基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells?to?cells均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法，包括微控制器、矩陣開關(guān)模塊、均衡母線、LC諧振變換模塊和濾波電容，能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)到任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)或任意電池單體(cell)的零電流開關(guān)均衡，極大提高了均衡效率；并且通過控制最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差來調(diào)節(jié)均衡電流的大小，有效改善了電池單體間的不一致性；克服了傳統(tǒng)Pack?to?Cell均衡電路均衡時充電和放電并存導(dǎo)致均衡效率低下的問題，同時也解決了Cell?to?Cell均衡電路均衡電流提高受限的難題。
【專利說明】基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cel Is to cel Is均衡電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池因其高能量密度、低放電率和沒有記憶效應(yīng)，作為動力源廣泛應(yīng)用在電動汽車和混合電動汽車中。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，為了獲得較高的電壓等級，電池多以串聯(lián)形式使用。然而，串聯(lián)鋰電池組帶來了一個更加嚴(yán)峻的問題:即使串聯(lián)電池組中電池單體的內(nèi)阻或容量存在微小差異，也可能導(dǎo)致電池單體間電壓或SOC的極度不均衡。此外，在數(shù)次充放電循環(huán)后，這種不均衡現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重，極大地減小了電池組的可用容量和循環(huán)壽命。甚至，可能會引起安全事故，例如爆炸、起火等。因此，必須對電池進(jìn)行均衡管理。顯而易見，作為電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，串聯(lián)電池組的有效均衡已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)。目前，均衡主要有耗散均衡、非耗散均衡和電池選擇三大類。
[0003]耗散均衡(也稱為電池旁路法均衡)通過給電池組中每個電池單體并聯(lián)一個耗散器件進(jìn)行放電分流，從而實(shí)現(xiàn)電池電壓的均衡。耗散均衡進(jìn)一步又被分為兩類:被動均衡和主動均衡。耗散均衡結(jié)構(gòu)和控制簡單、成本低，但是存在能量浪費(fèi)和熱管理的問題。
[0004]非耗散均衡采用電容、電感等作為儲能元件，利用常見的電源變換電路作為拓?fù)浠A(chǔ)，采取分散或集中的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單向或雙向的均衡方案。根據(jù)能量流，非耗散均衡又能夠分為以下四種:(I)Cell to Cell ； (2)Cell to Pack ； (3)Pack to Cell ； (4)Cell to Packto Cell。對于Cell to Pack或Pack to Cell的均衡方法,每一次均衡都是通過電池組對電壓最低的電池單體進(jìn)行能量補(bǔ)給，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的均衡電流，較適合于大容量的動力電池；但是當(dāng)對電池組中電壓最高的電池單體進(jìn)行放電均衡時，電池組同時會對其進(jìn)行充電；當(dāng)對電池組中電壓最低的電池單體進(jìn)行充電均衡時，電池組同時會對其進(jìn)行放電。因此,這種均衡方法均衡時充電和放電并存導(dǎo)致均衡效率低下。而對于Cell to Cell的均衡方法，能量能夠直接從電壓最高的電池單體轉(zhuǎn)移到電壓最低的電池單體，具有較高的均衡效率，但是電池單體之間的電壓差較小再加之電力電子器件存在導(dǎo)通壓降使得均衡電流很小，因此Cell to Cell均衡方法不適合于大容量的動力電池。非耗散均衡存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、成本聞、均衡時間長、聞開關(guān)損耗等問題。
[0005]電池選擇均衡是指通過實(shí)驗(yàn)選擇性能一致的電池單體構(gòu)建電池組，一般有兩步篩選過程。第一步，在不同的放電電流下，選擇電池平均容量相近的電池單體；第二步，在第一步篩選的電池單體中，通過脈沖充、放電實(shí)驗(yàn)在不同SOC下選擇具有相近電池電壓變化量的電池單體。由于電池單體的自放電率不盡相同，電池選擇均衡在電池整個生命周期內(nèi)不足以保持電池組一直均衡。它只能作為其他均衡方法的一種補(bǔ)充均衡方法。
[0006]傳統(tǒng)均衡方法不適合鋰離子電池的主要原因如下:
[0007](I)鋰離子電池的開路電壓在SOC為30%?70%之間時較為平坦，即使SOC相差很大，其對應(yīng)的電壓差也很小，此外由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，使得均衡電流很小，甚至可能導(dǎo)致電力電子器件不能正常導(dǎo)通；
[0008](2)由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，電池單體間很難實(shí)現(xiàn)零電壓差均衡。
[0009]中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01310278475.2)提出了一種動力電池零電流開關(guān)主動均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法，其能夠?qū)崟r判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對其進(jìn)行零電流開關(guān)均衡，并且每次均衡都是針對電池組中電壓差最大的兩個電池單體進(jìn)行削峰填谷，極大提高了均衡效率，有效減少了電池單體之間的不一致性。但是，由于所使用的電力電子器件存在導(dǎo)通壓降，使得電池單體間很難達(dá)到零電壓差，并且均衡電流很小，均衡時間較長。
[0010]為此，中國實(shí)用新型申請(申請?zhí)?01320660950.8)和中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01310507016.7)提出一種基于升壓變換和軟開關(guān)的Cell to Cell電池均衡電路，該發(fā)明使用一個Boost升壓變換將電池組中電壓最高的電池單體升壓至一個較高的電壓，以實(shí)現(xiàn)大電流、零電壓差均衡；使用一個LC諧振變換模塊以實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡，減少了能量浪費(fèi)、提高了均衡效率。但是，該發(fā)明存在的主要問題是:由于屬于Cell to Cell型均衡電路，即使使用Boost升壓變換，所提高的均衡電流也有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足電動汽車大容量動力電池的均衡需求；并且Boost升壓變換本身也存在能量浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明為了解決上述問題，提出一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells tocells均衡電路及方法，包括微控制器、矩陣開關(guān)模塊、均衡母線、LC諧振變換模塊和濾波電容，能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)到任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)或任意電池單體(cell)的零電流開關(guān)均衡，極大提高了均衡效率；并且通過控制最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差來調(diào)節(jié)均衡電流的大小，有效改善了電池單體間的不一致性；克服了傳統(tǒng)Pack to Cell均衡電路均衡時充電和放電并存導(dǎo)致均衡效率低下的問題，同時也解決了 Cell to Cell均衡電路均衡電流提高受限的難題。
[0012]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0013]一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路，包括微控制器、矩陣開關(guān)模塊、均衡母線、LC諧振變換模塊和濾波電容，微控制器連接矩陣開關(guān)模塊、LC諧振變換模塊和電池單體，LC諧振變換模塊通過均衡母線連接矩陣開關(guān)模塊，LC諧振變換模塊的輸入端和輸出端各并聯(lián)一個濾波電容。
[0014]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用10端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，用于將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得電池組中電池單體的電壓；
[0015]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LC諧振變換模塊，用于產(chǎn)生LC諧振變換模塊中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0016]所述通用10端通過一個多路選通開關(guān)與開關(guān)模塊連接，用于譯碼微控制器確定的需要均衡的電池單體組合編號，控制矩陣開關(guān)模塊將電池組中任意個連續(xù)相鄰的電池單體組合選通至均衡母線上。
[0017]所述LC諧振變換模塊包括全橋電路，全橋電路包括四組MOS管，每組MOS管包括兩個對接的MOS管，其中每組MOS管分別連接在一個橋臂上，橋臂中點(diǎn)處串聯(lián)有電感L和電容C。
[0018]所述LC諧振變換模塊為雙向全橋變換器，能量總是從電壓高的一側(cè)流向電壓低的一側(cè)。
[0019]所述均衡母線包括均衡母線I和均衡母線II，所述矩陣開關(guān)模塊包括選擇開關(guān)模塊I，選擇開關(guān)模塊II，選擇開關(guān)模塊III，選擇開關(guān)模塊IV。選擇開關(guān)模塊I的一端連接均衡母線I的正極，一端連接電池單體的正極；選擇開關(guān)模塊II的一端連接均衡母線I的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；選擇開關(guān)模塊III的一端連接均衡母線II的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；選擇開關(guān)模塊IV的一端連接均衡母線II的正極，一端連接電池單體的正極。LC諧振變換模塊的四個橋臂分別與均衡母線I和均衡母線II的正負(fù)極相連。
[0020]所述每個選擇開關(guān)模塊同一時刻只能導(dǎo)通一個開關(guān)。
[0021 ] 所述連續(xù)相鄰的多節(jié)電池單體組合包括最優(yōu)充電組合和最優(yōu)放電組合。
[0022]所述最優(yōu)放電組合為電池組中電壓高于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合。
[0023]所述最優(yōu)充電組合為池組中電壓低于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合。
[0024]所述最優(yōu)放電組合對最優(yōu)充電組合的均衡，要求最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差應(yīng)大于等于I。
[0025]所述矩陣開關(guān)模塊將最優(yōu)充、放電組合選通至均衡母線上，即微控制器通過譯碼電路控制矩陣開關(guān)模塊的選擇開關(guān)模塊I /IV，選擇開關(guān)模塊II /III將最優(yōu)放電組合的正極選通至均衡母線I / II的正極，將最優(yōu)放電組合的負(fù)極選通至均衡母線I / II的負(fù)極，并控制選擇開關(guān)模塊III/ II，選擇開關(guān)模塊IV/ I，將最優(yōu)充電組合的正極選通至均衡母線
II/ I的正極，將最優(yōu)充電組合的負(fù)極選通至均衡母線II / I的負(fù)極；
[0026]所述LC諧振變換模塊在兩個狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)。
[0027]所述充電狀態(tài)為LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)。
[0028]所述放電狀態(tài)為LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合或電壓最低的單一電池單體并聯(lián)。
[0029]一種應(yīng)用上述基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0030](I)獲取單體電壓:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓；
[0031](2)判斷電壓:微控制器根據(jù)獲取的最高與最低電池單體電壓，計算最大單體電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動均衡電路；
[0032](3)確定最優(yōu)的放電組合和充電組合:根據(jù)步驟(I)獲取的電池單體電壓，確定電壓高于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，和電壓低于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，確定最優(yōu)放電組合和最優(yōu)充電組合，保證最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合中包含的電池單體節(jié)數(shù)之差大于等于I ;
[0033](4)選通電池最優(yōu)充、放電組合至均衡母線上:微控制器通過譯碼電路控制矩陣開關(guān)模塊的選擇開關(guān)模塊I /IV，選擇開關(guān)模塊II /III將最優(yōu)放電組合的正極選通至均衡母線I / II的正極，將最優(yōu)放電組合的負(fù)極選通至均衡母線I / II的負(fù)極，并控制選擇開關(guān)模塊III/ II，選擇開關(guān)模塊IV/ II，將最優(yōu)充電組合的正極選通至均衡母線II / I的正極，將最優(yōu)充電組合的負(fù)極選通至均衡母線II / I的負(fù)極；
[0034](5)能量傳遞:微控制器控制LC諧振變換模塊使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的不斷傳遞。
[0035]所述步驟(5)中，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)時，最優(yōu)放電組合給LC諧振變換模塊充電，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合并聯(lián)時，LC諧振變換模塊給最優(yōu)充電組合充電，隨著LC諧振變換模塊的充、放電，實(shí)現(xiàn)了能量從最優(yōu)放電組合到最優(yōu)充電組合的轉(zhuǎn)移。特別地，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LC諧振變換模塊的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0036]本發(fā)明的工作原理為:
[0037]微控制器借助數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊獲取電池單體電壓，確定最優(yōu)的放電組合和充電組合，經(jīng)過通用IO端譯碼控制矩陣開關(guān)模塊，將最優(yōu)放電組合和最優(yōu)充電組合選通至均衡母線上；然后，微控制器發(fā)送一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號控制LC諧振變換模塊，使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)。特別地，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LC諧振變換模塊的固有諧振頻率時，可以實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡，并且每次均衡都是針對電池組中最優(yōu)放電組合和最優(yōu)充電組合進(jìn)行削峰填谷，極大提高了均衡效率。
[0038]本發(fā)明的有益效果為:
[0039](I)能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)到任意節(jié)相鄰的電池單體組合(cells)或任意電池單體(cell)的零電流開關(guān)均衡，極大提高了均衡效率；
[0040](2)通過控制最優(yōu)充、放電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差來調(diào)節(jié)均衡電流大小，有效改善了電池單體間的不一致性；
[0041](3)克服了傳統(tǒng)Pack to Cell型均衡電路均衡時充電和放電并存導(dǎo)致效率低下的問題；
[0042](4)解決了 Cell to Cell型均衡電路均衡電流提高受限的難題；
[0043](5)有效克服了由于電力電子器件存在導(dǎo)通壓降造成的難以實(shí)現(xiàn)電池單體零電壓差的問題；
[0044](6)實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡，減少能量浪費(fèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0045]圖1為本發(fā)明基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路的組成示意圖；
[0046]圖2為本發(fā)明均衡電路的微控制器組成示意圖；
[0047]圖3為本發(fā)明的LC諧振變換模塊充電工作原理圖；
[0048]圖4為本發(fā)明的LC諧振變換模塊放電工作原理圖；
[0049]圖5為本發(fā)明的LC諧振變換模塊處于諧振狀態(tài)下的充、放電電流i和電容電壓V。的原理波形圖；
[0050]圖6為實(shí)驗(yàn)獲得的LC諧振變換模塊處于諧振狀態(tài)下的充放電電流i和電容電壓Vc的波形圖；[0051]圖7為本發(fā)明動力電池靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡效果圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0052]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0053]如圖1?圖7所示，一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路，包括微控制器、矩陣開關(guān)模塊、均衡母線、LC諧振變換模塊和濾波電容，微控制器連接矩陣開關(guān)模塊、LC諧振變換模塊和電池單體，LC諧振變換模塊通過均衡母線連接矩陣開關(guān)模塊，LC諧振變換模塊的輸入端和輸出端各并聯(lián)一個濾波電容。
[0054]所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用IO端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，用于將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得電池組中電池單體的電壓；
[0055]所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LC諧振變換模塊，用于產(chǎn)生LC諧振變換模塊中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0056]所述通用IO端通過一個多路選通開關(guān)與開關(guān)模塊連接，用于譯碼微控制器確定的需要均衡的電池單體組合編號，控制矩陣開關(guān)模塊將電池組中任意個連續(xù)相鄰的電池單體組合選通至均衡母線上。
[0057]所述LC諧振變換模塊包括全橋電路，全橋電路包括四組MOS管，每組MOS管包括兩個對接的MOS管，其中每組MOS管分別連接在一個橋臂上，橋臂中點(diǎn)處串聯(lián)有電感L和電容C。
[0058]所述LC諧振變換模塊為雙向變換器，能量總是從電壓高的一側(cè)流向電壓低的一側(cè)。
[0059]所述均衡母線包括均衡母線I和均衡母線II，所述矩陣開關(guān)模塊包括選擇開關(guān)模塊I，選擇開關(guān)模塊II，選擇開關(guān)模塊III，選擇開關(guān)模塊IV。選擇開關(guān)模塊I的一端連接均衡母線I的正極，一端連接電池單體的正極；選擇開關(guān)模塊II的一端連接均衡母線I的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；選擇開關(guān)模塊III的一端連接均衡母線II的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；選擇開關(guān)模塊IV的一端連接均衡母線II的正極，一端連接電池單體的正極。LC諧振變換模塊的四個橋臂分別與均衡母線I和均衡母線II的正負(fù)極相連。
[0060]所述每個選擇開關(guān)模塊同一時刻只能導(dǎo)通一個開關(guān)。
[0061 ] 所述連續(xù)相鄰的多節(jié)電池單體組合包括最優(yōu)充電組合和最優(yōu)放電組合。
[0062]所述最優(yōu)放電組合為電池組中電壓高于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合。
[0063]所述最優(yōu)充電組合為電池組中電壓低于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合。
[0064]所述最優(yōu)放電組合對最優(yōu)充電組合的均衡，要求最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差應(yīng)大于等于I。
[0065]例如，一個由8節(jié)電池單體串聯(lián)組成的電池組，電壓高于電池組平均電壓的電池單體假設(shè)為BpBpB2，那么電池組中電壓高于電池組平均電壓且相鄰的電池單體的組合有6個，分別為VBpByBtlBpB1B2和BtlB1B2的電池單體組合，而最優(yōu)放電組合只有一個為BtlB1B2 ；電壓低于電池組平均電壓且相鄰的電池單體假設(shè)為B6、B7，那么電池組中電壓低于電池組平均電壓且相鄰的電池單體的組合有3個，分別為B6、B7和B6B7的電池單體組合，而最優(yōu)充電組合只有一個為B6B7,并且最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差大于等于I。
[0066]所述矩陣開關(guān)模塊將最優(yōu)充、放電組合選通至均衡母線上，即微控制器通過譯碼電路控制矩陣開關(guān)模塊的選擇開關(guān)模塊I /IV，選擇開關(guān)模塊II /III將最優(yōu)放電組合的正極選通至均衡母線I / II的正極，將最優(yōu)放電組合的負(fù)極選通至均衡母線I / II的負(fù)極，并控制選擇開關(guān)模塊III/ II，選擇開關(guān)模塊IV/ I，將最優(yōu)充電組合的正極選通至均衡母線II / I的正極，將最優(yōu)充電組合的負(fù)極選通至均衡母線II / I的負(fù)極；
[0067]所述LC諧振變換模塊在兩個狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)。
[0068]所述充電狀態(tài)為LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)。
[0069]所述放電狀態(tài)為LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合或電壓最低的單一電池單體并聯(lián)。
[0070]一種應(yīng)用上述基 于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0071](I)獲取單體電壓:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓；
[0072](2)判斷電壓:微控制器根據(jù)獲取的最高與最低電池單體電壓，計算最大單體電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動均衡電路；
[0073](3)確定最優(yōu)的放電組合和充電組合:根據(jù)步驟(1)獲取的電池單體電壓，確定電壓高于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，和電壓低于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，確定最優(yōu)放電組合和最優(yōu)充電組合，保證最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合中包含的電池單體節(jié)數(shù)之差大于等于I ;
[0074](4)選通電池最優(yōu)充、放電組合:微控制器通過譯碼電路控制矩陣開關(guān)模塊的選擇開關(guān)模塊I /IV，選擇開關(guān)模塊II /III將最優(yōu)放電組合的正極選通至均衡母線I / II的正極，將最優(yōu)放電組合的負(fù)極選通至均衡母線I / II的負(fù)極，并控制選擇開關(guān)模塊III/ II，選擇開關(guān)模塊IV/ II，將最優(yōu)充電組合的正極選通至均衡母線II / I的正極，將最優(yōu)充電組合的負(fù)極選通至均衡母線II / I的負(fù)極；
[0075](5)能量傳遞:微控制器控制LC諧振變換模塊使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的不斷傳遞。
[0076]所述步驟(5)中，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)時，最優(yōu)放電組合給LC諧振變換模塊充電，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合并聯(lián)時，LC諧振變換模塊給最優(yōu)充電組合充電，隨著LC諧振變換模塊的充、放電，實(shí)現(xiàn)了能量從最優(yōu)放電組合到最優(yōu)充電組合的轉(zhuǎn)移。特別地，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LC諧振變換模塊的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0077]實(shí)施例一:
[0078]以η節(jié)電池單體為例，并假設(shè)BtlB1B2為最優(yōu)放電組合，Blri為最優(yōu)充電組合。
[0079]如圖2所示，均衡電路的微控制器選用數(shù)字信號處理DSP(TMS320F28335)，具有高精度AD采樣和PWM輸出；多路選通開關(guān)選用⑶4051，是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，有A、B和C三個二進(jìn)制控制輸入端以及^^共4個輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流；電壓檢測電路采用凌特公司的LTC6802專用電壓測量芯片實(shí)時測量電池組中每節(jié)電池的電壓。
[0080]矩陣開關(guān)模塊選用帶有一個常開/常閉觸點(diǎn)的繼電器，其型號為ZHNQIQ3F-1Z-05V。微控制器通過一個多路選通開關(guān)⑶4051控制繼電器導(dǎo)通或閉合。
[0081]LC諧振變換模塊包括全橋電路，全橋電路包括四組MOS管(M1, M2)、(M3, M4)、(M5,M6)、(M7jM8)和一個電感L、一個電容C電路組成。其中每組的MOS管對接相連。M1和M4的源極分別與濾波電容C1的正、負(fù)極相連后，分別連接與均衡母線I的正、負(fù)極Wf^PM7的源極分別與濾波電容C2的正、負(fù)極相連后，分別連接與均衡母線II的正、負(fù)極。本實(shí)施例中假設(shè)，M1' M2、M3、M4與L、C構(gòu)成充電回路;M5、M6、M7、M8與L、C構(gòu)成放電回路。MOS管M1~M8由來自微控制器DSP的一對狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動，其中M1~M4由一路PWM+信號驅(qū)動，M5~M8由另一路狀態(tài)互補(bǔ)的PWM-信號驅(qū)動。當(dāng)M1~M4導(dǎo)通，M5~M8關(guān)斷時，LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)，工作在充電狀態(tài)；當(dāng)M5~M8導(dǎo)通，M1~M4關(guān)斷時，LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合并聯(lián)，工作在放電狀態(tài)。如此，通過LC諧振變換模塊不斷的充、放電可實(shí)現(xiàn)能量從最優(yōu)放電組合轉(zhuǎn)移至電最優(yōu)充電組合，特別地，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LC準(zhǔn)諧振電路的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0082]如圖3~4所示，首先，微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓，判斷最大電壓差是否大于電池均衡閾值0.02V，若大于則啟動均衡電路，并確定最優(yōu)放電組合(B0B1B2)和最優(yōu)充電組 合(Blri)，并通過譯碼芯片⑶4051選通選擇開關(guān)模塊I的S11和選擇開關(guān)模塊II的S23將最優(yōu)放電組合(BtlB1B2)選通至均衡母線I上，同時通過譯碼芯片⑶4051選通選擇開關(guān)模塊III的S3n和選擇開關(guān)模塊IV的S4n將最優(yōu)充電組合(Blri)選通至和均衡母線II上，并保持其導(dǎo)通狀態(tài)直至本次均衡結(jié)束。
[0083]在均衡狀態(tài)下，微控制器控制LC諧振變換模塊使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的不斷傳遞。
[0084]如圖3所示，當(dāng)M1~M4導(dǎo)通時，M5~M8關(guān)斷時，LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)。B0B1B2,電感L和電容C形成一個諧振回路，此時對電容C充電，諧振電流i為正，電容C兩端的電壓V。開始上升直至諧振電流i變?yōu)樨?fù)值，由圖5可以看出，V。滯后諧振電流i四分之一個周期，且波形均為正弦波。該時刻，由于M5~M8處于關(guān)斷狀態(tài)，電池單體Blri開路，所以流入Blri的電流為零；由于濾波電容并聯(lián)在最優(yōu)放電組合的兩端，所以流入LC的諧振電流i即為流出最優(yōu)放電組合BtlB1B2的電流idis，并且規(guī)定電流流出電池時為正，因此可得到如圖5所示狀態(tài)I所示的最優(yōu)放電組合(BtlB1B2)和最優(yōu)充電組合(Blri)的電流波形 idis 和 ich。
[0085]如圖4所示，當(dāng)M5~M8導(dǎo)通時，M1~M4關(guān)斷，LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合(Blri)并聯(lián)。B1^L和C形成一個諧振回路，此時電容C放電，諧振電流i為負(fù)，電容C兩端的電壓V。開始下降直至諧振電流變?yōu)檎?。因?yàn)樽顑?yōu)放電組合(BtlB1B2)處于開路狀態(tài)，因此idis為零；同時該時刻諧振電流i就是Blri的充電電流，因此可得到如圖5狀態(tài)II所示的最優(yōu)放電組合(BtlB1B2)和最優(yōu)充電組合(Blri)的電流波形idis和込。
[0086]如圖6所示為實(shí)驗(yàn)獲得的LC諧振變換處于諧振狀態(tài)下的充放電電流i和電容電壓Vc的實(shí)驗(yàn)波形圖，從圖中可以看出i和Vc都為正弦波形，且V。滯后諧振電流i四分之一個周期，MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷正好發(fā)生在電流i過零點(diǎn)附近，實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)，極大地減小了開關(guān)損耗。[0087]圖7所示為本發(fā)明動力電池靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡效果圖，當(dāng)電池單體初始電壓分別為 B。= 2.687V, B1 = 2.695V, B2 = 2.673V, B3 = 2.676V, B4 = 3.282V, B5 = 3.289V, B6 =3.287V，B7 = 3.288V時，只需要大約6500s的時間，均衡電路就使得電池組中電池單體的最大電壓差接近于0，實(shí)現(xiàn)了零電壓差均衡。
[0088]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cells to cells均衡電路，其特征是:包括微控制器、矩陣開關(guān)模塊、均衡母線、LC諧振變換模塊和濾波電容，微控制器連接矩陣開關(guān)模塊、LC諧振變換模塊和電池單體，LC諧振變換模塊通過均衡母線連接矩陣開關(guān)模塊，LC諧振變換模塊的輸入端和輸出端各并聯(lián)一個濾波電容。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端和通用IO端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，通過電壓檢測電路與電池單體連接，用于將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而確定電池組中電池單體的電壓； 所述脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接LC諧振變換模塊，用于產(chǎn)生MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號； 所述通用IO端通過一個多路選通開關(guān)與開關(guān)模塊連接，用于譯碼微控制器確定的需要均衡的電池單體組合編號，控制矩陣開關(guān)模塊將電池組中任意個連續(xù)相鄰的電池單體組合選通至均衡母線上。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述任意個連續(xù)相鄰的電池單體組合包括最優(yōu)充電組合和最優(yōu)放電組合；所述最優(yōu)放電組合為電池組中電壓高于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合；所述最優(yōu)充電組合為電池組中電壓低于電池組平均電壓且相鄰的電池單體個數(shù)最多的電池單體的組合；所述最優(yōu)放電組合對最優(yōu)充電組合的均衡，最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合的電池單體節(jié)數(shù)之差大于等于I。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述LC諧振變換模塊包括全橋電路，全橋電路包括四組MOS管，每組MOS管包括兩個對接的MOS管，其中每組MOS管分別連接在一個橋臂上，橋臂中點(diǎn)處串聯(lián)有電感L和電容C。
5.如權(quán)利要求4所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述LC諧振變換模塊為全橋雙向變換器，能量總是從電壓高的一側(cè)流向電壓低的一側(cè)。
6.如權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述均衡母線包括均衡母線I和均衡母線II，所述矩陣開關(guān)模塊包括選擇開關(guān)模塊I，選擇開關(guān)模塊II，選擇開關(guān)模塊III，選擇開關(guān)模塊IV ;所述均衡母線I和均衡母線II的正、負(fù)極與所述LC諧振變換模塊的四個橋臂相連。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述選擇開關(guān)模塊I的一端連接所述均衡母線I的正極，一端連接電池單體的正極；所述選擇開關(guān)模塊II的一端連接所述均衡母線I的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；所述選擇開關(guān)模塊III的一端連接所述均衡母線II的負(fù)極，一端連接電池單體的負(fù)極；所述選擇開關(guān)模塊IV的一端連接所述均衡母線II的正極，一端連接電池單體的正極；所述每個選擇開關(guān)模塊同一時刻只能導(dǎo)通一個開關(guān)。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于開關(guān)矩陣和LC諧振變換的cellsto cells均衡電路，其特征是:所述LC諧振變換模塊在兩個狀態(tài)互補(bǔ)的PWM信號驅(qū)動下，交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)。
9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的均衡電路的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是:包括以下步驟: (1)獲取單體電壓:微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，獲取動力電池各單體電壓； (2)判斷電壓:微控制器根據(jù)獲取的最高與最低電池單體電壓，計算最大單體電壓差，若其差值大于電池均衡閾值，則啟動均衡電路； (3)確定最優(yōu)的放電組合和充電組合:根據(jù)步驟(1)獲取的電池單體電壓，確定電壓高于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，和電壓低于電池組平均電壓的連續(xù)相鄰電池單體的個數(shù)，確定最優(yōu)放電組合和最優(yōu)充電組合，保證最優(yōu)放電組合與最優(yōu)充電組合中包含的電池單體節(jié)數(shù)之差大于等于I ; (4)選通電池最優(yōu)充、放電組合至均衡母線上:微控制器通過譯碼電路控制矩陣開關(guān)模塊的選擇開關(guān)模塊I /IV，選擇開關(guān)模塊II /III將最優(yōu)放電組合的正極選通至均衡母線I/11的正極，將最優(yōu)放電組合的負(fù)極選通至均衡母線I /11的負(fù)極，并控制選擇開關(guān)模塊III/ II，選擇開關(guān)模塊IV/ II，將最優(yōu)充電組合的正極選通至均衡母線II / I的正極，將最優(yōu)充電組合的負(fù)極選通至均衡母線II / I的負(fù)極； (5)能量傳遞:微控制器控制LC諧振變換模塊使其交替工作在充電和放電兩個狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量的不斷傳遞。
10.如權(quán)利要求9所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征是:所述步驟(5)中，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)放電組合并聯(lián)時，最優(yōu)放電組合給LC諧振變換模塊充電，當(dāng)LC諧振變換模塊與最優(yōu)充電組合并聯(lián)時，LC諧振變換模塊給最優(yōu)充電組合充電，隨著LC諧振變換模塊的充、放電，實(shí)現(xiàn)了能量從最優(yōu)放電組合到最優(yōu)充電組合的轉(zhuǎn)移，當(dāng)微控制器發(fā)出的PWM頻率等于LC諧振變換I吳塊的固有諧振頻率時，實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
【文檔編號】H02J7/00GK103956802SQ201410219756
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張承慧, 商云龍, 崔納新, 紀(jì)祥 申請人:山東大學(xué)