一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器及其控制方法，属于电力电子技术和蓄电池组能量均衡管理技术领域。
【背景技术】
[0002]随着环境污染和能源危机的加剧，以蓄电池为动力源或辅助能源的各种电动车的发展成为必然。下面以锂电池为例进行说明。单体锂离子电池的标称电压最高为3.6v，使用中需要多个单体电池串联。单体电池的过充电或过放电都将影响电池单体及电池组的使用寿命，甚至发生爆炸事故，因此在多个单体电池串联使用时，不允许任何单体电池出现过放电和过充电的状态。由于各个单体电池性能的差异，在使用过程中就会出现单体端电压或单体电池的荷电状态(SOC)的不一致，电池组的充电容量受组内荷电状态最高的单体电池的限制，而电池组的放电容量受组内荷电状态最低的单体电池的限制，随着电池组充放电循环次数的增加，电池组的充电容量和放电容量将逐渐减小，最终会提前报废。为了提高电池组的充放电容量及延长电池的使用寿命，必须对串联单体蓄电池采取积极有效的均衡措施。
[0003]目前，有多种电池组均衡方案，从能量转移时的能量消耗特性区分为能耗型均衡和非能耗型均衡两种。非能耗均衡方案以电容、电感或者反激式变压器作为储能元件，通过开关器件使能量在单体电池之间或单体电池与电池组之间进行转移。以电容为储能元件的均衡方案的实质是以两单体电池间的电压差实现能量均衡，而实际中两单体电池的电压差很小，考虑均衡回路中开关器件的管压降，因此能量很难转移，甚至不能转移。以电感或者反激式变压器作为储能元件的均衡方案，是以均衡电流的形式实现能量转移的，但目前存在的这两种均衡电路，均不能保证被均衡的单体电池的均衡电流的连续性，因此均衡效率普遍低，且反激式变压器的均衡方案，其对均衡电流的可控性差。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术，为解决非能耗均衡方案均衡效率低的问题，本发明提供了一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器及其控制方法。
[0005]本发明的技术方案是:一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器，包括用于选通被均衡的单体电池的双向桥臂开关矩阵电路和均衡主电路；其中双向桥臂开关矩阵电路由上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S构成；均衡主电路是双向Cuk电路，由电感L1、电感L2、电容C、电压源E、两个主控开关Ql和Q2构成；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率开关矩阵S均为由η对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂功率开关矩阵N的上层η个功率开关的上端均与电感LI的一端相连且其下层η个开关的下端的η条引出线分别接η个串联的单体电池的正极；下桥臂功率开关矩阵S的下层η个开关的上端的η条引出线分别接η个串联的单体电池的负极且其下层η个功率开关的下端均与主控开关Ql的一端、主控开关Q2的一端和电压源E的正极相连；主控开关Ql的另一端和电容C的一端同时与电感LI的另一端相连，主控开关Q2的另一端和电容C的另一端同时与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与电压源E的负极相连。
[0006]所述上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S、主控开关Ql和Q2均为逆导型功率开关器件(如有寄生反并联二极管的功率MOSFET开关)。
[0007]所述上桥臂功率开关矩阵N由η对反向串联的双层功率开关组Nil和Ni2组成，上层功率开关组Nil由功率开关Nil, - ,Nnl构成，下层功率开关组Ni2由功率开关N12,…，Nn2构成；所述下桥臂功率开关矩阵S由η对反向串联的双层功率开关组SI和S2组成，上层功率开关组Sil由功率开关S11，…，Snl构成，下层功率开关组Si2由功率开关S12，…，Sn2构成，η为电池组中单体电池的个数。
[0008]所述电压源E由电池组经DC/DC提供或者电池组以外的蓄电池组提供。
[0009]一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器的控制方法，
当η个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，电池组中具有最低荷电状态或最低端电压的第i个电池Celli被均衡电路充电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从均衡器向电池Celli转移；当11个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时，电池组中具有最高荷电状态或最高端电压的第j个电池Cellj被均衡电路放电，而同组中其它所有的单体电池均不受影响，均衡能量从电池Cellj向均衡器转移；
当η个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时:通过控制开关矩阵中对应的充电开关Nil和Sil导通，使该单体电池选通，然后对主控开关Q2进行PWM控制，均衡电路为典型的Cuk斩波电路，此时Celli处于Cuk电路的输出端，单体电池Celli被均衡充电，均衡充电电流连续、电流值可控；
当η个串联的单体电池组成的电池组处于充电状态时:通过控制开关矩阵中对应的放电开关Nj2和Sj2导通，使该单体电池选通，然后对主控开关Ql进行PWM控制，均衡电路为典型的Cuk斩波电路，此时Cellj处于Cuk电路的输入端，单体电池Cellj被均衡放电，均衡放电电流连续、电流值可控。
[0010]本发明的工作原理是:
本发明中以电感L1、L2和电容C为储能元件，均衡电路为典型的Cuk电路，通过开关的PWM控制使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。均衡电路中的功率开关均采用逆导型功率开关，基于典型的Cuk斩波电路工作原理，电池组放电时通过降低电池组中电压或SOC最低的单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量，电池组充电时通过降低电池组中电压或SOC最高的单体电池的充电电流来提高整个电池组的充电容量。在实际应用时，可以根据所用各单体电池的荷电状态不一致程度，通过调节占空比来调节均衡电流的大小。
[0011]本发明的有益效果是:拓扑电路原理简单，电池组充电时，被均衡的单体电池处于Cuk斩波电路的输入端，其放电均衡电流在PWM周期内连续；电池组放电或静置时，被均衡的单体电池处于Cuk斩波电路的输出端，其充电均衡电流在PWM周期内连续。均衡期间，除了被均衡的单体电池，同组中的其它单体电池均不受影响。均衡电流连续，且可控性强，均衡效率高。使用时，只需设定主控开关的PWM频率和合适的占空比，其被均衡的单体电池的相应开关通过开关矩阵使其处于导通状态即可，这样既降低了开关损耗又使功率开关器件的控制电路简单化。
【附图说明】
[0012]图1是本发明拓扑电路原理图；
图2是电池组充电时的均衡电路工作原理图；
图3是图2所示均衡过程的相关波形图；
图4是电池组放电时的均衡电路工作原理图；
图5是图4所示均衡过程的相关波形图。
【具体实施方式】
[0013]实施例1:如图1-5所示，一种基于Cuk斩波电路双向桥臂的串联蓄电池组双向能量均衡器，包括用于选通被均衡的单体电池的双向桥臂开关矩阵电路和均衡主电路；其中双向桥臂开关矩阵电路由上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S构成；均衡主电路是双向Cuk电路，由电感L1、电感L2、电容C、电压源E、两个主控开关Ql和Q2构成；其中上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率开关矩阵S均为由η对反向串联的功率开关组成的双层功率开关矩阵；上桥臂功率开关矩阵N的上层η个功率开关的上端均与电感LI的一端相连且其下层η个开关的下端的η条引出线分别接η个串联的单体电池的正极；下桥臂功率开关矩阵S的下层η个开关的上端的η条引出线分别接η个串联的单体电池的负极且其下层η个功率开关的下端均与主控开关Ql的一端、主控开关Q2的一端和电压源E的正极相连；主控开关Ql的另一端和电容C的一端同时与电感LI的另一端相连，主控开关Q2的另一端和电容C的另一端同时与电感L2的一端相连，电感L