一种多极双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术

摘要

本发明涉及到一种使用多极双向DC-DC电路实现锂电池组无损平衡的技术，对于由n个电池串联构成的电池组，基本的多极双向DC-DC电路由n个MOS开关管、n个滤波电容和n-1个电感构成，n个MOS管由多相位PWM控制器依照特定逻辑驱动，正常工作时，一个工作周期T内，多相位PWM控制器顺次关闭从第n到第1个MOS管各T/n时间周期，其它时间保持开启，此时，n-1个电感和n个MOS管将构成n-1个双向DC-DC的Buck-Boost电路，并相互串联在一起。多级DC-DC电路的每两个相邻输电极之间的电压和与之对应的MOS管关闭周期成正比，由此构成的多级DC-DC电路可以用于串联电池组充放电过程的无损平衡。通过调整各个MOS管的关闭周期，可以改变多级DC-DC电路相邻输电极之间的电压，用以控制均衡电流，或者用于不同工作电压的单体电池构成的电池组的无损平衡。

说明书

技术领域

本发明涉及新能源领域，尤其针对锂电池组的无损平衡有特殊的作用。

背景技术

锂电池由于其自身充放电特性的原因，过充电或者过放电都可能给电池造成永久 性的损坏，尤其是在串联锂电池组中，各个电池的容量及充放电参数难以做到完全一致，实 际应用中，往往需要有专门的电路进行电池之间的平衡和充放电保护。

锂电池组的平衡技术分作有损平衡和无损平衡两种，有损平衡是通过控制放电电 路消耗掉电压过高或者容量较大的电池的能量达到整体平衡的；无损平衡是通过电路将电 压过高或者容量较大的电池的能量转移到电压较低或者容量较小的电池来实现各电池之 间平衡的。

大多数有损平衡技术只能应用于充电过程，而放电过程则受到容量最小电池的制 约，当电池组任意一个电池放电结束的时候，整个电池组将停止对外放电，电池组的容量不 能得到充分的使用，而且平衡过程中有能量的损耗。无损平衡技术则多数可以在充电和放 电过程都进行平衡，做到对电池组容量的最大应用，平衡过程并没有能量的损耗，仅仅是电 路自身工作产生的少量损耗。

在目前的无损平衡中，有使用电容储能方式的，有使用双向DC-DC方式的，但大多 数电路结构复杂，控制逻辑复杂，甚至对元器件的工艺要求较高。本发明所采用的技术是通 过多极双向DC-DC电路完成电池组的无损平衡，具有结构简单，控制逻辑简单，易于模块化 扩展，成本低而效率高的特点。

发明内容

本发明所指的双向DC-DC的锂电池组无损平衡技术主要由多极DC-DC电路和多相 位PWM控制器构成，典型的双向DC-DC电路是Buck-Boost结构，除此之外，类似结构的双向 DC-DC电路亦可完成本发明所述的功能，如CUK电路或者是Fly-Back电路。

对于由n个电池串联构成的电池组，典型的Buck-Boost多极双向DC-DC电路由n个 MOS开关管、n个滤波电容和n-1个电感构成。第一个MOS管源极同电池组负极相连，漏极同第 二个MOS管的源极相连，依此类推，第n个MOS管的源极与第n-1个MOS管的漏极相连，漏极与 电池组正极相连；第一个电感的左端与第一个MOS管的漏极相连，依此类推，第n-1个电感的 左端与第n-1个MOS管的漏极相连；n-1个电感的右端与电池组的正负极共同构成多极双向 DC-DC的n+1的输电极，n个电容分别连接在相邻的两个输电极之间用作滤波，n个电池串联 的节点和多极双向DC-DC的各个输电极相连接。

正常工作时，任何时刻，只有一个MOS处于关闭状态，其它MOS处于导通状态，多相 位PWM控制器顺次地控制从第n至第1个MOS处于关闭状态，也即：一个工作周期T内，多相PWM 控制器顺次关闭从第n到第1个MOS管各T/n时间周期，其它时间保持开启，此时，n-1个电感 和n个MOS管将构成n-1个双向DC-DC的Buck-Boost电路，并相互串联在一起。

单向Buck-Boost电路可将输出端的MOS管使用续流二极管替代，其工作模式有连 续电流模式和断续电流模式的区分。连续电流模式是电感中始终有电流流过，电流在一个 最大值和最小值之间线性上升和下降。而断续电流模式则是电感的电流从零开始增加到一 个最大值，然后开始下降到零，之后有一段时间内无电流流过。在使用二极管续流的DC-DC 电路中，工作在断流模式时，一旦电流下降到零，则二极管不会再有电流流过，在输出端也 使用MOS管的电路中，如果工作在断续模式，则当电感的电流下降到零时，必须及时关闭输 出端MOS管，此时电路中的两个MOS管均处于关闭状态。

当Buck-Boost电路工作在断续电流模式时，如果电感中的电流降到零时不关闭输 出端的MOS管，则在电感中会有反向电流流过，其下降斜率和正向时的斜率相同，一直保持 到下个PWM周期，而第二个PWM周期内，电感的电流则不是从零开始上升，而是从反向电流的 最大值开始减小反向电流，并到达零电流，然后继续上升到正向最大值，如此周而复始。此 时电路工作在正反向电流交替模式。电感中流过的平均电流称作工作点，理想状态下，零工 作点时，电路输电极没有电流的流入和流出。工作点可以是正也可以是负，其决定了DC-DC 电路能量的传递方向，由于电感中的电流始终是连续的，这个工作模式可以称作连续电流 模式的双向DC-DC电路。

连续电流模式的双向DC-DC电路这种特性，可以让PWM脉宽固定的情况下，输出电 压和输入电压维持在固定的比例，根据Buck-Boost电路的特点，其输入和输出电压的关系 为：

（1）

其中Vo是输出电压，V_B是输入电压，D为输入端MOS导通的占空比。

对于双向DC-DC转换的Buck-Boost电路，输入端和输出端没有严格的定义，电路两 端同时连接电池的时候，输入和输出端的区分取决于平均电流的流向，而电流的流向则根 据基尔霍夫方程和欧姆定理可以计算出来，当电池电压高于自身连接DC-DC电路端电压的 时候，电池净流出电流，电池放电，反之净流入电流，电池处于充电状态，净流出的电流大小 由电压差及电路分布的等效电阻决定，并符合欧姆定理。

本发明中构成的多极双向DC-DC，通过多相位PWM控制器对n个MOS按照一定逻辑的 控制开启与关闭，可以等效成n-1个Buck-Boost双向DC-DC电路的串联，并且每两个相邻输 电极之间的电压和与之对应的MOS管关闭周期成正比。

本发明中的多极双向DC-DC电路的相邻输电极之间连接可充电二次电池时，每个 电池所连接的输电极之间的电压，被牵制在固定值上，当多相位PWM对每个MOS管的关闭占 空比相同，均为T/n时，相邻两个输电极之间电压为U_G/n，其中U_G为电池组的输出电压。此时， 电压高于U_G/n的电池为放电状态，电压低于U_G/n的电池为充电状态，从而构成对整个电池组 的无损平衡。这种机制不但可以应用于电池组的充电过程，也可以应用在电池组的放电过 程。

多相位PWM控制器对MOS管的控制设置有死区的时候，双向DC-DC电路的工作点会 根据电流的流向会发生一定的偏移。当电路中平均电流的流向确定时，输入端MOS关闭，而 输出端MOS尚未导通的时（或者输出端MOS关闭而输入端MOS尚未导通时），称作PWM控制的死 区，此时输出端MOS管的体二极管会强迫导通，暂时接替MOS续流，进而导致输出端的导通的 占空比增加，输入端导通占空比减小，从而输出端的电压下降，净流出的电流也会因为输出 端电压下降而减小，最终电路达到一个稳定态。死区的存在可以避免电池电压和输出电压 偏差过大时，电路的净流出电流无限制增长，适当设计死区的比例，可以提高电池组平衡的 电压范围，并可以控制平衡电流不会无限制增长。

本发明中多极双向DC-DC电路的特征决定了，对于不同放电终止电压和充电终止 电压的电池组成的电池组，通过多相位PWM控制器的调整，仍然可以实现对电池组的平衡和 保护，所需要做的是针对不同输电极之间的电池电压，设计出合理的PWM关闭周期和死区时 间。如充放电限制电压为4.2~3.6的电池和充放电电压限制为3.6~2.0的电池串联时，可以 设计其相连接的两组输电极之间的电压在充电时比例为4.2:3.6，在放电是比例为3.6: 2.0。

附图说明

图1本发明原理框图。

图2四相五极的四电池平衡电路示意图。

图3四相五极双向DC-DC等效分解图。

图4四相位PWM控制波形图。

图5四相五极电路平衡时电感电流波形。

图6四相五极电路平衡时各MOS管电流波形。

图7四相五极电路电池三电流净流入时电感波形图。

图8四相五极电路电池三电流净流入时各MOS波形图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一个实施例。基于本发明中的实施例，本领域中 的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明 保护的范围，例如将Buck-Boost电路使用CUK电路替代，仍可以实现本发明所述的主要功 能，亦属于本发明保护范围。

本实施例以四节电池串联构成的电池组为例，使用Buck-Boost结构，组成一个四 相五极的多极双向DC-DC电路，对于n节电池串联成的电池组，根据图1所示的基本原理图， 只是增加电感、电容和MOS管，并调整多相位PWM控制器的控制逻辑即可。

图2是四相五极四电池的平衡电路的示意图，电路由四个MOS管、三个电感和四个 电容构成。

图3是不同工作时刻，四相五极平衡电路等效的三个双向DC-DC电路，其中K1’是 K2、K3、K4的等效开关管，K2’是K1、K2的等效开关管，K3’是K3、K4的等效开关管，K4’是K1、 K2、K3等效开关管。同样的C1’是C2、C3、C4的等效电容，C2’是C1、C2的等效电容，C3’是C3、C4 的等效电容，C4’是C1、C2、C3等效电容。K1、K1’、L1和C1、C1’构成第一个等效Buck-Boost电 路，一个工作周期内，前3/4周期K1’关闭，K1导通，后1/4周期内，K1’导通，K1关闭；K2’、K3’、 L2和C2’、C3’构成第二个等效Buck-Boost电路，一个工作周期内，前1/2周期K3’关闭，K2’导 通，后1/2周期内，K3’导通，K2’关闭；K4、K4’、L3和C4、C4’构成第三个等效Buck-Boost电路， 一个工作周期内，前1/4周期K4关闭，K4’导通，后3/4周期内，K4导通，K4’关闭。

图4是多相位PWM对四个MOS管驱动的电压波形。第一个1/4周期关闭K4，第二个1/4 周期关闭K3，第三个1/4周期关闭K2，第四个1/4周期关闭K1。

图5是在各个电池平衡的情况下，三个等效的Buck-Boost电路工作点均为零时候， 各个电感中流过电流的波形。正向电流代表从电感左边流向右边，负则是电流从电感右边 流向左边。

图6是各个电池平衡的情况下，各个MOS管的电流波形。在平衡的情况下，MOS管流 过的平均电流和电感同样为零。

图7是当第三个电池电压降低时，电路向第三个电池进行充电平衡的电感电流波 形图，图中的L3工作在连续正向电流模式的临界点。L2和L1的电流仍然在零工作点，实际中 由于第三个电池的电压降低，L2和L1的工作点也会向上偏移。此时电池组中的1、2、4号电池 均处于放电状态，3号电池处于充电状态。

图8是当第三个电池电压降低时，电路中各个MOS管流过电流的波形图。当电池出 现不平衡时，MOS管中的流过的平均电流也不为零，其趋势是由电压高的电池端流向电压低 的电池端。