基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及一種基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路。
【背景技術(shù)】
[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(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)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(gè)更加嚴(yán)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(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，會引起爆炸、起火等安全事故。因此，必須對串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡管理。
[0003]中國實(shí)用新型專利申請(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(gè)電容，當(dāng)電容與電壓較高的電池單體并聯(lián)時(shí)，電池給電容充電；當(dāng)電容與電壓較低的電池單體并聯(lián)時(shí)，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(zhuǎn)移到電壓較低的電池單體，從而實(shí)現(xiàn)電池組電壓的均衡。但是該方法開關(guān)損耗高、均衡電流小，且不能實(shí)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(guān)主動均衡電路及實(shí)現(xiàn)方法，其能夠?qū)崟r(shí)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(gè)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(shí)間較長。為此，中國實(shí)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(guān)的Cell to Cell電池均衡電路，該實(shí)用新型使用一個(gè)Boost升壓變換將電池組中電壓最高的電池單體升壓至一個(gè)較高的電壓，以實(shí)現(xiàn)大電流、零電壓差均衡;使用一個(gè)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，該實(shí)用新型存在的主要問題是: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。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種基于三諧振狀態(tài)LC變換的AdjacentCell-to-Cell均衡電路，本實(shí)用新型通過相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個(gè)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(shí)現(xiàn)電池組中相鄰電池單體之間的零電流開關(guān)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(shí)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(diào)節(jié)電路的均衡時(shí)間和提高均衡效率。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)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(gè)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(gè)電池單體一一串聯(lián)，每兩個(gè)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(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制信號輸出端，其中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通過電壓檢測電路與每個(gè)電池單體連接，將電池單體的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，獲取每個(gè)電池單體的電壓；
[0010]所述脈沖寬度調(diào)制信號輸出端通過驅(qū)動電路產(chǎn)生控制驅(qū)動信號，控制每個(gè)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(gè)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(gè)串聯(lián)的MOS管，LC串聯(lián)諧振電路的兩個(gè)端點(diǎn)分別連接在兩個(gè)相鄰的MOS管組的中點(diǎn)。
[0012]所述脈沖寬度調(diào)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(jìn)一步的，所述三諧振狀態(tài)LC變換模塊包括一個(gè)由四個(gè)MOS管串聯(lián)組成的支路、一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路和一個(gè)MOS管支路，其中，四個(gè)MOS管串聯(lián)支路有五個(gè)端，第一端連接于兩個(gè)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(gè)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(gè)相鄰串聯(lián)電池申吳塊的負(fù)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(dāng)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(shí)，電池組中相鄰電池單體之間的零電流開關(guān)均衡。
[0016]進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)電容C的進(jìn)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(shí)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，獲取每個(gè)電池單體的電壓；
[0022](2)微控制器根據(jù)每個(gè)電池單體的電壓，計(jì)算每兩個(gè)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(gè)電池單體的高電壓和低電壓，確定脈沖寬度調(diào)制信號的相序，發(fā)送給對應(yīng)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(gè)狀態(tài)，實(shí)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(gè)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(diào)節(jié)均衡電路的均衡時(shí)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(guān)系。
[0025]所述步驟(2)中，當(dāng)三路脈沖寬度調(diào)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(shí)，實(shí)現(xiàn)能量的零電流開關(guān)傳遞。
[0026]本實(shí)用新型的工作原理為:
[0027]微控制器借助模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊獲取電池組各單體電壓，進(jìn)而對相鄰的兩節(jié)電池單體電壓進(jìn)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(gè)狀態(tài)，從而將能量從相鄰電池單體中的高電壓者轉(zhuǎn)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(dāng)微控制器發(fā)出的三路PWM信號頻率等于LC諧振變換的固有諧振頻率的三分之二時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)零電流開關(guān)均衡。
[0028]本實(shí)用新型的有益效果為:
[0029](I)由于電路工作在三諧振狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)電池組中相鄰電池單體之間的零電流開關(guān)均衡，極大地減小了開關(guān)損耗，可使均衡電路工作在更高頻率下，有利于減小均衡電路體積；
[0030](2)由于釋放狀態(tài)的引入，解決了傳統(tǒng)Cell-to-Cell型均衡電路均衡電流小、均衡時(shí)間長的問題，適用于大容量的動力電池組；
[0031](3)由于釋放狀態(tài)的引入，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)電池單體間零電壓差的難題。
[0032](4)通過選擇不同的L、C參數(shù)可調(diào)節(jié)均衡電路的均衡時(shí)間并提高均衡效率，打破了均衡效率與電壓差成反比的耦合關(guān)系，可滿足不同的應(yīng)用需求，實(shí)用性廣。
【附圖說明】
[0033]圖1(a)為本實(shí)用新型基于三諧振狀態(tài)LC變換的Adjacent Cell-to-Cell均衡電路的η節(jié)電池單體的均衡示意圖；
[0034]圖1(b)為本實(shí)用新型基于三諧振狀態(tài)LC變換的AdjacentCell-to-Cell均衡電路的2節(jié)電池單體的均衡電路圖；
[0035]圖2(a)為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC變換在VBQ>VBdt充電狀態(tài)工作原理圖；
[0036]圖2(b)為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC變換在VBQ>VBdt放電狀態(tài)工作原理圖；
[0037]圖2(c)為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC變換在VBQ>VBdt釋放狀態(tài)工作原理圖；
[0038]圖3為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC變換處于諧振狀態(tài)下的理論波形圖；
[0039]圖4(a)為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC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，其中，開關(guān)順序是(Qo ,Q2),(Qi,Q3),Q4,能量從M專遞到B1;
[0040]圖4(b)為本實(shí)用新型的三諧振狀態(tài)LC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，其中，為開關(guān)順序是(Q1 ,Q3), (Qo,Q2),Q4,能量從B1傳遞到B0;
[0041 ]圖5為本實(shí)用新型對4節(jié)相鄰電池單體進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
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[0042]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0043]如圖1所示，基于三諧振狀態(tài)LC變換的AdjacentCell-to-Cell均衡電路，包括微控制器、N節(jié)電池單體和N-1個(gè)三諧振狀態(tài)LC變換模塊，其中每相鄰的兩節(jié)電池單體共用一個(gè)三諧振狀態(tài)LC變換模塊，微控制器連接各個(gè)三諧振狀態(tài)LC變換模塊和所有電池單體。
[0044]微控制器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和脈沖寬度調(diào)制PffM信號輸出端，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；
[0045]脈沖寬度調(diào)制PWM信號輸出端通過驅(qū)動電路連接三諧振狀態(tài)LC變換模塊，用于產(chǎn)生三諧振狀態(tài)LC變換中MOS管開關(guān)的控制驅(qū)動信號；
[0046]脈沖寬度調(diào)制PffM信號由三路相位互差120度、占空比為33.3%的方波信號組成。
[0047]三諧振狀態(tài)LC變換模塊包括一個(gè)由四個(gè)MOS管串聯(lián)組成的支路、一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路和一個(gè)MOS管支路。其中四個(gè)MOS管串聯(lián)支路有五個(gè)端，第一端連接于兩個(gè)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(gè)相鄰串聯(lián)電池模塊的公共端;第四