一种电池组的两级双向主动均衡电路及其控制方法

技术领域

本发明属于电池均衡领域，具体涉及一种电池组的两级双向主动均衡电路及其控制方法。

背景技术

电化学储能在微电网、新能源发电、电动汽车、工业生产等领域应用广泛。然而常用的电池电压普遍较低，在使用时需要串联成组，受电池加工生产工艺影响，各电池单体之间存在不一致性，在使用过程中，又因为电池单体工作环境不同，进一步放大了其不一致性。造成电池组实际容量往往取决于最差的单体的表现，大大降低了电池组容量。频繁的过充过放还会使电池寿命下降，并带来其他种种问题。因而需要实现电池的均衡、SoC估算与校准及浅充浅放等功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池组的两级双向主动均衡电路及其控制方法。本发明通过对电池能量转移的控制实现电池主动均衡、浅充浅放、SoC校准功能，降低电池组不一致性，防止过充过放，提升电池组的循环容量与使用寿命。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电池组的两级双向主动均衡电路，包括：

电池单体采样与均衡电路，使用双向反激变换电路实现电池单体与电池组间的能量相互转移，并能采集电池电压；

电池组间均衡电路，使用双半桥DC-DC电路实现电池组与电池组间的能量转移。

本发明进一步的改进在于，电池单体采样与均衡电路包括：

组内能量转移模块，由一组以上双向反激变换电路组成，每组所述双向反激变换电路由高频变压器、MOSFET、RCD钳位电路及输出电容组成，高频变压器一次侧经串联MOSFET与并联RCD钳位电路与电池组相连、二次侧经串联MOSFET与并联输出电容与电池单体相连；

电池电压采集模块，与电池组的每一节电池单体连接，用于测量每节电池单体的电压；均衡控制模块，与MOSFET连接并产生控制其开关状态的信号。

本发明进一步的改进在于，电池组间均衡电路包括：

组间能量转移模块，由一组以上双半桥DC-DC电路组成，每组所述双半桥DC-DC电路由变压器、MOSFET、钳位电容与储能电感组成，电池组经钳位电容、半桥MOSFET、储能电感与变压器一次侧串联，电池模组经半桥MOSFET、钳位电容与变压器二次侧串联；

均衡控制模块，与所述MOSFET连接并产生控制其开关状态的信号。

本发明进一步的改进在于，电池组中电池单体为磷酸铁锂电池或液态金属电池。

一种电池组的均衡控制方法，该方法基于所述的一种电池组的两级双向主动均衡电路，包括：

产生并发出控制信号对两级双向主动均衡电路进行控制，控制电池与电池组间的能量转移，实现电池均衡、浅充浅放和SoC校准功能；

根据电池的工作电压、电流与均衡状态，采用滤波算法估算电池当前SoC，并通过所述两级均衡控制算法主动充电或放电至非电压平台期，实现电池的SoC校准。

本发明进一步的改进在于，使用电池SoC估算值、电池工作电流、电池电压、均衡电路均衡状态、设定电池均衡目标中一个或以上作为均衡判断依据，使用模糊控制算法产生对所述两级双向主动均衡电路的控制信号，控制均衡电路实现能量在电池间或电池组间转移。

本发明进一步的改进在于，包含三种控制模式：

均衡模式，通过所述均衡判断依据控制所述两级双向主动均衡电路转移能量，实现电池组内电池单体SoC极差降低，实现电池均衡；

浅充浅放模式，通过设置待操作电池均衡目标，实现对电池的浅充浅放；

SoC校准模式，通过设置电池均衡目标，使电池单体充电或放电至电压非平台期，从而实现电池SoC校准。

本发明进一步的改进在于，通过SoC校准模式将单体电池充电或放电至非平台期，在固定的充电倍率下以电池电压为依据得到对应的电池SoC值，实现SoC校准。

本发明进一步的改进在于，根据所述两级双向主动均衡电路的均衡状态与电池工作电流、电压，将电池的电压与电流基于滤波算法计算，得出电池SoC的估算值。

本发明进一步的改进在于，滤波算法使用卡尔曼滤波算法、EKF算法或UKF算法。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

1、本发明中两级双向主动均衡电路实现电池间的能量转移，能够实现双向的能量转移，可拓展性好，能量转移的速度与效率高。

2、本发明中的两级均衡控制算法能实现电池均衡的同时，具有浅充浅放、SoC校准等功能，能有效防止电池组过充过放，实现电池SoC校准，提升电池组使用寿命。

3、本发明中SoC估算与校准算法基于滤波算法，进行电池SoC估计时，计算速度快，易于收敛，结果误差小。

附图说明

图1为本发明实施方式中双向反激变换电路的电路示意图。

图2为本发明实施方式中双半桥DC-DC电路的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明提供的一种电池组的两级双向主动均衡电路，包括：

电池单体采样与均衡电路，使用双向反激变换电路实现电池单体与电池组间的能量相互转移，并能采集电池电压；

电池组间均衡电路，使用双半桥DC-DC电路实现电池组与电池组间的能量转移。

两级双向主动均衡电路包括：电池单体采样与均衡电路，使用双向反激变换电路实现电池单体与电池组间的能量相互转移，并能采集电池电压；电池组间均衡电路，使用双半桥DC-DC电路实现电池组与电池组间的能量转移；

电池单体采样与均衡电路包括：组内能量转移模块，由一组以上双向反激变换电路组成，双向反激变换电路，如图1所示，由高频变压器T1、MOSFET、RCD钳位电路及输出电容C组成，高频变压器T1一次侧经串联MOSFET M1与并联RCD钳位电路与电池组相连、二次侧经串联MOSFET M2与并联输出电容C与电池单体相连；电池电压采集模块，使用LTC6806芯片，与电池组的每一节电池单体连接，用于测量每节电池单体的电压；均衡控制模块，由ARM主控芯片依据算法逻辑，与可编程逻辑器件CPLD通信生成PWM信号，连接至驱动芯片UCC21220并与MOSFET M1、M2连接，控制MOSFET开断；

电池组间均衡电路包括：组间能量转移模块，由一组以上双半桥DC-DC电路组成，双半桥DC-DC电路，如图2所示，由变压器T1、MOSFET M1～M4、钳位电容C1～C4与辅助电感Lr组成，电池组经钳位电容C1、C2、半桥MOSFET M1、M2、储能电感Lr与变压器T1一次侧串联，电池模组经半桥MOSFET M3、M4、钳位电容C3、C4与变压器T1二次侧串联；均衡控制模块，与电池单体采样与均衡电路采用相同控制方式产生PWM信号，控制MOSFET M1～M4。

本发明提供的一种电池组的均衡控制方法，该方法产生并发出控制信号对两级双向主动均衡电路进行控制，控制电池与电池组间的能量转移，实现电池均衡、浅充浅放和SoC校准功能。

使用电池SoC估算值、电池工作电流、电池电压、均衡电路均衡状态、设定电池均衡目标作为均衡判断依据，将其作为模糊控制均衡算法的输入变量，并将能控制均衡电路的均衡电路一二次侧PWM信号占空比作为输出变量，根据均衡电路特点分析设置模糊规则，即可构建液态金属电池均衡模糊控制算法。使用模糊控制算法产生对两级双向主动均衡电路的控制信号。控制均衡电路实现能量在电池间或电池组间转移。

该方法包含三种控制模式：均衡模式，通过均衡判断依据控制两级双向主动均衡电路转移能量，设定电池均衡目标为电池组平均SoC，即可实现电池组内电池单体SoC极差降低，实现电池均衡；浅充浅放模式，通过设置待操作电池均衡目标为当前电池容量的20％～80％，可实现对电池的浅充浅放；SoC校准模式，通过设置特定电池均衡目标至其电压非平台期，即可使电池单体充电或放电至电压非平台期，从而实现电池SoC校准。

根据电池的工作电压、电流与均衡状态，采用滤波算法估算电池当前SoC，并通过两级均衡控制算法主动充电或放电至非电压平台期，实现电池的SoC校准。

SoC估算与校准算法，其包括：SoC估算算法，根据两级双向主动均衡电路的均衡状态与电池工作电流、电压，将电池的电压与电流基于滤波算法计算，得出电池SoC的估算值。本实施例使用无迹卡尔曼滤波算法，将电池的SoC估算值与电压测量值作为状态方程，电池电压关于工作电流的关系加上测量噪音作为观测方程，以系统状态变量的量测更新值为中心构造2L+1个Sigma点，电池SoC初始值取0.9，电池极化电压初始值取0V，计算卡尔曼增益并进行协方差矩阵更新迭代，即可得出当前电池SoC的估算值。SoC校准算法，通过两级均衡控制算法的SoC校准模式将单体电池充电或放电至非平台期，本实施例选用SoC为0.1与0.9时，在0.1C充电倍率下充放电，按OCV-SOC校准方法，以测量的电池电压为依据，查表得到对应的电池SoC值，即可实现SoC校准。

本实施例使用电池组中电池单体为液态金属电池。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。