基于改进Buck-Boost均衡电路的电池组充电控制方法

基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法
技术领域
1.本发明属于电池充放电控制领域，具体涉及一种基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法。


背景技术：

2.随着大规模储能系统的迅速发展，电池储能的发展也越来越快。为了满足大容量、高功率的需求，单体电池常常以串并联组合使用，但是由于电池的内部结构的差异和在使用过程中环境温度、充放电倍率、自放电率等的不同，使单体电池间本就存在的不一致性在使用过程中越来越大。电池间的不一致性很容易造成电池的过充和过放，长时间的过充和过放不仅会造成电池的寿命减少，更严重的会造成电池损坏和爆炸。因此，为提高电池的容量利用率和使用效率，保证电池组安全可持续的工作，拥有优异的均衡技术显得非常重要。
3.电池均衡技术主要包含电池均衡拓扑、均衡控制策略这两个部分。传统的buck-boost均衡电路存在一些问题。一方面，传统的均衡电路在电池均衡过程中，因为能量必须通过单节电池之间依次传递，所以当需要均衡的电池数量很多时，整体的均衡效率也会大幅度降低，严重影响电池的使用。另一方面，因为只能相邻电池依次均衡，当不相邻且能量差别很多的两电池想要进行均衡时，会造成不需要均衡的电池累计充放电，产生额外的功率损耗。
4.针对现有技术的不足，研究一种组内组间分步均衡的拓扑电路，组内采用buck-boost电路通过电感传递能量，组间采用反激式变换器来实现不同电池组的充电，采用该均衡拓扑不仅改善了某些电池反复充放电带来的额外功率损耗，还实现均衡时间和开关管损耗的大幅降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法，以4节单体电池组成的电池包作为组间均衡控制的基本单元，电池包内部采用组内均衡电路进行电量均衡，电池包与其它任意电池包之间采用组间均衡电路和反激式变压器实现电池包两两之间的均衡和充电，提高电池均衡效率和灵活性。
6.本发明的技术方案是基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法，所述改进buck-boost均衡电路包括n个电池对，其中第k个电池对与k+1个电池对构成组内均衡电路，k＝1，2
…
n-1，n≥2；所述组内均衡电路包括第k个电池对即串联的电池b
2k-1
、b
2k
和第k+1个电池对即串联的电池b
2k+1
、b
2k+2
以及开关管s
2k-1
、s
2k
、s
2k+1
、s
2k+2
和电感l
k，1
、l
k+1，1
，电感l
k,1
的一端与电池b
2k-1
的负极连接，另一端分别与开关管s
2k-1
的源极、开关管s
2k
的漏极连接，开关管s
2k-1
的漏极与电池b
2k-1
的正极连接，开关管s
2k
的源极与电池b
2k
的负极连接；电感l
k+1,1
的一端与电池b
2k+1
的负极连接，另一端分别与开关管s
2k+1
的源极、开关管s
2k+2
的漏极连接，开关管s
2k+1
的漏极与电池b
2k+1
的正极连接，开关管s
2k+2
的源极与电池b
2k+2
的负极连接。
7.电池b
2k-1
的正极与用于电池对电量均衡的开关管m
k,2
的漏极连接，电池b
2k+2
的负极
与用于电池对电量均衡的开关管m
k+1,1
的源极连接，电感l
k,2
的一端分别与电池b
2k
的负极、电池b
2k+1
的正极连接，电感l
k,2
的另一端分别与开关管m
k,2
的源极、开关管m
k+1,1
的漏极连接。
8.进一步地，每个开关管均反并联续流二极管；
9.k≥2时，用于电池对电量均衡的开关管m
k,1
的漏极与开关管m
k-1,2
的源极连接，并经电感l
k-1,2
与电池b
2k-2
的负极连接。
10.第k个电池对可根据电量均衡的需要与第k+1个电池对或第k-1个电池对进行组内电量均衡。
11.进一步地，所述组内电量均衡，以电池b1、b2、b3、b4构成的组内均衡电路为例，不失一般性地，设单体电池的电量soc
b1
》soc
b2
》soc
b3
》soc
b4
。
12.首先对电池b1、b2进行电量均衡，电池b1、b2的电量均衡包括电池b1放电阶段和电池b2充电阶段，
13.电池b1放电阶段：当t＝t0时，通过pwm信号控制开关管s1导通，通过电池b1、开关管s1和电感l
1,1
形成的回路，将电池b1中的电能量转移到电感l
1,1
上；
14.b2充电阶段：当t＝t1时，开关管s1关断，此时电感l
1,1
通过电池b2、与开关管s2反并联的续流二极管导通，形成回路，电感l
1,1
将电池b1放电阶段储存的电能量释放给电b2，对电池b2充电。
15.电池b3、b4的电量均衡与电池b1、b2的电量均衡类似。
16.再将电池b1、b2构成的电池对和电池b3、b4构成的电池对分别看作一个单元，在电池b1、b2和电池b3、b4间进行电量均衡，相邻的电池对的电量均衡与电池b1、b2的电量均衡类似。
17.优选地，所述改进buck-boost均衡电路还包括组间均衡电路，所述组间均衡电路包括开关管q1、q2和电感l以及多个多选一开关；所述改进buck-boost均衡电路以相邻的电池对即相邻的4节电池构成的电池包作为组间电量均衡的基本单元，与其它电池包进行组间电量均衡，以第k、k+1个电池对与第n-1、n个电池对之间的组间电量均衡为例，用于组间电量均衡的开关管q1的漏极经开关与第k个电池对的电池b
2k+1
的正极连接，用于组间电量均衡的开关管q2的源极经开关与第n个电池对的电池b
2n
的负极连接；用于组间电量均衡的电感l
bg
的一端与开关管q1的源极、开关管q2的漏极连接，电感l
bg
的另一端分别经开关与开关管m
k+1,1
的源极、开关管m
n-1,1
的漏极连接；
18.优选地，所述改进buck-boost均衡电路还包括外部充电电路，所述外部充电电路包括变压器t、开关管q3、电解电容c和二极管d；变压器t的原边绕组的同名端h与外部直流电源的正极连接，变压器t的原边绕组的另一端与开关管q3的漏极连接，开关管q3的源极与外部直流电源的负极连接；开关管q3反并联续流二极管；变压器t的副边绕组的同名端h’与电解电容c的负极连接；变压器t的副边绕组的另一端与二极管d的阳极连接，二极管d的阴极与电解电容c的正极连接；电解电容c的负极作为外部充电电路的负极，电解电容c的正极作为外部充电电路的正极。
19.优选地，变压器t为反激式变压器。
20.所述组间电量均衡，具体过程包括：
21.1)选择确定进行组间电量均衡的电池包，设选定的待组间电量均衡的电池包为第p个电池包与第q个电池包；
22.2)分别控制多选一开关，将第p、q个电池包分别与组间均衡电路、外部充电电路连接；
23.2.1)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的开关管q1的漏极与第p个电池包的第一个电池的正极连接；
24.2.2)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的开关管q2的源极与第q个电池包的第四个电池的负极连接；
25.2.3)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的电感l的远离开关管q1的一端分别与第p个电池包的第四个电池的负极以及第q个电池包的第一个电池的正极连接；
26.2.4)控制多选一开关，使第p个电池包的第一个电池的正极与外部充电电路的正极连接；
27.2.5)控制多选一开关，使第q个电池包的第四个电池的负极与外部充电电路的负极连接；
28.3)控制开关管q1、q2，利用电感l对第p、q个电池包进行电量均衡；
29.4)控制开关管q3，利用外部直流电源和变压器t对第p、q个电池包进行不同程序的充电，直到充满电。
30.基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法包括以下步骤：
31.步骤1：实时采集单体电池电流、电压；
32.步骤2：根据采集的电流、电压估算各单体电池和电池包的soc值；
33.步骤3：计算电池包的soc平均值ε以及电池包内相邻单体电池之间的电量差值δsoc；
34.步骤4：判断ε≥γ是否成立，其中γ表示电量阈值；
35.步骤4.1：若ε≥γ成立，则对电池包内电池进行组内均衡，执行步骤2；
36.步骤4.2：若ε≥γ不成立，则执行步骤5；
37.步骤5：对每个电池包的soc值进行采样；
38.步骤6：比较电池包soc值大小，并进行排序；
39.步骤7：根据步骤6的排序，确定电池包组间均衡的先后顺序；
40.所述确定电池包组间均衡的先后顺序，依次从待组间均衡的电池包列表中取出soc值最大的电池包和soc值最小的电池包配对，进行组间均衡，用于提高电量均衡的效率、效果；
41.步骤8：连接组间均衡电路和外部充电电路，进行均衡、充电；
42.步骤9：判断电池包的电量是否充满，若充满，则结束；否则，执行步骤8。
43.相比现有技术，本发明的有益效果包括：
44.1)本发明以4节单体电池组成的电池包作为组间均衡控制的基本单元，电池包内部采用组内均衡电路进行电量均衡，电池包与其它电池包之间采用组间均衡电路和反激式变压器实现电池包两两之间的均衡和充电，实现了任意电池包之间的电量均衡，增加了电池组的电量均衡的灵活性，提高了电池均衡效率，避免不必要的中间电池参与电量均衡过程，减小开关管损耗和电能损耗，减小了电池均衡时间和电池充电时间；
45.2)本发明实现了组间均衡和电池包充电的并发控制，提高了电池组的充电、均衡的效率；
46.3)本发明实现了高电量的电池包与低电量的电池包配对进行组间均衡和充电，进一步地提高了电量均衡、充电效率。
附图说明
47.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
48.图1为本发明实施例的改进buck-boost均衡电路的电路图。
49.图2为本发明实施例的包含8节电池的改进buck-boost均衡电路的电路图。
50.图3为本发明实施例对电池包p、q进行组间均衡的电路仿真示意图。
51.图4为本发明实施例的包含4节电池的组内均衡电路图。
52.图5为本发明实施例的电池b1、b2进行电量均衡的电感电流波形示意图。
53.图6为本发明实施例的电池组充电控制方法的流程图。
具体实施方式
54.如图1所示，改进buck-boost均衡电路，包括n个电池对，其中第k个电池对与k+1个电池对构成组内均衡电路，k＝1，2
…
n-1，n≥2；所述组内均衡电路包括第k个电池对即串联的电池b
2k-1
、b
2k
和第k+1个电池对即串联的电池b
2k+1
、b
2k+2
以及开关管s
2k-1
、s
2k
、s
2k+1
、s
2k+2
和电感l
k,1
、l
k+1,1
，电感l
k,1
的一端与电池b
2k-1
的负极连接，另一端分别与开关管s
2k-1
的源极、开关管s
2k
的漏极连接，开关管s
2k-1
的漏极与电池b
2k-1
的正极连接，开关管s
2k
的源极与电池b
2k
的负极连接；电感l
k+1,1
的一端与电池b
2k+1
的负极连接，另一端分别与开关管s
2k+1
的源极、开关管s
2k+2
的漏极连接，开关管s
2k+1
的漏极与电池b
2k+1
的正极连接，开关管s
2k+2
的源极与电池b
2k+2
的负极连接；电池b
2k-1
的正极与用于电池对电量均衡的开关管m
k,2
的漏极连接，电池b
2k+2
的负极与用于电池对电量均衡的开关管m
k+1,1
的源极连接，电感l
k,2
的一端分别与电池b
2k
的负极、电池b
2k+1
的正极连接，电感l
k,2
的另一端分别与开关管m
k,2
的源极、开关管m
k+1,1
的漏极连接；每个开关管均反并联续流二极管。
55.如图2和图3所示，改进buck-boost均衡电路还包括组间均衡电路和外部充电电路，所述组间均衡电路包括开关管q1、q2和电感l以及多个多选一开关；所述外部充电电路包括变压器t、开关管q3、电解电容c和二极管d。
56.所述改进buck-boost均衡电路以相邻的电池对即相邻的4节电池构成的电池包作为组间电量均衡的基本单元，与其它电池包进行组间电量均衡，以第k、k+1个电池对与第n-1、n个电池对之间的组间电量均衡为例，用于组间电量均衡的开关管q1的漏极经开关与第k个电池对的电池b
2k+1
的正极连接，用于组间电量均衡的开关管q2的源极经开关与第n个电池对的电池b
2n
的负极连接；用于组间电量均衡的电感l
bg
的一端与开关管q1的源极、开关管q2的漏极连接，电感l
bg
的另一端分别经开关与开关管m
k+1,1
的源极、开关管m
n-1,1
的漏极连接。
57.变压器t的原边绕组的同名端与外部直流电源的正极连接，变压器t的原边绕组的另一端与开关管q3的漏极连接，开关管q3的源极与外部直流电源的负极连接；开关管q3反并联续流二极管；变压器t的副边绕组的同名端与电解电容c的负极连接；变压器t的副边绕组的另一端与二极管d的阳极连接，二极管d的阴极与电解电容c的正极连接；电解电容c的负极经开关与开关管m
n,1
的源极连接，电解电容c的正极与开关管m
k,2
的漏极连接。
58.实施例中，变压器t为反激式变压器。
59.一种实施例中，改进buck-boost均衡电路包含8节单体电池，如图2所示。
60.k≥2时，用于电池对电量均衡的开关管m
k,1
的漏极与开关管m
k-1,2
的源极连接，并经电感l
k-1,2
与电池b
2k-2
的负极连接；
61.第k个电池对可根据电量均衡的需要与第k+1个电池对或第k-1个电池对进行组内电量均衡。
62.以电池b1、b2、b3、b4构成的组内均衡电路为例，如图4所示，不失一般性地，设单体电池的电量soc
b1
＞soc
b2
＞soc
b3
＞soc
b4
，
63.首先对电池b1、b2进行电量均衡，电池b1、b2的电量均衡包括电池b1放电阶段和电池b2充电阶段，
64.电池b1放电阶段：当t＝t0时，通过pwm信号控制开关管s1导通，通过回路
①
，将电池b1中的电能量转移到电感l
1，1
上，在不考虑内阻的情况下，如下公式成立：
[0065][0066][0067]
其中t0表示电感l
1，1
开始充电时刻；表示电感l
1，1
的电压，表示电池b1的电压，表示电感l
1，1
的电流；
[0068]
因为常数，故此时电感电流从0开始线性增加，当t＝t1时，电感电流达到最大值t1表示电感l
1，1
充电结束时刻；
[0069][0070]
式中t
on
表示开关管s1的导通时间；ts表示开关管s1的开关周期；d表示开关管s1的导通的占空比；
[0071]
电池b2充电阶段：当t＝t1时，开关管s1关断，此时电感l
1，1
通过电池b2、与开关管s2反并联的续流二极管导通，形成回路
②
，电感l
1，1
将电池b1放电阶段储存的电能量释放给电b2，对电池b2充电，此时有：
[0072][0073][0074]
式中t2表示电感l
1，1
放电结束时刻；
[0075]
故此时电感电流从最大值线性减小，当t＝t2时，电感电流降为0，此时一个周期结束，波形如图5所示；
[0076]
电池b3、b4的电量均衡与电池b1、b2的电量均衡类似；
[0077]
再将电池b1、b2构成的电池对和电池b3、b4构成的电池对分别看作一个单元，在电池b1、b2和电池b3、b4间进行电量均衡，相邻的电池对的电量均衡与电池b1、b2的电量均衡类似。
[0078]
改进buck-boost均衡电路还所述组间电量均衡，具体过程包括：
[0079]
1)选择确定进行组间电量均衡的电池包，设选定的待组间电量均衡的电池包为第
p个电池包与第q个电池包；
[0080]
2)分别控制多选一开关，将第p、q个电池包分别与组间均衡电路、外部充电电路连接；
[0081]
2.1)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的开关管q1的漏极与第p个电池包的第一个电池的正极连接；
[0082]
2.2)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的开关管q2的源极与第q个电池包的第四个电池的负极连接；
[0083]
2.3)控制多选一开关，使得用于组间电量均衡的电感l的远离开关管q1的一端分别与第p个电池包的第四个电池的负极以及第q个电池包的第一个电池的正极连接；
[0084]
2.4)控制多选一开关，使第p个电池包的第一个电池的正极与外部充电电路的正极连接；
[0085]
2.5)控制多选一开关，使第q个电池包的第四个电池的负极与外部充电电路的负极连接；
[0086]
3)控制开关管q1、q2，利用电感l对第p、q个电池包进行电量均衡；
[0087]
4)控制开关管q3，利用外部直流电源和变压器t对第p、q个电池包进行不同程序的充电，直到充满电。
[0088]
如图6所示，基于改进buck-boost均衡电路的电池组充电控制方法，包括以下步骤：
[0089]
步骤1：实时采集单体电池电流、电压；
[0090]
步骤2：根据采集的电流、电压估算各单体电池和电池包的soc值；
[0091]
步骤3：计算电池包的soc平均值ε以及电池包内相邻单体电池之间的电量差值δsoc；
[0092]
步骤4：判断≥是否成立，其中表示电量阈值；
[0093]
步骤4.1：若≥成立，则对电池包内电池进行组内均衡，执行步骤2；
[0094]
步骤4.2：若≥不成立，则执行步骤5；
[0095]
步骤5：对每个电池包的soc值进行采样；
[0096]
步骤6：比较电池包soc值大小，并进行排序；
[0097]
步骤7：根据步骤6的排序，确定电池包组间均衡的先后顺序；
[0098]
步骤8：连接组间均衡电路和外部充电电路，进行均衡、充电；
[0099]
步骤9：判断电池包的电量是否充满，若充满，则结束；否则，执行步骤8。