一種基于多線圈變壓器的串聯(lián)電池組充電均衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于裡電池充放電技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于多線圈變壓器的串聯(lián)電池組充 電均衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 串聯(lián)電池組的充電均衡控制方式很多，各有各的特點(diǎn)和處理方式，適合的對(duì)象也 不盡相同，大多適合于中小規(guī)模的串聯(lián)電池組。從W上典型的控制方式來看，顯然，非能耗 式的均衡控制技術(shù)是今后的發(fā)展方向；能量變換式比能量轉(zhuǎn)移式的均衡效率會(huì)更高，平衡 控制時(shí)間也更短；雙向式的均衡比單向的快。參與均衡的能量有W相鄰電池間轉(zhuǎn)移或交換 方式，如利用"飛渡電容"或電感來轉(zhuǎn)移相鄰電池間能量，或用C址能量變換器轉(zhuǎn)換相鄰電 池能量等；也有電池與充電母線間的能量轉(zhuǎn)換方式，如利用多次級(jí)單開關(guān)變壓器方式，實(shí)現(xiàn) 一對(duì)多的能量轉(zhuǎn)換；或利用單獨(dú)變壓器實(shí)現(xiàn)多電池與母線間轉(zhuǎn)換。
[0003] 但是，該些非能耗式的均衡控制方法，不管是轉(zhuǎn)移式的還是轉(zhuǎn)換式的，控制開關(guān)數(shù) 量多，電流和電壓應(yīng)力大，控制邏輯復(fù)雜。對(duì)于相鄰電池間均衡，當(dāng)電池?cái)?shù)量多時(shí)，均衡時(shí)間 長；使用多次級(jí)線圈變壓器或單獨(dú)變壓器，能實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的均衡，提高均衡速度，但只能實(shí) 現(xiàn)單向的均衡控制，無法實(shí)現(xiàn)多對(duì)多電池間的直接均衡控制，均衡能量無法按各自的需要 實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的交換。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于多線圈變壓器的串聯(lián)電 池組充電均衡控制方法，該方法基于多線圈變壓器的充電均衡能量變換技術(shù)，簡化控制邏 輯，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的多對(duì)多的能量均衡控制。
[0005] 其技術(shù)方案如下：
[0006] 一種基于多線圈變壓器的電池組均衡控制方法，包括W下步驟：
[0007] 1)本發(fā)明提供一種均衡充電方法，該方法包括一個(gè)多線圈的變壓器，該變壓器為 能量存儲(chǔ)器，該變壓器的所有線圈的極性繞法都相同，該變壓器每個(gè)線圈通過一個(gè)能量變 換器對(duì)應(yīng)一個(gè)串聯(lián)電池組中的一個(gè)電池單體，連接方式如圖1所示。
[000引 2)能量變換器原理上由一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管（MOS陽T管）與多線圈變換器的相應(yīng)一 個(gè)線圈組成，MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)由其柵極的控制信號(hào)決定，并決定能量變換的方向；當(dāng) MOSFET管的柵極輸入脈沖寬度可調(diào)信號(hào)（PWM)時(shí)，能量變換器向多線圈變壓器輸入存儲(chǔ)能 量；當(dāng)MOSFET管的柵極接低電平時(shí)，則線圈變壓器向能量變換器輸出能量；MOSFET管柵級(jí) 的控制信號(hào)來自對(duì)電池單體電量的判斷，由串聯(lián)電池組電池的電壓或電池荷電狀態(tài)決定。 其中，MOSFET管開關(guān)元件內(nèi)含體內(nèi)反向二極管；
[0009] 3)根據(jù)串聯(lián)電池組每個(gè)電池的電壓或電池荷電狀態(tài)，按控制邏輯，對(duì)相對(duì)較高 (高于平均值）的串聯(lián)電池組單體實(shí)施分流轉(zhuǎn)換，如圖2所示，相應(yīng)的線圈被定義為輸入電 能線圈，能量變換器中開關(guān)元件的柵極輸入PWM信號(hào)，PWM信號(hào)中占空比的大小由串聯(lián)電池 組單體的電壓或荷電量決定；分流能量的大小與單體電池的電量成正比，電量越多，分流能 量也越多；
[0010] 3)根據(jù)串聯(lián)電池組每個(gè)電池的電壓或電池荷電狀態(tài)，按控制邏輯，對(duì)相對(duì)較低 (低于平均值）的串聯(lián)電池組單體實(shí)施匯流轉(zhuǎn)換，如圖3所示，相應(yīng)的線圈被定義為電能輸 出線圈，能量變換器中開關(guān)元件的柵極輸入低電平信號(hào)，開關(guān)元件斷開，開關(guān)元件內(nèi)的反向 二極管作整流管使用，變壓器中的能量輸出給串聯(lián)電池組低電量單體，匯流能量的大小與 單體電池的電量成反比，電量越少，匯流的能量越多；
[0011] 4)基本的均衡充電單元由一個(gè)串聯(lián)電池組單體和一個(gè)能量變換器組成，能量變換 器的線圈組合多線圈變壓器，即為一個(gè)能量公共池，如圖4所示；串聯(lián)電池組每個(gè)電池單體 對(duì)應(yīng)一個(gè)均衡充放電單元，由一個(gè)多線圈變壓器帶中間抽頭的線圈、一個(gè)帶體二極管的開 關(guān)MOS陽T管、一個(gè)電感、一個(gè)二極管組成。電路是對(duì)稱的，線圈的應(yīng)比是相同的。電感的值 與線圈的應(yīng)數(shù)、線圈電感值有關(guān)。開關(guān)管Q由PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，而PWM信號(hào)則由電池的智 能控制器輸出。如圖4所示，圖中B1、B2…化為串聯(lián)電池組，TR為多線圈變壓器，11，12… In為電感，該電感一端連電池單體的正極，另一端連接多線圈變壓器同名端。D11，D12…Din 為變壓器復(fù)位二極管，Q1，Q2…化為開關(guān)MOSFER管，該管內(nèi)帶體二極管，MOSFET開關(guān)管的 柵極連接智能控制器，串聯(lián)電池組的電壓由智能控制器檢測(cè)，由智能控制器計(jì)算出每個(gè)電 池單體的實(shí)時(shí)電量，根據(jù)電池單體電量的大小來決定其是否為分流電池單體，還是匯流電 池單體，并由此來判定是否提供PWM信號(hào)給開關(guān)MOSFET管，因此，其功能上是一個(gè)既能分流 又能匯流的電路，而且要求電路具有對(duì)稱性，能實(shí)現(xiàn)雙向控制，變壓器的自然復(fù)位，電路穩(wěn) 定工作；
[0012] 5)由多個(gè)基本單元組成的均衡充電電路組成串聯(lián)電池組的充電電路，在統(tǒng)一的時(shí) 序下工作，高電量電池單體，經(jīng)能量變換器，向多線圈變壓器輸送能量，相當(dāng)于能量存儲(chǔ)其 能量公共池中，在另一個(gè)時(shí)序，集中的能量經(jīng)能量變換器向低電量的電池單體輸送能量。從 而實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的電池單體間的能量轉(zhuǎn)換，W實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組電池單體間的均衡充電。
[0013] 6)在基本均衡單元中，基于一個(gè)二級(jí)智能閉環(huán)控制方法，通過控制PWM信號(hào)的頻 率與占空比來實(shí)現(xiàn)更加精確的均衡智能控制，如圖5所示。應(yīng)用多線圈變壓器的電池自動(dòng) 均衡智能控制采用二級(jí)閉環(huán)控制。其中一級(jí)為電流源控制，另一級(jí)為模糊智能均衡控制。
[0014] 電流源的控制，適用于充電均衡。其控制策略如下；應(yīng)用查表法或應(yīng)用模糊推理方 法，根據(jù)電池組充電狀態(tài)的數(shù)據(jù)如電壓或電池SOC的綜合值，對(duì)電池組的充電電流加W優(yōu) 化控制，W獲得最佳的充電電流值，本級(jí)的設(shè)置主要為了讓充電電流更加適合電池的充電 特性；
[0015] 單體電池的模糊智能均衡控制，適用于充放電過程中，如圖6。其控制策略是根據(jù) 實(shí)測(cè)電池狀態(tài)數(shù)據(jù)與參考電壓的比較，模糊推理出開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最佳頻率與占空比， W獲得最佳的分流電流與匯流電流，從而W最快的速度實(shí)現(xiàn)電池充放電的均衡一致。
[0016] 進(jìn)一步優(yōu)選，W基本均衡充電單元為基礎(chǔ)的多對(duì)多的均衡充電，還可進(jìn)行模塊化。 例如一串含有MXN個(gè)電池的電池組，可W分成M個(gè)模塊，每個(gè)模塊由N個(gè)電池組成，甚至模 塊中還可再分，進(jìn)行模塊方式的級(jí)聯(lián)，如圖7所示。由此，一個(gè)大數(shù)量串聯(lián)成的動(dòng)力裡電池 就分成了小數(shù)量的模塊，從而降低設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和難度，有利于提高均衡電路的速度與效率， 簡化控制，減小電壓與電流的應(yīng)力。
[0017] 圖7為串聯(lián)電池組均衡控制模塊化的示意圖。圖中ws個(gè)基本均衡單元作為一 個(gè)模塊，實(shí)施均衡方案；然后每個(gè)模塊又可看成一個(gè)電壓更大的電池，再施加相應(yīng)的均衡方 式，構(gòu)成更大的模塊，進(jìn)行均衡控制。由此組成模塊化的均衡控制策略。該里的模塊數(shù)量是 一個(gè)示意，實(shí)際模塊內(nèi)的數(shù)量由設(shè)計(jì)需要而定。
[001引本發(fā)明的有益效果為；本發(fā)明基于高頻電源能量變換理論，把高于參考值的能量 轉(zhuǎn)換到多線圈變壓器，W磁能的方式存儲(chǔ)，然后為能量較低的電池提供能量。在統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)信 號(hào)控制下，該技術(shù)還允許多個(gè)電池單體同時(shí)提供電能，并轉(zhuǎn)換為磁能存儲(chǔ)，再提供給其它多 個(gè)需要附加能量的電池，從而實(shí)現(xiàn)多對(duì)多的均衡控制。最后構(gòu)建了智能控制二級(jí)控制模式， 實(shí)現(xiàn)大數(shù)量串聯(lián)電池組的級(jí)聯(lián)均衡控制。
【附圖說明】
[0019] 圖1為能量公共池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為電池分流轉(zhuǎn)換；
[0021] 圖3為電池匯流轉(zhuǎn)換；
[0022] 圖4為均衡充放單元電路拓?fù)洌?br>[0023] 圖5為電池充電控制框圖；
[0024] 圖6為單體電池控制模式示意圖；
[0025] 圖7為均衡控制模塊單元級(jí)聯(lián)圖；
[0026] 圖8為均衡方法的模塊化實(shí)驗(yàn)示意圖；
[0027] 圖9為町>Um時(shí)的電池體電流分流大小圖；
[00測(cè)圖10為E聲Um時(shí)的電池體電流匯流大小圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方