多电池组并联扩容的控制及实现方法与流程

本发明涉及一种多电池组并联扩容的控制及实现方法。

背景技术：

大容量电池的内阻很小，由于电池组相当于电压源，电压源的内阻也很小；同时，电池又不完全等同于电压源，制造、工艺、材料、温度等因素会引起电池端电压、内阻、容量差异，电池性能不可能完全相同，遇到性能差异较大的电池直接并联在一段时间内会引起很大的环流，在充电时也会出现很大的电流不均；在使用过程中电池老化程度会随电池性能下降进入恶性循环，特别是有一组电池组出现故障时，会出现直流母线电压异常及损坏其他电池组。严重影响直流供电系统可靠性及电池寿命。

在以电池组为电源的直流供电系统中，为提高电池组供电功率，现有实现技术大致为以下几类：1)从电池制造角度，生产大电流低电压电池，然后串联成一定电压的电池组；由于大电流低电压电池受材料制造工艺及成本等诸多因素限制，最大单体电池功率也受到了限制。2)提高电池组的串联电压，但提高电池组的串联电压，会影响电池组的可靠性，在整个串联电池组中，由一个单体电池故障，会使整个供电系统崩溃；即使单体电池不发生故障，但也是以单体电池性能最坏的一个性能显示整个串联电池组的性能，所以，通过提高电池组的串联电压来提高电池组供电功率也受到了可靠性问题制约。3)用串联到一定电压的单体电池组，进行全功率双向dc/dc变换成一定的直流母线电压，然后通过多组全功率dc/dc双向变换，在dc/dc变换器上设计多系统的均流均压并联。能较好地解决扩容问题，但高额的成本，系统的高复杂性及大功率双向dc/dc变换器较大的单位体积，散热系统的设计等等问题，无法避免。系统一旦设计定型后要改变电池组容量也相当困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于以相对简单的控制方法、较廉价的成本解决性能差异较大的电池组直接并联扩容问题，避免使用高成本，高复杂性的全功率双向dc/dc变换器变换后母线并联，使电池组容量可以在任何时候增加或减少到系统中而无需改变系统设计，为电池组容量的系统设计提供具有极大灵活性的多电池组并联扩容的控制及实现方法。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的。通过在串联到一定电压的电池组battery上串联等效可变电池模块variablebattery后，组成一个单独的电池组单元batterypack。等效可变电池模块variablebattery使用控制模块controller来实现。控制模块controller是一种具有检测母线电压vbus+，vbus-与本电池组端电压的压差，控制电池组充电电流(相当于控制了串联电阻)功能的控制装置。其原理是在电池组上串联一个等效可变电池模块，在如图3所示多个电池组单元batterypack并联时，等效可变电池模块会自动检测电池组端电压与直流母线电压的压差，在电池组端电压低于直流母线电压时，自动在可控的电流下建立一个压差电压来平衡本电池组与直流母线的端电压。由于可变电池模块只是处理直流母线电压与本电池组的差压，所需处理的功率与dc/dc全变换处理方式相比大大减小。

为实现上述方法，控制模块controller部分采用单向电流源dc/dc变换电路来实现，控制模块controller的电压调节能力为最低0v，最高10％电池组电压，由dc/dc电路来实现，按受控的电流来平衡直流母线的差压功率，相当于改变串联等效电阻，但通过电流源dc/dc变换电路能量能返回到当前电池组中。因此，电流源dc/dc变换电路在电性能上相当于一个电池，如果忽略变换器效率，dc/dc变换电路不损耗能量。

本发明采用单向电流源dc/dc变换器，提供至少大于0.5的占空比来保证与电池组串联工作的直流通路，控制波形如图5所示。可以避免使用控制复杂的双向全功率dc/dc变换器。

串联到一定电压的电池组上串联等效可变电池模块后，可视为独立的的电池组单元，可根据不同的需求封装成一个独立的电池组单元batterypack，实现多个独立的电池组单元batterypack直接并联扩容。理论上电池组单元直接并联数量不受限制。

控制模块原理架构是：battery为电池组，controller为控制模块；vbus+为电池组单元batterypack正极，是所有并联电池组单元batterypack的正极连接端；vbus-为电池组单元batterypack负极，是所有并联电池组单元batterypack的负极连接端；vs是电池组battery负极与控制模块controller正极连接端，当有电池组单元batterypack并联连接时vs对vbus-电压即为两个电池组单元batterypack的差压。当vs出现差压时，控制模块controller内的logiccircuit逻辑电路通过vs线感知电压，同时通过vbus-线经由rcs1电阻的作用感知电流。logiccircuit逻辑电路在设定好的最大差压范围内通过pwm控制调节占空比自动恒定充电电流iin，使得充电电流大小受到限制并可以人为设定。pwm调节波形如图5所示。在控制模块controller上有电压vs，同时有充电电流iin时，控制器模块controller接受pin＝vs*iin的输入功率，此功率通过变压器t1原边传送到变压器付边再经由二极管d1，d2，电解电容c2，c2倍压整流后，把输入功率pin变流为iout回送到battery为电池组。如果忽略变换器效率，使得控制模块controller可以等效为可变电池。

单向电流源dc/dc变换电路控制原理的数学建模：

pin＝vs*iin…………………………………………………(1)

pin------------------控制模块输入功率

vs--------------------控制模块输入电压，即电池组差压

iin-------流过控制模块的总电流，即流过电池组的电流

ipp＝2*γ*iin………………………………………………(2)

ipp-----------------输入电流纹波交流峰峰值

γ------------------纹波率

vs*ton＝ipp*l……………………………………………(3)

ton-----------------电感充磁时间

l-------------------限流电感l1＝l2＝l

vs*d*t＝ipp*l…………………………………………(4)

d-------------------占空比

t-------------------开关周期

f-------------------开关频率

由(5)式可知：在f恒定，l恒定，iin恒定条件下，vs与d成反比关系，改变d即可控制vs；另外，如果vs恒定，iin与d成正比关系，即控制d可以控制iin。

本发明与现有技术相比，具有以下明显的优点和创新。

(1)、结构简单。本发明是通过在串联到一定电压的电池组上串联等效可变电池模块方法来实现的，此等效可变电池模块是一种具有检测母线电压vbus+，vbus-与本电池组端电压的压差，控制电池组充电电流功能的控制装置。其原理是在电池组上串联一个等效可变电池模块，在多个电池组单元并联时，等效可变电池模块会自动检测电池组端电压与直流母线电压的压差，在电池组端电压低于直流母线电压时，自动在可控的电流下建立一个压差电压来平衡本电池组与直流母线的端电压。由于可变电池模块只是处理直流母线电压与本电池组的差压，所需处理的功率与dc/dc全变换处理方式相比大大减小。例如：60v直流母线电压系统中只需要处理要6v左右的差压，即使给电池组20a的充电电流，电池组总功率达到1.2kw，而控制模块只需要处理120w的功率就可以平衡直流母线电压。因此系统的复杂性和成本大大降低。

(2)、使用效果明显。多电池组单元如图3所示并联后，电池阵外特性为：电池阵端电压vbus+，vbus-即母线电压为电池阵内端电压最高的一组电池组单元电压；相当于电池阵内端电压最高的一组电池组电压在母线vbus+，vbus-上直接可见，无附加电压或附加压降，电池阵的容量为多个电池组单元的容量之和，电池阵的内阻为多个电池组单元内阻的并联值。

如图4所示，在逻辑电路logiccircuit内，通过vs得到的电压信号及通过vbus-得到的电流信号，方便得到pwm调节逻辑波形如图5所示。并根据设定平均电流大小及vs调节占空比d的大小。以恒定iin。此控制架构的占空比d必需大于0.5。当电路的占空比接近0.5时，占空比不再减小，此时的vs设计成最大调节电压。如果vs再最大，根据公式(5)，vs增大，d不再减小，这就意味着iin必需增大。在电池组应用中，设计合适的vs值是有必要的，特别是在带电机负载时，电机的反电势控制在电池组电压与vs电压之和有特别的意义，使得反电势也可以箝位在合适的范围内，对电机控制器很有益。

在逻辑电路logiccircuit内，通过采样iin，vs判断或计算电池组的充电电量与电池端电压的变化量，以识别电池是否性能有否明显下降，电池是否已经发生故障，控制故障电池在多组并联电池组中断开或再次接入，彻底消除了因某一电池组故障影响整个并联电池系统的问题。

使用电池组串联控制模块组成电池组单元并联使用，彻底解决了电池组直接并联使用的诸多问题，使得多电池组并联扩容成为可能。可随时并接电池组提高电池组容量，而不改变电池组端电压，大大提高了电池组供电系统对容量设计的灵活性。

(3)、解决了多项技术问题。本发明解决了差异性较大的电池组并联时电池组间环流不受限制的技术问题；同时解决了由于电池制造工艺或电池使用一段时间后引起的端电压不均，内阻变化，容量变化，温度变化等一系列问题影响直接并联方式电池组的可靠性及寿命问题；电池阵内有一组电池组单元故障影响其他电池组问题。为电池组单元直接并联扩容提供低成本解决方案。

同时本发明没有改变电池组并联运行固有的有益因素，能使电池组供电系统的可靠性、灵活性进一步提高。用本发明可以在一定容量范围内替换高成本，高复杂性的全功率双向dc/dc变换技术实现的系统扩容方法。

本发明适用于电池组并联扩容，母线电压即为电池组单元电压的应用的许多领域。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1：为本发明控制方式原理图

图2：电池组单元封装架构图

图3：n个电池组单元并联连接图

图4：控制模块与电池组连接原理架构图

图5：控制逻辑pwm控制波形图

具体实施方式

如图1所示，为本发明控制方式原理图，等效可变电池variablebattery1与电池组battery2直接串联，等效可变电池variablebattery由控制模块controller4来实现；

如图2所示，为控制模块controller4与电池组battery2封装成电池组单元batterypack3；

如图3所示为1-n个电池组单元batterypack的并联连接图，

如图4所示，battery2为电池组，controller4为控制模块，控制模块controller4与电池组battery2的连接方式为：电池组battery2正极直接连接到直流母线端子vbus+，电池组battery2负极连接控制模块controller4正极vs端，控制模块controller4负极直接连接到直流母线端子vbus-。控制模块controller4部分采用单向电流源dc/dc变换电路来实现，采样rcs1的电压，通过逻辑电路logiccircuit作电流调节，采样vs电压通过逻辑电路logiccircuit作电压调节，调节能力为最低0v，最高10％电池组电压。逻辑电路logiccircuit根据采样到的实时电压电流值按图5所示波形进行pwm调节。由dc/dc电路来等效可变电池，来平衡直流母线的差压功率，通过单向电流源dc/dc变换电路返回到当前电池组中。因此，单向电流源dc/dc变换电路在电性能上相当于一个电池，

控制模块controller4控制原理概述：由c1、l1、l2、q1、q2、rsc1、t1变压器原边组成电流源dc/dc变换器原边主电路；由d1、d2、c2、c3、t1变压器付边组成电流源dc/dc变换器付边倍压整流电路；c1是vs电压平滑滤波电容，l1、q1，l2、q2组成左右桥臂，rcs1是电流传感采样电阻，传感iin电流，本电路按平均电流方式控制。当iin电流通过rcs1在vbus-端转换为电压送逻辑控制电路logiccircuit，与内部iin设定值比较控制合适的占空比，驱动q1、q2交替开关，以恒定iin不变。控制波形如图5所示。根据公式(5)可知，iin恒定条件下，vs与d成反比关系，减小占空比d即可增大vs；假设当前电池组并接到直流母线vbus+，vbus-上，当前电池组电压小于母线直流电压，那么vs即为当前电池组电压与母线直流电压的差压，变换器的起始工作条件是100％占空比d工作，为电池组正常放电提供通路条件，此时iin增大，d减小，vs增大，迫使iin减小，实现稳定工作。drv1输出低电平时场效应管q1关断；q2保持导通，由于q1的关断使得l1的电流无法通过q1组成回路，此时的l1电流通过a-变压器原边-b-q2形成通路，a点的电压被变压器付边输出电压箝位。同时l1的电能向变压器付边释放，并完成磁芯复位。磁芯复位完成后，q1恢复开通；q1开通后，drv2输出低电平，使得q2关断，l2的电流无法通过q2组成回路，此时的l2电流通过b-变压器原边-a-q1形成通路，b点的电压被变压器付边输出电压箝位。同时l2的电能向变压器付边释放，并完成磁芯复位。

从上述分析可知，a点或b点电压平时是地电平，a点在q1断开时形成电压，b点在q2断开时形成电压。a点或b点的电压值时被箝位在1/2输出电压(假设变压器匝比为1)上，因此，对输入电压vs的高低无关，变压器计算制作非常方便，实际上a点或b点的电压是通过了l1或l2升压后提供给变压器原边的，所以vs在极大变化范围内，变换器均有很好的变换效果。vs从0v-10v变化时，iin的恒定度都很好。

控制模块controller4电路连接：电池组battery2正极接控制模块controller4内部变压器倍压整流输出端d2，c3正极并同时接到电池组单元直流母线端子vbus+。电池组battery2负极接控制模块controller4的vs端，同时接控制模块controller4内部c1正极、l1，l2一端、倍压整流输出端d1，c2负极；vs同时接控制模块controller4内部逻辑电路logiccircuit作电压采样信号。电池组单元直流母线端子vbus-接控制模块controller4内部rcs1的一端，rcs1的另一端接(q1、l1)//(q2、l2)与vs构成回路；变压器原边线圈分别接到a、b两点上；同时vbus-接控制模块controller4内部逻辑电路logiccircuit作电流采样信号。电池组单元batterypack外部仅vbus+、vbus-两母线端子。电池组单元batterypack的充电、负载放电直接接vbus+、vbus-两母线端子，多电池组单元batterypack并联也直接通过vbus+、vbus-两母线端子连接。

如图5所示，为控制逻辑pwm控制波形图。

实施例

设计的一款72v直流母线电池组控制模块：

vbus_max＝90vvbus直流母线最高电压

vs_max＝7.5vvs_max最大直流母线电压与本电池组压差

iin_nom＝6aiin_nom标称充电电流

iin_max＝20aiin_max电池组最大充电电流

γ＝0.2γ电感电流纹波率

f＝66khzf变换器开关频率

dmin＝0.55

ipp电感最大峰峰值电流

电感设计：

选用电感磁芯型号：ms90-125铁硅铝磁环

磁环参数：

le＝56.7mm

ae＝33.1mm²

ve＝1868mm³

al＝90nh/n²

计算磁环参数：

磁环电感量

磁环穿绕匝数

磁场强度

hoe＝h*4π*10^-3＝31.4oe

查ms90-125铁硅铝直流偏置曲线，31.40e处磁导率百分比为70％，重新计算修改电感量l＝30uh，n＝18，h＝400e，400e处磁导率百分比为55％，

ldc＝l*0.55＝16.5uh(符合)

电感线径计算：

按电流载流λ＝5a/mm²

选用线径为φ1.6mm的漆包铜线，绕18匝，测量电感为30uh。

变压器设计：

根据磁芯复位条件，

计算磁芯复位电压：

变压器原边最高电压：

vtp＝vlrst+vs_max＝17.05v

变压器匝比：

选用磁芯型号为pq3216铁氧体pc40磁芯

ae＝160mm²

bm＝0.15t

al＝6000nh/n²

计算变压器原边匝数：

取原边匝数6匝

计算变压器付边匝数：

取付边匝数16匝

变压器原边平均电流计算：

变压器付边平均电流计算：

itsavr＝itpavr*n＝1.66a

计算变压器原边电感量：

ltp＝al*np＝216uh

计算变压器原边励磁电流：(最高vs电压一定对应最小占空比d)

选用原边用线为0.1*100丝包线，付边用线0.1*50丝包线。

按此方案设计的一款72v直流母线电池组控制模块制作的20ah/72v电池组单元，在多电池组单元直接并联运行中取得了明显的效果，电池组单元在vs电压小于7.5v时，按6a限流给电池组充电，vs超过7.5v时电压不再增加电流不再受控，在达到最大充电电流20a后切断电池组，可靠的保护电池。

本发明适用于电池组并联扩容，母线电压即为电池组单元电压的应用的许多领域。