基于LC谐振电路改进的Cell-to-Cell电池均衡电路及实现方法

本发明涉及串联锂离子电池组均衡技术领域，具体涉及一种基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路及实现方法。

背景技术：

锂电池因其能量密度高、低自放电率等特点广泛应用于众多储能领域。但是锂电池一般单体电压较低，需要大量锂电池进行串并联组合才能满足不同的应用场合。在生产制造过程中，锂电池无法保持内阻、容量等参数的一致性，从而在锂电池组循环充放电的应用中，单体电池电压出现不一致的情况，并随着充放电次数的增加而加重，使得某些电池单元过充或过放，这会对电池的寿命和可靠性造成影响。因此，对于锂电池组电压均衡方法的研究具有重大的实际意义。

现有技术1的中国发明专利(申请号cn201610068511.6)公开一种基于三谐振状态lc变换的adjacentcell-to-cell均衡电路及控制方法，通过利用三谐振状态lc变换模块实现相邻电池之间的能量均衡，实现了软开关，但由于只能实现相连电池单体之间的能量均衡，首末电池单体之间没有联系，均衡速度慢；

现有技术2的中国发明专利(申请号cn201410698450.2)公开一种基于lcl谐振变换的adjacent-cell-to-cell均衡电路及实现方法，虽然在能量转换过程中也实现了软开关，但是能量还是只能在相邻的电池之间传递，所以均衡速度仍较慢。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路及实现方法。本发明通过相邻的电池单体共用一个lc谐振模块，同时首末电池单体之间也共用一个lc谐振模块，微控制器向开关选择模块传送两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号控制其工作在模态a或模态b，实现能量在相邻的电池单体之间传递和首末电池单体之间传递，同时利用的lc谐振模块实现了零电流关断，减小了开关损耗，提高了均衡的速率。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路，所述电池均衡电路包括：串联电池组、两组开关选择模块、n个lc谐振模块、开关驱动电路、微控制器；

所述串联电池组由n个电池单体串联组成，依次命名为b1、b2、…bi、…bn，i＝1、2、…、n；

所述两组开关选择模块分别为a组开关选择模块和b组开关选择模块，a组开关选择模块由n个选通开关组成，分别为sa1、sa2、…sai、…、san，sai的两端分别与串联电池组中电池单体bi的正负极相连；b组开关选择模块由4个选通开关组成，分别为sb1、sb2、sb3、sb4，其中sb2、sb1分别和电池单体bn的正负极相连，sb4、sb3分别和电池单体b1的正负极相连；

其中，sa1、sa2、…sai、…、san分别由两个正向串联的n沟道mosfet组成；sb1、sb2、sb3、sb4分别由两个反向串联的n沟道mosfet组成；

所述lc谐振模块一共有n个，依次命名为(lc)1、(lc)2、…(lc)i、…、(lc)n，每个lc谐振模块由一个电感l和一个电容c组成，分别命名为l1、l2、…li、…、ln和c1、c2、…ci、…、cn；

lc谐振模块(lc)1、(lc)2、…(lc)p、…、(lc)n-1中的(lc)p的两端和a组开关选择模块中的sai＝p的中点和sai＝p+1中点相连，p＝1、2、…、n-1；lc谐振模块(lc)n的一端同时和sb4、sb2相连，然后分别连接到电池单体b1、bn的正极，lc谐振模块(lc)n的另一端同时和sb3、sb1相连，然后分别连接到电池单体b1、bn的负极；

所述微控制器输出两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号，经过开关驱动电路放大信号，控制a组开关选择模块和b组开关选择模块通断。

进一步地，所述a组开关选择模块中的sai的两端分别与串联电池组的各电池单体bi的正负极相连；所述b组开关选择模块由4个选通开关组成，分别为sb1、sb2、sb3、sb4，其中sb2、sb1分别和电池单体bn的正负极相连，sb4、sb3分别和电池单体b1的正负极相连。

进一步地，所述lc谐振模块中的(lc)p的两端和a组开关选择模块中的sai＝p的中点和sai＝p+1中点相连；所述lc谐振模块(lc)n的一端同时和sb4、sb2相连，然后分别连接到电池单体b1、bn的正极，lc谐振模块(lc)n的另一端同时和sb3、sb1相连，然后分别连接到电池单体b1、bn的负极。

进一步地，所述微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，产生两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号，经过开关驱动电路放大信号，控制a组开关选择模块和b组开关选择模块；

每个开关周期分为两个模态，当处于模态a时，a组开关选择模块的sa1、sa2、…sai、…、san中一侧的mosfet导通，b组开关选择模块的sb1和sb2中两个反向串联的mosfet都导通，lc谐振模块(lc)i和电池单体bi并联；当处于模态b时，a组开关选择模块的sa1、sa2、…sai、…、san中另一侧的mosfet导通，b组开关选择模块的sb3和sb4中两个反向串联的mosfet都导通，lc谐振模块(lc)n和电池单体b1并联，lc谐振模块(lc)p和电池单体bi＝p+1和lc谐振并联。

进一步地，a组开关选择模块和b组开关选择模块的开关信号的频率频率等于lc串联谐振电路谐振频率的整数倍时，实现零电流开关。

本发明在原有的基于lc谐振电路的cell-to-cell电池均衡电路基础上只增加了1个lc谐振模块和4个选通开关不仅实现了相邻电池之间能量传输，而且实现了串联电池组中的首末节电池单体之间的能量传输，在此基础上利用lc谐振模块的谐振实现了零电流开关，降低了开关损耗，同现有的均衡技术相比，在提升均衡速度的同时综合考虑了电路的体积。

本发明的另一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路的实现方法，所述实现方法包括以下步骤：

s1、电压采样电路采集串联电池组中所有电池单体的电压，并且将采集到的电压信息传输给微控制器；

s2、微控制器将采集到的电压信息进行处理，得到串联电池组的最大电池电压和最小电池电压，并判断两者之间的电压是否大于相应的均衡阈值电压，若大于均衡阈值电压，则开启均衡电路；

s3、微控制器产生两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号控制两组开关模块，实现能量在相邻电池单体以及首末电池单体之间流动；

s4、微控制器产生的pwm脉冲信号的频率为lc谐振电路谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本发明实现能量在相邻电池单体以及首末电池单体之间流动，在考虑电路体积的同时，增加了均衡速度；

(2)改变传统的电路利用电容或电感进行能量转移，本发明利用lc谐振模块的谐振实现了零电流开关，大大降低了开关损耗，有利于提高开关频率，减少电路体积；

(3)本发明公开的基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路中微控制器不需要考虑初始电压的分布情况，只需产生两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号，经过开关驱动电路放大信号，控制a组开关选择模块和b组开关选择模块，便可实现对串联电池组的均衡。

附图说明

图1是本发明中基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路的原理图；

图2是适用于4节串联电池单体的基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路图；

图3是适用于4节串联电池单体的基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路两个模态对应的导通图，其中，图3(a)是模态a对应的电路导通图，图3(b)是模态b对应的电路导通图；

图4是基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路充放电情况下电容c1的电流ic1和电压uc1的波形图；

图5是当电池单体单压分布为vb1>vb2>vb3>vb4时，利用本发明提出基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路在psim9.0仿真软件中仿真时得到的电池电压轨迹图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

图1是是本实施例中基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路，其中，图2是适用于4节串联电池单体的基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路图，包括：包括4节串联电池单体的串联电池组、两组开关选择模块、n个lc谐振模块、开关驱动电路、微控制器。

两组开关选择模块分别为a组开关选择模块和b组开关选择模块，a组开关选择模块中的sa1、sa2、sa3、sa4的两端分别与串联电池组的各电池单体b1、b2、b3、b4的正负极相连，b组开关选择模块中的sb2、sb1的一端分别和电池单体b4的正极和负极相连，sb4、sb3的一端分别和电池单体b1的正极和负极相连。

lc谐振模块(lc)1的两端分别和a组开关选择模块中的sa1的中点和sa2中点相连，lc谐振模块(lc)2的两端分别和a组开关选择模块中的sa2的中点和sa3中点相连，lc谐振模块(lc)3的两端分别和a组开关选择模块中的sa3的中点和sa4中点相连；lc谐振模块(lc)4的一端同时和sb4、sb2相连，然后分别连接到电池单体b1、b4的正极，lc谐振模块(lc)4的另一端同时和sb3、sb1相连，然后分别连接到电池单体b1、b4的负极。

微控制器输出两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号，经过开关驱动电路放大信号，控制a组开关选择模块和b组开关选择模块通断。

每个开关周期分为两个模态，图3(a)是模态a对应的电路导通图，当处于模态a时，a组开关选择模块的sa1、sa2、sa3、sa4中一侧的mosfet导通，b组开关选择模块sb1和sb2中两个反向串联的mosfet都导通，lc谐振模块(lc)1和电池单体b1并联，lc谐振模块(lc)2和电池单体b2并联，lc谐振模块(lc)3和电池单体b3并联，lc谐振模块(lc)4和电池单体b4并联；图3(b)是模态b对应的电路导通图，当处于模态b时，a组开关选择模块的sa1、sa2、sa3、sa4中另一侧的mosfet导通，b组开关选择模块sb3和sb4中两个反向串联的mosfet都导通，lc谐振模块(lc)4和电池单体b1并联，lc谐振模块(lc)1和电池单体b2并联，lc谐振模块(lc)2和电池单体b3并联，lc谐振模块(lc)3和电池单体b4并联。假设当串联电池组的电池单体电压分布为vb1>vb2>vb3>vb4时，电压采样电路将采集到的电池单体的最大电压和电池单体的最小电压送入微控制器，微控制器判断它们之间的差值若大于均衡阈值则进入均衡状态，微控制器控制产生两组互补、固定频率、固定占空比的pwm脉冲信号控制a组开关选择模块和b组开关选择模块的开关的通断，在模态a和模态b之间切换，从而实现串联电池组之间的均衡，同时将开关频率设置成lc谐振频率的整数倍，从而实现零电流开关，图4所示时在均衡过程中电容c1的电流ic1和电压uc1的波形图，其他的lc谐振模块也是一样的，由图可知，在开关切换的时候，lc谐振电路的电流为零，实现了零电流开关，图5所示是利用本发明提出基于lc谐振电路改进的cell-to-cell电池均衡电路在psim9.0仿真软件中仿真时得到的电池电压轨迹图，仿真结果验证了本发明的有效性，快速性和高效率性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。