一种机载电池组双向能量均衡控制系统与方法

1.本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种机载电池组双向能量均衡控制系统与方法。


背景技术：

2.随着全球航空业碳排放量正在以4.3％的速度增长，且全球约2％的碳排放量由航空业产生。为实现航空业节能、减排、降噪，混动飞机或纯电飞机将是未来发展趋势。另外对于国内而言，发动机技术仍是一大难题，可以考虑使用电池技术，通过电力为飞机补充推力，降低对发动机推力需求。由于飞机用电需求量大，所需电池数量多，对均衡时间与能量利用率的要求也更高。
3.目前，被动均衡由于均衡效率低，能量利用率低等问题，使得主动均衡逐渐成为研究热点。主动均衡方案多以单一能量传递路径为主，同一时间段内只有一对电池均衡，导致电池组整体均衡时间过长；多层主动均衡方案多以单体与组间分层均衡为主，且存在多层单体间能量转移控制能力差等问题。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种机载电池组双向能量均衡控制系统与方法，提高均衡效率，降低控制难度。
5.为实现上述目的，本技术一方面提供一种机载电池组双向能量均衡控制系统，包括电池模组、模拟前端采样模块、主控制器、多层均衡电路、功率开关管驱动电路；
6.所述模拟前端采样模块用于采集电池电压、均衡电流、电池组温度；所述主控制器用于计算单体电池的soc值，所述功率开关管驱动电路用于提升控制器的驱动能力，所述多层均衡电路根据驱动信号控制功率开关管的开断。
7.进一步地，所述电池模组包括2n个依次串联的电池b1-b2n，均衡层数为n层，其中n为大于1的整数。
8.进一步地，所述多层均衡电路包括2n+2
n-1
+
……
21个电感和功率开关管、2
n-1
+2
n-2
+
……
21个电容和电阻，其中所述功率开关管包括p型功率开关管和n型功率开关管。
9.对应第n层均衡电路包括2n个电感和功率开关管、2
n-1
个电容和电阻；其中电感l1的一端接第一节电池(b1)的正极，另一端连接n型功率开关管(q1)的漏极；电感l2的一端接第二节电池(b2)的负极，另一端连接p型功率开关管(q2)的漏极；功率开关管q1与q2的源极相连并接到第一节电池(b1)的负极与第二节电池(b2)的正极；第一电容(c1)一端与第一电阻(r1)相连，另一端接p型功率开关管(q2)的漏极；第一电阻(r1)的另一端接n型功率开关管(q1)的漏极；以此类推，电感l2
n-1的一端接电池(b2
n-1)的正极，另一端连接n型功率开关管(q2
n-1)的漏极；电感l2n的一端接电池(b2n)的负极，另一端连接p型功率开关管(q2n)的漏极；功率开关管q2
n-1与q2n的源极相连并接到电池(b2
n-1)的负极与电池(b2n)的正极；电容(c2
n-1
)一端与电阻(r2
n-1
)相连，另一端接p型功率开关管(q2n)的漏极；电阻(r2
n-1
)的另
一端接n型功率开关管(q2
n-1)的漏极。
10.为实现上述目的，本技术另一方面还提供一种机载电池组双向能量均衡控制方法，应用上述的机载电池组双向能量均衡控制系统，其特征在于，包括以下步骤：
11.构建均衡电路二叉树模型；然后并行执行步骤101和步骤102；
12.步骤101：根据所述均衡电路二叉树模型，判断soc值最大电池到soc值最小电池间经过最少根节点路径；
13.步骤102：根据二叉树模型，计算各层根节点下分布单体电池的soc和能量传递方向；
14.根据所述步骤101和所述步骤102中的最少根节点路径和各层根节点下单体电池soc和能量传递方向，主控制器发送驱动信号。
15.进一步地，所述构建均衡电路二叉树模型包括以下步骤：
16.根据电池总数2n构建n层二叉树模型，第一层有1个根节点，第二层有2个根节点，第三层有22个根节点，以此类推，第n层有2
n-1
个根节点；其中，每一个根节点对应均衡电路中一对p型功率开关管与n型功率开关管。
17.进一步地，所述步骤101包括以下步骤：
18.根据各电池soc值得出soc最高的电池序号为i，soc最低的电池序号为j，在二叉树模型中，搜寻序号为i的根节点到序号为j的根节点间最短路径，记录最短路径中包括的各根节点序号。
19.进一步地，所述步骤102包括以下步骤：
20.第一层二叉树根节点包含两个分支，每一分支分布对应电池组soc和为：电池(b1)soc+(b2)soc+
……
(b2
n-1
)soc与电池(b2
n-1
+1)soc+(b2
n-1
+2)+
……
+(b2
n-1)soc+(b2n)soc；第二层包含两个根节点，第一根节点包含两个分支，分别对应电池组soc和为：电池(b1)soc+(b2)soc+
……
(b2
n-2
)soc与电池(b2
n-2
+1)soc+(b2
n-2
+2)+
……
+(b2
n-1-1)soc+(b2
n-1
)soc，第二根节点包含两个分支，分别对应电池组soc和为：电池(b2
n-1
+1)soc+(b2
n-1
+2)+
……
+(b2
n-1
+2
n-2
)soc与电池(b2
n-1
+2
n-2
+1)soc+(b2
n-1
+2
n-2
+2)+
……
+(b2n)soc；以此类推，第n层第2
n-1
根节点分别对应单体电池soc为：电池(b2
n-1)soc与电池(b2n)soc。
21.通过比较各根节点两个分支对应的单体电池soc值之和大小，判断能量传递方向。
22.进一步地，主控制器发送驱动信号包括如下步骤：
23.若均衡电路中各功率开关管对应二叉树模型中的根节点，与最短路径中包括的各根节点序号相同，则对上述功率开关管输出的pwm驱动信号具有高优先级的占空比；
24.其余功率开关管的pwm驱动信号具有低优先级的占空比；
25.若各根节点两个分支对应的单体电池soc值之和大小不满足第一分支下单体电池soc值之和大于第二分支下单体电池soc值之和，则该节点对应的功率开关管驱动信号反向；
26.若单体电池soc值标准差小于设定阈值，均衡结束。
27.由上可见，本技术提供的技术方案具有如下有益效果：
28.与现有的单通道主动均衡方案相比，本发明的技术方案中电池模组内所有单体电池可同时均衡，极大提高均衡效率；与现有cuk变换器均衡方案相比，本发明方案采用p型功率开关管与n型功率开关管串联使用的方式，二者栅极使用同一驱动信号，减少一半驱动信
号输出口，降低控制难度；与现有cuk变换器均衡方案相比，本发明对电容串联电阻，只完成极小部分耗散均衡，抑制电流，避免开启均衡时造成的电流激增导致的电路损坏；本发明方案提出针对多层均衡电路的二叉树模型，根据叶节点间经过最短根节点路径原则，映射到单体电池间经过最少功率开关管进行能量传递，动态控制各功率开关管pwm驱动信号占空比，使能量集中在soc差值较大的电池间传递，大大缩短均衡时间，进一步提升均衡效率。
附图说明
29.图1是本技术实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统整体框图；
30.图2是本技术实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统的多层均衡电路示意图；
31.图3是本技术实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统的双向cuk均衡电路能量传递方向示意图；
32.图4是本技术实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统中多层均衡电路二叉树模型示意图；
33.图5是本技术实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统中对照二叉树模型的3层均衡电路能量传递路径示意图。
具体实施方式
34.下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
35.如图1所示，本实施例中的机载电池组双向能量均衡控制系统，包括电池模组、模拟前端采样模块、主控制器、多层均衡电路、功率开关管驱动电路。模拟前端采样模块用于采集电池电压、均衡电流、电池组温度；主控制器用于计算单体电池的soc值，根据均衡控制策略发送驱动信号，功率开关管驱动电路用于提升控制器的驱动能力，多层均衡电路根据驱动信号控制功率开关管的开断实现单体电池间能量传输。
36.主控制器根据采样获取到的单体电池电压、电流、温度，结合内置不同充电次数的电池电压-soc曲线，通过当前单体电池充电次数与电压可以逐一推断出对应电池的初始soc值，再通过安时积分法推断出均衡过程中所对应的单体电池soc值。
37.如图2所示，电池总数为2n节；多层均衡电路有n层；每一层均衡电路包含2
n-1
个双向cuk均衡电路；每一个双向cuk均衡电路由2个电感、一个p型功率开关管、一个n型功率开关管、一个电阻与一个电容组成。对应第n层均衡电路由2n个电感和功率开关管、2
n-1
个电容和电阻构成；其中电感l1的一端接第一节电池(b1)的正极，另一端连接n型功率开关管(q1)的漏极；电感l2的一端接第二节电池(b2)的负极，另一端连接p型功率开关管(q2)的漏极；功率开关管q1与q2的源极相连并接到第一节电池(b1)的负极与第二节电池(b2)的正极；第一电容(c1)一端与第一电阻(r1)相连，另一端接p型功率开关管(q2)的漏极；第一电阻(r1)的另一端接n型功率开关管(q1)的漏极；以此类推，电感l2
n-1的一端接电池(b2
n-1)的正极，另一端连接n型功率开关管(q2
n-1)的漏极；电感l2n的一端接电池(b2n)的负极，另一端连接p型功率开关管(q2n)的漏极；功率开关管q2
n-1与q2n的源极相连并接到电池(b2
n-1)的负极
与电池(b2n)的正极；电容(c2
n-1
)一端与电阻(r2
n-1
)相连，另一端接p型功率开关管(q2n)的漏极；电阻(r2
n-1
)的另一端接n型功率开关管(q2
n-1)的漏极。
38.如图3所示，每一个cuk均衡电路中的p型与n功率开关管的栅极连接相同的驱动信号输出口，当p型功率开关管导通时，对应n型功率开关管断开，反之亦然，可以起到互补输出的作用。通过控制pwm驱动信号占空比调整各功率开关管导通时间，实现能量传递，若pwm占空比为70％，则n型功率开关管在此时间内导通，p型开关管导通时间占一个周期的30％；此时能量由电池b1向电池b2传递，电流方向如左图所示；pwm驱动信号占空比越高，均衡电流越大。若pwm驱动信号占空比为30％，则能量由电池b2向电池b1传递，电流方向如右图所示；pwm驱动信号占空比越低，均衡电流越大。其中，pwm驱动信号占空比大于50％时，能量由电池b1向电池b2传递，占空比越高，均衡电流越大；pwm驱动信号占空比小于50％时，能量由电池b2向电池b1传递，占空比越低，均衡电流越大。
39.基于上述技术方案的机载电池组双向能量均衡控制系统，本实施例还提供一种机载电池组双向能量均衡控制方法，包括：
40.构建如图4所示均衡电路二叉树模型包括如下步骤：
41.步骤1：根据电池总数2n确定二叉树模型层数；
42.步骤2：分层建立二叉树节点；根据图2所示均衡电路中每层cuk子电路数目，分层建立二叉树模型；如第n层共有2
n-1
个cuk子电路，则对应二叉树模型第n层有2
n-1
个节点与之对应，以此类推，第n-1层有2
n-2
个节点，第1层有一个节点。
43.根据图5所示的多层均衡模型与二叉树模型，为便于理解，以8节电池，3层均衡模型为例，判断soc值最大电池到soc值最小电池间经过最少根节点路径，用于选择最短能量传递路径，包括如下步骤：
44.步骤3：计算各电池soc值；
45.步骤4：输出soc值最高与soc值最低电池序号，分别记做i、j，此例中电池soc值最高为电池b1，电池soc最低为电池b8，i＝1、j＝8；
46.步骤5：根据i、j值，找出二叉树模型中与之对应的叶节点序号，如i＝1、j＝8，则对应二叉树节点中i＝b1、j＝b8；
47.步骤6：根据二叉树模型中，i、j序号判断由i到j经过的最少根节点的路径，并记录路径上所经过的根节点序号。由图5所示，电池b1至b8经过的最短根节点路径已用深色标出，路径为1
→
2_1
→
3_1
→
2_2
→
4；对应多层均衡电路中的能量传递路径同样用深色标出。
48.计算各层根节点下分布单体电池的soc和，用于判断双向cuk电路的能量传递方向，包括如下步骤：
49.步骤7：计算各根节点下两个分支的soc值，如图5中根节点1的两个分支soc值为soc(b1)与soc(b2)，根节点2的两个分支soc值为soc(b3)与soc(b4)，根节点2_1两个分支soc值为soc(b1)+soc(b2)与soc(b3)+soc(b4)，根节点3_1两个分支soc值为soc(b1)+soc(b2)+soc(b3)+soc(b4)与soc(b5)+soc(b6)+soc(b7)+soc(b8)。
50.根据最短路径与各层根节点下单体电池soc和，主控制器发送驱动信号，包括如下步骤：
51.步骤8：根据步骤6能量传递路径1
→
2_1
→
3_1
→
2_2
→
4，对路径中所涉及的功率开关管输出pwm驱动信号，若能量传递方向为图3左图所示，则输出较高占空比的pwm驱动信
号，如75％；若能量传递方向为图3右图所示，则输出较低占空比的pwm驱动信号，如25％；对应cuk均衡回路电流较高。其余开关管驱动信号根据传递方向设置较接近50％占空比的驱动信号，若能量传递方向为图3左图所示，则输出稍高占空比的pwm驱动信号，如60％；若能量传递方向为图3右图所示，则输出稍低占空比的pwm驱动信号，如40％。对应cuk均衡回路电流较低。
52.步骤9：确定能量传递方向，根据步骤7计算的各根节点对应分支的soc值，若第一分支的soc值大于第二分支，则能量传递方向如图3左所示；反之如图3右所示。
53.步骤10：主控制器根据步骤8设置的pwm占空比与步骤9中设置的能量传递方向，对各功率开关管输出驱动信号。
54.步骤11：若电池组soc值小于设定阈值，则均衡结束，否则，执行步骤3。
55.以上所述，仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,任何利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其它相关的技术领域,都将包括在本发明的专利保护范围内。