总线式电池组均衡电路及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种总线式电池组均衡电路，包括：N节电池，每节电池连接与之相对应的均衡电路，所述均衡电路连接控制器，所述每一节电池分别连接一个均衡电路，所述每个均衡电路连接一个控制器，所述电池和均衡电路一一对应，所述均衡电路和控制器一一对应，所述控制器根据电池组的能量信息对均衡电路进行控制，实现该模块电池与能量传输总线的能量双向流动，实现电池储能的均衡，所述N个控制器并联到数据总线，所述N节电池并联能量传递总线，所述N大于等于2。
【专利说明】总线式电池组均衡电路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种总线式电池组均衡电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池的高能量密度、无记忆效应、单节循环周期长等特点，使其具有较好的便携性，是目前最具发展前景的动力电池。锂离子电池的这些特性使其成为电(混)动汽车、航天器及宇宙空间站、可再生能源系统理想的能量存储介质。但由于制造工艺的限制，锂离子电池电压仅为3.0V-4.2V左右。为了构成高电压能量存储与供应装置，必须将多个锂离子电池串联构成电池组进行工作。对于组成锂离子电池组的锂离子电池单体，由于容量、内阻、以及使用条件及环境的变化，就会造成锂离子电池单体端电压不一致。正是由于单个电池的特性总存在差异，在充(放)电过程中容易造成部分锂离子电池单体过(欠)压，从而导致有的电池已经完全满充(放尽)而有的电池则还没有充满(放尽)。这就会严重影响电池的使用寿命，进而对锂离子电池组的整体使用和寿命造成不利影响，使得电池组性能达不到单电池原有水平，导致其使用寿命将会缩短数倍甚至十几倍。为了延长电池组的使用寿命，必须使所有的电池均保持在同样的充放电深度。因此，需要建立锂离子电池组能量均衡系统，对串联锂离子电池组中各个单体锂离子电池的能量进行均衡管理，充分发挥电池组中各单体电池的能力，延长电池组整体使用寿命。
[0003]目前，大量国内外学者正针对锂离子电池组能量均衡问题开展研究。锂离子电池组能量均衡系统主要采用有损均衡和无损均衡两种方式。有损均衡是能量耗散型方式，结构简单，已日趋成熟，但其多余的能量全部消耗在电阻上，效率低。无损均衡是非能量耗散型方式，这种方式采用电路转移能量实现均衡，其均衡效率高，但结构复杂，控制难度大。
【发明内容】
[0004]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种总线式电池组均衡电路及其控制方法。
[0005]为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种总线式电池组均衡电路，其关键在于，包括:N节电池，每节电池连接与之相对应的均衡电路，所述均衡电路连接控制器，所述每一节电池分别连接一个均衡电路，所述每个均衡电路连接一个控制器，所述电池和均衡电路 对应，所述均衡电路和控制器 对应，所述控制器根据电池组的能量信息对均衡电路进行控制，实现该模块电池与能量传输总线的能量双向流动，实现电池储能的均衡，所述N个控制器并联到数据总线，所述N节电池并联能量传递总线，所述N大于等于2。
[0006]上述技术方案的有益效果为:均衡网络结构中，每个电池对应一个均衡电路。均衡电路可实现能量的双向流动，即单个电池的能量可由均衡电路输出到总线，也可将总线上的能量反馈到电池。采用这样的均衡方式，不但可以实现不同物理位置的两个电池之间，点对点的能量交换，还可以实现多个电池之间，多对一的能量交换。这将有利于提高电池组整体能量均衡效率和均衡速度。双向隔离型均衡电路的使用，不但能够实现能量的双向传输，而且保证了能量均衡总线侧(的多电路模块互连，而不会影响电池侧的正常工作。该方案提供了更加灵活的能量流路径，在物理位置相对较远的电池之间进行能量传输时，相比已有技术方案，效率更高，速度更快，将更有利于大功率快速充放电储能系统，如电动汽车的动力电池。
[0007]无损均衡结构，均衡效率高。上述方案提出的是一种无损均衡(非能量耗散型)结构。电池组中各个单体电池通过自身配备双向无损均衡电路，连接到能量总线，并通过总线完成电池与电池间的能量转移，以实现电池组能量均衡。相比已商用的有损均衡结构，上述方案效率更高。
[0008]易于模块化。每个电池配备一个结构相同的均衡电路。均衡电路可实现能量双向流动，即既能够将电池能量传输到总线，也可以从总线获取能量，给电池充电。各个模块结构、功能、性能指标等完全相同，相互独立。在改变电池组中单体电池数量后，只需对应增加均衡电路和程序，而不用修改原有电路参数和结构。相比开关电容非耗散型均衡电路、变压器的非耗散型均衡电路，更易于模块化。在改变电池组中单体电池数量后，开关电容和变压器的非耗散型均衡电路方案均需要修改电路结构和参数。
[0009]能量转移方式灵活。电池之间的能量转移可以实现一对一、一对多、多对一、多对多等任意方式。相比基于电感的非耗散型均衡电路、基于电容和电感的非耗散型均衡电路方法，能量转移方式更加灵活。基于电感、电容和电感的非耗散型均衡电路，采用的级联式能量转移方法，只能实现相邻电池之间能量转移。例如，物理位置相距较远的两块电池需要转移能量，则被转移能量需要流经这两块电池之间的所有电池及均衡电路。这样势必造成能量损耗大，均衡速度慢的问题。
[0010]便于对转移能量的控制。根据系统的能量均衡目的，均衡控制器可以利用数据总线进行电池能量信息的相互交换。各个电池单体自身配置的均衡控制器，可采用分布式均衡控制方法对各电池单体能量的输入或输出进行控制。电池组均衡的总体控制任务，分解到单个控制器，即总体控制任务分摊的各个均衡控制器执行，降低了控制器设计难度。
[0011]所述的总线式电池组均衡电路，优选的，所述控制器包括:外环控制器、占比PI调节器，所述外环控制器输入为各电池电量信息，输出连接占比PI调节器，所述占比PI调节器输出作用于均衡电路。
[0012]上述技术方案的有益效果为:所述外环控制器为电池组均衡控制，能够更好地控制电池组的均衡工作。
[0013]所述的总线式电池组均衡电路，优选的，所述外环控制器为设定i模块期望功率W与X有下述关系:
[0014]
【权利要求】
1.一种总线式电池组均衡电路,其特征在于,包括:N节电池，每节电池连接与之相对应的均衡电路，所述均衡电路连接控制器，所述每一节电池分别连接一个均衡电路，所述每个均衡电路连接一个控制器，所述电池和均衡电路一一对应，所述均衡电路和控制器一一对应，所述控制器根据电池组的能量信息对均衡电路进行控制，实现该模块电池与能量传输总线的能量双向流动，实现电池储能的均衡，所述N个控制器并联到数据总线，所述N节电池并联能量传递总线，所述N大于等于2。
2.根据权利要求1所述的总线式电池组均衡电路，其特征在于，所述控制器包括:外环控制器、占比PI调节器，所述外环控制器输入端输入各电池电量信息，输出端连接占比PI调节器，所述占比PI调节器输出作用于均衡电路。
3.根据权利要求2所述的总线式电池组均衡电路，其特征在于，所述外环控制器为设定i模块期望功率片与X有下述关系:
4.根据权利要求2所述的总线式电池组均衡电路，其特征在于，所述占比PI调节器的调节方法为:
5.一种总线式电池组均衡电路控制方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1，控制器检测电池的能量状态，设定期望值，并通过数据传输总线发布所述控制器所连接电池的能量信息； 步骤2，均衡电路中，控制器根据电池组的能量信息以及期望值对均衡电路进行控制，实现该模块电池与能量传输总线的能量双向流动，实现电池储能的均衡。
6.根据权利要求5所述的总线式电池组均衡电路控制方法，其特征在于，所述步骤2包括: 由所述控制器的占比PI调节器对双向反激变换器的输出功率进行调节。
7.根据权利要求5所述的总线式电池组均衡电路控制方法，其特征在于，所述步骤I中设定期望值的步骤包括: 所述控制器的外环控制器令i的期望功率<与X有下述关系:
8.根据权利要求5所述的总线式电池组均衡电路控制方法，其特征在于，还包括: 所述控制器的占比PI调节器对双向反激变换器的输出功率进行调节，使其满足外环均衡控制的要求，控制表示为:
9.根据权利要求7所述的总线式电池组均衡电路控制方法，其特征在于，所述双向反激变换器的工作过程包括:电流断续模式、电流临界连续模式、电流连续模式，在变压器在原副边切换工作时不存在损耗的情况下，在切换时有原副边电流计算为:
【文档编号】H02J7/00GK103944240SQ201410195948
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】凌睿, 但强, 张婕, 舒志辉, 朱哲人, 刘楠, 王传鑫, 罗杨, 王理智 申请人:重庆大学