基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法。
【背景技术】
[0002]能源、环境和资源是人类赖以生存和发展的基本条件，但当今世界石油资源日趋枯竭、生态环境严重恶化已成不争事实，严重制约经济社会可持续发展，是世界各国必须面对的严峻问题。锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、性价比高和单体电压高等突出优点，在解决能源环境危机中起着不可替代的作用。在实际应用中，锂离子电池的使用往往采用串并联组合的形式，但由于制作工艺和材料使用的不一致，使得电池初始性能参数(如内阻、容量等)存在差异，这些差异在电池使用过程中形成累积并放大，将严重减小电池的可用容量和循环寿命。因此，电池均衡技术显得格外重要。
[0003]电池均衡方法主要分为三类:电池选择，被动均衡和主动均衡方法。
[0004]电池选择即选择电化学特性相似的电池组成电池包，这样各电池单体的不一致性问题将得到解决。电池的筛选分两步进行，首先通过不同电流放电得到容量相似的电池单体；然后对获得的电池单体进行脉冲电流充放电实验，挑选出在不同S0C处电压变化量相似的电池。由于在电池的生命周期中电池单体的自放电率各不相同，所以该方法并不能实现串联电池组的均衡问题。
[0005]被动均衡方法事先预设充电电压的“上限阈值电压”，任何一只单体电池只要在充电时最先达到“上限阈值电压”并检测出与相邻组内电池差异时，即对组内单体电压最高的那只电池，通过并联在单体电池的能耗电阻进行放电电流，以此类推，一直到电压最低的那只单体电池到达“上限阈值电压”为一个平衡周期。其目的就是通过放电均衡的办法让电池组内的电池电压趋于一致。被动方法虽然电路结构简单，但存在能量浪费和热管理的问题。
[0006]主动均衡方法使用外部电路主动地转移电池之间的能量，主要原理是将高电压电池的一部分电量通过转换装置回送到电池组或直接转送到低电压电池中，用到的储能元件主要为电容或电抗器，通过电容或电抗器的反复充放电实现电池组内各电池电压的平衡。这种电路的能量损耗很小，但是达到均衡必须有多次传输，所以速度较慢，不适于串联较多的电池组。根据能量流，主动均衡能够分为以下五种:(l)Cell to Cell;⑵Cell to Pack ；
(3)Pack to Cell ； (4)Pack to Cell to Pack ； (5) Any Cells to Any Cells。对于Cell toCell的均衡方法，能量能够直接从电压最高的电池单体转移到电压最低的电池单体，具有较高的均衡效率，并且适用于高电压应用，但是由于电池单体之间的电压差较小再加之电力电子器件存在导通压降，这种方法的均衡电流很小，因此该方法不适合于大容量的动力电池。对于Cell to Pack的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL 201420815315.7)，能量从电压较低的电池单体转移到电压较高的电池组，均衡电流和效率都较低，不适用于大容量的动力电池。对于Any Cells to Any Cells的均衡方法，如中国实用新型(专利号ZL201420265656.1)提出了一种基于开关矩阵和LC谐振变换的Any Cells to Any Cells均衡电路，其均衡能量能够从任意电池单体组合传递到任意电池单体组合，均衡效率很高，但是需要大量的切换开关，导致电路体积庞大，且均衡控制也非常复杂。而对于Pack to Cell的均衡方法，每一次均衡都是通过电池组对电压最低的电池单体进行能量补给，能够实现较大的均衡电流，适合于大容量的动力电池。中国实用新型(专利号ZL 201420264864.X)提出一种基于LC谐振变换的Pack to Cell均衡电路，该均衡电路通过使用一个LC谐振变换，实现了能量从电池组到电压最低的电池单体的零电流开关传递，减少了能量浪费，提高了均衡效率。但是，该均衡电路的主要问题是:当电池组对电压最低的电池单体充电均衡时，也会同时对该电池单体放电，其均衡净电流较小，也造成了不必要的能量浪费。
[0007]传统均衡电路不适合锂离子动力电池的主要原因如下:
[0008](1)锂离子电池的开路电压在S0C为30%-70%之间时较为平坦，即使S0C相差很大，其对应的电压差也很小，此外由于电力电子器件存在导通压降，使得均衡电流很小，甚至可能导致电力电子器件不能正常导通；
[0009](2)由于电力电子器件存在导通压降，电池单体间很难实现零电压差均衡。
[0010](3)传统的均衡电路要么需要很多开关进行切换，要么需要很多电抗器、电容和变压器等储能器件，导致均衡电路体积庞大，控制复杂，实用性很差。
【发明内容】
[0011]本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多相交错变换器的电池均衡电路及其控制方法，该发明通过控制半桥电路的M0S管，可实现任意电池单体对任意电池单体(AnyCells to Any Cells)的均衡。本发明具有均衡效率高、控制简单、电路体积小和易于模块化等优点，并且克服了传统Cell to Cell型均衡电路均衡电流小，且难以实现零电压差均衡的难题。
[0012]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0013]—种基于多相交错变换器的电池均衡电路，包括控制器、若干个半桥电路、若干个电抗器和若干个电池单体，其中:
[0014]所有电池单体依次串联，组成电池组，所述半桥电路均并联在电池组两端，每个半桥电路的中点依次通过电抗器连接一个电池单体的负极；
[0015]所述半桥电路包括带有反相二极管的串联的上桥臂M0S管和下桥臂M0S管，上桥臂M0S管的漏极与下桥臂M0S管的源极相连，控制器采集每个电池单体的电压，计算电池组平均电压，根据上、下侧电池单体平均电压与电池组平均电压的大小，控制半桥电路的开、断。
[0016]所述控制器包括模数转换模块和脉冲宽度调制PWM信号输出端，其中，所述模数转换模块，通过电压检测电路与每个电池单体连接，将电池单体的电压信号转换成数字信号，获取每个电池单体的电压；
[0017]所述脉冲宽度调制PWM信号输出端通过驱动电路连接半桥电路，用于产生半桥电路中M0S管开关的控制驱动信号；
[0018]所述半桥电路有三个端，上端即上桥臂M0S管的源极，中端即上桥臂M0S管与下桥臂M0S管相连端，与电池单体的负极相连，下端即下桥臂M0S管的漏极。
[0019]所述电池组的每两个相邻串联电池单体之间连接一个电抗器的一端，电抗器的另一端与所述半桥电路的中端连接，所述半桥电路的上端连接电池组的正极，下端连接电池组的负极。
[0020]所述半桥电路在PWM信号驱动下，当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，所述控制器给下桥臂M0S管发送PWM信号，同时给上桥臂M0S管发送低电平，令其保持关断；当电抗器上侧电池单体平均电压高于电池组平均电压时，所述控制器给上桥臂M0S管发送PWM信号，同时给下桥臂M0S管发送低电平，令其保持关断。
[0021]所述控制器给下桥臂M0S管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，下桥臂M0S管导通，电抗器下侧电池单体给电抗器充电；iPWM信号是低电平时，下桥臂M0S管断开，电抗器通过上桥臂M0S管的续流二极管给电抗器上侧电池单体充电。这样就实现了能量从电抗器下侧电池单体到电抗器上侧电池单体的转移。
[0022]所述控制器给上桥臂M0S管发送PWM信号，当PWM信号是高电平时，上桥臂M0S管导通，电抗器上侧电池单体给电抗器充电；iPWM信号是低电平时，上桥臂M0S管断开，电抗器通过下桥臂M0S管的续流二极管给电抗器下侧电池单体充电。这样就实现了能量从电抗器上侧电池单体到电抗器下侧电池单体的转移。
[0023]一种应用上述基于多相交错变换器的电池均衡电路控制方法，包括以下步骤:
[0024](1)控制器借助模数转换模块，获取各个电池单体电压和电池组总电压，并计算每个电抗器上侧电池单体平均电压与电池组平均电压；
[0025](2)控制器将获取的各电抗器上侧电池平均电压分别与电池组平均电压比较，当其差值大于电池均衡所设定的阈值时，则启动电池单体对应的半桥电路；
[0026](3)当电抗器上侧电池单体平均电压低于电池组平均电压时，控制器给所述半桥电路的下桥臂M0S管发送PW