基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种基于串联电池组的分层式均衡电路系统及混合控制方法，属于 电池储能系统技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着电动汽车、混合动力汽车以及新能源发电储能系统的快速发展，电池 在其中的重要性越加突显。由于电池单体电压有限，串联电池组得到了广泛应用，以满足上 述系统的电压等级要求。然而，由于生产条件、工作环境、老化速度以及内部化学特性等因 素的不同，串联电池组中各单体之间会存在容量的不均衡，严重影响了电池组的能量利用 率、电池寿命和系统安全。因此，在串联电池组中加入均衡机构，保证各电池单体容量一致 具有重要意义。
[0003] 相比于使用电阻、线性半导体器件将不均衡能量以热能形式消耗的被动均衡方 式，使用开关器件和电感、电容等无源元件的主动均衡方式具有均衡速度快、能量损耗少、 热量产生低等优势，因此得到了更多关注。图1(a)为传统相邻单体-单体(Cell to Cell， C2C)均衡架构，由于相邻均衡电路互相影响，均衡控制复杂，能量损耗也相应增大。图1(b) 为传统单体-电池包(Cell to Pack，C2P)均衡架构，不同的均衡电路可以独立工作。但是当 某个电池单体需要放电均衡时，部分能量会通过电池包流回该电池，从而等效为一个重复 放电 -充电过程。该现象不仅导致能量损失，更对电池健康状态(State of Health,S0H)产 生不利影响，缩短电池使用寿命。因此，上述两种传统均衡架构各有缺陷，无法使均衡系统 效果达到最优。
[0004] 从均衡控制方法角度来看，现有的方案主要基于SOC或电池电压进行控制。然而无 论基于SOC还是电池电压，均衡系统都必须在两者产生一定不均衡偏差之后进行相应均衡 操作。换言之，当均衡电路开始工作时，电池不均衡现象已经产生，意味着此时电池的健康 状态已经受到损害，若在电池放电/充电到所允许的容量阈值前不能完成均衡，则导致系统 可利用的能量减少。为了在尽可能短的时间内消除不均衡现象，均衡电路不得不承受较高 的电流应力，从而增加了电路的损耗和成本。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术中的缺陷和不足，提出了一种分层式均衡电路系统，其适用 于串联电池组系统。该系统可以实现电池包之间控制解耦，避免电池包反复充放电问题，从 而降低系统能量损耗，提升电池健康状态，同时具有结构简单、模块化程度高等优点。
[0006] 本发明另一目的是提供一种混合控制方法，该方法针对电池在静置和充放电时的 不同特点，在静置时保证各电池单体SOC-致，在充放电时预测电池不均衡趋势并提前进行 均衡控制，对不均衡现象防患于未然，使各电池单体SOC变化率一致，最终保证电池始终处 于均衡状态，延长其使用时间和寿命。
[0007] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
[0008] 一种分层式均衡电路系统，用于对串联电池组的控制，串联电池组的η个电池单体 被分为m个电池包，每个电池包内有ρ个电池单体(p = n/m，如有余数则四舍五入取整数）。系 统包括一个主BMS单元、若干个顶层均衡电路和若干个底层均衡电路，m个电池包配置有m个 顶层均衡电路，每个电池包并联一个顶层均衡电路，每个顶层均衡电路连接多绕组变压器 的一个绕组，各顶层均衡电路之间通过多绕组变压器进行耦合；
[0009] 底层均衡电路采用C2C架构，η个电池单体共配置有n-1个底层均衡电路，各均衡电 路独立工作，每两个相邻电池单体由一个底层均衡电路进行均衡，底层均衡电路的输入输 出端分别与两节相邻电池单体相连；
[0010] 顶层均衡电路和底层均衡电路分别与主BMS单元连接，各电池包内的电池单体分 别与主BMS单元连接。
[0011] 本发明的进一步设计在于：
[0012]系统还包括一个或多个从BMS单元，从BMS单元与各电池包内的电池单体连接及底 层均衡电路连接，主BMS单元与从BMS单元连接。
[0013] m个电池包优选设有m个从BMS单元，每个从BMS单元控制一个电池包，与该电池包 内的每个电池单体连接，并与该电池包内各底层均衡电路连接。
[0014] 顶层均衡电路采用移相半桥拓扑：由第一开关管Q1^和第二开关管Q1J^i = I, 2，···，m)串联构成一个桥臂，（两个开关管各50%占空比互补导通）；由第一谐振电容Cij与 第二谐振电容Ci_2串联构成另一个桥臂;第一开关管Qi_i漏极与第一谐振电容Ci_i 一端相连， 第二开关管Q12漏极与第二谐振电容Cu-端相连，电感Ly为变压器漏感，与多绕组变压器 一个绕组串联连接在所述两个桥臂中点；（多绕组变压器各绕组通过磁芯实现各绕组耦合。 当任意两个电池包之间需要传递能量时，以第1个和第m个为例，主BMS发出PWM信号，使Q 1J 和之间呈一定移相角导通，根据移相角的不同则电流流向及大小相应变化，从而对两电 池包之间的均衡电流进行控制。
[0015] 底层均衡电路采用双向Buck Boost、开关电容、双向Cuk及其它在C2C架构中常用 的变换器拓扑。
[0016] 主、从BMS单元分别使用ST公司的STM32F407和STM32F104系列的ARM控制芯片；底 层均衡电路控制器采用PWM模拟控制芯片(如TI公司UCC35705)。
[0017] 各电池包内的从BMS单元通过信号线与该电池包内的各电池单体以及底层均衡电 路相连，主BMS单元通过信号线与顶层均衡电路相连。从BMS单元与主BMS单元通过CAN总线 相连。
[0018] (从BMS单元检测电池包内各电池单体的工作状态（电压、电流、温度)并实时估算 电池容量、SOC、SOC变化率、电流接受率，将以上信息通过CAN总线发送至主BMS单元。主BMS 单元计算系统内所有均衡电路所需的工作电流，通过信号线直接控制顶层均衡电路工作， 并将底层均衡电路的电流基准通过CAN总线发送至各从BMS单元，各从BMS单元通过信号线 控制底层均衡电路工作。
[0019] 主BMS单元通过信号线采集顶层均衡电路的实际工作电流，并计算顶层均衡电路 所需要的工作电流，直接输出PWM信号控制顶层均衡电路工作。
[0020] 每个底层均衡电路均由独立的从BMS进行控制，从BMS单元通过CAN总线接收主BMS 单元发送的各底层均衡电路所需电流基准，并通过信号线将电流基准信息发送至PWM芯 片。)
[0021] 分层式均衡电路系统对电池组的混合均衡控制方法，该方法包含如下步骤：
[0022] 步骤a)各从BMS单元控制电池包的底层均衡电路，通过传感器实时采样各电池包 内每节电池的电压、电流和温度信号，实时估算出每节电池的容量、SOC、SOC变化率和电流 接受率，并将信息通过CAN总线传输至主BMS;
[0023] 步骤b)根据步骤a)中采样的电流信号判断电池是否处在充放电过程中；
[0024] 1)若电池在充放电过程中，则主BMS单元计算所有电池单体的SOC变化率平均值， 并以该平均值作为基准以控制均衡电路，通过计算各均衡电路所需的工作电流基准，使电 池在充放电过程中SOC变化率一致；
[0025] 对顶层均衡电路，计算方法为：
[0026]
(1)
[0027] 其中m为电池包总数;Icl(t)为顶层均衡电路第i个绕组所需的工作电流基准(0〈i <m);dS0C(t)/dt为要达到的SOC变化率，即所有电池 SOC变化率的平均值；I〇(t)为充放电 电流。I为表征第i个电池包电池特性的系数，表示为：
[0028]
φ
[0029] 其中Ci」，Cti j分别是该电池包内第j节电池的容量和电流接受率，可由安时积分、 开路电压、卡尔曼滤波等方法进行测量计算;P为该电池包内电池单体数量。
[0030] 对底层均衡电路，计算方法为：
[0031]
(3)
[0032] 其中η为串联电池组电池总数;IdU)为第i个底层均衡电路所需的工作电流基准 (0〈i ^nhKi = CiAti为表征第i节电池电池特性的系数，其中CiWi分别是第i节电池的容量