基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池单元快速均衡方法

1.本发明涉及一种基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池单元快速均衡方法，属于电力电子变换器控制领域。


背景技术：

2.锂离子电池具有高容量密度、长寿命、自放电率低等优点，在便携式电子设备、新能源汽车、储能以及航空航天领域得到了广泛的应用。为在较高电压的场合获得应用，将锂电池单体串联得到锂电池包以获得所需要的电压以及要求的容量。但是锂电池制造过程中的差异造成电池单体之间在有效容量、等效电阻以及输出电压等方面存在不同，且这一问题随着电池使用时长的增加愈发明显，在频繁的充电、放电过程中，部分电池单体可能出现过充、过放现象，导致电池容量下降、寿命缩短、过热甚至爆炸等极端情况。因此，对串联的锂电池包必须配备均衡器以保证锂电池安全运行。
3.锂离子电池均衡器的分类方法很多，不同文献的分类方法存在差异，但总体上可分为能耗型均衡器与非能耗型均衡器。能耗型均衡器采用电阻、开关管串联后再与电池单体并联，如某单体电压或荷电状态(soc)高于其他单体，则对应电阻经开关管将多余能量释放，保持所有单体soc一致。该方法成本低、稳定可靠，但效率低，且电阻产生的热量给电池管理系统(bms)的控制带来了难度。
4.非能耗型均衡器又可以分为有源均衡器与无源均衡器。无源均衡器采用二极管形成级联整流器实现电池单体的均衡，其控制方案简单，成本较低。一般可分为变压器单副边线圈 隔直电容的方案与变压器多副边绕组的方案。第一种方案中要求隔直电容的容值极大，否则会降低均衡的速度；第二种均衡方案中，均衡速度受制于各变压器副边的漏感以及线路阻抗。此外，由于电池单体的电压较低，而二极管的导通压降最低也要0.5v，导致无源均衡器的效率较低。
5.有源均衡器采用全控型开关配合电感、电容、多绕组变压器实现电池单体之间的均衡，具体的拓扑有开关电容均衡器、开关电感均衡器、多绕组反激型均衡器等，这类均衡器的开关管多、控制较复杂，且电池单体的能量传递为逐级传递，导致在高电压场合效率极低。为此，近年来针对单体与单体、单体-电池串、电池串-电池串之间直接能量传递均衡器研究广受关注，其中单体-单体的方案相对效率最高。有研究人员采用双向开关 多线圈变压器的反激式均衡器进行单体-单体之间的能量转移，该电路仅采用了一个铁芯，结构相对简单，但电池单体的奇数组之间的能量转换需要两级转换才能完成，而奇偶单体之间仅一级变换就可完成，造成控制相对复杂。相关文献采用双向开关与单个能量缓冲元件(单电感或lc串联谐振单元)实现单体-单体的能量单级转移，但每个单体配备4个开关管，电路拓扑较为复杂。另外有些均衡器采用多绕组变压器正反激均衡器结构，将开关管分2组，并互补控制，组内单元为正激电路实现均衡，组间单元为反激原理实现均衡，且均衡速度较快，但反激工作时引起的开关管尖峰需要额外电路钳位或吸收，造成成本相对较高。
6.从上述分析可以看出采用二极管对电池进行均衡的方法中，无源整流方法控制简答，但是损耗较大，为实现无源均衡方法的优点，发明人在前期工作的基于双向开关控制的级联整流均衡器基础上，该均衡器均衡过程中仅有1个二极管与电池串联，大大提高了均衡效率，但奇数组电池单元与偶数组电池单元之间的均衡快速性需要进一步提高。
7.因此，在基于双向开关控制的级联整流均衡器的基础上，提出一种综合的控制策略，不仅可保留其效率高的特点，也可进一步提升其奇数组电池单元与偶数组电池单元之间均衡的速度，提升了该均衡器的实用性，本方案由此产生。


技术实现要素：

8.发明目的：针对基于双向开关控制的级联整流均衡器中奇数组电池单元与偶数组电池单元之间均衡速度慢的缺点，根据奇数组电池单元与偶数组电池单元电压情况，公开一种双向开关控制的策略，可实现奇数组电池单元与偶数组电池单元的快速均衡方法，同时不影响奇数组内与偶数组内电池单元之间的均衡。
9.技术方案：基于双向开关控制的级联整流均衡器包括逆变器、缓冲电感、双向开关、具有n个副边绕组的高频变压器，n个级联的整流器、2n个电池单元(b
11
、b
12
、b
21
、b
22
……
、b
n1
、b
n2
)组成的电池包，其中电池包中的2n个电池单元以正负极相连接的方式串联，并将2n个电池单元分为奇数组电池单元b
i1
(i＝1,2
……
,n)与偶数组电池单元b
i2
(i＝1,2
……
,n)；其特征在于，该均衡方法包括如下步骤：
10.步骤1：逆变器中的4个开关管s
1-s4按照常规移相的方式进行新控制，得到s
1-s4对应的驱动信号分别为u
gs1-u
gs4
，然后进入步骤2。
11.步骤2：检测奇数组电池单元b
i1
(i＝1,2
……
,n)中电池单元电压的最大值u
b1max
与最小值u
b1min
，并计算得u
b1max
与u
b1min
电压之差u
b1
为
12.u
b1
＝u
b1max-u
b1min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
13.检测偶数组电池单元b
i2
(i＝1,2
……
,n)中单元电压的最大值u
b2max
与最小值u
b2min
，并计算得u
b2max
与u
b2min
电压之差u
b2
为
14.u
b2
＝u
b2max-u
b2min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
15.然后进入步骤3。
16.步骤3：判别u
b1min
与u
b2min
差值的绝对值|u
b1min-u
b2min
|与0.01的大小关系，当|u
b1min-u
b2min
|》0.01时进入步骤4，否则进入步骤7。
17.步骤4：判别u
b1min
与u
b2min
的关系，如果u
b1min
》u
b2min
，进入步骤5；如果u
b1min
《u
b2min
，进入步骤6。
18.步骤5：控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s4的驱动信号u
gs4
保持一致，然后进入步骤10。
19.步骤6：控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s2的驱动信号u
gs2
保持一致，然后进入步骤10。
20.步骤7：判别u
b1max
与u
b1min
差值的绝对值|u
b1max-u
b1min
|与0.01的大小关系，判别u
b2max
与u
b2min
差值的绝对值|u
b2max-u
b2min
|与0.01的大小关系，当|u
b1max-u
b1min
|》0.01或者|u
b2max-u
b2min
|》0.01时进入步骤8，否则进入步骤9。
21.步骤8：控制双向开关中开关管s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
均保持为高电平，然后进
入步骤10。
22.步骤9：控制双向开关中开关管s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
均保持为低电平，然后进入步骤10。
23.步骤10：一个循环流程结束，开始下一个循环流程。
24.有益效果：本发明所公开基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池单元快速均衡方法，不仅实现了奇数组、偶数组内电池单元的快速均衡，还实现了奇数组、偶数组之间电池单元的快速均衡；在实现电池单元的均衡后，双向开关关闭，可降低均衡器在电池均衡时间内的能耗。
附图说明
25.图1为基于双向开关控制的级联整流均衡器；
26.图2为基于双向开关控制的级联整流均衡器在奇数组/偶数组电池单元电压接近时的均衡器工作波形；
27.图3为基于双向开关控制的级联整流均衡器在偶数组电池单元电压明显低于奇数组电压时的均衡器工作波形；
28.图4为基于双向开关控制的级联整流均衡器在奇数组电池单元电压明显低于偶数组电压时的均衡器工作波形；
29.图5为本发明所公开的基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池快速均衡方法；
30.图中符号名称：s
1-s6——第一开关管-第六开关管；u
ab
——逆变器输出交流电压；l——缓冲电感；i
l
——缓冲电感电流；t——多绕组高频变压器；w
p
——多绕组高频变压器原边绕组；w
s1-w
sn
——多绕组高频变压器第一副边绕组-第n副边绕组；d
11-d
n1
——奇数组整流二极管；d
12-d
n2
——偶数组整流二极管；b
11-b
n1
——奇数组电池单元；b
12-b
n2
——偶数组电池单元；u
b11-u
bn1
——奇数组电池单元电压；u
b12-u
bn2
——偶数组电池单元电压；u
gs1-u
gs6
——第一开关管-第六开关管的驱动信号。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
32.基于双向开关控制的级联整流均衡器如图1所示，其包含由开关管s
1-s4构成的逆变器，缓冲电感l、由开关管s
5-s6构成的双向开关、具有n个副边绕组的高频变压器，n个级联的整流器、2n个电池单元(b
11
、b
12
、b
21
、b
22
……
、b
n1
、b
n2
)组成的电池包，其中电池包中的2n个电池单元以正负极相连接的方式串联，并将2n个电池单元分为奇数组电池单元b
i1
(i＝1,2
……
,n)与偶数组电池单元b
i2
(i＝1,2
……
,n)。
33.在双向开关中的开关管s
5-s6保持开通的情况下，均衡器的工作波形如图2所示，可以看到，缓冲电感电流i
l
在正半开关周期或负半开关周期内都处于电流断续模式，且正、负开关周期波形对称。在正半开关周期，电流i
l
通过匝数相同的n个副边绕组向偶数组电池单元供电，如果偶数组内电池单元存在电压差，则仅有电压最低的电池单元接收来自变压器
原边传递来的能量；如果偶数组内电池单元电压均相等，则偶数组内所有电池单元平均接收来自变压器原边传递来的能量。在负半开关周期，电流i
l
通过匝数相同的n个副边绕组向奇数组电池单元供电，如果奇数组内电池单元存在电压差，则仅有电压最低的电池单元接收来自变压器原边传递来的能量；如果奇数组内电池单元电压均相等，则奇数组内所有电池单元平均接收来自变压器原边传递来的能量。
34.引入双向开关的目的是：在正半开关周期或者负半开关周期时间内，阻断电感电流半个开关周期内流通路径，从而使得一个开关周期内，仅有奇数组电池单元或者偶数组电池单元接受来自变压器原边侧的电能。
35.图3为基于双向开关控制的级联整流均衡器在偶数组电池单元电压明显低于奇数组电池单元电压时的均衡器工作波形，在该工作状态下，控制开关管s
5-s6的驱动信号与开关管s4的驱动信号保持一致，则电流i
l
在正半开关周期内可将能量传递到变压器的副边；而在负半开关周期内，由于双向开关的阻断作用，变压器原边侧的能量不能转移到变压器的副边。因此，就造成了正半开关周期内，偶数组电池单元通过对应的变压器副边绕组以及对应整流二极管进行充电；而在负半开关周期内，由于切断了变压器原边电流通路，因此该段时间内，原边侧的能量不能通过变压器传递给奇数组电池单元。最终结果是：仅仅只有偶数组电池单元获得能量，因此可以迅速将偶数组电池单元的电压迅速接近奇数组电池单元的电压。
36.图4为基于双向开关控制的级联整流均衡器在奇数组电池单元电压明显低于偶数组电池单元电压时的均衡器工作波形，在该工作状态下，控制开关管s
5-s6的驱动信号与开关管s2的驱动信号保持一致，则电流i
l
在负半开关周期内可将能量传递到变压器的副边；而在正半开关周期内，由于双向开关的阻断作用，变压器原边侧的能量不能转移到变压器的副边侧。因此，就造成了负半开关周期内，奇数组电池单元通过对应的变压器副边绕组以及对应整流二极管进行充电；而在正半开关周期内，由于切断了变压器原边电流通路，因此该段时间内，原边侧的能量不能通过变压器传递给偶数组电池单元。最终结果是：仅仅只有奇数组电池单元获得能量，因此可以迅速将奇数组电池单元的电压迅速接近偶数组电池单元的电压。
37.为了快速高效实现奇数组电池单元与偶数组电池单元之间的电压均衡，本发明公开了图5所示的基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池单元快速均衡方法，该均衡方法具有10个步骤，分别如下：
38.步骤1：逆变器中的4个开关管s
1-s4按照常规移相的方式进行新控制，得到s
1-s4对应的驱动信号分别为u
gs1-u
gs4
，然后进入步骤2。
39.步骤2：检测奇数组电池单元b
i1
(i＝1,2
……
,n)中电池单元电压的最大值u
b1max
与最小值u
b1min
，并计算得u
b1max
与u
b1min
电压之差u
b1
为
40.u
b1
＝u
b1max-u
b1min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
41.检测偶数组电池单元b
i2
(i＝1,2
……
,n)中单元电压的最大值u
b2max
与最小值u
b2min
，并计算得u
b2max
与u
b2min
电压之差u
b2
为
42.u
b2
＝u
b2max-u
b2min
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
43.然后进入步骤3。
44.步骤3：判别u
b1min
与u
b2min
差值的绝对值|u
b1min-u
b2min
|与0.01的大小关系，当|ub1min-u
b2min
|》0.01时进入步骤4，否则进入步骤7。
45.步骤4：判别u
b1min
与u
b2min
的关系，如果u
b1min
》u
b2min
，进入步骤5；如果u
b1min
《u
b2min
，进入步骤6。
46.步骤5：控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s4的驱动信号u
gs4
保持一致，然后进入步骤10。
47.步骤6：控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s2的驱动信号u
gs2
保持一致，然后进入步骤10。
48.步骤7：判别u
b1max
与u
b1min
差值的绝对值|u
b1max-u
b1min
|与0.01的大小关系，判别u
b2max
与u
b2min
差值的绝对值|u
b2max-u
b2min
|与0.01的大小关系，当|u
b1max-u
b1min
|》0.01或者|u
b2max-u
b2min
|》0.01时进入步骤8，否则进入步骤9。
49.步骤8：控制双向开关中开关管s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
均保持为高电平，然后进入步骤10。
50.步骤9：控制双向开关中开关管s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
均保持为低电平，然后进入步骤10。
51.步骤10：一个循环流程结束，开始下一个循环流程。
52.步骤3中，当|u
b1min-u
b2min
|》0.01时，表示奇数组与偶数组各自的电池单元之间的电压差值已不可忽略，必须对单独对奇数组或偶数组的电池单元进行充电以迅速弥补奇数组与偶数组之间的电压差异。
53.步骤4中，判别奇数组与偶数组的电池单元电压到底哪个更低，当u
b1min
》u
b2min
，表示偶数组电池单元电压更低，均衡电路应停止对奇数组电池单元的充电；如果u
b1min
《u
b2min
，表示奇数组电池单元电压更低，均衡电路应停止对偶数组电池单元的充电。
54.步骤5中，控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s4的驱动信号u
gs4
保持一致，表示双向开关在逆变器输出的负半周期间，切断向级联整流器的供电通路，使逆变器仅在正半周向偶数组电池单元充电。
55.步骤6中，控制双向开关中开关管中s
5-s6的驱动信号u
gs5-u
gs6
与开关管s2的驱动信号u
gs2
保持一致，表示双向开关在逆变器输出的正半周期间，切断向级联整流器的供电通路，使逆变器仅在负半周向奇数组电池单元充电；
56.步骤7中，判别奇数组内部或偶数组内部电池单元的电压差值是否存在明显差异；如果存在明显差异(|u
b1max-u
b1min
|》0.01或者|u
b2max-u
b2min
|》0.01)，则双向开关保持双向导通，均衡器实现奇数组和偶数组内电池单元的快速均衡；如果不存在明显差异(|u
b1max-u
b1min
|≤0.01且|u
b2max-u
b2min
|≤0.01)，则双向开关保持双向关断，均衡器停止工作；
57.综上所述，本发明公开的一种基于双向开关控制的级联整流均衡器奇偶组电池单元快速均衡方法，不仅实现了奇数组、偶数组内电池单元的快速均衡，还实现了奇数组、偶数组之间电池单元的快速均衡；在实现电池单元的均衡后，双向开关关闭，可降低均衡器在电池均衡时间内的能耗。上述特性增加了基于双向开关控制的级联整流均衡器的市场竞争力。