的耦合关系。

所述步骤(2)中，当三路脉冲宽度调制信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率 的三分之二时，实现能量的零电流开关传递。

本发明的工作原理为：

微控制器借助模数转换模块获取电池组各单体电压，进而对相邻的两节电池单体 电压进行比较，确定需要均衡的相邻电池单体，并判断出高电压者和低电压者；然后，微控 制器发送三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号控制三谐振状态LC变换模块，使 其交替工作在充电、放电和释放三个状态，从而将能量从相邻电池单体中的高电压者转移 到低电压者。释放状态的引入为大电流、零电压差均衡提供了条件。特别地，当微控制器发 出的三路PWM信号频率等于LC谐振变换的固有谐振频率的三分之二时，可以实现零电流开 关均衡。

本发明的有益效果为：

(1)由于电路工作在三谐振状态，能够实现电池组中相邻电池单体之间的零电流 开关均衡，极大地减小了开关损耗，可使均衡电路工作在更高频率下，有利于减小均衡电路 体积；

(2)由于释放状态的引入，解决了传统Cell-to-Cell型均衡电路均衡电流小、均衡 时间长的问题，适用于大容量的动力电池组；

(3)由于释放状态的引入，有效克服了由于电力电子器件存在导通压降造成的难 以实现电池单体间零电压差的难题。

(4)通过选择不同的L、C参数可调节均衡电路的均衡时间并提高均衡效率，打破了 均衡效率与电压差成反比的耦合关系，可满足不同的应用需求，实用性广。

附图说明

图1(a)为本发明基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的n 节电池单体的均衡示意图；

图1(b)为本发明基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的2 节电池单体的均衡电路图；

图2(a)为本发明的三谐振状态LC变换在V_B0>V_B1时充电状态工作原理图；

图2(b)为本发明的三谐振状态LC变换在V_B0>V_B1时放电状态工作原理图；

图2(c)为本发明的三谐振状态LC变换在V_B0>V_B1时释放状态工作原理图；

图3为本发明的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的理论波形图；

图4(a)为本发明的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压 V_C的实验波形图，其中，开关顺序是(Q₀,Q₂),(Q₁,Q₃),Q₄，能量从B₀传递到B₁；

图4(b)为本发明的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电容电压 V_C的实验波形图，其中，为开关顺序是(Q₁,Q₃),(Q₀,Q₂),Q₄，能量从B₁传递到B₀；

图5为本发明对4节相邻电池单体进行均衡实验图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路，包括微 控制器、N节电池单体和N-1个三谐振状态LC变换模块，其中每相邻的两节电池单体共用一 个三谐振状态LC变换模块，微控制器连接各个三谐振状态LC变换模块和所有电池单体。

微控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换 模块，通过电压检测电路与电池单体连接，用于将电池单体的电压信号转换成数字信号， 从而获得电池组中电池单体的电压；

脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接三谐振状态LC变换模块，用于产 生三谐振状态LC变换中MOS管开关的控制驱动信号；

脉冲宽度调制PWM信号由三路相位互差120度、占空比为33.3％的方波信号组成。

三谐振状态LC变换模块包括一个由四个MOS管串联组成的支路、一个LC串联谐振 电路和一个MOS管支路。其中四个MOS管串联支路有五个端，第一端连接于两个相邻串联电 池模块的正极；第二端连接于LC串联谐振电路的一端；第三端连接于两个相邻串联电池模 块的公共端；第四端连接于LC串联谐振电路的另一端；第五端连接于两个相邻串联电池模 块的负极。一个MOS管支路与LC串联谐振电路并联。

三谐振状态LC变换模块在三路相位互差120度、占空比为33.3％的PWM信号的控制 下，交替工作在充电状态、放电状态和释放状态，特别地，当三路PWM信号频率等于LC谐振变 换的固有谐振频率的三分之二时，可实现电池组中相邻电池单体之间的零电流开关均衡。

充电状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路与电压高的 电池单体并联，实现电压高的电池单体给LC串联谐振电路充电。

放电状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路与电压低的 电池单体并联，实现LC串联谐振电路给电压低的电池单体充电。

释放状态为主控制器控制三谐振状态LC变换模块，将LC串联谐振电路短路，实现 电容C的进一步放电并反向充电，以提高下一状态的均衡电流。另一方面，也获得了能量在 小电压差甚至零电压差电池单体间的流动，为实现电池单体间的零电压差均衡提供了条 件。

三谐振状态LC变换模块为双向变换器，通过改变所述三路PWM信号的相序，实现相 邻电池单体间能量的任意流动。

通过选择不同的L、C参数可调节均衡电路的均衡时间并提高均衡效率，打破了均 衡效率与电池单体间电压差成反比的耦合关系。

一种应用上述基于三谐振状态LC变换的AdjacentCell-to-Cell均衡电路的控制 方法，包括以下步骤：

(1)获取单体电压：微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压；

(2)启动均衡：微控制器根据获取的电池单体电压，计算相邻的两个电池单体的电 压差，若其差值大于电池均衡阈值，则启动该组对应的均衡电路；

(3)判断均衡方向：微控制器根据获取的电池单体电压，判断出相邻的两个电池单 体的高电压和低电压，确定三路PWM信号的相序，以保证能量流从电压高的电池单体流向电 压低的电池单体；

(4)能量传递：微控制器控制三谐振状态LC变换模块，使其交替工作在充电、放电 和释放三个状态，实现能量从电压高的电池单体流向电压低的电池单体，直至两个相邻电 池单体的电压差低于电池均衡阈值。特别地，当三路PWM信号频率等于LC谐振变换的固有谐 振频率的三分之二时，实现能量的零电流开关传递。

实施例一：

如图1所示，均衡电路的微控制器选用数字信号处理芯片DSP(TMS320F28335)，具 有高精度AD采样和PWM输出；电压检测电路采用凌特公司的LTC6802专用电压测量芯片实时 测量电池组中每节电池的电压；电池模块为磷酸铁锂动力电池，容量为6.2Ah。如图1(a)所 示，为三谐振状态LC变换模块应用于电池组的整体模型图，每相邻两节电池单体共用一个 三谐振状态LC变换模块，对于一个N节电池单体构成的串连电池组，共用到(N-1)个三谐振 状态LC变换模块。

如图1(b)所示，为三谐振状态LC变换模块应用于相邻的两个电池单体B₀和B₁。三谐 振状态LC变换模块由四个MOS管Q₀-Q₃串联支路、LC串联谐振电路和一个MOS管支路Q₄组成。 其中，MOS管Q₀的漏极与电池单体B₀的正极相连；MOS管Q₀的源极与MOS管Q₁的漏极相连并与 电感L₀相连；MOS管Q₁的源极与MOS管Q₂的漏极相连并与电池单体B₀和B₁的公共端(B₀的负极 与B₁的正极相连处)相连；MOS管Q₂的源极与MOS管Q₁的漏极相连并与电容C₀相连；MOS管Q₄与 LC串联谐振电路相并联。

MOS管Q₀、Q₂由同一路PWM1信号驱动；MOS管Q₁、Q₃由同一路PWM2信号驱动；MOS管Q₄由 一路PWM3信号驱动。

电路运行后，微控制器借助模数转换模块，获取动力电池各单体电压，从而确定需 要进行均衡的相邻两个电池单体，并判断电压差是否大于电池均衡阈值0.005V，若大于则 启动对应的均衡电路。在均衡状态下，微控制器控制三谐振状态LC变换使其交替工作在充 电、放电和释放三个状态，从而实现能量从电压高的电池单体B₀到电压低的电池单体B₁的传 递。

如图2所示，为在V_B0>V_B1条件下均衡电路的工作原理图。图3为其对应的理论波形 图。开关顺序依次为(Q₀,Q₂),(Q₁,Q₃),Q₄。

充电状态S₁(如图2(a)所示)，在t₀时刻，Q₀,Q₂导通，B₀、电感L₀和电容C₀形成一个 谐振回路，此时B₀对电容C₀充电，谐振电流i为正，电容C₀两端的电压V_c开始上升，如图3S₁状 态所示；

放电状态S₂(如图2(b)所示)，在t₁时刻电流过零点，Q₀,Q₂关断，Q₁,Q₃导通，B₁、电感 L₀和电容C₀形成一个谐振回路，此时电容C₀对B₁充电，谐振电流i变为负值，电容C₀两端的电 压V_c开始下降，如图3S₂状态所示。

释放状态S₃(如图2(c)所示)，在t₂时刻电流过零点，Q₁,Q₃关断，Q₄导通，将LC串联谐 振电路短路，电感电流i给电容C₀放电，并反向给C₀充电，如图3S₃状态所示。

经过三谐振状态LC变换电路的一个充、放和释放过程，将B₀的能量部分转移到B₁， 从而实现了B₀和B₁电压的均衡。

如图4所示，为实验获得的三谐振状态LC变换处于谐振状态下的充放电电流i和电 容电压V_C的波形图。(a)为开关顺序是(Q₀,Q₂),(Q₁,Q₃),Q₄，能量从B₀传递到B₁；(b)为开关顺 序是(Q₁,Q₃),(Q₀,Q₂),Q₄，能量从B₁传递到B₀。由图可以看出，电容电压V_C、均衡电流i周期性 变化，MOS管的导通和关断正好发生在电流i过零点，实现了零电流开关，减小了开关损耗， 提高了均衡效率。开关序列的改变能够控制能量流的方向，可实现从高往低的流动，也可实 现从低往高的流动，为实现单体电池间的零电压差均衡提供了条件。

如图5所示为本发明对4节串联电池模块进行均衡实验的电压效果图。其中，电池 单体初始电压和初始SOC分别为V_B0＝3.216V,V_B1＝2.783V,V_B2＝3.233V,andV_B3＝3.023V。 大约在3.6小时后，电池模块电压获得了完全平衡，最终平衡电压为3.096V。

上述实验结果验证了本发明均衡电路的有效性：零电流开关、零电压差均衡和高 效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。