一种基于L-LC储能的串联电池组主动均衡方法与流程

一种基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法
技术领域
1.本发明属电池均衡技术领域，涉及一种基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法，适用于新能源汽车电池管理系统。


背景技术：

2.由于锂电池具有能量密度高、自放电率低等优点，已成为新能源汽车动力系统及储能电站等的主要储能方式。由于单体电池容量有限，而且单体电池电压较低，所以动力电池组一般由多个单体电池串并联组成以满足使用需求。如此一来，在实际使用中，同一型号单体电池间不可避免的不一致性将严重影响电池组可用容量及循环寿命，并且容易导致过充或过放现象，危及新能源汽车使用安全。
3.有效的均衡能够显著改善电池组的不一致性，进而提高电池组的能量利用率及循环寿命。均衡方法的研究主要集中在均衡拓扑的研究，根据均衡过程中，能量的消耗方式不同，均衡拓扑主要分为被动均衡和主动均衡。被动均衡的典型拓扑为电阻放电式均衡，当某个单体电池具有较高能量时，旁路电阻消耗掉多余的能量。该拓扑结构简单，体积小，成本低，但旁路电阻的能量损耗会大大降低电池组的能量利用率，同时散热问题也不容忽视，并且该均衡拓扑不能对容量低的单体电池进行充电均衡。主动均衡相较于被动均衡具有能量损耗低，均衡速度快，使用范围广等优点，是近年来均衡研究的热点。主动均衡拓扑一般采用开关电容、电感和变压器等储能器件将能量从高能量单体电池转移至低能量单体电池来实现均衡。基于电容的均衡拓扑具有均衡速度快、均衡效率高的优点，但是均衡过程依靠单体电池的电压差，而单体电池的电压并不能有效反映电池的不一致性，难以有效实现均衡；并且，当电容电压与均衡目标电压差异不大时，均衡速度下降显著，进而导致电容均衡不适合高精度的均衡。基于电感的均衡拓扑具有均衡电流可控性强，均衡精度高等特点，但其开关器件的冲击电流往往较大，容易对电池产生不利影响。基于lc串联电路的均衡拓扑是在传统的基于开关电容的均衡拓扑上改进得来的，lc串联均衡充分利用了电容均衡速度快、电感均衡精度高的特点，成为近年串联电池组主动均衡方法的研究热点。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有均衡方法的缺点与不足，提供基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法，改善串联电池组不一致性问题，延长串联电池组循环寿命。
5.本发明采用如下技术方案：
6.一种基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法，
7.串联电池组由n个单体电池串联组成；均衡拓扑包括2n 5个mos管、2n
‑
1个二极管、电感l1、lc串联电路；lc串联电路包括串联在一起的电感l2与电容c；
8.串联电池组中每个单体电池依次标记为b1，b2，
…
，b
n
；与单体电池连接的mos管依次标记为s0，s1，
…
，s
2n 1
；与电感l1串联的mos管标记为s
l
；与lc串联电路串联的mos管标记为s
r1
、s
r2
；
9.单体电池b2，b3，
…
，b
n
正极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1，b2，
…
，b
n
‑1负极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1正极的左桥臂与mos管s1连接，单体电池b1正极的右桥臂与mos管s0连接；单体电池b
n
负极的左桥臂与mos管s
2n 1
连接，单体电池b
n
负极的右桥臂与mos管s
2n
连接；
10.电感l1的一端与mos管s1连接，电感l1的另一端与mos管s
2n
连接；电感l1与mos管s
2n
之间串联有二极管和mos管s
l
；mos管s
l
控制电感l1的电路通断；
11.lc串联电路中，电感l2的顶部与mos管s0连接，电容c的底部与mos管s
2n 1
连接；电容c与mos管s
2n 1
之间串联有mos管s
r1
、s
r2
；mos管s
r1
、s
r2
方向相反，mos管s
r1
、s
r2
控制lc串联电路通断；
12.均衡方法为：利用电感l1实现高电量单体电池的放电均衡；利用lc串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。
13.优选的，均衡方法如下：
14.串联电池组充放电过程中，每一个采样周期，判别串联电池组单体电池最大端电压u
lmax
，单体电池最小端电压u
lmin
，单体电池平均电压u
lave
；设定均衡电路开启阈值为v
ref
；
15.当u
lmax
和u
lave
两者之差大于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差小于等于v
ref
，左边电感l1对最大电压对应的单体电池放电均衡；
16.当u
lmax
和u
lave
两者之差小于等于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差大于v
ref
，右边lc串联电路对最小电压对应的单体电池充电均衡；
17.当u
lmax
和u
lave
两者之差大于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差也大于v
ref
，继续比较两个差值的大小；当u
lmax
和u
lave
两者之差大于等于u
lave
和u
lmin
两者之差，则左边电感l1对最大电压对应的单体电池放电均衡；当u
lmax
和u
lave
两者之差小于u
lave
和u
lmin
两者之差，则右边lc串联电路对最小电压对应的单体电池充电均衡；
18.如此往复至u
lmax
和u
lave
两者之差和u
lave
和u
lmin
两者之差均小于等于v
ref
，均衡电路停止工作。
19.需要说明的是，随着组内单体电池数量的增加，同时具备最高电压的单体电池数量和同时具备最低电压的单体电池数量大于1的概率逐渐增加，如何有效的选择均衡对象成为均衡控制的核心问题。当最大电压对应的单体电池数量或最小电压对应的单体电池数量不为1时，通过制定相应的选取规则，可实现所有单体电池在不同均衡阶段被依次选中。本发明制定的规则为：当最大电压单体电池数量或最小电压单体电池数量不为1时，选择序号最小的最高电压单体电池或序号最大的最低电压单体电池均衡。
20.均衡拓扑要想顺利工作，需要对电路核心元器件的参数进行分析计算，设定合适的电路参数。
21.高电量单体电池放电均衡的参数设计如下：
22.首先确定最大均衡电流i。mos管和二极管的开关损耗和截止损耗相对于通态损耗很小，忽略不计。假设串联电池组中单体电池b
j
的电压最大且为v
j
，串联电池组的整组电压为v，二极管的导通压降为v
d
，mos管控制信号周期为t，频率为f，电感充放电过程对应的pwm波占空比分别为d1和d2。
23.均衡第一阶段，当mos管s
2j
‑1和s
2j
导通时，单体电池b
j
为储能电感l充电，流过l的电流线性上升，l储能。第一阶段的时间t为d1t，最大均衡电流即电感峰值电流i为：
[0024][0025]
根据所需的最大均衡电流与选定的开关频率可得电感l：
[0026][0027]
一个均衡周期内，电感电流i的表达式如下：
[0028][0029]
一个均衡周期内，为防止电感的磁饱和，电感必须工作在电流断续模式，即能够复位，则当t＝t时，t>(d1 d2)t，进而：
[0030][0031]
进一步推导可得占空比d1的设定规则：
[0032][0033]
第二阶段开始时，mos管s
y(2j
‑
2)
和s
y(2j 1)
导通，流过电感电流近似满足斜坡函数，根据基尔霍夫定律，可得：
[0034][0035]
代入上述初始条件得：
[0036][0037]
将上式与(1)联立，并依据一个均衡周期内电感电流能够复位，可得：
[0038][0039]
低电量单体电池充电均衡的参数设计如下所述。
[0040]
假设均衡回路的等效电阻为r，其包含mos管的导通电阻及电感、电容的阻抗。假设串联电池组中单体电池b
i
的电压最小且为v
i
，串联电池组的整组电压为v，一个开关周期为t，开关频率为f，mos管控制信号对应的pwm波占空比分别为d3和d4，电容的电压为u
c
，通过电感的电流为i
l
。
[0041]
根据基尔霍夫电压定律，均衡原理第一阶段的回路方程为：
[0042][0043]
由上式联立可得：
[0044][0045]
对方程(10)求解，令其特征方程为：
[0046]
lcλ2 rlλ 1＝0
ꢀꢀꢀ
(11)
[0047]
方程(11)的判别式为：
[0048]
δ＝b2‑
4ac＝r2c2‑
4lc
ꢀꢀꢀ
(12)
[0049]
由于回路等效电阻r较小，且电感和电容处于同一数量级，因此判别式小于0。根据初始条件联立，解得其通解为：
[0050]
u
c
＝c1e
αi cosβt c2e
αt sinβt v
ꢀꢀꢀ
(13)
[0051]
其中c1和c2都为常数。将(9)和(13)式代入初始条件，可得：
[0052][0053]
式中v
cmin
为电容的最小值，u
c1
为第一阶段电容的电压。
[0054]
同理易得，第二阶段的电容电压u
c2
为：
[0055][0056]
将(14)和(15)式分别代入(9)式可得第一阶段和第二阶段电感电流，即i
l1
和i
l2
的表达式：
[0057][0058]
联立(14)和(15)式，代入边界条件可得：
[0059][0060]
其中：
[0061][0062]
代入已知数据，依据回路等效电阻趋近于0，且电感和电容处于同一数量级，易得k
<1。
[0063]
对方程组(17)进行求解：
[0064][0065]
将(19)式分别代入(14
‑
16)式可得：
[0066][0067]
根据上式易得电感的最大电流和最小电流，即i
l1max
和i
l2min
的表达式为：
[0068][0069]
为保证均衡拓扑的均衡速度及可靠性，首先由(21)式确定均衡电流的最大值，再确定剩余参数。
[0070]
在上述均衡计算中，首先需要设定最大均衡电流；其次，在此基础上设置电感值和开关频率，开关频率太低，均衡速度快，但lc损耗大，太高则开关损耗大；电感值也不能太大或者太小；太大，电感的损耗增加，太小则易饱和。此部分未列出具体的均衡效率值，是因为均衡效率还和均衡对象有关，而均衡对象的电压具有较强的不确定性，而且两种均衡状态随着初始条件不同会产生变化。综上，即可完成均衡拓扑参数的设计。
[0071]
优选的，串联电池组均衡拓扑连接有控制电路；所述控制电路控制信号的频率大小应根据均衡电路的参数、mos管的开关损耗、串联电池组及单体电池的电压和均衡电流而定；所述控制电路输出驱动信号的占空比应使储能器件的电流在每个信号周期内复位，即每个开关周期内通过电感l1或lc串联电路的电流先从零开始上升，最后又下降到零。
[0072]
优选的，串联电池组中的单体电池为二次电池；所述二次电池为铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池、超级电容器中的一种。
[0073]
本发明达到了以下有益效果：
[0074]
与现有技术相比，本发明是基于l
‑
lc储能的主动均衡方法，该方法第一个特点是，串联电池组左右两边的开关阵列具有较强的对称性，结构简单；第二个特点是，在保证电路安全工作的前提下，单体电池数量变化只需增减相应的mos管即可，易扩展；第三个特点是，在均衡速度和均衡效率方面均具有良好的表现。
[0075]
首先，利用电感l1对高电量单体电池放电均衡时：
①
利用电感l1储能将高电量单体电池多余的能量转移给整个串联电池组，电感l1放电过程不需要控制任何mos管，有利于均衡效率的提高。
②
利用电感l1储能将高电量单体电池多余的能量直接转移给整个串联电池组，由于单体电池与串联电池组电压差异较大，一个开关周期内可以尽可能的提高高电量单体电池放电控制信号占空比，进而提高均衡速度。
[0076]
其次，利用lc串联电路对低电量单体电池充电均衡时：
①
相比于电感续流均衡，均衡电流从零开始增加，而不是从峰值电流开始降低，减小了开关损耗，提高了均衡效率；通过引入电容与电感共同储能，相同开关周期及占空比条件下，提高了均衡速度。
②
相比于电容均衡，由于引入电感与电容串联，克服了电容均衡过程，当电容电压与均衡对象电压相差不大时，均衡速度及均衡精度下降的问题。
附图说明
[0077]
为了更加清楚的说明本发明的原理与实施中的技术方案，下面将对本发明涉及的技术方案使用附图作进一步的介绍，以下附图仅是本发明的部分实施例子，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下可以根据以下附图获得其他的技术方案。
[0078]
图1是本发明实施例1均衡拓扑结构图。
[0079]
图2是本发明实施例1主动均衡方法控制策略流程图。
[0080]
图3是本发明实施例2的均衡拓扑结构图。
[0081]
图4是本发明实施例2对单体电池b2放电均衡的第一阶段工作原理。
[0082]
图5是本发明实施例2对单体电池b2放电均衡的第二阶段工作原理。
[0083]
图6是本发明实施例2单体电池b2放电均衡过程电感电流变化图。
[0084]
图7是本发明实施例2对单体电池b3充电均衡的第一阶段工作原理。
[0085]
图8是本发明实施例2对单体电池b3充电均衡的第二阶段工作原理。
[0086]
图9是本发明实施例2单体电池b3充电均衡过程lc串联电路电流变化图。
[0087]
图10是在matlab/simulink中搭建的本发明实施例2的均衡电路仿真模型。
[0088]
图11是本发明实施例2的串联电池组端电压均衡仿真结果。
[0089]
图12是本发明实施例2的串联电池组端电压最大差值变化曲线。
具体实施方式
[0090]
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，以此发明的示意性实施例解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0091]
实施例1
[0092]
如图1所示，为本发明实施例1均衡拓扑结构图。
[0093]
基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法，串联电池组由n个单体电池串联组成；均衡拓扑包括2n 5个mos管、2n
‑
1个二极管、电感l1、lc串联电路；lc串联电路包括串联在一起的电感l2与电容c；
[0094]
串联电池组中每个单体电池依次标记为b1，b2，
…
，b
n
；与单体电池连接的mos管依次标记为s0，s1，
…
，s
2n 1
；与电感l1串联的mos管标记为s
l
；与lc串联电路串联的mos管标记为s
r1
、s
r2
；
[0095]
单体电池b2，b3，
…
，b
n
正极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1，b2，
…
，b
n
‑1负极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1正极的左桥臂与mos管s1连接，单体电池b1正极的右桥臂与mos管s0连接；单体电池b
n
负极的左桥臂与mos管s
2n 1
连接，单体电池b
n
负极的右桥臂与mos管s
2n
连接；
[0096]
电感l1的一端与mos管s1连接，电感l1的另一端与mos管s
2n
连接；电感l1与mos管s
2n
之间串联有二极管和mos管s
l
；mos管s
l
控制电感l1的电路通断；
[0097]
lc串联电路中，电感l2的顶部与mos管s0连接，电容c的底部与mos管s
2n 1
连接；电容c与mos管s
2n 1
之间串联有mos管s
r1
、s
r2
；mos管s
r1
、s
r2
方向相反，mos管s
r1
、s
r2
控制lc串联电路通断；
[0098]
均衡方法为：利用电感l1实现高电量单体电池的放电均衡；利用lc串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。
[0099]
如图2所示，为本发明实施例1主动均衡方法控制策略流程图。
[0100]
串联电池组充放电过程中，每一个采样周期，判别串联电池组单体电池最大端电压u
lmax
，单体电池最小端电压u
lmin
，单体电池平均电压u
lave
；设定均衡电路开启阈值为v
ref
；
[0101]
当u
lmax
和u
lave
两者之差大于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差小于等于v
ref
，左边电感l1对最大电压对应的单体电池放电均衡；
[0102]
当u
lmax
和u
lave
两者之差小于等于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差大于v
ref
，右边lc串联电路对最小电压对应的单体电池充电均衡；
[0103]
当u
lmax
和u
lave
两者之差大于v
ref
，且u
lave
和u
lmin
两者之差也大于v
ref
，继续比较两个差值的大小；当u
lmax
和u
lave
两者之差大于等于u
lave
和u
lmin
两者之差，则左边电感l1对最大电压对应的单体电池放电均衡；当u
lmax
和u
lave
两者之差小于u
lave
和u
lmin
两者之差，则右边lc串联电路对最小电压对应的单体电池充电均衡；
[0104]
如此往复至u
lmax
和u
lave
两者之差和u
lave
和u
lmin
两者之差均小于等于v
ref
，均衡电路停止工作。
[0105]
需要说明的是，随着组内单体电池数量的增加，同时具备最高电压的单体电池数量和同时具备最低电压的单体电池数量大于1的概率逐渐增加，如何有效的选择均衡对象成为均衡控制的核心问题。当最大电压对应的单体电池数量或最小电压对应的单体电池数量不为1时，通过制定相应的选取规则，可实现所有单体电池在不同均衡阶段被依次选中。本发明制定的规则为：当最大电压单体电池数量或最小电压单体电池数量不为1时，选择序号最小的最高电压单体电池或序号最大的最低电压单体电池均衡。
[0106]
实施例2
[0107]
如图3所示，为本发明实施例2的均衡拓扑结构图。
[0108]
基于l
‑
lc储能的串联电池组主动均衡方法，串联电池组由4个单体电池串联组成；均衡拓扑包括13个mos管、7个二极管、电感l1、lc串联电路；lc串联电路包括串联在一起的电感l2与电容c；
[0109]
串联电池组中每个单体电池依次标记为b1，b2，b3，b4；与单体电池连接的mos管依次标记为s0，s1，s2，
…
，s9；与电感l1串联的mos管标记为s
l
；与lc串联电路串联的mos管标记为s
r1
、s
r2
。
[0110]
单体电池b2，b3，b4正极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1，
b2，b3负极的左右桥臂与串联的mos管和二极管相连接；单体电池b1正极的左桥臂与mos管s1连接，单体电池b1正极的右桥臂与mos管s0连接；单体电池b4负极的左桥臂与mos管s9连接，单体电池b4负极的右桥臂与mos管s8连接；
[0111]
电感l1的一端与mos管s1连接，电感l1的另一端与mos管s8连接；电感l1与mos管s8之间串联有二极管和mos管s
l
；mos管s
l
控制电感l1的电路通断；
[0112]
lc串联电路中，电感l2的顶部与mos管s0连接，电容c的底部与mos管s9连接；电容c与mos管s9之间串联有mos管s
r1
、s
r2
；mos管s
r1
、s
r2
方向相反，mos管s
r1
、s
r2
控制lc串联电路通断；
[0113]
均衡方法为：利用电感l1实现高电量单体电池的放电均衡；利用lc串联电路实现低电量单体电池的充电均衡。
[0114]
具体均衡原理如下所述：
[0115]
对最高电压单体电池放电均衡的工作原理：
[0116]
对最高电压单体电池放电均衡过程中，mos管s
l
一直保持导通状态，设b2电压最高，将一个开关周期的均衡过程分成两个阶段。
[0117]
第一阶段是高电量单体电池对电感l1转移能量。初始时刻通过电感l1的电流为零，此时控制mos管s3和s4导通，串联电池组向电感l1充电，电感l1电流逐渐增加，当均衡电流达到设定值时，断开mos管s3和s4，第一阶段结束，此阶段均衡电流路径如图4所示。
[0118]
第二阶段是电感l1对串联电池组放电。断开mos管s3和s4时刻，电感l1与mos管s0和s9的续流二极管构成回路，电感l1向串联电池组充电，电感l1电流逐渐下降至0，一个开关周期的能量转移过程完成。此阶段均衡电流路径如图5所示。
[0119]
如图6所示，为本发明实施例2单体电池b2放电均衡过程电感电流变化图。
[0120]
对最低电压单体电池充电均衡的工作原理：
[0121]
对最低电压单体电池充电均衡过程中，mos管s
r1
，s
r2
一直保持导通状态。设单体电池b3电压最低。一个周期的均衡过程同样可以分成两个阶段。
[0122]
第一阶段是串联电池组对lc串联电路转移能量。初始时刻通过lc串联电路的电流为零，此时控制mos管s0和s9导通，串联电池组向lc串联电路充电，lc串联电路电流先增加后减小，但电容电压持续增加，当均衡电流达到设定值时，断开mos管s0和s9，lc串联电路电流降为0，第一阶段结束。此阶段均衡电流路径如图7所示。
[0123]
第二阶段是lc串联电路为低电压单体电池充电均衡。断开mos管s0和s9时刻，导通mos管s4、s7，lc串联电路向单体电池b3充电，充电电流增加，当均衡电流达到设定值时，断开mos管s4、s7，充电电流减小至0，一个开关周期的能量转移过程完成。此阶段均衡电流路径如图8所示。
[0124]
图9为本发明实施例2单体电池b3充电均衡过程lc串联电路电流变化图。
[0125]
上述两种情况，整个开关周期均衡过程电感必须工作在电流断续模式，才能避免出现电感磁滞饱和。为保证均衡控制的可靠性，一个开关周期内，均衡结束后仍需留有一段死区时间，才能开始下一周期的均衡。
[0126]
图10是在matlab/simulink中搭建的本发明实施例2的均衡拓扑仿真模型。选用的单体锂离子电池额定容量为3.2ah，额定电压为3.7v。仿真模型具体参数设置如表1所示。
[0127]
表1 均衡电路仿真参数
[0128][0129]
图11是本发明实施例2的串联电池组端电压均衡仿真结果，最大端电压与平均端电压的差值、平均端电压与最小端电压的差值都在不断减小，电路均衡效果良好。
[0130]
图12是本发明实施例2的串联电池组端电压最大差值变化曲线。开始时刻，各单体电池端电压差异较大，满足均衡拓扑工作条件，均衡拓扑开始工作，随着均衡拓扑工作时间的持续，各单体电池端电压的差值逐渐减小。到8.9s时刻，各单体电池端电压最大差值趋于0.005v，满足均衡阈值要求，此后，最大差值保持在0.005v。