一种电池充电多重脉宽调制控制方法及系统

1.本发明属于电池管理技术领域，具体涉及一种电池充电多重脉宽调制控制方法及系统。


背景技术：

2.随着储能电池材料技术的突破，新能源应用迎来了大发展，储能电池系统是新能源应用的重要部分，作为储能系统核心部件，电池的充电方法和充电效率尤为重要。电池是一种电化学部件，其能量特性有明显兼顾了电气和化学的两种特性，因此在充电过程中并不是简单地电压与时间的线性关系。电池的充电过程与串并联关系、功率、电池容量、电压、电流等参数相关。传统电池充电控制大多数以整组电池为目标采用恒流恒压分段的充电方式，在充电局部过程仍是一种线性充电。从电池单体或模组的角度看，传统充电方式采用等电流不等电压的充电方式，对于单个电池单体或模组是一种粗狂的充电控制方式。当电池单体或模组的不一致性、性能弱化甚至故障时，电池系统的整体充电效果将受到明显影响。例如，当部分电池剩余能量大于其他电池或因内阻不一致导致充电过快，使得剩余电池不能充满能量。
3.现有技术是通过一个电力电子装置，含有pwm的功率装置为一簇电池或多个电池单体/模组经串联、并联构成充电，现有技术对充电电流或电压的调节是统一同步进行的，即，不会区分电池单体/模组的差异，采用一样的电压、电流、、容量、持续时间进充电。如果电池单体/模组由较大的差异，将会造成整组电池充电的提前结束充不满。这种技术是存在缺陷的。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电池充电多重脉宽调制控制方法及系统，以解决电池单体/模组存在较大差异时，难以使所有电池单体/模组充满电的技术问题。
5.一种电池充电多重脉宽调制控制系统，包括直流母线、高速开关阵列、可控缓冲电路、可控直流电源和数字控制器；
6.所述直流母线，用于为外部负载供直流电；
7.所述高速开关阵列，用于控制直流母线上每个电池的导通；
8.所述可控直流电源，用于根据数字控制器输出不同占空比的pwm信号调节输出能量大小；
9.所述可控缓冲电路，用于对直流母线滤波；
10.所述数字控制器，用于向可控缓冲电路、可控直流电源和高速开关阵列输出不同脉宽的调制信号进行控制。
11.本发明的进一步改进在于：所述直流母线由若干电池或独立的电池模组串联组成的。
12.本发明的进一步改进在于：所述高速开关阵列由若干个高速电控开关组成，高速
电控开关的数量为构成直流母线所需电池数量的二倍。
13.本发明的进一步改进在于：所述可控缓冲电路设置在直流母线两端，包括串联的电感l1和高速可控开关s10。
14.本发明的进一步改进在于：所述可控直流电源设置在直流母线两端，包括串联的直流电源vdc和高速电控开关s9。
15.本发明的进一步改进在于：所述电池的数量为4个，分别为电池b1、电池b2、电池b3和电池b4；
16.高速开关列阵中高速电控开关的数量为8个，分别为高速电控开关s1～高速电控开关s8；
17.电池b1、电池b2、电池b3和电池b4依次串联构成直流母线为外部负载供电直流；
18.电池b1正极处为节点n1，电池b1与电池b2之间设有节点n2，电池b2与电池b3之间设有节点n3，电池b3与电池b4之间设有节点n4，电池b4负极处设有节点n5；
19.节点n1与负载之间设有高速电控开关s1，节点n2与负载之间设有高速电控开关s2，节点n3与负载之间设有高速电控开关s3，节点n4与负载之间设有高速电控开关s4；节点n5与负载相连；
20.节点n5通过高速电控开关s10与电感l1相连，电感l1另一端设有节点n6；
21.节点n1与节点n6之间通过二极管相连，二极管正极与节点n1相连，二极管负极与节点n6相连；
22.节点n2和节点n6之间通过高速电控开关s5相连，节点n3和节点n6之间通过高速电控开关s6相连，节点n4和节点n6之间通过高速电控开关s7相连，节点n5和节点n6之间通过高速电控开关s8相连；
23.节点n1还与直流电源vdc相连，直流电源vdc通过可控开关s9与节点n6相连。
24.本发明的进一步改进在于：所述数字控制器信号输出端分别与高速电控开关s1-s10信号输入端相连。
25.第二方面，一种电池充电多重脉宽调制控制方法，包括以下步骤：
26.将直流母线与直流电源并联，充电能量动态供给直流母线中的各电池；
27.数字控制器输出不同pwm信号控制高速开关阵列，从而给同一直流母线下不同电池独立充电；
28.当直流母线上不同电池间剩余能量或充电能量不均匀时，数字控制器调节高速开关阵列中不同高速电控开关的占空比，独立调节每个电池的充电能量大小；
29.数字控制器同时还对可控直流电源进行能量控制。
30.本发明的进一步改进在于：所述数字控制器控制可控直流电源时，其多重能量控制关系：
31.pout(t)＝σdm×
pm；
32.dt＝d9×
p
dc
；
33.式中，pout(t)为直流母线能量；pm为电池bm的能量值；dm为bm对应开关的占空比，m为高速电控开关s1～高速电控开关sm，d9为高速电控开关s9的占空比；p
dc
为可控直流电源输出能量。
34.本发明的进一步改进在于：还包括步骤：数字控制器通过pwm信号对可控缓冲电路
进行控制，从而对直流母线进行滤波，控制可控缓冲电路接入和断开，消除直流母线波动。
35.与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
36.本发明通过设置高速开关阵列控制直流母线上每个电池，在通过数字控制器控制高速开关阵列，从而对不同电池充入不同的能量，避免了在同一直流母线充电过程中，有电池未充满的问题。
37.本发明通过设置可控缓冲电路实现使用电感对直流母线滤波的功能。
38.本发明提出的多重能量控制关系可以使直流充电能量较单一脉宽调制可以更好地降低谐波。
附图说明
39.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
40.图1为本发明一种电池充电多重脉宽调制控制系统的电路图；
41.图2为本发明一种电池充电多重脉宽调制控制系统的结构简图。
具体实施方式
42.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
43.以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
44.实施例1
45.如图1-2所示，一种电池充电多重脉宽调制控制系统，包括若干电池、直流电源、若干高速电控开关、电感、二极管和数字控制器；
46.电池为普通电池或独立的电池模组；
47.本实施例中电池的数量为4个，分别为电池b1、电池b2、电池b3和电池b4；
48.高速电控开关数量为10个分别为高速电控开关s1～高速电控开关s10；
49.每个电池由两个高速电控开关控制，即电池b1由高速电控开关s1和高速电控开关s5控制；电池b2由高速电控开关s2和高速电控开关s6控制；电池b3由高速电控开关s3和高速电控开关s7控制；电池b4由高速电控开关s4和高速电控开关s8控制；高速电控开关s9控制直流电源vdc；高速电控开关s10控制电感l1。
50.高速电控开关s1-高速电控开关s8组成高速开关阵列；
51.电池b1、电池b2、电池b3和电池b4依次串联构成直流母线为外部负载供电直流；
52.电池b1正极处为节点n1，电池b1与电池b2之间设有节点n2，电池b2与电池b3之间设有节点n3，电池b3与电池b4之间设有节点n4，电池b4负极处设有节点n5；
53.节点n1与负载之间设有高速电控开关s1，节点n2与负载之间设有高速电控开关s2，节点n3与负载之间设有高速电控开关s3，节点n4与负载之间设有高速电控开关s4；节点n5与负载相连；
54.节点n5通过高速电控开关s10与电感l1相连，电感l1另一端设有节点n6；
55.节点n1与节点n6之间通过二极管相连，二极管正极与节点n1相连，二极管负极与节点n6相连；
56.节点n2和节点n6之间通过高速电控开关s5相连，节点n3和节点n6之间通过高速电控开关s6相连，节点n4和节点n6之间通过高速电控开关s7相连，节点n5和节点n6之间通过高速电控开关s8相连；
57.节点n1还与直流电源vdc相连，直流电源vdc通过可控开关s9与节点n6相连；
58.数字控制器是检测系统状态、控制直流电源和高速开关阵列的核心运算控制器；直流电源是为电池充电提供可调直流能源的能源发生装置；高速开关阵列是由多个可控开关构成具有能源通断部件；电感器件是直流能量的缓冲器件。
59.数字控制器是整个充电控制装置，数字控制器产生多个pwm信号，可控直流电源、高速开关阵列内部的电子开关器件进行脉宽调制控制，从而改变电池单体或模组的充电条件(电压、电流或功率)，达到对电池单体或模组充电优化的目的。
60.高速开关阵列
61.由高速电控开关s1至高速电控开关s8构成了高速开关阵列，管理着每个电池，高速电控开关处于高速通断的工作状态，每个高速电控开关均由一个独立的pwm(脉宽调制)信号所控制，该pwm信号由数字控制器产生。数字控制器通过输出不同占空比的pwm信号调节每个高速电控开关所通过的电流，从而调整。
62.直流电源
63.电池组两端连接有含有直流电源vdc和高速电控开关(s9)的可控直流电源，高速电控开关由一个独立的pwm(脉宽调制)信号所控制，该pwm信号由数字控制器产生。数字控制器通过输出不同占空比的pwm信号调节可控直流电源输出能量大小。
64.电感
65.直流母线两端还设计有含有电感l1和高速电控开关s10构成的可控缓冲电路，高速电控开关s10由一个独立的pwm(脉宽调制)信号所控制，该pwm信号由数字控制器产生。数字控制器通过开启和关闭s10开关，实现使用电感对直流母线滤波的功能。电感的瞬间接入和退出母线可改善并消除直流母线波动。
66.数字控制器
67.数字控制器是含有软件程序的具有控制检测的功能电路，如图2所示，数字控制器具有电压、电流等检测功能，可对每个电池单体或模组进行检测。数字控制器还具有产生多路pwm信号的功能，通过多个脉宽调制信号对高速电控开关进行占空比控制，以实现s1～s10开关、直流电源、电感等部件的能量控制，数字控制器信号输出端分别与高速电控开关s1～高速电控开关s10信号输入端相连。
68.实施例2
69.一种电池充电多重脉宽调制控制方法，基于实施例1中的一种电池充电多重脉宽调制控制系统，包括以下步骤：
70.直流电源与电池动态连接，充电能量是动态供给电池的，在数字控制器的微秒级控制周期内所有高速开关阵列将根据多重脉宽调制pwm信号动态改变电池接入的能量，从而实现同一直流母线下的不同电池独立充电和能量优化；
71.当电池间由剩余能量差异或充电能量不均匀时，通过改变对应电池高速电控开关的工作占空比，独立调节每个电池的充电能量大小，使充电完成时各个电池均可完全充满能量，实现电池充电的优化；
72.数字控制器在对高速开关阵列控制的同时，还对直流电源进行能量控制；
73.s9的脉冲控制信号与高速开关阵列控制具有控制联动关系，直流充电能量在多重pwm控制下较单一脉宽调制可以更好地降低谐波，其多重能量控制关系为：
74.pout(t)＝σdm×
pm；
75.dt＝d9×
p
dc
；
76.其中，pout(t)为直流母线能量；pm为电池bm的能量值；dm为bm对应开关的占空比，m为高速电控开关s1～高速电控开关sm，d9为s9占空比；pdc为可控直流电源输出能量；
77.数字控制器还通过脉宽调制pwm信号对电感器件动态接入直流母线，实现能量缓冲器。
78.由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
79.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。