一种面向直流母线的电池管理系统的制作方法

1.本发明涉及一种面向直流母线的电池管理系统，属于储能电站和电池管理领域。


背景技术：

2.随着新能源产业的不断发展，电动汽车、充电桩等电池管理系统的发展和对旧电池的二次利用逐渐受到各高校和公司的重视。旧电池的二次利用可以降低对环境的污染，节约电池的成本，主要应用于电网的储能电站等领域。
3.近年来各类电池在迅速发展，锂离子电池在能量密度、效率、对环境的影响等方面都相对占有优势。在电动汽车领域中，对电动汽车的电池进行监控是非常必要的，电动汽车中每个电池块的工作状态都有差异，对每个电池块的soc和soh进行监控可以避免过充过放等情况的发生，进而避免更严重的事故发生，对电池块进行均流和电压控制可以使电池块在相同的状态下工作，提高电动汽车的电池块的工作效率。在储能电站等领域，由于储能电站中的锂离子电池都是梯次二次利用的电池，所以电池的容量、标称电压和电池内阻等属性存在着差异，大量的锂电池在串并联统一充放电时也会产生不均衡的现象，这种情况会在储能电站长期的充放电的工作中逐渐加剧，从而影响整个电池组的寿命和工作效率。所以对储能电池的均流和电压控制策略的研究变得非常必要，均流和电压控制的目的是使每个电池的工作状态尽可能保持一致，以此来提高储能电站的工作效率和延长储能电池的使用寿命，降低成本。
4.在新电池和旧电池二次利用时，有时需要在不同的能量等级下工作，改变本电路拓扑的参数即可改变输出的能量等级，将本电路拓扑并联起来也可实现能量等级的增加，用来满足不同功率需求的场合。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种面向直流母线的电池管理系统，能够对电池实现soc和soh监控，控制电池的电流和电压，稳定电池的工作状态，提供不同能量等级的输出。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种面向直流母线的电池管理系统，包括一次侧半桥结构、双绕组变压器、二次侧半桥结构、若干双向buck/boost结构和若干电池，一次侧半桥结构包括两个mosfet、两个钳位电容和一个直流母线电容，二次侧半桥结构包括两个mosfet、两个钳位电容、移相电感和次级直流母线电容，二次侧半桥结构的输出端作为若干个buck/boost结构的输入端，buck/boost结构输出的正极端子与电池的负极串联，电池的正极与公共母线的正极相连，一次侧半桥与二次侧半桥和buck/boost结构共地，电池的数量与buck/boost结构的数量保持一致。
8.本发明技术方案的进一步改进在于：一次侧半桥结构包括功率开关管s1、s2，钳位电容c1、c2、直流母线电容c
pri
，二次侧半桥结构包括功率开关管s3、s4，钳位电容c3、c4，移
相电感l，次级直流母线电容c
sec
。一次侧功率开关管s1的漏极与钳位电容c1、直流母线电容c
pri
、直流母线正极和电池正极相连，s1的源极与变压器同名端和功率开关管s2的漏极相连，s2的源极与钳位电容c2、直流母线电容c
pri
和直流母线负极一起接地，变压器原边的另一侧连接钳位电容c1和c2。
9.二次侧半桥功率开关管s3漏极与钳位电容c3、次级直流母线电容c
sec
、后级buck/boost的功率开关管s
u
的漏极相连，s3的源极与移相电感l和功率开关管s4的漏极相连，移相电感的另一端与变压器副边的同名端相连，变压器副边的另一边与钳位电容c3和c4相连，s4的源极与钳位电容c4、次级直流母线电容c
sec
、后级buck/boost功率开关管s
d
的源极和钳位电容c
b
一起接地。
10.本发明技术方案的进一步改进在于：后级若干双向buck/boost结构并联在二次侧半桥结构的输出端，即次级直流母线电容c
sec
的两端。后级buck/boost的功率开关管s
u
漏极与s3的漏极、钳位电容c3、次级直流母线c
sec
相连，s
u
的源极与储能电感l
b
和功率开关管的s
d
的漏极相连，储能电感l
b
的另一端与钳位电容c
b
和电池负极相连，功率开关管s
d
的源极与二次侧半桥功率开关管s4的源极、钳位电容c4、次级直流母线电容c
sec
和钳位电容c
b
一起接地。
11.本发明技术方案的进一步改进在于：电池电压与公共母线电压数值接近，双向半桥变换器和后级的双向buck/boost变换器所分担的功率较小，当需要扩充电池容量时，只需要增加后级双向buck/boost变换器即可，大部分的功率流向是通过公共母线与电池直连部分传输的，小部分功率流过双向半桥和双向buck/boost变换器。当电池处于充电状态时，公共母线向电池传递能量，双向buck/boost处于boost模式，双向半桥变换器能量向一次侧传递，当电池处于放电状态时，电池向公共母线释放能量，双向半桥变换器能量正向传输，双向buck/boost电路工作在buck模式。
12.本发明技术方案的进一步改进在于：该拓扑的一种控制模式是移相控制和pwm控制，通过移相控制可以控制双向半桥变换器的输出电压，通过pwm调节占空比可以控制双向buck/boost的输出电压和电流，而电池与双buck/boost变换器是串联关系，双向buck/boost的输出电流即为电池的电流，所以控制双向buck/boost的输出功率即可控制电池的电压和电流。该拓扑的另一种控制模式是固定移相角，调节占空比进行控制，此种控制方式比较简便，不用考虑移相控制对pwm控制的影响，只需要改变双向buck/boost的占空比即可实现对电池的电压和电流的控制。
13.本发明技术方案的进一步改进在于：可将后级的buck/boost变换器替换为buck
‑
boost变换器、cuk变换器、speic变换器、zeta变换器，当替换为cuk变换器和buck
‑
boost变换器时，由于这两种变换器为反极性变换器，所以当公共母线电压不变的情况下能够提高电池的容量，实现扩容的目的。当替换为speic变换器和zeta变换器时，虽然输入与输出的极性相同，但是电路结构比buck/boost复杂，成本略有提高。
14.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
15.本发明电路结构简单，当增加电池容量时可以降低电路成本，只需消耗少量功率即可实现电池的均流和电压控制，也可实现对电池的soc(state of charge)和soh(state of health)监控，增加电池的使用寿命，实现充放电自由控制，当双向buck/boost串联一节电池时，本电路可作为局部电池管理电路结构，将若干个本电路结构串联起来即可实现不
同能量等级的输出,当双向buck/boost串联的是电池串时，通过对电路参数的调整可实现不同能量等级的输出。
附图说明
16.图1是本发明一种面向直流母线的电池管理系统的电气原理图；
17.图2是本发明一种面向直流母线的电池管理系统的均流控制策略框图；
18.图3是本发明一种面向直流母线的电池管理系统的电压控制策略框图；
19.图4为本发明一种面向直流母线的电池管理系统将后级buck/boost替换为buck
‑
boost变换器的电气原理图；
20.图5为本发明一种面向直流母线的电池管理系统将后级buck/boost替换为cuk变换器的电气原理图；
21.图6为本发明一种面向直流母线的电池管理系统将后级buck/boost替换为speic变换器的电气原理图；
22.图7为本发明一种面向直流母线的电池管理系统将后级buck/boost替换为zeta变换器的电气原理图。
具体实施方式
23.下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
24.一种面向直流母线的电池管理系统，包括一次侧半桥结构、双绕组变压器、二次侧半桥结构、若干双向buck/boost结构和若干电池bat，一次侧半桥结构包括两个mosfet、两个钳位电容和一个直流母线电容，二次侧半桥结构包括两个mosfet、两个钳位电容、移相电感和次级直流母线电容，二次侧半桥结构的输出端连接若干个buck/boost结构，buck/boost结构输出的正极端子与电池的负极串联，电池的正极与公共母线的正极相连，一次侧半桥与二次侧半桥和buck/boost结构共地，电池的数量与buck/boost结构的数量保持一致。
25.一次侧半桥结构包括功率开关管s1、s2，钳位电容c1、c2、直流母线电容c
pri
，二次侧半桥结构包括功率开关管s3、s4，钳位电容c3、c4，移相电感l，次级直流母线电容c
sec
。一次侧功率开关管s1的漏极与钳位电容c1、直流母线电容c
pri
、直流母线正极和电池正极相连，s1的源极与变压器同名端和功率开关管s2的漏极相连，s2的源极与钳位电容c2、直流母线电容c
pri
和直流母线负极一起接地，变压器原边的另一侧连接钳位电容c1和c2。二次侧半桥功率开关管s3漏极与钳位电容c3、次级直流母线电容c
sec
、后级buck/boost的功率开关管s
u
的漏极相连，s3的源极与移相电感l和功率开关管s4的漏极相连，移相电感的另一端与变压器副边的同名端相连，变压器副边的另一边与钳位电容c3和c4相连，s4的源极与钳位电容c4、次级直流母线电容c
sec
、后级buck/boost功率开关管s
d
的源极和钳位电容c
b
一起接地。
26.后级若干双向buck/boost结构并联在二次侧半桥结构的输出端，即次级直流母线电容c
sec
的两端。后级buck/boost的功率开关管s
u
漏极与s3的漏极、钳位电容c3、次级直流母线c
sec
，s
u
的源极与储能电感l
b
和功率开关管的s
d
的漏极相连，储能电感l
b
的另一端与钳位电容c
b
和电池负极相连，功率开关管s
d
的源极与二次侧半桥功率开关管s4的源极、钳位电容c4、次级直流母线电容c
sec
和钳位电容c
b
一起接地。
27.电池电压数值与公共母线电压相近，由于电池与双向buck/boost是串联结构，电池电流与buck/boost输出端的电流相同，只需要控制buck/boost输出端的电流即可控制电池的电流，需要的电池容量越大，所并联的电池数量越多，双向变换器需要处理的功率越小，本电路拓扑可实现对电池串的均流和电压控制，也可实现对电池的soc(state of charge)和soh(state of health)监控，当双向buck/boost串联一节电池时，本电路可作为局部电池管理电路结构，将若干个本电路结构串联起来即可实现不同能量等级的输出,当双向buck/boost串联的是电池串时，通过对电路参数的调整也可实现不同能量等级的输出。
28.图2所示为一种面向直流母线的电池管理系统的均流控制策略框图，控制策略为移相角电压闭环 pwm电流闭环控制，通过设定值与反馈值的比较来改变移相角，直接给定到双向半桥的四个功率开关管，将单个电池串的电流与均流控制的设定值比较，得到的误差输出给双向buck/boost的调节器输出成pwm信号给到功率开关管s
u
和s
d
，从而控制双向buck/boost变换器的输出电流，对于均流控制，控制双向buck/boost的电流即可控制电池的电流。
29.图3所示为一种面向直流母线的电池管理系统的电压控制框图，控制策略与均流控制相同，通过设定值与反馈值的比较来改变移相角，直接给定到双向半桥的四个功率开关管，采集电池串的电压与给定的电压值进行比较，得到的误差通过调节器输出为pwm波，将pwm给定到s
u
和s
d
，从而控制双向buck/boost的输出电压，由于公共母线的电压是固定的，且双向buck/boost变换器与电池为串联关系，所以通过控制双向buck/boost的输出电压即可控制电池的电压，实现电压控制。
30.图4
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图7为一种面向直流母线器的电池管理系统，将后级buck/boost变换器替换为buck
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boost变换器、cuk变换器、speic变换器、zeta变换器。当替换为buck
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boost变换器和cuk变换器时，由于变换器输入输出极性相反，所以当公共母线电压不变的情况下，可以实现电池的扩容。当替换为speic变换器和zeta变换器时，虽然与buck/boost变换器输入输出极性一致，但是电路结构复杂，成本略有提高。
31.本发明面向直流母线的电池管理系统将双向半桥变换器与双向buck/boost变换器结合起来，并通过部分功率变换将这两种变换器与电池和公共母线相连，实现了对电池的均流和电压控制，具有对电池的soc和soh进行监控的能力，并能通过串并联或者改变参数等方式改变输出的能量等级，电路结构简单，开关损耗较小，能够提高工作效率，节约成本。