基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路及控制方法
【專利說明】基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Ce I l-to-Cel I均衡電路及控制方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路及控制方法。
【背景技術】
[0002]鋰離子動力電池具有能量密度高、自放電率低和沒有記憶效應等優(yōu)點，是電動汽車和混合動力電動汽車的主要用動力電池。然而，由于電池單體的電壓較低，為了獲得較高的電壓等級在實際應用中多以串聯(lián)形式使用。不幸的是，串聯(lián)鋰電池組帶來了一個更加嚴峻的問題:電池單體間內(nèi)阻或容量存在的微小差異，可能導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)象會越來越嚴重，極大地減小了電池組的可用容量和循環(huán)壽命。甚至，會引起爆炸、起火等安全事故。因此，必須對串聯(lián)電池組進行均衡管理。
[0003]中國發(fā)明專利申請(申請?zhí)?01210595724.6)提出了一種電容式電池均衡電路，該電路每相鄰的兩節(jié)電池共用一個電容，當電容與電壓較高的電池單體并聯(lián)時，電池給電容充電；當電容與電壓較低的電池單體并聯(lián)時，電容給電池充電。經(jīng)過電容的充、放電，能量從電壓較高的電池單體轉移到電壓較低的電池單體，從而實現(xiàn)電池組電壓的均衡。但是該方法開關損耗高、均衡電流小，且不能實現(xiàn)電池單體間零電壓差均衡。
[0004]中國發(fā)明專利(專利號ZL201310278475.2)提出了一種動力電池零電流開關主動均衡電路及實現(xiàn)方法，其能夠實時判斷電池組中電壓最高和最低的電池單體，并對其進行零電流開關均衡，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通壓降，使得電池單體間很難達到零電壓差，并且均衡電流很小，均衡時間較長。為此，中國實用新型(專利號ZL 201320660950.8)和中國發(fā)明專利(專利號ZL201310507016.7)提出一種基于升壓變換和軟開關的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，以實現(xiàn)大電流、零電壓差均衡;使用一個LC諧振變換模塊以實現(xiàn)零電流開關均衡，減少了能量浪費、提高了均衡效率。但是，該發(fā)明存在的主要問題是:均衡效率與電池單體間電壓差成反比，電壓差越大，均衡效率越低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路及控制方法，本發(fā)明通過相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個三諧振狀態(tài)LC變換模塊，微控制器發(fā)送三路相位互差120度、占空比為33.3%的方波信號控制三諧振狀態(tài)LC諧振變換交替工作在充電、放電和釋放狀態(tài)，可實現(xiàn)電池組中相鄰電池單體之間的零電流開關均衡，獲得了能量在小電壓差甚至零電壓差電池單體間的流動，為實現(xiàn)電池單體間的零電壓差均衡提供了條件，并且可通過選擇不同的L、C參數(shù)來調節(jié)電路的均衡時間和提高均衡效率。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]一種基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路，包括多個電池單體、微控制器和三諧振狀態(tài)LC變換模塊，其中:
[0008]所述多個電池單體一一串聯(lián)，每兩個相鄰的電池單體之間連接有三諧振狀態(tài)LC變換豐吳塊；
[0009]所述微控制器，包括模數(shù)轉換模塊和脈沖寬度調制信號輸出端，其中，所述模數(shù)轉換模塊通過電壓檢測電路與每個電池單體連接，將電池單體的電壓信號轉換成數(shù)字信號，獲取每個電池單體的電壓；
[0010]所述脈沖寬度調制信號輸出端通過驅動電路產(chǎn)生控制驅動信號，控制每個三諧振狀態(tài)LC變換模塊的工作；
[0011]所述三諧振狀態(tài)LC變換模塊，包括并聯(lián)在每個電池單體上的MOS管組、LC串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)在LC串聯(lián)諧振電路上的MOS管支路，其中，所述MOS管組包括兩個串聯(lián)的MOS管，LC串聯(lián)諧振電路的兩個端點分別連接在兩個相鄰的MOS管組的中點。
[0012]所述脈沖寬度調制信號輸出端的信號由三路相位互差120度、占空比為33.3%的方波信號組成。
[0013]進一步的，所述三諧振狀態(tài)LC變換模塊包括一個由四個MOS管串聯(lián)組成的支路、一個LC串聯(lián)諧振電路和一個MOS管支路，其中，四個MOS管串聯(lián)支路有五個端，第一端連接于兩個相鄰串聯(lián)電池模塊的正極;第二端連接于LC串聯(lián)諧振電路的一端;第三端連接于兩個相鄰串聯(lián)電池模塊的公共端;第四端連接于LC串聯(lián)諧振電路的另一端;第五端連接于兩個相鄰串聯(lián)電池申吳塊的負極;MOS管支路與LC串聯(lián)諧振電路并聯(lián)。
[0014]所述三諧振狀態(tài)LC變換模塊在三路相位互差120度、占空比為33.3%的方波信號的控制下，交替工作在充電狀態(tài)、放電狀態(tài)和釋放狀態(tài)。
[0015]當三路方波信號頻率等于LC串聯(lián)諧振電路的固有諧振頻率的三分之二時，電池組中相鄰電池單體之間的零電流開關均衡。
[0016]進一步的，所述充電狀態(tài)為微控制器控制三諧振狀態(tài)LC變換模塊，使LC串聯(lián)諧振電路與電壓高的電池單體并聯(lián)，實現(xiàn)電壓高的電池單體給LC串聯(lián)諧振電路充電。
[0017]所述放電狀態(tài)為微控制器控制三諧振狀態(tài)LC變換模塊，使LC串聯(lián)諧振電路與電壓低的電池單體并聯(lián)，實現(xiàn)LC串聯(lián)諧振電路給電壓低的電池單體充電。
[0018]所述釋放狀態(tài)為微控制器控制三諧振狀態(tài)LC變換模塊，使LC串聯(lián)諧振電路短路，實現(xiàn)電容C的進一步放電并反向充電，以提高下一狀態(tài)的均衡電流。另一方面，也獲得了能量在小電壓差甚至零電壓差電池單體間的流動，為實現(xiàn)電池單體間的零電壓差均衡提供了條件。
[0019]所述三諧振狀態(tài)LC變換模塊為雙向變換器，通過改變?nèi)贩讲ㄐ盘柕南嘈?，獲得相鄰電池單體間能量的任意流動。
[0020]—種基于上述均衡電路的控制方法，包括以下步驟:
[0021](I)微控制器將電池單體的電壓信號轉換成數(shù)字信號，獲取每個電池單體的電壓；
[0022](2)微控制器根據(jù)每個電池單體的電壓，計算每兩個相鄰的電池單體的電壓差，若差值超過電池均衡閾值，根據(jù)兩個電池單體的高電壓和低電壓，確定脈沖寬度調制信號的相序，發(fā)送給對應的三諧振狀態(tài)LC變換模塊；
[0023](3)微控制器控制三諧振狀態(tài)LC變換模塊，使其交替工作在充電、放電和釋放三個狀態(tài)，實現(xiàn)能量從電壓高的電池單體流向電壓低的電池單體，直至兩個相鄰電池單體的電壓差低于電池均衡閾值。
[0024]所述方法中，通過選擇三諧振狀態(tài)LC變換模塊中不同的L、C參數(shù)調節(jié)均衡電路的均衡時間和均衡效率，打破了均衡效率與電池單體間電壓差成反比的耦合關系。
[0025]所述步驟(2)中，當三路脈沖寬度調制信號頻率等于LC諧振變換的固有諧振頻率的三分之二時，實現(xiàn)能量的零電流開關傳遞。
[0026]本發(fā)明的工作原理為:
[0027]微控制器借助模數(shù)轉換模塊獲取電池組各單體電壓，進而對相鄰的兩節(jié)電池單體電壓進行比較，確定需要均衡的相鄰電池單體，并判斷出高電壓者和低電壓者;然后，微控制器發(fā)送三路相位互差120度、占空比為33.3 %的PffM信號控制三諧振狀態(tài)LC變換模塊，使其交替工作在充電、放電和釋放三個狀態(tài)，從而將能量從相鄰電池單體中的高電壓者轉移到低電壓者。釋放狀態(tài)的引入為大電流、零電壓差均衡提供了條件。特別地，當微控制器發(fā)出的三路PWM信號頻率等于LC諧振變換的固有諧